本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高擊穿電壓的氮化鎵高電子遷移率晶體管及其形成方法。

背景技術(shù)：

由于能滿足現(xiàn)代電子科技對高溫、高頻、高壓、高功率以及抗輻射等高性能的要求，氮化鎵(GaN)獲得了人們極大的關(guān)注。GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)作為功率器件應(yīng)用，是目前國際上大力發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)技術(shù)，也是我國能源發(fā)展中迫切需要的關(guān)鍵電力電子技術(shù)的核心技術(shù)。

雖然GaN基HEMT本身理論擊穿電壓值很高，但是當(dāng)前作為功率開關(guān)器件的GaN基HEMT耐高壓能力遠(yuǎn)不及理論計(jì)算的擊穿電壓值，這極大地限制了其在高壓大功率領(lǐng)域的應(yīng)用。研究表明，GaN基HEMT擊穿電壓低的主要原因在于柵極電場集中效應(yīng)和緩沖層的漏電，尤其是柵極電場集中效應(yīng)：在截止?fàn)顟B(tài)下當(dāng)器件承受源極-漏極間高電壓后，柵極靠近漏極的一端會(huì)產(chǎn)生電場峰值使電場分布不均勻，從而造成器件的提前擊穿。

目前，人們多利用在源區(qū)、柵區(qū)或漏區(qū)制作各種金屬層場板結(jié)構(gòu)來平滑表面電場分布來提高擊穿電壓。場板結(jié)構(gòu)的方法在一定程度能提高擊穿電壓，但由于金屬和氮化鎵間的晶格失配和熱應(yīng)力失配，會(huì)額外引入缺陷和界面電荷陷阱，導(dǎo)致器件質(zhì)量下降，影響器件的可靠穩(wěn)定性。

因此，尋找提高GaN基HEMT功率器件的擊穿電壓的具體解決方案，充分發(fā)揮GaN基電子功率器件高壓、大功率特點(diǎn)的技術(shù)具有深遠(yuǎn)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種高擊穿電壓的氮化鎵高電子遷移率晶體管及其形成方法，以提高所述高電子遷移率晶體管的擊穿電壓。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種高擊穿電壓的氮化鎵高電子遷移率晶體管，包括：襯底；位于所述襯底上的氮化鎵溝道層；位于所述氮化鎵溝道層上的第一勢壘層；位于所述第一勢壘層上的柵極、源極和漏極，所述源極和漏極分別位于所述柵極的兩側(cè)；位于所述柵極與漏極之間的第一勢壘層表面的第二勢壘層，所述第二勢壘層側(cè)壁與所述柵極一側(cè)側(cè)壁連接，用于產(chǎn)生二維空穴氣。

可選的，所述第二勢壘層包括：位于所述第一勢壘層表面的第一子層、位于所述第一子層表面的第二子層和位于所述第二子層表面的第三子層，所述第一子層和第二子層構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，所述第三子層為P型摻雜。

可選的，所述襯底與氮化鎵溝道層之間還具有成核層和位于所述成核層表面的緩沖層。

可選的，所述氮化鎵溝道層與第一勢壘層之間還具有插入層。

可選的，所述第一子層的材料為氮化鋁、氮化鎵或氮化鋁鎵；所述第二子層的材料為氮化鎵、氮化鋁或氮化鋁鎵；所述第三子層的材料為P型氮化鎵、P型氮化鋁或P型氮化鋁鎵；所述成核層的材料為氮化鎵、氮化鋁或氮化鎵鋁；所述緩沖層的材料為氮化鎵；所述插入層的材料為氮化鋁；所述第一勢壘層的材料為氮化鋁鎵或氮化鋁銦。

本發(fā)明還提供一種高電子遷移率晶體管的形成方法，包括：提供襯底；在所述襯底上依次形成氮化鎵溝道層、位于所述氮化鎵溝道層上的第一勢壘層；在所述第一勢壘層表面形成第二勢壘層，所述第二勢壘層用于產(chǎn)生二維空穴氣；對所述第二勢壘層進(jìn)行刻蝕，暴露出第一勢壘層的部分表面；在所述第一勢壘層表面分別形成源極、漏極和柵極，所述柵極位于源極和第二勢壘層之間，且所述柵極一側(cè)側(cè)壁與所述第二勢壘層側(cè)壁連接。

