專利名稱：Ⅲ族氮化物mishemt器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬-絕緣層-半導(dǎo)體高電子遷移率晶體管 (Metal-Insulator-Semiconductor High Electron Mobility Transistor ， MISHEMT),X 其涉及一種III族氮化物MISHEMT器件。
背景技術(shù)：
當(dāng)MISHEMT器件采用III族氮化物半導(dǎo)體時，由于壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng)，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， MISHEMT器件采用III族氮化物半導(dǎo)體，能夠獲得很高的絕緣擊穿電場強(qiáng)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(dǎo)體的MISHEMT，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。現(xiàn)有的III族氮化物半導(dǎo)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(dǎo)通瞬態(tài)延遲大的情況，此即為III族氮化物半導(dǎo)體MISHEMT器件的“電流崩塌現(xiàn)象”，嚴(yán)重影響著器件的實用性?，F(xiàn)有的比較公認(rèn)的對“電流崩塌現(xiàn)象”的解釋是“虛柵模型”?！疤摉拍Ｐ汀闭J(rèn)為在器件關(guān)斷態(tài)時， 有電子注入到半導(dǎo)體表面，從而被表面態(tài)或缺陷捕獲形成一帶負(fù)電荷的虛柵，帶負(fù)電荷的虛柵由于靜電感應(yīng)會降低柵漏、柵源連接區(qū)的溝道電子，當(dāng)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(dāng)虛柵電荷充分釋放后，漏端電流才能恢復(fù)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(dǎo)體進(jìn)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(qiáng)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理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種III族氮化物MISHEMT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(jìn)行調(diào)控，使MISHEMT漏端輸出電流可以跟得上柵電壓的變化，進(jìn)而從根本上抑制“電流崩塌效應(yīng)”。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MISHEMT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(dǎo)體和第二半導(dǎo)體，所述第一半導(dǎo)體設(shè)置于源電極和漏電極之間，所述第二半導(dǎo)體形成于第一半導(dǎo)體表面， 并具有寬于第一半導(dǎo)體的帶隙，其特征在于，所述MISHEMT器件還包括主柵、絕緣介質(zhì)層和副柵，其中
所述介質(zhì)層包含第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層，第一介質(zhì)層形成于第二半導(dǎo)體和表面，第二介質(zhì)層形成于第一介質(zhì)層和主柵表面，并且使主、副柵形成電隔離；所述主柵設(shè)置于第一介質(zhì)層表面靠近源電極一側(cè)，并與第二半導(dǎo)體、第一介質(zhì)層形成金屬-絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；
所述副柵形成于第二介質(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(dǎo)體和第二半導(dǎo)體均采用III族氮化物半導(dǎo)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(yīng)的源電極或漏電極方向延伸。在所述MISHEMT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 MISHEMT器件處于導(dǎo)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MISHEMT的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖加是普通MISHEMT器件的局部結(jié)構(gòu)示意圖2b是本發(fā)明疊層雙柵MISHEMT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MISHEMT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MISHEMT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MISHEMT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)AWaN層3與絕緣介質(zhì)層9界面處會積累負(fù)電荷形成負(fù)電荷積累區(qū)21，由于靜電感應(yīng)作用，這些負(fù)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(dāng)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(dǎo)通，但是界面電荷積累區(qū)的負(fù)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(dǎo)通，隨著時間增加，界面電荷積累區(qū)的負(fù)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(dǎo)通轉(zhuǎn)變，根據(jù)目前研究結(jié)果，負(fù)電荷從深能級釋放出來的時間達(dá)到微秒 秒的量級。為克服前述普通MISHEMT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 族氮化物金屬-絕緣層-半導(dǎo)體高電子遷移率晶體管(MISHEMT)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)的第一介質(zhì)層9 (如Al2O3)表面有一柵電極，稱為主柵4，主柵上方有第二介質(zhì)層6 (如Si3N4)，第二介質(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(dǎo)體2 (如GaN層)可設(shè)于一襯底1上(如藍(lán)寶石、碳化硅和硅等)。