專(zhuān)利名稱(chēng)：Ⅲ族氮化物hemt器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor， HEMT )，尤其涉及一種III族氮化物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)Jn :AWaN/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(chǎng)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(kāi)關(guān)器件?，F(xiàn)有的III族氮化物半導(dǎo)體HEMT器件作為高頻器件或者高壓大功率開(kāi)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(hào)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HEMT器件的“電流崩塌現(xiàn)象”，嚴(yán)重影響著器件的實(shí)用性?，F(xiàn)有的比較公認(rèn)的對(duì)“電流崩塌現(xiàn)象”的解釋是“虛柵模型”?！疤摉拍Ｐ汀闭J(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(duì)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(guò)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)降低柵電極靠近漏電極一端的電場(chǎng)強(qiáng)度，降低電子被缺陷捕獲的概率，抑制電流崩塌。但此類(lèi)抑制電流崩塌的方法在大電流、大電壓的情況下效果并不
王困相

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種III族氮化物HEMT (High Electron Mobility Transistor，高電子遷移率晶體管)器件，該器件具有疊層雙柵結(jié)構(gòu)，其藉由副柵和主柵的相互配合對(duì)溝道中二維電子氣進(jìn)行調(diào)控，使HEMT器件漏端輸出電流可以跟得上柵電壓的變化，進(jìn)而從根本上抑制“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(guò)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； 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。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(hào)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(hào)的電位高于主柵控制信號(hào)的電位。


圖1是本發(fā)明疊層雙柵HEMT的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖加是普通HEMT器件的局部結(jié)構(gòu)示意圖2b是本發(fā)明疊層雙柵HEMT器件的局部結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中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)AKiaN層3與絕緣介質(zhì)層6界面處會(huì)積累負(fù)電荷形成負(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(jí)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(jí)釋放出來(lái)，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(jí)釋放出來(lái)的時(shí)間達(dá)到微秒 秒的量級(jí)。為克服前述普通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HEMT器件，參閱圖1，該器件的源電極7、漏電極8位于兩側(cè)，在靠近源電極7 —側(cè)的第二半導(dǎo)體3 (如，AWaN層)表面有一柵電極，稱(chēng)為主柵4，主柵上方有一絕緣介質(zhì)層6 (如 Si3N4)，絕緣介質(zhì)層上方有另一柵電極，稱(chēng)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(如藍(lán)寶石、碳化硅和硅等)。參閱圖2b，在本發(fā)明疊層雙柵HEMT器件關(guān)斷狀態(tài)下，主柵4偏置在閾值電壓以下， 副柵5上加一足夠高的正偏壓，雖然主柵金屬兩側(cè)第二半導(dǎo)體3與絕緣介質(zhì)層6界面處同樣會(huì)積累負(fù)電荷(形成負(fù)電荷積累區(qū)21)，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(chǎng)，存在足夠的電場(chǎng)去感生溝道區(qū)內(nèi)的二維電子氣，而保持電荷積累區(qū)下方溝道導(dǎo)通(形成溝道導(dǎo)通區(qū)23)；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。如果器件工作于開(kāi)關(guān)方式，則本發(fā)明疊層雙柵HEMT器件的驅(qū)動(dòng)方式可以采取對(duì)主柵與副柵分別加上同步的脈沖信號(hào)，副柵電壓高于主柵電壓，在器件從關(guān)斷態(tài)向?qū)☉B(tài)轉(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(duì)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(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以基于A(yíng)KiaN/GaN異質(zhì)結(jié)的器件為例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明。參閱圖3，作為本發(fā)明的一較佳實(shí)施例，該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(AK}aN)。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HEMT具有按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(guò)快速高溫退火形成歐姆接觸。進(jìn)一步的，該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)置在絕緣介質(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)。該HEMT的工作原理如下因第二半導(dǎo)體14的帶隙寬度大于第一半導(dǎo)體13的帶隙寬度，在第一半導(dǎo)體13和第二半導(dǎo)體14的異質(zhì)結(jié)界面上形成二維電子氣層(2DEG)，該二維電子氣層(2DEG)存在于異質(zhì)結(jié)界面的第一半導(dǎo)體13的一側(cè)。當(dāng)主柵16上加高電位時(shí)，溝道中二維電子氣濃度較高，器件處于開(kāi)啟狀態(tài)；當(dāng)主柵16上加低電位時(shí)，溝道中二維電子氣被耗盡，器件處于關(guān)閉狀態(tài)；所以可以通過(guò)對(duì)主柵 16上的電位進(jìn)行控制，控制主柵16下所對(duì)應(yīng)溝道中的二維電子氣濃度，從而控制器件溝道的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。對(duì)副柵18施加獨(dú)立的電信號(hào)控制，通過(guò)對(duì)副柵18加不同的電信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)主柵16 兩側(cè)溝道中二維電子氣濃度的控制。上述實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種III族氮化物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(guò)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；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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物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。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物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(hào)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(hào)的電位高于主柵控制信號(hào)的電位。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種Ⅲ族氮化物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(guò)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，第一半導(dǎo)體設(shè)置于源、漏電極之間，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；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(hào)H01L29/78GK102420247SQ201110367070
公開(kāi)日2012年4月18日 申請(qǐng)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(guó)浩, 張寶順, 王越, 董志華, 蔡勇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所