[实用新型]一种高阈值电压高迁移率凹槽栅MOSFET结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及半导体外延工艺的技术领域，更具体地，涉及一种高阈值电压高迁移率凹槽栅MOSFET结构。

背景技术

氮化镓（GaN）材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、电子饱和漂移速度大、热导率高等优点，十分适合制作大功率、高频、高温电力电子器件。在电力电子应用领域，为了满足失效安全，场效应晶体管(FET)器件必须实现常关型(又称增强型)工作，而且在某些场合阈值电压需要至少为4-5V。而对于常规的AlGaN/GaN异质结场效应晶体管(HFET)，由于界面高浓度、高迁移率的二维电子气(2DEG)的存在，即使在外加栅压为零时，器件也处于开启状态（常开型器件）。为了解决这些问题，采用MOS结构的绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)是一条有效的技术路线。

GaN基凹槽栅MOSFET器件在保留接入区2DEG浓度（不牺牲器件导通特性）的前提下，通过部分或者完全刻蚀栅极区域AlGaN势垒层而达到降低甚至完全去除零偏压时栅极下方的2DEG，且能采用MOS结构栅极而实现了常关型、低漏电流及高栅极电压摆幅。部分刻蚀势垒层能有效保留电子沟道而获得高的场效应迁移率，但是残留的势垒层会和栅极金属及栅介质层形成MOSHFET而降低阈值电压。相反地，完全刻蚀势垒层能获得高的阈值电压，但是电子沟道产生在栅介质层和GaN之间，强的界面散射导致场效应迁移率偏低。此外，凹槽刻蚀工艺中，传统的等离子体干法刻蚀会对沟道区域的晶格造成损伤，湿法刻蚀虽然能有效去除等离子损伤但是长时间处理在GaN沟道层的表面亦能观测到大量的刻蚀孔洞，进而影响MOS界面的可靠性和稳定性。因此有必要寻求一种新的GaN基凹槽栅MOSFET的结构，以克服传统工艺中的缺点，从而获得更高的迁移率及阈值电压。

发明内容

本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种高阈值电压高迁移率凹槽栅MOSFET结构，可以有效提高沟道迁移率及阈值电压。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种高阈值电压高迁移率凹槽栅MOSFET结构，其中，包括在衬底上生长的应力缓冲层；在应力缓冲层上生长的GaN外延层；在GaN外延层上生长的一层低铝组分AlGaN势垒层；在低铝组分AlGaN势垒层上沉积的一层GaN刻蚀终止层；在GaN刻蚀终止层上生长的一层高铝组分AlGaN势垒层；去除栅极区域的高铝组分AlGaN势垒层；沉积p型氧化物栅极；在源极和漏极区域蒸镀上源极和漏极欧姆接触金属；在凹槽栅极区域蒸镀金属与p型氧化物形成欧姆接触。

进一步的，所述的衬底为 Si 衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底中的任一种。

所述的应力缓冲层厚度为10 nm~5 μm。

所述的GaN外延层为非故意掺杂的GaN外延层或掺杂的高阻GaN外延层，所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；GaN外延层厚度为100 nm~20 μm。

所述的AlGaN势垒层为低铝组分AlGaN，AlGaN层厚度为0-20 nm，且铝组分浓度可在0-15%变化。

所述的GaN刻蚀终止层为高质量、低位错密度的GaN刻蚀终止层；终止层厚度为0 nm~20nm。

所述的AlGaN势垒层为高铝组分AlGaN，AlGaN层厚度为0-50 nm，且铝组分浓度可在15-40%变化。

所述的AlGaN势垒层中，与GaN刻蚀终止层之间还可以插入一AlN薄层，厚度为1-10 nm。

所述的p型氧化物栅极为高质量的NiO、Cu₂O、ZnO等材料或者其组合，厚度为1-500 nm。

所述的源极和漏极材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金；栅电极加厚金属为Ni/Au合金、In/Au合金或者Pd/Au合。

与现有技术相比，有益效果是：本实用新型利用叠层势垒层结构，GaN插入层作为湿法刻蚀终止层既能去除等离子体损伤, 又可以保留低铝组分AlGaN而形成低二维电子气浓度的沟道，并结合p型氧化物栅极对沟道载流子浓度进行调控，从而在提高沟道迁移的同时获得高的阈值电压。

附图说明

图1-11为本实用新型实施例1的器件制作方法工艺示意图。

图12为本实用新型实施例2的器件结构示意图。

图13为本实用新型实施例3的器件结构示意图。

具体实施方式