CN104916684B - 一种纵向短开启栅极沟道型hemt器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体器件领域，提供一种纵向短开启栅极沟道型HEMT器件及其制备方法，所述HEMT器件包括：衬底；位于衬底上的缓冲层；位于缓冲层上的第一GaN层，第一GaN层背离缓冲层的一侧具有凹槽；依次嵌入凹槽中的第二GaN层和第二势垒层；位于除凹槽以外的第一GaN层上的第一势垒层；位于第一势垒层和第二势垒层上的介质层；与第一GaN层接触的源电极和漏电极，且源电极和漏电极的侧面从下到上依次与第一势垒层和介质层接触；与介质层接触的栅电极。本发明能够获得HEMT器件的常关型操作模式，实现大阈值电压的同时有效减小器件的导通电阻，栅极结构还具有电容小，器件开关速度快等特点。

Description

一种纵向短开启栅极沟道型HEMT器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种纵向短开启栅极沟道型HEMT器件及其制备方法。

背景技术

功率开关器件在可再生能源发电和军用设施电力系统控制等众多领域具有广泛的应用前景。传统的硅基功率器件性能已经接近材料的理论极限。作为下一代宽禁带半导体材料的典型代表，氮化镓(GaN)具有大的带隙、高的临界击穿电场、高的饱和电子漂移速率和好的化学稳定性等特点。它的异质结构(以AlGaN/GaN为代表)界面存在大密度的界面极化电荷，可以诱导出高密度的二维电子气(2DEG)(＞10¹³cm^-2)作为导电沟道，并且由于GaN沟道材料无故意掺杂，电子在沟道内能够保持很高的迁移率(＞1000cm²V^-1s^-1)。因此，相对于Si和SiC等其他材料，GaN基材料功率器件具有更低的开关损耗和更优的频率特性，特别适合制作高电子迁移率晶体管(HEMT)。

功率开关器件按照器件导通时是否需要在栅极施加开启偏压分为常开型(耗尽型)和常关型(增强型)两种类型。常关型功率开关器件在栅极不施加偏压情况下，器件即处于关断状态，相对于常开型类型，常关型器件在实际应用中具有更安全、节能同时简化电路设计等方面优势，因此具有更加重要的研究价值和更加广阔的应用市场。GaN基异质结构(如AlGaN/GaN)界面由于存在高密度带正电的极化电荷，通过极化电场可以诱导材料中的电子并使之束缚在异质结构界面处，形成在二维平面运动的2DEG导电沟道。HEMT器件为了实现常关型操作，在实际器件制作过程中需要切断栅极下2DEG沟道，因此需要对栅极AlGaN势垒层进行额外的工艺加工。目前常规的方法都是基于削弱或者抵消异质结构界面处极化电荷所形成强电场的原理，主要的方案有栅极势垒层刻蚀形成凹槽栅和氟离子注入势垒层形成氟化栅两种方案。

图1a为现有技术一给出的HEMT器件的结构示意图。如图1a所示，AlGaN作为势垒层，AlGaN/GaN界面由于大量的带正电极化电荷而诱导高密度2DEG出现在该界面。2DEG沟道由于上面势垒层被直接刻蚀而切断，不平整的GaN刻蚀表面将作为器件开启的导电沟道。图1a示出的为栅极AlGaN势垒层刻蚀形成凹槽栅方案的器件，在器件制备过程中，直接刻蚀掉栅极AlGaN势垒层可以削弱原界面处极化电荷所形成的电场，可以切断2DEG沟道而达到常关型操作，但是，这种方法以不平整的栅极GaN刻蚀表面作为器件开启的导电沟道，器件的导通电阻一般比较大。图1b为现有技术二给出的HEMT器件的结构示意图。如图1b所示，栅极区域AlGaN势垒层通过氟离子注入而带负电从而排斥AlGaN/GaN界面处的2DEG，因此该方案可以使器件实现常关型操作。引入氟离子杂质的AlGaN/GaN界面沟道将作为器件开启的导电沟道。图1b示出的为氟离子注入势垒层形成氟化栅结构常关型GaN基HEMT器件，利用氟离子带负电荷形成的电场抵消原极化电荷形成电场，可以抑制2DEG在栅极区域的形成而达到常关型操作的目的。然而，注入到栅极区域的氟离子将有相当部分进入GaN材料中，由于散射明显，异质界面处的电子迁移率将明显降低，因此器件的导通电阻同样增大。另外，采取氟离子注入的方法还难以获得足够大而稳定的器件开启阈值电压。上述势垒层刻蚀和氟离子注入方案都容易造成栅极下面2DEG沟道界面的破坏和电子散射的增加，从而导致器件开启导通电阻变大，导通电流降低。

