一种GaN基增强型功率电子器件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及GaN基功率电子和微波功率放大器应用技术领域，尤其是一种GaN基增强型功率电子器件及其制备方法。
【背景技术】
[0002]高效功率电子器件(又称功率开关器件)在智能电网、工业控制、新能源发电、电动汽车以及消费电子等领域具有重大应用价值，全球70%以上的电力电子系统均由基于功率半导体器件的电力管理系统来调控管理。传统Si功率电子器件性能已经接近Si半导体材料的物理极限，以SiC和GaN为代表的新型宽禁带半导体器件凭借更高的击穿电场、更高的工作频率和更低的导通电阻有望成为下一代高效功率电子技术的强有力竞争者。
[0003]增强型是功率电子器件安全工作的关键要求，即在高压工作时，器件即使失去栅控的状态下也是安全的，不会导致系统的烧毁。这就要求功率电子器件必须是增强型的(enhancement-mode,也称normally-off)，即器件的阈值要在0V以上。而目前GaN基增强型功率电子器件主要是基于A1 (In，Ga)N/GaN异质结构制备的，依靠A1 (In，Ga)N势皇层和GaN缓冲层间较强的自发和压电极化效应，在A1 (In，Ga) N/GaN异质结沟道中会诱导出高达1013cm 2的二维电子气(2DEG)，因此基于该结构制备的GaN基功率电子器件(包括HEMTs和MIS-HEMTs) 一般是耗尽型的，为了实现GaN基增强型器件，目前国际上主要有五种技术:1)栅槽刻蚀减薄Al(In，Ga)N势皇层；2)在A1 (In，Ga)N势皇层中注入带负电的氟离子；3)在势皇层表面生长P_(Al)GaN盖帽层；4)在势皇层表面生长InGaN或厚GaN反极化层；5)增强型S1-MOSFET与GaN基耗尽型HEMT/MIS-HEMT级联结构。
[0004]栅槽刻蚀是通过等离子体干法刻蚀A1 (In，Ga)N势皇层实现，由于势皇层一般只有20nm左右，通过该技术很难实现晶圆间，尤其是批次间刻蚀深度的重复性，制约了该技术的产业化。氟离子注入技术同样面临工艺的重复性问题。P_(Al)GaN盖帽层和厚GaN反极化层技术是通过M0CVD或MBE外延生长厚度和掺杂控制来实现增强型，一般能获得较好的阈值一致性，特别是P_(Al)GaN技术已经有相关的示范产品报道。第5种级联技术利用成熟的S1-MOSFET (已产业化)实现增强型，也推出了相关的600V功率电子产品。
[0005]另一方面，由于表面态的存在，GaN基功率电子器件在高压工作时存在严重的电流坍塌，直接导致器件动态导通电阻和功耗的增加。香港科技大学采用等离子增强原子层沉积(PEALD)技术在II1-族氮化物半导体上外延出具有极化特性的A1N薄膜，利用极化诱导的高密度极化电荷补偿表面态，有效抑制了 GaN基功率电子器件高压电流坍塌。因此，利用极性A1N薄膜的极化特性除了能抑制电流i丹塌，同时有可能在薄势皇A1 (In，Ga) N/GaN异质结构中获得高密度的2DEG。
[0006]综上所述，结合薄势皇A1 (In，Ga)N/GaN异质结构的良好增强型阈值控制和极性A1N钝化薄膜高密度极化电荷，有助于制备出具有良好的增强型阈值均匀性、低动态导通电阻的GaN基功率电子器件，从而有效提高GaN基增强型器件的工艺重复性和成品率，推动GaN基功率电子器件的产业化进程。
【发明内容】
[0007](一 )要解决的技术问题
[0008]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种GaN基增强型功率电子器件及其制备方法，以解决GaN基功率电子器件的增强型阈值一致性和重复性，提高GaN基功率电子器件的工艺成品率，促进GaN基功率电子器件的产业化。
[0009]( 二 )技术方案
[0010]为达到上述目的，本发明提供了一种GaN基增强型功率电子器件，包括:衬底；形成于衬底之上的薄势皇A1 (In，Ga) N/GaN异质结构；以及形成于薄势皇A1 (In，Ga) N/GaN异质结构之上的栅极、源极和漏极；其中，在栅极与源极以及栅极与漏极之间的接入区域形成有A1N钝化层，利用具有极化特性的该A1N钝化层恢复该A1N钝化层下薄势皇A1 (In，Ga)N/GaN异质结沟道中的二维电子气，从而降低器件的导通电阻，同时抑制器件的高压电流坍塌。
