一种槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管制造技术

本发明专利技术公开了一种具有部分本征GaN帽层的新型槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管。这种新型晶体管结构是在晶体管栅极边缘引入本征GaN帽层，该本征GaN帽层会降低该区域导电沟道的二维电子气浓度，实现电场调制效应。通过产生新的电场峰，降低了栅边缘的高电场，使晶体管表面的电场分布更加均匀，与传统槽栅增强型MIS结构相比，新型结构的击穿电压和可靠性也就有了明显的提高与改善。

A slot gate enhancement type MIS structure AlGaN/GaN heterojunction field effect transistor

The present invention discloses a novel slot gate enhancement type MIS structure AlGaN/GaN heterojunction field effect transistor with a partially intrinsic GaN cap layer. The new transistor structure introduces an intrinsic GaN cap layer on the gate edge of the transistor, and the intrinsic GaN cap layer reduces the two-dimensional electron gas concentration of the conductive channel in the region, thereby achieving an electric field modulation effect. The new electric field peak, reduce the high field edge of the gate, the electric field distribution of the transistor surface is more uniform, compared with the traditional grating enhanced MIS structure, new structure breakdown voltage and reliability have improved significantly.

【技术实现步骤摘要】
一种槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管
本专利技术涉及半导体器件
，特别是涉及一种槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管。
技术介绍
由于以Si和GaAs为代表的第一代和第二代半导体材料的局限性，第三代宽禁带半导体材料因为其优异的性能得到了飞速发展。GaN材料作为第三代半导体材料的核心之一，相比Si，GaAs和SiC特殊之处在于其所具有的极化效应。利用这种特殊性，人们研制了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，AlGaN/GaNHEMTs是以AlGaN/GaN异质结材料为基础而制造的GaN基微电子器件。AlGaN/GaN异质结通过自发极化和压电极化效应在异质结界面处形成高密度二维电子气(twodimensionalelectrongas，2DEG)，这种二维电子气具有很高的迁移率，从而使AlGaN/GaNHEMTs具有很低的导通电阻。与传统的场效应晶体管(FET)器件相比，AlGaN/GaNHEMTs具有高跨导、高饱和电流以及高截止频率等优良特性。而且，实验证明，GaN基HEMTs在1000K的高温下仍然保持着良好的直流特性，从而为高温环境应用提供了可靠的保证。由于AlGaN/GaN异质结得天独厚的优势，AlGaN/GaN异质结材料的生长和AlGaN/GaNHEMTs器件的研制始终占据着GaN电子器件研究的主要地位。然而十几年来针对GaN基电子器件研究的大部分工作集中在耗尽型AlGaN/GaNHEMTs器件上，这是由于AlGaN/GaN异质结中强极化电荷的存在，使得制造GaN基的增强型器件变得十分困难，因此高性能增强型AlGaN/GaNHEMTs的研究具有非常重要的意义。对于GaN基增强型器件，工艺上较为容易实现的是槽栅MIS结构。TohruOka等人利用槽栅技术制得了阈值电压高达5.2V的增强型器件。该器件结构自下而上包括：Si衬底，800nm厚的Al0.05Ga0.95N缓冲层，40nm厚的GaN沟道层，1nm的AlN插入层，34nm厚的Al0.25Ga0.75N势垒层，1nm的GaN帽层。该技术通过将栅下的势垒层刻蚀一定深度，使得栅下势垒层变薄甚至消失，从而使栅下2DEG浓度降低甚至为零，而源漏区的载流子浓度保持较大值不变，同时在栅电极与AlGaN势垒层之间淀积厚度为20nm的SiN绝缘层，形成MIS结构。这样既可实现器件的增强型特性，又可保证一定的电流密度。具体参见文献：TohruOka，TomohiroNozawa，“AlGaN/GaNRecessedMIS-GateHFETWithHigh-Threshold-VoltageNormally-OffOperationforPowerElectronicsApplications”,ElectronDeviceLetters,Vol.29,No.7,July2008.然而，在槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaNHEMTs的栅边缘往往存在着高峰电场，其会给器件带来以下不利影响：1、会引起电子–空穴对离化，当达到GaN材料的临界击穿电场这一雪崩条件时，器件在栅电极边缘击穿。2、即使没有达到GaN材料的临界击穿电场，高电场效应仍然会使栅电极电子场致发射遂穿进入表面钝化层，这些隧穿的电子会中和AlGaN层的表面极化正电荷，而这些表面极化正电荷，直接关系到异质结界面处2DEG的浓度大小，部分表面正电荷被中和会降低高密度的2DEG浓度，从而使AlGaN/GaNHEMTs输出电流明显减小，这就是电流崩塌效应。3、使电子–空穴对的离化几率增加，电离后的空穴在纵向电场作用下进入沟道中和2DEG,也会使2DEG浓度减小，进一步减小输出电流；而且电离后的电子进入AlGaN极化层会给器件阈值电压带来不利影响，使得器件可靠性降低。因此，设计一种新型槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaNHEMTs器件，通过引入新的电场峰，从而降低器件栅边缘高峰电场是一种优化其性能、提高其击穿电压与可靠性的重要手段。
