一种抑制短沟道效应的p-GaNHEMT器件的制作方法

一种抑制短沟道效应的p
‑
gan hemt器件
技术领域
1.本发明属于半导体器件及集成电路技术领域，具体涉及一种抑制短沟道效应的p
‑
ganhemt器件。


背景技术：

2.氮化镓(gan)是第三代宽禁带半导体材料代表，受到各国研究人员的广泛关注。gan 材料具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小及良好的化学稳定性等特点，因此， gan基hemt器件与si基器件相比，具有较低的导通电阻、较小寄生电容、较高的击穿 电压等优良性能，可以满足下一代系统对半导体器件更大功率、更小体积、更高频率的应用 需求。
3.然而，传统的基于algan/gan异质结器件由于存在自发极化和压电极化效应形成天然的 二维电子气导电沟道，为耗尽型器件。但是由于耗尽型器件会增大应用时驱动电路设计的复 杂性和可靠性，因此需要增强型的gan器件来满足应用需求。目前几种常用的增强型技术中， p
‑
gan增强型器件已经实现商业化。p
‑
gan hemt器件的实现方法为在栅极区域外延一层p 型gan层，p
‑
gan与algan/gan异质结形成类pin结构，类二极管结构中内建电场能够抵 消algan/gan异质结中自发极化和压电极化产生的电场作用，从而能够耗尽栅极下方的二维 电子气，从而使得器件具有常关型特性。由于p
‑
gan hemts器件特有的metal/p
‑
gan/algan 栅极结构限制了栅极工作电压范围，当前常见的p
‑
gan hemts器件栅极的工作电压范围约为
ꢀ‑
4～6v。同时，在器件设计中，为了降低器件工作时的导通电阻，会降低器件栅极的长度来 降低导通电阻。但是，当器件栅极栅极沟道长度很小时，会出现短沟道效应，也即漏致势垒 减低效应(dibl)，导致阈值电压、和击穿电压降低。
4.根据前期研究结果表明，当p
‑
gan hemt器件处于高漏偏压时，阈值电压相对于低漏偏 压时会降低0.3v左右，会导致器件在使用中极易出现误触发的现象。因此急需一种具备能 够抑制短沟道效应的p
‑
gan hemt器件，来提升p
‑
gan hemt器件在实际使用时的可靠性和 稳定性。


