[发明专利]一种增强型AlGaN/GaN场效应管及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及GaN基微波及功率器件领域，尤其涉及一种增强型AlGaN/GaN场效应管及其制作方法。

背景技术

GaN基材料同传统的III-V族半导体材料相比，具有键长更短和禁带宽度更大等明显特征。较短的键长意味着大的键能和小的原子质量，从而导致大的声子能量，并且晶格散射很难发生，这样在宏观上会形成很高的热导率和饱和迁移率。大的禁带宽度使得击穿电场更高，雪崩效应难以发生。同时，减少了高温下本征载流子以及漏电流的产生。当AlGaN与GaN形成异质结时，由于两种氮化物均具有很强的自发极化，以及AlGaN层中存在的压电极化，很容易在界面上形成极强的极化电荷，并产生高达10¹³/cm²的二维电子气(2DEG)。这比GaAs基材料形成的二维电子气面密度高了一个数量级。GaN基材料的这些性质非常适合于制作高温、高频、大功率器件。然而，AlGaN/GaN异质结中极化场产生的高浓度的二维电子气，导致了场效应管中导电沟道很难被Schottky接触形成的耗尽区阻断，所以要形成增强型的器件十分困难。近年来，关于GaN基场效应管的研究方兴未艾，已有少数实现增强型场效应管的报道。

增强型场效应管是指阈值电压大于0伏的晶体管器件。主要用于数字逻辑电路、功率开关器件和高频器件等。GaN基增强型场效应管的出现，有望弥补当前Si基和GaAs基增强型器件在高温、大功率以及抗辐射等方面的缺点，因此具有广泛的应用前景。当前制作GaN基增强型场效应管，主要采用异质结的方式，即AlGaN/GaN HFET的方式来实现。以下是实现途径的实例：

用AlGaN/GaN异质结的方式实现增强型HFET必须设法耗尽导电沟道，使得栅极电压为0伏时器件处于常关态。目前主要的方法有：凹栅结构(Gaterecessing)、薄势垒层结构(Thin barrier layer)、栅极氟化物等离子体注入(Gate fluoride-based plasma treatment)、栅极下生长InGaN层、栅极下生长P型AlGaN层(或P型的GaN层)等。

凹栅结构由美国伊利诺伊大学的Kumar等人在2001年提出。一般过程为，在蓝宝石衬底上，用MOCVD的方法依次生长一层AlN缓冲层，一层非掺杂的GaN，以及一层非掺杂AlGaN。然后通过等离子刻蚀的方法形成栅极的凹槽，并蒸镀获得栅极，栅极下的AlGaN层厚度为10nm左右。最后用剥离的方法得到欧姆接触的源极和漏极。由于栅极下的AlGaN层很薄，一方面在异质结界面的二维电子气浓度会大大降低，同时势阱对二维电子气的限制能力也减弱；另一方面栅极产生的耗尽区也更容易耗尽栅极下的二维电子气导电沟道。栅极下AlGaN越薄，开启电压越大。使用该方法，伊利诺伊大学的Lanford等人制作出了阈值电压为0.35V，最大漏极电流密度为505mA/mm，最大跨导为345mS/mm的增强型HEMT。

参见文献：W.B.Lanford，et al.，″Recessed-gate enhancement-mode GaN HEMTwith high threshold voltage″，Electron.Lett.，vol.41，no.7，2005。日本东芝研发中心的Saito等人也用这种方法制作阈值电压超过1V的增强型HEMT。参见文献：Wataru Saito，et al.，″Recessed-Gate Structure ApproachToward Normally Off High-Voltage AlGaN/GaN HEMT for Power ElectronicsApplications″，IEEE Trans.Electron Devices，vol.53，no.2，pp.356-362，2006。