CN114464677A - 一种增强型GaN基HEMT器件、其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强型GaN基HEMT器件、其制备方法与应用。所述HEMT器件包括外延结构，包括第一半导体层和设置在第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层之间形成有二维电子气；以及形成在所述第二半导体层上的源极、漏极和栅极，所述源极和漏极能够通过所述二维电子气电连接，所述栅极分布于源极和漏极之间；其中，在所述栅极和第二半导体层之间还设置有铁电层，所述铁电层由六方晶型的铁电材料形成，其至少用于耗尽所述栅极下方的二维电子气，从而实现HEMT器件增强型功能和阈值电压的调控。本发明中提供的一种结合六方晶型的铁电材料制备而成的增强型GaN基HEMT器件，阈值电压稳定性好，制备工艺简单。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种增强型GaN基HEMT器件、其制备方法与应用。
背景技术
相比于传统硅基材料，氮化镓(GaN)有着禁带宽度大、击穿场强高、介电常数低、电子饱和速度高和导通电阻低等优势。基于GaN材料的高电子迁移率晶体管(HMET)通过自发极化和压电极化产生高的二维电子气，已广泛应用于高功率电子器件、高频微波器件等领域。
传统的GaN基HEMT器件如图1所示，由于AlGaN/AlN/GaN界面处导带在费米能以下，具体参见图2所示，因此产生二维电子气，且所形成的二维电子气具有连续性，故该GaN基HEMT器件为耗尽型(D-mode)器件，器件为常开状况，即：栅极电压为0时器件处于导通状态，需要在栅极上施加负向偏压才能关断器件。然而，负栅压的电源设计增加了设计成本，同时增大了HEMT器件功率损耗，不利于器件的集成。从应用的安全操作和低功耗角度考虑，增强型(E-mode)HEMT器件具有更大的优势。
现有技术中，制备增强型HEMT器件的方式主要包括：p-GaN栅结构、凹栅结构、氟离子注入等。然而，上述方法均存在一定的缺陷，例如制备p-GaN栅结构的HEMT器件需要对几十纳米厚的p-GaN层进行刻蚀，对刻蚀表面粗糙度、均匀性、选择性等方面提出了挑战。此外如何实现GaN的高效p型掺杂也一直是领域的难题；凹栅结构的HEMT器件需要在栅极下方精准刻蚀一定的深度，对刻蚀精度要求较高，且这一步骤会带来等离子体损伤，影响器件输出功率和阈值电压的稳定性；F离子注入实现增强型HEMT器件会引入不可避免的材料损伤，并且阈值的可控性也较差，同时存在高温下F离子稳定性差的问题，进而导致阈值的漂移和器件的退化。在另一种方案中，采用鳍式场效应晶体管(FinFET)结构可以增强对二维电子气的调控，避免短沟道效应对器件性能的影响。这种结构通过在二维电子气周围环绕栅电极或介电材料+栅电极，可以实现阈值电压的正向移动，从而可实现增强型的器件。然而，要实现增强型器件，即阈值电压大于0，通常的鳍宽度需要在微米量级以下，这无疑给制备工艺提出了极大挑战，采用传统接触式曝光方法将无法实现鳍式结构的增强型HEMT器件的制备。
近年来，业界提出了一种新型的制备增强型HEMT器件的方案，其充分利用铁电材料的极化调制作用在GaN外延薄膜上沉积铁电材料，是一种可靠、高效的实现增强型功率器件的方案。利用铁电材料的强极化特性实现铁电材料/GaN界面、栅极下方二维电子气的耗尽，可以实现增强型器件的目的。但这些技术中所使用的铁电材料大多是立方晶系，在六方晶系的GaN上生长时，会因晶格失配过大而导致材料质量与器件性能的恶化。由于铁电薄膜的晶体质量和取向直接决定其剩余极化强度，因此立方晶系的铁电薄膜的剩余极化强度的稳定性较差，在栅压下其内部极化畴会出现部分的反转现象，导致对二维电子气的耗尽作用出现不稳定的现象，从而影响增强型HEMT器件的阈值电压稳定性。
