本发明专利技术公开了一种基于GaN的MIS栅增强型HEMT器件及制作方法，主要解决现有GaN基增强型器件电流密度低及可靠性低的问题。该器件结构为：衬底(1)上依次设有过渡层(2)和GaN主缓冲层(3)，GaN主缓冲层(3)的中间设有凹槽(11)，凹槽两侧的GaN主缓冲层上方为AlGaN主势垒层(4)，凹槽内壁上方和凹槽两侧的AlGaN主势垒层(4)表面上，依次设有GaN次缓冲层(5)和AlGaN次势垒层(6)，AlGaN次势垒层(6)的顶端两侧分别为源级(8)和漏级(9)，源级和漏级之外为介质层(7)，介质层(7)上设有栅级(10)，该栅级(10)覆盖整个凹槽区域，整个器件的制作采用成熟的工艺流程。本发明专利技术具有增强型特性好，电流密度高，击穿电压高，器件可靠性高的优势，可用于高温高频大功率器件方面以及大功率开关和数字电路。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微电子
，涉及半导体器件及制作工艺，具体的说是一种基于GaN材料的金属绝缘体半导体MIS栅增强型高电子迁移率晶体管HEMT器件以及制作方法，可用于高温高频大功率应用场合以及大功率开关和数字电路。
技术介绍
GaN是一种新型宽禁带化合物半导体材料，具有许多硅基半导体材料所不具备的优良特性，如3. 14eV的宽禁带宽度，高达3X 106V/cm的击穿电场，以及较高的热导率，且耐腐蚀，抗辐射。更重要的是，GaN材料可以形成AlGaN/GaN异质结结构，这种异质结结构在室温下可以获得高于1500cm2/Vs的电子迁移率，以及高达3X107cm/s的饱和电子速度和2 X IOWs的电子速度，而且可以获得比第二代化合物半导体异质结器件更高的二维电子气浓度。这些优势使得AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT在大功率、高频率、低噪声方面超过GaAs基HEMT和InP基HEMT。所以，基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管在高温器件及大功率微波器件方面有非常好的应用前景。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/GaN HEMT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/GaN HEMT器件上，这是因为AlGaN/GaN异质结构中较强极化电荷的存在，使得制造基于GaN的增强型器件变得十分困难，因此高性能AlGaN/GaN增强型HEMT的研究具有非常重要的意义。AlGaN/GaN增强型HEMT具有广阔的应用前景。首先，GaN基材料被誉为是研制微波功率器件的理想材料，而增强型器件在微波功率放大器和低噪声放大器等电路中由于减少了负电压源，从而大大降低了电路的复杂性以及成本，且AlGaN/GaN增强型HEMT器件在微波大功率器件和电路具有很好的电路兼容性。同时，增强型器件的研制使单片集成耗尽型/增强型器件的数字电路成为可能。而且，在功率开光应用方面，AlGaN/GaN增强型HEMT也有很大的应用前景。因而高性能AlGaN/GaN增强型HEMT器件的研究得到了极大的重视。目前，不论是国内还是国际上，都有不少关于AlGaN/GaN增强型HEMT的报道。目前报道的主要有以下几种技术I. F离子注入技术，即基于氟化物CF4的等离子体注入技术，香港科技大学的YongCai等人成功研制了基于F离子注入技术的增强型HEMT器件，该器件通过在AlGaN/GaNHEMT栅下的AlGaN势垒层中注入F离子，由于F离子的强负电性，势垒层中的F离子可以提供稳定的负电荷，因而可以有效的耗尽沟道区的强二维电子气，当AlGaN势垒层中的F离子数达到一定数量时，栅下沟道处的二维电子气完全耗尽，从而实现增强型HEMT器件。但是F注入技术不可避免的会引入材料的损伤，且器件阈值电压的可控性不高。该器件在室温下薄层载流子浓度高达I. 3X 1013cm_2，迁移率为lOOOcmVVs，阈值电压达到0. 9V，最大漏极电流达 310mA/mm。参见文献 Yong Cai, Yugang Zhou, Kevin J. Chen and Kei May Lau,“High-performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasmatreatment”，IEEE Electron Device Lett, Vol. 26, No. 7, JULY 2005。2.非极性或半极性GaN材料实现增强型器件，Masayuki Kuroda等人成功用r面(1102)蓝宝石上的a面(1120)n-AlGaN/GaN HEMT实现了器件的增强，由于非极性或半极性材料由于缺少极化效应，因此其二维电子气浓度很小甚至没有，所以基于非极性或半极性材料的AlGaN/GaN HEMT器件具有增强特性。其报道的阈值电压为-0. 5V，通过降低参杂浓度可进一步增大器件阈值电压，但其器件特性并不好，其电子迁移率只有5. 14cm2/Vs，室温下方块电阻很大。且其栅漏电大小在Vgs =-IOV时达到了 I. lX10_5A/mm。参见文献 Masayuki Kuroda, Hidetoshi Ishida, Tetsuzo Ueda, and Tsuyoshi Tanaka,“Nonpolar(11-20)plane AlGaN/GaN heterojunction field effect transistors on (1-102)plane sapphire”,Journal of Aplied Phisics, Vol. 102, No. 9,November2007。3.槽栅技术，W. B. Lanford等人通过MOCVD利用槽栅技术制得了阈值电压达0. 47V的增强型器件，该器件结构自下而上包括=SiC衬底，成核层，2um厚的GaN，3nm厚的AlGaN，IOnm厚的n-AlGaN, IOnm厚的AlGaN。在欧姆退火之后，不直接蒸发栅金属电极,而是先在预生长栅极区域用干法ICP-RIE方法刻蚀一个凹槽，然后在700°C的氮气氛围下进行快速热退火，之后在凹栅窗口上制作Ni/Au肖特基接触栅电极。槽栅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，从而使栅下2DEG浓度降低，而源漏区的载流子浓度保持较大值不变，这样既可实现器件的增强特性，又可保证一定的电流密度。利用槽栅技术实现的增强型器件其外延生长容易控制，但其调控性较差，且刻蚀过程会形成损伤。参见文献 W. B. Lanford, T. Tanaka, Y. Otoki and I. Adesida, “Recessed-gate enhancement-modeGaN HEMT with high threshold voltage，，，Electronics Letrers, Vol. 41, No. 7, March2005。4. AlGaN/GaN 刻槽 MIS 栅 HFET 结构，Tohru Oka 等人利用刻槽 MIS 栅 HFET 结构实现了高达5. 2V的阈值电压，该外延层结构从下至上为Si衬底，缓冲层，SOOnm后的Al0.05Ga0.95N 缓冲层，40nm 厚的 GaN 沟道层，34nm 厚的 Al。. 25Ga0.75N，Inm 厚的 AlN 势垒层，Inm厚的GaN帽层。该器件由于栅下区域无异质结结构，因而无二维电子气，因此可以实现高阈值增强型，但这种结构也存在在一定的问题，由于栅下异质结被全部刻蚀掉了，导致器件迁移率低，电流密度较低，导通电阻大。参考文献Tohru Oka, To mohiro Nozawa，“AlGaN/GaN Recessed MIS-Gate HFET With High~ThreshoId-VoItage Normally-Off Operationfor Power Electronics Applications，，, IEEE Electron Device Lett, VOL. 29,NO. 7, JULY2008本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张进成，张琳霞，郝跃，马晓华，王冲，霍晶，艾姗，党李莎，孟凡娜，姜腾，赵胜雷，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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