一种大阈值电压的常闭型氮化镓集成器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种大阈值电压的常闭型氮化镓集成器件及其制备方法。

背景技术

随着半导体材料器件的飞速发展，第一代半导体材料以硅(Si)为代表，而90年代以后，第二代半导体砷化镓、磷化铟等具有高迁移率的半导体材料逐渐出现。在第二代半导体材料逐渐发展至接近其材料特性的极限之后，第三代新型宽禁带半导体材料应运而生，以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、金刚石为四大代表的第三代半导体材料开始初露头角。氮化镓(GaN)材料作为其典型代表，其具有宽带隙、高电荷密度、耐高压、高电子迁移率等优良特性成为制备大功率器件的首选材料，成为近年来半导体功率器件领域的研究方向。而在基于氮化镓的众多半导体功率器件中，氮化镓高电子迁移率晶体管凭借其高频特性受到广泛应用，基于AlGaN/GaN异质结构的高电子迁移率晶体管(HEMTs)具有优异的性能，被广泛应用于移动电话、卫星电视和雷达等领域中。

氮化镓具有如此广泛的应用领域和广阔的发展前景，氮化镓高电子迁移率晶体管的重要性不言而喻，对其更加良好的器件特性的需求也会越来越高。氮化镓HEMT的原理就是利用AlGaN和GaN构成的异质结构，在其异质结界面附近存在异常高浓度的二维电子气(2DEG)，在施加电场时2DEG可高效的传导电流是氮化镓HEMT的基础。GaN材料的高临界击穿电场以及2DEG的高迁移率和电子密度，使GaN基HEMTs相较于同类硅基产品来说，可以在更高的电压、电流、频率和温度条件下工作，由于AlGaN/GaN异质结界面处存在2DEG，使得HEMT在本质上是一种常开型器件。

然而，在电力电子应用中出于安全考虑以及为了简化电路，设计一种常闭型HEMT是非常必要的。图7中显示了铝镓氮势垒层厚度与铝的摩尔分数对器件类型的影响，是决定HEMT器件类型的两个重要参数，当铝镓氮势垒层的厚度提高时必须降低势垒层中的铝摩尔分数才可保证HEMT器件为常闭型。目前已经存在多种制备常闭型HEMT的方法，其中基于增强型氮化镓(p-GaN)栅极的HEMT器件是最有前途，也是最有可能应用于商业化的制备常闭型HEMT器件的方法。第一款商用AlGaN/GaN的HEMT增强型器件是通过在AlGaN势垒的顶部生长具有正电荷的p-GaN层来实现的。制备增强型氮化镓HEMT，就是要使HEMT在栅、源电压为零时导电沟道夹断，当施加正电压时导通；具有正电荷的p-GaN层产生的内建电压大于由AlGaN/GaN异质结压电效应产生的电压，如果没有外部施加的偏压，铝镓氮势垒层无法直接与金属栅极的能带相互作用，当势垒层与沟道接触时，p-GaN覆盖层下方的GaN沟道层中的导带会被抬高至费米能级之上，所以耗尽了栅极下面的2DEG，从而形成常闭型AlGaN/GaNHEMT结构。对于功率器件，阈值电压为施加到栅极和源极使器件传导电流所需的电压，常开型HEMT的阈值电压小于零，需要施加负的栅极电压才可使器件关断，这无疑增加了器件关断损耗；而常闭型HEMT具有正的阈值电压用于器件的开通。由于镁(Mg)是GaN或AlGaN中常用的参考p型掺杂剂，因为它在加入到氮化物晶格中以取代Ga时作为受体，但是Mg掺杂剂的电离能相对较高，在150-200 meV范围内，因此在p-GaN中很难获得较高的空穴浓度，常温下的空穴电离率很低，导致p-GaN栅极结构的HEMT器件阈值电压普遍只能达到1V左右，限制了阈值电压的提升，需要采用其他方法以提高器件的阈值电压。尽管目前大部分厂家所生产的常闭型GaN的HEMT器件的阈值电压能够达到2V，但是在工业应用中往往需要GaN的HEMT器件的阈值电压要达到3V以上，目前所生产的器件很难满足人们的需求。因此，如何有效地提升氮化镓HEMT器件地阈值电压是一个亟待解决的难题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种大阈值电压的常闭型氮化镓集成器件及其制备方法，以提高常闭型氮化镓集成器件的阈值电压，从而提高常闭型氮化镓集成器件的适用性。