另外，功率半导体如HEMT等分立器件应用的重要场景之一是功率芯片。硅基功率集成电路的主要问题在于其会占用更多的空间、寄生电阻更大，以及高频特性较差等问题。相比之下，GaN功率集成电路(GaN Power IC)能够实现比现有的硅电路高10倍至100倍的开关频率，使得***体积更小，重量更轻，成本更低。GaN功率集成电路的一种重要方式是直接耦合逻辑电路(DCFL)。这一集成电路是建立在增强型和耗尽型HEMT器件耦合集成的基础之上。但因目前增强型器件通常需要制备槽栅结构，或局部刻蚀p-GaN。这与耗尽型HEMT器件的制备工艺是不兼容的，因此耗尽型、增强型HEMT器件之间的集成往往会增大制备成本，降低良率。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种增强型GaN基HEMT器件、其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明的一个方面提供了一种增强型GaN基HEMT器件，其包括：
外延结构，包括第一半导体层和设置在第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层之间形成有二维电子气；以及
形成在所述第二半导体层上的源极、漏极和栅极，所述源极和漏极能够通过所述二维电子气电连接，所述栅极分布于源极和漏极之间；
其中，在所述栅极和第二半导体层之间还设置有铁电层，所述铁电层由六方晶型的铁电材料形成，其至少用于耗尽所述栅极下方的二维电子气。
进一步的，所述铁电层与所述第二半导体层均沿c轴方向生长，且晶格匹配。
在一些实施方案中，所述六方晶型的铁电材料包括Al1-aScaN，其中0.05≤a≤0.4。
在一些实施方案中，所述HEMT器件包括至少一个鳍，所述鳍包括所述第一半导体层的至少局部区域和设置在所述第一半导体层的至少局部区域上的第二半导体层，所述鳍的沟道区域上覆盖有栅极，所述铁电层至少分布于所述栅极与鳍之间。
在一些实施方案中，所述外延结构还包括第三半导体层，所述第三半导体层设置在第一半导体层和第二半导体层之间。
在一些实施方案中，所述外延结构还包括缓冲层，所述缓冲层设置在衬底和所述第一半导体层之间，其中，所述衬底的材质可以是硅、碳化硅或蓝宝石中的任意一种，且不限于此。
进一步的，所述第一半导体层为所述HEMT器件的沟道层，其厚度为10～500nm，材质可以包括AlxGa1-xN，其中0≤x≤1。
进一步的，所述第二半导体层为所述HEMT器件的势垒层，其厚度为10～50nm，材质可以包括AlyGa1-yN，其中0≤y≤1。
进一步的，所述第三半导体层为所述HEMT器件的***层，其厚度为1～5nm，材质可以是AlN。
进一步的，所述缓冲层的厚度为10nm～10μm，材质可以包括AlzGa1-zN，其中0≤z≤1。
进一步的，x＜y。
进一步的，x≤z。
本发明的另一个方面还提供了一种制备GaN基HEMT器件的方法，其包括：
提供外延结构，所述外延结构包括第一半导体层和设置在第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层之间形成有二维电子气；
在第二半导体层上制作源极、漏极，所述源极、漏极能够通过所述二维电子气电连接；以及
在所述源极和漏极之间的第二半导体层上以六方晶型的铁电材料形成与栅极配合的铁电层，之后在所述铁电层上制作栅极。
进一步的，所述制备方法还包括：对所述外延结构进行加工，以使所述第一半导体层的至少局部区域与设置在所述第一半导体层的至少局部区域上的第二半导体层配合形成鳍；
依次以所述铁电层、所述栅极至少覆盖所述鳍的沟道区域。
进一步的，所述制备方法具体包括：自外延结构表面对所述第二半导体层进行干法刻蚀或湿法腐蚀，直至进入第一半导体层，以将第一半导体层和第二半导层的局部去除，从而形成所述的鳍。
进一步的，所述HEMT器件具有FinFET结构，所述FinFET结构包含所述的鳍。
进一步的，所述制备方法具体包括：采用金属有机气相外延方式、分子束外延方式或磁控溅射方式中的任意一种形成所述铁电层。
进一步的，所述制备方法具体包括：所述六方晶型的铁电材料包括Al1-aScaN，其中0.05≤a≤0.4。
