專利名稱：Ⅲ族氮化物hemt器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor， HEMT )，尤其涉及一種III族氮化物HEMT器件。
背景技術(shù)：
當HEMT器件采用III族氮化物半導體時，由于壓電極化和自發(fā)極化效應，在異質(zhì)結(jié)構(gòu)上(Heterostructure)Jn :AWaN/GaN，能夠形成高濃度的二維電子氣。另外，HEMT器件采用III族氮化物半導體，能夠獲得很高的絕緣擊穿電場強度以及良好的耐高溫特性。具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的III族氮化物半導體的HEMT，不僅可以作為高頻器件使用，而且適用于高電壓 \大電流的功率開關(guān)器件?，F(xiàn)有的III族氮化物半導體HEMT器件作為高頻器件或者高壓大功率開關(guān)器件使用時，漏電極輸出電流往往跟不上柵極控制信號的變化，會出現(xiàn)導通瞬態(tài)延遲大的情況，此即為III族氮化物半導體HEMT器件的“電流崩塌現(xiàn)象”，嚴重影響著器件的實用性?，F(xiàn)有的比較公認的對“電流崩塌現(xiàn)象”的解釋是“虛柵模型”。“虛柵模型”認為在器件關(guān)斷態(tài)時，有電子注入到半導體表面，從而被表面態(tài)或缺陷捕獲形成一帶負電荷的虛柵，帶負電荷的虛柵由于靜電感應會降低柵漏、柵源連接區(qū)的溝道電子，當器件從關(guān)斷態(tài)向?qū)☉B(tài)轉(zhuǎn)變時，柵下的溝道雖然可以很快積累大量的電子，但是虛柵電荷卻不能及時釋放，虛柵下的溝道電子濃度較低，所以漏端輸出電流較小，只有當虛柵電荷充分釋放后，漏端電流才能恢復到直流狀態(tài)的水平。目前，常用的抑制“電流崩塌”的方法有對半導體進行表面處理，降低表面態(tài)或界面態(tài)密度；通過場板結(jié)構(gòu)降低柵電極靠近漏電極一端的電場強度，降低電子被缺陷捕獲的概率，抑制電流崩塌。但此類抑制電流崩塌的方法在大電流、大電壓的情況下效果并不
王困相

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種III族氮化物HEMT (High Electron Mobility Transistor，高電子遷移率晶體管)器件，該器件具有疊層雙柵結(jié)構(gòu)，其藉由副柵和主柵的相互配合對溝道中二維電子氣進行調(diào)控，使HEMT器件漏端輸出電流可以跟得上柵電壓的變化，進而從根本上抑制“電流崩塌效應”。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案
一種III族氮化物HEMT器件，包括源電極、漏電極以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述源電極與漏電極通過形成于異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣電連接，所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括第一半導體和第二半導體，所述第一半導體設(shè)置于源電極和漏電極之間，所述第二半導體形成于第一半導體表面， 并具有寬于第一半導體的帶隙，其特征在于，所述HEMT器件還包括主柵、絕緣介質(zhì)層和副柵，其中
所述主柵設(shè)置于第二半導體表面靠近源電極一側(cè)，并與第二半導體形成肖基特接觸； 所述介質(zhì)層形成于第二半導體和主柵表面，并設(shè)置在所述源電極和漏電極之間；所述副柵形成于介質(zhì)層表面，且其至少一側(cè)邊緣向源電極或漏電極方向延伸，同時其正投影與主柵兩側(cè)邊緣均交疊。所述源電極和漏電極分別與電源的低電位和高電位連接。所述第一半導體和第二半導體均采用III族氮化物半導體。所述副柵的兩側(cè)邊緣分別向源電極和漏電極方向延伸，或者，也可以是所述副柵僅有一側(cè)邊緣向相應的源電極或漏電極方向延伸。在所述HEMT器件工作時，所述主柵和副柵分別由一控制信號控制，且在所述HEMT 器件處理導通狀態(tài)時，所述副柵控制信號的電位高于主柵控制信號的電位。


圖1是本發(fā)明疊層雙柵HEMT的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖加是普通HEMT器件的局部結(jié)構(gòu)示意圖2b是本發(fā)明疊層雙柵HEMT器件的局部結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明一較佳實施方式中HEMT器件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中副柵向漏和源電極方向各有延伸；