技术实现要素：

5.本发明在于克服传统短沟道p
‑
gan hemt器件出现的阈值电压、击穿电压降低的问题， 提供抑制短沟道效应的器件。实现不影响器件的正常工作，阈值电压更加稳定，击穿电压更 高，与传统制备工艺完全兼容的p
‑
gan hemt器件。
6.本发明的技术方案为：
7.一种抑制短沟道效应的p
‑
gan hemt器件，包括从下层至上依次层叠设置的衬底层1、 缓冲层2、gan沟道层3、al(in)gan层势垒层4、p
‑
gan层5、钝化层7；所述gan层3 和al(in)gan层4形成异质结；所述al(in)gan层4上层的一端具有第一金属电极10， 另一端具有第二金属电极9，第一金属电极10和第二金属电极9与al(in)gan层4之间均 是欧姆接触；所述p
‑
gan层5呈中部凸起的凸起结构(通过部分凹槽刻蚀形成)，将p
‑
gan 层5中部凸起结构两侧
的部分靠近第一金属电极10的一侧定义为源极侧p
‑
gan层12，靠近 第二金属电极9的一侧定义为漏极侧p
‑
gan层11；所述p
‑
gan层5的上表面覆盖有第三金 属电极6，第三金属电极6与p
‑
gan层5之间是肖特基接触或欧姆接触；所述第三金属电极 6作为器件的栅极；在al(in)gan层势垒层4与第三金属电极6上表面覆盖有钝化层7； 所述第一金属电极10沿钝化层7上表面延伸至靠近第二金属电极9，第一金属电极10作为 器件的源极；所述第二金属电极9沿钝化层7上表面向靠近第一金属电极10的一侧延伸，在 第一金属电极10和第二金属电极9之间具有隔离层8，第二金属电极9作为器件的漏极。
8.进一步的，所述漏极侧p
‑
gan层11的长度为大于等于0μm。
9.进一步的，所述衬底1采用的材料为si、sic、蓝宝石中的一种。
10.进一步的，所述缓冲层2采用的材料为包含一种或几种由gan、algan、aln组成的材 料。
11.进一步的，所述钝化层7采用的材料为氮化物、氧化铝、aln中的一种。
12.进一步的，所述隔离层8采用的材料为氧化物或氮化物。
13.本发明的有益效果为：本发明的位于algan势垒层上方的p
‑
gan层不仅包括厚度较大的、 使器件实现增强型器件功能的p
‑
gan层，还包括厚度较小的经过凹槽刻蚀的p
‑
gan。当器件 漏极的电压较高时，凹槽刻蚀的p
‑
gan层下方的2deg耗尽，能够承受漏极电压，从而使厚 度较大的p
‑
gan层一侧的电位钳位，从而降低短沟道效应。本发明的器件能降低处在高漏偏 压时阈值电压的减小量，同时能够提升击穿电压。另外，本发明工艺与传统p
‑
gan hemt器 件制备工艺完全兼容。
附图说明
14.图1(a)为传统p
‑
gan hemt器件的结构原理图；(b)为本发明提出的抑制短沟道效应 的p
‑
gan hemt器件的结构原理图。
15.图2(a)为本发明的器件的等效模型，(b)为本发明器件的电位v
c
随漏源电压变化而 变化的情况。
16.图3(d)为本发明的具有不同厚度t
p2
的凹槽刻蚀的p
‑
gan层器件阈值电压随漏极电压 变化而变化的情况，(e)击穿电压和dibl参数随厚度变化而变化的情况。
17.图4为本发明的具有不同长度g
r
的凹槽刻蚀的p
‑
gan层器件阈值电压随漏极电压变化而 变化的情况，(b)击穿电压和dibl参数随长度g
r
变化而变化的情况。
18.图5为本发明的具有不同沟道长度l
g
的p
‑
gan层器件阈值电压随漏极电压变化而变化的 情况，(b)击穿电压和dibl参数随沟道长度l
g
变化而变化的情况。
19.图6(a)传统p
‑
gan hemt器件和本发明的器件的转移特性曲线，(b)统p
‑
gan hemt 器件和本发明的器件的阈值电压随漏极电压变化的情况，(c)传统p
‑
gan hemt器件的指数 范围变化的转移特性曲线，(d)本发明的p
‑
gan hemt器件的指数范围变化的转移特性曲线。
20.图7为本发明的静态i
‑
v特性与传统p
‑
gan hemt器件的对比；(a)输出特性曲线；(b) 击穿特性曲线；(c)沟道处导带能级沿x方向的变化情况。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明进行详细描述。
22.如图1所示，相比于传统p
‑
gan hemt器件，本发明的位于algan势垒层上方的p
‑
gan 层不仅包括厚度较大的、使器件实现增强型器件功能的p
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gan层5，还包括厚度较小的经过 凹槽刻蚀的p
‑
gan11和12。当器件漏极的电压较高时，凹槽刻蚀的p
‑
gan层下方的2deg 耗尽，能够承受漏极电压，从而使厚度较大的p
‑
gan层一侧的电位钳位，从而降低短沟道效 应。
23.该发明所述的一种抑制短沟道效应的p
‑
gan hemt器件的工作原理为：
24.本发明的器件等效模型如图2(a)所示，包含一个高阈值电压的器件hemt1和一个低 阈值电压的hemt2。hemt1漏极和hemt2的阈值连接在一起(该连接处的电位定义为v
c
)， hemt1的栅极和hemt2的栅极连接在一起。由于hemt1器件的阈值电压v
th1
大于hemt 器件2的阈值电压v
th2
，当栅极电压达到hemt1的阈值电压时，hemt1器件已经开启。器 件的阈值电压主要取决于hemt1器件的阈值电压，即v
th
≈v
th1
。
25.当0<v
c
<v
gs
‑
v
th2
(即v
gs
‑
v
c
>v
th2
)时，hemt2开启。此时，v
c
随着v
ds
的增大 而增大。
26.当v
c
>v
gs
‑
v
th2
时，hemt2处于关断状态，也即是厚度较小的p
‑
gan层11下方的二 维电子气沟道耗尽，能够承担漏极电压v
ds
。因此，v
c
随着v
ds
的增大而保持不变，如图2 (b)所示。
27.如图3所示，仿真了不同厚度p
‑
gan层11和12的阈值电压和击穿电压。可以看出，随 着厚度的增加阈值电压略微增加，而击穿电压基本保持不变。为了表示高漏压下抑制短沟道 效应的能力，定义了dibl参数，该参数为dibl参数数值越大， 表示抑制短沟道效应(也即dibl)能力越弱。从图2可以看出，随着p
‑
gan层厚度的增加， dibl数值增加，表示抑制短沟道效应的能力变弱。
28.如图4所示，仿真了不同长度的p
‑
gan层11的阈值电压和击穿电压。可以看出，随着 长度的增加，击穿电压先增加后降低，而抑制短沟道效应的能力逐渐变强。
29.如图5所示，仿真了不同沟道长度的p
‑
gan层5的阈值电压和击穿电压。可以看出，随 着沟道长度的增加，击穿电压逐渐增加，而抑制短沟道效应的能力也逐渐变强。
30.如图6所示，仿真了本发明的器件与传统p
‑
gan hemt器件的转移特性曲线和阈值电压 的对比。可以看出，传统p
‑
gan hemt器件的阈值电压随漏极电压增加而大幅降低，而本发 明的器件阈值电压比较稳定，表明本发明的器件能够有效地抑制短沟道效应。
31.最后，将本发明的器件的i
‑
v特性与传统的器件进行了对比，如图7所示。可以看出， 对于输出特性，本发明的器件与传统的p
‑
gan hemt器件完全一致；对于击穿特性，本发明 的击穿电压能够提升87％。图7(c)为不同漏极电压时沟道处导带能级沿x方向的变化情况， 可以看出，当处于高漏极电压时，v
c
处电位能够钳位，从而表示能够抑制短沟道效应。