技术实现思路
为了解决现有技术中由于在槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管的栅边缘存在高峰电场而引起的器件雪崩击穿、电流崩塌效应，阈值电压和输出电流减小，可靠性降低等一系列问题，本专利技术提供一种新型槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管。解决方案如下：一种槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，包括：半绝缘衬底；位于所述半绝缘衬底上异质外延生长的AlN成核层；位于所述AlN成核层上外延生长的GaN缓冲层；位于所述GaN缓冲层上外延生长的AlGaN势垒层；分列于所述AlGaN层上的源极、栅凹槽以及漏极；位于所述源极与漏极之间的栅凹槽；位于所述栅凹槽上的绝缘介质层；位于所述绝缘介质层上的栅极(即栅极通过绝缘介质层与所述AlGaN势垒层相连)；其特殊之处在于：在AlGaN势垒层上还外延生长有与栅极边缘邻接的本征GaN帽层，所述本征GaN帽层部分覆盖或者完全覆盖栅极和漏极之间的区域。基于上述解决方案，本专利技术还进一步作如下优化限定和改进：上述本征GaN帽层是通过在AlGaN势垒层表面外延生长本征GaN层，然后刻蚀形成的。本征GaN帽层位于栅极和漏极之间，可以部分覆盖，也可以完全覆盖。这是因为本征GaN帽层对沟道2DEG浓度调制作用的效果与其长度有关，可以灵活选择刻蚀区域。上述本征GaN帽层长度以不超过栅漏间距的百分之二十为佳。上述栅凹槽是通过对本征GaN帽层和AlGaN势垒层局部刻蚀形成的。上述绝缘介质层是通过等离子增强化学气相淀积介质层形成的，材料为氮化硅或氧化铝。上述栅极是通过在绝缘介质层上淀积金属形成的。上述源极和所述漏极均通过欧姆接触与所述AlGaN势垒层相连。上述外延生长的GaN缓冲层具有n型电阻特性或半绝缘特性。上述半绝缘衬底为能够与所述AlN成核层异质外延的半绝缘材料，优选硅或碳化硅；或者,半绝缘衬底替换为蓝宝石。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：在晶体管栅极边缘引入本征GaN帽层，该本征GaN帽层会降低该区域导电沟道2DEG的浓度，实现电场调制效应。通过产生新的电场峰，降低了栅边缘的高电场，使晶体管表面的电场分布更加均匀。随着本征GaN帽层长度的增加，电场调制效应增强，使得新电场峰值提高，栅边缘高峰电场下降量增加；而且由于表面电场分布更加均匀，使得器件在达到GaN材料临界击穿电场时所需要施加的漏端电压更大，击穿电压提高，器件可靠性相比于传统槽栅增强型结构，也有了明显的改善。同时，该结构在工艺上制作简单，不会对AlGaN势垒层造成额外的不利影响，保证了器件在工艺制造过程中的稳定性与可靠性。附图说明图1为本专利技术具有部分本征GaN帽层的新型槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管的示意图。图2为传统槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管结构与本专利技术具有部分本征GaN帽层的槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管结构击穿时沟道电场分布与电压值对比图。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施例进行详细描述。该实施例是一种具有部分本征GaN帽层的新型槽栅增强型MIS结构AlGa本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，包括：半绝缘衬底；位于所述半绝缘衬底上异质外延生长的AlN成核层；位于所述AlN成核层上外延生长的GaN缓冲层；位于所述GaN缓冲层上外延生长的AlGaN势垒层；分列于所述AlGaN势垒层上的源极、栅凹槽以及漏极；所述栅凹槽位于所述源极与漏极之间；位于所述栅凹槽上的绝缘介质层；位于所述绝缘介质层上的栅极；其特征在于：在AlGaN势垒层上还外延生长有与栅极边缘邻接的本征GaN帽层，所述本征GaN帽层部分覆盖或者完全覆盖栅极和漏极之间的区域。

【技术特征摘要】
1.一种槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，包括：半绝缘衬底；位于所述半绝缘衬底上异质外延生长的AlN成核层；位于所述AlN成核层上外延生长的GaN缓冲层；位于所述GaN缓冲层上外延生长的AlGaN势垒层；分列于所述AlGaN势垒层上的源极、栅凹槽以及漏极；所述栅凹槽位于所述源极与漏极之间；位于所述栅凹槽上的绝缘介质层；位于所述绝缘介质层上的栅极；其特征在于：在AlGaN势垒层上还外延生长有与栅极边缘邻接的本征GaN帽层，所述本征GaN帽层部分覆盖或者完全覆盖栅极和漏极之间的区域。2.如权利要求1所述的槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，其特征在于：所述本征GaN帽层是通过在AlGaN势垒层表面外延生长本征GaN层，然后刻蚀形成的。3.如权利要求1所述的槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，其特征在于：所述本征GaN帽层长度不超过栅漏间距的百分之二十。4.如权利要求1所述的槽栅增强型MIS结构AlG...

【专利技术属性】
技术研发人员：段宝兴，谢慎隆，郭海君，袁嵩，杨银堂，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61