基于p型层的III族氮化物增强型HEMT及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于p型层的III族氮化物增强型HEMT及其制备方法。所述HEMT包含主要由第一半、第二半导体层组成的异质结以及与所述异质结连接的源、栅和漏电极，该栅电极与势垒层之间还分布有能与第二半导体层形成异质结的第三半导体层；所述第三、第二半导体层之间还分布有刻蚀终止层，所述刻蚀终止层的组成材料比第三半导体层的组成材料具有更高刻蚀选择比，或者所述第二半导体层中与第三半导体层临近的区域的组成材料比第三半导体层的组成材料具有更高刻蚀选择比。藉由本发明专利技术的设计可以大幅降低p型栅技术的实施难度，并精确控制p型层的刻蚀深度，确保器件电学特性和芯片制作工艺的重复性、均匀性、稳定性，适用于大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种HEMT器件的制备工艺，特别是一种利用刻蚀终止层的III族氮化物增强型HEMT的制备方法。
技术介绍
相比于传统的硅基MOSFET，基于AGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HighElectronMobilityTransistor，HEMT)具有低导通电阻、高击穿电压、高开关频率等优势，因此能够在各类电力转换系统中作为核心器件使用，在节能减耗方面有重要的应用前景。然而，由于III族氮化物材料体系的极化效应，一般而言，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT均是耗尽型(常开)，该类型的器件应用于电路级系统中时，需要设计负极性栅极驱动电路，以实现对器件的开关控制，这极大增加了电路的复杂性与成本。此外，耗尽型器件在失效安全能力方面存在缺陷，因此，无法真正实现商业化应用。为解决该问题，基于p型栅技术制备增强型HEMT是一种可行的方案，参阅图1，即在传统HEMT外延结构基础上，在AlGaN势垒层(非故意掺杂n型)上外延生长p型层，从而在整个外延片范围内形成pn结，并进行选区刻蚀实现p型栅制备，从而耗尽p型栅下方的二维电子气。在选区刻蚀过程中，需要对非栅极的大面积区域进行刻蚀，但若不能有效控制刻蚀均匀性，极易导致局部区域内p型层可能过刻蚀(Over-etching)，局部区域内则可能欠刻蚀(Under-etching)，而两者最终均会导致器件栅源、栅漏之间区域的二维电子气浓度降低，并产生大量表面缺陷态，从而严重影响器件在工作时的导通电阻与动态特性。因此，基于选区刻蚀的p型栅技术要求对非栅极区域p型层的刻蚀深度精确可控，这极大增加了p型栅技术的难度，使得该技术的重复性(片与片之间)、均匀性(片内不同区域之间)、稳定性(不同轮工艺之间)均难以保证。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种III族氮化物增强型HEMT及其制备方法，以克服现有技术的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：在一些实施例之中提供了一种基于p型层的III族氮化物增强型HEMT，包含主要由作为沟道层的第一半导体层和作为势垒层的第二半导体层组成的异质结以及与所述异质结连接的源电极、栅电极和漏电极，所述栅电极与势垒层之间还分布有能与第二半导体层形成异质结的第三半导体层；其中：所述第三半导体层与第二半导体层之间还分布有刻蚀终止层，并且，相对于选定刻蚀物质，所述刻蚀终止层的组成材料较之所述第三半导体层的组成材料具有更高耐刻蚀性能；或者，相对于选定刻蚀物质，所述第二半导体层中与第三半导体层临近的区域的组成材料较之第三半导体层的组成材料具有更高耐刻蚀性能。在一些较为优选的实施例中，所述刻蚀终止层或第二半导体层上还设有钝化层，所述钝化层包括至少由所述刻蚀终止层表层的局部区域或第二半导体层表层的局部区域与所述刻蚀物质反应而原位形成的自然钝化层。