Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件的制作方法

本发明涉及一种高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)，尤其涉及一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物增强型HEMT器件。

背景技术：

HEMT器件是充分利用半导体的异质结结构形成的二维电子气而制成的，与Ⅲ-Ⅵ族(如AlGaAs/GaAs HEMT)相比，Ⅲ族氮化物半导体由于压电极化和自发极化效应，在异质结构上(Heterostructure)，如：AlGaN/GaN，能够形成高浓度的二维电子气。所以在使用Ⅲ族氮化物制成的HEMT器件中，势垒层一般不需要进行掺杂。Ⅲ族氮化物具有大的禁带宽度、较高的饱和电子漂移速度、高的临界击穿电场和极强的抗辐射能力等特点，能够满下一代电力电子系统对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更高温度的工作的要求。

现有的Ⅲ族氮化物半导体HEMT器件作为高频器件或者高压大功率开关器件使用时，特别是作为功率开关器件时，实现增强型HEMT器件是非常有必要的。目前主要的方法有薄的势垒层、凹栅结构、P型盖帽层和F处理等技术。但是每一种技术都存在自身的不足。例如，世界上首支增强型HEMT器件是采用较薄的势垒层来实现的，这种方法不使用刻蚀工艺，所以带来的损伤小，但是由于较薄的势垒层，器件的饱和电流较小，在此基础上出现了凹栅结构，凹栅结构解决了饱和电流较小的问题，但是一般的HEMT器件势垒层只有20-30nm，采用刻蚀工艺形成凹栅结构的工艺难于控制，重复性较差。P型盖帽层不需要刻蚀工艺，但是产生较为严重的界面态，影响器件的稳定性。F等离子处理也能实现增强型HEMT器件，并且不需要刻蚀，但是注入的F离子在势垒层中并不形成化学键，所以稳定性较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种新型的Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件从而克服现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件，包括源电极、漏电极以及异质结构，所述源电极与漏电极通过形成于异质结构中的二维电子气电连接，所述异质结构包括第一半导体和第二半导体，所述第二半导体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，所述第一半导体设置于源电极和漏电极之间，所述栅电极设置于第二半导体表面靠近源电极一侧，并与第二半导体形成肖基特接触，其中所述第二半导体中还设有用以耗尽栅下的二维电子气的P型掺杂区，所述P型掺杂区位于栅电极下方，且位于第一半导体上方。

进一步的，还可在所述第二半导体和栅电极之间设置绝缘介质层，从而形成MISHEMT器件。

进一步的，仅在位于栅极下方的第二半导体的局部区域内分布有P型掺杂区。

进一步的，当未在栅电极上施加电压或施加于栅极的电压低于一阈值电压时，所述HEMT器件处于断开状态，而当施加于栅电极的电压超过一阈值电压时，在位于栅极下方的第一半导体中会积累电子形成导电通道，从而使所述HEMT器件处于开启状态。

进一步的，当栅极是零偏压时，所述HEMT器件处于断开状态，而当在栅极施加正向电压时，所述HEMT器件处于开启状态。

进一步的，所述源电极和漏电极分别与电源的低电位和高电位连接。

进一步的，所述第一半导体和第二半导体均采用Ⅲ族氮化物半导体。

进一步的，所述P型掺杂区是通过半导体掺杂工艺对位于栅极下方的第二半导体的局部区域进行处理而生成，所述半导体掺杂工艺包括离子注入或者热扩散工艺。

进一步的，对于前述P型掺杂区，其P型掺杂的激活浓度应足以耗尽栅下的二维电子气，而其浓度一般为1×e¹³cm^-2，所以激活浓度也要达到这个数量级 或者更高，掺杂离子主要是以Mg为代表的能使氮化物半导体形成P型的离子，当然也可采用业界所知的其它适合离子，例如Zn、Li、B等。

又及，考虑到直接生长P型的氮化物一般比较困难，且目前实现P型掺杂的离子主要是镁，而在直接生长P型氮化物半导体的过程中，镁离子与生长中的氢离子结合在一起，使得镁离子很难电离，所以优选采用离子注入和热扩散的方法进行P型掺杂，以有效避免这种现象。

与现有技术相比，本发明的优点包括：通过在HEMT器件的栅极下的第二半导体进行p掺杂使二维电子气耗尽，进而可通过栅极电压的变化控制栅下二维电子气的恢复，从而控制源、漏极的开启和断开，其中当向源、漏极不施加或施加小于一定数值的电压时，由于栅极下的二维电子气耗尽，没有电流流过源、漏两个电极，该HEMT器件处于关闭状态，当向栅电极施加大于或等于一定数值的正向电压时，栅下积累电荷，源、漏极导通，该HEMT器件处于开启状态，因而可以有效的实现增强型HEMT，且其制备工艺简单，成本低廉，易于进行大规模生产。

