[发明专利]一种GaN增强型MIS-HFET器件及其制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及半导体器件及其制备方法，尤其涉及一种用于高温大功率开关器件中的GaN增强型MIS-HFET器件及其制备方法。

背景技术

GaN基宽禁带半导体因为具备高击穿电场、高电子饱和漂移速率和高热导率等特性，同时采用异质结构可以形成高浓度的二维电子气，这些优点使得GaN在大功率电子器件领域有很广阔的应用前景。

在实际应用中，增强型功率器件可以满足“失效安全”要求。然而由于GaN的极化效应，AlGaN/GaN异质结构的界面处形成高浓度的二维电子气，使得直接采用AlGaN/GaN异质结构制备的器件为耗尽型器件，即当栅极在零偏压的条件下器件处于导通状态，不符合“失效安全”要求。此外，为了避免噪声等因素造成器件的误操作，还要求增强型器件具有较高的阈值电压。因此，如何采用AlGaN/GaN异质结构制备具有较高正向阈值电压的增强型功率器件，是目前研究的热点。

传统上实现增强型GaN场效应晶体管器件的技术路线主要有肖特基栅场效应晶体管和金属绝缘层半导体场效应晶体管(MISFET)。

对于肖特基栅场效应晶体管，实现增强型的主要方法是采用凹栅结构，即通过对栅极区域利用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀凹槽，减小沟道的二维电子气（2DEG）浓度，使器件达到常关的效果，同时在栅极处蒸镀Ni/Au电极，与AlGaN形成肖特基接触，实现对器件开启、关断的控制。此外，离子注入也是一种常用的技术，通过对栅极区域的AlGaN进行等离子体处理，注入如氟离子等的负离子对沟道的二维电子气进行耗尽，使器件达到常关的效果。采用上述方法制备的功率器件，其优点是具有较小的导通电阻（R_ON），并且能够实现常关；其缺点是栅极漏电流过大，阈值电压仅为0到1V之间，同时由于栅极区域经过等离子体处理后造成晶格损伤，对器件的稳定性和可靠性产生影响。

对于GaN基金属绝缘层半导体场效应晶体管(MISFET)，与传统金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）相似，为了实现常关特性，对GaN进行p型掺杂获得p型衬底，源漏两端区域则进行n型重掺，并蒸镀电极形成欧姆接触，栅极区域沉积绝缘层后蒸镀电极，形成MIS结构。当栅极加较大的正向偏压时，GaN靠近绝缘层界面处形成反型层作为导电沟道，器件处于导通状态。这种GaN基MISFET虽然能实现常关特性，但是由于导通电阻较大等缺点，实际上并不适用于直接制备大功率器件。

目前，为了克服传统的增强型GaN场效应晶体管器件的上述缺点，现在实现GaN增强型功率器件的主要技术路线为采用金属绝缘层半导体（MIS）和异质结场效应晶体管（HFET）的混合结构，即MIS-HFET。栅极处采用MIS结构，可以降低器件的栅极漏电流，提高器件的阈值电压；利用AlGaN/GaN异质结构形成的高浓度二维电子气作为导电通道，可以降低器件的导通电阻，提高器件的输出功率。

从目前的研究成果看来，采用MIS-HFET结构获得GaN增强型功率器件是一种理想的技术路线，但是通过ICP在栅极区域刻蚀凹槽，或者在栅极区域注入离子的方法，虽然可以使器件实现常关特性，但是也带来以下问题：首先是上述方法制备的器件的阈值电压不能达到实际应用的要求；其次等离子体处理对栅极区域的沟道造成的晶格损伤，对器件的可靠性和稳定性造成影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种稳定性和可靠性高、并且具有高阈值电压的GaN增强型MIS-HFET器件及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种GaN增强型MIS-HFET器件，包括栅极、源极、漏极、绝缘介质层和衬底（1），所述衬底上由下往上依次设有应力缓冲层、第一GaN层（3）和选择生长层，所述选择生长层包括第二GaN层和其上的异质层；所述选择生长层中部具有贯通的凹槽沟道，在凹槽沟道底面覆盖有p型GaN层，所述p型GaN层的厚度小于等于第二GaN层的厚度；异质层上表面的两侧位置覆盖有欧姆接触金属分别形成源极和漏极，绝缘介质层覆盖于器件的上表面除源极和漏极位置外的区域，栅极覆盖于绝缘介质层上的凹槽沟道处。

上述的GaN增强型MIS-HFET器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、在衬底上，依次生长应力缓冲层、第一GaN层和p型GaN层；

步骤二、在p型GaN层上，均匀生长一层介质层，然后刻蚀接入区的介质层，保留栅极区域的介质层作为掩膜层； 

步骤三、刻蚀接入区的p型GaN层，保留栅极区域的p型GaN层；