[發明專利]一種鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管

無效

• 申請號: 201110251405.9
• 申請日: 2011-08-30
• 公開（公告）號: CN102299176A
• 公開（公告）日: 2011-12-28
• 發明（設計）人: 朱俊;郝蘭眾;李言榮;張萬里
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/51
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 葛啟函

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，涉及鐵電功能薄膜材料、半導體器件，具體指一種增強型GaN異質結場效應晶體管。

背景技術

作為一類新型的寬禁帶半導體材料，GaN具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、載流子遷移率高、抗輻射能力強等特點，在微電子與光電子器件中有廣泛的應用。基于其自身所具有的較強的壓電極化和自發極化，在非有意摻雜的情況下，AlGaN/GaN異質結中能夠形成濃度高達10¹³cm^-2的二維電子氣。因此，GaN基材料在大功率密度、高頻、高速電子器件領域具有極其廣泛的應用前景。

但是，由于GaN是一種強極性半導體材料，在AlGaN/GaN異質結界面自然形成高濃度的2DEG，在通常情況下很難耗盡AlGaN/GaN異質結界面的2DEG，所以，通常GaN異質結場效應晶體管均為耗盡型，即：在零偏壓下GaN異質結場效應晶體管處于常開狀態，只有在柵上加一定大小的負偏壓時，才能使器件處于關斷狀態。從使用的安全性、節能及電子線路的簡化方面考慮，該類耗盡型器件的應用性受到極大的限制。因此，開發具有常關特征的增強型器件成為GaN異質結類半導體器件的關鍵。為此，研究工作者一直在探索增強型GaN異質結場效應晶體管的實現方法。目前，國內外研究人員已采用多種方法研制出增強型GaN場效應管器件：

1、通過能帶設計和剪切降低GaN異質結界面的2DEG濃度，從而實現增強型GaN異質結場效應晶體管。

這一方法的最大缺點是無法實現與耗盡型GaN異質結場效應晶體管的兼容，也就是說：無法在同一片材料上既制造增強型GaN異質結場效應晶體管，還研制出耗盡型GaN異質結場效應晶體管。因此，這種方法無法滿足GaN數字邏輯電路的研制需要。

2、通過減薄柵區下方的AlGaN勢壘層厚度，降低柵區的2DEG濃度，從而實現增強型GaN異質結場效應晶體管。

這種方法雖然有效，但其最大的問題是：由于很難監控刻蝕速率，導致柵區下方的AlGaN勢壘層的厚度難以準確控制。因此，所制造的增強型GaN異質結場效應晶體管的性能一致性和重復性難以保證，這對于GaN數字邏輯電路的研制來說，同樣是很難接受的。

3、對柵區下方的AlGaN勢壘層注入F離子，耗盡柵區的2DEG，從而實現增強型GaN異質結場效應晶體管。

這種方法雖然避免了以上兩種方法的缺點，但其最大的問題是柵區AlGaN勢壘層的F離子注入會破壞GaN異質結界面特性，使增強型GaN場效應晶體管的性能退化。

總之，現有的增強型GaN異質結場效應晶體管技術方案都存在較大問題，需要發明新的技術方法，既能實現增強型GaN異質結場效應晶體管與耗盡型GaN異質結場效應晶體管在制造工藝上的兼容，又能最大限度地保證增強型GaN異質結場效應晶體管與耗盡型GaN異質結場效應晶體管性能相當。

鐵電氧化物作為一種特殊的介質材料，具有鐵電自發極化特性，通過界面耦合效應，由鐵電材料與GaN類半導體所構成的異質體系會表現出一些新穎的性質，如存儲和敏感特性等。但根據現有文獻的報道，已有的鐵電薄膜/GaN異質結半導體器件(鐵電薄膜作為柵介質材料)均表現出常開的特征，即屬于耗盡型器件。特別是，多數鐵電氧化物薄膜的特殊制備工藝條件(如高溫和氧氣氛條件)將大大增加上述技術所制備器件的不穩定性。

發明內容

本發明提供一種鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管，該增強型(常關型)GaN異質結場效應晶體管以鐵電薄膜為柵介質材料，其結構簡單，實現工藝簡單、重復性好、穩定性和可靠性高。

本發明技術方案如下：

一種鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管，如圖1所示，包括位于襯底表面、(0001)晶向的GaN薄膜，位于GaN薄膜表面、(0001)晶向的Al_xGa_1-xN(0＜x≤1)薄膜；所述Al_xGa_1-xN薄膜與GaN薄膜形成GaN異質結；在所述Al_xGa_1-xN薄膜上具有柵、源、漏電極，其中柵電極位于源電極和漏電極之間，且在柵電極與Al_xGa_1-xN薄膜之間具有柵介質薄膜；所述柵介質薄膜或者是LiNbO₃(LNO)鐵電薄膜、或者是LiTaO₃(LTO)鐵電薄膜、或者是M元素摻雜的LNO或LTO鐵電薄膜。