專利名稱：Ⅲ族氮化物增強(qiáng)型hemt器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種增強(qiáng)型高電子遷移率晶體管(Enhancement-mode High Electron Mobility Transistor，E-mode HEMT)，尤其涉及一種III族氮化物增強(qiáng)型HEMT器件。
背景技術(shù)：
當(dāng)HEMT器件采用III族氮化物半導(dǎo)體時(shí)，由于壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng)，在異質(zhì)結(jié)構(gòu)上(Heterostructure)，如AlGaN/GaN，能夠形成高濃度的二維電子氣。另外，HEMT器件采用III族氮化物半導(dǎo)體，能夠獲得很高的絕緣擊穿電場強(qiáng)度以及良好的耐高溫特性。具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的III族氮化物半導(dǎo)體的HEMT，不僅可以作為高頻器件使用，而且適用于高電壓、大電流的功率開關(guān)器件。應(yīng)用到大功率開關(guān)電路中時(shí)，為了電路的設(shè)計(jì)簡單和安全方面考慮，一般要求開關(guān)器件具有常關(guān)特性即需要器件為增強(qiáng)型器件(E-M0DE)。現(xiàn)有的III族氮化物半導(dǎo)體E-MODE HEMT器件作為高頻器件或者高壓大功率開關(guān)器件使用時(shí)，漏電極輸出電流往往跟不上柵極控制信號的變化，會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)通瞬態(tài)延遲大的情況，此即為III族氮化物半導(dǎo)體E-MODE HEMT器件的“電流崩塌現(xiàn)象”，嚴(yán)重影響著器件的實(shí)用性。現(xiàn)有的比較公認(rèn)的對“電流崩塌現(xiàn)象”的解釋是“虛柵模型”。“虛柵模型”認(rèn)為在器件關(guān)斷態(tài)時(shí)，有電子注入到半導(dǎo)體表面，從而被表面態(tài)或缺陷捕獲形成一帶負(fù)電荷的虛柵，帶負(fù)電荷的虛柵由于靜電感應(yīng)會(huì)降低柵漏、柵源連接區(qū)的溝道電子，當(dāng)器件從關(guān)斷態(tài)向?qū)☉B(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，柵下的溝道雖然可以很快積累大量的電子，但是虛柵電荷卻不能及時(shí)釋放，虛柵下的溝道電子濃度較低，所以漏端輸出電流較小，只有當(dāng)虛柵電荷充分釋放后，漏端電流才能恢復(fù)到直流狀態(tài)的水平。目前，常用的抑制“電流崩塌”的方法有對半導(dǎo)體進(jìn)行表面處理，降低表面態(tài)或界面態(tài)密度；通過場板結(jié)構(gòu)降低柵電極靠近漏電極一端的電場強(qiáng)度，降低電子被表面態(tài)和缺陷捕獲的概率，抑制電流崩塌。但前述抑制電流崩塌的方法在大電流、大電壓的情況下效果并不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種III族氮化物E-MODE HEMT器件，該器件具有疊層雙柵結(jié)構(gòu)，是通過等離子體對柵下區(qū)域的處理實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)型器件，其藉由副柵和主柵的相互配合對溝道中二維電子氣進(jìn)行調(diào)控，使E-MODE HEMT(Enhancement-mode High Electron Mobility Transistor，增強(qiáng)型高電子遷移率晶體管)漏端輸出電流可以跟得上柵電壓的變化，從而在根本上抑制“電流崩塌效應(yīng)”。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案
