[发明专利]氟扩散实现增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其方法

说明书

本发明公开了一种氟扩散实现增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其方法。所述的方法包括：提供包含第一半导体和第二半导体的异质结，所述第二半导体形成在第一半导体上，且具有宽于所述第一半导体的带隙，所述异质结中形成有二维电子气；至少在所述第二半导体的栅下区域上设置含氟材料层，并通过高温退火处理使含氟材料层中的氟离子扩散进入第二半导体，从而在所述第二半导体的栅下区域内形成氟离子掺杂区，所述氟离子掺杂区用于耗尽栅下区域的二维电子气；以及制作源极、漏极和栅极。本发明的方法通过退火将含氟材料层中的氟离子扩散到器件沟道层，避免了刻蚀造成损伤以及因离子注入工艺引入的损伤问题，降低了器件的制备成本。

技术领域

本发明特别涉及一种氟扩散实现增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其方法，属于半导体技术领域。

背景技术

GaN作为第三代半导体材料，因具备禁带宽度大、击穿电场高、电子迁移率高、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强、热导率高等优越性能，是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景。AlGaN/GaN异质结构因为极化效应可以产生高浓度和高电子迁移率的二维电子气。AlGaN/GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)作为功率开关器件最高工作频率可以达到10MHz。因此，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)能够获得很高的击穿电压、功率密度以及极高的工作频率，且开关损耗非常小。

通常AlGaN/GaN异质结在制备完成时已经形成二维电子气导电沟道，制备出来的器件都是耗尽型器件(D-HEMT)，在栅极加负偏压的时候才能关断。但在实际电路应用中，如果引入负压源使之关断，增加电路的复杂性和成本，同时存在安全隐患，此时需要一种加正栅压才能开启的增强型HEMT(E-HEMT)器件。实现从耗尽型到增强型的转变的关键在于消耗二维电子气，氟离子具有很强的负电性，可提高肖特基栅的有效势垒高度，耗尽二维电子气，实现增强型HEMT器件。对于GaN材料的晶体管，目前最大的技术难题就是实现增强型器件的解决方案。由于极化效应的作用，AlGaN/GaN HEMT器件天然形成的是耗尽型的器件，一般需要对栅下的AlGaN等势垒层进行刻蚀，通过消除栅下的极化效应来实现增强型。另一方案是在表面增加一层p型GaN或p型AlGaN，通过能带将2DEG耗尽，但是需要对栅以外的几十纳米厚度的p型GaN或p型AlGaN进行刻蚀，这两种方案都面临刻蚀的均匀性、重复性和引入损伤等问题。

现阶段使用氟离子实现的手段十分单一，例如在栅下使用氟离子提高势垒消耗二维电子气实现AlGaN/GaN增强型HEMT，现有技术中一种基于GaN材料的增强型晶体管方案如图1-1所示，其采用氟等离子体注入的方式实现了增强型器件，其阈值电压为0.9V，最大饱和电流为350mA/mm，最大跨导为180mS/mm。这是首次实现GaN HEMT真正意义上的增强型特性(阈值电压为正，并且V_GS＝0V时跨导为0)；但是离子注入会对材料造成损伤引起晶体缺陷，从而导致漏电增加，影响器件的电学性能，且工艺较为复杂成本较高。又或者基于槽栅结构的E-HEMT器件，现有技术中一种基于GaN材料的增强型晶体管方案如图1-2所示，其通过蚀刻如反应性离子蚀刻RIE(刻蚀气体诸如SF₆、CF₄、C₂F₆、C₃F₈、CHF₃、NF₃和F₂)将栅下的AlGaN势垒层刻蚀掉一部分，当势垒层薄到一定程度时，栅下2DEG密度将减小到可以忽略的程度，而栅源、栅漏等区域不受刻蚀影响，这些区域的2DEG密度维持原有水平；但槽栅结构的E-HEMT器件弱点主要是AlGaN势垒层的厚度以及槽栅刻蚀深度的精准控制比较困难，因此工艺重复性差，阈值电压的可控性较差；另外，刻蚀损伤大，导致栅漏电较大，而刻蚀气体(如CF₄等)在刻蚀表面会吸附氟离子再进行退火存在不稳定性，无法确定性，不能提供稳定充足的掺杂源，而且实现增强型的主要原因还是凹槽刻蚀。

发明内容