双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管及其制作方法。所述双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管包括异质结构以及源电极、漏电极、主栅电极和副栅电极；所述异质结构包括沟道层以及形成在沟道层上的势垒层，所述沟道层和势垒层之间形成有二维电子气；所述主栅电极和副栅电极分别设置在所述势垒层的主栅电极区域和副栅电极区域，所述势垒层副栅电极区域具有凹槽结构，所述副栅电极的局部设置在所述凹槽结构，所述副栅电极与所述二维电子气形成肖特基二极管。本发明专利技术实施例提供的双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管，实现了器件第三象限导通能力和栅极可靠性的提升，提高了器件的高可靠、高能效工作能力。高能效工作能力。高能效工作能力。

【技术实现步骤摘要】
双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管及其制作方法


[0001]本专利技术特别涉及一种双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管及其制作方法，属于宽禁带半导体晶体管


技术介绍

[0002]电能与人类社会发展息息相关，而功率电子器件是能量转换的核心器件，可以高效地进行多种形式的电能转换，在各种功率系统中有着广泛的应用。随着目前电子技术的不断发展，传统Si基器件受其材料本身物理限制，性能逐渐难以满足人们对于功率密度、开关速度、能效等方面的需求，而氮化镓(GaN)材料具有禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子漂移速度大、热导率高等优异物理特性，是制备新一代功率电子器件的优选材料。基于GaN材料强极化特性，A1GaN/GaN异质结界面处可以形成高浓度、高迁移率的二维电子气(2DEG)，是制备高性能功率电子器件的主要材料体系，目前已实现规模商用。其中，由于2DEG的存在，常规AlGaN/GaN HEMT器件为耗尽型器件(又称常开型器件，即在零栅极偏压下器件处于开启状态)，在实际应用中，需要负电压源才能关闭器件，这不仅存在失效安全问题，也增加了器件栅极驱动电路设计的复杂度，提高了器件使用成本。相应的，增强型(又称常关型)GaN HEMT器件成为了目前的主要研究方向，具有广泛的应用价值和研究意义。
[0003]目前，业内通常采用两种技术路线，一种是采用p型帽层结构耗尽2DEG沟道实现增强型工作，另一种是采用低压增强型Si MOSFET和高压耗尽型GaN HEMT级联结构(cascode)实现增强型工作模式。
[0004]然而，两种技术路线的器件都面临着器件第三象限导通电压随GaN HEMT器件阈值电压及栅偏压改变而漂移的问题，第三象限导通能力不稳定且功耗高。同时，由于GaN HEMT器件高压、高开关速度影响，栅电极极容易受电路开关条件下寄生电容、电感耦合能量的冲击，轻则带来器件栅极振荡，重则直接带来器件损坏。
[0005]因此，无论是在增强型GaN HEMT器件还是在耗尽型GaN HEMT器件中，或是在更高开关频率的射频GaN HEMT器件中，都有必要发展一种具有优异第三象限导通能力和高栅极可靠性的GaN HEMT器件技术，以实现器件的高可靠、高能效应用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于提供一种基于势垒层刻蚀技术的双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管及其制作方法，通过采用主栅电极、副栅电极的双栅结构，以及在副栅电极下方进行势垒层刻蚀，实现更优异的器件第三象限导通能力，并通过实现副栅电极对主栅电极的保护，改善器件栅极可靠性，从而克服现有技术中的不足。
[0007]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：
[0008]本专利技术实施例提供了一种基于势垒层刻蚀技术的双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管，包括异质结构以及与所述异质结构配合的源电极、漏电极、主栅电极和副栅电极；
[0009]所述异质结构包括沟道层以及形成在沟道层上的势垒层，所述沟道层和势垒层之
间形成有二维电子气；
[0010]所述主栅电极和副栅电极分别设置在所述势垒层的主栅电极区域和副栅电极区域，其中，所述势垒层副栅电极区域具有凹槽结构，所述副栅电极的局部设置在所述凹槽结构，且所述副栅电极与所述二维电子气形成肖特基二极管。
[0011]本专利技术实施例提供了所述的双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，包括：
[0012]提供异质结构，所述异质结构包括沟道层以及形成在沟道层上的势垒层，所述沟道层和势垒层之间形成有二维电子气；
[0013]在所述势垒层表面的源电极区域形成源电极，在所述势垒层表面的漏电极区域形成漏电极，以及，
[0014]在所述势垒层表面的主栅极区域形成主栅电极；至少除去所述势垒层表面副栅电极区域的部分势垒层，以在所述副栅极区域加工形成凹槽结构，在所述副栅电极区域形成副栅电极，且使所述副栅电极的局部位于所述凹槽结构内，或者，直接在所述势垒层表面的副栅电极区域形成副栅电极，所述副栅电极与所述二维电子气形成肖特基二极管。