圖4是本發(fā)明另一較佳實施方式中HEMT器件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中副柵僅向漏電極方向有延伸。
具體實施例方式參閱圖2a，普通HEMT器件(以AlGaN/GaN器件為例)電流崩塌現(xiàn)象的原因是在器件關(guān)斷狀態(tài)下，在柵金屬4兩側(cè)AKiaN層3與絕緣介質(zhì)層6界面處會積累負電荷形成負電荷積累區(qū)21，由于靜電感應作用，這些負電荷又會減少甚至完全耗盡下方溝道區(qū)的二維電子氣，形成溝道耗盡區(qū)22。當柵極電壓上升，器件從關(guān)斷態(tài)向?qū)☉B(tài)轉(zhuǎn)換時，柵極下方二維電子氣受柵壓控制而上升，柵極下方溝道導通，但是界面電荷積累區(qū)的負電荷由于處于較深能級不能及時釋出，因此下方溝道內(nèi)的二維電子氣還是較少，所以器件不能完全導通，隨著時間增加，界面電荷積累區(qū)的負電荷逐漸從深能級釋放出來，其下方溝道內(nèi)電子濃度上升，器件漸漸向完全導通轉(zhuǎn)變，根據(jù)目前研究結(jié)果，負電荷從深能級釋放出來的時間達到微秒 秒的量級。為克服前述普通HEMT器件的缺陷，本發(fā)明提出了一種具有疊層雙柵結(jié)構(gòu)的III族氮化物HEMT器件，參閱圖1，該器件的源電極7、漏電極8位于兩側(cè)，在靠近源電極7 —側(cè)的第二半導體3 (如，AWaN層)表面有一柵電極，稱為主柵4，主柵上方有一絕緣介質(zhì)層6 (如 Si3N4)，絕緣介質(zhì)層上方有另一柵電極，稱為副柵5。如圖1所示，副柵位于主柵的上方，在垂直投影面上與主柵兩側(cè)邊緣有交疊，并且向源、漏電極有一定延伸。前述第一半導體2 (如 GaN層)可設(shè)于一襯底1上(如藍寶石、碳化硅和硅等)。參閱圖2b，在本發(fā)明疊層雙柵HEMT器件關(guān)斷狀態(tài)下，主柵4偏置在閾值電壓以下， 副柵5上加一足夠高的正偏壓，雖然主柵金屬兩側(cè)第二半導體3與絕緣介質(zhì)層6界面處同樣會積累負電荷(形成負電荷積累區(qū)21)，可是由于副柵上足夠高的正向偏置的作用，界面負電荷不能完全屏蔽副柵電場，存在足夠的電場去感生溝道區(qū)內(nèi)的二維電子氣，而保持電荷積累區(qū)下方溝道導通(形成溝道導通區(qū)23)；當主柵電壓上升，器件從關(guān)斷態(tài)向?qū)☉B(tài)轉(zhuǎn)變時，副柵電壓保持不變，界面電荷積累區(qū)下方的溝道仍然導通，因此器件不會產(chǎn)生電流崩塌造成的延遲。如果器件工作于開關(guān)方式，則本發(fā)明疊層雙柵HEMT器件的驅(qū)動方式可以采取對主柵與副柵分別加上同步的脈沖信號，副柵電壓高于主柵電壓，在器件從關(guān)斷態(tài)向?qū)☉B(tài)轉(zhuǎn)變時，副柵的高電壓可以克服界面負電荷的屏蔽而在其下方強制感生出足夠的二維電子氣，避免了電流崩塌。值得注意的是，在關(guān)斷態(tài)時，副柵的偏置可以獨立于主柵，因此選擇合適的關(guān)斷態(tài)下副柵的偏置，器件可以獲得較佳的擊穿電壓。以上對本發(fā)明技術(shù)方案進行了概述，為了使公眾能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以基于AKiaN/GaN異質(zhì)結(jié)的器件為例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明。參閱圖3，作為本發(fā)明的一較佳實施例，該HEMT具有第一半導體13 (GaN)、和形成在第一半導體13上的第二半導體14(AK}aN)。第一半導體13未進行特意摻雜。在第二半導體14中可以摻入η型雜質(zhì)，也可以不進行摻雜。第二半導體14的帶隙比第一半導體13 的帶隙更寬。第二半導體14的厚度約為15至30nm。第一半導體13和第二半導體14形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在界面處形成二維電子氣(2DEG)。該HEMT具有按間隔距離分離配置的漏電極11和源電極12。漏電極11與源電極 12貫穿第二半導體14延伸到第一半導體13，與溝道中二維電子氣相連接。漏電極11和源電極12是由多層金屬(如Ti/Al/Ti/Au或者Ti/Al/Ni/Au等)通過快速高溫退火形成歐姆接觸。進一步的，該HEMT具有主、副雙柵結(jié)構(gòu)，主柵16制造在源電極和漏電極之間，靠近源極的一端，主柵16直接與第二半導體14表面接觸，并形成肖特基接觸。副柵18設(shè)置在絕緣介質(zhì)層17(如Si3N4)之上，在垂直方向上與主柵有交疊，并且向源、漏電極方向各有延伸(或者，僅向漏電極或源電極方向延伸，圖4所示為副柵僅向漏電極方向延伸)。