[發(fā)明專利]一種雙異質(zhì)結(jié)MOS-HEMT器件

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010107441.3
• 申請(qǐng)日: 2010-02-09
• 公開（公告）號(hào): CN101789446A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡偉達(dá);王林;王曉東;陳效雙;陸衛(wèi)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號(hào): H01L29/778
• 分類號(hào): H01L29/778;H01L29/78;H01L21/336;H01L29/205;H01L29/51
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體元器件技術(shù)，具體指一種Al₂O₃/AlN/GaN/InGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)MOS-HEMT器件。

背景技術(shù)

以氮化鎵(GaN)為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件，是繼第一、二代半導(dǎo)體器件之后，近十年迅速發(fā)展起來(lái)的新型寬禁帶半導(dǎo)體器件。90年代以來(lái)，隨著氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)工藝的一系列重大突破，以GaN為代表的新一代半導(dǎo)體材料逐漸引起了人們的關(guān)注，其禁帶寬度大、電子遷移率高、熱導(dǎo)率高，具有耐高壓、耐熱分解、耐腐蝕和耐放射性輻照的特點(diǎn)，特別適合于制作超高頻、高溫、高功率HEMT器件，被譽(yù)為“后硅器時(shí)代”的主要代表，其研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)。

目前，GaN基HEMT器件已經(jīng)走向了實(shí)用化的階段，在基站信號(hào)傳輸、遠(yuǎn)距離空間通信等方面發(fā)揮著重要的作用，但由于器件工藝技術(shù)的不完善，在材料生長(zhǎng)過(guò)程中各外延層不可避免地出現(xiàn)較高濃度的體陷阱，嚴(yán)重影響了器件的輸出特性。當(dāng)器件作為微波放大電路基本單元使用時(shí)，器件中的溝道電子在高電場(chǎng)的作用下會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的量子隧穿和熱電子現(xiàn)象，大量電子被體陷阱所捕獲，造成飽和電流嚴(yán)重下降，限制了該器件的進(jìn)一步地推廣應(yīng)用。對(duì)于GaN基器件，Binari等人在1997年第一次觀察到了GaN基MESFET的強(qiáng)場(chǎng)電流坍塌效應(yīng)，并使用光電離能譜的方法研究了MESFET的陷阱能級(jí)，認(rèn)為半絕緣的GaN緩沖層中的1.8eV和2.85eV的兩個(gè)深陷阱俘獲電子。之后，Klein等人于2001年，采用這種方法對(duì)GaN基HEMT器件進(jìn)行研究得到相同的結(jié)果，最后證實(shí)了高電場(chǎng)下緩沖層體陷阱是造成電流坍塌的主要原因。

傳統(tǒng)GaN基HEMT器件中的電流坍塌，除了制備工藝上的問(wèn)題外，器件本身物理結(jié)構(gòu)的缺陷也是一個(gè)重要因素。傳統(tǒng)GaN基HEMT器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，溝道區(qū)域主要存在于緩沖層，而緩沖層的導(dǎo)帶能量卻比勢(shì)壘層小很多，因此在高電場(chǎng)作用下，大量的電子進(jìn)入緩沖層被消耗掉。另外緩沖層具有較大的厚度，而這又將嚴(yán)重降低溝道中的電子濃度。

因此，為了獲得較大的微波輸出功率，同時(shí)保持傳統(tǒng)GaN基HEMT器件中GaN層高電子遷移率的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)人們提出了一些改進(jìn)方案以提高勢(shì)阱的深度，增加對(duì)電子的束縛，比如：2004年紐約州立大學(xué)的W.Lanfort等人提出了AlGaN/InGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，2005年以色列技術(shù)工程學(xué)院的O.Katz等提出了InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)他們分別證明了這兩種結(jié)構(gòu)制作的HEMT器件具有更大的功率。最近，一種帶有InGaN嵌入層的AlGaN/GaN/InGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件結(jié)構(gòu)被報(bào)導(dǎo)，如圖1所示。InGaN材料具有強(qiáng)的壓電極化現(xiàn)象，電荷的極性與AlGaN材料的相反，當(dāng)它在GaN材料系統(tǒng)中生長(zhǎng)時(shí)，InGaN材料被壓縮極化，造成InGaN與GaN異質(zhì)結(jié)界面處的極化電荷密度大概為傳統(tǒng)GaN基HEMT器件1.5倍，如此高的極化電荷密度使得GaN緩沖層的導(dǎo)帶能量上升了很多。因此，相對(duì)于傳統(tǒng)GaN基HEMT器件，這種雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件在高電場(chǎng)作用下可以有效地抑制溝道電子被緩沖層體陷阱所捕獲，即相對(duì)較小的電流坍塌效應(yīng)。盡管如此，AlGaN/GaN/InGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件仍具有以下的缺點(diǎn)：一、自加熱效應(yīng)明顯；二、電流坍塌效應(yīng)明顯；三、閾值電壓過(guò)大；四、柵極漏電流嚴(yán)重。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：提供一種Al₂O₃/AlN/GaN/InGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)MOS-HEMT器件結(jié)構(gòu)，降低器件的自加熱效應(yīng)、電流坍塌效應(yīng)和柵極漏電流，增大器件的輸出功率，降低器件在耗盡模式工作下的閾值電壓。