一種縱向短開啟柵極溝道型hemt器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，尤其涉及一種縱向短開啟柵極溝道型HEMT器件。
【背景技術(shù)】
[0002]功率開關(guān)器件在可再生能源發(fā)電和軍用設(shè)施電力系統(tǒng)控制等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的硅基功率器件性能已經(jīng)接近材料的理論極限。作為下一代寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代表，氮化鎵(GaN)具有大的帶隙、高的臨界擊穿電場、高的飽和電子漂移速率和好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。它的異質(zhì)結(jié)構(gòu)(以AlGaN/GaN為代表)界面存在大密度的界面極化電荷，可以誘導(dǎo)出高密度的二維電子氣(2DEG) (> 113CnT2)作為導(dǎo)電溝道，并且由于GaN溝道材料無故意摻雜，電子在溝道內(nèi)能夠保持很高的迀移率(> 100cm2V4iT1)。因此，相對于Si和SiC等其他材料，GaN基材料功率器件具有更低的開關(guān)損耗和更優(yōu)的頻率特性，特別適合制作高電子迀移率晶體管(HEMT)。
[0003]功率開關(guān)器件按照器件導(dǎo)通時是否需要在柵極施加開啟偏壓分為常開型(耗盡型)和常關(guān)型(增強(qiáng)型)兩種類型。常關(guān)型功率開關(guān)器件在柵極不施加偏壓情況下，器件即處于關(guān)斷狀態(tài)，相對于常開型類型，常關(guān)型器件在實(shí)際應(yīng)用中具有更安全、節(jié)能同時簡化電路設(shè)計(jì)等方面優(yōu)勢，因此具有更加重要的研宄價值和更加廣闊的應(yīng)用市場。GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)(如AlGaN/GaN)界面由于存在高密度帶正電的極化電荷，通過極化電場可以誘導(dǎo)材料中的電子并使之束縛在異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處，形成在二維平面運(yùn)動的2DEG導(dǎo)電溝道。HEMT器件為了實(shí)現(xiàn)常關(guān)型操作，在實(shí)際器件制作過程中需要切斷柵極下2DEG溝道，因此需要對柵極AlGaN勢皇層進(jìn)行額外的工藝加工。目前常規(guī)的方法都是基于削弱或者抵消異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處極化電荷所形成強(qiáng)電場的原理，主要的方案有柵極勢皇層刻蝕形成凹槽柵和氟離子注入勢皇層形成氟化柵兩種方案。
[0004]圖1a為現(xiàn)有技術(shù)一給出的HEMT器件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1a所示，AlGaN作為勢皇層，AlGaN/GaN界面由于大量的帶正電極化電荷而誘導(dǎo)高密度2DEG出現(xiàn)在該界面。2DEG溝道由于上面勢皇層被直接刻蝕而切斷，不平整的GaN刻蝕表面將作為器件開啟的導(dǎo)電溝道。圖1a示出的為柵極AlGaN勢皇層刻蝕形成凹槽柵方案的器件，在器件制備過程中，直接刻蝕掉柵極AlGaN勢皇層可以削弱原界面處極化電荷所形成的電場，可以切斷2DEG溝道而達(dá)到常關(guān)型操作，但是，這種方法以不平整的柵極GaN刻蝕表面作為器件開啟的導(dǎo)電溝道，器件的導(dǎo)通電阻一般比較大。圖1b為現(xiàn)有技術(shù)二給出的HEMT器件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1b所示，柵極區(qū)域AlGaN勢皇層通過氟離子注入而帶負(fù)電從而排斥AlGaN/GaN界面處的2DEG，因此該方案可以使器件實(shí)現(xiàn)常關(guān)型操作。引入氟離子雜質(zhì)的AlGaN/GaN界面溝道將作為器件開啟的導(dǎo)電溝道。圖1b示出的為氟離子注入勢皇層形成氟化柵結(jié)構(gòu)常關(guān)型GaN基HEMT器件，利用氟離子帶負(fù)電荷形成的電場抵消原極化電荷形成電場，可以抑制2DEG在柵極區(qū)域的形成而達(dá)到常關(guān)型操作的目的。然而，注入到柵極區(qū)域的氟離子將有相當(dāng)部分進(jìn)入GaN材料中，由于散射明顯，異質(zhì)界面處的電子迀移率將明顯降低，因此器件的導(dǎo)通電阻同樣增大。另外，采取氟離子注入的方法還難以獲得足夠大而穩(wěn)定的器件開啟閾值電壓。上述勢皇層刻蝕和氟離子注入方案都容易造成柵極下面2DEG溝道界面的破壞和電子散射的增加，從而導(dǎo)致器件開啟導(dǎo)通電阻變大，導(dǎo)通電流降低。
[0005]另一方面，上述兩種傳統(tǒng)的HEMT器件柵極結(jié)構(gòu)一般是通過常規(guī)光學(xué)光刻來實(shí)現(xiàn)，柵極長度較大，一般在2?3 μπι范圍，器件開關(guān)速度和導(dǎo)通電阻都受到影響。如何在常規(guī)的光學(xué)光刻工藝條件下有效減小HEMT器件的柵極控制溝道長度是個技術(shù)創(chuàng)新問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型主要解決常關(guān)型HEMT器件中，現(xiàn)有AlGaN勢皇層刻蝕或者氟離子注入形成的柵極結(jié)構(gòu)，分別造成柵極下面用于電流輸運(yùn)的2DEG溝道界面的破壞和溝道內(nèi)電子散射的增加，從而導(dǎo)致器件開啟導(dǎo)通電阻變大，導(dǎo)通電流降低的技術(shù)問題，提出一種新型的縱向短開啟柵極溝道型HEMT器件，能夠?qū)崿F(xiàn)器件常關(guān)類型大閾值電壓的同時有效減小器件的導(dǎo)通電阻。另外，制備的器件柵極結(jié)構(gòu)還具有電容小，器件開關(guān)速度快等特點(diǎn)。
