III族氮化物增强型HEMT器件及其制作方法

iii族氮化物增强型hemt器件及其制作方法
技术领域
1.本发明涉及一种新型氮化物增强型高电子迁移率晶体管(hemt)及其制备方法，特别涉 及一种新型的具有高可靠性和稳定性的iii族氮化物增强型hemt及其制备方法，属于半导体 电子器件技术领域。


背景技术：

2.iii族氮化物半导体被称为第三代半导体，具有禁带宽度大、化学稳定性好、击穿电压高等 优势；而且由algan/gan等异质结构成的高电子迁移率晶体管(hemt)具有高电子浓度和迁 移率的优势，在高频、高耐压、低导通电阻等方面表现优异，可用作各类电力转化系统中的核 心器件，在消费电子、5g基站、服务器等电源应用领域具有广阔的前景。
3.通常，iii族氮化物增强型hemt的栅极多采用金属/p-gan/algan/gan堆栈结构，p-gan层 掺有mg受主，用于抬高algan/gan层的能带以耗尽2deg，从而达到增强型的目的，此类器件 多称为p-gan栅增强型hemt(p-gan e-hemt)。在实际应用中，p-gan栅极电压处于高/低电 压快速切换的过程中，由于感性负载的存在可能造成栅极电压过冲现象；而且高频率的开关动 作，要求栅极堆栈结构中载流子的输运具有同步的高频响应。因此，这些实际应用的性能、特 别是可靠性，对p-gan e-hemt走向商用化至关重要。
4.常见的栅极结构为“金属/p-gan/algan/gan”堆栈结构，如图1a所示。栅极金属层多采用蒸 发、溅射等加工方法沉积，功函数在4-6ev范围内，如ti、ni、pd等；p-gan/algan/gan叠层 多采用mocvd外延生长，p-gan层为几乎均匀掺mg的、掺杂浓度1-3
×
10
19
cm-3
，厚度70-150 nm范围内的单层结构；algan层为al组分10％-30％、厚度10-30nm的均匀单层结构。gan沟道 层为厚度在50-500nm的单层结构。
5.如图1a、图1b所示，金属/p-gan/algan/gan堆栈的栅极可以等效为金属/p-gan构成的“肖 特基结”(js)与p-gan/algan/gan构成的“双边异质pn结”(j
p
)；当栅极正向工作时，肖特基 结处于反偏状态，承担大部分电压；由于通常表层p-gan有效受主浓度在10
19
cm-3
左右，该肖特 基耗尽区内存在非常大的电场，高电场下载流子的隧穿、加速等行为，会造成该区域内原有缺 陷被激活或者形成新的缺陷，大幅增加的缺陷态密度会造成此肖特基结js失效；当动态开启 时，p-gan/algan之间存在的能带势垒(通常在0.2-0.4ev左右)会阻挡载流子向gan沟道中注 入，从而造成载流子在p-gan/algan界面积累，进而导致栅极动态阈值电压发生退化(通常阈 值电压漂移可达
±
2v)。此外，p-gan栅中存在大量的c、h杂质以及空位等点缺陷，极易造成 p-gan栅的可靠性退化问题。
6.现有的iii族氮化物增强型hemt的栅极多为金属/p-gan/algan/gan堆栈结构，p-gan外延 生长采用mg掺杂等作为受主提供空穴，且存在如下缺陷：
7.其一，现有技术的p-gan层多为掺杂几乎均匀、浓度大约为10
19
cm-3
的单层结构。为了达到 高的mg掺杂浓度，在mocvd外延生长过程中在生长条件上需要做出一定的折中，因此p-gan 层中存在较高的c、h杂质和空位等点缺陷，这些缺陷态在高电场下容易被激活或扩展形成新的 缺陷，也可以对p-gan中的载流子输运造成影响，导致栅极可靠性退化。此
外，表层高的mg掺 杂浓度，会导致正向栅压下，由金属/p-gan构成的肖特基结中电场强度过大，更进一步引发失 效等问题；
8.其二，现有技术的algan层为al组分均匀、且通常在10％-30％的单层结构。由于algan的 禁带宽度大于gan，因此，无论是p-gan中的空穴注入到gan沟道、还是gan沟道中的电子注入 到p-gan中，均需要克服algan在价带或导带上的势垒。在动态开关过程中，由于价带势垒对p
‑ꢀ
gan中空穴的阻挡，大量空穴会在p-gan/algan界面发生积累，从而造成动态阈值电压漂移等 动态可靠性的问题。


技术实现要素：

9.本发明的主要目的在于提供一种iii族氮化物增强型hemt器件及其制作方法，以克服现 有技术中的不足。
10.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
11.本发明实施例一方面提供了一种iii族氮化物增强型hemt器件，包括外延结构以及与外 延结构配合的源极、漏极和栅极，所述外延结构包括依次叠设的沟道层、势垒层和p型半导 体，
12.所述外延结构还包括叠设在p型半导体上的alyga
1-y
n层，所述栅极设置在alyga
1-y
