[发明专利]一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体领域，公开了一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管及制备方法，具体涉及GaN MISFET器件栅极介质层与GaN界面的改进方法。

背景技术

GaN材料作为第三代宽禁带半导体材料的代表，具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大和热导率高等优越的性能。GaN基功率开关器件通常利用AlGaN/GaN异质结构界面处高浓度、高迁移率的二维电子气工作，使器件具有导通电阻小、开关速度快的优点，十分适合制作大功率、高频、高温电力电子器件。

高阈值常关型开关器件的实现是GaN电力电子器件面临的一个重要挑战，是目前学术界与产业界公认的一个科技难点。常关型器件可以保证电路系统的失效安全，而高的阈值电压可以提高器件抗干扰的能力，且同时要有稳定的阈值电压，确保器件稳定可靠的工作。我们用干法蚀刻加选择区域原位外延GaN/SiN结构形成凹槽栅极区域，采用凹槽型MIS栅结构实现器件常关，避免了传统的干法刻蚀带来的等离子体损伤，其中MIS栅主要是为了降低栅极漏电流，增大栅压范围。Si基器件中可采用热氧化方法制备高质量Si/SiO2MIS界面结构，然而对于GaN基器件，MIS栅的引入增加了一些额外的不良因素，如界面态、介质层缺陷等，造成器件工作的不稳定性问题。目前离位方法制备得到GaN MIS界面质量普遍不佳，导致MIS界面系统中存在较高的界面态密度和栅介质层缺陷。在介质层与GaN接触界面存在的Ga的本体氧化物是引发高界面态的重要因素，劣化器件特性，影响器件工作的稳定性。

发明内容

本发明的目的主要在于提高现有技术方案中栅极介质层/GaN界面的质量，降低MIS界面态密度，提高栅极区域沟道电子的迁移率，提供一种能够实现高阈值电压稳定性、低导通电阻、高输出电流密度常关型GaN MISFET器件及其制作方法。

本发明在一次外延高质量的AlGaN/GaN基板上，通过选区蚀刻形成凹槽，再在蚀刻形成的凹槽中原位二次外延GaN/SiN结构，其中SiN作为器件栅介质层，原位二次外延的GaN/SiN结构能有效减少或去除介质层/GaN界面处Ga-O的生成，减少杂质沾污等，使得MIS界面态密度得到有效降低，使MIS界面电子迁移率增大，导通电阻减小，稳定性增强，提高了器件的性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管及制备方法，其结构由下往上依次包括衬底、应力缓冲层、GaN外延层、AlGaN外延层、蚀刻形成的凹槽及原位二次外延GaN/SiN结构、两端形成源极和漏极、凹槽沟道处的绝缘层上覆盖有栅极。

该凹槽呈U型或梯型结构。

所述衬底为Si衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底中的任一种。

所述应力缓冲层为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为100nm～20μm。

所述GaN外延层为非故意掺杂的GaN外延层或掺杂高阻GaN外延层，所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；GaN外延层厚度为100nm～20μm。

所述的AlGaN外延层厚度为5-50nm，且铝组分浓度5％-50％。

所述的AlGaN势垒层材料还可以为AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合；所述的AlGaN势垒层与GaN层之间还可以插入一AlN薄层，厚度为1-10nm。

所述的二次外延层为高质量原位GaN(6)/SiN(7)结构，其中GaN层只选区生长于槽区，SiN层作为器件栅介质层及钝化层，GaN层厚度为1-100nm，SiN层厚度为1-100nm。

所述的源极和漏极材料包括但不限于Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金，其他能够实现欧姆接触的各种金属或合金均可作为源极和漏极材料；栅极材料包括但不限于Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Al/Ti/TiN合金，其他能够实现高阈值电压的各种金属或合金均可作为栅极材料。

一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管的制作方法，包括以下步骤：

S1、在Si衬底上生长应力缓冲层；

S2、在应力缓冲层上生长GaN外延层；

S3、在GaN外延层上生长AlGaN外延层；

S4、在AlGaN外延层上沉积一层SiO2，作为掩膜层；

S5、通过光刻的方法，保留形成源、漏极区域之上的掩膜层；