可選的，所述第二勢壘層包括位于所述第一勢壘層表面的第一子層、位于所述第一子層表面的第二子層和位于所述第二子層表面的第三子層，所述第一子層和第二子層構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，所述第三子層為P型摻雜。

可選的，采用反應(yīng)離子刻蝕工藝或感應(yīng)耦合等離子刻蝕工藝刻蝕所述第二勢壘層。

可選的，還包括：在所述襯底與氮化鎵溝道層之間形成成核層和位于所述成核層表面的緩沖層；在所述氮化鎵溝道層與第一勢壘層之間形成插入層。

可選的，所述第一子層的材料為氮化鋁、氮化鎵或氮化鋁鎵；所述第二子層的材料為氮化鎵、氮化鋁或氮化鋁鎵；所述第三子層的材料為P型氮化鎵、P型氮化鋁或P型氮化鋁鎵；所述成核層的材料為氮化鎵、氮化鋁或氮化鎵鋁；所述緩沖層的材料為氮化鎵；所述插入層的材料為氮化鋁；所述第一勢壘層的材料為氮化鋁鎵或氮化鋁銦。

本發(fā)明的高電子遷移率晶體管在柵極與漏極之間具有第二勢壘層，所述第二勢壘層能夠產(chǎn)生二維空穴氣，來耗盡柵極和漏極漂移區(qū)溝道內(nèi)的二維電子氣，平滑溝道電場分布，從而提高所述高電子遷移率晶體管的擊穿電壓。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一具體實(shí)施方式的高擊穿電壓的氮化鎵高電子遷移率晶體管的形成方法的流程示意圖；

圖2至圖6為本發(fā)明一具體實(shí)施方式的高擊穿電壓的氮化鎵高電子遷移率晶體管的形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的具有高擊穿電壓的氮化鎵高電子遷移率晶體管及其形成方法的具體實(shí)施方式做詳細(xì)說明。

請參考圖1，為本發(fā)明一具體實(shí)施方式的具有高擊穿電壓的氮化鎵高電子遷移率晶體的形成方法的流程示意圖。

所述具有高擊穿電壓的氮化鎵高電子遷移率晶體的形成方法包括：步驟S101：提供襯底；步驟S102：在所述襯底上依次形成氮化鎵溝道層、位于所述氮化鎵溝道層上的第一勢壘層；步驟S103：在所述第一勢壘層表面形成第二勢壘層，所述第二勢壘層用于產(chǎn)生二維空穴氣；步驟S104：對所述第二勢壘層進(jìn)行刻蝕，暴露出第一勢壘層的部分表面；步驟S105：在所述第一勢壘層表面分別形成源極、漏極和柵極，所述柵極位于源極和第二勢壘層之間，且所述柵極一側(cè)側(cè)壁與所述第二勢壘層側(cè)壁連接。

請參考圖2至圖6，為本發(fā)明一具體實(shí)施方式的高電子遷移率晶體的形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

請參考圖2，提供襯底200。

所述襯底200的材料可以是藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、鋁酸鋰、氮化鋁或氮化鎵等。

請參考圖3，在所述襯底200上依次形成溝道層303、位于所述溝道層303上的第一勢壘層305。

所述溝道層303作為二維電子氣的傳輸通道，需要有較高的晶體質(zhì)量，以降低所述溝道內(nèi)的背景濃度，從而減少散射和提高二維電子氣的遷移率?？梢圆捎梅菗诫s的III族金屬氮化物作為所述溝道層303的材料，例如非摻雜的GaN層。

所述第一勢壘層305與所述溝道層303形成異質(zhì)結(jié)，所述異質(zhì)結(jié)界面上的能帶帶階不連續(xù)及壓電極化和自發(fā)極化可產(chǎn)生高濃度的二維電子氣。所述第一勢壘層305的材料包括氮化鋁鎵或氮化鋁銦，可以是單層也可以是多層結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明的具體實(shí)施方式中，還包括：在所述襯底200與溝道層303之間形成成核層301和位于所述成核層301表面的緩沖層302。