另一方面，上述两种传统的HEMT器件栅极结构一般是通过常规光学光刻来实现，栅极长度较大，一般在2～3μm范围，器件开关速度和导通电阻都受到影响。如何在常规的光学光刻工艺条件下有效减小HEMT器件的栅极控制沟道长度是个技术创新问题。

发明内容

本发明主要解决常关型HEMT器件中，现有AlGaN势垒层刻蚀或者氟离子注入形成的栅极结构技术方案，分别造成栅极下面用于电流输运的2DEG沟道界面的破坏和沟道内电子散射的增加，从而导致器件开启导通电阻变大，导通电流降低的技术问题，提出一种新型的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件及其制备方法，能够实现器件常关类型大阈值电压的同时有效减小器件的导通电阻。另外，制备的器件栅极结构还具有电容小，器件开关速度快等特点。

本发明提供了一种纵向短开启栅极沟道型HEMT器件，包括：

衬底；

位于所述衬底上的缓冲层；

位于所述缓冲层上的第一GaN层，所述第一GaN层背离缓冲层的一侧具有凹槽；

依次嵌入所述凹槽中的第二GaN层和第二势垒层，其中，第二GaN层和第二势垒层形成异质结；

位于除凹槽以外的第一GaN层上的第一势垒层，其中，第一GaN层和第一势垒层形成异质结；

位于所述第一势垒层和所述第二势垒层上的介质层；

与所述第一GaN层接触的源电极和漏电极，且所述源电极和漏电极的侧面从下到上依次与第一势垒层和介质层接触；

与所述介质层接触的栅电极。

进一步的，源电极和栅电极之间的距离为1至5μm，栅电极的长度为2至3μm，宽度为50至1000μm，栅电极和漏电极之间距离为3至30μm。

进一步的，所述第一势垒层的底面与第二势垒层的底面之间的距离为50至300nm。

进一步的，所述第二GaN层的厚度为50至200nm，所述第二势垒层的厚度为15至30nm。

进一步的，所述介质层的厚度为5至50nm。

对应地，本发明还提供了一种纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法，包括：

形成依次由衬底、缓冲层、第一GaN层和第一势垒层组成的叠层结构；

在所述叠层结构上形成深度为100至500nm的凹槽；

在所述凹槽中依次形成第二GaN层和第二势垒层；

在第一势垒层和第二势垒层的表面形成介质层；

形成与介质层接触的栅电极；

分别形成与第一GaN层接触的源电极和漏电极。

进一步的，所述形成依次由衬底、缓冲层、第一GaN层和第一势垒层组成的叠层结构，包括：

提供衬底；

在衬底上形成缓冲层；

在缓冲层上形成的第一GaN层；

在第一GaN层上形成第一势垒层。

进一步的，所述在叠层结构上形成深度为100至500nm的凹槽，包括：

在所述叠层结构上沉积掩膜层；

在所述掩膜层上刻蚀出窗口，进而刻蚀窗口以下的叠层结构，在叠层结构中刻蚀出100至500nm深度的凹槽。

进一步的，在所述凹槽中依次形成第二GaN层和第二势垒层，包括：

在凹槽的表面形成厚度为50至200nm的第二GaN层；

在第二GaN层上形成厚度为15至30nm的第二势垒层。

进一步的，在第一势垒层和第二势垒层的表面形成介质层，包括：

采用离子体增强化学气相沉积、脉冲激光沉积或者原子层沉积的方法形成厚度为5至50nm的介质层，其中，介质层的材料包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氧化铪。