參閱圖2b，在本發(fā)明疊層雙柵MISHEMT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(dǎo)體3與第一介質(zhì)層9界面處同樣會積累負(fù)電荷(形成負(fù)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(fù)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(dǎo)通(形成溝道導(dǎo)通區(qū)23)；當(dāng)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(dǎo)通，因此器件不會產(chǎn)生電流崩塌造成的延遲。而如果器件工作于開關(guān)方式，則本發(fā)明疊層雙柵MISHEMT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(fù)電荷的屏蔽而在其下方強(qiáng)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(dú)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(jìn)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(jìn)一步的說明。參閱圖3，作為本發(fā)明的一較佳實施方式，該MISHEMT具有第一半導(dǎo)體13(GaN)、 和形成在第一半導(dǎo)體13上的第二半導(dǎo)體14 (AlGaN)0第一半導(dǎo)體13在制作過程中未進(jìn)行故意摻雜。在第二半導(dǎo)體14中可以摻入η型雜質(zhì)，也可以不進(jìn)行故意摻雜。第二半導(dǎo)體 14，在其晶體中含有鋁，第二半導(dǎo)體14的帶隙比第一半導(dǎo)體13的帶隙更寬。第二半導(dǎo)體14 的厚度約為15至30nm。第一半導(dǎo)體13和第二半導(dǎo)體14構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在界面處形成二維電子氣(2DEG)。該MISHEMT具有按規(guī)定間隔分離配置的漏電極11和源電極12。漏電極11和源電極12貫穿第二半導(dǎo)體14延伸到第一半導(dǎo)體13，與溝道中二維電子氣相連接。漏電極11 和源電極12是多層金屬(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。該MISHEMT還具有主、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通過第一介質(zhì)層15 (如Al2O3)與第二半導(dǎo)體形成金屬-絕緣體-半導(dǎo)體 (MIS)結(jié)構(gòu)。副柵18設(shè)置在所述第二介質(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所示為副柵向漏電極方向延伸)。該MISHEMT的工作原理如下因第二半導(dǎo)體14的帶隙寬度大于第一半導(dǎo)體13 的帶隙寬度，故而，在第一半導(dǎo)體13和第二半導(dǎo)體14的異質(zhì)結(jié)和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(dǎo)體13的一側(cè)。當(dāng)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(dāng)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)；所以通過主柵16上的電位來控制對應(yīng)溝道中的二維電子氣濃度，從而控制著器件的開關(guān)狀態(tài)。副柵18施加獨(dú)立的電信號控制，通過對副柵18施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(diǎn)，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(hù)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(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種III族氮化物MISHEMT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(dǎo)體和第二半導(dǎo)體，所述第一半導(dǎo)體設(shè)置于源電極和漏電極之間，所述第二半導(dǎo)體形成于第一半導(dǎo)體表面，并具有寬于第一半導(dǎo)體的帶隙，其特征在于，所述MISHEMT器件還包括主柵、絕緣介質(zhì)層和副柵，其中所述絕緣介質(zhì)層包括第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層，所述第一介質(zhì)層形成于第二半導(dǎo)體表面，所述第二介質(zhì)層形成于第一介質(zhì)層和主柵表面，所述主柵設(shè)置于第一介質(zhì)層表面靠近源電極一側(cè)，并與第一介質(zhì)層和第二半導(dǎo)體形成金屬-絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；所述副柵形成于第二介質(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MISHEMT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MISHEMT器件，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體均采用III族氮化物半導(dǎo)體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物MISHEMT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MISHEMT器件，其特征在于，所述副柵僅有一側(cè)邊緣向相應(yīng)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MISHEMT器件，其特征在于，在所述MISHEMT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MISHEMT器件處于導(dǎo)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MISHEMT器件，包括源、漏電極，主、副柵，第一、第二介質(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(dǎo)體，第一半導(dǎo)體設(shè)置于源、漏電極之間，第二半導(dǎo)體形成于第一半導(dǎo)體表面，并具有寬于第一半導(dǎo)體的帶隙，第一介質(zhì)層設(shè)于第二半導(dǎo)體表面，并且與第二半導(dǎo)體、主柵形成半導(dǎo)體-絕緣層-金屬接觸(MIS)；第二介質(zhì)層設(shè)置于第一介質(zhì)層和主柵表面，將主柵和副柵形成電隔離。主柵設(shè)置于第一介質(zhì)層表面靠近源電極一側(cè)；副柵形成于第二介質(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(yīng)”。
文檔編號H01L29/423GK102403349SQ201110367190
公開日2012年4月4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(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所