GaN基双沟道HEMT器件制造技术

本发明专利技术公开了一种GaN基双沟道HEMT器件，其包括外延结构，该外延结构包括沿设定方向依次设置的第一、第二、第三半导体层，该第一、第二、第三半导体层的禁带宽度依次增大，该第一、第三半导体层中的任一者与第二半导体层的界面处均形成有二维电子气，并且组成该第二、第三半导体层的半导体材料具有相同晶格常数；该外延结构还与源、漏、栅极配合。本发明专利技术提供的GaN基双沟道HEMT器件因具有双沟道层、双势垒层结构，有效提高了二维电子气的面密度，从而大幅提高了HEMT器件的输出电流和输出功率密度，进一步的，通过使第二、第三半导体层的组成材料具有相同的晶格常数，还有效降低了器件外延结构内部的位错密度和应力，提高了器件的工作稳定性和可靠性。作稳定性和可靠性。作稳定性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
GaN基双沟道HEMT器件


[0001]本专利技术涉及一种HEMT器件，具体涉及一种GaN基双沟道HEMT器件。

技术介绍

[0002]基于GaN/AlGaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)有望替代传统硅基器件，实现高频高功率工作条件下的低能量损耗电力转换和信号传输，从而在高铁及新能源汽车功率控制单元、智能电网芯片，以及5G用微波射频前端等领域中获得广泛应用。
[0003]常见的HEMT器件主要有耗尽型(常开)和增强型(常关)两种类型。其中，耗尽型器件在0V外加偏压状态时处于导通状态，而增强型器件则是0V外加偏压时处于关闭状态。以金属极性的耗尽型HEMT器件为例，其结构如图1所示，包括势垒层11、沟道层12、缓冲层13、衬底14、源电极16、漏电极17、栅电极18。一般势垒层禁带宽度较大，例如由AlGaN构成，沟道层是信号传输的通道，禁带宽度较低，例如由GaN构成。缓冲层通常由高阻GaN等构成，以降低器件漏电流。电子积累在GaN沟道层和AlGaN势垒层界面的三角形势阱中，形成二维电子气(2DEG)。而氮极性GaN/AlGaN增强型HEMT器件的结构可以参阅图2所示，其通常包括沟道层21、势垒层22、缓冲层23、衬底24、源电极27、漏电极28、栅电极29等，栅电极29与沟道层21之间设置有栅介质层26。但是，无论是现有的耗尽型GaN HEMT器件，还是增强型GaN HEMT器件，其器件结构中的2DEG只存在于单一界面，导致面密度不高，器件输出电流和功率不足。
[0004]尽管有一些研究人员提出了在GaN基HEMT器件中采用“双异质结”的方案，但是这些双异质结的基本思路是在GaN沟道层和缓冲层之间插入一层禁带宽度更大的AlGaN形成背势垒，以降低漏电流，其2DEG依然只存在于顶部势垒层和沟道层界面处，面密度进一步提升存在瓶颈。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种GaN基双沟道HEMT器件，从而克服现有技术的不足。
[0006]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：
[0007]本专利技术的一些实施例提供了一种GaN基双沟道HEMT器件，其包括：
[0008]外延结构，包括沿设定方向依次设置的第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层，所述第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层的禁带宽度依次增大，所述第一半导体层、第三半导体层中的任一者与第二半导体层的界面处均形成有二维电子气，并且组成所述第二半导体层、第三半导体层的半导体材料具有相同晶格常数；以及
[0009]与所述外延结构配合的源极、漏极及栅极。
[0010]在一些实施方式中，所述源极、漏极、栅极均与所述第三半导体层电性接触。
[0011]在一些实施方式中，所述栅极与第一半导体层之间还设置有栅介质层。
[0012]在一些实施方式中，所述栅极与第三半导体层之间还设置有第五半导体层。
[0013]与现有技术相比较，本专利技术实施例所提供的GaN基双沟道HEMT器件因具有双沟道
层和双势垒层结构，提高了二维电子气的面密度，从而大幅提高了HEMT器件的输出电流和输出功率密度，进一步的，通过使双势垒层的组成材料具有相同的晶格常数，还有效降低了外延结构内部的位错密度和应力，从而提高了HEMT器件工作的稳定性和可靠性。
附图说明
[0014]图1是现有的一种金属极性AlGaN/GaN耗尽型HEMT器件的结构示意图；
[0015]图2是现有的一种氮极性GaN/AlGaN增强型HEMT器件的结构示意图；
[0016]图3是本专利技术一典型实施方式中一种金属极性双沟道耗尽型GaN HEMT器件的结构示意图；
[0017]图4是本专利技术另一典型实施方式中一种氮极性双沟道增强型GaN HEMT器件的结构示意图；
