一種槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種具有部分本征GaN帽層的新型槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。這種新型晶體管結(jié)構(gòu)是在晶體管柵極邊緣引入本征GaN帽層，該本征GaN帽層會(huì)降低該區(qū)域?qū)щ姕系赖亩S電子氣濃度，實(shí)現(xiàn)電場調(diào)制效應(yīng)。通過產(chǎn)生新的電場峰，降低了柵邊緣的高電場，使晶體管表面的電場分布更加均勻，與傳統(tǒng)槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)相比，新型結(jié)構(gòu)的擊穿電壓和可靠性也就有了明顯的提高與改善。

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.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管
本專利技術(shù)涉及半導(dǎo)體器件
，特別是涉及一種槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。
技術(shù)介紹
由于以Si和GaAs為代表的第一代和第二代半導(dǎo)體材料的局限性，第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能得到了飛速發(fā)展。GaN材料作為第三代半導(dǎo)體材料的核心之一，相比Si，GaAs和SiC特殊之處在于其所具有的極化效應(yīng)。利用這種特殊性，人們研制了AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管，AlGaN/GaNHEMTs是以AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料為基礎(chǔ)而制造的GaN基微電子器件。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)通過自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)在異質(zhì)結(jié)界面處形成高密度二維電子氣(twodimensionalelectrongas，2DEG)，這種二維電子氣具有很高的遷移率，從而使AlGaN/GaNHEMTs具有很低的導(dǎo)通電阻。與傳統(tǒng)的場效應(yīng)晶體管(FET)器件相比，AlGaN/GaNHEMTs具有高跨導(dǎo)、高飽和電流以及高截止頻率等優(yōu)良特性。而且，實(shí)驗(yàn)證明，GaN基HEMTs在1000K的高溫下仍然保持著良好的直流特性，從而為高溫環(huán)境應(yīng)用提供了可靠的保證。由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的生長和AlGaN/GaNHEMTs器件的研制始終占據(jù)著GaN電子器件研究的主要地位。然而十幾年來針對(duì)GaN基電子器件研究的大部分工作集中在耗盡型AlGaN/GaNHEMTs器件上，這是由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中強(qiáng)極化電荷的存在，使得制造GaN基的增強(qiáng)型器件變得十分困難，因此高性能增強(qiáng)型AlGaN/GaNHEMTs的研究具有非常重要的意義。對(duì)于GaN基增強(qiáng)型器件，工藝上較為容易實(shí)現(xiàn)的是槽柵MIS結(jié)構(gòu)。TohruOka等人利用槽柵技術(shù)制得了閾值電壓高達(dá)5.2V的增強(qiáng)型器件。該器件結(jié)構(gòu)自下而上包括：Si襯底，800nm厚的Al0.05Ga0.95N緩沖層，40nm厚的GaN溝道層，1nm的AlN插入層，34nm厚的Al0.25Ga0.75N勢壘層，1nm的GaN帽層。該技術(shù)通過將柵下的勢壘層刻蝕一定深度，使得柵下勢壘層變薄甚至消失，從而使柵下2DEG濃度降低甚至為零，而源漏區(qū)的載流子濃度保持較大值不變，同時(shí)在柵電極與AlGaN勢壘層之間淀積厚度為20nm的SiN絕緣層，形成MIS結(jié)構(gòu)。這樣既可實(shí)現(xiàn)器件的增強(qiáng)型特性，又可保證一定的電流密度。具體參見文獻(xiàn)：TohruOka，TomohiroNozawa，“AlGaN/GaNRecessedMIS-GateHFETWithHigh-Threshold-VoltageNormally-OffOperationforPowerElectronicsApplications”,ElectronDeviceLetters,Vol.29,No.7,July2008.然而，在槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaNHEMTs的柵邊緣往往存在著高峰電場，其會(huì)給器件帶來以下不利影響：1、會(huì)引起電子–空穴對(duì)離化，當(dāng)達(dá)到GaN材料的臨界擊穿電場這一雪崩條件時(shí)，器件在柵電極邊緣擊穿。2、即使沒有達(dá)到GaN材料的臨界擊穿電場，高電場效應(yīng)仍然會(huì)使柵電極電子場致發(fā)射遂穿進(jìn)入表面鈍化層，這些隧穿的電子會(huì)中和AlGaN層的表面極化正電荷，而這些表面極化正電荷，直接關(guān)系到異質(zhì)結(jié)界面處2DEG的濃度大小，部分表面正電荷被中和會(huì)降低高密度的2DEG濃度，從而使AlGaN/GaNHEMTs輸出電流明顯減小，這就是電流崩塌效應(yīng)。3、使電子–空穴對(duì)的離化幾率增加，電離后的空穴在縱向電場作用下進(jìn)入溝道中和2DEG,也會(huì)使2DEG濃度減小，進(jìn)一步減小輸出電流；而且電離后的電子進(jìn)入AlGaN極化層會(huì)給器件閾值電壓帶來不利影響，使得器件可靠性降低。因此，設(shè)計(jì)一種新型槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaNHEMTs器件，通過引入新的電場峰，從而降低器件柵邊緣高峰電場是一種優(yōu)化其性能、提高其擊穿電壓與可靠性的重要手段。