[发明专利]一种常闭型高电子迁移率晶体管及制造方法

说明书

本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种常闭型高电子迁移率晶体管及制造方法。本发明通过两次选区外延的方法，对栅极位置的栅极AlGaN层和P型层，以及栅极之外区域的AlGaN势垒层可以单独进行设计和生长，组分，厚度等可精确控制，从而实现阈值电压、导通时栅极下方的二维电子气浓度和导通时栅极之外导电沟道的二维电子气浓度的最优化设计，互不干扰，同时整个制造过程中没有涉及干法刻蚀，而是代之以湿法选择性腐蚀，最大程度的保护了晶体管表面质量，避免了干法刻蚀带来的不利后果。基于本发明制造方法获得的常闭型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其高阈值电压、阈值电压一致性、低导通电阻、高稳定性等性能可以兼得。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种常闭型高电子迁移率晶体管及制造方法。

背景技术

相比于第一、二代半导体材料，第三代半导体GaN材料具有禁带宽度大、击穿场强高、电子迁移率大、抗辐射能力强等优点，GaN基高电子迁移率晶体管在无线通信基站、雷达、汽车电子等高频大功率领域具有极大的发展潜力。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(AlGaN/GaN HEMT)结构的出现是基于1975年T.Mimura等人以及1994年M.A.Khan等人所描述的现象：在AlGaN和GaN异质结构界面区域显示出异常高的电子迁移率，通常被称为二维电子气(2DEG)。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管通常有常开型和常闭型两种，其中常开型容易获得，可以用在低压、高频场合，而在大功率开关转换应用场合，为了安全和栅极控制电路简单起见，通常需要常闭型结构，且希望阈值电压较高。相比于常开型结构，常闭型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管制作难度较大。要获得常闭型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，需要在不加栅极偏压的情况下使栅极下方的二维电子气耗尽。使栅极下方的二维电子气耗尽有很多方法，一种方法是降低AlGaN势垒层的Al组分，然而这种方法在耗尽栅极下方二维电子气的同时，也会使其他区域的二维电子气浓度下降，从而造成导通电阻的增加；第二种方法是在栅极下方注入带负电荷的F离子来耗尽二维电子气，这种方法会引起阈值电压的漂移，带来不稳定性，同时会造成导通电阻一定程度的升高；第三种方法是将栅极下方的AlGaN势垒层刻蚀去除，代之以一定厚度的绝缘层，从而形成MIS型常闭结构，这种方法形成的阈值电压较低，同时会造成导通电阻一定程度的升高；第四种方法是在栅极和AlGaN势垒层之间插入一层P型层(P-GaN或者P-AlGaN，且仅存在于栅极下方)，通过提升AlGaN势垒层的导带高度使栅极下方的二维电子气耗尽。

第四种方法，即在栅极和AlGaN势垒层之间插入一层P型层的方法，是目前制作常闭型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的最主流的方法。在这种方法中，为了能尽可能的提升栅极之外导电沟道的二维电子气浓度，AlGaN势垒层通常具有较高的Al组分和较大的厚度，但当这样的AlGaN势垒层存在于栅极下方时，获得的阈值电压较低，同时还需要干法刻蚀掉栅极之外区域的P型层，以确保P型层不影响栅极之外导电沟道的二维电子气浓度，然而干法刻蚀很难保证恰好停止在P型层和AlGaN势垒层的界面，要么剩余一些P型层，要么刻蚀掉一些AlGaN势垒层，还会在刻蚀表面形成损伤层影响性能，而且片内(这里片内指在晶体管制造过程中的晶圆片，下同)不同区域、不同批次之间的刻蚀均匀性均无法有效保证，不利于获得稳定性能的常闭型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管。为了能在保证导电沟道二维电子气浓度较高的前提下进一步提升阈值电压，科研人员想到了一些办法：

(1)在生长P型层前，通过干法刻蚀减薄栅极区域的AlGaN势垒层，然后再生长P型层，这样就能获得栅极区域AlGaN势垒层较薄的结构，可有效提升阈值电压。然而这种方法依然有干法刻蚀的固有缺点，片内不同区域和不同批次之间获得的栅极下方的AlGaN势垒层厚度不均匀，从而造成阈值电压在较大范围内变化，不利于获得一致性较好的器件。同时，这种方案也未解决干法刻蚀栅极之外区域的P型层所带来的问题。