本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，具體涉及al(in,ga)n/gan異質(zhì)結(jié)構(gòu)高電子遷移率晶體管制備。

背景技術(shù)：

1、gan基高電子遷移率晶體管(hemt)具有輸出功率密度大、高頻高壓、耐高溫、抗輻射等優(yōu)異特性，在gan基電力電子器件與微波器件等應(yīng)用領(lǐng)域具備很大應(yīng)用潛力。增強型是功率電子器件安全工作的關(guān)鍵要求，即在高壓工作時，器件即使失去柵控的狀態(tài)下也是安全的，不會導(dǎo)致系統(tǒng)的燒毀。這就要求功率電子器件必須是增強型的(enhancement-mode，也稱normally-off)，從安全性角度考慮，器件設(shè)計柵極漏電小，柵壓擺幅大，柵極可靠性強是功率器件長期高性能工作的核心要求。

2、基于電子電力器件安全工作考慮，目前業(yè)界制備gan基增強型功率電子器件的主要途徑為p-(al)gan柵增強型技術(shù)，p-gan柵帽層增強型hemt器件因具有良好的閾值均勻性和電流輸出能力，以及單片結(jié)構(gòu)使其具有工作在更高頻率的潛能，引發(fā)了廣泛的研究。該技術(shù)通過在未摻雜的al(in,ga)n/gan異質(zhì)結(jié)構(gòu)上形成p-(al)gan柵極，利用柵下pn結(jié)的空間耗盡區(qū)來耗盡2deg，實現(xiàn)增強型。商用的p-gan增強型器件主要根據(jù)柵金屬的不同，分為歐姆接觸型和肖特基接觸型。其中，歐姆接觸型具有較好的動態(tài)電阻特性及開關(guān)特性，主要局限是需要前級驅(qū)動，并且柵極漏電電流較大(p-n結(jié)的正向開啟導(dǎo)致柵極正向漏電增大)。肖特基型通過使用低功函數(shù)金屬作為柵金屬，使柵金屬與p-gan層形成一個反偏的肖特基二極管，抑制了柵極漏電，實現(xiàn)更高的柵電壓擺幅。但由于肖特基接觸的p-gan層電位相對浮動，在漏極高電壓應(yīng)力狀態(tài)下存在閾值不穩(wěn)定問題。在功率開關(guān)應(yīng)用中，功率晶體管的漏極電壓在高值和低值之間切換。漏極偏置應(yīng)力已被發(fā)現(xiàn)對p-gan柵極hemt中的vth漂移施加更顯著的影響，并被認為是由空穴缺失引起的。

3、如何實現(xiàn)柵極漏電小、大柵壓擺幅、高閾值穩(wěn)定性的p-gan柵增強型gan?hemt器件，進一步提升可靠性至企業(yè)級應(yīng)用，是下一步有效提高gan基增強型器件的工藝重復(fù)性和成品率，推動gan基功率電子器件的產(chǎn)業(yè)化進程的重要手段。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種高可靠性柵控性能的p-gan柵增強型hemt功率器件結(jié)構(gòu)及制備方法，用以同時實現(xiàn)高閾值穩(wěn)定性及大柵壓擺幅的功能。

2、本發(fā)明通過對于柵極區(qū)域的p-gan層進行周期性刻蝕，刻蝕為沿柵寬方向即垂直溝道方向的fin島結(jié)構(gòu)，刻蝕深度過刻至gan緩沖層，然后進行介質(zhì)淀積，隨后在p-gan?fin島頂部進行開孔，接著淀積柵金屬后，在fin島頂部形成歐姆接觸和側(cè)壁形成mis結(jié)構(gòu)的(tri-gate)柵極結(jié)構(gòu)，稱為p-gan?ohmic-mis?tri-gate。這樣的復(fù)合tri-gate結(jié)構(gòu)在低柵極電壓時，頂部為歐姆接觸可以實現(xiàn)空穴注入，可解決電位浮動問題，實現(xiàn)抑制漏極高壓應(yīng)力情況下導(dǎo)致的閾值漂移問題；在高柵極電壓時，橫向mis的電場可以在p-gan?fin島側(cè)壁形成反型，得到一層電子層，形成類npn超結(jié)結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)橫向電場擴展，耗盡p-gan層中的空穴濃度，達到耗盡甚至反型，通過橫向電場擴展降低縱向歐姆接觸部分空穴注入導(dǎo)致的高柵極漏電，實現(xiàn)柵極結(jié)構(gòu)高可靠性柵極及高耐壓。

