通过极性控制实现增强型HEMT的方法及增强型HEMT与流程

本发明涉及一种增强型HEMT(high electron mobility transistor)器件及其制备方法，特别涉及一种通过调控栅电极下方所生长的半导体材料的极性，利用极化电场的改变实现增强HEMT器件的方法，属于微电子工艺领域。

背景技术：

HEMT器件是充分利用半导体的异质结构(Heterostructure)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(如AlGaN/GaN)中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。同时，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，增强型HEMT器件与耗尽型HEMT器件相比更有助于提高系统的安全性、降低器件的损耗和简化设计电路。目前实现增强型HEMT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，但这些技术都存在不足。例如，薄的势垒层技术不需使用刻蚀工艺，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。又例如，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F的等离子体在注入的过程中也会刻蚀势垒层，造成器件性能的降低。

因而，业界亟待发展出一种易于实施，重复性好，且能有效保证器件性能的增强型HEMT器件的实现方法。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提出一种通过极性控制实现增强型HEMT的方法及增强型HEMT。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

在一些实施例中提供了一种增强型HEMT，包括：主要由作为沟道层的第一半导体层和作为势垒层的第二半导体层组成的异质结构，以及，与所述异质结构连接的源、漏、栅电极；所述源、漏电极通过形成于异质结构中的二维电子气电连接，所述栅电极分布于源、漏电极之间；其中，分布于栅电极正下方的第一半导体层的局部区域的组成材料及第二半导体层的局部区域的组成材料均具有设定极性，使得当在所述栅电极施加零偏压或者没有施加偏压时，于所述栅电极正下方的异质结构局部区域内无二维电子气的积累，而当在所述栅电极电压大于阈值电压时，能够于所述栅电极正下方的异质结构局部区域内形成二维电子气。

在一些实施例中，分布于栅电极正下方的第一半导体层的局部区域的组成材料及第二半导体层的局部区域的组成材料的极性均与第一半导体层内其余区域的组成材料及第二半导体层内其余区域的组成材料的极性相反。

在一些实施例中提供了一种通过极性控制实现增强型HEMT的方法，其包括：

在衬底上依次生长主要由作为沟道层的第一半导体层和作为势垒层的第二半导体层组成的异质结构，且使分布于栅电极正下方的第一半导体层的局部区域的组成材料及第二半导体层的局部区域的组成材料均具有设定极性，从而使得当在所述栅电极施加零偏压或者没有施加偏压时，于所述栅电极正下方的异质结构局部区域内无二维电子气的积累，而当在所述栅电极电压大于阈值电压时，能够于所述栅电极正下方的异质结构局部区域内形成二维电子气；

以及，制作源、漏、栅电极，并使所述源、漏电极能够通过形成于所述异质结构中的二维电子气电连接，且使所述栅电极分布于源、漏电极之间。

与现有技术相比，本发明的优点包括：通过在材料生长过程中控制材料的极性而实现了增强型HEMT器件(例如增强型GaN基HEMT器件)，优选的，其中材料极性的控制是通过对衬底进行图形化处理而实现，其可有效的保证异质结构处材料的晶体质量，从而使器件的整体性能不受到或者受到较小的影响，并且在实现增强型HEMT的过程中没有引入等离子体的刻蚀，较小了器件的损伤，具有工艺简单，重复性高，成本低廉，易于进行大规模生产等特点。

附图说明

图1是普通耗尽型GaN HEMT器件的局部结构示意图；

图2是普通增强型GaN HEMT器件的局部结构示意图；

图3是本发明一典型实施方案采用极性控制实现增强型HEMT的结构示意图；

图4是本发明一典型实施方案采用极性控制实现增强型MISHEMT的结构示意图；

图5是本发明一典型实施方案采用极性控制实现增强型HEMT的能带示意图；

附图标记说明：衬底1、氮化镓2、氮化铝3、势垒层4、源电极5、漏电极6、二维电子气7、栅电极8、种子层9、氮极性区域10、栅介质11。

具体实施方式

下文将对本发明的技术方案作更为详尽的解释说明。但是，应当理解，在本发明范围内，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

