一种常关型高电子迁移率晶体管及其制备方法与流程

本发明属于高电子迁移率晶体管器件，具体涉及一种常关型高电子迁移率晶体管及其制备方法。

背景技术：

1、gan基高电子迁移率晶体管（gan hemt）器件是常开（耗尽模式，栅极阈值电压，vth＜0v）器件，是由于在势垒层（algan、aln、inaln等）和沟道层（通常为gan）之间的界面处由于自发极化和压电极化的物理效应自然形成二维电子气（2deg）层，比如algan/gan结构或者aln/gan结构或者inaln/gan结构，常开gan hemt器件的结构示意图如图1所示。然而，在实际的功率开关应用中需要常关（增强模式，栅极阈值电压，vth＞0v）器件。

2、目前，现有技术中报道的如下方法可以制造常关gan hemt器件，其中一些制造方法已经在商业上得到验证并处于批量生产中，如下所示：

3、第一种解决方案，“双芯片”解决方案（可商购）涉及如图2所示的级联阴极（cascode）配置中的常关si mosfet器件和常开gan hemt器件（“cascode”器件），其中组合器件的vth仅为si mosfet设备的vth，范围从2到4v，由许多供应商提供。但是cascode方法是一种双芯片解决方案，其封装复杂，需要仔细匹配两个器件参数才能作为单个单元工作，导致成本高昂。

4、第二种解决方案（市售）是在势垒层（如algan）的顶部添加原位生长的掺杂mg的p型gan层，以物理耗尽下面的2deg层从而对导带产生调整的结果，如图3为“p-gan栅极”器件的结构示意图。典型的vth在1~2v的范围内。但是原位生长的掺杂mg的p型gan层的方法得到的器件具有低栅极击穿（＜10v）和5~6v的小栅极驱动电压范围，器件性能较差。

5、第三种解决方案（商业上无法获得）是通过在栅极区域下的干法等离子体蚀刻完全去除诸如algan的阻挡层，从而消除自然形成的2deg层，仅在栅极区域下方通过等离子体增强化学气相沉积（pecvd）、低压化学气相沉积（lpcvd）、原子层沉积（ald）、其组合沉积诸如sio2、al2o3、sin、aln或其他高k材料的后续绝缘层，以产生金属绝缘体半导体栅极结构，如图4所示的传统si和sic mosfet器件一样（“mis栅极”器件）。vth可以根据绝缘体厚度及其材料特性从1v调节到4v。其中在阻挡层蚀刻之后，受损且粗糙的gan沟道表面导致随后沉积的介电层与gan沟道层之间的界面具有高水平的电活性陷阱密度，导致界面电子迁移率较低、导通电流较低以及vth不稳定性。

6、第四种解决方案（商业上无法获得）是通过高密度等离子体处理或低能量离子注入，将强电负性和电活性元素（如氯或氟原子）引入势垒层（如algan），从而仅排出栅极区域中2deg层中的下层电子，如图5所示的“耗尽栅极”器件。典型的vth只有一个有限的范围，通常小于1.0v。同时带负电的离子将恶化界面迁移率，vth稳定性差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种常关型高电子迁移率晶体管及其制备方法，本发明提供的常关型高电子迁移率晶体管器件界面电子迁移率高，同时没有过多库仑散射中心，具有可调节且更稳定的vth。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种常关型高电子迁移率晶体管，包括衬底层；设置在所述衬底层上表面的缓冲层；设置在所述缓冲层上表面的沟道层；设置在所述沟道层部分上表面的源极、部分上表面的漏极和部分上表面的势垒层；设置在所述势垒层部分上表面的栅极；所述势垒层注入有非电活性物质离子，所述势垒层中非电活性物质离子的注入区域与所述栅极在所述势垒层上的正投影区域重合，所述非电活性物质离子包括氮离子和/或惰性气体离子。

4、优选的，所述惰性气体离子包括ar离子。

5、优选的，所述非电活性物质离子的注入密度为1e13~1e15 cm-2；所述非电活性物质离子的注入能量为10~100 kev。

6、优选的，还包括：设置在所述势垒层与所述栅极之间的第一绝缘层，所述第一绝缘层在所述势垒层上表面的投影区域与所述栅极在所述势垒层上表面的投影区域重合。

7、优选的，所述第一绝缘层的材料包括sio2、al2o3、sin、aln或其他高介电常数电介质材料中的一种或多种，所述其他高介电常数电介质材料的介电常数大于9 f/m。

8、优选的，所述第一绝缘层的厚度为0~100nm，且不为0nm。

9、优选的，所述势垒层包括非电活性物质离子和主体材料，所述主体材料包括algan、aln和inaln中的一种或多种；

10、所述沟道层的材料为gan。

11、本发明提供了上述技术方案所述的常关型高电子迁移率晶体管的制备方法，包括以下步骤：

12、在所述衬底层上表面依次制备缓冲层和沟道层；

13、在所述沟道层上表面制备源极、漏极和初始势垒层；

14、在所述初始势垒层注入非电活性物质离子，得到势垒层；所述非电活性物质离子在所述初始势垒层中的注入区域与所述栅极在所述势垒层上的正投影区域重合；

15、在所述势垒层注入非电活性物质离子的区域的上表面制备栅极。

16、优选的，所述注入的方法包括等离子体注入或者低能离子注入。

17、优选的，得到所述势垒层后，制备所述栅极之前，还包括：在所述势垒层注入非电活性物质离子的区域上表面制备第一绝缘层；得到第一绝缘层后，在所述第一绝缘层的上表面制备栅极。

18、本发明提供了一种常关型高电子迁移率晶体管，包括衬底层；设置在所述衬底层上表面的缓冲层；设置在所述缓冲层上表面的沟道层；设置在所述沟道层部分上表面的源极、部分上表面的漏极和部分上表面的势垒层；设置在所述势垒层部分上表面的栅极；所述势垒层注入有非电活性物质离子，所述势垒层中非电活性物质离子的注入区域与所述栅极在所述势垒层上的正投影区域重合，所述非电活性物质离子包括氮离子和/或惰性气体离子。本发明相较于上述“第三种解决方案”，没有对势垒层进行刻蚀和损坏，势垒层和沟道层之间具有更稳定的vth以及原始未蚀刻和未损坏的2deg层。本发明相较于上述“第四种解决方案”，通过向势垒层中注入非电活性物质离子，将势垒层转变成绝缘体，从而使自然形成的2deg层失效，而相较于引入电活性元素（如氯或氟原子），本发明不存在由于电荷散射导致的迁移率下降和由于氯或氟离子在栅极偏压下移动导致的vth不稳定的缺陷。综上，本发明提供的常关型高电子迁移率晶体管器件界面电子迁移率高，同时没有过多库仑散射中心，具有可调节且更稳定的vth。

19、进一步的，在本发明中，所述惰性气体离子包括ar离子。ar离子因具有相对较大的原子尺寸，因此不容易分布扩展到势垒层下面的gan沟道层中，从而确保常关型高电子迁移率晶体管器件具有更稳定的vth。

20、进一步的，在本发明中，所述常关型高电子迁移率晶体管还包括：设置在所述势垒层与所述栅极之间的第一绝缘层，所述第一绝缘层在所述势垒层上表面的投影区域与所述栅极在所述势垒层上表面的投影区域重合。所述第一绝缘层能够有效减少栅极漏电流，增加栅极击穿电压，在si mosfet或sic mosfet中实现适当的导通阈值电压。