进一步的，所述制备方法还包括：在所述栅极上施加负偏压，从而对所述铁电层进行预极化的步骤。
进一步的，所述制备方法还包括：对所述HEMT器件进行钝化处理的步骤。
本发明的又一个方面还提供了一种耦合逻辑电路，其包含上述的增强型GaN基HEMT器件。
本发明的又一个方面还提供了一种GaN功率集成电路，其由上述的增强型GaN基HEMT器件和传统的耗尽型GaN基HEMT器件构成。
与现有技术相比，本发明提供的一种新型增强型GaN基HEMT器件及其制备方法，至少具有以下优点：
1)采用六方晶型的AlScN铁电材料对第一半导体层和第二半导体层之间的二维电子气进行调控，进而实现增强型HEMT器件，摒弃了传统的等离子体刻蚀凹槽、氟离子注入等工艺实现器件增强型，避免了等离子体损伤对于器件输出功率和阈值电压稳定性的影响，以及避免了p-GaN二次外延或刻蚀带来的工艺复杂度增大和栅极退化问题。
2)摒弃传统铁电材料替代势垒层、直接生长在GaN上的方式，而是在耗尽型HEMT外延结构表面沉积AlScN六方结构薄膜。AlScN铁电材料与AlGaN势垒层晶格匹配度较高，因此具有较高的晶体质量和较低的应力水平，能够充分发挥其铁电特性，其剩余极化强度是传统铁电薄膜的两倍以上，对二维电子气具有强烈的调控作用，因此势垒层无需刻蚀凹槽结构，而是通过集成AlScN和耗尽型HEMT器件即可以实现HEMT器件的增强特性。
3)AlScN铁电材料的矫顽场较高，HEMT器件栅极电压工作在矫顽场以下，不会对铁电材料层的极化方向和大小造成影响，因此制备而成的HEMT器件具有较高的输出电流和稳定的阈值电压。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是传统技术中的一种耗尽型GaN基HEMT器件结构示意图；
图2是传统技术中的一种耗尽型GaN基HEMT器件在栅极电压为零时栅极下方的能带结构示意图；
图3是本发明一典型实施例中的一种增强型GaN基HEMT器件结构示意图；
图4是本发明实施例1的一种增强型GaN基HEMT器件与图1所示的耗尽型GaN基HEMT器件的转移特性曲线对比示意图；
图5是本发明实施例1中的一种增强型GaN基HEMT器件的输出特性曲线示意图；
图6是本发明实施例1中的一种增强型GaN基HEMT器件在栅极电压为零时栅极下方的能带结构示意图；
图7是本发明实施例2中的一种增强型GaN基HEMT器件与图1所示的耗尽型GaN基HEMT器件的转移特性曲线对比示意图；
图8是本发明实施例2中的一种增强型GaN基HEMT器件的输出特性曲线示意图；
图9是本发明实施例2中的一种增强型GaN基HEMT器件在栅极电压为零时栅极下方的能带结构示意图；
图10是本发明实施例3中提供的一种具有鳍结构的增强型GaN基HEMT器件的栅极以下结构示意图；
图11是本发明实施例1中的GaN基HEMT器件与传统无AlScN铁电薄膜的耗尽型GaN基HEMT器件组成的耦合逻辑电路图。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，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，针对现有技术中制备增强型HEMT器件所采用的立方晶系铁电材料薄膜晶体质量差，与六方晶系的GaN材料很难实现低晶格失配的生长，进而影响增强型HEMT器件输出功率和阈值电压稳定性的问题，提出了一种基于六方晶型的AlScN铁电材料的GaN基HEMT器件，如下将对该技术方案，其实施过程及原理作进一步的解释说明。
AlScN材料作为一种新型的铁电材料，当Sc组分低于40％的条件下，能够始终保持其六方晶型的特点，与形成势垒层的AlGaN材料晶格匹配度较高，因此具有较高的晶体质量和较低的应力水平，能够充分发挥其铁电特性。且在低Sc组分时晶体结构与III族氮化物半导体类似，其剩余极化强度超过100μC/cm2。此外AlScN禁带宽度从4.5eV至6.2eV可调，能够与GaN等宽禁带半导体集成，以实现高密度逻辑运算和信号处理的应用。
