具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件及其制备方法技术

一种具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件及其制备方法，属于半导体器件领域。技术要点是，在半导体衬底上依次生长缓冲层、i‑GaN漂移层、极化结、i‑GaN沟道层和AlGaN主势垒层，所述极化结是由AlGaN背势垒层与其上方的p‑GaN层组成的复合结构，所述AlGaN主势垒层上设置有漏电极和栅电极，在栅电极一侧，所述AlGaN主势垒层与所述i‑GaN漂移层形成台阶，所述i‑GaN漂移层台阶上设置有源电极，所述栅电极和漏电极之间具有AlGaN/i‑GaN异质结，所述源电极和漏电极间由极化结插入层隔开。有益效果是:本发明专利技术通过增加一层极化结纵向泄漏电流阻挡层结构，利用强的极化电荷产生电场和耗尽层内建电场有效排斥并降低器件内部背景载流子浓度，从而降低纵向泄漏电流、提高该类型器件的击穿电压。

【技术实现步骤摘要】
具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件及其制备方法
本专利技术属于半导体器件领域，尤其涉及一种具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件及其制备方法。
技术介绍
近五十年来，固态半导体功率器件被广泛应用在民用和军用领域的各个方面，目前已经从传统的工业控制、消费类电子产品和通信等领域更多地向新能源、轨道交通和智能电网等新兴领域拓展。而面对新科技领域的发展要求，功率器件必须具备能应用高温高压工作环境、低功率损耗和高开关速率等性能特点。氮化镓(GaN)材料作为目前功率器件制作的重要候选材料，不仅具有第三代半导体材料的宽带隙、良好化学稳定性和高饱和电子漂移速率等代表性特点，还因其异质结(典型如AlGaN/GaN)中强的极化效应诱导出界面高密度、高迁移率的二维电子气(2DEG)，因此利用该材料特性制作的半导体功率开关器件具备低导通电阻、高开关速率等特点，是未来Si基功率器件的有力竞争者和替代者，特别是在微波射频领域，其技术优势更加突出。目前，GaN功率器件成熟产品还比较少，少量的产品主要是200V以下的常开型高电子迁移率晶体管(HEMT)器件。GaN功率器件能实现更广泛的应用应当具有至少三个方面的特点，也就是常关型操作、低导通电阻和高耐压能力。常关型功率器件作为控制电路的重要部分，其对电路简化、减少功率损耗，提高电能利用率有着十分重要的作用。低导通电阻能实现更低的开关损耗，减少发热；而高耐压能力、低关态泄漏电流能保证器件具有更广泛的应用范畴、更高的工作稳定性和可靠性。然而，在器件设计和制作中，常关型实现方案和导通电阻减小技术往往是相互矛盾的，需要选取一种折中的方案才可避免常关型阈值电压过小或者器件导通电阻过大，同时，击穿电压也容易受常关型器件实现技术影响。因此，如何对器件结构进行创新设计和工艺制作，使得HEMT器件能实现常关型操作，同时又能有效降低导通电阻并保证器件具有高的击穿电压，是该类型器件实现产业化过程面临的主要问题之一。现阶段HEMT器件中主流的耗尽2DEG实现常关型的方案主要包括刻蚀栅区势垒层、在栅区下方引入p-GaN盖帽层以及将带负电的离子注入栅区势垒层三种。三种方法在实现常关型过程中都不可避免地引起栅区沟道导通电阻的增加，或者导致器件阈值电压稳定性和可靠性问题。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件及其制备方法，该器件和方法能有效降低纵向泄漏电流、提高击穿电压。技术方案如下：一种具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件，在半导体衬底上依次生长缓冲层、i-GaN漂移层、极化结、i-GaN沟道层和AlGaN主势垒层，所述极化结是由AlGaN背势垒层与其上方的p-GaN层组成的复合结构，所述AlGaN主势垒层上设置有漏电极和栅电极，在栅电极一侧，所述AlGaN主势垒层与所述i-GaN漂移层形成台阶，所述i-GaN漂移层台阶上设置有源电极，所述栅电极和漏电极之间具有AlGaN/i-GaN异质结，所述源电极和漏电极间由极化结插入层隔开。进一步的，所述极化结为p-GaN/AlGaN/i-GaN极化结或者p-GaN/i-GaN/AlGaN/i-GaN极化结。进一步的，所述半导体衬底为Si、SiC、蓝宝石、GaN、金刚石中的任意一种。进一步的，所述缓冲层由AlN超晶格结构或者AlGaN超晶格结构构成。进一步的，所述栅电极的形状为“Z”型或“L”型。进一步的，所述栅电极的结构采用金属-绝缘层-半导体结构，栅电极纵向导通沟道的距离为50-500nm。进一步的，所述AlGaN/i-GaN异质结中Al的组分比例为0.1-0.35。本专利技术还包括一种具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件制备方法，步骤如下：S1、采用金属有机物化学气相沉积法或者分子束外延半导体材料生长方法在衬底上依次生长缓冲层、i-GaN层、AlGaN层、P-GaN层、i-GaN层以及AlGaN层；S2、利用半导体光刻工艺以及半导体刻蚀工艺制作出器件所需的台面，通过基于Cl基气体的反应耦合等离子体半导体刻蚀方法，对台面进行刻蚀，实现台面隔离；S3、通过半导体光刻工艺以及半导体刻蚀工艺制作出栅极区域所需的浅台阶；S4、通过半导体光刻工艺定义出源极、漏极所需区域，通过金属沉积方法沉积器件的源漏极金属，并且通过高温退火，使复合金属结构变为合金；S5、沉积氧化铝、氮化硅、氧化硅或者多层复合介质薄膜作为栅介质层；S6、通过半导体光刻工艺定义出栅极所需区域，通过金属沉积方法沉积器件的栅极金属；S7、在器件表面沉积钝化层，然后采用半导体光刻工艺定义出源极、栅极和漏极所需的开口区域，将定义区域的钝化层去除，暴露出金属电极表面，最后沉积金属薄膜制作引线，完成电极制作。进一步的，步骤S2中，对台面进行刻蚀的深度为300-800nm，步骤S3中，所述浅台阶的刻蚀深度为200-500nm，所述浅台阶的刻蚀深度小于步骤S2中所述的台面刻蚀深度。进一步的，步骤S6中，通过金属沉积方法沉积出的栅电极为“Z”型或“L”型，底部位于源电极上方，由栅介质隔离，顶部位于主势垒层上方，由栅介质隔离，或者无顶部结构。本专利技术的有益效果是：本专利技术所述的具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件及其制备方法由于完全刻断栅区2DEG沟道而实现具有稳定阈值电压的常关型操作，由于纵向栅区沟道较短，相对于传统HEMT器件能明显减小器件导通电阻，通过增加一层极化结纵向泄漏电流阻挡层结构，利用强的极化电荷产生电场和耗尽层内建电场有效排斥并降低器件内部背景载流子浓度，从而降低纵向泄漏电流、提高该类型器件的击穿电压。附图说明图1是本专利申请提出的具有极化结纵向泄漏电流阻挡层的HEMT器件结构示意图；图2是本专利技术实施例2中步骤①所述的晶片外延生长后的结构示意图；图3是本专利技术实施例2中步骤②所述的台面制作后结构示意图；图4是本专利技术实施例2中步骤③所述的栅区浅台阶制作后的结构示意图；图5是本专利技术实施例2中步骤④所述的源、漏电极欧姆接触工艺完成后的结构示意图；图6是本专利技术实施例2中步骤⑤所述的栅介质沉积后的结构示意图；图7是本专利技术实施例2中步骤⑥所述的栅电极制作后的结构示意图；图8是本专利技术实施例3中获得的器件性能图(ID-VG曲线)；图9是本专利技术实施例3中获得的器件性能图，(ID-VD曲线)。具体实施方式下面结合附图1-9对具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件及其制备方法做进一步说明。实施例1一种具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件，其截面结构示意图如图1所示。其晶片结构基本组成从下到上为：衬底，可以是Si、SiC、蓝宝石、GaN、金刚石等；衬底上的缓冲层，可以是AlN或者AlGaN超晶格结构；漂移层，即非故意掺杂的i-GaN；极化结，即下方AlGaN背势垒层与上方p-GaN层的复合结构；沟道层，即i-GaN层；主势垒层，即上层AlGaN层。其结构特点是：(1)栅区2DEG沟道被完全切断，器件栅极电流导通沟道为纵向，通过施加栅极正电压积累沟道电子而工作；(2)源、漏电极为欧姆接触，源电极位于刻蚀栅极沟道后的下方台阶上；(3)栅电极为“Z”或“L”型，栅极结构采用金属-绝缘层-半导体(MIS)结构，栅极纵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件，其特征在于，在半导体衬底上依次生长缓冲层、i‑GaN漂移层、极化结、i‑GaN沟道层和AlGaN主势垒层，所述极化结是由AlGaN背势垒层与其上方的p‑GaN层组成的复合结构，所述AlGaN主势垒层上设置有漏电极和栅电极，在栅电极一侧，所述AlGaN主势垒层与所述i‑GaN漂移层形成台阶，所述i‑GaN漂移层台阶上设置有源电极，所述栅电极和漏电极之间具有AlGaN/i‑GaN异质结，所述源电极和漏电极间由极化结插入层隔开。

