[发明专利]基于复合势垒层结构的III族氮化物增强型HEMT及其制作方法

说明书

本发明公开了一种基于复合势垒层结构的III族氮化物增强型HEMT及其制作方法。所述HEMT包括分别作为沟道层、势垒层的第一、第二半导体，作为p型层的第三半导体，源极、漏极以及栅极等；其中势垒层上对应于栅极的区域内形成有凹槽结构，其与第三半导体及栅极配合形成p型栅，并且第二半导体包括依次设置于第一半导体上的第一、第二结构层；相对于选定刻蚀试剂，第一结构层较之第二结构层具有更高耐刻蚀性能。本发明的HEMT结构可被更为精确地调控，同时还具有更佳器件性能，如正向栅极漏电和栅阈值电压摆幅被显著改善，器件阈值电压的片内均匀性可以得到保证，同时其更易于制作，适用于规模生产。

技术领域

本发明涉及一种场效应晶体管器件，特别涉及一种基于复合势垒层结构的III族氮化物增强型HEMT及其制作方法，属于半导体技术领域。

背景技术

相比于传统的硅基MOSFET，基于AGaN/AlN/GaN等异质结的高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)具有低导通电阻、高击穿电压、高开关频率等独特优势，从而能够在各类电力转换系统中作为核心器件使用，在节能减耗方面有重要的应用前景，因此受到学术界、工业界的极大重视。然而，由于III族氮化物材料体系的极化效应，一般而言，基于AlGaN/AlN/GaN异质结的HEMT均是耗尽型(常开)，该类型的器件应用于电路级系统中时，需要设计负极性栅极驱动电路，以实现对器件的开关控制，这极大增加了电路的复杂性与成本。此外，耗尽型器件在失效安全能力方面存在缺陷，因此，无法真正实现商业化应用。为解决该问题，基于p型栅技术制备增强型HEMT是一种可行的方案，即在传统HEMT外延结构基础上，在AlGaN势垒层上外延生长p型层，从而在整个外延片范围内形成pn结，空间电荷区(主要分布于势垒层与沟道层中)对沟道处二维电子气进行有效耗尽。由于增强型HEMT仅要求栅极下方的电子被耗尽，在后续的芯片工艺过程中，需要在外延片上对非栅极区域进行刻蚀，将耗尽的二维电子气(2-Dimensional electron gas,2DEG)重新恢复，如图1所示。

上述基于选区刻蚀的技术路线中，有源区异质结一般采用AlGaN/AlN/GaN结构，为获得优良的器件常关性能，即较高的正向阈值电压，一般而言，势垒层Al组分不能偏高、厚度不能偏厚。然而，这同时意味着沟道载流子浓度降低，器件输出特性(导通电阻、饱和输出电流)无法达到最佳。因此，常规的有源区结构设计很难获得器件常关性能与输出特性的共同优化。

为解决该问题，有研究人员通过槽栅刻蚀，利用p型层再生长和刻蚀技术，制备基于p型栅技术的增强型HEMT，如图2所示。该结构由于栅极区域具有较薄的势垒层，非栅极区域具有较厚的势垒层，可以实现阈值电压和导通特性的同步优化。然而，由于其栅极区域仍然采用低Al组分、薄势垒层结构，对于p型层空穴与沟道层电子而言，势垒均偏低，因此极易导致器件正向栅极漏电增大，栅阈值电压摆幅变低，无法满足器件实际工作的可靠性需求，而且在其槽栅制备过程中采用了电化学腐蚀、慢速刻蚀技术，故工艺复杂难以控制，不利于进行规模生产。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于复合势垒层结构的III族氮化物增强型HEMT及其制作方法，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种基于复合势垒层结构的III族氮化物增强型HEMT，包括异质结、具有第二导电类型的第三半导体、源极、漏极以及栅极；所述异质结包括具有第一导电类型的第一半导体和第二半导体，所述第二半导体设置于第一半导体上并具有宽于第一半导体的带隙，至少在所述第二半导体上对应于栅极的区域内还形成有凹槽结构，所述第三半导体至少局部设置于所述凹槽结构中，所述源极与漏极能够通过形成于所述异质结内的二维电子气电连接，所述栅极设置于源极与漏极之间并与第三半导体连接；所述第二半导体包括设置于第一半导体上的第一结构层和设置于第一结构层上的第二结构层，并且，相对于选定刻蚀试剂，所述第一结构层较第二结构层具有更高耐刻蚀性能。