在一些实施例中，还提供了一种制备基于p型层的III族氮化物增强型HEMT的方法，其包括：在衬底上依次生长形成作为沟道层的第一半导层体、作为势垒层的第二半导体层以及能与第二半导体层形成异质结的第三半导体层，其中，相对于选定刻蚀物质，所述第二半导体层中与第三半导体层临近的区域的组成材料较之第三半导体层的组成材料具有更高耐刻蚀性能，或者，在衬底上依次生长形成作为沟道层的第一半导体层、作为势垒层的第二半导体层、刻蚀终止层和能与第二半导体层形成异质结的第三半导体层，其中，相对于选定刻蚀物质，所述刻蚀终止层的组成材料较之所述第三半导体层的组成材料具有更高耐刻蚀性能；在所述第三半导体层上形成栅电极材料层，再在所述栅电极材料层上设置图形化掩膜，并对栅电极材料层和第三半导体层进行刻蚀，从而形成栅电极，且使第二半导体层或刻蚀终止层露出；以及，在由前述步骤形成的器件上设置源电极和漏电极，从而获得所述HEMT。在一些较为优选的实施例中，所述制备方法还可包括：在所述栅电极材料层上设置图形化掩膜，并以选定刻蚀物质对第三半导体层进行刻蚀，直至所述刻蚀物质与第二半导体层表层的局部区域或刻蚀终止层表层的局部区域反应而原位形成自然钝化层后停止刻蚀。本专利技术通过在生长第三半导体层(例如p型层)之前，生长与该第三半导体层的组成材料之间具有较高刻蚀选择比的材料，并结合刻蚀技术，有效、可靠实现第三半导体层的刻蚀终止，从而精确控制第三半导体层刻蚀深度，最大程度保证非栅极区域的二维电子气不受到刻蚀工艺的影响，确保器件电学特性包括输出电流、动态特性等，极大降低p型栅技术的实施难度，确保器件电学芯片工艺的重复性、均匀性、稳定性，适用于大规模生产。尤其优选的，在刻蚀工艺作用下，半导体表面能够自然形成原位钝化层，该钝化层能够起到关键的保护作用，从而有效减小了由于后续钝化层沉积工艺而造成的表面损伤等问题以及由此带来的材料电学特性恶化(例如方阻变大、电流崩特效应显著)等问题。附图说明图1是现有技术中基于选区刻蚀技术制备p型栅增强型HEMT的原理图；图2是本专利技术实施例1中一种HEMT的外延结构示意图；图3是于图1所示外延结构上形成刻蚀终止层的示意图；图4是于图3所示刻蚀终止层上形成p-GaN层的示意图；图5是对图4所示器件进行有源区隔离的示意图；图6是在图5所示器件上形成栅电极金属层的示意图；图7是图6所示器件经栅电极金属层及p-GaN层刻蚀后的示意图；图8是在图7所示器件上形成钝化层的示意图；图9是图8所示器件的钝化层经开窗处理后的示意图；图10是在图9所示器件上形成源、漏电极及场板的示意图；图11是实施例1所获HEMT的结构示意图；图12a是本专利技术实施例2中一种HEMT的外延结构示意图；图12b是图12a所示外延结构中势垒层中Al组分的变化示意图；图13是于图12a所示器件上形成p-GaN层的示意图；图14是实施例2所获HEMT的结构示意图；图15a是本专利技术实施例3中一种HEMT的外延结构示意图；图15b是图15a所示外延结构中势垒层中Al组分的变化示意图；图16是于图15a所示器件上形成p-GaN层的示意图；图17是实施例3所获HEMT的结构示意图；图18a是本专利技术实施例4中一种HEMT的外延结构示意图；图18b是图18a所示外延结构中势垒层中Al组分的变化示意图；图19是于图18a所示器件上形成p-GaN层的示意图；图20是实施例4所获HEMT的结构示意图。具体实施方式本专利技术的一个方面提供了一种基于p型层的III族氮化物增强型HEMT，包含主要由作为沟道层的第一半导体层和作为势垒层的第二半导体层组成的异质结以及与所述异质结连接的源电极、栅电极和漏电极，所述栅电极与势垒层之间还分布有能与第二半导体层形成异质结的第三半导体层。在一较为优选的实施案例中，所述第三半导体层与第二半导体层之间还分布有刻蚀终止层，所述刻蚀终止层的组成材料与所述第三半导体层之间具有较高刻蚀选择比。亦即，对于选定刻蚀物质，所述刻蚀终止层的组成材料较之所述第三半导体层的组成材料具有更高耐刻蚀性能。