增强型场效应晶体管及其制备方法

本发明涉及一种增强型场效应晶体管及其制备方法，特别涉及一种iii族氮化物增强型场效应晶体管及其制备方法，属于半导体电气器件。

背景技术：

1、iii族氮化物半导体被称为第三代半导体，具有禁带宽度大、化学稳定性好、击穿电压高等优势；而且由algan/gan等异质结构成的高电子迁移率晶体管(hemt)具有高电子浓度和迁移率的优势，在高频、高耐压、低导通电阻等方面表现优异，可用作各类电力转化系统中的核心器件，在消费电子、5g基站、服务器等电源应用领域具有广阔的前景。

2、通常，在实际应用中，阈值电压大于0v的gan增强型hemt在失效安全和电路设计方面有着天然的优势，因此更适合产业转化和商业应用。通过一定的栅极技术，如p-gan型栅、凹槽栅、离子注入型栅等，可以抬高gan沟道层的能带以耗尽二维电子气(2deg)，进而达到增强型的目的。在实际电路中，栅极电压处于高/低电压快速切换的过程中，由于感性负载的存在可能造成栅极电压振荡过冲的现象，因此要求栅极具有较高的击穿电压及阈值电压。而高频率的开关动作，要求栅极堆栈结构中载流子的输运具有同步的高频响应，方能使得器件的动态阈值电压漂移小。因此，实际应用对gan增强型hemt的性能及其可靠性具有非常很高的要求，关系着gan hemt或场效应晶体管(fet)的产业化。当前，具有技术优势的p-gan栅增强型hemt已经开始实现产业转化和商业应用。

3、常见的栅极结构为“金属/p-gan/algan/gan”堆栈结构，如图1a所示，图1a中，001为衬底，002为aln/algan过渡层，003为高阻(al)gan耐压层，004为(al)gan导电沟道层，005为algan势垒层，006为p型(al)gan层，007为栅极接触金属，009为源极接触金属，010为漏极接触金属。栅极金属层多采用蒸发、溅射等加工方法沉积，功函数在4～6ev范围内，如ti、ni、pd等。p-gan/algan/gan叠层多采用mocvd外延生长，p-gan层为几乎均匀掺mg的、掺杂浓度1～3×1019/cm3，厚度70～150nm范围内的单层结构。algan层为al组分10％～30％、厚度10～30nm的均匀单层结构，gan沟道层为厚度在50～500nm的单层结构。需要指出的是，此类常规方法制备的p-gan e-hemt由于p-gan/algan/gan堆栈结构通常仅能将algan/gan界面处的导带抬离费米能级不超过2v，因此实际器件的阈值电压较低，最高仅在1～2v之间。

4、如图1a/b中，金属/p-gan/algan/gan堆栈的栅极可以等效为金属/p-gan构成的“肖特基结”(js)与p-gan/algan/gan构成的“双边异质pn结”(jp)。栅极正向工作时，肖特基结处于反偏状态，承担大部分电压。由于通常表层p-gan有效受主浓度在1019左右，该肖特基耗尽区内存在非常大的电场。高电场下载流子的隧穿、加速等行为，会造成该区域内原有缺陷被激活或者形成新的缺陷，大幅增加的缺陷态密度会造成此肖特基结js失效。动态开启时，p-gan/algan之间存在的能带势垒(通常在0.2～0.4ev左右)会阻挡载流子向gan沟道中注入，而反偏的肖特基结也会阻挡载流子从金属进入p-gan中，因此，载流子在金属/p-gan肖特基结耗尽区、p-gan/algan界面会发生耗尽或/和积累，进而导致栅极动态阈值电压发生漂移(通常阈值电压漂移可达±2v)，给栅控带来极大的不稳定性。

5、综上所述，现有的iii族氮化物增强型hemt的栅极多为金属/p-gan/algan/gan堆栈结构，p-gan外延生长采用mg掺杂等作为受主提供空穴，但其至少存在如下缺陷：

6、其一，上述现有技术的栅极正向击穿电压低。由于p-gan中受主mg浓度很高(通常在1019cm-3以上)，由金属/p-gan构成的肖特基结的自建电场强度已经非常大(mv/cm量级)。因此，进一步给p-gan栅极加正电压时，金属/p-gan构成的肖特基结反偏而电场进一步增强。强电场下容易发生隧穿、碰撞电离等极端载流子输运行为，导致肖特基结发生击穿。常规p-gan e-hemt的栅极击穿电压通常不高于15v，而栅极正常工作的电压更是不超过6v。因此，这给器件的栅极驱动带来严峻的挑战。