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中由于在槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管的柵邊緣存在高峰電場而引起的器件雪崩擊穿、電流崩塌效應(yīng)，閾值電壓和輸出電流減小，可靠性降低等一系列問題，本專利技術(shù)提供一種新型槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。解決方案如下：一種槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，包括：半絕緣襯底；位于所述半絕緣襯底上異質(zhì)外延生長的AlN成核層；位于所述AlN成核層上外延生長的GaN緩沖層；位于所述GaN緩沖層上外延生長的AlGaN勢壘層；分列于所述AlGaN層上的源極、柵凹槽以及漏極；位于所述源極與漏極之間的柵凹槽；位于所述柵凹槽上的絕緣介質(zhì)層；位于所述絕緣介質(zhì)層上的柵極(即柵極通過絕緣介質(zhì)層與所述AlGaN勢壘層相連)；其特殊之處在于：在AlGaN勢壘層上還外延生長有與柵極邊緣鄰接的本征GaN帽層，所述本征GaN帽層部分覆蓋或者完全覆蓋柵極和漏極之間的區(qū)域。基于上述解決方案，本專利技術(shù)還進(jìn)一步作如下優(yōu)化限定和改進(jìn)：上述本征GaN帽層是通過在AlGaN勢壘層表面外延生長本征GaN層，然后刻蝕形成的。本征GaN帽層位于柵極和漏極之間，可以部分覆蓋，也可以完全覆蓋。這是因?yàn)楸菊鱃aN帽層對(duì)溝道2DEG濃度調(diào)制作用的效果與其長度有關(guān)，可以靈活選擇刻蝕區(qū)域。上述本征GaN帽層長度以不超過柵漏間距的百分之二十為佳。上述柵凹槽是通過對(duì)本征GaN帽層和AlGaN勢壘層局部刻蝕形成的。上述絕緣介質(zhì)層是通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積介質(zhì)層形成的，材料為氮化硅或氧化鋁。上述柵極是通過在絕緣介質(zhì)層上淀積金屬形成的。上述源極和所述漏極均通過歐姆接觸與所述AlGaN勢壘層相連。上述外延生長的GaN緩沖層具有n型電阻特性或半絕緣特性。上述半絕緣襯底為能夠與所述AlN成核層異質(zhì)外延的半絕緣材料，優(yōu)選硅或碳化硅；或者,半絕緣襯底替換為藍(lán)寶石。本專利技術(shù)的上述技術(shù)方案的有益效果如下：在晶體管柵極邊緣引入本征GaN帽層，該本征GaN帽層會(huì)降低該區(qū)域?qū)щ姕系?DEG的濃度，實(shí)現(xiàn)電場調(diào)制效應(yīng)。通過產(chǎn)生新的電場峰，降低了柵邊緣的高電場，使晶體管表面的電場分布更加均勻。隨著本征GaN帽層長度的增加，電場調(diào)制效應(yīng)增強(qiáng)，使得新電場峰值提高，柵邊緣高峰電場下降量增加；而且由于表面電場分布更加均勻，使得器件在達(dá)到GaN材料臨界擊穿電場時(shí)所需要施加的漏端電壓更大，擊穿電壓提高，器件可靠性相比于傳統(tǒng)槽柵增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)，也有了明顯的改善。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)在工藝上制作簡單，不會(huì)對(duì)AlGaN勢壘層造成額外的不利影響，保證了器件在工藝制造過程中的穩(wěn)定性與可靠性。附圖說明圖1為本專利技術(shù)具有部分本征GaN帽層的新型槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管的示意圖。圖2為傳統(tǒng)槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)與本專利技術(shù)具有部分本征GaN帽層的槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)擊穿時(shí)溝道電場分布與電壓值對(duì)比圖。具體實(shí)施方式為使本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。該實(shí)施例是一種具有部分本征GaN帽層的新型槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGa本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，包括：半絕緣襯底；位于所述半絕緣襯底上異質(zhì)外延生長的AlN成核層；位于所述AlN成核層上外延生長的GaN緩沖層；位于所述GaN緩沖層上外延生長的AlGaN勢壘層；分列于所述AlGaN勢壘層上的源極、柵凹槽以及漏極；所述柵凹槽位于所述源極與漏極之間；位于所述柵凹槽上的絕緣介質(zhì)層；位于所述絕緣介質(zhì)層上的柵極；其特征在于：在AlGaN勢壘層上還外延生長有與柵極邊緣鄰接的本征GaN帽層，所述本征GaN帽層部分覆蓋或者完全覆蓋柵極和漏極之間的區(qū)域。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，包括：半絕緣襯底；位于所述半絕緣襯底上異質(zhì)外延生長的AlN成核層；位于所述AlN成核層上外延生長的GaN緩沖層；位于所述GaN緩沖層上外延生長的AlGaN勢壘層；分列于所述AlGaN勢壘層上的源極、柵凹槽以及漏極；所述柵凹槽位于所述源極與漏極之間；位于所述柵凹槽上的絕緣介質(zhì)層；位于所述絕緣介質(zhì)層上的柵極；其特征在于：在AlGaN勢壘層上還外延生長有與柵極邊緣鄰接的本征GaN帽層，所述本征GaN帽層部分覆蓋或者完全覆蓋柵極和漏極之間的區(qū)域。2.如權(quán)利要求1所述的槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于：所述本征GaN帽層是通過在AlGaN勢壘層表面外延生長本征GaN層，然后刻蝕形成的。3.如權(quán)利要求1所述的槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于：所述本征GaN帽層長度不超過柵漏間距的百分之二十。4.如權(quán)利要求1所述的槽柵增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)AlG...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：段寶興，謝慎隆，郭海君，袁嵩，楊銀堂，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西安電子科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西,61