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1、(10)申请公布号 CN 102427085 A (43)申请公布日 2012.04.25 C N 1 0 2 4 2 7 0 8 5 A *CN102427085A* (21)申请号 201110366992.6 (22)申请日 2011.11.18 H01L 29/778(2006.01) H01L 29/423(2006.01) (71)申请人中国科学院苏州纳米技术与纳米仿 生研究所 地址 215123 江苏省苏州市工业园区独墅湖 高教区若水路398号 (72)发明人蔡勇 于国浩 董志华 王越 张宝顺 (54) 发明名称 族氮化物增强型HEMT器件 (57) 摘要 本发明公开了一种族氮化。
2、物增强型HEMT 器件，包括源、漏电极，主、副栅，绝缘介质层以及 异质结构，源、漏电极通过形成于异质结构中的 二维电子气电连接，异质结构包括第一、第二半导 体，第一半导体设置于源、漏电极之间，第二半导 体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导 体的带隙，主栅设置于第二半导体表面靠近源电 极一侧，并与第二半导体形成肖基特接触，且位于 主栅下方的第二半导体局部区域内部还形成有等 离子体处理区；介质层形成于第二半导体和主栅 表面，并设置在源、漏电极之间；副栅形成于介质 层表面，且其至少一侧边缘向源电极或漏电极方 向延伸，同时其正投影与主栅两侧边缘均交叠。本 发明能从根本上有效抑制“电流崩塌效应”。。
3、 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 CN 102427093 A 1/1页 2 1.一种族氮化物增强型HEMT器件，包括源电极、漏电极以及异质结构，所述源电极 与漏电极通过形成于异质结构中的二维电子气电连接，所述异质结构包括第一半导体和第 二半导体，所述第一半导体设置于源电极和漏电极之间，所述第二半导体形成于第一半导 体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，其特征在于，所述HEMT器件还包括主栅、绝缘介质 层和副栅，其中： 所述主栅设置于第二半导体表面靠近源电极一侧，并与第二半导体形成肖基特接触， 。
4、且位于主栅下方的第二半导体局部区域内部还形成有等离子体处理区； 所述介质层形成于第二半导体和主栅表面，并设置在所述源电极和漏电极之间； 所述副栅形成于介质层表面，且其至少一侧边缘向源电极或漏电极方向延伸，同时其 正投影与主栅两侧边缘均交叠。 2.根据权利要求1所述的族氮化物增强型HEMT器件，其特征在于，所述源电极和漏 电极分别与电源的低电位和高电位连接。 3.根据权利要求1所述的族氮化物增强型HEMT器件，其特征在于，所述等离子体处 理区是第二半导体内的局部区域经氟等离子体处理后所形成的带负电的固定电荷区。 4.根据权利要求1所述的族氮化物增强型HEMT器件，其特征在于，所述第一半导体 和第。
5、二半导体均采用族氮化物半导体。 5.根据权利要求1所述的族氮化物增强型HEMT器件，其特征在于，所述副栅的两侧 边缘分别向源电极和漏电极方向延伸。 6.根据权利要求1所述的族氮化物增强型HEMT器件，其特征在于，所述副栅仅有一 侧边缘向相应的源电极或漏电极方向延伸。 7.根据权利要求1所述的族氮化物增强型HEMT器件，其特征在于，在所述HEMT器件 工作时，所述主栅和副栅分别由一控制信号控制，且在所述HEMT器件处于导通状态时，所 述副栅控制信号的电位高于主栅控制信号的电位。 权 利 要 求 书CN 102427085 A CN 102427093 A 1/3页 3 族氮化物增强型 HEMT 。
6、器件 技术领域 0001 本发明涉及一种增强型高电子迁移率晶体管（Enhancement-mode High Electron Mobility Transistor ，E-mode HEMT），尤其涉及一种族氮化物增强型HEMT器件。 背景技术 0002 当HEMT器件采用族氮化物半导体时，由于压电极化和自发极化效应，在异质结 构上（Heterostructure），如AlGaN/GaN，能够形成高浓度的二维电子气。另外，HEMT器件采 用族氮化物半导体，能够获得很高的绝缘击穿电场强度以及良好的耐高温特性。具有异 质结构的族氮化物半导体的HEMT，不仅可以作为高频器件使用，而且适用于高电压、。
