[发明专利]基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件及其制备方法，包括衬底、GaN沟道层、GaN/AlN超晶格结构层、p型GaN/AlN掺杂层、MgO栅绝缘层、漏金属电极、源金属电极和栅金属电极；本发明利用超晶格结构的微带效应及固体热扩散法，增强势垒层中的p型掺杂效率，简单高效地实现了高性能的增强型GaN HEMT器件。

技术领域

本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件及其制备方法。

背景技术

基于GaN及相关Ⅲ族氮化物材料(AlN、InN)的HEMT器件是目前化合物半导体电子器件的研究热点。与第二代半导体GaAs相比，GaN具有宽禁带、临界击穿电场高、电子饱和速度高、热导率高、抗辐照能力强等优势，因此GaN HEMT具有优异的高频、耐压、耐高温、耐恶劣环境特性，被大量应用在射频微波以及功率开关等领域。

AlGaN/GaN异质结界面处的自发极化及压电极化，使得常见的AlGaN/GaN异质结之间能够产生浓度大约为10¹³cm^-2的面电荷密度，因此GaN HEMT器件是天然的耗尽型器件。这种耗尽型器件在射频微波应用中要使用负的开启电压，使电路结构变得复杂而且电路的防误启保护功能也会受到影响，降低电路的安全性，因此有必要开展增强型GaN HEMT器件的研究，简化电路设计和降低制备成本。

目前实现商业化增强型GaN HEMT器件的主流方法是p型栅技术。p型栅是通过在栅极和势垒层之间插入p型氮化物，将异质结的导带底提高费米能级之上，从而实现增强型。由于p型栅增强型器件不需要对栅进行额外工艺处理，不存在栅不稳定性问题，可靠性高，因此成为了GaN功率器件商业化的首选结构。但p型栅增强型器件仍面临刻蚀损伤和p型掺杂难度高等问题。由于选区外延技术难度较大，因此目前p型栅主要通过原位生长p-GaN/AlGaN/GaN，再将栅外区域的p-GaN刻蚀完全所得，故器件对刻蚀精度要求很高，而且无法避免对器件造成损伤。同时，p型GaN掺杂(通常采用受主Mg)浓度低，受主激活率也不高，因此无法充分耗尽栅下2DEG，难以实现高阈值电压。此外，p型栅还存在栅控能力弱及栅极漏电较大等一系列问题，制约了功率器件的进一步推广应用。因此，亟需寻求一种新型的技术手段以简单高效的实现增强型GaN HEMT器件。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件及其制备方法。本发明利用GaN/AlN超晶格结构所具有的微带效应来降低受主Mg的激活能，通过固体热扩散对栅下区域的GaN/AlN超晶格结构层进行p型掺杂，与下方材料形成pn结，耗尽栅下的二维电子气，从而实现增强型器件。

本发明采用如下技术方案：

一种基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件，包括衬底、GaN沟道层、GaN/AlN超晶格结构层、p型GaN/AlN掺杂层、MgO栅绝缘层、漏金属电极、源金属电极和栅金属电极；

所述衬底、GaN沟道层及GaN/AlN超晶格结构层由下至上依次层叠；

所述GaN/AlN超晶格结构层是由GaN势阱层、AlN势垒层交替周期性生长构成；

所述MgO栅绝缘层及p型GaN/AlN掺杂层依次位于栅金属电极下方，所述p型GaN/AlN掺杂层位于GaN/AlN超晶格结构层中；

所述漏金属电极和源金属电极分别位于GaN/AlN超晶格势垒层的两侧区域，漏金属电极和源金属电极与GaN/AlN超晶格势垒层之间形成欧姆接触；

所述栅金属电极位于MgO栅绝缘层的上方区域，栅金属电极与MgO栅绝缘层和超晶格势垒层形成金属-绝缘层-半导体结构。

进一步，在GaN/AlN超晶格结构层中，AlN势垒层位于GaN沟道层上方。