[发明专利]一种具有部分本征GaN帽层的AlGaN/GaN异质结场效应晶体管

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种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。

然而在AlGaN/GaN HEMTs的栅边缘往往存在着高峰电场，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。

因此，设计一种新型AlGaN/GaN HEMTs器件结构，通过引入新的电场峰，从而降低器件栅边缘高峰电场是一种优化其性能、提高其击穿电压与可靠性的重要手段。这也一直是国内外针对AlGaN/GaN HEMTs器件研究领域的热点。

发明内容

为了解决现有技术中由于在AlGaN/GaN异质结场效应晶体管的栅边缘存在高峰电场而引起的器件雪崩击穿、电流崩塌效应，阈值电压和输出电流减小，可靠性降低等一系列问题，本发明提供一种新型的AlGaN/GaN异质结场效应晶体管。

解决方案如下：

一种具有部分本征GaN帽层的AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，包括：

半绝缘衬底；

位于所述半绝缘衬底上异质外延生长的AlN成核层；

位于所述AlN成核层上生长的GaN缓冲层；

位于所述GaN缓冲层上生长的AlGaN势垒层；

分列于所述AlGaN势垒层上的源极、栅极以及漏极；

其特殊之处在于：

在AlGaN势垒层上还外延生长有与栅极边缘邻接的本征GaN帽层，所述本征GaN帽层部分覆盖或者完全覆盖栅极和漏极之间的区域。

在以上方案的基础上，本发明还进一步作如下优化限定：

上述本征GaN帽层是通过在AlGaN势垒层表面外延生长本征GaN层，然后刻蚀形成的。

本征GaN帽层位于栅极和漏极之间，可以部分覆盖，也可以完全覆盖。这是因为本征GaN帽层对沟道2DEG浓度调制作用的效果与其长度有关，可以灵活选择刻蚀区域，本征GaN帽层长度以不超过栅漏间距的百分之二十为佳。

上述栅极通过肖特基接触与所述AlGaN势垒层相连。

上述源极和所述漏极均通过欧姆接触与所述AlGaN势垒层相连。

上述GaN缓冲层具有n型电阻特性或半绝缘特性。

上述半绝缘衬底为能够与所述AlN成核层异质外延的半绝缘材料，优选硅或碳化硅，或者替换为蓝宝石衬底。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

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2DEG的浓度，实现电场调制效应，以此产生新的电场峰，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。