CN212033030U - 一种半导体器件及电子装置 - Google Patents

Abstract

本公开内容提供一种半导体器件，所述器件包括衬底；在所述衬底上形成的第一半导体层；在所述第一半导体层上形成的第二半导体层；所述第一半导体层具有比所述第二半导体层更小的禁带宽度；在所述第二半导体层上形成的第一电极，第二电极和第三电极；与所述第三电极对应的所述第一半导体层中具有强P‑型掺杂的第一区域，与所述第二电极对应的所述第一半导体层中具有弱P‑型掺杂的第二区域。本公开内容有助于实现如下效果之一：减小栅极漏电流，具有高阈值电压、高功率、高可靠性，能够实现低导通电阻和器件的常关状态，能够提供稳定的阈值电压，从而使得半导体器件具有良好的开关特性，在使用中更安全。

Description

一种半导体器件及电子装置

技术领域

本公开内容涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种半导体器件及电子装置。

背景技术

III族氮化物半导体是一种重要的新型半导体材料，主要包括 AlN、GaN、InN及这些材料的化合物如AlGaN、InGaN、AlInGaN等。 III族氮化物半导体由于具有直接带隙、宽禁带、高击穿电场强度、高饱和电子速度等优点，在发光器件、电力电子、射频器件等领域具有广阔的应用前景。

利用所述III族氮化物半导体的优点，通过器件结构与工艺的优化设计，来开发具有高耐受电压、高功率和低导通电阻等高性能的半导体器件是期望的。

发明内容

在下文中将给出关于本公开内容的简要概述，以便提供关于本公开内容某些方面的基本理解。应当理解，此概述并不是关于本公开内容的穷举性概述。它并不是意图确定本公开内容的关键或重要部分，也不是意图限定本公开内容的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

根据本公开内容的一方面，提供了一种半导体器件，其包括：一种半导体器件，其包括：衬底；所述衬底第一表面上的第一半导体层；所述第一半导体层的第一表面上的第二半导体层；所述第一半导体层具有比第二半导体层更小的禁带宽度；在所述第二半导体层上的第一电极、第二电极和第三电极；其中第一半导体层中还包括强P-型掺杂的第一区域，以及弱P-型掺杂的第二区域；所述第一区域位于第三电极下方，所述第二区域位于第二电极下方。

进一步的,所述衬底为蓝宝石、ZnO、SiC、AlN、GaAs、LiAlO、 GaAlLiO、GaN、Al2O3或单晶硅。

进一步的,所述第一半导体层为本征氮化物半导体层或非故意掺杂氮化物半导体层，所述本征氮化物半导体层或非故意掺杂氮化物半导体层平行于衬底的外延方向为[0001]方向。

进一步的,所述第二半导体层为AlN、AlGaN、InAlGaN、InAlN层。

进一步的,所述第一区域投影到衬底的区域位于第三电极投影到衬底的区域范围内。

进一步的,所述第一区域耗尽与所述第三电极投影区域重叠处 95％-100％的二维电荷载流子气。

进一步的,在所述第三电极的偏压为0时，对应于所述第三电极至少部分区域的二维电荷载流子气低于5E+11/cm2。

进一步的,所述第二区域二维电荷载流子气不低于2E+12/cm2。

进一步的,所述第一半导体层中第一区域与衬底平行的外延方向为[0001]方向,其横向外延方向为

进一步的,所述第一区域的掺杂浓度为1E18-5E19/cm3。

进一步的,所述第一区域包括单层结构或为大等于2的多个分立的层结构。

进一步的,所述多个分立的层结构是垂直衬底方向的分立的层结构或者平行衬底方向的分立的层结构。

进一步的,所述垂直衬底方向的分立的层结构在正投影上完全重叠；在正投影上不重叠；或者在正投影方向上部分重叠。

进一步的,所述分立的层结构之间紧密接触，或者所述分立的层结构之间具有一定的间隔。

进一步的,所述间隔由弱P-型掺杂区域构成的。

进一步的,所述第一区域是掺杂浓度渐变的层结构。

进一步的,所述第一区域的掺杂浓度从第一区域中心向平行衬底的两边渐变，或者所述第一区域的掺杂浓度是从第一区域中心向垂直衬底的两边渐变，或者所述第一区域的掺杂浓度是单边渐变。

进一步的,所述第一区域的厚度范围大于0小等于第一半导体层的厚度。

进一步的,所述第二区域的厚度范围大于0小等于第一半导体层的厚度。

进一步的,所述第一半导体层具有与所述衬底第一表面相对的第二表面以及具有背离衬底第一表面的第一表面，所述第一区域具有与所述第一半导体层的第一表面相对的第二表面，具有背离所述第一半导体层的第一表面的第一表面，所述第一区域还具有与所述第一区域的所述第一和第二表面连接的第三表面，所述第一区域的第三表面与所述第三半导体层的第二表面形成大于30度小等于90度的角度。