n层 上；
13.其中，所述势垒层为al
x
ga
1-x
n势垒层或in
x
al
1-x
n势垒层，所述p型半导体为p型almga
1-m
n层或p型inmal
1-m
n层，所述势垒层与p型半导体的接触界面处的al含量低于所述势垒层中 其余区域的al含量，所述alyga
1-y
n层所含掺杂元素的浓度低于所述p型半导体所含掺杂元素 的浓度；其中，0＜x≦1，0≦y≦1，0≦m≦1。
14.进一步的，所述势垒层与p型半导体接触界面处的al含量为0-10％。
15.进一步的，所述势垒层内的al含量沿远离沟道层的方向降低。
16.进一步的，所述势垒层内的al含量沿远离沟道层的方向渐变或阶跃跳变。
17.进一步的，所述势垒层内的平均al组分含量为5-50％。
18.进一步的，所述势垒层的厚度为1-100nm，优选为5-50nm。
19.在一些较为具体的实施方案中，所述p型半导体和alyga
1-y
n层仅覆盖势垒层的栅下区域。
20.在一些较为具体的实施方案中，所述势垒层的栅下区域形成有凹槽，且所述凹槽被p型半 导体的局部区域填充。
21.在一些较为具体的实施方案中，所述势垒层包括设置在沟道层上的第一势垒层和第二势垒 层，所述第二势垒层分布在第一势垒层与p型半导体之间，并且所述第二势垒层内的al含量沿 远离沟道层的方向降低。
22.进一步的，所述第二势垒层内的al含量沿远离沟道层的方向渐变或阶跃跳变。
23.进一步的，所述第一势垒层中的al组分是均匀分布的。
24.在一些较为具体的实施方案中，所述第二势垒层连续覆盖第一势垒层；或者，所述第二势 垒层仅覆盖第一势垒层的栅下区域；或者，所述第一势垒层的栅下区域至少被部分移除而形成 槽状结构，所述槽状结构被第二势垒层填充。
25.进一步的，所述第二势垒层与p型半导体的导电类型相同。
26.在一些较为具体的实施方案中，所述第一势垒层包括依次层叠的第一alzga
1-z
n层、gan 中间层和第二alzga
1-z
n层，0＜z≦1。
27.进一步的，所述gan中间层和第二alzga
1-z
n层的栅下区域均被移除而形成所述的槽状结 构。
28.在一些较为具体的实施方案中，所述第二势垒层的栅下区域形成有凹槽，且所述凹槽被p 型半导体的局部区域填充。
29.进一步的，所述alyga
1-y
n层为p型，其中掺杂的受主浓度≤5
×
10
18
cm-3
；或者，所述 alyga
1-y
n层为u型；或者，所述alyga
1-y
n层为n型，其中掺杂的施主浓度≤5
×
10
17
cm-3
。
30.进一步的，所述alyga
1-y
n层的厚度为5-100nm。
31.进一步的，所述势垒层为非故意掺杂层。
32.进一步的，所述p型半导体的厚度为10-300nm。
33.进一步的，所述p型半导体的受主掺杂浓度为(1-8)
×
10
19
cm-3
。
34.在一些较为具体的实施方案中，所述的iii族氮化物增强型hemt器件还包括衬底，所述 衬底上依次叠设有过渡层、高阻层，所述沟道层叠设在高阻层上。
35.本发明实施例还提供了所述的iii族氮化物增强型hemt器件的制作方法，其包括：
36.制作外延结构，所述外延结构包括依次叠设的沟道层、势垒层、p型半导体和alyga
1-y
n 层；以及，
37.制作与所述外延结构配合的源极、漏极和栅极。
38.在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法具体包括：在衬底上依次生长形成沟道 层、势垒层、p型半导体和alyga
1-y
n层后，将p型半导体和alyga
1-y
n层除栅下区域之外的部 分完全去除，之后在余留的alyga
1-y
n层上制作栅极。
39.在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法具体包括：在衬底上依次生长形成沟道层 和势垒层，并将势垒层的栅下区域部分移除从而在势垒层中形成凹槽；之后在所述势垒层上继 续生长p型半导体和alyga
1-y
n层，并使所述凹槽被p型半导体的局部区域填充。
40.进一步的，所述的制作方法具体包括：将p型半导体和alyga
1-y
n层除栅下区域之外的部分 完全去除，之后在余留的alyga
1-y
n层上制作栅极。
41.在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法具体包括：在沟道层上依次生长第一势垒 层和第二势垒层，从而形成所述势垒层。
42.进一步的，所述的制作方法具体包括：将alyga
1-y
n层、p型半导体和第二势垒层除栅下区 域之外的部分完全去除。