【技术特征摘要】
1.一种具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件，其特征在于，在半导体衬底上依次生长缓冲层、i-GaN漂移层、极化结、i-GaN沟道层和AlGaN主势垒层，所述极化结是由AlGaN背势垒层与其上方的p-GaN层组成的复合结构，所述AlGaN主势垒层上设置有漏电极和栅电极，在栅电极一侧，所述AlGaN主势垒层与所述i-GaN漂移层形成台阶，所述i-GaN漂移层台阶上设置有源电极，所述栅电极和漏电极之间具有AlGaN/i-GaN异质结，所述源电极和漏电极间由极化结插入层隔开。2.如权利要求1所述的具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件，其特征在于，所述极化结为p-GaN/AlGaN/i-GaN极化结或者p-GaN/i-GaN/AlGaN/i-GaN极化结。3.如权利要求1所述的具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件，其特征在于，所述半导体衬底为Si、SiC、蓝宝石、GaN、金刚石中的任意一种。4.如权利要求1所述的具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件，其特征在于，所述缓冲层由AlN超晶格结构或者AlGaN超晶格结构构成。5.如权利要求1所述的具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件，其特征在于，所述栅电极的形状为“Z”型或“L”型。6.如权利要求1所述的具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件，其特征在于，所述栅电极的结构采用金属-绝缘层-半导体结构，栅电极纵向导通沟道的距离为50-500nm。7.如权利要求1所述的具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的HEMT器件，其特征在于，所述AlGaN/i-GaN异质结中Al的组分比例为0.1-0.35。...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙仲豪，黄火林，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21