[發明專利]高閾值電壓氮化鎵增強型晶體管結構及制備方法

有效

• 申請號: 201210172341.8
• 申請日: 2012-05-30
• 公開（公告）號: CN102709322A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 劉興釗;陳超;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;H01L21/335
• 代理公司: 成都惠迪專利事務所 51215
• 代理人: 劉勛

技術領域

本發明涉及半導體技術。

背景技術

與基于鋁鎵砷/鎵砷(AlGaAs/GaAs)異質結的高電子遷移率晶體管(HEMT)相比，基于鋁鎵氮/鎵氮(AlGaN/GaN)異質結的HEMT器件具有以下優點：

(1)、AlGaN/GaN異質結界面的二維電子氣(2DEG)濃度較高(可達1013cm-2)，比AlGaAs/GaAs異質結界面的2DEG濃度高出近一個數量級，因此，基于AlGaN/GaN異質結的HEMT將具有更高的輸出功率密度。作為規模化生產的產品，基于AlGaN/GaN異質結的HEMT器件功率密度已達到達10W/毫米以上，比GaAs基HEMT器件的功率密度高出近20倍。

(2)、由于GaN屬于寬禁帶半導體，其工作溫度高，可在500℃以上正常工作，而基于AlGaAs/GaAs異質結的HEMT器件的極限工作溫度約為200℃左右。

(3)、由于GaN具有更高的擊穿電場，因此，基于AlGaN/GaN異質結的HEMT器件具有較高的柵-漏擊穿電壓，與AlGaAs/GaAs異質結HEMT器件相比，其工作偏置高出好幾倍以上。

(4)、由干GaN材料化學鍵能高，材料的物理化學性能穩定，受外來的物理、化學作用的影響弱，因此，基于AlGaN/GaN異質結的HEMT具有很強的抗輻照能力。

由于GaN器件的以上特點，不僅使得基于AlGaN/GaN異質結的HEMT器件可廣泛應用于雷達、通信及航空航天等高頻功率器件領域，還在電力電子器件領域具有極大應用潛力，使之成為了繼硅(Si)、鎵砷之后最有應用潛力的半導體材料，并廣泛受到業界和學界的關注和研究。

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，基于AlGaN/GaN異質結的HEMT器件通常均為耗盡型，即：在零偏壓下AlGaN/GaN異質結的HEMT器件處于常開狀態，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，這對于電力電子器件領域的應用來說，其安全性將成為很大的問題。同時，即使對數字邏輯集成電路設計和研制來說，為了確保邏輯電路的邏輯安全，不僅需要增強型器件(閾值電壓大于零)，而且要求增強型器件具有較高的閾值電壓，為此，研究工作者不僅一直在探索增強型AlGaN/GaN?HEMT器件的制造技術，而且也一直在探索提高閾值電壓的方法。目前，增強型GaN?HEMT器件制造的主要方法如下：

(1)、通過能帶設計和剪切降低AlGaN/GaN異質結界面的2DEG濃度，從而實現增強型GaN?HEMT器件。

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

(2)、通過減薄柵區的AlGaN勢壘層厚度，降低柵區的2DEG濃度，從而實現增強型GaN?HEMT器件。

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AlGaN勢壘層的厚度難以準確控制，因此，所制造的增強型GaN?HEMT器件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。此外，這種方法很難實現較高的閾值電壓。

(3)、對柵區AlGaN勢壘層注入F離子，耗盡柵區的2DEG，從而實現增強型GaN?HEMT器件。

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AlGaN/GaN異質結界面特性，使GaN增強型HEMT器件的性能退化，從而使所研制的GaN集成電路性能較差。而且為了進一步提高閾值電壓，器件的電學性能會出現更加嚴重的衰退。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：提供一種具有較高閾值電壓的增強型GaN-HEMT器件結構及其制備方法，該器件結構既能實現增強型GaN?HEMT器件與耗盡型GaN?HEMT器件的兼容，又能最大限度地保證增強型GaN?HEMT器件與耗盡型GaN?HEMT器件性能相當，而且還可以擁有高的閾值電壓。