43.在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法具体包括：在沟道层上生长第一势垒层 后，将第一势垒层的栅下区域去除从而形成槽状结构，之后在第一势垒层上生长第二势垒层， 并使所述槽状结构被第二势垒层填充，从而形成所述势垒层。
44.在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法具体包括：在沟道层上依次生长第一 alzga
1-z
n层、gan中间层和第二alzga
1-z
n层，从而形成第一势垒层。
45.在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法具体包括：将所述gan中间层和第二 alzga
1-z
n层的栅下区域移除而形成所述的槽状结构，之后在第一势垒层上生长第二势垒层，并 使所述槽状结构被第二势垒层填充，从而形成所述势垒层。
46.在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法具体包括：将所述第二势垒层的栅下区域 的部分除去而形成凹槽，或者，沿所述第一势垒层及其槽状结构的表面连续生长第二势垒层， 而使所述第二势垒层位于槽状结构内的部分形成凹槽，之后在所述第二势垒层上生长p型半导 体，并使所述凹槽被p型半导体的局部区域填充。
47.进一步的，所述的制作方法具体包括：将p型半导体、alyga
1-y
n层和第二势垒层除栅下区 域之外的部分完全去除。
48.与现有技术相比，本发明的优点包括：
49.1)本发明实施例提供的一种具有高可靠性和稳定性的iii族氮化物增强型hemt器件，通 过在栅下的p型半导体上增加一层低掺杂浓度的(al)gan层，从而提高了p型半导体的晶体质 量，降低了金属/半导体形成的肖特基结结区电场强度，减小该肖特基结的失效概率；
50.2)本发明还在p型半导体下方的设置了可变al组分的algan势垒层，从而减小甚至消除 了p-gan/algan之间的价带带阶差，克服了动态开启过程中因空穴在此处的积累而造成的阈值 电压漂移等可靠性问题；
51.3)本发明提供的iii族氮化物增强型hemt器件具有更高的栅极工作寿命和更小的栅极动 态阈值电压漂移，器件的可靠性可以得到大幅提升。
附图说明
52.图1a是一种常规的iii族氮化物增强型hemt器件的结构及栅极等效结构示意图；
53.图1b是一种常规的iii族氮化物增强型hemt器件的能带结构示意图；
54.图2是本发明一典型实施案例中提供的一种iii族氮化物增强型hemt器件的外延结构的 结构示意图；
55.图3是本发明一典型实施案例中提供的一种iii族氮化物增强型hemt器件的外延结构的 结构示意图；
56.图4a是本发明一典型实施案例中提供的一种iii族氮化物增强型hemt器件的结构示意 图；
57.图4b是本发明一典型实施案例中提供的又一种iii族氮化物增强型hemt器件的结构示意 图；
58.图4c是本发明一典型实施案例中提供的又一种iii族氮化物增强型hemt器件的结构示意 图；
59.图4d是对比例1中提供的一种iii族氮化物增强型hemt器件的结构示意图；
60.图4e是对比例2中提供的又一种iii族氮化物增强型hemt器件的结构示意图；
61.图5是本发明一典型实施案例中提供的一种iii族氮化物耗尽型hemt器件的外延结构的 结构示意图；
62.图6是本发明一典型实施案例中提供的一种iii族氮化物耗尽hemt器件的外延结构的结 构示意图；
63.图7是本发明一典型实施案例中提供的一种iii族氮化物耗尽hemt器件的外延结构的结 构示意图；
64.图8是本发明一典型实施案例中提供的一种iii族氮化物增强型hemt器件的外延
结构的 结构示意图；
65.图9a是本发明一典型实施案例中提供的一种iii族氮化物增强型hemt器件的结构示意 图；
66.图9b是本发明一典型实施案例中提供的又一种iii族氮化物增强型hemt器件的结构示意 图；
67.图9c是本发明一典型实施案例中提供的又一种iii族氮化物增强型hemt器件的结构示意 图。
具体实施方式
68.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方 案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
69.针对现有技术中存在的问题，本案发明人研究发现，单一改进p-(al)gan或p-(in)aln 表层受主掺杂浓度，无法改善器件的动态阈值电压漂移等性能；单一改进algan势垒层或 inaln势垒层能带结构，又无法提升器件的使用寿命；基于此，本案发明人提出同时在p-(al) gan层或p-(in)aln层上方外延生长一层低掺浓度的(al)gan层，在p-(al)gan层或p
‑ꢀ