一種III族氮化物E-MODE HEMT器件，包括源電極、漏電極以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述源電極與漏電極通過形成于異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣電連接，所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體，所述第一半導(dǎo)體設(shè)置于源電極和漏電極之間，所述第二半導(dǎo)體形成于第一半導(dǎo)體表面，并具有寬于第一半導(dǎo)體的帶隙，其特征在于，所述E-MODE HEMT器件還包括主柵、絕緣介質(zhì)層和副柵，其中所述主柵設(shè)置于第二半導(dǎo)體表面靠近源電極一側(cè)，并與第二半導(dǎo)體形成肖基特接觸， 且位于主柵下方的第二半導(dǎo)體局部區(qū)域內(nèi)部還形成有等離子體處理區(qū)；
所述介質(zhì)層形成于第二半導(dǎo)體和主柵表面，并設(shè)置在所述源電極和漏電極之間； 所述副柵形成于介質(zhì)層表面，且其至少一側(cè)邊緣向源電極或漏電極方向延伸，同時(shí)其正投影與主柵兩側(cè)邊緣均交疊。所述源電極和漏電極分別與電源的低電位和高電位連接。優(yōu)選的，所述等離子體處理區(qū)是第二半導(dǎo)體內(nèi)的局部區(qū)域經(jīng)F (氟)等離子體處理后所形成的帶負(fù)電的固定電荷區(qū)。更進(jìn)一步的講，所述等離子體處理區(qū)是通過反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)等工藝對異質(zhì)結(jié)進(jìn)行F等離子體處理，從而在第二半導(dǎo)體內(nèi)形成帶負(fù)電的固定電荷區(qū)，并將其所對應(yīng)的溝道內(nèi)二維電子氣耗盡。所述第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體均采用III族氮化物半導(dǎo)體。所述副柵的兩側(cè)邊緣分別向源電極和漏電極方向延伸，或者，也可以是所述副柵僅有一側(cè)邊緣向相應(yīng)的源電極或漏電極方向延伸。 在所述HEMT器件工作時(shí)，所述主柵和副柵分別由一控制信號控制，且在所述HEMT 器件處理導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，所述副柵控制信號的電位高于主柵控制信號的電位。


圖1是本發(fā)明疊層雙柵E-MODE HEMT的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖加是普通E-MODE HEMT器件的局部結(jié)構(gòu)示意圖2b是本發(fā)明疊層雙柵E-MODE HEMT器件的局部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中E-MODE HEMT器件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中副柵向漏和源電極方向各有延伸；
圖4是本發(fā)明另一較佳實(shí)施方式中E-MODE HEMT器件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中副柵僅向漏電極方向有延伸。
具體實(shí)施例方式參閱圖2a，普通E-MODE HEMT器件(以AlGaN/GaN器件為例)電流崩塌現(xiàn)象的原因是在器件關(guān)斷狀態(tài)下，在柵金屬4兩側(cè)AWaN層3與絕緣介質(zhì)7界面處會(huì)積累負(fù)電荷，形成界面負(fù)電荷積累區(qū)21，由于靜電感應(yīng)作用，這些負(fù)電荷又會(huì)減少甚至完全耗盡下方溝道區(qū)的二維電子氣，形成溝道耗盡區(qū)22。當(dāng)柵極電壓上升，器件從關(guān)斷態(tài)向?qū)☉B(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，柵極下方二維電子氣受柵壓控制而上升，柵極下方溝道導(dǎo)通，但是界面電荷積累區(qū)的負(fù)電荷由于處于較深能級不能及時(shí)釋出，因此下方溝道內(nèi)的二維電子氣還是較少，所以器件不能完全導(dǎo)通，隨著時(shí)間增加，界面電荷積累區(qū)的負(fù)電荷逐漸從深能級釋放出來，其下方溝道內(nèi)電子濃度上升，器件漸漸向完全導(dǎo)通轉(zhuǎn)變，根據(jù)目前研究結(jié)果，負(fù)電荷從深能級釋放出來的時(shí)間達(dá)到微秒 秒的量級。