[0007]本實(shí)用新型提供了一種縱向短開啟柵極溝道型HEMT器件，包括:
[0008]襯底；
[0009]位于所述襯底上的緩沖層；
[0010]位于所述緩沖層上的第一 GaN層，所述第一 GaN層背離緩沖層的一側(cè)具有凹槽；[0011 ] 依次嵌入所述凹槽中的第二 GaN層和第二勢皇層，其中，第二 GaN層和第二勢皇層形成異質(zhì)結(jié)；
[0012]位于除凹槽以外的第一 GaN層上的第一勢皇層，其中，第一 GaN層和第一勢皇層形成異質(zhì)結(jié)；
[0013]位于所述第一勢皇層和所述第二勢皇層上的介質(zhì)層；
[0014]與所述第一 GaN層接觸的源電極和漏電極，且所述源電極和漏電極的側(cè)面從下到上依次與第一勢皇層和介質(zhì)層接觸；
[0015]與所述介質(zhì)層接觸的柵電極。
[0016]進(jìn)一步的，源電極和柵電極之間的距離為I至5 μm，柵電極的長度為2至3 μπι，寬度為50至1000 μm，柵電極和漏電極之間距離為3至30 μπι。
[0017]進(jìn)一步的，所述第一勢皇層的底面與第二勢皇層的底面之間的距離為50至300nmo
[0018]進(jìn)一步的，所述第二 GaN層的厚度為50至200mn，所述第二勢壘層的厚度為15至30nmo
[0019]進(jìn)一步的，所述介質(zhì)層的厚度為5至50nm。
[0020]本實(shí)用新型提供的一種縱向短開啟柵極溝道型HEMT器件，能夠?qū)崿F(xiàn)GaN基材料HEMT器件大閾值電壓常關(guān)型操作的同時有效降低器件的開啟導(dǎo)通電阻，通過適當(dāng)加深柵極凹槽深度(100?500nm)，因此避免了傳統(tǒng)凹柵結(jié)構(gòu)對AlGaN勢皇層精確刻蝕的要求，然后在凹柵結(jié)構(gòu)上二次外延生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成柵極2DEG溝道。使柵極主要導(dǎo)電溝道避開了常規(guī)的凹槽柵高散射刻蝕界面，利用新生成的高質(zhì)量2DEG溝道導(dǎo)電。本實(shí)用新型HEMT器件的柵極有效控制溝道長度從傳統(tǒng)的柵極底部橫向的2?3 y m縮短為縱向的50?300nm，大大減小柵極開啟溝道的長度，因此器件柵極區(qū)域溝道電阻將大大降低，器件總導(dǎo)通電阻將明顯減小。同時，由于器件源漏極間的2DEG溝道通過深刻蝕已經(jīng)完全切斷開，器件能實(shí)現(xiàn)大的閾值電壓，獲得穩(wěn)定的常關(guān)型操作。因此本實(shí)用新型提出的新結(jié)構(gòu)能同時實(shí)現(xiàn)常關(guān)型HEMT器件的大閾值電壓和小導(dǎo)通電阻。另外，器件柵極結(jié)構(gòu)開啟溝道短，電容小，器件還具有開關(guān)速度快的特點(diǎn)。本實(shí)用新型柵極區(qū)域刻蝕較深，刻蝕深度不作精確要求，因此避免了傳統(tǒng)凹槽柵結(jié)構(gòu)對AlGaN勢皇層刻蝕深度精確要求的難題。
【附圖說明】
[0021]圖la-b為現(xiàn)有技術(shù)的HEMT器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的縱向短開啟柵極溝道型HEMT器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3a_b為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的縱向短開啟柵極溝道型HEMT器件的仿真模擬性能結(jié)果圖；
[0024]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的縱向短開啟柵極溝道型HEMT器件的制備方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0025]圖5a_e為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的縱向短開啟柵極溝道型HEMT器件的制備方法對應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖中附圖標(biāo)記指代的技術(shù)特征為:
[0027]1、襯底；2、緩沖層；3、第一 GaN層；4、第一勢皇層；5、介質(zhì)層；6、第二 GaN層；7、第二勢皇層；8、柵電極；9、源電極；10、漏電極；11、掩膜層。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為使本實(shí)用新型解決的技術(shù)問題、采用的技術(shù)方案和達(dá)到的技術(shù)效果更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明?？梢岳斫獾氖牵颂幩枋龅木唧w實(shí)施例僅僅用于解釋本實(shí)用新型，而非對本實(shí)用新型的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本實(shí)用新型相關(guān)的部分而非全部內(nèi)容。
[0029]圖