[發明專利]雙溝道晶體管及其制備方法

有效

• 申請號: 201210335697.9
• 申請日: 2012-09-11
• 公開（公告）號: CN103681830B
• 公開（公告）日: 2019-01-29
• 發明（設計）人: 趙妙;鄭英奎;劉新宇;彭銘曾;李艷奎;歐陽思華;魏珂
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/10;H01L21/335
• 代理公司: 北京華沛德權律師事務所 11302
• 代理人: 劉麗君

本發明公開了雙溝道晶體管，以GaN為材料，包含雙溝道，即第一溝道和第二溝道，第一溝道為勢壘層和GaN溝道層的界面，第二溝道為背勢壘層和GaN溝道層的界面，所述勢壘層和背勢壘的材料均為AlGaN；所述AlGaN背勢壘層的厚度為20nm，鋁組分為30％，所述AlGaN勢壘層的厚度為20nm，鋁組分為30％。同時，所述晶體管的襯底為碳化硅襯底。本發明提供的雙溝道晶體管及其制備方法，采用一定鋁組分和厚度的鋁鎵氮作為背勢壘層，形成AlGaN/GaN/AlGaN雙異質結構，強極化電場使溝道中的二維電子氣（2DEG）被限制在兩個非常高的勢壘中，形成雙溝道，增強了溝道中2DEG限域性，提高了器件的可靠性。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種高可靠高電子遷移率雙溝道晶體管及其制備方法。

背景技術

針對單異質結器件溝道中電子容易在高場、高壓下出現溢出，進而降低器件可靠性的問題。對于單異質結的器件，主要通過器件結構的設計，如通過鈍化和增加場版的方法來提高器件在高場和高壓下的可靠性，但是通過器件結構和工藝的改進不可避免的存在著引入寄生參數，從而產生降低器件頻率和效率的弊端，因此，從材料結構入手，從根本上提高器件在高壓和高場下的可靠性，是提高器件可靠性的一種有效的方法。

GaN材料具有良好的熱學和電學性能和化學穩定性，如寬的禁帶寬度，高的擊穿電場、高熱導率、耐腐蝕和抗輻射等，是制備高頻、高溫、高壓、大功率器件的理想材料。

AlGaN/GaN異質結存在極強的壓電極化和自發極化效應，在異質結界面形成高濃度的二維電子氣（2DEG），基于AlGaN/GaN異質結的高電子遷移率晶體管（HEMT）在大功率微波器件方面具有廣泛的應用前景。

隨著器件頻率的提高，器件的柵長不斷縮短，當器件工作在高電場條件下時，單異質結器件溝道中電子容易在高場、高壓下出現溢出，進而降低器件的可靠性。因此，提高器件的限域性將利于提升器件在強場下的工作穩定性和可靠性。一般器件的材料結構確定后，器件溝道中載流子的限域性也就基本確定，很難通過器件結構和工藝的優化來提高器件的限域性，因此，材料結構的優化是提高器件限域性的根本。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供雙溝道晶體管及其制備方法，解決現有技術中單異質結器件溝道中電子容易在高場、高壓下出現溢出，進而降低器件可靠性的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供了AlGaN/GaN/AlGaN雙溝道晶體管，實現了雙溝道AlGaN/GaNHEMT器件，提高了溝道電子的限域性，降低了器件的電流崩塌效應，進而提高GaN基微波功率器件在高頻、高壓條件下工作的穩定性和可靠性。

本發明提供的雙溝道晶體管，以GaN為材料，包含雙溝道，即第一溝道和第二溝道，所述第一溝道為勢壘層和GaN溝道層的界面，所述第二溝道為背勢壘層和GaN溝道層的界面，所述勢壘層和背勢壘的材料均為AlGaN；所述AlGaN背勢壘層的厚度為20nm，鋁組分為30％，所述AlGaN勢壘層的厚度為20nm，鋁組分為30％。同時，所述晶體管的襯底為碳化硅襯底。

為了本發明的技術方案更加清楚和明白，本發明還提供了本發明提供的雙溝道晶體管的設計方法，該設計方法結合極化效應，運用能帶工程，首先通過自洽求解一維薛定諤/泊松方程，對不同Al組分和厚度的AlGaN背勢壘層結構的雙溝道結構的能帶結構和載流子的分布進行理論仿真，最后確定背勢壘層組分和厚度的優化設計結構，從而得到本發明提供的雙溝道晶體管及其制備方法。之后，給出了本發明提供的雙溝道晶體管，即雙溝道AlGaN/GaN HEMT器件的直流和CV以及脈沖IV的表征測試結果，驗證本發明提供的雙溝道器件的可靠性。

該設計方法包括以下步驟：

第一，基于泊松方程和薛定諤自洽求解的方法，并考慮材料的自發極化和壓電極化效應，進行不同外延材料結構的能帶模擬；