7、其二，上述现有技术的阈值电压低。p-gan e-hemt的阈值电压主要由p-gan/algan/gan堆栈结构决定，p-gan中的有效受主mg掺杂浓度、algan势垒层厚度、al组分等因素对器件的阈值电压有着重要的影响。由于algan/gan之间的极化效应，即使是高mg掺杂的p-gan也只能将a1gan/gan界面处的导带抬离费米能级1～2v。因此，传统的p-gan e-hemt阈值电压通常不高于2v，实际商业产品多在1.1～1.5v。而在实际电路应用中，由于寄生效应，电压电流很容易产生振荡。较低的阈值电压导致器件可能发生误开启的动作，造成电能损耗甚至电路损毁。

8、其三，上述现有技术的动态阈值电压漂移大。在动态开关过程中，由于栅极载流子的输运行为受到p-gan栅极能带结构和缺陷态的影响，传统p-gan e-hemt的栅极会在局部产生净的正或负电荷积累，导致gan沟道中2deg的开启电压与静态时发生偏移，通常表现为动态阈值电压漂移。而又由于构成p型栅的肖特基结、pn结的物理性能匹配性不高，传统p-gan e-hemt的动态阈值电压漂移随着工作电压、工作温度等变化而发生较大的变化，逐步走向商业应用的p-gan栅增强型hemt(p-gan e-hemt)仍在栅极性能及其可靠性方面存在着较大的缺陷，制约其走向超大规模生产及在高可靠性要求的高端市场应用，极其不利于器件应用于稳定性、可靠性要求高的工业电子、汽车电子等领域。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种具有高栅极正向耐压、高阈值电压、低动态阈值电压漂移的增强型场效应晶体管及其制备方法，从而克服现有技术中的不足。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、本发明一方面提供了一种增强型场效应晶体管，包括外延结构、mis/mos栅极结构以及源极、漏极，

4、所述外延结构包括至少一异质结，所述异质结包括沿所述选定方向层叠设置的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层之间的界面处形成有载流子沟道，所述源极、所述漏极设置在所述外延结构的欧姆区域且与所述载流子沟道电连接；所述外延结构的栅极区域设置有栅极凹槽，所述栅极凹槽的槽底位于所述第一半导体层内，槽口位于所述第二半导体层，所述载流子沟道被所述栅极凹槽隔断；

5、所述mis/mos栅极结构包括沿所述选定方向依次层叠设置的第三半导体层、栅介质层和栅极，所述第三半导体层至少设置在所述栅极凹槽内，所述mis/mos栅极结构对所述载流子沟道的调控具有场效应，当向所述栅极施加正向电压时，所述第三半导体层内反型产生电子，位于所述栅极凹槽两侧的所述载流子沟道经所述电子电连接。

6、本发明另一方面还提供了一种增强型场效应晶体管的制备方法，包括：

7、提供外延结构，所述外延结构包括至少一异质结，所述异质结包括沿所述选定方向层叠设置的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层之间的界面处形成有载流子沟道；

8、除去位于所述外延结构的栅极区域的全部第二半导体层以及部分第一半导体层，从而形成栅极凹槽，所述载流子沟道被所述栅极凹槽隔断；

9、至少在所述外延结构的栅极区域形成依次层叠的第三半导体层、栅介质层和栅极，从而形成mis/mos栅极结构，所述mis/mos栅极结构对所述载流子沟道的调控具有场效应，当向所述栅极施加正向电压时，所述第三半导体层内反型产生电子，位于所述栅极凹槽两侧的所述载流子沟道经所述电子电连接；

10、在所述外延结构的欧姆区域形成源极和漏极，所述源极和所述漏极与所述载流子沟道电连接。

11、与现有技术相比，本发明的优点包括：

12、1)本发明提供一种iii族氮化物增强型场效应晶体管(fet)具有更高的栅极正向击穿电压；

13、2)本发明提供一种iii族氮化物增强型场效应晶体管(fet)具有更高的阈值电压，可以满足更多应用场景对电力电子器件的阈值电压需求；

14、3)本发明提供一种iii族氮化物增强型场效应晶体管(fet)具有更小动态阈值电压漂移，器件具有更好的稳定性。