(in)aln层下方外延生长一层al组分可变的algan势垒层或inaln势垒层，以此增强栅极 的使用寿命、提升栅控性能的稳定性等。
70.具体的，本发明降低p-(al)gan层或p-(in)aln层上方(al)gan的掺杂浓度意味着有效 受主(或施主)浓度降低，可使“肖特基结”反偏时耗尽区宽度增大，电场强度减小，载流子 不易隧穿或获得过多能量去激活原有缺陷或产生新的缺陷。此外，mocvd生长低掺浓度的 (al)gan层的条件有助于提高外延层(或外延结构)的晶体质量，减少c等杂质并入以及空位 等缺陷态的产生；并且高晶体质量的(al)gan层不易形成缺陷态，亦可大幅提升肖特基结的可 靠性，增强器件栅极的使用寿命。
71.更进一步的，本发明降低与p-(al)gan层接触的下方algan势垒层中的al组分，或者， 采用渐变al组分、阶跃变化的al组分的algan势垒层，可以实现p-(al)gan与algan势垒 层之间价带带阶减小甚至消失，消除动态开启过程中空穴的大量积聚，从而缓解器件动态阈值 电压漂移的问题，提升p-gan e-hemt的动态稳定性和可靠性。
72.如下将结合具体实施案例和附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说 明，除非特别说明的之外，本案实施例中所采用的外延生长、图形化处理工艺、刻蚀工艺等均 可以采用现有工艺；需要说明的是，如下以algan势垒层和与其对应的p-(al)gan层为例对 本发明的技术方案介绍，相应地，其中的势垒层亦可以是inaln势垒层，相应地，所述p形半 导体也可以是p-(in)aln层。
73.为实现上述发明目的，本发明实施例主要提供了两种技术方案来实现：
74.在一具体的实施方案中，请参阅图2-图4a，一种具有高可靠性和稳定性的iii族氮化物增 强型hemt的制备方法，包括如下步骤：
75.1)请参阅图2，在衬底101上生长iii族氮化物增强型hemt外延结构：所述外延结构具 体包括依次叠设的过渡层102、高阻耐压层(如下可简称为高阻层)103、导电沟道层(如下可 简称为沟道层)104、al组分可变的势垒层105a、p型(al)gan层106和低掺杂浓度的(al)gan 层107；
76.2)请参阅图3，对栅极区域(即前述栅下区域，即位于栅极正下方的区域，或者用于生长 栅极的区域，下同)光刻图形化处理后，采用干法刻蚀等方法去除非栅极区域的(al)gan层107 和p型(al)gan106，使刻蚀终止在algan势垒层105a表面；并对非栅极区域的algan势垒层 105a进行一定的表面处理(表面处理的工艺可以为：先以hf进行酸清洗，之后以koh进行 碱湿法腐蚀，然后再以hf进行酸清洗，该工艺只是其中的一种具体方式，本领域技术人员当 然还可以采用其他的表面处理工艺来达到相同的效果，下同)，以去除表面氧化层和损伤层；
77.3)在(al)gan层107的栅极区域沉积栅极金属108，并退火形成栅极接触(即肖特基接 触，下同)；分别在源极、漏极区域沉积源极金属109、漏极金属110，退火形成欧姆接触；形 成的器件结构如图4a-图4c所示。
78.在另一具体的实施方案中，请参阅图5-图8，一种具有高可靠性和稳定性的 iii族氮化物增强型hemt的制备方法，包括如下步骤：
79.1)请参阅图5和图6，在衬底201上生长iii族氮化物耗尽型hemt外延结构，所述外延 结构具体包括依次叠设的过渡层202、高阻耐压层203、导电沟道层204、al组分可变的势垒层 205a，对栅极区域进行光刻图形化处理后，采用干法刻蚀等方法去除部分位于栅极区域的组分 可变的algan势垒层；
80.2)请参阅图7，采用二次外延的方法在势垒层205a上依次外延一层p型(al)gan层206、 低掺杂浓度的(al)gan层207；
81.3)请参阅图8，栅极区域光刻图形化后，采用干法刻蚀等方法去除非栅极区域的p型 (al)gan层206、(al)gan层207，使刻蚀终止在algan势垒层205a表面以恢复非栅区域的二 维电子气；之后对非栅极区域的algan势垒层205a进行一定的表面处理，以去除表面氧化层 和损伤层；
82.4)在(al)gan层207上沉积栅极金属208，并退火形成稳定的栅极接触；分别在源极区 域、漏极区域沉积源极金属209、漏极金属210，退火形成欧姆接触，形成的器件结构如图9a
‑ꢀ
图9c所示。
83.需要说明的是，以上两种方案还可以包括更多后续的器件加工工艺，比如在algan势垒层 106a/b上制作表面钝化层以及沉积介质层，之后再进一步在栅极208、源极209上制作场板结 构等。
84.需要特别说明的是，以上两种方案的关键点均在于在p型栅堆栈结构中引入了al组分可变 的势垒层和低掺杂浓度的(al)gan层，即该p型栅堆栈结构可以理解为p型栅极，该p型栅堆 栈结构或p型栅极包括叠设的p型半导体、alyga