技术方案：本发明所述的一种大阈值电压的常闭型氮化镓集成器件，所述集成器件包括自下而上依次层叠的碳化硅衬底层、氮化铝成核层、弛豫层A、弛豫层B、铝镓氮缓冲层、氮化镓沟道、铝镓氮势垒层；

所述铝镓氮势垒层表面两端设有源极和漏极，所述铝镓氮势垒层表面位于源极和漏极之间设有隔离的绝缘层A和绝缘层B；

所述绝缘层B表面设有栅极层A，且绝缘层A和栅极层A表面设有石墨烯薄膜电极；所述石墨烯薄膜电极表面左侧设有绝缘层C，所述绝缘层C表面设有栅极层B以及设于栅极层C上的铝电极层；

所述绝缘层A、绝缘层C以及栅极层B组成主栅极和所述绝缘层B、栅极层A组成的副栅极通过石墨烯薄膜电极连接形成串并联混合的双HEMT集成结构。

优选的，所述绝缘层A、绝缘层B及绝缘层C为六方氮化硼材料。

优选的，所述栅极层A、栅极层B为p型氮化镓材料。

优选的，所述弛豫层A为Al

优选的，所述绝缘层A与绝缘层B之间设有二氧化硅层。

优选的，施加于所述铝电极层上的电压大于2.5V时主栅极与石墨烯薄膜电极导通。

优选的，施加于所述铝电极层上的电压大于3.7V时主栅极通过石墨烯薄膜电极与副栅极导通。

一种常闭型氮化镓集成器件的制备方法，包括以下步骤：

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优选的，绝缘层的转移步骤如下：

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优选的，铝电极层的制备步骤如下：

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本发明的常闭型氮化镓HEMT集成器件的工作原理在于：

结晶GaN的天然结构为“纤锌矿”六方结构，这种结构的化学和力学稳定性强，所以可以承受高温而不会分解。纤锌矿晶体结构使得GaN材料具有压电特性，所以与硅材料或者碳化硅相比，GaN晶体管具有非常高的导电能力。GaN的压电效应主要是由晶格中带电离子的位移形成的，如果晶格受到应变，变形将引起晶格中原子的微小移动，这将产生电场，应变越强产生的电场越大。常开型氮化镓HEMT的结构如图8所示，通过在GaN晶体上生长铝镓氮势垒层，可以在界面处产生应变，这种应变将感应出二维电子气(2DEG)，在施加电场时，2DEG可以有效地传导电流，且2DEG具有较高的电导率，高浓度、高迁移率的电子是氮化镓HEMT的基础。常开型GaN晶体管的基本结构与其他功率晶体管一样，包括栅极(G)、源极(S)和漏极(D)，源极和漏极穿过顶部的AlGaN层与下面的2DEG形成欧姆接触，使得源极和漏极之间形成电流，当2DEG被耗尽时，半绝缘氮化镓缓冲层可以阻挡电流的流动。栅极位于AlGaN层的顶部，为了耗尽2DEG，当栅极施加相对于漏极和源极负电压时，2DEG中的电子被耗尽，这种类型的晶体管称为常开型高电子迁移率晶体管。

然而，在功率变换应用中，常开型器件使用起来很不方便，因为在功率变换器开启时，必须首先向功率器件的栅极施加负偏压，如果不施加负偏压，器件将会短路。然而，常闭型器件将不会受到这种限制，即使出现栅极零偏压情况，常闭型器件都是关断的，直到栅极施加正电压才会在源极和漏极之间形成电流。常闭型HEMT没有少数载流子传导，所以该集成器件工作类似于二极管，当取消栅极和漏极之间的正向偏压时，器件将立即关断。目前最主要的方法就是通过在铝镓氮势垒层的顶部生长具有正电荷的p-GaN栅极层来实现常闭型器件。本发明中也是利用生长p-GaN的方法制备常闭型氮化镓HEMT器件。图6是常开型HEMT与常闭型HEMT的能带对比示意图，p-GaN栅极层常闭型HEMT的导通过程大致可分为三个阶段来说明：第一阶段，当施加的栅极电压小于阈值电压时（0V<