附图说明

图1是普通HEMT器件的局部结构示意图；

图2是普通HEMT器件处于关断状态的结构示意图；

图3是本发明一典型实施方案中一种采用P型掺杂技术实现的增强型HEMT的剖面结构示意图；

图4是本发明一典型实施方案中一种增强型HEMT处于关断状态的结构示意图；

图5是本发明一典型实施方案中一种增强型HEMT处于开启状态的结构示意图；

图6是本发明一典型实施方案中一种采用掺杂技术实现的增强型MIS-HEMT的剖面结构示意图；

附图标记说明：衬底1、第一半导体2、第二半导体3、源电极4、栅电极5、漏电极6、二维电子气7、栅下区域8、P型掺杂区9、栅介质层10。

具体实施方式

参阅图1，对于普通HEMT器件(以AlGaN/GaN器件为例，如下均简称“器件”)，一般而言，当在栅电极5施加零偏压或者没有加偏压时，漏电极6和源电极4都与二维电子气7相连接，所以器件的漏电极6和源电极4是导通的，器件处于开启状态，一般称这种器件为耗尽型HEMT器件，也可以称作常开型HEMT器件。

需说明的是，在本说明书中，源电极、漏电极、栅电极亦可分别被简称为源极、漏极和栅极。

参阅图2，为了使器件处于断开状态，必须使漏电极6和源电极4之间的二维电子气7耗尽或者某个区域的二维电子气耗尽。可以通过在栅电极5施加一定的电压实现，当栅电极5加负偏压达到Vg<Vth时，Vth为器件的阈值电压，对于普通HEMT器件一般Vth为负值，可以耗尽栅下区域8的二维电子气，从而使器件处于关断状态。这种器件在实际电路应用过程中由于只有在栅极5施加负偏压时，器件才能关断，与增强型器件相比，增加了器件的功耗，并且系统的安全性较差。

鉴于前述普通HEMT器件的缺陷，本发明提出了一种新型的HEMT器件。

参阅图3，在本发明的一典型实施方案所涉及的一种具有正阈值电压的Ⅲ族氮化物半导体高电子迁移率晶体管(HEMT)器件中，源电极4、漏电极6位于两侧，在靠近源电极4一侧的第二半导体3(如，AlGaN层)表面有一栅电极5，使用离子注入或者热扩散等半导体工艺，在栅电极的下方的第二半导体3中形成P型掺杂区9，P型掺杂区9会耗尽删下的二维电子气8，从而使漏电极6和源电极4之间关断。因而这种器件可被称为增强型HEMT或者常关型HEMT器件。其中，对于该P型掺杂区，P型掺杂的激活浓度应至少足以耗尽栅下的二维电子气(其浓度为1×e¹³cm^-2)，其中掺杂离子优选采用镁。

进一步的，请参阅图4，在本发明的一种增强型HEMT器件中，阈值电压Vth为正值，当栅电压Vg<Vth时，由于栅下的P型掺杂区9将栅下的二维电子气8耗尽，所以器件处于断开状态。

再请参阅图5，在本发明的一种通过掺杂实现增强型HEMT器件中，当栅电压Vg>Vth时，这时栅下区域8会积累电子，积累的电子形成新的导通沟道，使漏电极6和源电极4导通。

这种通过栅电极施加正的电压时，才处于导通状态的器件属于常关型器件，有效的解决了传统HEMT器件在功耗和安全性的问题，并且与传统的HEMT器件形成互补，可以有效的降低系统设计的复杂性。

当然，本发明的技术方案也可应用于MISHEMT(金属-绝缘层-半导体HEMT)，其结构包括：源、漏、栅电极以及异质结构，源、漏电极为欧姆接触，并且与异质结构中的二维电子气相连接，通过栅极电压的变化控制栅下二维电子气，从而控制源和漏极的开启和断开。异质结构包括两种半导体，分别为第一、第二半导体，第二半导体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，在第二半导体的表面覆盖栅介质层(例如：采用原子层沉积Atom Layer Deposition制作的Al₂O₃，其应具有良好的绝缘性质，因此也可被认为是绝缘介质层)，栅极设置于第二半导体表面靠近源电极一侧，并与第二半导体形成肖基特接触，在栅下的第二半导体通过离子注入或热扩散的方式进行掺杂，从而改变其导电类型。掺杂引起栅下的二维电子气耗尽，因此，当源、漏极加一定电压时，由于栅下的二维电子气耗尽，没有电流流过源、漏极两个电极，器件处于关闭状态。当栅电极加正电压时，栅下积累电荷，源、漏极导通，器件处于开启状态。如此，可以有效的实现增强型MIS-HEMT。

