[发明专利]一种高阈值电压常关型高电子迁移率晶体管及其制备方法

说明书

一种高阈值电压常关型高电子迁移率晶体管及其制备方法，属于半导体器件技术领域。技术方案：在衬底上依次生长成核层和外延层，外延层上方为势垒层、源极和漏极，势垒层和外延层形成异质结结构，二者接触界面由极化电荷诱导产生二维电子气，势垒层上方为钝化层，栅区势垒层上方为栅极盖帽层，栅极盖帽层上方为经表面等离子体氧化技术处理形成氧化物介质层或者直接沉积单层或者多重栅介质插入层，栅介质插入层上方为栅极，栅极与钝化层接触，在钝化层上、栅极向漏极方向延伸有场板。有益效果:本发明实现常关型器件类型的同时能保持大的导通电流密度；通过提高势垒层导带位置从而提高该常关型器件的栅极耐压和阈值电压。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，尤其涉及一种高阈值电压常关型高电子迁移率晶体管及其制备方法。

背景技术

继第一代半导体材料(Ge、Si等)与第二代化合物半导体材料(GaAs、InP等)之后，氮化镓(GaN)作为第三代新型宽禁带半导体材料的重要代表得到迅速发展，并成为功率半导体领域研究的前沿和热点。GaN基(以GaN为主，包含GaN、AlN、InN以及它们的成分组合等)半导体材料具有大的禁带宽度、高的电子饱和速度以及耐高温高压、抗辐照等优良特性，可以弥补第一、二代半导体材料的不足，在功率开关器件和微波射频领域具有广泛的应用前景。另外，GaN基异质结(以AlGaN/GaN为代表)界面的自发极化和压电极化电荷将诱导产生高密度的二维电子气(2DEG)(～10¹³cm^-2)，由于受输运维数限制以及材料无需故意掺杂，该2DEG沟道具有明显增大的电子迁移率(～2000cm²V^-1s^-1)。这一特性使GaN基异质结构在研制高性能高电子迁移率晶体管(HEMT)方面具有明显的优势，特别是在1000V以下的中低压芯片市场具有明显的技术优势。

国内外在GaN基功率器件领域开展研究已经有超过20年的时间，目前市场上已经有少量200V以下的GaN基器件产品，其应用主要是在低压射频和消费类电源转换领域。但是在400～1000V范围，GaN技术不够成熟，其产品还未受市场检验，主要原因有两方面。一方面是器件后端封装、匹配电路以及可靠性验证方面需要进一步深入研究；另一方面是常关型器件设计和研究距离向市场推广还有较大距离。功率开关器件按照器件导通时是否需要在栅极施加开启偏压分为常开型和常关型两种类型。常关型功率开关器件在栅极不施加偏压情况下，器件即处于关断状态，相对于常开型类型，常关型器件在实际应用中具有更安全、节能、简化电路设计等方面的优势，因此具有更加重要的研究价值和更加广阔的应用市场。本专利申请即针对常关型GaN基材料功率器件进行结构创新和技术制作。

目前实现HEMT功率器件的常关型操作有多种技术，主要有栅极势垒层刻蚀形成凹槽栅、氟离子注入形成氟化栅以及栅极生长p型盖帽层三种方案。凹槽栅方案通过部分或者全部刻蚀掉AlGaN势垒层来削弱或者直接切断2DEG，从而获得常关型操作，该方案要求精确刻蚀势垒层，对于大面积器件，栅极刻蚀深度均匀性较难控制；氟离子注入栅极方案利用带负电荷的氟离子排斥2DEG可以达到常关型操作目的，但在应用推广过程中，器件中氟离子分布的热稳定性和性能可靠性问题难以克服；栅极p型盖帽层是个较好的技术方案，该技术保留良好的2DEG沟道，利用其附加内建电场将2DEG沟道界面的导带提升到费米能级上方，从而获得常关型操作，该技术方案能获得较高的导通电流密度，适合产业化推广，目前主要存在的问题是栅耐压和阈值电压较小。因此，针对该问题，如何对器件结构进行创新设计，引入新型加工技术，从而提高p型盖帽层方案中器件耐压和阈值电压，是业内急需解决的技术难题。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种高阈值电压常关型高电子迁移率晶体管及其制备方法，该晶体管实现常关型器件类型的同时能保持大的导通电流密度，在此基础上进一步增大的器件栅极耐压和阈值电压。

技术方案如下：