一種槽柵增強型AlGaN/GaN異質結場效應晶體管制造技術

本發明專利技術公開了一種具有部分本征GaN帽層的槽柵增強型AlGaN/GaN異質結場效應晶體管。這種新型晶體管結構是在晶體管柵極邊緣引入本征GaN帽層，該本征GaN帽層會降低該區域導電溝道的二維電子氣濃度，實現電場調制效應。通過產生新的電場峰，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，與傳統槽柵增強型結構相比，新型結構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 AlGaN/GaN heterojunction field-effect transistor

The present invention discloses a slot gate enhancement type 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 structure, novel structure breakdown voltage and reliability have improved significantly.

【技術實現步驟摘要】
一種槽柵增強型AlGaN/GaN異質結場效應晶體管
本專利技術涉及半導體器件
，特別是涉及一種槽柵增強型AlGaN/GaN異質結場效應晶體管。
技術介紹
由于以Si和GaAs為代表的第一代和第二代半導體材料的局限性，第三代寬禁帶半導體材料因為其優異的性能得到了飛速發展。GaN材料作為第三代半導體材料的核心之一，相比Si，GaAs和SiC特殊之處在于其所具有的極化效應。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異質結材料為基礎而制造的GaN基微電子器件。AlGaN/GaN異質結通過自發極化和壓電極化效應在異質結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具有很低的導通電阻。與傳統的場效應晶體管(FET)器件相比，AlGaN/GaNHEMTs具有高跨導、高飽和電流以及高截止頻率等優良特性。而且，實驗證明，GaN基HEMTs在1000K的高溫下仍然保持著良好的直流特性，從而為高溫環境應用提供了可靠的保證。由于AlGaN/GaN異質結得天獨厚的優勢，AlGaN/GaN異質結材料的生長和AlGaN/GaNHEMTs器件的研制始終占據著GaN電子器件研究的主要地位。然而十幾年來針對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異質結中強極化電荷的存在，使得制造GaN基的增強型器件變得十分困難，因此高性能增強型AlGaN/GaNHEMTs的研究具有非常重要的意義。對于GaN基增強型器件，工藝上較為容易實現的是槽柵結構。W.B.Lanford等人通過MOCVD利用槽柵技術制得了閾值電壓達0.47V的增強型器件。該器件結構自下而上包括：SiC襯底，成核層，2um厚的GaN，3nm厚的AlGaN，10nm厚的n-AlGaN，10nm厚的AlGaN。該技術通過將柵下的勢壘層刻蝕一定深度，使得柵下勢壘層變薄，從而使柵下2DEG濃度降低，而源漏區的載流子濃度保持較大值不變，這樣既可實現器件的增強型特性，又可保證一定的電流密度。參見文獻:W.B.Lanford,T.Tanaka,Y.OtokiandI.Adesida,“Recessed-gateenhancement-modeGaNHEMTwithhighthresholdvoltage”,ElectronicsLetters,Vol.41,No.7,March2005.然而，在槽柵增強型AlGaN/GaNHEMTs的柵邊緣往往存在著高峰電場，其會給器件帶來以下不利影響：1、會引起電子–空穴對離化，當達到GaN材料的臨界擊穿電場這一雪崩條件時，器件在柵電極邊緣擊穿。2、即使沒有達到GaN材料的臨界擊穿電場，高電場效應仍然會使柵電極電子場致發射遂穿進入表面鈍化層，這些隧穿的電子會中和AlGaN層的表面極化正電荷，而這些表面極化正電荷，直接關系到異質結界面處2DEG的濃度大小，部分表面正電荷被中和會降低高密度的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。3、使電子–空穴對的離化幾率增加，電離后的空穴在縱向電場作用下進入溝道中和2DEG,也會使2DEG濃度減小，進一步減小輸出電流；而且電離后的電子進入AlGaN極化層會給器件閾值電壓帶來不利影響，使得器件可靠性降低。
技術實現思路
為了解決現有技術中由于在槽柵增強型AlGaN/GaN異質結場效應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，閾值電壓和輸出電流減小，可靠性降低等一系列問題，本專利技術提供一種新型槽柵增強型AlGaN/GaN異質結場效應晶體管。解決方案如下：一種槽柵增強型AlGaN/GaN異質結場效應晶體管，包括：半絕緣襯底；位于所述半絕緣襯底上異質外延生長的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柵極；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域，其長度與溝道2DEG濃度調制需要有關。基于上述解決方案，本專利技術還進一步作如下優化限定和改進：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。這是因為本征GaN帽層對溝道2DEG濃度調制作用的效果與其長度有關，可以靈活選擇刻蝕區域，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本征GaN帽層和AlGaN勢壘層局部刻蝕形成的。上述柵極通過肖特基接觸與所述AlGaN勢壘層相連。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成核層異質外延的半絕緣材料，優選硅或碳化硅，或者采用藍寶石襯底。本專利技術的上述技術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帽層會降低該區域導電溝道2DEG的濃度，實現電場調制效應。通過產生新的電場峰，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，電場調制效應增強，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，使得器件在達到GaN材料臨界擊穿電場時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槽柵增強型結構，也有了明顯的改善。附圖說明圖1為本專利技術具有部分本征GaN帽層的新型槽柵增強型AlGaN/GaN異質結場效應晶體管的示意圖。圖2為傳統槽柵增強型AlGaN/GaN異質結場效應晶體管結構與本專利技術具有本征GaN帽層的槽柵增強型AlGaN/GaN異質結場效應晶體管結構擊穿時溝道電場分布與電壓值對比圖。具體實施方式為使本專利技術要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖及具體實施例進行詳細描述。該實施例是一種具有部分本征GaN帽層的新型槽柵增強型AlGaN/GaN異質結場效應晶體管。其結構如圖1所示，主要包括：半絕緣襯底0；位于半絕緣襯底上異質外延生長的AlN成核層1；位于AlN成核層上外延生長的GaN緩沖層2；位于GaN緩沖層上外延生長的AlGaN勢壘層3；位于所述AlGaN勢壘層上的柵凹槽4、漏極5以及源極6；位于柵凹槽上的柵極7；位于所述AlGaN勢壘層上，與柵極邊緣鄰接的本征GaN帽層8。槽柵結構是常用的實現增強型的方法。通過將柵下的勢壘層刻蝕一定深度，使得柵下勢壘層變薄，從而使柵下2DEG濃度降低，進而實現增強型特性。器件的閾值電壓取決于刻蝕深度。引入本征GaN帽層，使得GaN/AlGaN界面處感應出負極化電荷，這層負電荷降低了溝道2DEG濃度，產生新的電場峰，使得柵極邊緣高電場降低，表面電場分布趨于均勻。隨著本征GaN帽層長度的增加，電場調制效應增強，使得新電場峰本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種槽柵增強型AlGaN/GaN異質結場效應晶體管，包括：半絕緣襯底；位于所述半絕緣襯底上異質外延生長的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域,其長度與對溝道2DEG濃度調制的需要有關。

【技術特征摘要】
1.一種槽柵增強型AlGaN/GaN異質結場效應晶體管，包括：半絕緣襯底；位于所述半絕緣襯底上異質外延生長的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域,其長度與對溝道2DEG濃度調制的需要有關。2.如權利要求1所述的槽柵增強型AlGaN/GaN異質結場效應晶體管，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.如權利要求1所述的槽柵增強型AlGaN/GaN異質結場效應晶體管，其特征在...

【專利技術屬性】
技術研發人員：段寶興，郭海君，謝慎隆，袁嵩，楊銀堂，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61