参阅图6，在本发明的另一典型实施方案所涉及的一种MISHEMT器件中，源电极4、漏电极6位于两侧，在靠近源电极4一侧的第二半导体3(如，AlGaN层)表面有一栅电极，在沉积栅电极之前，使用离子注入或者热扩散等半导体工艺在栅电极的下方的第二半导体3中形成P型掺杂区9，P型掺杂区9会耗尽删下的二维电子气8，从而使漏电极6和源电极4之间关断。其中，对于该P型掺杂区，P型掺杂的激活浓度要足以耗尽栅下的二维电子气(其浓度为1×e¹³cm^-2)，其中掺杂离子优选采用镁。

进一步的，还可在第二半导体表面沉积一层栅介质层，然后在该栅介质层10上，二维电子气的耗尽区8的正上方沉积栅金属，形成增强型HEMT或者常 关型HEMT器件。

以上对本发明技术方案进行了概述，为了使公众能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以基于AlGaN/GaN异质结的器件为例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1请参考图3，该HEMT具有：第一半导体2(GaN)和形成在第一半导体2上的第二半导体3(AlGaN)。第一半导体2未进行特意掺杂。在第二半导体3中可以掺入业界习用的n型杂质，例如可以采用Si掺杂，也可以不进行掺杂。第二半导体3的带隙比第一半导体2的带隙更宽。第二半导体3的厚度约为15至30nm。第一半导体2和第二半导体3形成异质结构，在界面处形成二维电子气(2DEG)。

该HEMT具有按间隔距离分离配置的漏电极6和源电极4。漏电极6与源电极4贯穿第二半导体3延伸到第一半导体2，与沟道中二维电子气相连接。漏电极6和源电极4是由多层金属(如：Ti/Al/Ti/Au或者Ti/Al/Ni/Au等)通过快速高温退火形成欧姆接触。

进一步的，该HEMT的栅下进行P型掺杂，掺杂的技术可以为离子注入或者热扩散。P型掺杂的激活浓度要足以耗尽栅下的二维电子气，一般二维电子气的浓度为1×e¹³cm^-2，所以激活浓度也要达到这个数量级或者更高，掺杂离子主要是以镁为代表的能使氮化物半导体形成P型的离子，注入的离子为可以把第二半导体3的局部变为P型半导体。形成的P型半导体会耗尽栅下的二维电子气，实现增强型HEMT。

该HEMT的工作原理如下：参阅图4，在增强型HEMT器件中，阈值电压Vth为正值，当栅电压Vg<Vth时，由于栅下的P型掺杂区9将栅下的二维电子气8耗尽，所以器件处于断开状态。

参阅图5，在本发明通过掺杂实现增强型HEMT器件中，当栅电压Vg>Vth时，这是栅下区域8会积累电子，积累的电子形成新的导通沟道，使漏电极6和源电极4导通。器件处于开启状态。

实施例2请参考图6，该MISHEMT具有：第一半导体2(GaN)和形成在第一半导体2上的第二半导体3(AlGaN)。第一半导体2未进行特意掺杂。在第 二半导体3中可以掺入n型杂质，也可以不进行掺杂。第二半导体3的带隙比第一半导体2的带隙更宽。第二半导体3的厚度约为15至30nm。第一半导体2和第二半导体3形成异质结构，在界面处形成二维电子气(2DEG)。

该MISHEMT具有按规定间隔分离配置的漏电极6和源电极4。漏电极6与源电极4贯穿第二半导体3延伸到第一半导体2，与沟道中二维电子气相连接。漏电极6和源电极4是由多层金属(如：Ti/Al/Ti/Au或者Ti/Al/Ni/Au等)通过快速高温退火形成欧姆接触。

在该MISHEMT的栅下进行P型掺杂，掺杂的技术可以为离子注入或者热扩散。注入的离子为可以把第二半导体3的局部变为P型半导体。形成的P型半导体会耗尽栅下的二维电子气，在表面沉积一层栅介质层(例如：采用Atom Layer Deposition制作的Al₂O₃)，然后在栅介质层10上，二维电子气的耗尽区8的正上方沉积栅金属，形成增强型HEMT或者常关型HEMT器件。如此，可以实现增强型MISHEMT。

该MISHEMT的工作原理与本发明采用掺杂技术实现增强型HEMT的工作原理相同，具体可以参考实施例1。

上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。