进一步的,所述第一区域的长度范围为0.01-10微米，厚度为 0.01-10微米。

进一步的,所述第一半导体层的所述第二区域从与所述第二电极的投影区域重叠的区域处沿着平行于所述二维电荷载流子移动的方向向两端延伸。

进一步的,所述第一区域与所述第二区域相互连接。

进一步的,所述第二区域中包括一缓冲结构；或者所述第二区域中包括一强P-型掺杂的第三区域；或者所述第二区域中包括一强P- 型掺杂的第三区域且所述第三区域内包括一缓冲结构。

进一步的,所述第一半导体层和所述第二半导体层之间还具有第三半导体层。

进一步的,所述第一半导体层和所述衬底之间还具有所述第四和 /或第五半导体层。

进一步的,所述第五半导体层为III族氮化物缓冲层，所述第四半导体层为氮化物半导体层。

进一步的,所述第四半导体层中对应于第二电极的下方具有弱P- 型掺杂的第四区域，第四半导体层中对应于第三电极的下方具有强 P-型掺杂的第三区域。

进一步的,所述第四半导体层中对应于第二电极的下方具有弱P- 型掺杂的第二区域以替代第一半导体层中的第二区域，第四半导体层中对应于第三电极的下方具有强P-型掺杂的第一区域以替代第一半导体层中的第一区域。

进一步的,所述第二电极包括与二维电子气欧姆接触的金属；或者所述第二电极包括与二维电子气欧姆接触的金属以及与所述第二区域欧姆接触的掺杂区域；所述第二电极形成与二维电子气欧姆接触的金属元素和与所述第二区域欧姆接触的掺杂元素是相同的；或者所述第二电极形成与二维电子气欧姆接触的金属元素和与所述第二区域欧姆接触的掺杂元素是不同的。

进一步的,还包括在所述第一半导体层和所述衬底之间形成的第一绝缘层，所述第一绝缘层内具有籽晶层，所述籽晶层位于所述第二电极的下方。

进一步的,在所述第二半导体层和所述第三电极之间还具有第二绝缘层。

进一步的,所述第二绝缘层为二氧化硅、氮化硅和/或Al2O3。

进一步的,所述第二区域具有与其相连的第四电极。

进一步的,所述衬底具有与其第一表面相对的第二表面，所述衬底的第二表面处形成与所述第二区域相连的第四电极；或者所述第二区域沿着垂直二维电荷载流子气流动的方向延伸，在未被第二电极投影覆盖的位置处形成与所述第二区域相连的第四电极。

根据本公开内容的另一方面，提供了一种半导体器件制造方法，所述半导体器件制造方法包括：一种半导体器件的制造方法，包括：步骤100:提供一衬底；步骤200:在所述衬底的第一表面上形成第一半导体层；步骤300:在所述第一半导体层中形成强P-型掺杂的第一区域和所述弱P-型掺杂的第二区域；步骤400:在所述第一半导体层的第一表面上形成第二半导体层；所述第一半导体层与所述第二半导体层之间产生二维电荷载流子气；步骤500:形成具有和二维电荷载流子气欧姆接触的第一电极和第二电极，以及形成位于第二半导体层第一表面一侧的第三电极；其中所述第一区域位于第三电极下方，所述第二区域位于第二电极下方。

根据本公开内容的另一方面，提供一种电子装置，其包括本公开内容中所述的半导体器件。

本公开内容的方案至少能有助于实现如下效果之一：所述半导体器件能够减小栅极漏电流，具有高阈值电压、高功率、高可靠性，能够实现低导通电阻和器件的常关状态，能够提供稳定的阈值电压，从而使得半导体器件具有良好的开关特性，在使用中更安全。

附图说明

参照附图下面说明本公开内容的具体内容，这将有助于更加容易地理解本公开内容的以上和其他目的、特点和优点。附图只是为了示出本公开内容的原理。在附图中不必依照比例绘制出单元的尺寸和相对位置。在附图中：

图1示出了根据第一实施方案的半导体器件结构的示意性横截面视图；

图2a-图2c示出了根据第一实施方案的半导体器件结构变形例的示意性横截面视图；

图3示出了根据第一实施方案的半导体器件结构变形例的示意性横截面视图；

图4示出第一实施方案中半导体器件能带图；

图5示出了根据第一实施方案的半导体器件结构变形例的示意性横截面视图；

图6示出了根据第二实施方案的半导体器件结构的示意性横截面视图；

图7示出了根据第三实施方案的半导体器件结构的示意性横截面视图；

图8示出了根据第四实施方案的半导体器件结构的示意性横截面视图；

图9示出了根据第五实施方案的半导体器件结构的示意性横截面视图；

图10示出了根据第六实施方案的半导体器件结构的示意性横截面视图；

图11示出了根据第七实施方案的半导体器件结构的示意性横截面视图；

图12-图26示出了第八实施方案的半导体器件制作方法的示意性横截面视图；

图27示出了第九实施方案的半导体器件制作方法的示意性横截面视图；

图28示出了第十实施方案的半导体器件制作方法的示意横截面视图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本公开内容的示例性公开内容进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际本公开内容的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际本公开内容的过程中可以做出很多特定于本公开内容的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着本公开内容的不同而有所改变。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本公开内容，在附图中仅仅示出了与根据本公开内容的方案密切相关的装置结构，而省略了与本公开内容关系不大的其他细节。