1-y
n层和栅极(栅金属)。
85.具体的，al组分可变的势垒层的特点与功能在于：该层与p型半导体(例如p型(al)gan 层106/206)接触处(即接触界面)的al组分保持一致，该接触处的al组分从0-100％可调， 特别的，主要控制在0-10％。当然，所述势垒层可以是与p型半导体接触的部分内的al组分可 变，也可以是整个势垒层采用al组分渐变的方式来生长，如此从p型半导体至势垒层均不会存 在明显的能带带阶差，从而使得栅极正向电压下，空穴不易被阻挡在algan势垒层表面而形成 的空穴积聚效应，从而减小动态阈值电压负移等退化现象。该al组分可变的势垒层的厚度控制 在5-50nm，平均al组分控制在5-50％。
86.具体的，低掺杂浓度的(al)gan层(即前述第二半导体，下同)的特点与功能在于：
该层 具有较低的掺杂浓度和较高的晶体质量度，该层可以是gan或者al组分不超过10％的 algan，该层可以是p型材料(受主浓度≤5
×
10
18
cm-3
)，可以是非掺材料(即不故意掺杂)， 也可以是n型材料(施主浓度≤5
×
10
17
cm-3
)，该层的厚度为5-100nm；其中，低掺杂浓度的 (al)gan的引入，可以降低金属/半导体形成的结的结区电场，从而减小此区域失效的可能性， 进而提高器件的寿命与可靠性。
87.实施例1
88.请参阅图2、图3和图4a，一种具有高可靠性和稳定性的iii族氮化物增强型hemt的制 备方法，包括如下步骤：
89.1)采用金属有机气相沉积(mocvd)的方法，在si《111》衬底101上沉积300nm aln/algan过渡层102，然后依次外延4μm c掺杂的al
0.07
ga
0.93
n高阻层103、150nm高质量低电 子浓度的非故意掺杂gan层104、20nm al组分从下至上(所述的从下至上是指沿该层的厚度方 向自下至上，其中的“下”是指靠近非故意掺杂gan层104的一侧)由30％渐变至0％并将平均 al组分控制在20％左右的algan势垒层105a、70nm mg掺杂浓度均匀在(2-3)
×
10
19
cm-3
的p型 gan层106，50nm高质量、mg掺杂浓度降低至1
×
10
18
cm-3
的低掺杂浓度的p型gan层107；
90.2)采用光刻胶作为掩膜，在非故意掺杂的gan层107表面光刻图形，之后利用感应耦合等 离子体(icp)刻蚀法去除非栅极区域的低掺杂浓度的p-gan层107、均匀掺杂p-gan层106，使 刻蚀停止在al组分可变的algan势垒层105a，以恢复二维电子气；
91.3)采用丙酮等作为清洗剂清洗去除光刻胶，然后利用氢氟酸(hf)等去去除algan势垒 层表面的氧化层，并于在500℃、n2气氛下对外延结构进行快速退火处理以恢复algan/gan异 质结内的二维电子气；之后在栅极区域的低掺杂浓度p型gan层107上沉积ti/au作为栅极金属 108，退火后使栅极金属108与低掺杂p型gan层107形成稳定的栅接触，分别在源极区域、漏极 区域沉积ti/al/ti/au作为源极金属109、漏极金属110，退火后形成欧姆接触，从而形成iii族氮 化物增强型hemt器件。
92.采用i-v、i-t等方法对制备的器件进行栅极失效测试，推算得到栅极工作10年1％器件发生 失效的工作电压达7.5v；采用脉冲i-v法对所获iii族氮化物增强型hemt器件进行动态阈值电压 漂移测试，该器件的阈值电压电压漂移0.15v(常规器件两组数据分别为≤6.5v,≥0.4v)， 由此证实本发明制备的p型栅增强型hemt具有很高的栅极可靠性和稳定性。
93.实施例2
94.请参阅图2、图3和图4b，一种具有高可靠性和稳定性的iii族氮化物增强型hemt的制 备方法，包括如下步骤：
95.1)采用金属有机气相沉积(mocvd)等方法在si《111》衬底101上沉积300nm aln/algan 过渡层102，然后在aln/algan过渡层102上依次外延4μm c掺杂的al
0.07
ga
0.93
n高阻层103、150 nm高质量低电子浓度的非故意掺杂gan层104、10nmal组分均匀的al
0.25
ga
0.75
n势垒层105b，10nm al组分可变的algan势垒层105a(algan势垒层105a内的al组分从下至上由25％渐变至 0％，并将平均al组分控制在15％左右)、70nm mg掺杂浓度均匀在(2-3)
×
10
19
cm-3
的p型gan 层106、50nm高质量、非故意掺杂的gan层107；
96.2)采用光刻胶作为掩膜，在非故意掺杂的gan层107表面光刻图形，之后利用icp刻蚀等方 法去除非栅极区域的非故意掺杂的gan层107、p-gan层106，使刻蚀停止在al组分可