7、大电 流的功率开关器件。应用到大功率开关电路中时，为了电路的设计简单和安全方面考虑，一 般要求开关器件具有常关特性即需要器件为增强型器件（E -MODE）。 0003 现有的族氮化物半导体E-MODE HEMT器件作为高频器件或者高压大功率开关器 件使用时，漏电极输出电流往往跟不上栅极控制信号的变化，会出现导通瞬态延迟大的情 况，此即为族氮化物半导体E-MODE HEMT器件的“电流崩塌现象”，严重影响着器件的实用 性。现有的比较公认的对“电流崩塌现象”的解释是“虚栅模型”。 “虚栅模型”认为在器件 关断态时，有电子注入到半导体表面，从而被表面态或缺陷捕获形成一带负电荷的虚栅，带 负电荷的虚栅。
8、由于静电感应会降低栅漏、栅源连接区的沟道电子，当器件从关断态向导通 态转变时，栅下的沟道虽然可以很快积累大量的电子，但是虚栅电荷却不能及时释放，虚栅 下的沟道电子浓度较低，所以漏端输出电流较小，只有当虚栅电荷充分释放后，漏端电流才 能恢复到直流状态的水平。目前，常用的抑制“电流崩塌”的方法有：对半导体进行表面处 理，降低表面态或界面态密度；通过场板结构降低栅电极靠近漏电极一端的电场强度，降低 电子被表面态和缺陷捕获的概率，抑制电流崩塌。但前述抑制电流崩塌的方法在大电流、大 电压的情况下效果并不理想。 发明内容 0004 本发明的目的在于提出一种族氮化物E-MODE HEMT器件，该器件具有叠层。
9、双 栅结构，是通过等离子体对栅下区域的处理实现的增强型器件，其藉由副栅和主栅的相互 配合对沟道中二维电子气进行调控，使E-MODE HEMT(Enhancement-mode High Electron Mobility Transistor，增强型高电子迁移率晶体管)漏端输出电流可以跟得上栅电压的变 化，从而在根本上抑制“电流崩塌效应”。 0005 为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案： 一种族氮化物E-MODE HEMT器件，包括源电极、漏电极以及异质结构，所述源电极与 漏电极通过形成于异质结构中的二维电子气电连接，所述异质结构包括第一半导体和第二 半导体，所述第一半导体设置于源电。
10、极和漏电极之间，所述第二半导体形成于第一半导体 表面，并具有宽于第一半导体的带隙，其特征在于，所述E-MODE HEMT器件还包括主栅、绝缘 介质层和副栅，其中： 说 明 书CN 102427085 A CN 102427093 A 2/3页 4 所述主栅设置于第二半导体表面靠近源电极一侧，并与第二半导体形成肖基特接触， 且位于主栅下方的第二半导体局部区域内部还形成有等离子体处理区； 所述介质层形成于第二半导体和主栅表面，并设置在所述源电极和漏电极之间； 所述副栅形成于介质层表面，且其至少一侧边缘向源电极或漏电极方向延伸，同时其 正投影与主栅两侧边缘均交叠。 0006 所述源电极和漏电极分别与。
11、电源的低电位和高电位连接。 0007 优选的，所述等离子体处理区是第二半导体内的局部区域经F（氟）等离子体处理 后所形成的带负电的固定电荷区。 0008 更进一步的讲，所述等离子体处理区是通过反应离子刻蚀（RIE）或感应耦合等离 子体刻蚀（ICP）等工艺对异质结进行F等离子体处理，从而在第二半导体内形成带负电的 固定电荷区，并将其所对应的沟道内二维电子气耗尽。 0009 所述第一半导体和第二半导体均采用族氮化物半导体。 0010 所述副栅的两侧边缘分别向源电极和漏电极方向延伸，或者，也可以是所述副栅 仅有一侧边缘向相应的源电极或漏电极方向延伸。 0011 在所述HEMT器件工作时，所述主栅和副。
12、栅分别由一控制信号控制，且在所述HEMT 器件处理导通状态时，所述副栅控制信号的电位高于主栅控制信号的电位。 附图说明 0012 图1是本发明叠层双栅E-MODE HEMT的剖面结构示意图； 图2a是普通E-MODE HEMT器件的局部结构示意图； 图2b是本发明叠层双栅E-MODE HEMT器件的局部结构示意图； 图3是本发明一较佳实施方式中E-MODE HEMT器件的结构示意图，其中副栅向漏和源 电极方向各有延伸； 图4是本发明另一较佳实施方式中E-MODE HEMT器件的结构示意图，其中副栅仅向漏 电极方向有延伸。 具体实施方式 0013 参阅图2a，普通E-MODE HEMT器件（以A。