為克服前述普通E-MODE HEMT器件的缺陷，本發(fā)明提出了一種具有疊層雙柵結(jié)構(gòu)的III族氮化物E-MODE HEMT器件，參閱圖1，該器件的源電極8、漏電極9位于兩側(cè)，在靠近源極8—側(cè)的第二半導(dǎo)體3 (如，AKiaN層)表面有一柵電極，稱為主柵4，主柵下方有一經(jīng)過等離子體處理的固定負(fù)電荷區(qū)6，主柵上方有一絕緣介質(zhì)層7，絕緣介質(zhì)層上方有另一柵電極，稱為副柵5。如圖1所示，副柵位于主柵的上方，在垂直投影面上與主柵兩側(cè)邊緣有交疊，并且向源、漏電極有一定延伸。前述第一半導(dǎo)體2 (如GaN層)可設(shè)于一襯底1上。參閱圖2b，在本發(fā)明疊層雙柵E-MODE HEMT器件關(guān)斷狀態(tài)下，主柵偏置在閾值電壓以下，副柵5’上加一足夠高的正偏壓，雖然主柵4’金屬兩側(cè)第二半導(dǎo)體層與絕緣介質(zhì)界面處同樣會(huì)積累負(fù)電荷，可是由于副柵上足夠高的正向偏置的作用，界面負(fù)電荷不能完全屏蔽副柵電場，存在足夠的電場去感生溝道區(qū)內(nèi)的二維電子氣，而保持電荷積累區(qū)下方溝道23導(dǎo)通；當(dāng)主柵電壓上升，器件從關(guān)斷態(tài)向?qū)☉B(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，副柵電壓保持不變，界面電荷積累區(qū)下方的溝道仍然導(dǎo)通，因此器件不會(huì)產(chǎn)生電流崩塌造成的延遲。而如果器件工作于開關(guān)方式，則本發(fā)明疊層雙柵E-MODE HEMT器件的驅(qū)動(dòng)方式可以采取對主柵與副柵分別加上同步的脈沖信號，副柵電壓高于主柵電壓，在器件從關(guān)斷態(tài)向?qū)钷D(zhuǎn)變時(shí)，副柵的高電壓可以克服界面負(fù)電荷的屏蔽而在其下方強(qiáng)制感生出足夠的二維電子氣，避免了電流崩塌。值得注意的是，在關(guān)斷態(tài)時(shí)，副柵的偏置可以獨(dú)立于主柵，因此選擇合適的關(guān)斷態(tài)下副柵的偏置，器件可以獲得較佳的擊穿電壓。以上對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行了概述，為了使公眾能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以基于AKiaN/GaN異質(zhì)結(jié)的器件為例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。參閱圖3，作為本發(fā)明的一種較佳實(shí)施方式，該E-MODE HEMT具有第一半導(dǎo)體 13 (GaN)、和形成在第一半導(dǎo)體13上的第二半導(dǎo)體14(AWaN)。第一半導(dǎo)體13未進(jìn)行特意摻雜。在第二半導(dǎo)體14中可以摻入η型雜質(zhì)，也可以不進(jìn)行摻雜。第二半導(dǎo)體14的帶隙比第一半導(dǎo)體13的帶隙更寬。第二半導(dǎo)體14的厚度約為15至30nm。第一半導(dǎo)體13和第二半導(dǎo)體14形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在界面處形成二維電子氣(2DEG)。該E-MODE HEMT具有按規(guī)定間隔距離分離配置的漏電極11和源電極12。漏電極 11與源電極12貫穿第二半導(dǎo)體14延伸到第一半導(dǎo)體13，與溝道中二維電子氣相連接。漏電極11和源電極12是由多層金屬(如:Ti/Al/Ti/Au或者Ti/Al/Ni/Au等)通過快速高溫退火形成歐姆接觸。該E-MODE HEMT具有等離子體處理區(qū)19，它是在第二半導(dǎo)體內(nèi)部、主柵下方通過等離子體處理形成的固定負(fù)電荷區(qū)，可以將其所對應(yīng)的溝道中的二維電子氣耗盡。該E-MODE HEMT具有主、副雙柵結(jié)構(gòu)，主柵16制造在源電極和漏電極之間，靠近源極的一端，主柵16直接與第二半導(dǎo)體14表面接觸，并形成肖特基接觸。副柵18設(shè)置在介質(zhì)層17 (如Si3N4)之上，在垂直方向上與主柵有交疊，并且向源、漏電極方向各有延伸(或者僅向漏電極或源電極方向延伸，圖4所示為副柵僅向漏電極方向延伸的結(jié)構(gòu))。
權(quán)利要求