[0011]上述方案中，所述薄势皇A1 (In，Ga)N/GaN异质结构是利用金属有机物化学气相沉积或分子束外延技术直接在衬底上依次外延GaN缓冲层和A1 (In，Ga)N势皇层而形成，以实现增强型栅结构。
[0012]上述方案中，所述薄势皇A1 (In，Ga) N/GaN异质结构中，A1 (In，Ga)N势皇层是10nm以下AlGaN或AlInN三元合金势皇层，或者是AlInGaN四元合金势皇层。所述增强型栅结构，是肖特基型栅接触，或者是MIS型栅接触，栅长从100纳米到3微米，其中1微米以下栅线条是通过步进光刻或电子束光刻实现，1微米以上是采用光学光刻实现。
[0013]上述方案中，所述A1N钝化层，是具有极化特性的钝化薄膜，厚度在10nm以下，采用等离子体增强模式原子层沉积或分子束外延技术在低温下生长，生长温度在150°C到500 °C之间。
[0014]上述方案中，所述A1N钝化层之上还包括SiNx钝化保护层，以提高器件的可靠性。
[0015]上述方案中，所述SiNx钝化保护层，是通过MOCVD外延、LPCVD或PECVD技术生长，厚度在50-200nm之间。
[0016]上述方案中，所述衬底为硅衬底、SiC衬底、蓝宝石衬底或同质外延的GaN衬底。
[0017]为达到上述目的，本发明还提供了一种GaN基增强型功率电子器件的制备方法，该方法首先在衬底之上形成薄势皇A1 (In，Ga)N/GaN异质结构，然后采用先栅工艺或后栅工艺在薄势皇A1 (In，Ga) N/GaN异质结构之上形成栅极、源极、漏极、A1N钝化层以及SiNji化保护层。
[0018]上述方案中，所述薄势皇A1 (In，Ga)N/GaN异质结构是利用金属有机物化学气相沉积或分子束外延技术直接在衬底上依次外延GaN和薄势皇层而形成；所述先栅工艺是先在薄势皇A1 (In，Ga)N/GaN异质结构之上制备栅极、源极及漏极，然后在栅极与源极以及栅极与漏极之间的接入区域依次形成A1N钝化层及SiNx钝化保护层；所述后栅工艺是先在薄势皇A1 (In，Ga)N/GaN异质结构之上依次制备A1N钝化层及SiNx钝化保护层，然后在栅极开孔制备栅肖特基或MIS接触。
[0019](三)有益效果
[0020]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0021]1、本发明提供的GaN基增强型功率电子器件及其制备方法，从材料生长角度提供一种精确调控GaN基增强型功率电子器件阈值电压的技术，通过调整A1 (In，Ga) N势皇层生长条件，能有效提高GaN基增强型器件阈值电压的可控度和一致性，解决了 GaN基增强型器件的工艺重复性，有助于提高GaN基增强型电子器件的成品率，促进GaN基功率电子器件的产业化。
[0022]2、本发明提供的GaN基增强型功率电子器件及其制备方法，由于在薄势皇A1 (In，Ga) N/GaN异质结构中，势皇层厚度在10nm以下，能有效降低源漏(source&drain)欧姆接触的合金温度(850°C以下)。
[0023]3、本发明提供的GaN基增强型功率电子器件及其制备方法，为了弥补上述A1 (In，Ga)N/GaN薄势皇技术导致的栅源和栅漏区域沟道电阻的增加，利用具有极化特性的(charge-polarized)A1N薄膜中的极化电荷提高A1 (In，Ga)N/GaN异质结构沟道的2DEG密度，从而有效降低整个器件的导通电阻。
[0024]4、本发明提供的GaN基增强型功率电子器件及其制备方法，所采用的具有极化特性的A1N钝化薄膜不仅能够降低GaN基增强型功率电子器件(包括HEMTs和MIS-HEMTs)的沟道电阻，而且能有效钝化A1 (In，Ga) N/GaN异质结构的表面态，显著抑制其制备的功率电子器件的高压电流坍塌。
[0025]5、本发明提供的GaN基增强型功率电子器件及其制备方法，所采用的用于保护具有极化特性的A1N钝化的3丨凡表面层，能防止A1N被外界氧化或被水汽侵蚀，有效提高器件的长期可靠性。
【附图说明】
[0026]图1是本发明提供的GaN基增强型功率电子器件的结构示意图；
[0027]图2是用于实现GaN基增强型的薄势皇A1 (In，Ga)N/GaN异质结构的示意图；
[0028]图3是利用具有极化特性的A1N钝化层实现GaN