3、具體的，本發(fā)明提供的增強型gan基hemt功率器件包括襯底和其上的p-gan/al(in,ga)n/gan異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中，al(in,ga)n/gan異質(zhì)結(jié)柵極p-gan區(qū)域形成tri-gate結(jié)構(gòu)，tri-gate結(jié)構(gòu)中p-gan?fin島為周期性平行排列的窄條結(jié)構(gòu)，窄條結(jié)構(gòu)的長度方向平行于溝道方向，窄條結(jié)構(gòu)的周期性排列方向垂直于溝道方向，對于tri-gate柵極結(jié)構(gòu)中p-ganfin島側(cè)壁部分淀積柵介質(zhì)形成mis結(jié)構(gòu)，頂部直接接觸柵極金屬形成歐姆接觸；源漏極分別位于溝道兩端。

4、上述增強型gan基hemt功率器件中，柵長方向(同溝道方向)p-gan?fin島長度為1～4μm，在柵寬方向(垂直于溝道方向)上所述tri-gate柵極結(jié)構(gòu)中的p-gan?fin島周期窄條結(jié)構(gòu)的寬度為50～500nm，fin島間距為50～500nm。

5、所述柵極p-gan?fin島頂部歐姆接觸部分可通過退火形成歐姆接觸，也可通過離子注入形成p-gan表面重摻與金屬接觸形成歐姆接觸。

6、所述柵極p-gan?fin島側(cè)壁部分mis接觸，柵介質(zhì)層可以是sin、sio2、alon、alsio、alsin或者sion，厚度優(yōu)選為5～30nm。

7、所述柵極金屬為ni/au、ni/ag等金屬。

8、所述al(in,ga)n/gan異質(zhì)結(jié)由依次疊加在襯底上的gan緩沖層和al(in,ga)n勢壘層構(gòu)成，其中，al(in,ga)n可以是aln、algan、alinn、ingan或alingan。

9、本發(fā)明還提供了上述增強型gan基hemt功率器件的制備方法，包括以下步驟：

10、1)在襯底上依次沉積gan緩沖層、al(in,ga)n勢壘層和p-gan層，形成p-gan/al(in,ga)n/gan異質(zhì)結(jié)構(gòu)；

11、2)刻蝕柵極區(qū)域以外的p-gan層并自停止于al(in,ga)n勢壘層；

12、3)在溝道區(qū)兩端、al(in,ga)n勢壘層上制備歐姆接觸電極作為源漏電極；

13、4)對器件進行隔離操作；

14、5)在柵極區(qū)域沿柵寬方向刻蝕p-gan層、al(in,ga)n勢壘層至gan緩沖層30～100nm處，得到周期性fin島結(jié)構(gòu)；

15、6)沉積柵介質(zhì)覆蓋柵極區(qū)域及溝道區(qū)；

16、7)將fin島結(jié)構(gòu)頂部的柵介質(zhì)刻蝕去除；

17、8)淀積柵極金屬覆蓋柵極區(qū)域；

18、9)對柵極金屬進行退火形成p-gan柵極歐姆接觸，得到所述p-gan?ohmic-mistri-gate增強型gan基hemt功率器件。

19、本發(fā)明將柵極區(qū)域在與溝道方向垂直的方向柵寬方向上刻蝕形成周期性fin島結(jié)構(gòu)，fin島頂部直接與柵極金屬接觸形成歐姆接觸，在柵極加電壓工作狀態(tài)時可實現(xiàn)空穴注入，使柵極fin島p-gan層電位處于不浮空的狀態(tài)，這樣可有效避免柵極閾值漂移的問題，并同時可以實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制git效應(yīng)，fin島側(cè)壁通過淀積絕緣介質(zhì)與金屬，形成mis結(jié)構(gòu)，fin島側(cè)壁的柵極金屬與頂部柵極金屬為同一金屬，電位相同，在柵極小電壓時對p-gan區(qū)域不形成影響，柵極歐姆接觸起主要作用，當柵極電壓增大時，橫向mis結(jié)構(gòu)使fin島側(cè)壁形成耗盡甚至反型，通過橫向的電場可以屏蔽縱向的電場，形成類npn超結(jié)結(jié)構(gòu)，可有效增大柵極耐壓，阻隔熱電子流過柵極p-gan區(qū)域轟擊頂部區(qū)域，同時實現(xiàn)了高柵極耐壓并有效解決了柵極可靠性閾值漂移的問題，成功為制備高性能增強型器件提供了有效方法。