[0018]图5是图3所示的一种金属极性双沟道耗尽型GaN HEMT器件的AlInN/AlGaN/GaN双异质结能带图；
[0019]图6是本专利技术实施例1中一种双沟道HEMT器件各结构层的禁带宽度图；
[0020]图7是本专利技术实施例1中一种双沟道HEMT器件的转移特性曲线图；
[0021]附图标记说明：11-AlGaN势垒层、12-GaN沟道层、13-GaN缓冲层、14-衬底、15-钝化层、16-源极、17-漏极、18-栅极、21-GaN沟道层、22-AlGaN势垒层、23-GaN缓冲层、24-衬底、25-钝化层、26-栅介质层、27-源极、28-漏极、29-栅极、31-AlInN势垒层、32-AlGaN势垒层、33-GaN沟道层、34-GaN缓冲层、35-衬底、36-钝化层、37-源极、38-漏极、39-栅极、41-GaN沟道层、42-AlGaN势垒层、43-AlInN势垒层、44-GaN缓冲层、45-衬底、46-钝化层、47-栅介质层、48-源极、49-漏极、410-栅极。
具体实施方式
[0022]如前所述，鉴于现有GaN HEMT器件中2DEG只存在于单一界面，导致面密度不高，器件输出电流和功率不足等缺陷，本案专利技术人经长期研究和实践，得以提出本专利技术的技术方案，如下将予以解释说明。
[0023]本专利技术的一些实施例提供的一种GaN基双沟道HEMT器件包括：
[0024]外延结构，包括沿设定方向设置的第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层，所述第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层的禁带宽度依次增大，所述第一半导体层、第三半导体层中的任一者与第二半导体层的界面处均形成有二维电子气，并且组成所述第二半导体层、第三半导体层的半导体材料具有相同晶格常数；以及
[0025]与所述外延结构配合的源极、漏极及栅极。
[0026]其中，所述第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层的材质可以分别采用GaN、AlGaN、AlInN，但不局限于此，而还可以采用其它的III-V族半导体材料。
[0027]其中，若第二半导体层、第三半导体层分别采用AlGaN、AlInN，则可以通过调制AlInN中In组分含量等方式，使AlInN与AlGaN具有相同的晶格常数，从而降低外延结构内部的位错密度和应力。
[0028]在一些实施方式中，所述第一半导体层的厚度为1-200nm。
[0029]在一些实施方式中，所述第二半导体层的厚度为1-20nm。
200nm。GaN缓冲层34厚度为100nm-10微米。在该器件中，AlInN势垒层31可以视为第一势垒层，AlGaN势垒层32既作为第二势垒层又作为第一沟道层，GaN沟道层33可以视为第二沟道层，由此在器件中形成双沟道层、双势垒层结构。
[0045]该金属极性双沟道耗尽型GaN HEMT器件中的外延结构可以通过金属有机气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)等方式形成。钝化层为SiO2、Si3N4、Al2O3中的一种或几种的组合，厚度为1-500nm，其可以通过磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、低压化学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GaN基双沟道HEMT器件，其特征在于包括：外延结构，包括沿设定方向依次设置的第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层，所述第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层的禁带宽度依次增大，所述第一半导体层、第三半导体层中的任一者与第二半导体层的界面处均形成有二维电子气，并且组成所述第二半导体层、第三半导体层的半导体材料具有相同晶格常数；以及与所述外延结构配合的源极、漏极及栅极。2.根据权利要求1所述的GaN基双沟道HEMT器件，其特征在于：所述源极、漏极、栅极均与所述第三半导体层电性接触。3.根据权利要求1所述的GaN基双沟道HEMT器件，其特征在于：所述第三半导体层或第一半导体层上还设置有钝化层，所述源极、漏极均穿过所述钝化层而与所述第三半导体层或第一半导体层电性接触。4.根据权利要求3所述的GaN基双沟道HEMT器件，其特征在于：所述栅极也穿过所述钝化层而与所述第三半导体层电性接触。5.根据权利要求1所述的GaN基双沟道HEMT器件，其特征在于：所述第三半导体层上还设置有第四半导体层，所述第四半导体层至少作为盖帽层，所述源极...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭炜，叶继春，戴贻钧，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：