本发明的一个方面涉及了一种增强型HEMT。在一些实施例中，所述增强型HEMT包括：主要由作为沟道层的第一半导体层和作为势垒层的第二半导体层组成的异质结构，以及，与所述异质结构连接的源、漏、栅电极；所述源、漏电极通过形成于异质结构中的二维电子气电连接，所述栅电极分布于源、漏电极之间。其中，分布于栅电极正下方的第一半导体层的局部区域的组成材料及第二半导体层的局部区域的组成材料均具有设定极性，使得当在所述栅电极施加零偏压或者没有施加偏压时，于所述栅电极正下方的异质结构局部区域内无二维电子气的积累，而当在所述栅电极电压大于阈值电压时，能够于所述栅电极正下方的异质结构局部区域内形成二维电子气。

需说明的是，前述的“栅电极下方”主要是指栅电极在异质结构上正投影所覆盖的区域。

在一些实施例中，分布于栅电极正下方的第一半导体层的局部区域的组成材料及第二半导体层的局部区域的组成材料的极性均与第一半导体层内其余区域的组成材料及第二半导体层内其余区域的组成材料的极性相反。

在一些实施例中，于所述栅电极与所述异质结构之间还分布有栅介质层，即形成增强型MIS(metal-insulator-semiconductor)HEMT结构。

在一些较为具体的实施例中，所述增强型HEMT可以包括：主要由GaN层和Al_xGa_(1-x)N (0＜x≤1)层组成的异质结构，以及，与所述异质结构连接的源、漏、栅电极；所述源、漏电极分布在Al_xGa_(1-x)N层上，并且通过形成于异质结构中的二维电子气电连接，栅电极设于源、漏电极之间；分布于栅电极正下方的GaN层的局部区域的组成材料和Al_xGa_(1-x)N层的局部区域的组成材料均为N性极化材料，而所述GaN层内其余区域的组成材料及所述Al_xGa_(1-x)N层内其余区域的组成材料均为Ga性极化材料。

在一些实施例中，所述源、漏电极位于Al_xGa_(1-x)N层表面并且通过欧姆接触与所述二维电子气电连接。

在一些实施例中，分布于所述栅电极下方的半导体材料(尤其是组成所述异质结构的半导体材料)的极性与分布于栅电极下方以外的区域的半导体材料极性相反。

在一些实施例中，当栅电极是零偏压时，所述HEMT栅下的材料极性为氮极性，二维电子气无法形成，器件处于断开状态，而当在栅电极加正向电压时，所述HEMT在栅电极下端积累电子，器件处于处于开启状态。

在一些实施例中，在所述HEMT工作时，所述源电极和漏电极分别与电源的低电位和高电位连接。

在一些实施例中，于形成异质结构第一、第二半导体层之间还可设有插入层等，其材质可以是AlN等，但不限于此。

在一些较为典型的具体实施例中，一种增强型HEMT的异质结构主要由GaN/Al_xGa_(1-x)N(0＜x≤1)组成，源、漏电极位于Al_xGa_(1-x)N表面并且通过欧姆接触与二维电子气相连接，栅电极设于源、漏电极之间，并且栅电极下方的GaN和Al_xGa_(1-x)N材料为N面材料，在此区域内，由于材料极性的改变，在材料内部产生的极化电场方向发生改变，在异质结构处无法形成电子的积累，而在栅电极以外的区域，材料为镓性极化，所以在异质结构界面处会产生二维电子气。因此，可以实现HEMT器件在零栅偏压的时候处于关断状态，达到由常开型HEMT器件向常关型HEMT器件的转变。

