介电常数介质层结构，介质层材料可以是二氧化硅(S12)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)以及氧化铪(HfO2)等。另外，为了提高二次生长2DEG沟道中电子浓度，可以通过增加AlGaN/GaN异质结界面处的应变来提高该界面的压电极化效应，从而提高栅极二次生长异质结界面处正极化电荷密度。例如，在生长介质层5之前，可以选择通过PECVD或者溅射等生长方法在第一势皇层4和介质层5的表面额外沉积一层厚度为10?30nm的硬膜，如类金刚石薄膜(DLC)或者氮化硅(Si3N4)薄膜，利用它们与AlGaN势皇层之间的应力增加AlGaN/GaN异质界面的正极化电荷，提高2DEG密度，从而进一步减小器件沟道的导通电阻。
[0051]步骤105，形成与介质层接触的栅电极。
[0052]图5e是本实用新型实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法在本步骤中对应的结构图。参照图5e，形成与介质层5接触的栅电极8。具体过程为:在上述介质层5表面采用光刻工艺定义出栅电极窗口，栅电极窗口盖过下面凹槽栅，窗口左右两边尺寸比下面凹槽栅边界各超出0.5 μπι ;再利用电子束蒸发系统沉积Ni (50?150nm)/W(50?lOOnm)双层金属膜结构；最后经过金属剥离工艺形成栅电极结构。
[0053]步骤106，分别形成与第一 GaN层接触的源电极和漏电极。
[0054]图2是本实用新型实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法在本步骤中对应的结构图。参照图2，分别形成与第一 GaN层3接触的源电极9和漏电极
10。具体过程为:在上述结构表面采用光刻工艺定义出源级和漏极窗口，利用ICP设备刻蚀源漏极区域表面介质层和AlGaN势皇层，用电子束蒸发系统沉积Ti (40nm) /Al (10nm)/W(60nm)复合金属结构，最后经氮气中850°C温度30s时间退火形成良好的欧姆接触。
[0055]由于现有技术的AlGaN势皇层刻蚀和氟离子注入方案分别造成栅极下面用于电流输运的2DEG沟道界面的破坏和沟道内电子散射的增加，从而导致器件开启导通电阻变大，导通电流降低。另外，为了获得目标的大阈值电压常关型操作类型，势皇层刻蚀深度和氟离子注入剂量都要加强，从而导致器件大阈值电压和大导通电流两项主要指标要有所取舍，实际器件制作中需要选择一种折中的方案。因此，本实用新型技术提出的方案，通过二次生长栅极2DEG沟道使栅极开关控制沟道长度大为减小，再利用栅极两侧短的纵向沟道来控制器件的开关，因为器件源级和漏极之间导电沟道2DEG和栅极2DEG沟道之间已经断开，器件能够实现大阈值电压的同时达到明显减小器件的导通电阻的目的。本实用新型能够解决了传统凹栅结构方案中对AlGaN势皇层刻蚀深度精确要求的难题，制备出的栅极结构具有电容小，器件开关速度快等优点。另一方面，传统凹栅结构方案中对AlGaN势皇层刻蚀深度一般要求精确，这对实际工艺精度提出更高要求，本实用新型技术对栅极刻蚀深度精度无特别要求。制备的新栅极结构由于控制沟道较短，器件还具有电容小，器件开关速度快等优点。
[0056]本实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件，通过设置第二 GaN层6和第二势皇层7，使第二 GaN层6与第二势皇层7之间形成栅极2DEG沟道。在向栅电极施加大于阈值电压大小的正偏压时，大的栅极电场使第一 GaN层3在靠近介质层5和第二势皇层7的纵向界面处感应出高密度的电子形成器件导通沟道，器件因而导通工作。因此，本实用新型利用栅极两侧短的纵向沟道来控制器件的开关，进而使器件的栅极有效控制沟道长度从传统的栅极底部横向的2?3 μ m缩短为现在纵向的50?300nm，从而有效减小器件的导通电阻。因为器件源级(Source)和漏极(Drain)之间导电沟道2DEG和栅极(Gate) 2DEG沟道之间已经断开，器件能够实现大阈值电压的同时明显减小器件的导通电阻，制备的栅极结构还具有电容小，器件开关速度快等优点。另外，栅极区域刻蚀较深，刻蚀深度不作精确要求，通过适当加深栅极凹槽深度(100?500nm)，因此避免了传统凹栅结构对AlGaN势皇层精确刻蚀的要求的难题，然后在凹栅结构上二次外延生长AlGaN/GaN异质结构形成栅极2DEG沟道。同时，由于器件源漏极间的2DEG沟道通过深刻蚀已经完全切断开，器件能实现大的阈值电压，因此本申请提出的新结构能同时实现常关型HEMT器件的大阈值电压和小导通电阻。