应理解的是，本公开内容并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。本文中，在可行的情况下，不同实施方案之间的特征可替换或借用、以及在一个实施方案中可省略一个或多个特征。

具体地，本公开内容的半导体器件为化合物半导体器件。进一步地，所述化合物半导体器件为包含氮化物半导体材料的化合物半导体器件，也称为氮化物半导体器件。所述氮化物半导体器件包括其中使用氮化物半导体材料的场效应晶体管。更进一步的，所述场效应晶体管是包含GaN半导体材料的GaN场效应晶体管。特别的，所述GaN场效应晶体管是常闭的晶体管GaN-HEMT。

第一实施方案

参照图1来描述根据第一实施方案的半导体器件。

如图1所示，在第一实施方案中，所述半导体器件，示例性的如常闭的晶体管GaN-HEMT，包括衬底100，所述衬底100的材质可以根据实际需要选取，本实施方案中并不限制衬底100的具体形式。可选的，所述衬底100可以是蓝宝石、ZnO、SiC、AlN、GaAs、LiAlO、GaAlLiO、 GaN、Al2O3或单晶硅等；进一步的，所述衬底100可以是(0001) 面的Al2O3；进一步的所述衬底100可以是(111)面的硅衬底。在衬底100第一表面1001上形成的第一半导体层105，可选的，所述第一半导体层105为GaN层。进一步的，所述第一半导体层105为本征GaN层(i-GaN)或非故意掺杂GaN层。所述第一半导体层105具有与所述衬底100第一表面1001相对的第二表面1052以及具有背离衬底100第一表面1001的第一表面1051。所述GaN层的平行衬底的外延方向大致平行[0001]取向。

在所述第一半导体层105的第一表面1051上形成第二半导体层 106。第一半导体层105具有比第二半导体层106更小的禁带宽度，从而在第一半导体层105和第二半导体层106之间形成二维电荷载流子气，例如2DEG。所述第二半导体层106具有与所述第一半导体层 105的第一表面1051相对的第二表面1062以及具有背离所述第一半导体层105第一表面的第一表面1061。可选的，所述第二半导体层 106为AlGaN、InAlGaN、InAlN层等。

在所述第二半导体层106上形成的第一电极107，第二电极108 和第三电极109。所述第一电极107可为漏极与所述二维电荷载流子气形成的欧姆接触，所述第三电极109可为栅极，其与所述第二半导体层形成肖特基接触以减少关态漏电流，所述第二电极108为源极与所述二维电荷载流子气形成的欧姆接触。可以明确的是，第一电极107和第二电极108也可以是所述器件相应的一掺杂区域(漏极区域) 和另一掺杂区域(源极区域)。

所述第一半导体层105区域包括强P-型掺杂的第一区域1053，所述第一区域1053在衬底上投影区域落在第三电极109在衬底上投影区域的范围内。所述强P-型掺杂的第一区域的掺杂浓度示例性的为1E18-5E19/cm3，更进一步的，所述强P-型掺杂的第一区域1053平行于所述二维电荷载流子移动方向的长度范围大于0小等于第三电极109的长度(即小等于栅长)，所述强P-型掺杂的第一区域1053 的掺杂浓度可以是沿着所述长度方向的单边渐变，也可以是以所述长度的中心沿着两边的双边渐变。所述强P-型掺杂的第一区域1053的厚度范围大于0小等于第一半导体层105的厚度。所述强P-型掺杂的第一区域1053可以是由沿着所述长度方向大于2的多个分立的层构成的区域如图2a所示，也可以是沿着所述第一半导体层厚度方向上大于2的多个分立的层构成的区域如图2b-2c所示。所述沿着所述第一半导体层厚度方向分立的层之间可以在正投影上重叠，也可以在正投影上不重叠。所述分立的层之间可以具有间隔，也可以不具有间隔。具有间隔的所述分立的层之间可以是弱P-型掺杂区域。更进一步的，所述强P-型掺杂的第一区域1053除了位于所述第一半导体层105与第三电极109的投影区域重叠的范围内，还可以从所述重叠的范围内沿着垂直于所述二维电荷载流子移动的方向向两端延伸。