本发明提供的一种纵向短开启栅极沟道型HEMT器件及其制备方法，能够实现GaN基材料HEMT器件大阈值电压常关型操作的同时有效降低器件的开启导通电阻，通过适当加深栅极凹槽深度(100～500nm)，因此避免了传统凹栅结构对AlGaN势垒层精确刻蚀的要求，然后在凹栅结构上二次外延生长AlGaN/GaN异质结构形成栅极2DEG沟道。使栅极主要导电沟道避开了常规的凹槽栅高散射刻蚀界面，利用新生成的高质量2DEG沟道导电。本发明HEMT器件的栅极有效控制沟道长度从传统的栅极底部横向的2～3μm缩短为纵向的50～300nm，大大减小栅极开启沟道的长度，因此器件栅极区域沟道电阻将大大降低，器件总导通电阻将明显减小。同时，由于器件源漏极间的2DEG沟道通过深刻蚀已经完全切断开，器件能实现大的阈值电压，获得稳定的常关型操作。因此本发明提出的新结构能同时实现常关型HEMT器件的大阈值电压和小导通电阻。另外，器件栅极结构开启沟道短，电容小，器件还具有开关速度快的特点。本发明栅极区域刻蚀较深，刻蚀深度不作精确要求，因此避免了传统凹槽栅结构对AlGaN势垒层刻蚀深度精确要求的难题。

附图说明

图1a-b为现有技术的HEMT器件的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的结构示意图；

图3a-b为本发明实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的仿真模拟性能结果图；

图4为本发明实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法的实现流程图；

图5a-e为本发明实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法对应的结构图。

图中附图标记指代的技术特征为：

1、衬底；2、缓冲层；3、第一GaN层；4、第一势垒层；5、介质层；6、第二GaN层；7、第二势垒层；8、栅电极；9、源电极；10、漏电极；11、掩膜层。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

图2是本发明实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的结构示意图。如图2所示，本发明实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件包括：

衬底1；

位于所述衬底1上的缓冲层2；

位于所述缓冲层2上的第一GaN层3，所述第一GaN层3背离缓冲层2的一侧具有凹槽；

依次嵌入所述凹槽中的第二GaN层6和第二势垒层7，其中，第二GaN层6和第二势垒层7形成异质结，其界面形成异质界面，异质结的横向界面处具有高密度2DEG；

位于除凹槽以外的第一GaN层3上的第一势垒层4，其中，第一GaN层3和第一势垒层4形成异质结，其界面形成异质界面，异质结的横向界面处具有高密度2DEG；

位于所述第一势垒层4和所述第二势垒层7上的介质层5，其中，第一势垒层4上的介质层和第二势垒层7上的介质层连通；

与所述第一GaN层3接触的源电极9和漏电极10，且所述源电极9和漏电极10的侧面从下到上依次与第一势垒层4和介质层5接触；

与所述介质层5接触的栅电极8，栅电极8位于凹槽中的介质层之上。

在本实施例中，源电极9和栅电极8之间的距离为3μm，栅电极8的长度为3μm，宽度为1000μm，栅电极8和漏电极10之间距离为5μm，栅电极8的长度为沿纸面水平方向，宽度为沿垂直纸面方向，源电极9和栅电极8之间的距离、栅电极8和漏电极10之间距离为栅极刻蚀凹槽边缘分别与两边源漏电极边缘之间的距离。在本实施例中第一势垒层4的底面与第二势垒层7的底面之间的距离分别选为100nm和150nm两种情况，第一势垒层4的底面与第二势垒层7的底面之间的距离即为栅极有效控制沟道的纵向长度。所述第二GaN层6的厚度为100nm，所述第二势垒层7的厚度为20nm。第一势垒层4和第二势垒层7可以是AlGaN，也可以是AlN、AlInN或者他们的组合。在本实施例中势垒层选为AlGaN，两层AlGaN材料中Al组分都为0.25。介质层的厚度为10nm。

