层3上表面的两端分别具有源电极4和漏电极5，势皇层3上表面中部具有栅极结构；所述源电极4与栅极结构之间的势皇层3上表面具有介质钝化层10，所述漏电极5与栅极结构之间的势皇层3上表面具有结型半导体层8 ;所述结型半导体层8与势皇层3的接触面形成具有二维空穴气(2DHG)的第二异质结；其特征在于，所述结型半导体层8由P型掺杂区81和N型掺杂区82构成，所述P型掺杂区81与栅极结构连接，所述N型掺杂区82与漏电极5之间具有能阻断二维空穴气的隔断层11 ;所述栅极结构由绝缘栅介质7和金属栅电极6构成，所述绝缘栅介质7分别与介质钝化层10、势皇层3和P型掺杂区81连接，其横截面形状为U型结构，所述金属栅电极6位于绝缘栅介质7中，所述金属栅电极6沿器件横向方向延伸并覆盖在绝缘栅介质7的上表面；所述金属栅电极6还延伸至P型掺杂区81上表面并与结型半导体层8之间形成整流结构9 ;所述整流结构9为金属栅电极6与P型掺杂区81接触形成肖特基势皇接触，其中隔断层11为采用离子注入方式阻断 2DHG。
[0035]本例的工作原理为:首先，整流结构与结型半导体层的P型区域形成肖特基势皇，避免栅上加正压时造成栅极-2DHG-2DEG的泄漏电流，同时隔离结构采用离子注入方式阻断2DHG ;其次结型半导体层/势皇层/缓冲层形成极化超结结构，阻断状态时，2DHG辅助耗尽漂移区，有效的改善了器件栅靠漏端的电场集中效应，使器件表面电场分布更加均匀，获得极大的耐压提升。
[0036]实施例2
[0037]如图5所示，本例与实施例1不同的地方在于，本例器件整流结构9为PN结整流，其他结构与实施例1相同。整流结构与结型半导体层的P型区域形成PN结，避免栅上加正压时造成栅极-2DHG-2DEG的泄漏电流，导致器件提前击穿。
[0038]实施例3
[0039]如图6所示，本例与实施例1不同的地方在于，隔断层11采用刻槽方式阻断2DHG，用于避免因栅加正压时造成栅极-2DHG-2DEG的泄漏电流而导致器件提前击穿。
[0040]实施例4
[0041]如图7所示，本例与实施例1不同的地方在于，本例器件在结型结型半导体层8上方形成介质钝化层10，栅漏之间的介质钝化层10靠漏一侧上方形成漏场板12，与漏电极5电气相连。采用介质钝化层可以改善器件的表面态，抑制电流崩塌。所述介质钝化层材料可以采用与栅介质相同的材料且同时形成，或者采用SiNx、A1203、AlN等常用介质材料。与此同时，漏场板12的引入，可以有效的降低漏端的电场尖峰，避免了漏电发生提前击穿。
[0042]实施例5
[0043]如图8所示，本例与实施例1不同的地方在于，本例器件栅极结构为凹槽绝缘栅结构。凹槽绝缘栅结构将栅下势皇层全部刻蚀，实现增强型器件。凹栅刻蚀能够有效地耗尽栅极下方2DEG浓度，极大地提高阈值电压，但是栅下势皇层全部刻蚀会对缓冲层界面造成损伤，影响器件的电学性能。
[0044]实施例6
[0045]如图9所示，本例与实施例5不同的地方在于，凹槽绝缘栅结构将栅下势皇层部分刻蚀，实现增强型器件，与实施例5相比，栅下势皇层部分刻蚀可在一定程度上避免因刻蚀所造成的界面损伤。
[0046]本发明的HEMT器件，可以采用蓝宝石，娃，碳化硅(SiC)，氮化铝(AlN)或氮化镓(GaN)中的一种或几种的组合作为衬底层I的材料；可以采用GaN、A1N、AlGaN中的一种或几种的组合作为缓冲层2的材料；可以采用GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合作为势皇层3的材料；可以采用S1、SiC、GaN、AlN、AlGaN、InGaN, InAlN中的一种或几种的组合作为结型结型半导体层8的材料；对于钝化层10，业界常用的材料为SiNx，也可采用A1203，AlN等介质材料，绝缘栅介质7可采用与钝化层相同的材料；源电极4、漏电极5 —般采用金属合金，常用的有Ti/Al/Ni/Au或Mo/Al/Mo/Au等；栅电极6 —般采用功函数较大的金属合金，例如Ni/Au或Ti/Au等。
[0047]图10、图11分别是本发明提出的结型超异质结HEMT器件结构与传统MOS-HEMT结构的反向耐压比较图、反向耐压时电场分布比较图。采用Sentaurus TCAD软件进行仿真，两种结构在器件横向尺寸均为10.5 μ m，栅长均为1.5 μ m，栅漏距离均为5 μ m的条件下，本发明所提出的结构的击穿电压从传统MOS-HEMT的548V提高到880V，击穿电压提高60%。
【主权项】
