[发明专利]GaN高阈值电压增强型MOSHFET器件及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种GaN高阈值电压增强型MOSHFET器件及制备方法。

背景技术

半导体功率开关器件是电能传输和控制过程中所必需的功能元器件。而以GaN为代表的第三代半导体材料制成的功率开关器件，由于具有宽禁带、高击穿电场强度、高热导率、高饱和电子漂移速度、异质结界面二维电子气浓度高等优异的材料性能，成为目前半导体功率开关器件研究热点。与传统Si基功率器件相比，GaN基功率开关器件具有开关速度快、损耗低、耐热温度高等优点，是下一代节能功率器件的理想替代品。

在以变流技术为基础的电力电子装置中，控制变流过程的功率开关晶体管都是常关型的(又称增强型)，这一点是保证电力电子回路“失效安全”的基础。实现增强型GaN功率开关器件的制备是目前国际科技界和产业界公认的科技难点。目前实现增强型GaN基场效应晶体管器件的主流技术方案主要有以下两种：传统的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）及基于AlGaN/GaN异质结的异质结场效应晶体管（HFET）。

传统的MOSFET在p-GaN层的源漏极区域，通过离子注入或者合金的方法形成n+接入区，同时在栅极加一定的正电压，使MOS结构工作在反型状态，在p-GaN层表面形成n型导电沟道，实现器件导通。传统的MOSFET可有效提高器件阈值电压，减少漏电流，但是由于对GaN材料进行离子注入较为困难，所形成的n+接入区质量不高。同时，由于p型GaN掺杂效率较低，器件也存在导通电阻较大，电流密度较低等缺点。

而基于AlGaN/GaN异质结的异质结场效应晶体管（HFET）实现增强型器件主要有两种技术方案，凹栅技术和F离子注入技术。凹栅技术是指在传统的AlGaN/GaN HFET器件上的栅极区域，通过干法刻蚀技术刻出一个凹槽，在凹槽中制作肖特基栅极电极，以此有利于耗尽AlGaN/GaN界面处的2DEG，实现增强型器件，同时可保留接入区的AlGaN/GaN异质结构，利用接入区高浓度2DEG降低导通电阻。而F离子注入技术则是指通过在栅极下AlGaN势垒层注入F离子等带负电的离子，将导电沟道中的2DEG耗尽，从而实现增强型。

凹栅和F离子注入技术在减少器件导通电阻，增大电流密度等方面，同传统MOSFET技术相比具有很大的优势，但是其也具有一些较为明显的缺点。一. 凹栅技术和F离子注入技术用到的等离子体处理会造成晶格损伤，影响器件的稳定性和可靠性；二. 阈值电压较低，AlGaN/GaN增强型HFET器件的阈值电压通常在0～1V左右，无法有效避免关态时外界噪声对系统的干扰，离实际需要的5V以上阈值电压还有较大的差距，难以满足实际器件的要求；三. 由于采用肖特基栅，在栅压达到阈值电压后继续增大时，栅极正向电流将迅速增大使栅极失去对沟道的控制作用，无法实现器件大电流特性。

为了解决传统肖特基栅极 HFET器件存在的上述缺点，近期有科学家采用了混合结构MOS-HFET技术方案。该方案在栅极区域将凹栅和MOS结构相结合，可有效提高阈值电压并降低栅极漏电流，同时利用接入区高浓度2DEG降低器件接入区电阻，提高电流密度。MOSHFET器件结合了MOSFET和HFET二者的优势，是比较理想的技术路线。但是由于MOS结构半导体层都是非掺杂的u-GaN层，器件工作在积累区，阈值电压通常在0～1V左右，离实际工作需要的5V以上还有一定距离，而且等离子体刻蚀工艺会造成材料表面晶格损伤，会降低器件的可靠性及稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服普通混合型MOSHFET器件阈值电压较低，等离子体刻蚀造成晶格损伤等缺点，提供了一种GaN基增强型MOSHFET器件及其制备方法。本发明结合了MOSHFET高电流密度，低栅极漏电流的特性，采用选择区域二次生长技术，利用p-GaN层作为MOS结构半导体层，进一步增大器件的阈值电压同时修复刻蚀工艺造成的晶格损伤，提高器件性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种GaN高阈值电压增强型MOSHFET器件，包括衬底及生长于衬底之上的外延层，其中，外延层由下往上依次包括应力缓冲层、GaN层及异质结构势垒层，在栅极区域刻蚀异质结构势垒层至GaN层形成一凹槽，并在凹槽上选择生长p型GaN层，p型GaN层及异质结构势垒层表面沉积有绝缘介质层，在异质结构势垒层表面源极及漏极区域刻蚀绝缘介质层，栅极区域蒸镀栅极金属，源、漏极区域上蒸镀欧姆接触金属。