AlScN与III族氮化物材料同属六方晶系，不同Sc组分AlScN和Al0.2Ga0.8N的晶格失配如表1所示，可以看到两种材料晶格失配程度小，因而在HEMT外延片上溅射的AlScN铁电薄膜晶体质量高，极化强度大，在GaN基HEMT外延结构上沉积AlScN铁电薄膜调制沟道内二维电子气并增大HEMT器件阈值电压，能够在保持器件平面结构的基础上制备增强型HEMT器件，避免了传统p-GaN栅、凹槽栅、氟等离子体注入过程中的刻蚀损伤高、刻蚀深度难控制的瓶颈问题。
表1.Al1-aScaN(0.05≤a≤0.4)和Al0.2Ga0.8N晶格失配表
并且，六方晶系的AlScN铁电材料薄膜的剩余极化强度是传统铁电材料薄膜的两倍以上，对二维电子气具有强烈的耗尽作用，因此势垒层无需进行刻蚀得到凹槽结构，而是直接在其表面沉积AlScN薄膜即可实现HEMT器件的增强特性，同时，AlScN铁电材料的矫顽场较高，HEMT器件栅极电压工作在矫顽场以下，不会对铁电材料层的极化方向和大小造成影响，因此器件具有较高的输出电流和阈值电压的稳定性。
下面将结合附图及具体实施例对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
请参阅图3所示，一种增强型GaN基HEMT器件，其包括蓝宝石衬底1以及依次设置在蓝宝石衬底1上的GaN缓冲层2、GaN沟道层3、AlN***层4和AlGaN势垒层5，在GaN沟道层3靠近AlN***层4的表面下形成有二维电子气9。源极6和漏极8形成在AlGaN势垒层5上并能够通过二维电子气9实现电连接，在源极6和漏极8之间的AlGaN势垒层5上还形成有AlScN铁电层10，栅极7形成在AlScN铁电层10上。
进一步的，一种制备增强型GaN基HEMT器件的制备方法具体包括：
1)提供蓝宝石衬底1，并采用金属有机气相外延法在蓝宝石衬底1上依次外延生长厚度为5μm的GaN缓冲层2、厚度为500nm的GaN沟道层3、厚度为1nm的AlN***层4以及厚度为25nm的Al0.3Ga0.7N势垒层5，其中，GaN沟道层3靠近AlN***层4的表面下形成有二维电子气9；
2)在Al0.3Ga0.7N势垒层5上与源极、漏极对应的区域以6nm/min的沉积速率沉积厚度为30nm/120nm/30nm/50nm的金属Ti/Al/Ni/Au，形成源极6和漏极8，其中，源极6和漏极8能够通过二维电子气9实现电连接；
3)在纯N2氛围下，采用磁控溅射的方式在步骤2)中的器件表面溅射厚度为20nm的Al0.7Sc0.3N铁电材料层，形成Al0.7Sc0.3N铁电层10，其中，磁控溅射设备生长室内的温度为400℃，压强为0.7Pa；
4)在Al0.7Sc0.3N铁电层10上沉积厚度为30nm/100nm的金属Ni/Au，形成栅极7，并以该栅极为自对准刻蚀掩膜版实现铁电层的图形化，所述图形化处理的过程具体为去除与栅极7对应的区域之外的Al0.7Sc0.3N铁电材料层；
5)在源极6和漏极8导通的情况下，在栅极7上施加负偏压，对Al0.7Sc0.3N铁电层10进行预极化，即通过电压的作用实现铁电材料内铁电畴方向的统一，使晶体的极化强度达到饱和，并且极化方向与Al0.3Ga0.7N势垒层5相反；
6)对所形成的器件进行钝化处理，即利用低压化学气相沉积在HEMT表面沉积一层SiNx，钝化HEMT表面的缺陷，降低器件漏电、改善击穿特性，至此完成如图3所示的增强型GaN基HEMT器件的制备。
进一步的，请参阅图4所示，为本实施例中制备而成的增强型GaN基HEMT器件与图1所示的耗尽型GaN基HEMT器件的转移特性曲线对比示意图，可见与传统耗尽型(D-mode)GaN基HEMT器件-4.9V的阈值电压Vth相比，本实施例中所制备而成的GaN基HEMT器件的阈值电压Vth约为0.6V左右，即无栅压条件下器件处于常关状态，在栅极7上施加0.6V以上的电压时，器件才导通，实现了增强型HEMT器件的目的。