所述成核層301的主要作用是為后續(xù)外延層的生長提供有效的成核中心，同時(shí)通過大量位錯(cuò)和缺陷的形成，釋放成核層和襯底之間的失配應(yīng)力，可顯著提高在所述成核層301上外延生長的III族金屬氮化物層的質(zhì)量。所述成核層301的材料包括GaN、AlN或AlGaN。

所述緩沖層302具有較高的電阻率，以阻止溝道層303內(nèi)的電子向緩沖層302泄漏。通常要求所述緩沖層302的電阻率在10⁶Ω·cm以上。所述緩沖層302的材料可以為氮化鎵，通過離子注入在所述緩沖層中產(chǎn)生深能級缺陷來形成高阻，或者引入P型雜質(zhì)摻雜通過與N型背景濃度互相補(bǔ)償?shù)玫礁咦琛Ｔ诒景l(fā)明的其他具體方式中，也可以采用其他方式獲得高阻的緩沖層302。

在本發(fā)明的具體實(shí)施方式中，還包括：在所述溝道層303與第一勢壘層305之間形成插入層304。所述插入層304用于提高所述第一勢壘層305晶體質(zhì)量，所述插入層304的材料可以為氮化鋁。

上述成核層301、緩沖層302、溝道層303、插入層304和第一勢壘層305可以采用原子層沉積工藝、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積工藝、分子束外延工藝或氫化物氣相外延工藝等沉積工藝形成。

在本發(fā)明的其他具體實(shí)施方式中，也可以僅形成所述成核層301、緩沖層302、或插入層304中的部分結(jié)構(gòu)。

請參考圖4，在所述第一勢壘層305表面形成第二勢壘層400，所述第二勢壘層400用于產(chǎn)生二維空穴氣。

所述第二勢壘層400的材料包括III族金屬氮化物，用于產(chǎn)生二維空穴氣，例如P型摻雜的III族金屬氮化物或者能夠產(chǎn)生二維空穴氣的異質(zhì)結(jié)。

本發(fā)明的具體實(shí)施方式中，所述第二勢壘層400包括位于所述第一勢壘層305表面的第一子層401、位于所述第一子層401表面的第二子層402和位于所述第二子層402表面的第三子層403，所述第一子層401和第二子層402構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，所述第三子層403為P型摻雜。

在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式中，所述第一子層401的材料為氮化鋁、氮化鎵或氮化鋁鎵；所述第二子層402的材料為氮化鎵、氮化鋁或氮化鋁鎵；所述第三子層403的材料為P型氮化鎵、P型氮化鋁或P型氮化鋁鎵。所述第一子層401和第二子層402形成異質(zhì)結(jié)，通過調(diào)整所述第一子層401和第二子層402內(nèi)的鋁元素和/或鎵元素比例，使得在所述第一子層401和第二子層402界面上產(chǎn)生二維空穴氣。

所述第一子層401的厚度可以為1nm～100nm；所述第二子層402的厚度可以為1nm～100nm；所述第三子層403的厚度可以為1nm～100nm。

在本發(fā)明的其他具體實(shí)施方式中，可以選擇其他合適的材料形成單層或多層結(jié)構(gòu)的第二勢壘層400，使得所述第二勢壘層400在自發(fā)極化或外電極極化的條件下能夠產(chǎn)生二維空穴氣。

所述第二勢壘層400也可以采用原子層沉積工藝、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積工藝、分子束外延工藝或氫化物氣相外延工藝等沉積工藝形成。

請參考圖5，對所述第二勢壘層400進(jìn)行刻蝕，暴露出第一勢壘層305的部分表面。

對所述第二勢壘層400進(jìn)行圖形化刻蝕，保留待形成的HEMT的柵極和漏極之間的溝道區(qū)域上方的部分第二勢壘層400a。在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式中，所述第二勢壘層400a包括：位于所述第一勢壘層305表面的第一子層401a、位于所述第一子層401a表面的第二子層402a和位于所述第二子層402a表面的第三子層403a。

