[发明专利]一种提高GaN增强型MOSFET阈值电压的新型外延层结构

说明书

本发明公开了一种提高GaN增强型MOSFET阈值电压的新型外延层结构及基于该结构的器件制备方法，涉及电力电子器件及功率开关领域。新型结构自下而上包括：衬底、GaN缓冲层、本征GaN层、Mg掺杂P型GaN层、GaN沟道层和AlGaN势垒层。在该结构上用凹槽栅工艺形成钝化层、凹槽栅、平面隔离、绝缘栅介质层、欧姆接触以及栅和源漏欧姆金属电极即可制备出高阈值电压增强型GaN MOSFET。本发明在本征GaN层中插入P型GaN层，将其完全刻蚀后，沟道反型区域除了本征GaN层还有P型GaN层，由此可以极大提高器件的阈值电压。有利于解决GaN增强型器件在实际应用中的可靠性问题，扩宽了其在功率开关领域的应用。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及基于化合物半导体材料的电力电子器件及功率开关领域。

背景技术

宽禁带半导体GaN因其突出的材料性能，例如高击穿场强、高电子饱和迁移率等，而被认为是下一代高效率功率开关领域十分有前景的竞争者。此外，由于极强的自发极化效应，在常规的AlGaN/GaN异质结界面天然存在着浓度可高达10¹³cm^-2的二维电子气(2DEG)，2DEG的迁移率可高达2000cm²/V·S，这一优势使得基于AlGaN/GaN异质结的GaN电力电子器件能有更快的开关速度，但同时也意味着常规异质结高迁移率晶体管(HEMT)为耗尽型器件，即在零栅压下，器件处于常开态，器件阈值电压为负值。然而在实际应用中，对于功率电子系统的安全操作而言，为了确保只加正栅压偏置时器件才有工作电流，增强型器件是必不可缺的。因此，国内外众多研究人员一直在致力于实现高性能的增强型GaN HEMT。

目前主要有两种方式来实现GaN基器件的增强型操作，一是将一个低压增强型硅基MOSFET和一个高压耗尽型GaN器件采用共源共栅结构集成封装成一个能实现增强型操作的系统；二是直接采用增强型高压GaN功率器件。共源共栅结构的优势主要是栅控在硅基MOSFET上，而GaN基器件的栅并没有被直接控制，这样使得该系统在零偏压时没有工作电流，在阈值电压以上的正向偏压时，又能利用常开的GaN基器件快速开启。然而毕竟栅控没有直接作用在GaN基器件上，功率开关的转换效率控制就不太好，而这又会极大地影响系统的安全操作以及脉动噪声，因此直接栅控的高压增强型GaN功率器件依然十分有必要。

增强型GaN功率器件的实现主要有以下两种方法：1.在AlGaN/GaN异质结表面生长一层P-type GaN层，合理地设计该层的厚度以及掺杂即可有效地耗尽异质结界面处的2DEG，从而实现常关型GaN功率器件，P-Type GaN栅结构虽然能够得到阈值电压一致性很好的增强型器件，但是由于P型GaN生长困难，材料质量差导致栅可靠性并不好。2.减薄栅区域的AlGaN层厚度，消除栅下的固有正极化电荷从而耗尽异质结界面处的2DEG实现常关型GaN功率器件，该法制得的金属-绝缘栅结构(MIS)器件虽然能得到不错的栅可靠性器件且工艺简单，但该器件的阈值电压很难做的很正，换言之很难保证零偏压下的绝对关断状态。

发明内容

为了解决上述方法2实现增强型GaN功率器件技术的缺点，本发明着眼于AlGaN/GaN异质结外延层结构的设计，提出一种新型外延层结构，采用简单易于实现的传统干法刻蚀工艺去除AlGaN势垒层，即可制备得到阈值电压很正的增强型GaN功率器件。

本发明提出的新型外延层结构自下而上包括：衬底、GaN缓冲层、本征GaN层、Mg掺杂P型GaN层、本征GaN沟道层以及本征AlGaN势垒层，如附图1所示。该新型外延层结构在2DEG下方的本征GaN层中插入了一层Mg掺杂P型GaN层，采用传统栅槽刻蚀工艺，栅下方刻蚀到P-type GaN层以下，形成栅下方的沟道，相比于传统外延层结构去除AlGaN势垒层后形成的沟道，该结构中多出了两侧的P-type GaN沟道，也就是说，器件完全开启，不仅需要本征GaN层的反型，还需要P-type GaN沟道的反型，由此器件的阈值电压将会比传统外延层结构制备出来的增强型器件要大。