一种增强型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增强型MIS结构的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管。这种新结构是在晶体管2DEG所在的高阻GaN层的源端到栅电极部分使用P型掺杂的GaN，于是在栅压为零时，由于P型GaN与2DEG界面处势垒的阻挡作用使得电子无法到达源电极实现器件导通，器件处于关断状态；当栅极加正电压时，栅极下的2DEG浓度提高，使其能带高度下降，随着电压进一步增大，2DEG能带高度进一步下降，2DEG与P型GaN的势垒厚度也不断减小，直到在漏源电压的作用下发生遂穿，实现器件导通。

【技术实现步骤摘要】
一种增强型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MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管。
技术介绍
由于Si与GaAs为代表的前两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和碳化硅(SiC)特殊之处在于其所具有极化效应。利用这种特殊性能人们研制了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。但是普通的AlGaN/GaNHEMTs器件由于栅极是肖特基接触，泄漏电流较大，由此带来的一系列热电子注入、逆压电效应等会给器件的性能带来不利影响，长期工作后对也会严重影响器件的可靠性，因此人们开发了MIS结构的AlGaN/GaNHEMTs，MIS结构的HEMT的栅极是生长在介质材料上，与普通的AlGaN/GaNHEMTs相比优势明显，只要选择合适的栅介质层,不但可以有效降低器件的泄漏电流,同时栅介质层可以作为表面钝化层有效的消除电流崩塌效应,而且能够有效提高器件的击穿电压，器件的可靠性也能得到大大改善。MIS结构的HEMT器件按照零栅压时器件的工作状态,可分为耗尽型(常开)和增强型(常关)两大类，栅压为零时已存在导电沟道的器件,称为耗尽型器件；相反,只有当施加一定的正向栅压才能形成导电沟道的器件,称为增强型器件。传统的耗尽型AlGaN/GaNHEMTs因为要使用负的开启电压，这在射频微波应用中，使电路结构显得复杂化。因此有必要开展增强型AlGaN/GaNHEMTs器件的研究，即让器件的阈值电压变为正值，实际应用中只需要加一个正的偏压即可以使其工作或夹断。这样可以消除负偏压的电路设计，使得电路简单化，减少了电路设计的复杂性和制备的成本，对于大规模微波射频电路应用来说，其意义十分重大。目前常规的槽栅增强型MIS器件如图1所示，主要包括：半绝缘衬底1；位于半绝缘衬底上外延生长的缓冲层2；位于缓冲层2表面外延生长的GaN层3；位于GaN层上异质外延生长的AlGaN层4；位于AlGaN层上的源极5、栅介质层6、漏极8以及通过栅介质层与AlGaN层相连的栅电极7。槽栅增强型MIS器件在制造的过程中由于AlGaN层的厚度以及槽栅刻蚀深度的准确控制比较难，因此工艺重复性差，阈值电压的可控性较差；另外，刻蚀带来的界面问题较多，导致器件性能下降。
技术实现思路
为了满足现阶段对增强型MIS结构AlGaN/GaNHEMTs器件的需求，本专利技术提供了一种新型的MIS结构AlGaN/GaNHEMTs。解决方案如下：一种MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，包括半绝缘衬底、缓冲层、GaN层、AlGaN层、源极、栅极、漏极以及栅介质层，源极和漏极均通过欧姆接触与GaN层、AlGaN层相连；其特殊之处在于：所述GaN层在靠近电极一侧有一部分区域为P型掺杂GaN，对应于自源极至部分栅极所覆盖的区域。具体来说，P型掺杂GaN宽度的要求就是要使栅极能够覆盖到P型掺杂GaN与2DEG的界面即可。当然，厚度应当满足在无栅压情况下，器件不会开启(即漏电流低于设计者要求的值)，这与具体的器件设计要求相关。GaN层中的P型掺杂GaN可以通过Mg或者其他可掺杂元素外延生长形成，视掺杂效果和需求而定。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：上述半绝缘材料为硅、蓝宝石或碳化硅。上述GaN层具有N型电阻特性或半绝缘特性。