[發明專利]一種增強型高遷移率氮化鎵半導體器件及其制備方法

有效

• 申請號: 202110299527.9
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN113054002B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發明（設計）人: 孫慧卿;譚秀洋;夏凡;夏曉宇;馬建鋮;張淼;郭志友
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/20;H01L21/331;H01L29/739
• 代理公司: 佛山粵進知識產權代理事務所(普通合伙) 44463
• 代理人: 耿鵬

本發明涉及一種增強型高遷移率氮化鎵半導體器件及其制備方法，該器件包括依次層疊的藍寶石襯底、AlN成核層、GaN緩沖層、AlGaN梯度緩沖層、GaN/In_0.12GaN超晶格背壘層、AlGaN中間層及InAlGaN勢壘層，位于勢壘層上的源極金屬、漏極金屬和p?AlGaN柵極，位于p?AlGaN柵極表面的p?GaN柵極層與柵極金屬的自對準結構，p?GaN柵極層位于p?AlGaN柵極表面靠近源極的一側。本發明的器件具有電子遷移率高，擊穿電壓高，緩沖漏電流小，開關穩定，抑制短溝道效應，器件可靠性高的優勢，可應用于短柵電子器件以及高溫大功率器件。

技術領域

本發明涉及微電子技術領域，具體涉及一種增強型高遷移率氮化鎵半導體器件及其制備方法

背景技術

現有的電力半導體市場以硅的功率器件為主，過去20年，硅功率器件每隔十年提高5-6倍的電力密度，但已經接近理論極限，很難期待接下來的性能方面的改進。

氮化鎵是一種新型寬禁帶化合物半導體材料，具有許多硅基半導體材料所不具備的優良特性，如3.14eV的寬禁帶寬度，高達3×10⁶V/cm的擊穿電場，以及較高的熱導率，且耐腐蝕，抗輻射。相比硅或砷化鎵，氮化鎵半導體具有更寬的帶隙、更高的擊穿場強和更高的電子飽和漂移速度等優點。另外，相對硅電力半導體，氮化鎵電力半導體具有低溫抵抗特性，這具有隨著電力半導體而產生的轉換損失最少化及系統消費電力最少化等優點。氮化鎵半導體器件通過小型化，高電壓，高速轉換來實現低損失、高效率的新一代電力器件，主要在產業網、電力網、信息和通信技術等領域需求不斷增加。

但是氮化鎵電力半導體在高品質氮化鎵供給上較難，要利用藍寶石或硅襯底來進行生長。然而，如果氮化鎵基氮化物半導體是在這種異質襯底上形成的，因為襯底的晶格常數和熱膨脹系數與氮化物半導體的晶格常數和熱膨脹系數不同，在氮化物半導體的更大厚度允許晶片彎曲的情況下，很可能會出現問題，例如裂紋進入已生長的半導體薄膜。因此，在盡可能減小半導體厚度的同時，保證半導體的擊穿電壓和可靠性是非常重要的。

發明內容

針對現有技術中存在的技術問題，本發明的首要目的在于提供一種電子遷移率高，擊穿電壓高，緩沖漏電流小，開關穩定，抑制短溝道效應，器件可靠性高，可應用于短柵電子器件以及高溫大功率器件的增強型高遷移率氮化鎵半導體器件及其制備方法。基于該目的，本發明至少提供如下技術方案：

一種增強型高遷移率氮化鎵半導體器件，其包括，依次層疊的藍寶石襯底、AlN成核層、GaN緩沖層、AlGaN梯度緩沖層、GaN/In_0.12GaN超晶格背壘層、AlGaN中間層及InAlGaN勢壘層，位于所述InAlGaN勢壘層上的源極金屬、漏極金屬和p-AlGaN柵極，位于所述p-AlGaN柵極表面的p-GaN柵極層與柵極金屬的自對準結構，位于所述自對準結構、p-AlGaN柵極和InAlGaN勢壘層表面的介電層，以及位于所述介電層上與所述柵極金屬接觸并朝向所述漏極延伸的場板，其中，所述p-GaN柵極層與柵極金屬的自對準結構位于所述p-AlGaN柵極表面靠近所述源極的一側；

所述AlGaN梯度緩沖層包括依次層疊的Al_0.3GaN緩沖層、Al_0.24GaN緩沖層、Al_0.18GaN緩沖層、Al_0.12GaN緩沖層和Al_0.06GaN緩沖層，所述InAlGaN勢壘層為InN/AlN/GaN短周期超晶格結構。

進一步的，所述InAlGaN勢壘層為厚度為12nm的In_0.17Al_0.42Ga_0.41N勢壘層。

進一步的，所述GaN/In_0.12GaN超晶格背壘層的周期數為20，單個周期中，GaN的厚度為2nm，In_0.12GaN的厚度為3nm。