本发明在上述原理的基础上，通过引入二维材料六方氮化硼的绝缘层A、绝缘层B和绝缘层C，在铝镓氮势垒层上以及p型氮化镓的栅极层B下方生长一层绝缘层C。当外部电路给栅极施加电压时，传统HEMT集成器件在电压约为1.8V时就会导通，然而本发明由于集成器件结构中绝缘层C的存在，外部电压在低于2.5V时都无法使得集成器件的主栅极侧导通，只有当施加到栅极的电压超过2.5V时，使得绝缘层C发生隧穿效应然后导通，电压才进入到绝缘层C下方的石墨烯薄膜电极中；同时由于石墨烯薄膜电极下方还有一层绝缘层A，使得电压并不会直接进入铝镓氮势垒层；然后电压沿着石墨烯薄膜电极传导到第二个HEMT结构(副栅极)的p-GaN栅极层A，由于经过第一个HEMT结构(主栅极)中六方氮化硼的绝缘层C的分压，此时施加的电压不足以使副栅极导通，因此需要进一步增大施加到栅极的电压，当施加给栅极的电压增大至3.7V时，主栅极与副栅极方可同时导通，此时集成器件才能完全导通。本发明提出的集成器件结构有效的利用了六方氮化硼的绝缘性，实现分压功能；此外由于六方氮化硼的隧穿效应，使得该材料在电压足够高时可以导通，使得HEMT器件可以正常工作；在此基础上通过特殊的设计将主栅极侧与副栅极侧以串并联混合方式连接形成双HEMT集成结构，进一步将集成器件阈值电压增大至约3.7V，满足了实际应用中的需要，而且本发明提出的结构中六方氮化硼与石墨烯材料的晶格匹配且制备工艺相近，降低了制备难度。此外，集成器件电容受到器件的宽度影响，而在本发明中具有两块p型氮化镓栅极层A、栅极层B，本发明的集成器件结构将栅极层面积微型化，可以增加器件的宽度，实现调控电容的功能，增强了器件的频率特性。由于集成器件阈值电压的提高，当施加到栅极的电压为低电压时，所产生的电压波动变化对器件的影响也会减少，即增强了器件对电压波纹的抗干扰能力。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下突出的优点：1、本发明采用二维新材料六方氮化硼制备的绝缘层，起到分压作用，增强了常闭型氮化镓HEMT结构的栅极耐压能力，提高了集成器件的阈值电压。2、利用六方氮化硼材料的绝缘层并通过石墨烯薄膜电极将两个HEMT结构以串并联混合的方式连接，形成双HEMT集成结构，进一步将常闭型氮化镓HEMT集成器件的阈值电压提高至3.7V。3、由于氮化镓HEMT器件阈值电压提升至3.7V，当外电路的电压低于该阈值电压并产生波动时，并不会对集成器件造成严重的影响，抗干扰能力得以提高。4、本发明形成的双HEMT集成结构，增加了集成器件的宽度，可以起到调控电容的作用，增强集成器件整体的频率特性。5、本发明利用石墨烯薄膜作为电极，该材料与六方氮化硼材料晶格匹配，具有良好的导电性，两种材料之间存在良好的互补性。

附图说明

图1为本发明的常闭型氮化镓HEMT集成器件的结构示意图；

图2为集成器件在外加栅极电压0<

图3为集成器件在外加栅极电压1.8V<

图4为集成器件在外加栅极电压2.5V<

图5为集成器件在外加栅极电压3.7V<

图6为常开型与常闭型HEMT的能带对比示意图；

图7为铝镓氮势垒层厚度与铝摩尔分数对集成器件影响的分布图；

图8为常开型氮化镓HEMT器件的结构示意图。

附图标记：1、碳化硅衬底层；2、氮化铝成核层；3、弛豫层A；4、弛豫层B；5、铝镓氮缓冲层；6、氮化镓沟道；7、铝镓氮势垒层；8、源极；9、漏极；10、绝缘层A；11、绝缘层B；12、二氧化硅层；13、栅极层A；14、石墨烯薄膜电极；15、绝缘层C；16、栅极层B；17、铝电极层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-5，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。。

如图1所示，本发明的一种大阈值电压的常闭型氮化镓集成器件，集成器件包括自下而上依次层叠的碳化硅衬底层1、氮化铝成核层2、弛豫层A 3、弛豫层B 4、铝镓氮缓冲层5、氮化镓沟道6、铝镓氮势垒层7；弛豫层A 3为Al