图3a-b为本发明实施例提供的HEMT器件的仿真模拟性能结果图。所采用的软件是商业化器件仿真软件Sentaurus TCAD。仿真中器件结构尺寸如下：源电极9和栅电极8之间的距离为3μm、栅电极8的长度为3μm、宽度为1000μm、栅电极8和漏电极10之间距离为5μm、第一势垒层的底面与第二势垒层的底面之间的距离d_2DEG为100和150nm两种情况、第二GaN层的厚度为100nm、第二势垒层的厚度为20nm、两势垒层均为AlGaN材料，其中Al组分都为0.25、栅极介质层为10nm的Al₂O₃。

图3a为二次生长2DEG深度d_2DEG＝100nm或者150nm时器件的输出I_D～V_D曲线，V_GT为栅极输入驱动偏压，定义为栅极输入偏压V_G与器件阈值电压V_TH的差值，即V_GT＝V_G-V_TH。从图3a可以看出，本发明实施例中两个设计尺寸器件输出电流密度都比较大。对比二次生长2DEG深度d_2DEG＝100nm和150nm两种情况可以发现，由于其更短的纵向开启导通沟道，d_2DEG＝100nm的器件具有相对更高的输出电流密度，因此器件开启沟道的长度对器件输出性能具有明显的影响，该实验结果可以证明本发明专利提出的减小器件开启沟道长度技术设计的重要性。图3b为d_2DEG＝100nm或者150nm时器件的输出I_D～V_G曲线。从该图可以看出，本发明实施例中器件能获得大于+5V的阈值电压，器件能实现稳定的大阈值电压常关型操作。综合图3a和b结果可以证实本发明申请本实施例提供的器件能获得大阈值电压常关型操作的同时获得小的器件导通电阻，大的输出电流密度。

在上述方案中，GaN基材料HEMT作为平面器件，制作工艺相对简单，原材料又可以依托现在庞大的LED照明产业，从而减低成本，因此更容易实现大规模产业化。未来具有常关型操作特点的高性能低损耗GaN基材料功率开关器件将占据可观的市场份额。

需要说明的是，本发明实施例中AlGaN/GaN异质结材料可以延伸到AlGaAs/GaAs和AlGaAs/InGaAs等其他能产生2DEG的半导体异质结材料类型中；介质层5可以是任意单层或者多层栅极介质层材料，包括二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)、氧化铝(Al₂O₃)以及氧化铪(HfO₂)等；作为GaN表面的势垒层，第一势垒层4和第二势垒层7可以是AlGaN，也可以是AlN、AlInN或者他们的组合；衬底可以是Si、蓝宝石和碳化硅等。

本实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件，通过设置第二GaN层6和第二势垒层7，使第二GaN层6与第二势垒层7之间形成栅极2DEG沟道。在向栅电极施加大于阈值电压大小的正偏压时，大的栅极电场使第一GaN层3在靠近介质层5和第二势垒层7的纵向界面处感应出高密度的电子形成器件导通沟道，器件因而导通工作。因此，本发明利用栅极两侧短的纵向沟道来控制器件的开关，进而使器件的栅极有效控制沟道长度从传统的栅极底部横向的2～3μm缩短为现在纵向的50～300nm，从而有效减小器件的导通电阻。因为器件源级(Source)和漏极(Drain)之间导电沟道2DEG和栅极(Gate)2DEG沟道之间已经断开，器件能够实现大阈值电压的同时明显减小器件的导通电阻，制备的栅极结构还具有电容小，器件开关速度快等优点。另外，栅极区域刻蚀较深，刻蚀深度不作精确要求，因此避免了传统凹槽栅结构对AlGaN势垒层刻蚀深度精确要求的难题。

