[发明专利]一种增强型氮化镓器件结构及其制备方法

说明书

本发明涉及一种增强型氮化镓器件结构及其制备方法，结构包括：衬底层；GaN缓冲层，位于衬底层之上；AlGaN势垒层，位于GaN缓冲层之上，AlGaN势垒层的凹槽结构包括相通的第一凹槽和第二凹槽；第一P型氮化镓栅帽层、第二P型氮化镓栅帽层设置在凹槽结构中；栅电极位于P型氮化镓栅帽层之上；源电极和漏电极位于AlGaN势垒层上表面的两端；钝化层位于AlGaN势垒层之上；栅场板位于钝化层之上。本发明的增强型氮化镓器件结构避免了削弱器件栅控能力的问题，兼顾了器件的优秀输出特性与较高的阈值电压，较好地保留了氮化镓器件高温稳定性好、载流子迁移率高的特点。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种增强型氮化镓器件结构及其制备方法。

背景技术

半导体器件指利用硅、氮化镓等半导体材料所制成的、用来完成特定功能的电子器件，它们的体积小，集成度高，应用范围极为广泛。在通信、交通、医疗、军事等许多领域中，半导体器件都发挥着关键作用，半导体技术已经深入我们生活中的方方面面。随着我国半导体事业飞速发展，对于各种半导体器件的需求越发旺盛，半导体的应用更是已经遍及各个领域。

半导体材料的发展至今已经历了三代：作为第一代半导体材料的代表，硅(Si)材料凭借成熟的工艺水平与较低的成本已经占据了半导体市场的大部分份额，但由于硅材料本身特性的限制，例如禁带宽度与载流子迁移率等，导致在高压等领域硅基器件并不能得到广泛应用。之后，以砷化镓(GaAS)为代表的第二代半导体材料逐渐开始发展，由于具有高电子迁移率，GaAS在高频领域的表现较为出色，之后便携式电子产品的发展更加扩大了GaAs的市场份额。目前对器件在环境非常恶劣的情况下(例如强电场、强磁、强辐射等环境)的可靠性提出了较高要求。如今高速发展的第三代半导体很好地满足了这一需求。目前，第三代半导体以氮化镓等宽禁带材料为主，凭借大的禁带宽度与高的击穿电场等优异特性成为研究热点。再加上近年来半导体器件在高压大功率场景的广泛应用，使得实现性能优良的增强型氮化镓半导体器件变得空前重要。

传统异质结半导体器件所产生的高浓度载流子主要来源于对异质结中的势垒层进行高浓度N型故意掺杂，杂质电离出的电子被异质结交界面的量子势阱限制，只能进行平面移动，从而形成二维电子气。但对于AlGaN/GaN(铝镓氮/氮化镓)异质结来讲，由于材料强烈的极化效应，在异质结交界面处不需故意掺杂即可出现高浓度的二维电子气。因此，普通氮化镓器件的导电沟道是常开的，即耗尽型器件。增强型器件不需要额外栅极负电压来关断器件，能显著降低电路关态下的静态功耗与开关损耗。并且由于氮化镓器件在高频与高功率条件下的性能较为出色，故经常被用于频率与输出功率较高的应用环境中，这些环境出于安全和简化驱动器电路等原因，需要常关操作，所以研究制造性能优良可靠的增强型氮化镓器件是十分重要且有意义的。随着器件设计越来越复杂、集成度越来越高，增强型器件的节能、设计简便等优点越来越突出，而现有的实现增强型器件的手段均具有明显缺陷，例如输出电流过小、栅控能力过低、高温环境下不稳定等，这些问题严重地阻碍了器件的实际应用，亟待得到有效的解决。而解决这些问题的方法，是设计出一种能够兼顾较高输出电流、较高阈值电压、较好栅控能力、高温环境下较强稳定性的新型增强型氮化镓器件结构，此问题的突破，可以大力推动氮化镓器件更快更广泛地进入实际应用阶段，促进我国新材料半导体事业的快速发展。

目前可以利用氟离子注入技术制备增强型氮化镓器件结构，氟离子注入技术主要利用F基等离子体对栅极下方区域的AlGaN势垒层进行处理。利用离子注入方法，将带有负电荷的F离子进行加速，使之注入异质结的栅极下方区域。进入AlGaN势垒层后，带有负电荷的F离子对下方沟道的二维电子气起到耗尽作用，导致二维电子气沟道连续性被破坏，增强型性能得以实现。

但是，在F离子注入工艺过程中，会有部分F离子进入到GaN缓冲层，这部分F离子由于散射作用使得沟道载流子迁移率降低；F离子在AlGaN势垒层中存在温度不稳定性，导致温度升高，器件阈值电压负漂现象明显，器件可靠性不理想。

发明内容