本发明的绝缘层A、绝缘层B和绝缘层C采用新型材料六方氮化硼(h-BN)，该材料不仅具有低密度、高熔点、低硬度、抗热振性和良好的机械加工性能等优点，而且有耐高温、热膨胀系数小、热导率高、介电常数低、电绝缘性能可靠等优异性能。六方氮化硼是一种白色的粉末状材料，其晶体结构与石墨非常相似，而且两者物理化学性质也较为相像，因此六方氮化硼也被称为“白色石墨”，在导热、润滑、储氢、电池隔膜材料、高温抗氧化涂层、催化等领域也都有着重要的应用。本发明以h-BN作为绝缘层状材料，具有良好的热稳定性和介电稳定性；在铝镓氮势垒层7表面与p-GaN的栅极层A 13、栅极层B 16下方引入h-BN的绝缘层A10、绝缘层B 11或绝缘层C 15，当栅极层外加电压较低时无法通过绝缘层材料；只有当外加偏压足够高时，h-BN的绝缘层才能发生隧穿效应，此时该绝缘层材料才会导通，集成器件方可正常工作。该方法可将氮化镓 HEMT器件的阈值电压提高一定程度，但难以将阈值电压提高至3V以上，仍需结合HEMT结构改进以进一步提高集成器件的阈值电压至3V以上。

众所周知，理论上两个HEMT集成器件串联在一起可以使得外加电压叠加提高，但是在氮化镓 HEMT器件中一般的串联方式是无法实现的，因为HEMT器件是通过使用两种具有不同能隙的材料形成异质结来为载流子提供沟道，而不像金属氧化物半导体场效应管那样，直接使用掺杂的半导体而不是结来形成导电沟道。另外，HEMT器件是一种三端电压控制器件而不是一般的两端电压控制器件，该器件有三个电极，分别是栅极、源极和漏极，所以氮化镓 HEMT器件结构之间的连接方式需要单独设计，否则HEMT器件无法正常工作以及实现完整的功能，更不能达成提升阈值电压的目的。本发明采用特殊结构的双HEMT集成结构，通过将石墨烯薄膜电极与六方氮化镓材料的绝缘层结合，在常规的HEMT结构的p型氮化镓的栅极层B 16下方生长两层绝缘层A 10和绝缘层C 15，而将石墨烯薄膜电极14一端插入到绝缘层C 15和绝缘层A 10之间，并且通过石墨烯薄膜电极14将p-GaN的主栅极与副栅极连接起来，由此实现两个HEMT器件之间特殊的串并联混合连接方式，进一步将氮化镓HEMT器件的阈值电压提高至3V以上。此外，采用六方氮化硼材料的绝缘层A 10、绝缘层C 15与石墨烯薄膜电极14具有类似性能，两种材料之间存在互补性。本发明的常闭型氮化镓集成器件具有较高的阈值电压以及良好的电学性能，有效的提高了氮化镓 HEMT的阈值电压，满足多种对高阈值电压氮化镓 HEMT器件的应用场景。

本发明的常闭型氮化镓HEMT集成器件的工作过程等效电路图如图2-5所示，所提出的集成器件结构中包含的六方氮化硼绝缘层A 10、绝缘层B 11和绝缘层C 15可等效为阻值较大的电阻，承担分压作用。如图2所示，当外电路施加在主栅极的栅极电压小于1.8V时，集成器件的栅极层B 16不能导通。如图3中，当外电路施加在主栅极电压大于1.8V小于2.5V时电压可导通栅极层B 16，但是由于所引入的绝缘层C 15的存在，导致外加电压无法通过该绝缘层C 15。如图4中，当外电路施加在主栅极电压提升至大于2.5V小于3.7V时，此时绝缘层C 15会发生隧穿效应，电压得以通过绝缘层C 15，使得主栅极侧导通，然而在电压通过石墨烯薄膜电极14流向栅极层A 13时，由于p型氮化镓栅极层A 13以及绝缘层B 11的分压作用，外加电压仍然不足以使得副栅极侧导通，因此集成器件仍然不能导通。如图5所示，当外电路施加在主栅极电压提升至大于3.7V时，使得主栅极侧与副栅极侧同时导通，由此集成器件完全导通，常闭型氮化镓集成器件的阈值电压得到了显著提高。

实施例1：

本发明的一种常闭型氮化镓集成器件的制备方法，包括以下步骤：

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实施例2：

本发明的一种常闭型氮化镓集成器件的制备方法，包括以下步骤：

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实施例3：

本发明的一种常闭型氮化镓集成器件的制备方法，包括以下步骤：

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以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。