所述第一半导体层105中还包括从与第二电极108的投影区域重叠的区域沿着平行于所述二维电荷载流子移动的方向向两端延伸的弱P-型掺杂的第二区域1054，所述第二区域1054与所述第一区域 1053连接。所述第二区域的厚度范围大于0小等于第一半导体层105 的厚度。所述第二区域1054的示例性掺杂浓度<5E18/cm3,例如 1E18/cm3,5E17cm3等。在上述半导体器件(HEMT)中，第一区域1053 中的强P-型掺杂和第二区域1054中的弱P-型掺杂是相对的，与第一半导体层105和第二半导体层106之间形成的二维电荷载流子气有关。当第一半导体层105和第二半导体层106界面处本征二维电荷载流子气浓度越高，强P-型掺杂所对应的掺杂浓度也越高，进而弱P-型掺杂所对应的掺杂浓度也可以较通常情况相对提高。反之，本征二维电荷载流子气浓度越低，强P-型掺杂所对应的掺杂浓度也越低，进而弱P-型掺杂所对应的掺杂浓度也可以较通常情况相对降低。在同一器件中，强P-型掺杂的掺杂浓度示例性的可以为弱P-型掺杂的掺杂浓度的2倍以上。

如图3所示，所述第二电极108可以与所述弱P-型掺杂的第二区域1054形成欧姆接触，从而使得所述强P-型掺杂的第一区域1053 的电势通过所述弱P-型掺杂的第二区域1054与所述第二电极108联通。进一步的，所述第二电极108上形成与二维电荷载流子气欧姆接触的金属元素和与所述弱P-型掺杂的第二区域1054欧姆接触中的掺杂元素可以是相同的，也可以是不同的。

由于第一半导体层的所述第一区域1053具有较低的费米能级，可以耗尽位于其上方的二维电荷载流子，进而导致所述器件具有较高的阈值电压和器件的常闭状态。所述第一区域1053的设置，如其厚度，长度，宽度，P-型掺杂浓度的多少等可以通过器件参数设置以满足耗尽其上方95％-100％的二维电荷载流子即可，示例性的，第三电极下面至少部分区域的二维电荷载流子气在栅偏压为0时小于 5E12/cm2。设置在栅长范围内所述第一区域1053，能快速耗尽二维电荷载流子气，进而更能提升其性能参数，进而导致所述器件具有更低的导通电阻和良好的开关特性。

所述第一半导体层的所述第二区域1054具有较低的P-型掺杂，以保护所述区域的二维电荷载流子气仍保持较高的浓度，示例性的，所述第二区域的设置，如其厚度，长度，宽度，P-型掺杂浓度的多少等可以通过器件参数设置以满足小于耗尽其上方80％的二维电荷载流子气即可。示例性的，所述区域的二维电荷载流子气的浓度不低于 2E12/cm2。

进一步的，所述第一区域1053具有与所述衬底的第一表面相对的第二表面，具有背离所述衬底第一表面1001的第一表面。所述第一区域1053还具有连接所述第一区域的所述第一和第二表面的第三表面(如侧平面)。所述第一区域的第三表面与所述第一区域的第二表面形成一夹角C。所述夹角C可在30到90度之间。

可选的，所述第一区域的横向生长方向为[112-0]，但可以理解的是，其仅为示例性描述。

进一步的，所述器件的阈值电压可以通过所述第一区域1053的掺杂元素、掺杂浓度、所述第一区域1053与所述第二半导体层106 的距离的设置、所述第一区域1053的宽度、栅电极材料以及所述第二半导体层106的组分和厚度进行控制。优选的所述第一区域1053的掺杂浓度约为1E+18-5E+19/cm3，例如约1E+18/cm3，约1E+19/cm3，约5E+19/cm3等，第三电极材料可为TiN、Ni、ITO、Au等，所述第一区域1053的长度约为0.01-10微米，厚度约为0.01-10微米。所述第一区域的长度(即沿着电荷载流子流动方向的长度)，示例性的，可以通过横向外延时精确控制外延时间等工艺参数，实现很薄的宽度控制。由于耗尽区的电阻通常相对较高，所以降低这部分的宽度可以有效降低所述器件的开态电阻，同时也有利于缩小器件的尺寸、提高晶圆的面积利用率。

附图4为所述半导体器件的能带图。本公开内容中，所述第一区域1053设置在第三电极下方时，半导体器件的耗尽层较窄，对二维载流子电荷的耗尽快，能有效实现所述半导体器件中第三电极对应处 (栅堆垛)二维电子气耗尽的可控性；而偏离第三电极设置第一区域时，会耗尽第三电极对应处(栅堆垛)以外的二维电子气且无法受到所述第三电极的控制，从而导致所述半导体器件开态电阻显著增大甚至无法开启。

进一步的，在所述第一半导体层105和所述第二半导体层106之间还可以具有第三半导体层。示例性的，所述第三半导体层可以是 AlN层，所述第三半导体层可以减少杂质散射等效应，提高沟道内电子的迁移率。

