[发明专利]一种包含介质层的p型栅HEMT器件及其制作方法

说明书

本发明公开了一种包含介质层的p型栅HEMT器件及其制作方法。所述HEMT器件包括：异质结，其包括第一半导体和形成于第一半导体上的第二半导体，所述第二半导体具有宽于第一半导体的带隙，且异质结中形成有二维电子气；第三半导体，其位于栅下区域并能够将异质结内分布于栅下区域的二维电子气耗尽；第四半导体，其分布于栅极与漏极之间以及栅极与源极之间；介质层，其由绝缘材料组成，并分布于异质结和栅极之间；源极、漏极以及栅极，源极与漏极能够通过所述二维电子气电连接。本发明在HEMT器件的栅极下方引入介质层，可以显著减小栅极漏电和提高栅极正向最大安全工作电压，增大阈值电压。

技术领域

本发明涉及一种HEMT器件，具体涉及一种包含介质层的p型栅HEMT器件及其制作方法，属于半导体电子开关器件技术领域。

背景技术

Ⅲ族氮化物半导体作为重要的第三代半导体材料，拥有大禁带宽度、高击穿电场、高电子迁移率、高饱和电子速率等优良特性，在工业、电力系统、交通运输、通讯、消费电子等领域有广泛的应用前景。Ⅲ族氮化物半导体异质结构因为极化效应可以产生高浓度(>10¹³cm^-2)和高电子迁移率(>10³cm²/V·s)的二维电子气。基于Ⅲ族氮化物半导体异质结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)作为功率开关器件最高工作频率可以达到10MHz。但是高浓度的二维电子气使通常制造的HEMT都是常开型器件(耗尽型器件)。在实际电路应用中，耗尽型器件需要引入负压源使之关断，既增加电路的复杂性和成本，又存在安全隐患。

制备增强型器件需要改变栅极结构使栅下沟道原有的二维电子气耗尽。以AlGaN/GaN HEMT为例，实现增强型的主要方案有①凹槽栅结构，对栅下的AlGaN进行刻蚀；②F离子处理，在栅下的AlGaN势垒中注入F离子；③Cascode结构，将耗尽型的AlGaN/GaN HEMT器件和增强型Si金属氧化物半导体场效应器件(MOSFET)器件连接；④p型栅结构，在栅极和AlGaN层之间插入p-(Al)GaN层，此方案实现的增强型AlGaN/GaN HEMT阈值电压稳定，并且已实现商业化。但是p型栅AlGaN/GaN HEMT的栅极结构类似一个pin二极管，在栅极施加一定正压情况下会发生导通现象，产生栅极漏电，不仅影响正向安全工作电压(通常只有6V)，而且增加开关损耗影响转换效率。

近年来，有研究人员研发了以下几种现有AlGaN/GaN HEMT结构：

第一，部分p-GaN的AlGaN/GaN HEMT器件

如图1所示，通过在栅极(G)和AlGaN层之间插入p-GaN层，并且对栅以外的几十纳米厚度的p-GaN进行刻蚀制备增强型AlGaN/GaN HEMT。利用p-GaN提高AlGaN/GaN界面沟道处势垒到费米能级之上，使得栅极下方的导电沟道断开，将二维电子气耗尽，实现增强型。但是本方案实现的器件存在以下缺陷：①阈值低；②在栅极施加一定正压情况下会发生导通现象，正向栅漏电大；③栅极正向最大安全工作电压小，抗干扰能力弱；④需要对栅以外的几十纳米厚度的p-GaN进行刻蚀，工艺控制困难。

第二，高阻GaN盖帽层的AlGaN/GaN HEMT器件

如图2所示，通过在栅极(G)和AlGaN层之间插入p-GaN层，耗尽栅极下方的二维电子气，实现增强型器件，并且使用氢等离子处理等方法使栅以外的几十纳米厚度的p-GaN钝化，形成高阻GaN盖帽层，实现增强型AlGaN/GaN HEMT。本方案解决了方案一中的工艺控制问题，但本方案实现的增强型器件仍存在以下缺陷：①阈值低；②在栅极施加一定正压情况下会发生导通现象，正向栅漏电大；③栅极正向最大安全工作电压小，抗干扰能力弱。

第三，凹栅结构的MIS-HEMT器件