进一步的，请再参阅图5所示，为本实施例中制备而成的增强型GaN基HEMT器件的输出特性曲线示意图，可见，本实施例中所制备而成的GaN基HEMT器件具有优异的开关特性。即：当栅极7和源极6之间的电压VGS为0V时，器件的导通电流IDS为3×10-12A，近似于源漏之间无导通电流，器件处于常关状态；当栅压VGS大于0.6V时，如3V时，器件处于导通状态。
接下来，请再参阅图6所示，为本实施例中制备而成的增强型GaN基HEMT器件在栅极7的电压为0V时栅极下方的能带结构示意图，可见因为Al0.7Sc0.3N铁电材料的强烈的自发极化效应，拉高了AlGaN/AlN/GaN界面处导带，从而使得栅极7下方沟道内的二维电子气被耗尽，使器件处于常关状态，只有在栅极7上施加大于阈值电压Vth的正向电压时，才会在栅极7下方沟道内重新形成二维电子气，而使器件导通。
实施例2：
本实施例中的器件结构与实施例1中的如图3所示的器件结构一致，其提供的制备方法也与实施例1中提供的制备方法相似，区别之处在于铁电层10的Al组分含量和Sc组分含量有所变化，另一个区别之处在于对缓冲层及沟道层的厚度进行了调整，其具体包括：
1)提供蓝宝石衬底1，并采用金属有机气相外延法在蓝宝石衬底1上依次外延生长厚度为10μm的GaN缓冲层2、厚度为10nm的GaN沟道层3、厚度为1nm的AlN***层4以及厚度为25nm的Al0.3Ga0.7N势垒层5，其中，GaN沟道层3靠近AlN***层4的表面下形成有二维电子气9；
2)在Al0.3Ga0.7N势垒层5上与源极、漏极对应的区域以6nm/min的沉积速率沉积厚度为30nm/120nm/30nm/50nm的金属Ti/Al/Ni/Au，形成源极6和漏极8，其中，源极6和漏极8能够通过二维电子气9实现电连接；
3)在纯N2氛围下，采用磁控溅射的方式在步骤2)中的器件表面溅射厚度为20nm的Al0.8Sc0.2N铁电材料层，形成Al0.8Sc0.2N铁电层10，其中，磁控溅射设备生长室内的温度为400℃，压强为0.7Pa；
4)在剩余的Al0.8Sc0.2N铁电层10上沉积厚度为30nm/100nm的金属Ni/Au，形成栅极7，并以该栅极为自对准刻蚀掩膜版实现铁电层的图形化，所述图形化处理的过程具体为去除与栅极7对应的区域之外的Al0.8Sc0.2N铁电层；
5)在源极6和漏极8导通的情况下，对栅极7施加负偏压，对Al0.8Sc0.2N铁电层10进行预极化，即通过电压的作用实现铁电材料内铁电畴方向的统一，使晶体的极化强度达到饱和，并且极化方向与Al0.3Ga0.7N势垒层5相反；
6)对所形成的器件进行钝化处理，即利用低压化学气相沉积在HEMT表面沉积一层SiNx，钝化HEMT表面的缺陷，降低器件漏电、改善击穿特性，至此完成如图3所示的增强型GaN基HEMT器件的制备。
进一步的，请参阅图7所示，为本实施例中制备而成的增强型GaN基HEMT器件与图1所示的耗尽型GaN基HEMT器件的转移特性曲线对比示意图，与传统耗尽型(D-mode)GaN基HEMT器件-4.9V的阈值电压Vth相比，本实施例中所制备而成的GaN基HEMT器件的阈值电压Vth约为3.85V左右，即在栅极7上施加0V电压或不施加电压时，器件处于常关状态，在栅极7上施加3.85V以上的电压时，器件才导通，实现了增强型HEMT器件的目的，且本实施例中，通过调整铁电材料的Sc组分含量，实现了对器件阈值电压的调制，所制备而成的增强型GaN基HEMT器件的阈值电压Vth较实施例1中的增强型GaN基HEMT器件的阈值电压Vth大。
进一步的，请再参阅图8所示，为本实施例中制备而成的增强型GaN基HEMT器件的输出特性曲线示意图，可见，本实施例中所制备而成的GaN基HEMT器件具有优异的开关特性。即：当栅极7和源极6之间的电压VGS为0V时，器件的导通电流IDS为1.23×10-11A，近似于源漏之间无导通电流，器件处于常关状态；当栅极7和源极6之间的电压VGS大于3.85V时，如4V时，器件处于导通状态，且器件的导通电流IDS随着漏极8和源极6之间的电压VDS变大而变大。