进一步的，在所述第一半导体层和所述衬底100之间还可以具有第四和/或第五半导体层。示例性的，所述第五半导体层可以是III 族氮化物缓冲层，第四半导体层112可以是氮化物半导体层，如AlN 层。

进一步的，如图5所述在第四半导体层112中可以形成所述弱 P-型掺杂的第四区域1122和所述强P-型掺杂的第三区域1121。

当具有第四半导体层时，由于第一半导体层105内为本征半导体 (例如i-GaN)或非故意掺杂半导体，因此大幅降低了沟道处的离子散射，提高了器件的性能。

所述半导体器件结构，避免了在第二半导体层的第一表面上形成所述第一绝缘层105后，再生长如P-GaN的半导体层时,使得P-GaN 半导体层的晶体质量和电学性能都较差。所述半导体器件结构能够在制作沟道过程中或制作沟道之前得到高质量的P-GaN半导体层，进而能够在栅电极不加偏压的情况下器件关闭，没有电流或只有很小的低栅漏电流，实现开态时较低导通电阻的可靠常闭型器件。

第二实施方案

参见图6，在第一实施方案的基础上，可以在所述衬底100和所述第一半导体层105之间形成第一绝缘层101，在所述位于第二电极 108下方的绝缘层中形成凹槽，槽内形成籽晶层102。所述籽晶层102 有助于形成低粗糙度和低位错密度的氮化物半导体层，此外位于第二电极108下方的籽晶层还有助于第一半导体层105或第四半导体层 112在横向外延时能对称外延生长，提高半导体层的生长质量并有效利用晶圆面积。

第三实施方案

参见图7，在第二实施方案的基础上，所述第一半导体层的所述弱P-型掺杂区中还可以具有一缓冲结构10541，所述缓冲结构10541 有助在选区/侧向外延时提高晶体质量。

第四实施方案

参见图8，在所述第二实施方案的基础上，所述第一半导体层的所述弱P-型掺杂的第二区域中还可以具有一强P-型掺杂的第三区域 10542，所述强P-型掺杂的第三区域10542有助提高后续的P-型欧姆接触质量和降低接触电阻。示例性的，上述强P-型掺杂的第三区域 10542的掺杂浓度可参照前述第一区域的掺杂浓度设置。

第五实施方案

参见图9，在所述第二实施方案的基础上，所述第一半导体层的所述弱P-型掺杂的第二区域中还可以具有一缓冲结构10541和一强 P-型掺杂的第三区域10542，所述缓冲结构有助在选区/侧向外延时提高晶体质量，所述强P-型掺杂的第三区域有助提高后续的P-型欧姆接触质量和降低接触电阻。

第六实施方案

参见图10，在所述第二实施方案的基础上，所述第二半导体层 106和所述第二电极108之间还可以具有第二绝缘层110，所述第二绝缘层110以是氮化硅。所述氮化硅层可有效保护所述第二半导体层表面，使得所述第二半导体层/所述第二绝缘层界面缺陷态较少，且所述第二绝缘层可以覆盖除第一和第二电极处的区域，也可以只形成在所述第三电极109处(即栅堆垛处)，作为第三电极的介质层(栅介质层)使用。所述第二绝缘层110在第三电极处109的设置，可以进一步降低第三电极109(栅极)的栅极关态漏电流，同时，所述第二绝缘层110的存在可以扩大所述第三电极109的电压范围，增强所述器件的可靠性。可以理解的是，所述第三电极处的绝缘层还可以是其他的栅极介质层，如二氧化硅、Al2O3等。

第七实施方案

参见图11，在所述第一实施方案的基础上，还可以具有与所述弱P-型掺杂区域接触的第四电极111。所述第四电极111从所述弱 P-型掺杂区域的任一侧引出。示例性的，其可从所述弱P-型掺杂区域侧面引出；也可以从所述弱P-型掺杂区域背离所述衬底第一表面的第一表面处引出；也可以从所述弱P-型掺杂区域面对所述衬底第一表面的第二表面处引出。从而可以独立控制所述第四电极111的电位，进而通过所述第四电极111将所述弱P-型掺杂区域与所述强P- 型掺杂区域电连接。

第八实施方案

现将参照图12-26来示例性描述用于制造第一实施方案的半导体器件的制造方法。提供一衬底100，衬底100材料的选取参见第一实施方案中的描述，在此不再赘述。

在衬底100上形成所述第一半导体层105(例如本征i-GaN或非故意掺杂的GaN层)。所述第一半导体层105的生长方法没有特殊限制，可以使用横向外延生长、氢化物气相外延法(HVPE)等。

在所述第一半导体层105上沉积形成第二半导体层106，可选的，所述第二半导体层106为AlGaN、InAlGaN、InAlN层等。可以明确的是，在形成所述第二半导体层106之前，还可以在所述第一半导体层 105上沉积形成第三半导体层。从而在所述第三半导体层与第一半导体层105，或所述第二半导体层106与所述第一半导体层105的界面处形成二维电荷载流子气。