实施例二

图4为本发明实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法的实现流程图。如图4所示，本发明实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法包括：

步骤101，形成依次由衬底、缓冲层、第一GaN层和第一势垒层组成的叠层结构。

图5a是本发明实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法在本步骤中对应的结构图。参照图5a，形成依次由衬底1、缓冲层2、第一GaN层3和第一势垒层4组成的叠层结构。具体过程为：提供衬底1；在衬底1上形成缓冲层2；在缓冲层2上形成的第一GaN层3；在第一GaN层3上形成第一势垒层4。其中，第一GaN层3和第一势垒层4可形成异质结，本发明中的势垒层可以是AlGaN，也可以是AlN、AlInN或者他们的组合。在本实施例中势垒层选为AlGaN，AlGaN材料中Al组分为0.25。本步骤中的叠层结构可现场制备，也可直接采用生长好的2～8英寸衬底AlGaN/GaN外延片。

步骤102，在所述叠层结构上形成深度为100至500nm的凹槽。

图5b是本发明实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法在本步骤中对应的结构图。参照图5b，在叠层结构上形成深度为100至500nm的凹槽。首先，在所述叠层结构上制作器件台面后沉积掩膜层11。然后，在所述掩膜层11上刻蚀出窗口，进而刻蚀窗口以下的叠层结构，在叠层结构中刻蚀出100至500nm深度的凹槽，其中，凹槽的深度是从第一势垒层4的顶面到凹槽底。具体的过程为：采用离子体增强化学气相沉积设备(PECVD)在所述叠层结构上沉积一层厚度为100～300nm的SiO₂，后采用电子束蒸发系统(EB)相继沉积厚度为50～300nm的Ti以及厚度为30～100nm的Ni，形成双层金属，最后形成SiO₂/Ti/Ni复合的掩膜层11；在该掩膜层11上采用光刻工艺定义出长度为2～3μm的窗口，利用湿法腐蚀工艺去除该窗口对应的掩膜，接着利用优化的氯基等离子体干法刻蚀工艺ICP设备，对所述裸露的栅极叠层结构进行深度为100～500nm(从第一势垒层4顶面往下)的凹槽刻蚀；再利用硫酸和盐酸混合液小心清洗刻蚀表面，以减小刻蚀表面损伤。

步骤103，在所述凹槽中依次形成第二GaN层和第二势垒层。

图5c是本发明实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法在本步骤中对应的结构图。参照图5c，在所述凹槽中依次形成第二GaN层6和第二势垒层7，其中，第二GaN层6和第二势垒层7组成异质结。首先，在凹槽的表面形成厚度为50至200nm的第二GaN层6，然后，在第二GaN层6上形成厚度为15至30nm的第二势垒层7。具体过程为：将样品清洗后送入金属有机化合物化学气相淀积设备(MOCVD)反应室，以氢气(H₂)作为载体、氨气(NH₃)作为氮源、三甲基镓(TMGa)和三甲基铝(TMAl)分别作为镓源和铝源，在前述栅极凹槽GaN表面采用同质外延技术生长非故意掺杂的厚度为50～200nm的第二GaN层6，并继续在第二GaN层6上生长厚度为15～30nm的第二势垒层7(AlGaN层)，第二势垒层7中Al组分为0.15～0.3，二次生长AlGaN/GaN材料的反应室温度在1050～1100℃之间调节。AlGaN/GaN异质界面由于大的极化电荷诱导出高密度2DEG形成二次生长栅极沟道。