所述第二半导体层中与第三半导体层临近的区域的组成材料与第三半导体层的组成材料之间具有较高刻蚀选择比。亦即，对于选定刻蚀物质，所述第二半导体层中与第三半导体层临近的区域的组成材料较之所述第三半导体层的组成材料具有更高耐刻蚀性能。在一些实施例中，于所述第三半导体层分布在栅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于p型层的III族氮化物增强型HEMT，包含主要由作为沟道层的第一半导体层和作为势垒层的第二半导体层组成的异质结以及与所述异质结连接的源电极、栅电极和漏电极，所述栅电极与势垒层之间还分布有能与第二半导体层形成异质结的第三半导体层，其特征在于：所述第三半导体层与第二半导体层之间还分布有刻蚀终止层，并且，相对于选定刻蚀物质，所述刻蚀终止层的组成材料较之所述第三半导体层的组成材料具有更高耐刻蚀性能；或者，相对于选定刻蚀物质，所述第二半导体层中与第三半导体层临近的区域的组成材料较之第三半导体层的组成材料具有更高耐刻蚀性能。

【技术特征摘要】
1.一种基于p型层的III族氮化物增强型HEMT，包含主要由作为沟道层的第一半导体层和作为势垒层的第二半导体层组成的异质结以及与所述异质结连接的源电极、栅电极和漏电极，所述栅电极与势垒层之间还分布有能与第二半导体层形成异质结的第三半导体层，其特征在于：所述第三半导体层与第二半导体层之间还分布有刻蚀终止层，并且，相对于选定刻蚀物质，所述刻蚀终止层的组成材料较之所述第三半导体层的组成材料具有更高耐刻蚀性能；或者，相对于选定刻蚀物质，所述第二半导体层中与第三半导体层临近的区域的组成材料较之第三半导体层的组成材料具有更高耐刻蚀性能。2.根据权利要求1所述的基于p型层的III族氮化物增强型HEMT，其特征在于所述刻蚀终止层或第二半导体层上还设有钝化层，所述钝化层包括至少由所述刻蚀终止层表层的局部区域或第二半导体层表层的局部区域与所述刻蚀物质反应而原位形成的自然钝化层。3.根据权利要求1所述的基于p型层的III族氮化物增强型HEMT，其特征在于：所述势垒层的组成材料至少选自AlxInyGazN(0<x≤1，0≤y≤1，(x+y+z)＝1)；和/或，所述沟道层的组成材料包括GaN、InGaN、AlGaN、AlInN、AlInGaN中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述第三半导体层的组成材料包括p-GaN、p-AlGaN、p-AlInN、p-InGaN、p-AlInGaN中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述刻蚀终止层的组成材料包括AlN、SiNx(0<x≤3)、AlxGa1-xN(0<x<1)中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述势垒层的组成材料选自AlxInyGazN(0<x≤1，0≤y≤1，(x+y+z)＝1)，其中沿着自第一半导体层指向第三半导体层的方向，x总体呈增大的趋势。4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于p型层的III族氮化物增强型HEMT，其特征在于所述选定刻蚀物质至少选自含有氧的刻蚀气体。5.根据权利要求1-3中任一项所述的基于p型层的III族氮化物增强型HEMT，其特征在于所述异质结还包括分布于第一半导体层和第二半导体层之间的插入层；优选的，所述插入层的组成材料包括AlN、AlInN、AlInGaN中的任意一种或两种以上的组合。6.一种基于p型层的III族氮化物增强型HEMT的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙钱，周宇，李水明，陈小雪，戴淑君，高宏伟，冯美鑫，杨辉，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32