本发明专利技术公开了一种GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管及制作方法，主要解决GaN基增强型器件电流密度低以及可靠性低的问题。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主缓冲层中间刻蚀有凹槽(4)，凹槽两侧的GaN主缓冲层(3)上方为AlGaN主势垒层(5)，凹槽内壁以及凹槽两侧的AlGaN主势垒层(5)表面依次设有GaN次缓冲层(6)和AlGaN次势垒层(7)；AlGaN次势垒层(7)上为源级(8)、漏级(9)、栅极(11)和介质层(10)，源级(8)、漏级(9)分别位于AlGaN次势垒层(7)上方的两侧，栅极(11)位于AlGaN次势垒层(7)上方的中间，介质层(10)分布在源级、漏级、栅级之外的区域。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，制作工艺简单成熟，可靠性高的优势，可用于高温开关器件和数字电路中。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微电子
，涉及半导体材料、器件及其制作エ艺。具体的说是ー种，可用于高温大功率应用场合以及数字电路基本単元中。
技术介绍
随着现代武器装备和航空航天、核能、通信技木、汽车电子、开关电源的发展，对半导体器件的性能提出了更高的要求。作为宽禁带半导体材料的典型代表，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高、热导率高、稳定性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。另外，GaN还具有优良的电子特性，可以和AlGaN形成调制掺杂的AlGaN/GaN异质结构,该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的峰值电子速度和2X107cm/s的饱和电子速度，并获得比第二代化合物半导体异质结构更高的ニ维电子气密度，被誉为是研制微波功率器件的理想材料。因此，基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管HEMT在微波大功率器件方面具有非常好的应用前景。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。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ニ维电子气，当AlGaN势垒层中的F离子数达到一定数量时，栅下沟道处的ニ维电子气完全耗尽，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O. 9V，最大漏极电流达 310mA/mm。參见文献 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/GaNHEMT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，因此其ニ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-O. 5V，通过降低參杂浓度可进ー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。参见又献 Masayuki Kuroaa, hidetoshi Ishida, Tetsuzo Jeaa, 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.薄势鱼层技术，1996年,M. Asif Khan等人首先用IOnm的AlGaN薄势鱼层技术实现了 AlGaN/GaN增强型HEMT器件，薄势垒层AlGaN/GaN增强型HEMT器件由于势垒层厚度减薄，其极化效应减弱，由极化效应引起的沟道处ニ维电子气浓度减小，从而实现器件阈值电压的右移。但是他们获得的结果并不理想，其峰值跨导只有23mS/mm。參见文献M. AsifKhan,Q. Chen,C. J. bun,j. ff. Yang,and M. Blasingame, “Ennancement and depletion modeGaN/AlGaN heterostructure field effect transistors^Appl. Phys. Lett,Vol. 68,No. 4,January 1996。4.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η-AlGaN，IOnm厚的AlGaN。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，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。參见文献W. B. Lanford,i.Tanaka, Y.Otoki and I. Adesida,“Recessed-gate enhancement-mode baN HEMT withhigh threshold voltage，，，Electronics Letrers, Vol. 41, No. 7 March 2005。综上所述，目前国际上AlGaN/GaN HEMT增强型器件主要采用基于槽栅技术和基于氟离子注入技术形成，其均存在如下不足(I)阈值电压的増大往往是以减小电流密度为代价的，很难实现高阈值电压和高电流密度共存的增强型器件；(2)无论槽栅技术还是氟离子注入技术都会对材料造成损伤，虽然经过退火可以消除一定损伤，但是残留的损伤仍然会对器件性能和可靠性造成影响，同时目前这种エ艺的重复性还不高；(3)制作短栅长的短沟道器件的エ艺难度较大，导致器件可靠性低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术的缺陷，提出ー种，以增大器件的电流密度，降低エ艺难度，提高器件的可靠性，满足实际应用。为实现上述本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.ー种GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管，自下而上包括衬底(I)、过渡层(2)和GaN主缓冲层(3)，其特征在于 GaN主缓冲层(3)的中间刻蚀有凹槽(4)，该凹槽⑷的底面为OOOl极性面，凹槽(4)侧面为非0001面，凹槽(4)两侧的GaN主缓冲层(3)上方为AlGaN主势垒层(5)，GaN主缓冲层(3)和AlGaN主势垒层(5)界面上形成主ニ维电子气2DEG层(12)； 凹槽(4)的底面和侧面方向上以及凹槽两侧的AlGaN主势垒层(5)表面，依次设有GaN次缓冲层(6)和AlGaN次势垒层(7);凹槽底面上方的GaN次缓冲层(6)与AlGaN次势垒层(7)的界面上形成次ニ维电子气2DEG层(13);凹槽侧面方向上的GaN次缓冲层(6)与AlGaN次势鱼层(7)为非0001面的AlGaN/GaN异质结,该异质结界面处形成增强型的ニ维电子气2DEG层(15);凹槽两侧的GaN次缓冲层(6)与AlGaN次势垒层(7)的界面上形成辅ニ维电子气2DEG层(14)； 所述AlGaN次势垒层(7)上为源级(8)、漏级(9)、栅极(11)和介质层(10)，该源级(8)和漏级(9)分别位于AlGaN次势垒层(7)上方的两侧，栅极(11)位于AlGaN次势垒层(7)上方的中间，介质层(10)分布在源级、漏级、栅级之外的区域； 所述的辅ニ维电子气2DEG层(14)、增强型的ニ维电子气层(15)以及次ニ维电子气2DEG层(13)，通过电子流经形成第一导电沟道(16);所述的主ニ维电子气2DEG层(12)、增强型的ニ维电子气2DEG层(15)以及次ニ维电子气2DEG层(13)，通过电子流经形成第二导电沟道(17)，使凹槽(4)两侧的区域均为双沟道结构。2.根据权利要求I所述的增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于，次ニ维电子气2DEG层(13)的水平位置低于主ニ维电子气2DEG层(12)的水平位置。3.根据权利要求I所述的增强型高电子迁移率晶体管，其特征在干，AlGaN主势垒层(5)和AlGaN次势垒层(7)为掺杂浓度为IOXIOiW3的N型AlGaN。4.ー种GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管的制作方法，包括以下步骤 1)在反应室中对衬底表面进行预处理； 2)在衬底上外延厚度...
【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，艾姗，周昊，李小刚，霍晶，张宇桐，
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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