在所述第一半导体层105中通过掺杂工艺形成强P-型掺杂的第一区域和所述弱P-型掺杂的第二区域。所述掺杂工艺可以是离子注入或扩散工艺，所述强P-型掺杂的第一区域的掺杂浓度范围，示例性的在1E18/cm3-5E19/cm3之间。示例性的，所述强P-型掺杂的第一区域1053沿着所述二维载流子电荷流动方向的长度可形成为约 3.5微米，所述强P-型掺杂的第一区域沿着垂直所述二维载流子电荷流动方向的厚度可形成为约0.79微米。

在所述第二半导体层上沉积形成一第二绝缘层，示例性的可以是 MOCVD形成的氮化硅层，所述第二绝缘层用于在随后的欧姆接触的退火期间保护下面的各结构层。所述第二绝缘层可以具有几-几百纳米的厚度，所述第二绝缘层可以与半导体器件的各结构层一起在原处外延生长。或者在所述第二半导体层生长前的其他所述半导体层外延生长后，将其移出外延设备进行工艺处理后，再和所述第二半导体层 106一起原处外延生长所述第二绝缘层。对所述第二绝缘层刻蚀露出所述第二半导体层或第一半导体层对应于各电极的部分，示例性的通过离子注入等掺杂工艺，在对应位置处形成N+掺杂的源漏区域的第一部分，再在露出的第二半导体层/第一半导体层上通过溅射、蒸发等工艺形成第一和第二电极的金属材料，随后刻蚀退火形成第一和第二电极(源/漏)欧姆接触的第二部分。其中所述第一部分的掺杂元素和第二部分的金属元素可以相同也可以不同。可以理解的是所述 N+掺杂的第一部分能提升欧姆接触性能，但所述第一部分不是必须的，制备中可以省略。然后再通过常规工艺在第二半导体层106上对应的第三电极处形成第三电极109，所述第三电极109可直接与所述第二半导体层106接触。

进一步的，在步骤200中横向外延的具体工艺为，步骤210：在衬底100的第一表面上沉积形成所述第一绝缘层101，所述第一绝缘层101覆盖所述衬底100的整个表面。去除所述第一绝缘层101的至少一部分，优选去除所述第一绝缘层101对应于后续形成第三电极107(源极)区域处的至少一部分，形成开口以暴露部分衬底100，然后通过沉积工艺在所述绝缘层开口处的衬底上沉积形成籽晶层102。述籽晶层和所述第一绝缘层各自具有与所述衬底100第一表面1001 相对的第二表面，以及与所述衬底100的第一表面相背离的第一表面。其中所述第一绝缘层101的材料并不作出限制。籽晶层的材料选择可作为所述第一半导体层105的生长核心的材料即可。

可替代的，步骤210’、在衬底100的第一表面上沉积形成籽晶材料，光刻刻蚀去除部分的籽晶材料以暴露所述衬底100的第一表面，从而使得保留的籽晶层作为所述第一半导体层105的生长核心。优选的，保留的籽晶层的区域对应于后续形成第二电极(源极)区域的区域处。然后再在所述衬底100的第一表面上沉积绝缘材料，全面覆盖所述衬底100和籽晶层，通过刻蚀或平坦化工艺露出所述籽晶层为止。所述籽晶层和所述第一绝缘层各自具有与所述衬底100第一表面相对的第二表面，以及与所述衬底100第一表面相背离的第一表面。

步骤220，在所述第二绝缘层和所述籽晶层的第一表面上，在所述第一绝缘层和/或所述籽晶层的第一表面上，以所述籽晶层为中心横向外延生长包括非故意掺杂氮化物半导体或本征氮化物半导体，通过控制其生长速率在所述氮化物半导体没有全面覆盖所述第一绝缘层和/或籽晶层时停止生长，形成所述第一半导体层的第一部分。可以理解的是，此步骤中可以通过调整掺杂浓度，对所述第一半导体层 105进行全面掺杂；或者先进行强P-型掺杂后再进行弱P-型掺杂；或者先形成未掺杂的结构后再进行弱P-型掺杂；以及还可以先形成未掺杂的结构后再进行强P-型掺杂，然后再进行弱P-型掺杂。

