[发明专利]GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料、器件及其制作工艺。具体的说是一种GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管及制作方法，可用于高温大功率应用场合以及数字电路基本单元中。

背景技术

随着现代武器装备和航空航天、核能、通信技术、汽车电子、开关电源的发展，对半导体器件的性能提出了更高的要求。作为宽禁带半导体材料的典型代表，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高、热导率高、稳定性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。另外，GaN还具有优良的电子特性，可以和AlGaN形成调制掺杂的AlGaN/GaN异质结构，该结构在室温下可以获得高于1500cm²/Vs的电子迁移率，以及高达3×10⁷cm/s的峰值电子速度和2×10⁷cm/s的饱和电子速度，并获得比第二代化合物半导体异质结构更高的二维电子气密度，被誉为是研制微波功率器件的理想材料。因此，基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管HEMT在微波大功率器件方面具有非常好的应用前景。

AlGaN/GaN异质结材料的生长和AlGaN/GaN HEMT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 HEMT器件上，这是因为AlGaN/GaN异质结构中较强极化电荷的存在，使得制造基于GaN的增强型器件变得十分困难，因此高性能AlGaN/GaN增强型HEMT的研究具有非常重要的意义。首先，GaN基材料被誉为是研制微波功率器件的理想材料，而增强型器件在微波功率放大器和低噪声放大器等电路中由于减少了负电压源，从而大大降低了电路的复杂性以及成本，且AlGaN/GaN增强型HEMT器件在微波大功率器件和电路具有很好的电路兼容性；同时，增强型器件的研制使单片集成耗尽型/增强型器件的数字电路成为可能；而且，在功率开光应用方面，AlGaN/GaN增强型HEMT也有很大的应用前景；因而高性能AlGaN/GaN增强型HEMT器件的研究得到了极大的重视。

目前，不论是国内还是国际上，都有不少关于AlGaN/GaN增强型HEMT的报道。目前报道的主要有以下几种技术：

1.F离子注入技术，即基于氟化物CF4的等离子体注入技术，香港科技大学的Yong Cai等人成功研制了基于F离子注入技术的增强型HEMT器件，该器件通过在AlGaN/GaN HEMT栅下的AlGaN势垒层中注入F离子，由于F离子的强负电性，势垒层中的F离子可以提供稳定的负电荷，因而可以有效的耗尽沟道区的强二维电子气，当AlGaN势垒层中的F离子数达到一定数量时，栅下沟道处的二维电子气完全耗尽，从而实现增强型HEMT器件。但是F注入技术不可避免的会引入材料的损伤，且器件阈值电压的可控性不高。该器件在室温下薄层载流子浓度高达1.3×10¹³cm^-2，迁移率为1000cm²/Vs，阈值电压达到0.9V，最大漏极电流达310mA/mm。参见文献Yong Cai，Yugang Zhou，Kevin J.Chen and Kei May Lau，“High-performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasma treatment”，IEEE Electron Device Lett，Vol.26，No.7，JULY 2005。