接下来，请再参阅图9所示，为本实施例中制备而成的增强型GaN基HEMT器件在栅极7的电压为0V时栅极下方的能带结构示意图，可见因为Al0.8Sc0.2N铁电材料的强烈的自发极化效应，拉高了AlGaN/AlN/GaN界面处导带，从而使得栅极7下方沟道内的二维电子气被耗尽，使器件处于常关状态，只有在栅极7上施加大于阈值电压Vth的正向电压时，才会在栅极7下方沟道内重新形成二维电子气，而使器件导通。
实施例3：
请参阅图10所示，一种具有鳍结构的增强型GaN基HEMT器件，其与实施例1中的器件结构类似，区别在于，其包括蓝宝石衬底1以及依次设置在蓝宝石衬底1上的GaN缓冲层2、GaN沟道层3、AlN***层4和AlGaN势垒层5，其中，GaN沟道层3、AlN***层4与AlGaN势垒层5配合形成鳍结构，且在GaN沟道层3靠近AlN***层4的表面下形成有二维电子气9，栅极7覆盖住所述鳍结构的沟道区域，即形成有二维电子气9的区域，且在栅极7和所述鳍结构的沟道区域之间设置有铁电层10。
进一步的，一种具有鳍结构的增强型GaN基HEMT器件的制备方法具体包括：
1)提供蓝宝石衬底1，并采用金属有机气相外延法在蓝宝石衬底1上依次外延生长厚度为10μm的GaN缓冲层2、厚度为10nm的GaN沟道层3以及厚度为25nm的Al0.3Ga0.7N势垒层5，其中，GaN沟道层3靠近AlN***层4的表面下形成有二维电子气9；
2)在Al0.3Ga0.7N势垒层5上与源极、漏极对应的区域以6nm/min的沉积速率沉积厚度为30nm/120nm/30nm/50nm的金属Ti/Al/Ni/Au，形成源极6和漏极8，其中，源极6和漏极8能够通过二维电子气9实现电连接；
3)基于光刻和等离子体刻蚀方法，在栅极区域刻蚀制备一组(10个)鳍结构，鳍的宽度d为1微米，长度为10微米。
4)在纯N2氛围下，采用磁控溅射的方式在步骤3)中的器件表面溅射厚度为20nm的Al0.8Sc0.2N铁电材料层并进行图形化处理，形成Al0.8Sc0.2N铁电层10。铁电材料与鳍结构贴合紧密，其中，磁控溅射设备生长室内的温度为400℃，压强为0.7Pa；
5)在剩余的Al0.8Sc0.2N铁电层10上沉积厚度为30nm/100nm的金属Ni/Au，形成栅极7并以该栅极为自对准刻蚀掩膜版实现铁电层的图形化，所述图形化处理的过程具体为去除与栅极7对应的区域之外的Al0.8Sc0.2N铁电层；
6)在源极6和漏极8导通的情况下，对栅极7施加负偏压，对Al0.8Sc0.2N铁电层10进行预极化，即通过电压的作用实现铁电材料内铁电畴方向的统一，使晶体的极化强度达到饱和，并且极化方向与Al0.3Ga0.7N势垒层5相反；
7)对所形成的器件进行钝化处理，即利用低压化学气相沉积在HEMT表面沉积一层SiNx，钝化HEMT表面的缺陷，降低器件漏电、改善击穿特性，至此完成如图10所示的增强型GaN基HEMT器件的制备。
本实施例中的具有鳍结构的增强型GaN基HEMT器件，受益于AlScN强烈的铁电特性对于二维电子气的耗尽作用，可以大大降低对鳍的宽度d的要求。即使宽度d在微米级别，AlScN铁电层的存在也依然能够实现阈值电压大于0的增强型HEMT器件。
接下来，请参阅图11，其示出采用传统无AlScN铁电薄膜的耗尽型GaN基HEMT器件与本发明实施例1中的具有AlScN铁电薄膜的增强型GaN基HEMT器件组成的直接耦合逻辑电路，相较于由传统无AlScN铁电薄膜的耗尽型GaN基HEMT器件与传统的P型栅或凹槽栅增强型GaN基HEMT器件组成的耦合逻辑电路，本发明利用铁电AlScN铁电材料与HEMT结构集成，可以大大降低工艺复杂度，工艺路线完全可以以耗尽型HEMT的流程为基础而不增加新的工艺，提高了器件制备的效率和良率。
综上所述，本发明以上实施例中提供的基于Al1-aScaN(0.05≤a≤0.4)铁电材料的增强型GaN基HEMT器件，通过在栅极与势垒层之间设置A11-aScaN铁电材料层，由Al1-aScaN铁电材料具有的较高的剩余极化强度耗尽栅极下方沟道内的二维电子气，能够在保持器件平面结构的基础上制备增强型HEMT器件，避免了传统D型栅、凹槽栅、氟等离子体注入过程中的刻蚀损伤高、刻蚀深度难控制的瓶颈问题。并且，通过改变Al1-aScaN铁电材料Sc组分含量，可以对HEMT器件的阈值电压进行调制，以满足更多的应用需求。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种增强型GaN基HEMT器件，其特征在于包括：