步骤230，以所述生长的第一半导体层的第一部分为核心，在其表面和侧面继续进行强P-型掺杂氮化物层的生长，在生长一定厚度的强P-型掺杂氮化物半导体层后，再继续生长包含低掺杂或非掺杂氮化物半导体层，所述低掺杂或非掺杂氮化物半导体层形成第一半导体层的部分连接区域，可以通过例如CMP或刻蚀等办法去除部分所述部分连接区域和所述强P-型掺杂氮化物半导体层，以暴露所述弱P- 型氮化物半导体掺杂层，使得形成的第一半导体层105包括了强P- 型掺杂区域1053和所述弱P-型掺杂区域1054，或者包括了强P-型掺杂区域1053和其内埋有缓冲层10541和或强P-型掺杂区域10542 的所述弱P-型掺杂区域1054。优选的，仅在与后续要形成的第三电极109正投影区域内形成所述强P-型氮化物半导体层。更具体而言，所述强/弱P-型掺杂氮化物层例如P-GaN，其横向生长方向是[112- 0]晶向，生长面可以是竖直的[112-0]面。示例性的，所述强P-型掺杂氮化物层的具体尺寸可以为长度约1微米，高度约2微米。对比 P-GaN横向生长方向取[101-0]晶向，其稳定的生长面为倾斜的[11- 01]面的情况，当横向生长方向为[112-0]晶向时，其横向生长速度较快，器件的性能更优异。其中去除步骤可以通过刻蚀或平坦化工艺去除部分连接区域和强P-型区域，以暴露所述弱P-型区域。可以理解的，可以在所述弱P-型层上保留极薄的所述强P-型层。也可以在保留所述弱P-型区域后，继续进行刻蚀或平坦化工艺以进一步去除部分的连接区域和强P-型区域和所述弱P-型区域。

可以理解的是，所述步骤230可以反复几次，以制备如附图中所述的分立的所述强P-型区域。

步骤240：以上述步骤230中形成的结构为成核中心，继续生长所述第一半导体层105，直到所述第一半导体层105全面覆盖所述第一绝缘层101和或所述籽晶层为止。继续生长的所述第一半导体层可以是弱P-型掺杂，或所述继续生长的所述第一半导体层可以是本征氮化物半导体层或非故意掺杂半导体层，从而完成连接区域的生长。示例性的可以通过刻蚀或平坦化工艺以使得连接区域、强P-型区域和所述弱P-型区域的第一表面共面。然后再依次形成第二半导体层 106，第二绝缘层110等结构层。可以明确的是，强P-型掺杂氮化物区域的生长的过程中可以通过控制工艺过程中P-型的掺杂浓度，实现如实施方案一中所述的具有单边或双边渐变掺杂的所述强P-型掺杂区域。这里不具体限制P-型掺杂的具体形式。

可以理解的是，在步骤500之前，还可以在所述第二半导体层上原位沉积形成全面覆盖所述第二半导体层的所述第二绝缘层，示例性的，所述第二绝缘层可以是氮化硅。

第九实施方案

可以理解的是，步骤120，在所述第二绝缘层和所述籽晶层的第一表面上，还可以如图21所示以所述籽晶层为中心横向外延形成所述第五半导体层112。随后以所述籽晶层为中心横向外延形成所述第五半导体层112中具有强P-掺杂区域1121和具有弱P-掺杂区域1122 的方法与前述形成所述第一半导体层105中具有强P-掺杂区域和具有弱P-掺杂区域的方法相同，在此不再赘述。然后再如实施方案八中所述依次形成第一半导体层105、第二半导体层106等其他结构，包括第五半导体层的示例性的结构如图27所示。

第十实施方案

在第八实施方案的基础上，在所述衬底的背面刻蚀形成直达所述弱P-型掺杂区域的通孔，在孔内沉积电极材料，刻蚀形成第四电极。

可替代的，参见图28，在所述钝化层的表面刻蚀形成直达所述弱P-型掺杂区域的通孔，在孔内沉积电极材料，刻蚀形成第四电极。

第十一实施方案

一种电源装置，包括上述实施方案中的半导体器件的任一种。电源装置包括有一次电路、二次电路和变压器等，其中一次电路和二次电路中均包括有开关元件，其中的开关元件采用包括上述实施方案中的半导体器件的任一种。

第十二实施方案

一种手机，包括上述实施方案中的半导体器件的任一种。手机包括显示屏，充电单元等，其中的充电单元包括上述实施方案中的半导体器件的任一种。

第十三实施方案

一种放大器，所述放大器可以用于移动电话基站等领域中的功率放大器，所述功率放大器可以包括上述实施方案中的半导体器件的任一种。

以上结合具体的实施方案对本公开内容进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本公开内容的保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本公开内容的精神和原理对本公开内容做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本公开内容的范围内。

Claims (32)

1.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括：

衬底；

所述衬底第一表面上的第一半导体层；

所述第一半导体层的第一表面上的第二半导体层；

所述第一半导体层与所述第二半导体层之间产生二维电荷载流子气；

在所述第二半导体层上的第一电极、第二电极和第三电极；

其中第一半导体层中还包括强P-型掺杂的第一区域，以及弱P-型掺杂的第二区域；所述第一区域位于第三电极下方，所述第二区域位于第二电极下方。

2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：其中所述衬底为蓝宝石、ZnO、SiC、AlN、GaAs、LiAlO、GaAlLiO、GaN、Al2O3或单晶硅。