1.一種III族氮化物增強(qiáng)型HEMT器件，包括源電極、漏電極以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述源電極與漏電極通過形成于異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣電連接，所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體，所述第一半導(dǎo)體設(shè)置于源電極和漏電極之間，所述第二半導(dǎo)體形成于第一半導(dǎo)體表面，并具有寬于第一半導(dǎo)體的帶隙，其特征在于，所述HEMT器件還包括主柵、絕緣介質(zhì)層和副柵，其中所述主柵設(shè)置于第二半導(dǎo)體表面靠近源電極一側(cè)，并與第二半導(dǎo)體形成肖基特接觸， 且位于主柵下方的第二半導(dǎo)體局部區(qū)域內(nèi)部還形成有等離子體處理區(qū)；所述介質(zhì)層形成于第二半導(dǎo)體和主柵表面，并設(shè)置在所述源電極和漏電極之間；所述副柵形成于介質(zhì)層表面，且其至少一側(cè)邊緣向源電極或漏電極方向延伸，同時(shí)其正投影與主柵兩側(cè)邊緣均交疊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物增強(qiáng)型HEMT器件，其特征在于，所述源電極和漏電極分別與電源的低電位和高電位連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物增強(qiáng)型HEMT器件，其特征在于，所述等離子體處理區(qū)是第二半導(dǎo)體內(nèi)的局部區(qū)域經(jīng)氟等離子體處理后所形成的帶負(fù)電的固定電荷區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物增強(qiáng)型HEMT器件，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體均采用III族氮化物半導(dǎo)體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物增強(qiáng)型HEMT器件，其特征在于，所述副柵的兩側(cè)邊緣分別向源電極和漏電極方向延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物增強(qiáng)型HEMT器件，其特征在于，所述副柵僅有一側(cè)邊緣向相應(yīng)的源電極或漏電極方向延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物增強(qiáng)型HEMT器件，其特征在于，在所述HEMT器件工作時(shí)，所述主柵和副柵分別由一控制信號控制，且在所述HEMT器件處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，所述副柵控制信號的電位高于主柵控制信號的電位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Ⅲ族氮化物增強(qiáng)型HEMT器件，包括源、漏電極，主、副柵，絕緣介質(zhì)層以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)，源、漏電極通過形成于異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣電連接，異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括第一、第二半導(dǎo)體，第一半導(dǎo)體設(shè)置于源、漏電極之間，第二半導(dǎo)體形成于第一半導(dǎo)體表面，并具有寬于第一半導(dǎo)體的帶隙，主柵設(shè)置于第二半導(dǎo)體表面靠近源電極一側(cè)，并與第二半導(dǎo)體形成肖基特接觸，且位于主柵下方的第二半導(dǎo)體局部區(qū)域內(nèi)部還形成有等離子體處理區(qū)；介質(zhì)層形成于第二半導(dǎo)體和主柵表面，并設(shè)置在源、漏電極之間；副柵形成于介質(zhì)層表面，且其至少一側(cè)邊緣向源電極或漏電極方向延伸，同時(shí)其正投影與主柵兩側(cè)邊緣均交疊。本發(fā)明能從根本上有效抑制“電流崩塌效應(yīng)”。
文檔編號H01L29/778GK102427085SQ20111036699
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者于國浩, 張寶順, 王越, 董志華, 蔡勇 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所