[0015]与现有技术相比，本专利技术实施例提供的一种基于势垒层刻蚀技术的双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管，通过在副栅电极区域的势垒层进行刻蚀形成凹槽结构，在副栅电极与异质结界面2DEG形成肖特基二极管，并通过副栅电极对主栅电极的保护，实现器件第三象限导通能力和栅极可靠性的提升，提高了器件的高可靠、高能效工作能力，可应用于功率电子及射频电子器件中。
附图说明
[0016]图1是本专利技术实施例1中提供的一种基于势垒层刻蚀技术的双栅GaN HEMT器件的结构示意图；
[0017]图2是本专利技术实施例1中提供的一种基于势垒层刻蚀技术的双栅GaN HEMT器件的俯视图；
[0018]图3是本专利技术实施例1中提供的一种基于势垒层刻蚀技术的双栅GaN HEMT器件的制作流程结构示意图；
[0019]图4是本专利技术实施例2中提供的一种基于势垒层刻蚀技术的双栅GaN HEMT器件的结构示意图。
具体实施方式
[0020]鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
[0021]本专利技术实施例提供了一种基于势垒层刻蚀技术的双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管，包括异质结构以及与所述异质结构配合的源电极、漏电极、主栅电极和副栅电极；
[0022]所述异质结构包括沟道层以及形成在沟道层上的势垒层，所述沟道层和势垒层之间形成有二维电子气；
[0023]所述主栅电极和副栅电极分别设置在所述势垒层的主栅电极区域和副栅电极区域，其中，所述势垒层副栅电极区域具有凹槽结构，所述副栅电极的局部设置在所述凹槽结
构，且所述副栅电极与所述二维电子气形成肖特基二极管。
[0024]在一较为具体的实施方案中，所述凹槽结构包括一个或多个沿所述势垒层厚度方向凹陷的凹槽，所述凹槽的深度大于等于0且小于等于所述异质结的厚度。
[0025]在一较为具体的实施方案中，所述主栅电极区域还设置有主栅结构，所述主栅电极设置在所述主栅结构上，其中，所述主栅结构为增强型栅结构或耗尽型栅结构。
[0026]在一较为具体的实施方案中，所述主栅结构为肖特基型栅结构、金属
‑
绝缘层
‑
半导体(MIS)栅结构、p型栅帽层结构、pn结型栅帽层结构、凹槽型栅结构、氟离子注入栅结构中的任意一种，但不限于此。
[0027]在一较为具体的实施方案中，所述主栅电极和副栅电极间隔设置在所述源电极与漏电极之间，其中，所述主栅电极位于所述副栅电极与源电极之间。
[0028]在一较为具体的实施方案中，所述沟道层的材质包括GaN，所述势垒层的材质包括AlGaN、InAlGaN、AlN、InAlN中的一种或两种以上的组合。
[0029]在一较为具体的实施方案中，所述异质结构还包括插入层，所述插入层设置在所述沟道层和势垒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于势垒层刻蚀技术的双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括：异质结构以及与所述异质结构配合的源电极、漏电极、主栅电极和副栅电极；所述异质结构包括沟道层以及形成在沟道层上的势垒层，所述沟道层和势垒层之间形成有二维电子气；所述主栅电极和副栅电极分别设置在所述势垒层的主栅电极区域和副栅电极区域，其中，所述势垒层副栅电极区域具有凹槽结构，所述副栅电极的局部设置在所述凹槽结构，且所述副栅电极与所述二维电子气形成肖特基二极管。2.根据权利要求1所述的双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述凹槽结构包括一个或多个沿所述势垒层厚度方向凹陷的凹槽，所述凹槽的深度大于等于0且小于等于所述异质结构的厚度。3.根据权利要求1所述的双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述主栅电极区域还设置有主栅结构，所述主栅电极设置在所述主栅结构上，其中，所述主栅结构为增强型栅结构或耗尽型栅结构；优选的，所述主栅结构为肖特基型栅结构、金属
‑
绝缘层
‑
半导体(MIS)栅结构、p型栅帽层结构、pn结型栅帽层结构、凹槽型栅结构、氟离子注入栅结构中的任意一种；优选的，所述主栅电极和副栅电极间隔设置在所述源电极与漏电极之间，其中，所述主栅电极位于所述副栅电极与源电极之间。4.根据权利要求1所述的双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述沟道层的材质包括GaN，所述势垒层的材质包括AlGaN、InAlGaN、AlN、InAlN中的一种或两种以上的组合。5.根据权利要求1所述的双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述异质结构还包括插入层，所述插入层设置在所述沟道层和势垒层之间；优选的，所述插入层的材质包括有AlN；优选的，所述插入层的厚度大于0而小于等于3nm。6.根据权利要求1所述的双栅结构氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述势垒层上除被所述源电极、漏电极、主栅电极和副栅电极覆盖的区域还设置有钝化层；优选的，所述钝化层的材质包括氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、硅氧氮、铝氧氮、聚酰亚胺中的任意一种或两种以...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐尉宗，柏宇，陆海，杜永浩，任芳芳，周峰，周东，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：