前述的GaN/Al_xGa_(1-x)N(0＜x≤1)异质结结构也可替换为GaN/InAlN等异质结构，或业界所知的其它适用的异质结构。

本发明的一个方面还提供了一种通过极性控制实现增强型HEMT的方法。在一些实施例中，所述方法包括：

在衬底上依次生长主要由作为沟道层的第一半导体层和作为势垒层的第二半导体层组成 的异质结构，且使分布于栅电极正下方的第一半导体层的局部区域的组成材料及第二半导体层的局部区域的组成材料均具有设定极性，从而使得当在所述栅电极施加零偏压或者没有施加偏压时，于所述栅电极正下方的异质结构局部区域内无二维电子气的积累，而当在所述栅电极电压大于阈值电压时，能够于所述栅电极正下方的异质结构局部区域内形成二维电子气；

以及，制作源、漏、栅电极，并使所述源、漏电极能够通过形成于所述异质结构中的二维电子气电连接，且使所述栅电极分布于源、漏电极之间。

在一些实施例中，对于半导体材料极性的控制，可以通过但不限于在衬底上首先生长一层纳米级的种子层(厚度约几纳米到几百纳米，材料可以选择但不限于选择氮化镓，氮化铝等半导体材料，可以有效的改变生长材料的生长极性即可)，然后通过图形化的方式刻蚀部分区域的种子层，实现带有种子层区域和未有种子层区域生长材料过程中极性的转变。

在一些实施例中，所述方法具体可以包括：

在衬底上设置种子层，并对种子层进行图形化处理，且使图形化种子层所在区域或从种子层中露出的衬底所在区域与栅电极的分布区域对应，

在图形化种子层及从图形化种子层中露出的衬底表面上依次生长第一半导体层和第二半导体层，其中，生长在种子层上的半导体材料与直接生长在衬底表面的半导体材料极性相反。

在一些较为具体的实施案例中，所述种子层的组成材料为氮性材料，且生长于图形化种子层表面的材料为氮性材料，且栅电极在衬底上的正投影覆盖图形化种子层。

其中，所述种子层的材质可以选择但不限于选择氮化镓，氮化铝等半导体材料。

在一些实施例中，所述种子层的生长方式可以选择但不限于使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或磁控溅射等。

在一些实施例中，所述异质结构与栅电极之间设置栅介质层。所述栅介质层的材质可以选择但不限于使用Al₂O₃、氮化硅、SiO₂等半导体介质。

本发明通过在半导体材料生长过程中对材料极性进行控制，即可有效实现增强型HEMT器件，不会引入等离子体等对材料的损伤，因而可保障器件性能，且具有工艺简单，重复性高，成本低廉，易于进行大规模生产等特点。

以下结合附图等对本发明的技术方案作进一步的解释说明。

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8施加零偏压或者没有施加偏压时，漏电极6和源电极5都与二维电子 气7相连接，所以器件的漏电极6和源电极5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。在器件关断过程中，栅电极必须施加一定的负偏压，并且所加偏压V<Vth，将栅下二维电子耗尽，在实际的应用过程中，存在功耗高和安全性方面的问题。

参阅图2，对于普通增强型HEMT器件而言，当在栅电极8施加零偏压或者没有施加偏压时，由于栅电极8下面的二维电子气被耗尽，所以源电极5和漏电极6处于断开状态，一般称这种器件为增强型HEMT器件，也可以称作常关型HEMT器件。为了使器件处于开启状态，必须使栅电极的下端积累电子，实现源电极5和漏电极6之间的连接，当栅电极8加偏压达到Vg>Vth时，Vth为器件的阈值电压，对于增强型HEMT器件一般Vth为正值，器件开启。

参阅图3是本发明一典型实施方案中采用极性控制方法所实现的增强型HEMT的结构示意图。

而一种实现增强型HEMT的方法可以包括：首先，在衬底1上生长一层用来改变材料极性的种子层9，生长方式可以选择但不限于使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或磁控溅射等。然后通过图形化的方法，将栅下的种子层刻蚀干净，进行材料的外延生长，在外延过程中，生长在种子层9上的材料和直接生长在衬底上的材料10的极性相反，所以可以实现在栅电极区域，无法形成二维电子气的积累，在栅电极区域以外，由于势垒层4和沟道层的自发极化和压电极化，会形成高浓度的二维电子气。当在栅电极8施加零偏压或者没有施加偏压时，漏电极6和源电极5都与二维电子气7相连接，但在器件的栅电极下方没有二维电子气的积累，所以器件的漏电极6和源电极5是断开的，器件处于关闭状态，当栅压大于阈值电压时，栅电极的下端积累电子，实现源电极5和漏电极6之间的连接，器件导通，所以器件为常关型GaN HEMT器件。

