[發明專利]一種高閾值電壓常關型高電子遷移率晶體管及其制備方法

有效

• 申請號: 201910361958.6
• 申請日: 2019-04-30
• 公開（公告）號: CN110190116B
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發明（設計）人: 黃火林;孫仲豪
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01L29/20
• 分類號: H01L29/20;H01L29/41;H01L21/335;H01L29/778
• 代理公司: 大連智高專利事務所(特殊普通合伙) 21235
• 代理人: 馬慶朝

一種高閾值電壓常關型高電子遷移率晶體管及其制備方法，屬于半導體器件技術領域。技術方案：在襯底上依次生長成核層和外延層，外延層上方為勢壘層、源極和漏極，勢壘層和外延層形成異質結結構，二者接觸界面由極化電荷誘導產生二維電子氣，勢壘層上方為鈍化層，柵區勢壘層上方為柵極蓋帽層，柵極蓋帽層上方為經表面等離子體氧化技術處理形成氧化物介質層或者直接沉積單層或者多重柵介質插入層，柵介質插入層上方為柵極，柵極與鈍化層接觸，在鈍化層上、柵極向漏極方向延伸有場板。有益效果:本發明實現常關型器件類型的同時能保持大的導通電流密度；通過提高勢壘層導帶位置從而提高該常關型器件的柵極耐壓和閾值電壓。

技術領域

本發明屬于半導體器件技術領域，尤其涉及一種高閾值電壓常關型高電子遷移率晶體管及其制備方法。

背景技術

繼第一代半導體材料(Ge、Si等)與第二代化合物半導體材料(GaAs、InP等)之后，氮化鎵(GaN)作為第三代新型寬禁帶半導體材料的重要代表得到迅速發展，并成為功率半導體領域研究的前沿和熱點。GaN基(以GaN為主，包含GaN、AlN、InN以及它們的成分組合等)半導體材料具有大的禁帶寬度、高的電子飽和速度以及耐高溫高壓、抗輻照等優良特性，可以彌補第一、二代半導體材料的不足，在功率開關器件和微波射頻領域具有廣泛的應用前景。另外，GaN基異質結(以AlGaN/GaN為代表)界面的自發極化和壓電極化電荷將誘導產生高密度的二維電子氣(2DEG)(～10¹³cm^-2)，由于受輸運維數限制以及材料無需故意摻雜，該2DEG溝道具有明顯增大的電子遷移率(～2000cm²V^-1s^-1)。這一特性使GaN基異質結構在研制高性能高電子遷移率晶體管(HEMT)方面具有明顯的優勢，特別是在1000V以下的中低壓芯片市場具有明顯的技術優勢。

國內外在GaN基功率器件領域開展研究已經有超過20年的時間，目前市場上已經有少量200V以下的GaN基器件產品，其應用主要是在低壓射頻和消費類電源轉換領域。但是在400～1000V范圍，GaN技術不夠成熟，其產品還未受市場檢驗，主要原因有兩方面。一方面是器件后端封裝、匹配電路以及可靠性驗證方面需要進一步深入研究；另一方面是常關型器件設計和研究距離向市場推廣還有較大距離。功率開關器件按照器件導通時是否需要在柵極施加開啟偏壓分為常開型和常關型兩種類型。常關型功率開關器件在柵極不施加偏壓情況下，器件即處于關斷狀態，相對于常開型類型，常關型器件在實際應用中具有更安全、節能、簡化電路設計等方面的優勢，因此具有更加重要的研究價值和更加廣闊的應用市場。本專利申請即針對常關型GaN基材料功率器件進行結構創新和技術制作。

目前實現HEMT功率器件的常關型操作有多種技術，主要有柵極勢壘層刻蝕形成凹槽柵、氟離子注入形成氟化柵以及柵極生長p型蓋帽層三種方案。凹槽柵方案通過部分或者全部刻蝕掉AlGaN勢壘層來削弱或者直接切斷2DEG，從而獲得常關型操作，該方案要求精確刻蝕勢壘層，對于大面積器件，柵極刻蝕深度均勻性較難控制；氟離子注入柵極方案利用帶負電荷的氟離子排斥2DEG可以達到常關型操作目的，但在應用推廣過程中，器件中氟離子分布的熱穩定性和性能可靠性問題難以克服；柵極p型蓋帽層是個較好的技術方案，該技術保留良好的2DEG溝道，利用其附加內建電場將2DEG溝道界面的導帶提升到費米能級上方，從而獲得常關型操作，該技術方案能獲得較高的導通電流密度，適合產業化推廣，目前主要存在的問題是柵耐壓和閾值電壓較小。因此，針對該問題，如何對器件結構進行創新設計，引入新型加工技術，從而提高p型蓋帽層方案中器件耐壓和閾值電壓，是業內急需解決的技術難題。

發明內容

為了解決上述現有技術中存在的問題，本發明提供一種高閾值電壓常關型高電子遷移率晶體管及其制備方法，該晶體管實現常關型器件類型的同時能保持大的導通電流密度，在此基礎上進一步增大的器件柵極耐壓和閾值電壓。

技術方案如下：