变algan势 垒层105a，以恢复二维电子气；
97.3)采用丙酮等有机清洗的方法去除光刻胶，然后利用氢氟酸(hf)等去去除algan势垒 层表面氧化层，在500℃、n2气氛下快速退火一段时间以恢复algan/gan异质结处的二维电子 气；之后在栅极区域沉积ti/au作为栅极金属108，退火后使栅极金属108与非故意掺杂的gan层 107形成稳定的栅接触，分别在源极区域、漏极区域沉积ti/al/ti/au作为源极金属109、漏极金 属110，退火后形成欧姆接触，从而形成iii族氮化物增强型hemt器件。
98.采用i-v、i-t等方法对制备的器件进行栅极失效测试，推算得到栅极工作10年1％器件发生 失效的工作电压达7.8v；采用脉冲i-v法对制备的iii族氮化物增强型hemt器件进行动态阈值电 压漂移测试，所获器件的阈值电压电压漂移0.12v(常规器件两组数据分别为≤6.5v,≥0.4 v)，由此证明本发明制备的p型栅增强型hemt具有很高的栅极可靠性和稳定性。
99.实施例3
100.请参阅图2、图3和图4c，一种具有高可靠性和稳定性的iii族氮化物增强型hemt的制 备方法与实施例2基本相同，不同之处在于：本实施例中al组分可变的algan势垒层105a为 p型半导体材料，并且所述al组分可变的algan势垒层105a仅分布在栅极区域。
101.实施例4
102.请参阅图5-8和图9a，一种具有高可靠性和稳定性的iii族氮化物增强型hemt的制备方 法，包括如下步骤：
103.1)采用金属有机气相沉积(mocvd)等方法在si《111》衬底201上沉积300nm aln/algan 过渡层202，然后在aln/algan过渡层202上依次外延4μm c掺杂的al
0.07
ga
0.93
n高阻层203、150 nm高质量低电子浓度的非故意掺杂gan层204、50nm al组分可变的algan势垒层205a，其 中，所述algan势垒层205a内的al组分沿其厚度方向从下至上由30％渐变至0％，且所述algan 势垒层205a的平均al组分为15％左右；
104.2)采用光刻胶作为掩膜，在algan势垒层205a表面光刻图形化后利用icp等刻蚀方法去除 栅极区域厚度为35nm的algan势垒层205a，以形成图形结构；之后采用湿法表面处理和 mocvd高温工艺对algan势垒层205a进行热处理，之后在algan势垒层205a上依次二次外延 70nm mg掺杂浓度均匀在(2-3)
×
10
19
cm-3
的p型gan层206、50nm高质量、mg掺杂浓度降低 至1
×
10
18
cm-3
的低掺杂浓度的p型gan层207；
105.3)采用光刻胶作为掩膜，在p型gan层207上光刻图形，之后利用icp刻蚀等方法去除非栅 极区域的低掺杂浓度的p-gan层207、均匀掺杂p-gan层206，使刻蚀停止在al组分可变algan势 垒层205a，以恢复二维电子气；
106.4)采用丙酮等作为清洗剂去除光刻胶；之后利用氢氟酸(hf)等去去除algan势垒层 205a表面的氧化层，在500℃、n2气氛下快速退火一段时间以恢复algan/gan异质结处的二维 电子气；
107.在栅极区域沉积ti/au作为栅极金属208，退火后使栅极金属208与低掺杂浓度p型gan层207 形成稳定的栅接触，分别在源极区域、漏极区域沉积ti/al/ti/au作为源极金属209、漏极金属 210，退火后形成欧姆接触，从而形成iii族氮化物增强型hemt器件。
108.采用i-v、i-t等方法对制备的器件进行栅极失效测试，推算得到栅极工作10年1％器件发生 失效的工作电压达7.5v；采用脉冲i-v法对制备的iii族氮化物增强型hemt器件
进行动态阈值电 压漂移测试，所获器件的阈值电压电压漂移0.16v(常规器件两组数据分别为≤6.5v,≥0.4 v)，由此可以证实本发明制备的p型栅增强型hemt具有很高的栅极可靠性和稳定性。
109.实施例5
110.请参阅图5-8和图9c，一种具有高可靠性和稳定性的iii族氮化物增强型hemt的制备方 法，包括如下步骤：
111.1)采用金属有机气相沉积(mocvd)等方法在si《111》衬底201上沉积300nm aln/algan 过渡层202，然后在aln/algan过渡层202上依次外延4μm c掺杂的al
0.07
ga
0.93
n高阻层203、150 nm高质量、低电子浓度的非故意掺杂gan层204、10nm al
0.2
ga
0.8
n势垒层205b、10nm gan势 垒层205d、25nm al
0.2
ga
0.8
n势垒层205c；
112.2)采用光刻胶作掩膜，在al
0.2
ga
0.8
n势垒层205c上光刻图形，利用icp刻蚀等方法在 al