参阅图4是本发明一典型实施方案中采用极性控制的方法实现增强型MISHEMT的示意图；首先，在衬底1上，生长一层用来改变材料极性的种子层9，生长方式可以选择但不限于使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或磁控溅射等。然后通过图形化方法，将栅下的种子层刻蚀干净，进行材料的外延生长。其中，图形化方法可以利用业界知悉的任何合适方式，例如光刻、湿法或干法刻蚀等方式实现。进而，在外延生长过程中，生长在种子层9上的半导体材料和直接生长在衬底上的半导体材料10的极性相反，所以可以 实现在栅电极区域，无法形成二维电子气的积累，在栅电极区域以外，由于势垒层4和沟道层的自发极化和压电极化，会形成高浓度的二维电子气。为减小栅漏电和增加栅摆幅，在势垒层4和栅电极8之间插入一层栅介质11，栅介质的材质可以选择但不限于二氧化硅、氮化硅和氧化铝等半导体。

参阅图5是本发明一典型实施方案采用极性控制实现增强型HEMT的能带示意图；由能带示意图可以得到，不同极性GaN材料的能带弯曲时相反的，对于镓面材料而言，如果势垒层是GaN，那么在异质结构界面处由于能带无法形成量子阱限制二维电子气，所以没有电子的积累。因而可以通过极化的不同实现增强型HEMT器件。

实施例请参考图3，首先在衬底1上生长种子层9，其材质可以选择但不限于选择氮化镓，氮化铝等半导体材料，生长方式可以选择但不限于使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或磁控溅射等。生长的种子层为氮性材料，对于前述样品进行图形化，在带有种子层的上方生长的材料为氮性材料，并且氮性材料在栅电极的覆盖之下。在栅电极以外为镓性半导体材料，通过外延技术，依次在衬底1上生长沟道层2，空间层3和势垒层4，在这里只表示出HEMT器件的基本结构和外延结构，在实际的外延和器件制作过程中，还会涉及缓冲层、高阻层和盖帽层等结构，而形成这些结构的方法均可以采用业界已知的合适方式。以及，在器件的制作过程中，可首先进行台面隔离，隔离方式可以选择但不限于使用离子注入隔离和台面刻蚀隔离(如使用氯等离子体)，然后通过设计的掩膜版和光刻技术在样品表面形成源、漏电极的图形化，然后再沉积金属，一般选择沉积钛/铝/镍/金(Ti/Al/Ni/Au 20nm/130nm/50nm/150nm)等多层金属，金属沉积后将源、漏电极外的金属剥离干净，进行快速退火(890℃30秒)，退火后源电极5和漏电极6与二维电子气7相连接。然后通过光刻的方法形成栅金属的图形，沉积栅金属(一般选择Ni/Au 50nm/150nm)和剥离工艺，形成栅电极，栅电极完全覆盖氮性氮化镓材料。在一些较为优选的实施方案之中，为了提高器件的性能，还可以采取一些钝化方式，这些都是通过业界已知的合适方式实现的。

又及，为减小栅漏电和增加栅摆幅，本发明也适合制作MISHEMT器件，其可通过在势垒层4和栅电极8之间插入至少一层栅介质11而实现。其中，栅介质可以选择但不限于二氧化硅、氮化硅和氧化铝等半导体材料。

该HEMT的工作原理如下：参阅图2，阈值电压Vth为正值，当栅电压Vg<Vth时，由于栅下为氮性半导体材料，由于极化电场的转变，在异质结构处无法形成二维电子气，所以 源电极5和漏电极6处于断开，所以器件处于断开状态。当栅电压Vg>Vth时，栅下区域会积累电子，积累的电子形成新的导通沟道，使源电极5和漏电极6导通，器件处于开启状态。

应当理解，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。