可以采用干法刻蝕工藝對所述第二勢壘層400進(jìn)行刻蝕。進(jìn)一步，為了避免對所述第二勢壘層400造成較大損傷，影響所述第二勢壘層400與后續(xù)形成的柵極的界面質(zhì)量，可以采用低損傷的干法刻蝕工藝對所述第二勢壘層400進(jìn)行刻蝕。在本發(fā)明的具體實(shí)施方式中，可以采用反應(yīng)離子刻蝕工藝或感應(yīng)耦合等離子刻蝕工藝刻蝕所述第二勢壘層400，刻蝕氣體包括Cl₂和BCl₃。

請參考圖6，在所述第一勢壘層305表面分別形成源極601、漏極602和柵極603，所述柵極603位于源極601和第二勢壘層600之間，且所述柵極603一側(cè)側(cè)壁與所述第二勢壘層400側(cè)壁連接。

形成所述源極601、漏極602和柵極603的方法包括：形成覆蓋所述第一勢壘層305和第二勢壘層400a的金屬層，例如Ti、Al、Cu、Au或Ag等；對所述金屬層進(jìn)行圖形化刻蝕，形成位于所述第一勢壘層305表面的源極601、漏極602和柵極603，并且，使得所述柵極603位于所述源極601與第二勢壘層400a之間，且所述柵極603的側(cè)壁與所述第二勢壘層400a的側(cè)壁連接，以通過對柵極603對第二勢壘層400a進(jìn)行極化，產(chǎn)生二維空穴氣。

所述第二勢壘層400a通過極化產(chǎn)生的二維空氣穴，提高所述高電子遷移率晶體管的擊穿電壓。在本發(fā)明的具體實(shí)施方式中，所述第二勢壘層400a利用P型摻雜的第三子層403a的雜質(zhì)電離以及第二子層402a和第一子層401a界面極化電荷產(chǎn)生的二維空穴氣，來耗盡柵極和漏極漂移區(qū)溝道內(nèi)的二維電子氣，平滑溝道電場分布，從而提高所述高電子遷移率晶體管的擊穿電壓。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用8英寸的晶向?yàn)?lt;111>的硅作為襯底，然后，利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)依次外延生長氮化鋁成核層、氮化鎵緩沖層、氮化鎵溝道層、氮化鋁插入層、氮化鋁鎵勢壘層、氮化鋁第一子層、氮化鎵第二子層和P型氮化鎵第三子層。MOCVD系統(tǒng)為德國愛思強(qiáng)(Aixtron)行星式反應(yīng)腔G5+，其可以放置5個(gè)8英寸硅襯底。生長溫度為1100～1150℃，三甲基鋁(TMAl)其流量為50μmol/min～180μmol/min；三甲基鎵(TMGa)，流量為80μmol/min～220μmol/min。氨氣為V族原材料供應(yīng)，流量為5slm～50slm。氫氣和氮?dú)鉃檩d氣，流量為10slm～80slm。氮化鋁第一子層的厚度是20nm，氮化鎵第二子層的厚度是50nm，p型氮化鎵第三子層的厚度是100nm。

然后，利用感應(yīng)耦合等離子(ICP)來刻蝕所述氮化鋁第一子層、氮化鎵第二子層和P型氮化鎵第三子層，但保留柵極和漏極間的部分區(qū)域。所述ICP工藝采用的刻蝕氣體為三氯化硼(BCl₃)和Cl₂，BCl₃流量為100sccm，Cl₂流量為5sccm，刻蝕功率為50W。之后，分別制作源極、柵極和漏極，其中，利用電子束沉積Ti層和Al層的復(fù)合層作為電極金屬，其中Ti層厚度為20nm，Al層厚度為200nm，并在氮?dú)庀峦嘶鹛幚?，溫度?50℃，時(shí)間30s。

本發(fā)明的具體實(shí)施方式，還提供一種采用具有高擊穿電壓的高電子遷移率晶體管。

請參考圖6，所述高電子遷移率晶體管包括：襯底200；位于所述襯底200上的溝道層303；位于所述溝道層303上的第一勢壘層305；位于所述第一勢壘層305上的柵極603、源極601和漏極602，所述源極601和漏極602分別位于所述柵極603的兩側(cè)；位于所述柵極603與漏極602之間的第一勢壘層305表面的第二勢壘層400a，所述第二勢壘層400a側(cè)壁與所述柵極603一側(cè)側(cè)壁連接，用于產(chǎn)生二維空穴氣。