3.如权利要求1或2所述的半导体器件，其特征在于：其中所述第一半导体层为本征氮化物半导体层或非故意掺杂氮化物半导体层，所述本征氮化物半导体层或非故意掺杂氮化物半导体层平行于衬底的外延方向为[0001]方向。

4.如权利要求1或2所述的半导体器件，其特征在于：其中所述第二半导体层为AlN、AlGaN、InAlGaN、InAlN层。

5.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：其中所述第一区域投影到衬底的区域位于第三电极投影到衬底的区域范围内。

6.如权利要求5所述的半导体器件，其特征在于：其中所述第一区域耗尽与所述第三电极投影区域重叠处95％-100％的二维电荷载流子气。

7.如权利要求5所述的半导体器件，其特征在于：其中在所述第三电极的偏压为0时，对应于所述第三电极至少部分区域的二维电荷载流子气低于5E+11/cm²。

8.如权利要求5所述的半导体器件，其特征在于：其中所述第二区域二维电荷载流子气不低于2E+12/cm²。

9.如权利要求3所述的半导体器件，其特征在于：所述第一半导体层中第一区域与衬底平行的外延方向为[0001]方向,其横向外延方向为

10.如权利要求5或6所述的半导体器件，其特征在于：所述第一区域包括单层结构或为大等于2的多个分立的层结构。

11.如权利要求10所述的半导体器件，其特征在于：所述多个分立的层结构是垂直衬底方向的分立的层结构或者平行衬底方向的分立的层结构。

12.如权利要求11所述的半导体器件，其特征在于：所述垂直衬底方向的分立的层结构在正投影上完全重叠；在正投影上不重叠；或者在正投影方向上部分重叠。

13.如权利要求10所述的半导体器件，其特征在于：所述分立的层结构之间紧密接触，或者所述分立的层结构之间具有间隔。

14.如权利要求13所述的半导体器件，其特征在于：所述间隔由弱P-型掺杂区域构成的。

15.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第一区域的厚度范围大于0小等于第一半导体层的厚度。

16.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第二区域的厚度范围大于0小等于第一半导体层的厚度。

17.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第一半导体层具有与所述衬底第一表面相对的第二表面以及具有背离衬底第一表面的第一表面，所述第一区域具有与所述第一半导体层的第一表面相对的第二表面，具有背离所述第一半导体层的第一表面的第一表面，所述第一区域还具有与所述第一区域的所述第一和第二表面连接的第三表面，所述第一区域的第三表面与所述第一区域的第二表面形成大于30度小等于90度的角度。

18.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第一区域的长度范围为0.01-10微米，厚度为0.01-10微米。

19.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第一半导体层的所述第二区域从与所述第二电极的投影区域重叠的区域处沿着平行于所述二维电荷载流子移动的方向向两端延伸。

20.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第一区域与所述第二区域相互连接。

21.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第二区域中包括一缓冲结构；或者所述第二区域中包括一强P-型掺杂的第三区域；或者所述第二区域中包括一强P-型掺杂的第三区域且所述第三区域内包括一缓冲结构。

22.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第一半导体层和所述第二半导体层之间还具有第三半导体层。

23.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第一半导体层和所述衬底之间还具有第四和/或第五半导体层。

24.如权利要求23所述的半导体器件，其特征在于：所述第五半导体层为III族氮化物缓冲层，所述第四半导体层为氮化物半导体层。

25.如权利要求24所述的半导体器件，其特征在于：所述第四半导体层中对应于第二电极的下方具有弱P-型掺杂的第四区域，第四半导体层中对应于第三电极的下方具有强P-型掺杂的第三区域。

26.如权利要求24所述的半导体器件，其特征在于：所述第四半导体层中对应于第二电极的下方具有弱P-型掺杂的第二区域以替代第一半导体层中的第二区域，第四半导体层中对应于第三电极的下方具有强P-型掺杂的第一区域以替代第一半导体层中的第一区域。

27.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第二电极包括与二维电子气欧姆接触的金属；或者所述第二电极包括与二维电子气欧姆接触的金属以及与所述第二区域欧姆接触的掺杂区域。

28.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：还包括在所述第一半导体层和所述衬底之间形成的第一绝缘层，所述第一绝缘层内具有籽晶层，所述籽晶层位于所述第二电极的下方。

29.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：在所述第二半导体层和所述第三电极之间还具有第二绝缘层。

30.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第二区域具有与其相连的第四电极。

31.如权利要求30所述的半导体器件，其特征在于：所述衬底具有与其第一表面相对的第二表面，所述衬底的第二表面处形成与所述第二区域相连的第四电极；或者所述第二区域沿着垂直二维电荷载流子气流动的方向延伸，在未被第二电极投影覆盖的位置处形成与所述第二区域相连的第四电极。

32.一种电子装置，其特征在于：包括权利要求1-31中任一项的半导体器件。

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