[发明专利]一种槽栅增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管

说明书

本发明公开了一种具有部分本征GaN帽层的槽栅增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管。这种新型晶体管结构是在晶体管栅极边缘引入本征GaN帽层，该本征GaN帽层会降低该区域导电沟道的二维电子气浓度，实现电场调制效应。通过产生新的电场峰，降低了栅边缘的高电场，使晶体管表面的电场分布更加均匀，与传统槽栅增强型结构相比，新型结构的击穿电压和可靠性也就有了明显的提高与改善。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种槽栅增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管。

背景技术

由于以Si和GaAs为代表的第一代和第二代半导体材料的局限性，第三代宽禁带半导体材料因为其优异的性能得到了飞速发展。GaN材料作为第三代半导体材料的核心之一，相比Si，GaAs和SiC特殊之处在于其所具有的极化效应。利用这种特殊性，人们研制了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，AlGaN/GaN HEMTs是以AlGaN/GaN异质结材料为基础而制造的GaN基微电子器件。AlGaN/GaN异质结通过自发极化和压电极化效应在异质结界面处形成高密度二维电子气(two dimensional electron gas，2DEG)，这种二维电子气具有很高的迁移率，从而使AlGaN/GaN HEMTs具有很低的导通电阻。与传统的场效应晶体管(FET)器件相比，AlGaN/GaN HEMTs具有高跨导、高饱和电流以及高截止频率等优良特性。而且，实验证明，GaN基HEMTs在1000K的高温下仍然保持着良好的直流特性，从而为高温环境应用提供了可靠的保证。

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 HEMTs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 HEMTs器件上，这是由于AlGaN/GaN异质结中强极化电荷的存在，使得制造GaN基的增强型器件变得十分困难，因此高性能增强型AlGaN/GaN HEMTs的研究具有非常重要的意义。

对于GaN基增强型器件，工艺上较为容易实现的是槽栅结构。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，10nm厚的n-AlGaN，10nm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型特性，又可保证一定的电流密度。参见文献:

W.B.Lanford,T.Tanaka,Y.Otoki and I.Adesida,“Recessed-gateenhancement-mode GaN HEMT with high threshold voltage”,Electronics Letters,Vol.41,No.7,March2005.

然而，在槽栅增强型AlGaN/GaN HEMTs的栅边缘往往存在着高峰电场，其会给器件带来以下不利影响：1、会引起电子–空穴对离化，当达到GaN材料的临界击穿电场这一雪崩条件时，器件在栅电极边缘击穿。2、即使没有达到GaN材料的临界击穿电场，高电场效应仍然会使栅电极电子场致发射遂穿进入表面钝化层，这些隧穿的电子会中和AlGaN层的表面极化正电荷，而这些表面极化正电荷，直接关系到异质结界面处2DEG的浓度大小，部分表面正电荷被中和会降低高密度的2DEG浓度，从而使AlGaN/GaN HEMTs输出电流明显减小，这就是电流崩塌效应。3、使电子–空穴对的离化几率增加，电离后的空穴在纵向电场作用下进入沟道中和2DEG,也会使2DEG浓度减小，进一步减小输出电流；而且电离后的电子进入AlGaN极化层会给器件阈值电压带来不利影响，使得器件可靠性降低。

发明内容