專利名稱：Ⅲ族氮化物hemt器件的制作方法
技術領域：
本發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：
當HEMT器件采用III族氮化物半導體時，由于壓電極化和自發極化效應，在異質結構上(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。具有異質結構的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 \大電流的功率開關器件。現有的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，會出現導通瞬態延遲大的情況，此即為III族氮化物半導體HEMT器件的“電流崩塌現象”，嚴重影響著器件的實用性?，F有的比較公認的對“電流崩塌現象”的解釋是“虛柵模型”?！疤摉拍Ｐ汀闭J為在器件關斷態時，有電子注入到半導體表面，從而被表面態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、柵源連接區的溝道電子，當器件從關斷態向導通態轉變時，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，降低表面態或界面態密度；通過場板結構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

發明內容
本發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構，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”。為實現上述發明目的，本發明采用了如下技術方案
一種III族氮化物HEMT器件，包括源電極、漏電極以及異質結構，所述源電極與漏電極通過形成于異質結構中的二維電子氣電連接，所述異質結構包括第一半導體和第二半導體，所述第一半導體設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、絕緣介質層和副柵，其中
所述主柵設置于第二半導體表面靠近源電極一側，并與第二半導體形成肖基特接觸； 所述介質層形成于第二半導體和主柵表面，并設置在所述源電極和漏電極之間；所述副柵形成于介質層表面，且其至少一側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是本發明疊層雙柵HEMT的剖面結構示意圖； 圖加是普通HEMT器件的局部結構示意圖2b是本發明疊層雙柵HEMT器件的局部結構示意圖3是本發明一較佳實施方式中HEMT器件的結構示意圖，其中副柵向漏和源電極方向各有延伸；
圖4是本發明另一較佳實施方式中HEMT器件的結構示意圖，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)電流崩塌現象的原因是在器件關斷狀態下，在柵金屬4兩側AKiaN層3與絕緣介質層6界面處會積累負電荷形成負電荷積累區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的二維電子氣，形成溝道耗盡區22。當柵極電壓上升，器件從關斷態向導通態轉換時，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，界面電荷積累區的負電荷逐漸從深能級釋放出來，其下方溝道內電子濃度上升，器件漸漸向完全導通轉變，根據目前研究結果，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，本發明提出了一種具有疊層雙柵結構的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，在靠近源電極7 —側的第二半導體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層6 (如 Si3N4)，絕緣介質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)可設于一襯底1上(如藍寶石、碳化硅和硅等)。參閱圖2b，在本發明疊層雙柵HEMT器件關斷狀態下，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，雖然主柵金屬兩側第二半導體3與絕緣介質層6界面處同樣會積累負電荷(形成負電荷積累區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內的二維電子氣，而保持電荷積累區下方溝道導通(形成溝道導通區23)；當主柵電壓上升，器件從關斷態向導通態轉變時，副柵電壓保持不變，界面電荷積累區下方的溝道仍然導通，因此器件不會產生電流崩塌造成的延遲。如果器件工作于開關方式，則本發明疊層雙柵HEMT器件的驅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，在器件從關斷態向導通態轉變時，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，在關斷態時，副柵的偏置可以獨立于主柵，因此選擇合適的關斷態下副柵的偏置，器件可以獲得較佳的擊穿電壓。以上對本發明技術方案進行了概述，為了使公眾能夠更清楚了解本發明的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以基于AKiaN/GaN異質結的器件為例對本發明的技術方案作進一步的說明。參閱圖3，作為本發明的一較佳實施例，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，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形成異質結構，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、副雙柵結構，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設置在絕緣介質層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的異質結界面上形成二維電子氣層(2DEG)，該二維電子氣層(2DEG)存在于異質結界面的第一半導體13的一側。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；當主柵16上加低電位時，溝道中二維電子氣被耗盡，器件處于關閉狀態；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狀態。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對主柵16 兩側溝道中二維電子氣濃度的控制。上述實施例僅為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種III族氮化物HEMT器件，包括源電極、漏電極以及異質結構，所述源電極與漏電極通過形成于異質結構中的二維電子氣電連接，所述異質結構包括第一半導體和第二半導體，所述第一半導體設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、絕緣介質層和副柵，其中所述主柵設置于第二半導體表面靠近源電極一側，并與第二半導體形成肖基特接觸；所述介質層形成于第二半導體和主柵表面，并設置在所述源電極和漏電極之間；所述副柵形成于介質層表面，且其至少一側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邊緣均交疊。
2.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求1所述的III族氮化物HEMT器件，其特征在于，所述副柵的兩側邊緣分別向源電極和漏電極方向延伸。
5.根據權利要求1所述的III族氮化物HEMT器件，其特征在于，所述副柵僅有一側邊緣向相應的源電極或漏電極方向延伸。
6.根據權利要求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，絕緣介質層以及異質結構，源、漏電極通過形成于異質結構中的二維電子氣電連接，異質結構包括第一、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，第一半導體設置于源、漏電極之間，主柵設置于第二半導體表面靠近源電極一側，并與第二半導體形成肖基特接觸；介質層形成于第二半導體和主柵表面，并設置在源、漏電極之間；副柵形成于介質層表面，且其至少一側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邊緣均交疊。本發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 優先權日2011年11月18日
發明者于國浩, 張寶順, 王越, 董志華, 蔡勇 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所