專利名稱：Ⅲ族氮化物增強型mishemt器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種增強型高電子遷移率晶體管(Enhancement-mode Metal-Insulator-Semiconductor High Electron Mobility Transistor, E-Mode MISHEMT)，尤其涉及一種III族氮化物增強型MISHEMT器件。
背景技術：
當MISHEMT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)，如MGaN/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、大電流的功率開關器件。應用到大功率開關電路中時，為了電路的設計簡單和安全方面考慮，一般要求開關器件具有常關特性及需要器件為增強型器件。現有的III族氮化物半導體增強型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族氮化物半導體增強型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”。“虛柵模型”認為在器件關斷態時，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，降低電子被表面態和缺陷捕獲的概率，抑制電流崩塌。但前述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。

發明內容
本發明的目的在于提出一種III族氮化物增強型MISHEMT器件，該器件具有疊層雙柵結構，是通過等離子體對柵下區域的處理實現的增強型器件，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，使增強型MISHEMT漏端輸出電流可以跟得上柵電壓的變化，從而在根本上抑制“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族氮化物增強型MISHEMT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，所述增強型MISHEMT器件還包括主柵、絕緣介質層和副柵，其中
3所述絕緣介質層包含第一、第二介質層，第一介質層形成于第二半導體表面，第二介質層形成于第一介質層和主柵表面，并使主柵和副柵形成電隔離；
所述主柵設置于第一介質層表面靠近源電極一側，并與第一介質層、第二半導體形成金屬-絕緣層-半導體結構(MIS)，且位于主柵下方的第二半導體局部區域內部還形成有等離子體處理區；
所述副柵形成于第二介質層表面，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。優選的，所述等離子體處理區是第二半導體內的局部區域經F (氟)等離子體處理后所形成的帶負電的固定電荷區。更進一步的講，所述等離子體處理區是通過反應離子刻蝕(RIE)或感應耦合等離子體刻蝕(ICP)等工藝對異質結進行F等離子體處理，從而在第二半導體內形成帶負電的固定電荷區，并將其所對應的溝道內二維電子氣耗盡。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。在所述增強型MISHEMT器件工作時，所述主柵和副柵分別由一控制信號控制，且在所述增強型MISHEMT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是本發明疊層雙柵增強型MISHEMT的剖面結構示意圖； 圖加是普通增強型MISHEMT器件的局部結構示意圖2b是本發明疊層雙柵增強型MISHEMT器件的局部結構示意圖； 圖3是本發明一較佳實施方式中增強型MISHEMT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增強型MISHEMT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加，普通增強型MISHEMT器件(以AWaN/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AWaN層3與第一介質層10界面處會積累負電荷，形成界面負電荷積累區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。
為克服前述普通增強型MISHEMT器件的缺陷，本發明提出了一種具有疊層雙柵結構的III族氮化物半導體增強型MISHEMT器件，參閱圖1，該器件的異質結構由第一、第二半導體組成，位于源電極8、漏電極9中間，在第二半導體3表面生長有第一介質層10，在靠近源極8—側的第一介質層10 (如Al2O3)表面有一柵電極，稱為主柵4，主柵下方有一經過等離子體處理的固定負電荷區6，主柵上方為第二介質層7 (如Si3N4)，第二介質層上方有另一柵電極，稱為副柵5。如圖1所示，副柵5位于主柵4的上方，在垂直投影面上與主柵4兩側邊緣有交疊，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、硅等)。參閱圖2b，在本發明疊層雙柵增強型MISHEMT器件關斷狀態下，主柵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4’金屬兩側第二半導體層與第一介質層界面處同樣會積累負電荷，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23導通；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。而如果器件工作于開關方式，則本發明疊層雙柵增強型MISHEMT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狀轉變時，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方案，該增強型MISHEMT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(AWaN)。第一半導體13在制作過程中未進行故意摻雜。在第二半導體14中可以摻入η型雜質，也可以不進行故意摻雜。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構成異質結構，在界面處形成二維電子氣(2DEG)。該增強型MISHEMT具有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。該增強型MISHEMT還具有等離子體處理區，它是在第二半導體內部，主柵下方通過等離子體處理形成的固定負電荷區19，可以將其所對應的溝道中的二維電子氣耗盡。該增強型MISHEMT還具有主、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通過第一介質層15(如Al2O3)與第二半導體形成金屬-絕緣層-半導體(MIS)結構。副柵18設置在第二介質層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所示為副柵向漏電極方向延伸的結構)。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
5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族氮化物增強型MISHEMT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MISHEMT器件還包括主柵、絕緣介質層和副柵，其中所述絕緣介質層包括第一介質層和第二介質層，所述第一介質層形成于第二半導體表面，所述第二介質層形成于第一介質層和主柵表面，所述主柵設置于第一介質層表面靠近源電極一側，并與第一介質層和第二半導體形成金屬-絕緣層-半導體結構，且位于主柵下方的第二半導體局部區域內部還形成有等離子體處理區；所述副柵形成于第二介質層表面，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族氮化物增強型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.根據權利要求1所述的III族氮化物增強型MISHEMT器件，其特征在于，所述等離子體處理區是第二半導體內的局部區域經氟等離子體處理后所形成的帶負電的固定電荷區。
4.根據權利要求1所述的III族氮化物增強型MISHEMT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。
5.根據權利要求1所述的III族氮化物增強型MISHEMT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。
6.根據權利要求1所述的III族氮化物增強型MISHEMT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。
7.根據權利要求1所述的III族氮化物增強型MISHEMT器件，其特征在于，在所述增強型 MISHEMT器件工作時，所述主柵和副柵分別由一控制信號控制，且在所述增強型MISHEMT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
一種Ⅲ族氮化物增強型MISHEMT器件，包括源、漏電極，主、副柵，第一、二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、二半導體，第一半導體設于源、漏電極之間，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，第一介質層設于第二半導體表面，第二介質層設于第一介質層和主柵表面，主柵設于第一介質層表面靠近源電極一側，并與第一介質層、第二半導體形成MIS結構，且位于主柵下方的第二半導體局部區域內部還形成有等離子體處理區，副柵形成于第二介質層表面，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H01L29/778GK102427086SQ20111036736
公開日2012年4月25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