該HEMT的工作原理如下因第二半導體14的帶隙寬度大于第一半導體13的帶隙寬度，在第一半導體13和第二半導體14的異質(zhì)結(jié)界面上形成二維電子氣層(2DEG)，該二維電子氣層(2DEG)存在于異質(zhì)結(jié)界面的第一半導體13的一側(cè)。當主柵16上加高電位時，溝道中二維電子氣濃度較高，器件處于開啟狀態(tài)；當主柵16上加低電位時，溝道中二維電子氣被耗盡，器件處于關(guān)閉狀態(tài)；所以可以通過對主柵 16上的電位進行控制，控制主柵16下所對應溝道中的二維電子氣濃度，從而控制器件溝道的開關(guān)狀態(tài)。對副柵18施加獨立的電信號控制，通過對副柵18加不同的電信號實現(xiàn)對主柵16 兩側(cè)溝道中二維電子氣濃度的控制。上述實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種III族氮化物HEMT器件，包括源電極、漏電極以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述源電極與漏電極通過形成于異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣電連接，所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括第一半導體和第二半導體，所述第一半導體設(shè)置于源電極和漏電極之間，所述第二半導體形成于第一半導體表面， 并具有寬于第一半導體的帶隙，其特征在于，所述HEMT器件還包括主柵、絕緣介質(zhì)層和副柵，其中所述主柵設(shè)置于第二半導體表面靠近源電極一側(cè)，并與第二半導體形成肖基特接觸；所述介質(zhì)層形成于第二半導體和主柵表面，并設(shè)置在所述源電極和漏電極之間；所述副柵形成于介質(zhì)層表面，且其至少一側(cè)邊緣向源電極或漏電極方向延伸，同時其正投影與主柵兩側(cè)邊緣均交疊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物HEMT器件，其特征在于，所述源電極和漏電極分別與電源的低電位和高電位連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物HEMT器件，其特征在于，所述第一半導體和第二半導體均采用III族氮化物半導體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物HEMT器件，其特征在于，所述副柵的兩側(cè)邊緣分別向源電極和漏電極方向延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物HEMT器件，其特征在于，所述副柵僅有一側(cè)邊緣向相應的源電極或漏電極方向延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物HEMT器件，其特征在于，在所述HEMT器件工作時，所述主柵和副柵分別由一控制信號控制，且在所述HEMT器件處于導通狀態(tài)時，所述副柵控制信號的電位高于主柵控制信號的電位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Ⅲ族氮化物HEMT器件，包括源、漏電極，主、副柵，絕緣介質(zhì)層以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)，源、漏電極通過形成于異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣電連接，異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括第一、第二半導體，第二半導體形成于第一半導體表面，并具有寬于第一半導體的帶隙，第一半導體設(shè)置于源、漏電極之間，主柵設(shè)置于第二半導體表面靠近源電極一側(cè)，并與第二半導體形成肖基特接觸；介質(zhì)層形成于第二半導體和主柵表面，并設(shè)置在源、漏電極之間；副柵形成于介質(zhì)層表面，且其至少一側(cè)邊緣向源電極或漏電極方向延伸，同時其正投影與主柵兩側(cè)邊緣均交疊。本發(fā)明能從根本上有效抑制“電流崩塌效應”。
文檔編號H01L29/78GK102420247SQ201110367070
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者于國浩, 張寶順, 王越, 董志華, 蔡勇 申請人:中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所