[发明专利]一种凹陷式Fin-JFET栅结构HEMT及制作方法

说明书

本发明公开了一种凹陷式Fin‑JFET栅结构HEMT及制作方法，属于微电子与固体电子学领域，由下至上生长有衬底、缓冲层、沟道层、势垒层、P‑GaN层和栅电极，沟道层两侧生长有源电极和漏电极；在p‑GaN层中形成n‑GaN区域，将由栅电极与P‑GaN层构成的肖特基二极管等效为pn二极管Dpn，并在二极管Dpn两端并联一由栅极电压控制的常开型Fin‑JFET，Fin‑JFET一端通过欧姆接触与源电极连接；P‑GaN层下方的势垒层有一凹陷区域，用于提高器件栅控能力，且能够与鳍横向尺寸共同决定器件阈值电压，降低阈值电压对鳍横向尺寸的依赖以及对横向工艺尺寸的要求。

技术领域

本发明涉及微电子与固体电子学技术领域，尤其涉及一种凹陷式Fin-JFET栅结构HEMT及制作方法。

背景技术

III族氮化物属于第三代半导体材料，具有禁带宽度大、电子饱和速度高、且耐高温、耐高压、抗辐射等优良特性，是制备电力电子器件的理想材料。GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)相较于基于Si、GaAs材料的电力电子器件在高温、高频、大功率领域具有更广阔的应用前景。异质结是GaN基HEMT器件的基本结构，由于GaN材料独特的自发极化和压电极化效应，GaN基HEMT器件沟道处天然存在高浓度的二维电子气。P型栅技术是通过在势垒层上生长一层p-GaN来耗尽沟道处的二维电子气，此种方法工艺可控性强，能够大规模重复生产，是极有发展前景的一种增强型制作方法。

商用p-GaN HEMT器件最常见栅极结构如图1所示，由上至下依次为栅金属/p-GaN/AlGaN/GaN的叠层结构，栅金属与p-GaN之间通常采用肖特基接触，等效电学模型如图1所示，为一个由栅金属和p-GaN构成的肖特基二极管D_SJ和一个由p-GaN/AlGaN/GaN构成的p-i-n二极管D_pin背向串联，存在阈值电压对工艺制备要求高、阈值电压调控能力弱且阈值电压低（2V），栅压摆幅小，阈值电压易发生漂移等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的问题，提供一种凹陷式Fin-JFET栅结构HEMT及制作方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种凹陷式Fin-JFET栅结构HEMT，包括沿器件垂直方向由下至上层叠生长的衬底、缓冲层、沟道层、势垒层、P-GaN层和栅电极，沟道层与势垒层形成异质结，势垒层具有宽于沟道层的带隙，且异质结界面存在大量二维电子气（2DEG）。沟道层两侧相对生长有源电极和漏电极，源电极、漏电极在垂直方向到达势垒层并贯穿P-GaN层，且源电极、漏电极均为欧姆接触电极。其中，衬底的材质为Si、金刚石、SiC、蓝宝石、GaN中的任意一种；缓冲层为含AlN、AlGaN、GaN、SiN的任意一种或组合；异质结为III族-氮化物系材料，如GaN、 AlGaN、InN、AlN、InGaN、InAlGa中的两种或者多种的组合，如AlGaN/GaN、AlInN/GaN、AlGaN/InGaN/GaN或AlGaN/AlN/GaN。

进一步地，在p-GaN层中通过离子注入形成n-GaN区域，将由传统栅电极与P-GaN层构成的肖特基二极管等效为pn二极管Dpn，并在二极管Dpn两端并联一由栅极电压控制的常开型Fin-JFET（鳍式结型场效应晶体管），Fin-JFET一端通过欧姆接触与源电极连接。需要进一步说明的是，本申请在p-GaN层引入了常开型Fin-JFET，即P-GaN层为鳍式结构P-GaN层。

更进一步地，所述P-GaN层下方的势垒层有一凹陷区域。

在一示例中，所述P-GaN层为鳍式结构P-GaN层；在P-GaN层中通过离子注入形成n-GaN区域， n-GaN区域上生长有栅电极，栅电极为n-GaN欧姆接触电极；P-GaN层表面生长有欧姆接触金属电极，该欧姆接触金属电极与源电极相连；所述P-GaN层下方的势垒层刻蚀有一凹陷区域。优选地，本示例中在P-GaN层两侧通过离子注入形成两个n-GaN区域，两个n-GaN区域上均生长有栅电极。

在一示例中，所述n-GaN区域深度为60nm-400nm。