[发明专利]一种纵向短开启栅极沟道型HEMT器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种纵向短开启栅极沟道型HEMT器件及其制备方法。

背景技术

功率开关器件在可再生能源发电和军用设施电力系统控制等众多领域具有广泛的应用前景。传统的硅基功率器件性能已经接近材料的理论极限。作为下一代宽禁带半导体材料的典型代表，氮化镓(GaN)具有大的带隙、高的临界击穿电场、高的饱和电子漂移速率和好的化学稳定性等特点。它的异质结构(以AlGaN/GaN为代表)界面存在大密度的界面极化电荷，可以诱导出高密度的二维电子气(2DEG)(＞10¹³cm^-2)作为导电沟道，并且由于GaN沟道材料无故意掺杂，电子在沟道内能够保持很高的迁移率(＞1000cm²V^-1s^-1)。因此，相对于Si和SiC等其他材料，GaN基材料功率器件具有更低的开关损耗和更优的频率特性，特别适合制作高电子迁移率晶体管(HEMT)。

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(耗尽型)和常关型(增强型)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、节能同时简化电路设计等方面优势，因此具有更加重要的研究价值和更加广阔的应用市场。GaN基异质结构(如AlGaN/GaN)界面由于存在高密度带正电的极化电荷，通过极化电场可以诱导材料中的电子并使之束缚在异质结构界面处，形成在二维平面运动的2DEG导电沟道。HEMT器件为了实现常关型操作，在实际器件制作过程中需要切断栅极下2DEG沟道，因此需要对栅极AlGaN势垒层进行额外的工艺加工。目前常规的方法都是基于削弱或者抵消异质结构界面处极化电荷所形成强电场的原理，主要的方案有栅极势垒层刻蚀形成凹槽栅和氟离子注入势垒层形成氟化栅两种方案。

图1a为现有技术一给出的HEMT器件的结构示意图。如图1a所示，AlGaN作为势垒层，AlGaN/GaN界面由于大量的带正电极化电荷而诱导高密度2DEG出现在该界面。2DEG沟道由于上面势垒层被直接刻蚀而切断，不平整的GaN刻蚀表面将作为器件开启的导电沟道。图1a示出的为栅极AlGaN势垒层刻蚀形成凹槽栅方案的器件，在器件制备过程中，直接刻蚀掉栅极AlGaN势垒层可以削弱原界面处极化电荷所形成的电场，可以切断2DEG沟道而达到常关型操作，但是，这种方法以不平整的栅极GaN刻蚀表面作为器件开启的导电沟道，器件的导通电阻一般比较大。图1b为现有技术二给出的HEMT器件的结构示意图。如图1b所示，栅极区域AlGaN势垒层通过氟离子注入而带负电从而排斥AlGaN/GaN界面处的2DEG，因此该方案可以使器件实现常关型操作。引入氟离子杂质的AlGaN/GaN界面沟道将作为器件开启的导电沟道。图1b示出的为氟离子注入势垒层形成氟化栅结构常关型GaN基HEMT器件，利用氟离子带负电荷形成的电场抵消原极化电荷形成电场，可以抑制2DEG在栅极区域的形成而达到常关型操作的目的。然而，注入到栅极区域的氟离子将有相当部分进入GaN材料中，由于散射明显，异质界面处的电子迁移率将明显降低，因此器件的导通电阻同样增大。另外，采取氟离子注入的方法还难以获得足够大而稳定的器件开启阈值电压。上述势垒层刻蚀和氟离子注入方案都容易造成栅极下面2DEG沟道界面的破坏和电子散射的增加，从而导致器件开启导通电阻变大，导通电流降低。

另一方面，上述两种传统的HEMT器件栅极结构一般是通过常规光学光刻来实现，栅极长度较大，一般在2～3μm范围，器件开关速度和导通电阻都受到影响。如何在常规的光学光刻工艺条件下有效减小HEMT器件的栅极控制沟道长度是个技术创新问题。

发明内容

本发明主要解决常关型HEMT器件中，现有AlGaN势垒层刻蚀或者氟离子注入形成的栅极结构技术方案，分别造成栅极下面用于电流输运的2DEG沟道界面的破坏和沟道内电子散射的增加，从而导致器件开启导通电阻变大，导通电流降低的技术问题，提出一种新型的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件及其制备方法，能够实现器件常关类型大阈值电压的同时有效减小器件的导通电阻。另外，制备的器件栅极结构还具有电容小，器件开关速度快等特点。

本发明提供了一种纵向短开启栅极沟道型HEMT器件，包括：

衬底；

位于所述衬底上的缓冲层；

位于所述缓冲层上的第一GaN层，所述第一GaN层背离缓冲层的一侧具有凹槽；