0.2
ga
0.8
n势垒层205c表面的栅极区域刻蚀深度为30nm左右的栅槽，依次对外延结构的表面进 行hf酸洗、koh碱洗、hf酸洗，之后载入mocvd中，并在870℃、nh3气氛中热分解2min 后，在al
0.2
ga
0.8
n势垒层205c以及栅槽表面二次外延10nm al组分可变势垒层205a、70nm mg 掺杂浓度均匀在(2-3)
×
10
19
cm-3
的p型al
0.05
ga
0.95
n层206、50nm高质量、si掺杂浓度控制在约 2
×
10
17
cm-3
的低掺杂浓度的n型al
0.05
ga
0.95
n层207，其中，所述al组分可变势垒层205a内al组分 沿其厚度方向自下之上由20％渐变至5％；需要说明的是，al组分可变势垒层205a可以是沿栅槽 的内壁分布，即形成的al组分可变势垒层205a表面可以是形成有凹槽或其他图形结构的；
113.3)采用光刻胶作为掩膜，在n型al
0.05
ga
0.95
n层207光刻图形，利用icp刻蚀等方法去除非栅 极区域的n型al
0.05
ga
0.95
n层207、均匀掺杂的p型al
0.05
ga
0.95
n层206，使刻蚀停止在al组分可变 algan势垒层205a，以恢复二维电子气；
114.4)采用丙酮等作为清洗剂去除光刻胶；然后利用氢氟酸(hf)等去去除al组分可变势垒 层205a表面的氧化层，在500℃、n2气氛下快速退火一段时间以恢复algan/gan异质结处的二 维电子气；
115.在栅极区域沉积ti/au作为栅极金属208，退火后使栅极金属208与n型al
0.05
ga
0.95
n层207形 成稳定的栅接触，分别在源极区域、漏极区域沉积ti/al/ti/au作为源极金属209、漏极金属 210，退火后形成欧姆接触，从而形成iii族氮化物增强型hemt器件；
116.采用i-v、i-t等方法对制备的器件进行栅极失效测试，推算得到栅极工作10年1％器件发生 失效的工作电压达8.0v；采用脉冲i-v法对制备的iii族氮化物增强型hemt器件进行动态阈值电 压漂移测试，所获器件的阈值电压电压漂移0.15v(常规器件两组数据分别为≤6.5v,≥0.4 v)，由此证明本发明制备的p型栅增强型hemt具有很高的栅极可靠性和稳定性。
117.实施例6
118.请参阅图5-8和图9b，一种具有高可靠性和稳定性的iii族氮化物增强型hemt的制备方 法，包括如下步骤：
119.1)采用金属有机气相沉积(mocvd)等方法在si《111》衬底201上沉积300nm aln/algan 过渡层202，然后在aln/algan过渡层202上依次外延4μm c掺杂的al
0.07
ga
0.93
n高阻层203、150 nm高质量、低电子浓度的非故意掺杂gan层204、al均匀的algan势垒层205b；
120.2)采用光刻胶作掩膜，在algan势垒层205b上光刻图形，利用icp刻蚀等方法除去栅极区 域的algan势垒层205b依次对外延结构的表面进行hf酸洗、koh碱洗、hf酸洗，之后载入mocvd中，并在870℃、nh3气氛中热分解2min后，在algan势垒层205b以及栅极区域的非故 意掺杂gan层204表面二次外延al组分可变势垒层205a、70nm mg掺杂浓度均匀在(2-3)
ꢀ×
10
19
cm-3
的p型al
0.05
ga
0.95
n层206、50nm高质量、si掺杂浓度控制在约2
×
10
17
cm-3
的低掺杂浓 度的n型al
0.05
ga
0.95
n层207；其中，所述al组分可变势垒层205a内al组分沿其厚度方向自下之 上由20％渐变至5％，需要说明的是，al组分可变势垒层205a可以是沿algan势垒层205b、非故 意掺杂gan层204的表面分布，即形成的al组分可变势垒层205a表面可以是形成有凹槽或其他 图形结构的；
121.3)采用光刻胶作为掩膜，在n型al
0.05
ga
0.95
n层207光刻图形，利用icp刻蚀等方法去除非栅 极区域的n型al
0.05
ga
0.95
n层207、均匀掺杂的p型al
0.05
ga
0.95
n层206，使刻蚀停止在al组分可变 algan势垒层205a；
122.4)采用丙酮等作为清洗剂去除光刻胶；然后利用氢氟酸(hf)等去去除al组分可变势垒 层205a表面的氧化层，在500℃、n2气氛下快速退火一段时间以恢复algan/gan异质结处的二 维电子气；
123.在栅极区域沉积ti/au作为栅极金属208，退火后使栅极金属208与n型al
0.05
ga
0.95
n层207形 成稳定的栅接触，分别在源极区域、漏极区域沉积ti/al/ti/au作为源极金属209、漏极金属 210，退火后形成欧姆接触，从而形成iii族氮化物增强型hemt器件。