外延结构，包括第一半导体层和设置在第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层之间形成有二维电子气；以及形成在所述第二半导体层上的源极、漏极和栅极，所述源极和漏极能够通过所述二维电子气电连接，所述栅极分布于源极和漏极之间；
其中，在所述栅极和第二半导体层之间还设置有铁电层，所述铁电层由六方晶型的铁电材料形成，其至少用于耗尽所述栅极下方的二维电子气。
2.根据权利要求1所述的增强型GaN基HEMT器件，其特征在于：所述铁电层与所述第二半导体层均沿c轴方向生长，且晶格匹配；和/或，所述六方晶型的铁电材料包括Al1-aScaN，其中0.05≤a≤0.4；和/或，所述铁电层的厚度为20～100nm。
3.根据权利要求1所述的增强型GaN基HEMT器件，其特征在于：所述HEMT器件包括至少一个鳍，所述鳍包括所述第一半导体层的至少局部区域和设置在所述第一半导体层的至少局部区域上的第二半导体层，所述鳍的沟道区域上覆盖有栅极，所述铁电层至少分布于所述栅极与鳍之间。
4.根据权利要求1所述的增强型GaN基HEMT器件，其特征在于：所述外延结构还包括第三半导体层，所述第三半导体层设置在第一半导体层和第二半导体层之间；和/或，所述外延结构还包括缓冲层，所述缓冲层设置在衬底和所述第一半导体层之间。
5.根据权利要求4所述的增强型GaN基HEMT器件，其特征在于：所述第一半导体层的厚度为10～500nm，材质包括AlxGa1-xN，其中0≤x≤1；和/或，所述第二半导体层的厚度为10～50nm，材质包括AlyGa1-yN，其中0≤y≤1；和/或，所述第三半导体层的厚度为1～5nm，材质包括AlN；和/或，所述缓冲层的厚度为10nm～10μm，材质包括AlzGa1-zN，其中0≤z≤1；优选的，x＜y；优选的，x≤z。
6.一种增强型GaN基HEMT器件的制备方法，其特征在于，包括：
提供外延结构，所述外延结构包括第一半导体层和设置在第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层之间形成有二维电子气；
在第二半导体层上制作源极、漏极，所述源极、漏极能够通过所述二维电子气电连接；以及
在所述源极和漏极之间的第二半导体层上以六方晶型的铁电材料形成与栅极配合的铁电层，之后在所述铁电层上制作栅极。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，还包括：
对所述外延结构进行加工，以使所述第一半导体层的至少局部区域与设置在所述第一半导体层的至少局部区域上的第二半导体层配合形成鳍；
依次以所述铁电层、所述栅极至少覆盖所述鳍的沟道区域。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，具体包括：采用金属有机气相外延方式、分子束外延方式或磁控溅射方式中的任意一种形成所述铁电层。
9.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述六方晶型的铁电材料包括Al1-aScaN，其中0.05≤a≤0.4。
10.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，还包括：在所述栅极上施加负偏压，从而对所述铁电层进行预极化的步骤；和/或，所述制备方法还包括：对所述HEMT器件进行钝化处理的步骤。
11.一种耦合逻辑电路，其特征在于，包含权利要求1-5中任一项所述的增强型GaN基HEMT器件
12.一种GaN功率集成电路，其特征在于，包含权利要求1-5中任一项所述的增强型GaN基HEMT器件。
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