1.一种具有结型半导体层的HEMT器件，包括衬底(I)、设置在衬底(I)上表面的缓冲层⑵和设置在缓冲层⑵上表面的势皇层(3)，所述缓冲层⑵和势皇层(3)的接触面形成具有二维电子气沟道的第一异质结；所述势皇层(3)上表面的两端分别具有源电极(4)和漏电极(5)，势皇层(3)上表面中部具有栅极结构；所述源电极(4)与栅极结构之间的势皇层(3)上表面具有介质钝化层(10)，所述漏电极(5)与栅极结构之间的势皇层(3)上表面具有结型半导体层(8);所述结型半导体层(8)与势皇层(3)的接触面形成具有二维空穴气的第二异质结；其特征在于，所述结型半导体层(8)由P型掺杂区(81)和N型掺杂区(82)构成，所述P型掺杂区(81)与栅极结构连接，所述N型掺杂区(82)与漏电极(5)之间具有能阻断二维空穴气的隔断层(11);所述栅极结构由绝缘栅介质(7)和金属栅电极(6)构成，所述绝缘栅介质(7)分别与介质钝化层(10)、势皇层(3)和P型掺杂区(81)连接，其横截面形状为U型结构，所述金属栅电极(6)位于绝缘栅介质(7)中，所述金属栅电极(6)沿器件横向方向延伸并覆盖在绝缘栅介质(7)的上表面；所述金属栅电极(6)还延伸至P型掺杂区(81)上表面并与结型半导体层(8)之间形成整流结构(9)。2.根据权利要求1所述的一种具有结型半导体层的HEMT器件，其特征在于，所述金属栅电极(6)与漏电极(5)之间的结型半导体层(8)的上表面具有第二介质钝化层(13)，所述漏电极(5)沿第二介质钝化层(13)上表面向金属栅电极￠)的方向延伸，形成漏场板电极(12)ο3.根据权利要求1所述的一种具有结型半导体层的HEMT器件，其特征在于，所述栅极结构为平面绝缘栅结构，所述绝缘栅介质(7)的下表面与势皇层(3)的上表面连接。4.根据权利要求1所述的一种具有结型半导体层的HEMT器件，其特征在于，所述栅极结构为凹槽绝缘栅结构，所述绝缘栅介质(7)的底部位于势皇层(3)中。5.根据权利要求1所述的一种具有结型半导体层的HEMT器件，其特征在于，所述栅极结构为凹槽绝缘栅结构，所述绝缘栅介质(7)的下表面与缓冲层(2)的上表面连接。6.根据权利要求1?5任意一项所述的一种具有结型半导体层的HEMT器件，其特征在于，所述整流结构(9)为金属栅电极(6)与P型掺杂区(81)接触形成肖特基势皇接触。7.根据权利要求1?5任意一项所述的一种具有结型半导体层的HEMT器件，其特征在于，所P型掺杂区(81)与栅极结构连接处的上表面掺杂有N型半导体形成PN结整流，所述整流结构(9)为金属栅电极(6)与PN结整流形成欧姆接触。8.根据权利要求5所述的一种具有结型半导体层的HEMT器件，其特征在于，所述隔断层(11)为物理隔断层或离子注入隔断层。9.根据权利要求6所述的一种具有结型半导体层的HEMT器件，其特征在于，所述隔断层(11)为物理隔断层或离子注入隔断层。10.据权利要求8或9所述的一种具有结型半导体层的HEMT器件，其特征在于，所述绝缘栅介质(7)采用的材料为A1203 ;所述结型半导体层(8)采用的材料为S1、SiC, GaN,AIN, AlGaN, InGaN, InAlN中的一种或几种的组合；所述缓冲层(2)及势皇层(3)采用材料为GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合；所述衬底(I)采用的材料为蓝宝石、硅、SiC、AlN或GaN中的一种或几种的组合。
【专利摘要】本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种具有结型半导体层的HEMT器件。本发明的器件，主要为通过在栅漏之间的势垒层上表面生长一层结型半导体层，结型半导体层与势垒层形成二维空穴气(2DHG)。栅极金属与结型半导体层形成整流结构避免栅上加正压时造成栅极-2DHG-2DEG的泄漏电流，同时漏电极与结型半导体之间采用隔离层阻断2DHG；另一方面，栅漏之间的2DHG与2DEG形成极化超结，阻断状态时辅助耗尽漂移区，有效的改善了器件栅靠漏端的电场集中效应，同时，在P型掺杂区和N型掺杂区的接触部分，会引入一个新的电场尖峰,使得器件表面电场分布更加均匀，从而提高器件的关态击穿电压。本发明尤其适用于HEMT器件。
【IPC分类】H01L29/778, H01L29/40
【公开号】CN105097911
【申请号】CN201510456005
【发明人】罗小蓉, 杨超, 熊佳云, 魏杰, 吴俊峰, 彭富, 张波
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年7月29日