步骤104，在第一势垒层和第二势垒层的表面形成介质层。

图5d是本发明实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法在本步骤中对应的结构图。参照图5d，在第一势垒层4和第二势垒层7的表面形成介质层5。具体过程为：用缓冲氢氟酸溶液(BOE)去除SiO₂/Ti/Ni掩膜层11；可以采用离子体增强化学气相沉积(PECVD)、溅射(Sputter)、脉冲激光沉积(PLD)或原子层沉积(ALD)等方法沉积5～50nm单层或者多层高介电常数介质层结构，介质层材料可以是二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)、氧化铝(Al₂O₃)以及氧化铪(HfO₂)等。另外，为了提高二次生长2DEG沟道中电子浓度，可以通过增加AlGaN/GaN异质结界面处的应变来提高该界面的压电极化效应，从而提高栅极二次生长异质结界面处正极化电荷密度。例如，在生长介质层5之前，可以选择通过PECVD或者溅射等生长方法在第一势垒层4和介质层5的表面额外沉积一层厚度为10～30nm的硬膜，如类金刚石薄膜(DLC)或者氮化硅(Si₃N₄)薄膜，利用它们与AlGaN势垒层之间的应力增加AlGaN/GaN异质界面的正极化电荷，提高2DEG密度，从而进一步减小器件沟道的导通电阻。

步骤105，形成与介质层接触的栅电极。

图5e是本发明实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法在本步骤中对应的结构图。参照图5e，形成与介质层5接触的栅电极8。具体过程为：在上述介质层5表面采用光刻工艺定义出栅电极窗口，栅电极窗口盖过下面凹槽栅，窗口左右两边尺寸比下面凹槽栅边界各超出0.5μm；再利用电子束蒸发系统沉积Ni(50～150nm)/W(50～100nm)双层金属膜结构；最后经过金属剥离工艺形成栅电极结构。

步骤106，分别形成与第一GaN层接触的源电极和漏电极。

图2是本发明实施例提供的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法在本步骤中对应的结构图。参照图2，分别形成与第一GaN层3接触的源电极9和漏电极10。具体过程为：在上述结构表面采用光刻工艺定义出源级和漏极窗口，利用ICP设备刻蚀源漏极区域表面介质层和AlGaN势垒层，用电子束蒸发系统沉积Ti(40nm)/Al(100nm)/W(60nm)复合金属结构，最后经氮气中850℃温度30s时间退火形成良好的欧姆接触。

由于现有技术的AlGaN势垒层刻蚀和氟离子注入方案分别造成栅极下面用于电流输运的2DEG沟道界面的破坏和沟道内电子散射的增加，从而导致器件开启导通电阻变大，导通电流降低。另外，为了获得目标的大阈值电压常关型操作类型，势垒层刻蚀深度和氟离子注入剂量都要加强，从而导致器件大阈值电压和大导通电流两项主要指标要有所取舍，实际器件制作中需要选择一种折中的方案。因此，本发明技术提出的方案，通过二次生长栅极2DEG沟道使栅极开关控制沟道长度大为减小，再利用栅极两侧短的纵向沟道来控制器件的开关，因为器件源级和漏极之间导电沟道2DEG和栅极2DEG沟道之间已经断开，器件能够实现大阈值电压的同时达到明显减小器件的导通电阻的目的。本发明能够解决了传统凹栅结构方案中对AlGaN势垒层刻蚀深度精确要求的难题，制备出的栅极结构具有电容小，器件开关速度快等优点。另一方面，传统凹栅结构方案中对AlGaN势垒层刻蚀深度一般要求精确，这对实际工艺精度提出更高要求，本发明技术对栅极刻蚀深度精度无特别要求。制备的新栅极结构由于控制沟道较短，器件还具有电容小，器件开关速度快等优点。