13、lGaN/GaN器件为例）电流崩塌现象的原因 是：在器件关断状态下，在栅金属4两侧AlGaN层3与绝缘介质7界面处会积累负电荷，形 成界面负电荷积累区21，由于静电感应作用，这些负电荷又会减少甚至完全耗尽下方沟道 区的二维电子气，形成沟道耗尽区22。当栅极电压上升，器件从关断态向导通态转换时，栅 极下方二维电子气受栅压控制而上升，栅极下方沟道导通，但是界面电荷积累区的负电荷 由于处于较深能级不能及时释出，因此下方沟道内的二维电子气还是较少，所以器件不能 完全导通，随着时间增加，界面电荷积累区的负电荷逐渐从深能级释放出来，其下方沟道内 电子浓度上升，器件渐渐向完全导通转变，根据目前研究结果，负电。
14、荷从深能级释放出来的 时间达到微秒秒的量级。 0014 为克服前述普通E-MODE HEMT器件的缺陷，本发明提出了一种具有叠层双栅结构 的族氮化物E-MODE HEMT器件，参阅图1，该器件的源电极8、漏电极9位于两侧，在靠近 源极8一侧的第二半导体3（如，AlGaN层）表面有一栅电极，称为主栅4，主栅下方有一经 说 明 书CN 102427085 A CN 102427093 A 3/3页 5 过等离子体处理的固定负电荷区6，主栅上方有一绝缘介质层7，绝缘介质层上方有另一栅 电极，称为副栅5。如图1所示，副栅位于主栅的上方，在垂直投影面上与主栅两侧边缘有交 叠，并且向源、漏电极有一定延伸。。
15、前述第一半导体2（如GaN层）可设于一衬底1上。 0015 参阅图2b，在本发明叠层双栅E-MODE HEMT器件关断状态下，主栅偏置在阈值电 压以下，副栅5上加一足够高的正偏压，虽然主栅4金属两侧第二半导体层与绝缘介质界 面处同样会积累负电荷，可是由于副栅上足够高的正向偏置的作用，界面负电荷不能完全 屏蔽副栅电场，存在足够的电场去感生沟道区内的二维电子气，而保持电荷积累区下方沟 道23导通；当主栅电压上升，器件从关断态向导通态转变时，副栅电压保持不变，界面电荷 积累区下方的沟道仍然导通，因此器件不会产生电流崩塌造成的延迟。 0016 而如果器件工作于开关方式，则本发明叠层双栅E-MODE H。
16、EMT器件的驱动方式可 以采取：对主栅与副栅分别加上同步的脉冲信号，副栅电压高于主栅电压，在器件从关断态 向导通状转变时，副栅的高电压可以克服界面负电荷的屏蔽而在其下方强制感生出足够的 二维电子气，避免了电流崩塌。值得注意的是，在关断态时，副栅的偏置可以独立于主栅，因 此选择合适的关断态下副栅的偏置，器件可以获得较佳的击穿电压。 0017 以上对本发明技术方案进行了概述，为了使公众能够更清楚了解本发明的技术手 段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以基于AlGaN/GaN异质结的器件为例对本发明 的技术方案作进一步的说明。 0018 参阅图3，作为本发明的一种较佳实施方式，该E-MODE HE。
17、MT具有：第一半导体 13(GaN)、和形成在第一半导体13上的第二半导体14（AlGaN）。第一半导体13未进行特意 掺杂。在第二半导体14中可以掺入n型杂质，也可以不进行掺杂。第二半导体14的带隙 比第一半导体13的带隙更宽。第二半导体14的厚度约为15至30nm。第一半导体13和第 二半导体14形成异质结构，在界面处形成二维电子气（2DEG）。 0019 该E-MODE HEMT具有按规定间隔距离分离配置的漏电极11和源电极12。漏电极 11与源电极12贯穿第二半导体14延伸到第一半导体13，与沟道中二维电子气相连接。漏 电极11和源电极12是由多层金属（如：Ti/Al/Ti/Au或者T。
18、i/Al/Ni/Au等）通过快速高温 退火形成欧姆接触。 0020 该E-MODE HEMT具有等离子体处理区19，它是在第二半导体内部、主栅下方通过 等离子体处理形成的固定负电荷区，可以将其所对应的沟道中的二维电子气耗尽。 0021 该E-MODE HEMT具有主、副双柵结构，主栅16制造在源电极和漏电极之间，靠近源 极的一端，主栅16直接与第二半导体14表面接触，并形成肖特基接触。副栅18设置在介 质层17（如Si 3 N 4 ）之上，在垂直方向上与主栅有交叠，并且向源、漏电极方向各有延伸（或者 仅向漏电极或源电极方向延伸，图4所示为副栅仅向漏电极方向延伸的结构）。 说 明 书CN 102427085 A CN 102427093 A 1/2页 6 图1 图2a 图2b 说 明 书 附 图CN 102427085 A CN 102427093 A 2/2页 7 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102427085 A 。