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：在晶体管2DEG所在的GaN层源端到栅电极部分区域使用P型掺杂的GaN代替，P型GaN与源极为欧姆接触，P型GaN与GaN层2DEG为直接接触。在栅压为零时，由于P型GaN与2DEG界面处势垒的阻挡作用电子无法到达源电极，器件处于关断状态；当栅极加电正压时，栅极下的2DEG浓度提高，使其能带高度下降，随着电压进一步增大，2DEG能带高度进一步下降，2DEG与P型掺杂GaN的势垒厚度也不断减小，直到在漏源电压的作用下发生遂穿，实现器件导通。于是就实现了栅控常关的增强型器件。本专利技术由于无需在表面做刻蚀等工艺过程，可以在保持较好界面特性的情况下实现增强型器件的制作，器件的性能与可靠性都能得到保证。附图说明图1为常规的槽栅增强型MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的示意图。图2为本专利技术新型增强型MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的示意图。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。本专利技术提供一种新型增强型MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，如图2所示，主要包括：半绝缘衬底1；位于半绝缘衬底上外延生长的缓冲层2；位于缓冲层2表面外延生长的GaN层3；位于GaN层中的P型掺杂GaN部分4；位于GaN层(包括P型掺杂GaN部分)上异质外延生长的AlGaN层5；位于AlGaN层上的源极6、栅介质层7、漏极9以及通过栅介质层与AlGaN层相连的栅电极8。在GaN层中，由于P型掺杂的GaN与2DEG界面处势垒的阻挡作用，电子无法到达源电极，器件处于关断状态；当栅极加电正压时，栅极下的2DEG浓度提高，使其能带高度下降，随着电压进一步增大，2DEG侧能带高度进一步下降，2DEG与P型GaN的势垒厚度也不断减小，直到在漏源电压的作用下发生遂穿，实现器件导通。于是就实现了栅控常关的增强型器件。其具体实施方式以Mg为例，在外延生长完成GaN缓冲层之后，在掩膜的保护下，对指定区域通入Mg源进行外延生长P型GaN，然后去掉掩膜进行所需的其他部分的GaN层的生长，之后对整个GaN层进行一定深度的刻蚀，并进行高温退火，激活Mg杂质并确保接下来外延生长的AlGaN层所需的GaN界面的尽可能的表面完整而缺陷少。然后进行常规的AlGaN层外延生长以及后续的介质层淀积、接触制备、电极制备、钝化等步骤直至完成器件的制备。此处的P型GaN应尽量保证与源极的欧姆接触良好，与2DEG(很薄的一层，位于AlGaN与GaN界面处)接触的界面应处于部分栅极的覆盖范围内，以保证栅极电压能准确控制到界面处电子的浓度，保证隧穿效应能正常发生。此处的Mg源可选范围很多，如二茂镁、氮化镁等等，而掺杂元素除Mg之外还可以选择Zn、V、Si、Li等等均可通过一定的手段实现P型GaN的掺杂。此处的AlGaN/GaNHEMT器件各外延层生长顺序不定，可根据实际情况调整。例如，也可以自下而上依次为半绝缘衬底、缓冲层、AlGaN层、GaN层，即源极、栅极以及漏极设置于GaN层(包括P型掺杂GaN部分)上。此处的AlGaN/GaNHEMT器件栅极介质材料可以是氧化物构成的MOS结构或者其他的介质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，包括半绝缘衬底、缓冲层、GaN层、AlGaN层、源极、栅极、漏极以及栅介质层，源极和漏极均通过欧姆接触与GaN层、AlGaN层相连；其特征在于：所述GaN层在靠近电极一侧有一部分区域为P型掺杂GaN，对应于自源极至部分栅极所覆盖的区域。

【技术特征摘要】
1.一种增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，包括半绝缘衬底、缓冲层、GaN层、AlGaN层、源极、栅极、漏极以及栅介质层，AlGaN与GaN界面处形成很薄的2DEG，源极和漏极均通过欧姆接触与GaN层、AlGaN层相连；其特征在于：所述GaN层在靠近电极一侧有一部分区域为P型掺杂GaN，对应于自源极至部分栅极所覆盖的区域，P型掺杂GaN与2DEG为直接接触，满足...

【专利技术属性】
技术研发人员：段宝兴，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