本实施例提供的HEMT器件的制备方法，能够实现GaN基材料HEMT器件大阈值电压常关型操作的同时有效降低器件的开启导通电阻，通过适当加深栅极凹槽深度(100～500nm)，因此避免了传统凹栅结构对AlGaN势垒层精确刻蚀的要求，然后在凹栅结构上二次外延生长AlGaN/GaN异质结构形成栅极2DEG沟道。使栅极主要导电沟道避开了常规的凹栅高散射刻蚀界面，利用新生成的高质量2DEG沟道导电。本发明HEMT器件的栅极控制沟道从传统的横向的2～3μm长度直接缩短为纵向的50～300nm，大大减小栅极开启沟道的长度，因此器件栅极区域沟道电阻将大大降低，器件总导通电阻将明显减小。同时，由于器件源漏极间的2DEG沟道通过深刻蚀已经完全切断开，器件能实现大的阈值电压，因此本申请提出的新结构能同时实现常关型HEMT器件的大阈值电压和小导通电阻。另外，器件栅极结构开启沟道短，电容小，器件还具有开关速度快的特点。

需要说明的是，本实施例中GaN和AlGaN的生长方法可以是金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)，也可以是分子束外延(MBE)；介质层生长方法包括离子体增强化学气相沉积(PECVD)、溅射(Sputter)、脉冲激光沉积(PLD)以及原子层沉积(ALD)等。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种纵向短开启栅极沟道型HEMT器件，其特征在于，包括：

衬底；

位于所述衬底上的缓冲层；

位于所述缓冲层上的第一GaN层，所述第一GaN层背离缓冲层的一侧具有凹槽；

依次嵌入所述凹槽中的第二GaN层和第二势垒层，其中，第二GaN层和第二势垒层形成第二异质结，且所述第二异质结的横向界面处具有2DEG，凹槽两侧的侧壁上不形成第二GaN层和第二势垒层；所述第二GaN层的厚度为50至200nm，所述第二势垒层的厚度为15至30nm；

位于除凹槽以外的第一GaN层上的第一势垒层，其中，第一GaN层和第一势垒层形成第一异质结，且所述第一异质结的横向界面处具有2DEG；所述第一势垒层的底面与第二势垒层的底面之间的距离为50至300nm；

位于所述第一势垒层和所述第二势垒层上的介质层；所述介质层的厚度为5至50nm；

与所述第一GaN层接触的源电极和漏电极，且所述源电极和漏电极的侧面从下到上依次与第一势垒层和介质层接触；

与所述介质层接触的栅电极；源电极和栅电极之间的距离为1至5μm，栅电极的长度为2至3μm，宽度为50至1000μm，栅电极和漏电极之间距离为3至30μm。

2.一种权利要求1所述纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法，其特征在于，包括：

形成依次由衬底、缓冲层、第一GaN层和第一势垒层组成的叠层结构；

在所述叠层结构上形成深度为100至500nm的凹槽；

在所述凹槽中依次形成第二GaN层和第二势垒层；

在第一势垒层和第二势垒层的表面形成介质层；

形成与介质层接触的栅电极；

分别形成与第一GaN层接触的源电极和漏电极。

3.根据权利要求2所述的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法，其特征在于，所述形成依次由衬底、缓冲层、第一GaN层和第一势垒层组成的叠层结构，包括：

提供衬底；

在衬底上形成缓冲层；

在缓冲层上形成的第一GaN层；

在第一GaN层上形成第一势垒层。

4.根据权利要求2所述的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法，其特征在于，所述在叠层结构上形成深度为100至500nm的凹槽，包括：

在所述叠层结构上沉积掩膜层；

在所述掩膜层上刻蚀出窗口，进而刻蚀窗口以下的叠层结构，在叠层结构中刻蚀出100至500nm深度的凹槽。

5.根据权利要求2所述的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法，其特征在于，在所述凹槽中依次形成第二GaN层和第二势垒层，包括：

在凹槽的表面形成厚度为50至200nm的第二GaN层；

在第二GaN层上形成厚度为15至30nm的第二势垒层。

6.根据权利要求2所述的纵向短开启栅极沟道型HEMT器件的制备方法，其特征在于，在第一势垒层和第二势垒层的表面形成介质层，包括：

采用离子体增强化学气相沉积、脉冲激光沉积或者原子层沉积的方法形成厚度为5至50nm的介质层，其中，介质层的材料包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氧化铪。