[0057]需要说明的是，本实用新型实施例中AlGaN/GaN异质结材料可以延伸到AlGaAs/GaAs和AlGaAs/InGaAs等其他能产生2DEG的半导体异质结材料类型中；介质层5可以是任意单层或者多层栅极介质层材料，包括二氧化娃(S12)、氮化娃(Si3N4)、氧化销(Al2O3)以及氧化铪(HfO2)等；作为GaN表面的势皇层，第一势皇层4和第二势皇层7可以是AlGaN，也可以是Α1Ν、Α1ΙηΝ或者他们的组合；衬底可以是S1、蓝宝石和碳化硅等。本实施例中GaN和AlGaN的生长方法可以是金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)，也可以是分子束外延(MBE);介质层生长方法包括离子体增强化学气相沉积(PECVD)、溅射(Sputter)、脉冲激光沉积(PLD)以及原子层沉积(ALD)等。
[0058]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
【主权项】
1.一种纵向短开启栅极沟道型HEMT器件，其特征在于，包括: 衬底； 位于所述衬底上的缓冲层； 位于所述缓冲层上的第一 GaN层，所述第一 GaN层背离缓冲层的一侧具有凹槽； 依次嵌入所述凹槽中的第二 GaN层和第二势皇层，其中，第二 GaN层和第二势皇层形成异质结； 位于除凹槽以外的第一 GaN层上的第一势皇层，其中，第一 GaN层和第一势皇层形成异质结； 位于所述第一势皇层和所述第二势皇层上的介质层； 与所述第一 GaN层接触的源电极和漏电极，且所述源电极和漏电极的侧面从下到上依次与第一势皇层和介质层接触； 与所述介质层接触的栅电极。2.根据权利要求1所述的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件，其特征在于，源电极和栅电极之间的距离为I至5 μ m，栅电极的长度为2至3 μ m，宽度为50至1000 μ m，栅电极和漏电极之间距离为3至30 μ m。3.根据权利要求1所述的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件，其特征在于，所述第一势皇层的底面与第二势皇层的底面之间的距离为50至300nm。4.根据权利要求1所述的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件，其特征在于，所述第二GaN层的厚度为50至200nm，所述第二势皇层的厚度为15至30nmo5.根据权利要求1所述的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件，其特征在于，所述介质层的厚度为5至50nmo
【专利摘要】本实用新型涉及半导体器件领域，提供一种纵向短开启栅极沟道型HEMT器件，所述HEMT器件包括：衬底；位于衬底上的缓冲层；位于缓冲层上的第一GaN层，第一GaN层背离缓冲层的一侧具有凹槽；依次嵌入凹槽中的第二GaN层和第二势垒层；位于除凹槽以外的第一GaN层上的第一势垒层；位于第一势垒层和第二势垒层上的介质层；与第一GaN层接触的源电极和漏电极，且源电极和漏电极的侧面从下到上依次与第一势垒层和介质层接触；与介质层接触的栅电极。本实用新型能够获得HEMT器件的常关型操作模式，实现大阈值电压的同时有效减小器件的导通电阻，栅极结构还具有电容小，器件开关速度快等特点。
【IPC分类】H01L29/10, H01L21/28, H01L21/335, H01L29/423, H01L29/778
【公开号】CN204720456
【申请号】CN201520398901
【发明人】黄火林
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年6月11日