20、上述步驟1)中，al(in,ga)n勢壘層的厚度介于15～30nm之間，以保證高2deg濃度，其可以是aln二元合金層，也可以是algan、alinn或者ingan三元合金層，或者alingan四元合金層。

21、上述步驟1)中，p-gan層厚度介于80～200nm之間，空穴摻雜濃度介于1e17～1e20之間。

22、上述步驟2)中，刻蝕后柵極區(qū)域p-gan層在柵長方向(溝道方向)上寬度為1μm以上，p-gan層刻蝕由cl基等離子體刻蝕自停止于al(in,ga)n勢壘層表面，以保證增強型閾值的均勻性。

23、上述步驟3)中，歐姆接觸電極的制備采用剝離(lift-off)工藝和700～900℃的合金化工藝(含au情況下)或300～600℃的合金化工藝(不含au情況下)。

24、上述步驟4)中，器件隔離采用臺面隔離或注入隔離。

25、上述步驟5)中，通過電子束光刻刻蝕柵極區(qū)域p-gan層至gan溝道層形成周期性fin島結(jié)構(gòu)，fin島寬度為50～300nm之間。

26、上述步驟6)中，沉積的柵介質(zhì)可以是sin、sio2、alon、alsio、alsin或者sion，采用原子層沉積(ald)、化學氣相沉積(cvd)或分子束外延(mbe)技術(shù)生長，生長溫度為500～1000℃，厚度在5至30納米之間。

27、上述步驟8)中，柵極p型歐姆接觸金屬包括ti、al、ni、au中的任意一種或兩種以上的組合，優(yōu)選為ni/au、ti/au等p型歐姆接觸金屬。

28、基于上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的增強型氮化鎵基hemt器件及其制作方法相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

29、1、本發(fā)明提供的氮化鎵基電子器件將柵極p-gan區(qū)域進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計，通過將p-gan刻蝕在與電流方向垂直的方向上形成周期性fin島結(jié)構(gòu)，并在fin島頂部制備p-gan歐姆接觸的柵極接觸，通過歐姆接觸可以實現(xiàn)柵極金屬與p-gan區(qū)域電子空穴無障礙導(dǎo)通，使其電位不浮空，可以解決目前商用p-gan肖特基柵極接觸閾值漂移的問題，顯著提升了器件柵極閾值的穩(wěn)定性。

30、2、本發(fā)明提供的氮化鎵基電子器件將柵極p-gan區(qū)域進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計，通過將p-gan刻蝕在與電流方向垂直的方向上形成周期性fin島結(jié)構(gòu)，并在fin島側(cè)壁淀積柵介質(zhì)形成mis結(jié)構(gòu)，通過橫向的柵極電壓調(diào)控，在小柵壓時，側(cè)壁電壓無作用，而大柵壓時側(cè)壁的高電壓使p-gan側(cè)壁形成耗盡甚至反型，此時p-gan層柵寬方向形成了類npn的超結(jié)結(jié)構(gòu)，有效解決了柵極漏電大的問題，達到提升柵極耐壓的能力，使柵壓擺幅增大，解決了驅(qū)動設(shè)計限制問題，并且可以抑制熱電子注入柵極轟擊柵極金屬與p-gan接觸界面，顯著提升了柵極耐壓及可靠性。

31、3、本發(fā)明提供的氮化鎵基電子器件采用頂部p-gan歐姆接觸，可以實現(xiàn)git電導(dǎo)調(diào)制，能有效提高gan基增強型器件的輸出電流能力，增大輸出功率，推動gan基功率電子器件的產(chǎn)業(yè)化進程。