所述襯底200的材料可以是藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、鋁酸鋰、氮化鋁或氮化鎵等。

所述溝道層303作為二維電子氣的傳輸通道，需要有較高的晶體質(zhì)量，以降低所述溝道內(nèi)的背景濃度，從而減少散射和提高二維電子氣的遷移率?？梢圆捎梅菗诫s的III族金屬氮化物作為所述溝道層303的材料，例如非摻雜的GaN層。

所述第一勢壘層305的材料包括氮化鋁鎵或氮化鋁銦，可以是單層也可以是多層結(jié)構(gòu)。所述第一勢壘層305與所述溝道層303形成異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生二維電子氣。

在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式中，還包括位于所述襯底200與溝道層303之間的成核層301和位于所述成核層301表面的緩沖層302。所述成核層301可顯著提高在所述成核層301上外延生長的III族金屬氮化物層的質(zhì)量。所述成核層301的材料包括GaN、AlN或AlGaN。所述緩沖層302具有較高的電阻率，所述緩沖層302的材料可以為氮化鎵。

在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式中，還包括位于溝道層303和第一勢壘層305之間的插入層304，所述插入層304用于提高所述第一勢壘層305晶體質(zhì)量，所述插入層304的材料可以為氮化鋁。

在本發(fā)明的其他具體實(shí)施方式，所述高電子遷移率晶體管也可以僅具備上述成核層301、緩沖層302和插入層304中的部分結(jié)構(gòu)。

所述第二勢壘層400a的材料包括III族金屬氮化物，用于產(chǎn)生二維空穴氣，例如P型摻雜的III族金屬氮化物或者能夠產(chǎn)生二維空穴氣的異質(zhì)結(jié)。在該具體實(shí)施方式中，所述第二勢壘層400a包括：位于所述第一勢壘層305表面的第一子層401a、位于所述第一子層401a表面的第二子層402a和位于所述第二子層402a表面的第三子層403a，所述第一子層401a和第二子層402a構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，所述第三子層403a為P型摻雜。在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式中，所述第一子層401a的材料為氮化鋁、氮化鎵或氮化鋁鎵；所述第二子層402a的材料為氮化鎵、氮化鋁或氮化鋁鎵；所述第三子層403a的材料為P型氮化鎵、P型氮化鋁或P型氮化鋁鎵。所述第一子層401a和第二子層402a形成異質(zhì)結(jié)，通過調(diào)整所述第一子層401a和第二子層402a內(nèi)的鋁元素和/或鎵元素比例，使得在所述第一子層401a和第二子層402a界面上產(chǎn)生二維空穴氣。

所述第一子層401a的厚度可以為1nm～100nm；所述第二子層402a的厚度可以為1nm～100nm；所述第三子層403a的厚度可以為1nm～100nm。在本發(fā)明的其他具體實(shí)施方式中，所述第二勢壘層400a也可以是其他合適的材料，具有單層或多層結(jié)構(gòu)，使得所述第二勢壘層400a在自發(fā)極化或外電極極化的條件下能夠產(chǎn)生二維空穴氣。

所述源極601、漏極602和柵極603均為金屬，例如Ti、Al、Cu、Au或Ag等，所述柵極603位于源極601和第二勢壘層600之間，且所述柵極603一側(cè)側(cè)壁與所述第二勢壘層400側(cè)壁連接，以通過對柵極603對第二勢壘層400a進(jìn)行極化，產(chǎn)生二維空穴氣。

所述第二勢壘層400a能夠產(chǎn)生二維空氣穴，提高所述高電子遷移率晶體管的擊穿電壓。在本發(fā)明的具體實(shí)施方式中，所述第二勢壘層400a利用P型摻雜的第三子層403a的雜質(zhì)電離以及第二子層402a和第一子層401a界面極化電荷產(chǎn)生的二維空穴氣，來耗盡柵極和漏極漂移區(qū)溝道內(nèi)的二維電子氣，平滑溝道電場分布，從而提高所述高電子遷移率晶體管的擊穿電壓。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。