124.采用i-v、i-t等方法对制备的器件进行栅极失效测试，推算得到栅极工作10年1％器件发生 失效的工作电压达8.2v；采用脉冲i-v法对制备的iii族氮化物增强型hemt器件进行动态阈值电 压漂移测试，所获器件的阈值电压电压漂移0.12v(常规器件两组数据分别为≤6.5v,≥0.4 v)由此证明本发明制备的p型栅增强型hemt具有很高的栅极可靠性和稳定性。
125.需要特别说明的是，本发明实施例中的al组分可变势垒层(105a、205a)的al组分变化 方式可以为：i)渐变式：包括线性渐变和非线性渐变；ii)阶跃式：包括等组分阶跃和非等组 分阶跃；低掺杂浓度的(al)gan层(107、207)的掺杂可以为：i)p型，表层mg的掺杂浓 度不超过5
×
10
18
/cm3；ii)u型，即非故意掺杂，可以是生长过程中关断mg源的结果；也可以 是p型gan层生长停顿一段时间后再次生长的非故意掺杂层；iii)n型，si的掺杂浓度不超过 5
×
10
17
/cm3。
126.对比例1
127.请参阅图4d，一种iii族氮化物增强型hemt的制备方法与实施例2基本相同，不同之处 在于：本实施例中势垒层仅有20nm、均匀al组分的algan 105b层，其中的al含量为0.2。
128.采用i-v、i-t等方法对制备的器件进行栅极失效测试，根据结果推算得到栅极工作10年 1％器件发生失效的工作电压达7.41v；采用脉冲i-v法对制备的iii族氮化物增强型hemt器 件进行动态阈值电压漂移测试，阈值电压电压漂移0.65v。
129.对比实施例1或实施例2可以发现：单一改进p-gan表层受主掺杂浓度，栅极工作电压较 常规器件(≤6.5v)有大幅提升，表明栅极寿命延长，但阈值电压漂移(常规器件≥0.4v)并 未得到改善。
130.对比例2
131.请参阅图4e，一种iii族氮化物增强型hemt的制备方法与实施例2基本相同，不同之处 在于：本实施例中无50nm p型gan 107层，取而代之的是120nm的mg掺杂浓度为(2-3)
ꢀ×
10
19
cm-3
的p型gan 106层。
132.采用i-v、i-t等方法对制备的器件进行栅极失效测试，根据结果推算得到栅极工作10年 1％器件发生失效的工作电压为6.02v；采用脉冲i-v法对制备的iii族氮化物增强型hemt器 件进行动态阈值电压漂移测试，阈值电压电压漂移0.17v。
133.对比实施例1或实施例2可以发现：单一改进algan层能带结构，栅极阈值电压漂移0.17 v较常规器件(≥0.4v)有大幅提升，但栅极工作电压(常规器件≤6.5v)并未得到提升，即 栅极寿命没有延长。
134.本发明实施例提供一种新型的具有高可靠性和稳定性的iii族氮化物增强型hemt及其制 备方法，在p-gan层(即第一半导体)上方增加一层低掺杂浓度的(al)gan层(即第二半导 体)，以降低金属/半导体构成结的结区电场强度，同时可通过改变mocvd生长条件提升表层 半导体的晶体质量，最终达到高质量金属/半导体肖特基结的制备，提高器件栅极使用寿命等性 能；以及，本发明降低p-gan层下方algan势垒层中的al组分，或者，采用渐变al组分的势 垒层，实现p-gan/algan带阶差的减小甚至消除，从而减小动态开启过程中空穴在p
‑ꢀ
gan/algan界面的积聚效应，提升器件的动态稳定性和可靠性。
135.本发明同时在p-gan的上方增加一层低掺杂浓度的(al)gan层，并降低p-gan下方的 algan势垒层的低al组分或采用渐变al组分的势垒层，以综合改善p-gan栅极的使用寿命、 动态阈值电压稳定性和可靠性等。
136.本发明实施例提供的一种具有高可靠性和稳定性的iii族氮化物增强型hemt器件，通过 在栅下的p型半导体上增加一层低掺杂浓度的(al)gan层，从而提高了p型半导体的晶体质 量，降低了金属/半导体形成的肖特基结结区电场强度，减小该肖特基结的失效概率；同时，本 发明还在p型半导体下方的设置了可变al组分的algan势垒层，从而减小甚至消除了p
‑ꢀ
gan/algan之间的价带带阶差，克服了动态开启过程中因空穴在此处的积累而造成的阈值电压 漂移等可靠性问题；以及，本发明提供的iii族氮化物增强型hemt器件具有更高的栅极工作 寿命和更小的栅极动态阈值电压漂移，器件的可靠性可以得到大幅提升。
137.应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的 人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精 神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。