[發明專利]多溝道鰭式結構的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管

在審

• 申請號: 201510846159.X
• 申請日: 2015-11-27
• 公開（公告）號: CN105280696A
• 公開（公告）日: 2016-01-27
• 發明（設計）人: 王沖;魏曉曉;郝躍;何云龍;鄭雪峰;馬曉華;張進成
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L21/335
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體器件結構與制作，特別是一種多溝道鰭式結構的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管HEMT，可用于制作大規模集成電路。

背景技術

近年來以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導體以其大禁帶寬度、高擊穿電場、高熱導率、高飽和電子速度和異質結界面二維電子氣2DEG濃度高等特性，使其受到廣泛關注。在理論上，利用這些材料制作的高電子遷移率晶體管HEMT、發光二極管LED、激光二極管LD等器件比現有器件具有明顯的優越特性，因此近些年來國內外研究者對其進行了廣泛而深入的研究，并取得了令人矚目的研究成果。

AlGaN/GaN異質結高電子遷移率晶體管HEMT在高溫器件及大功率微波器件方面已顯示出了得天獨厚的優勢，追求器件高頻率、高壓、高功率吸引了眾多的研究。為了進一步推動GaN異質結器件在更大電流、更高功率、更低功耗、更高頻率、開關模式、多值邏輯門等領域的應用，對于多溝道多異質結材料和器件的研究就顯得很有必要。

2005年，RongmingChu報道了AlGaN/GaN/AlGaN/GaN材料結構，同時制作完成了雙溝道的HEMT器件。參見RongmingChu,etal,AlGaN/GaNDouble-ChannelHEMTs,IEEETranscationsonelectrondevices,2005.52(4):438。由于該結構有兩個GaN層作為溝道層，故被稱為雙溝道AlGaN/GaN異質結。通過實驗證明，雙溝道中最鄰近柵的溝道可以在高溫、高壓、高頻等方面有屏蔽底層溝道少受影響的作用。與單溝道AlGaN/GaN異質結相比，雙溝道AlGaN/GaN異質結可以有更高的二維電子氣總密度，這使得器件飽和電流大幅度增加，對于功率應用的器件，飽和電流的提高至關重要。但是雙溝道AlGaN/GaN異質結材料總勢壘層厚度增加，使得器件柵與下面的溝道距離增大，降低了柵控能力，器件跨導峰值有所下降。

2013年，魯明等人對三溝道AlGaN/GaN異質結材料的結構仿真、材料生長、器件制備等進行了進一步的研究。參見魯明碩士畢業論文，三溝道AlGaN/GaN異質結材料與器件研究。隨著溝道數量的增加，由AlGaN/GaN組成的異質結的層數也增多，使得器件有三層的二維電子氣層并聯在源漏之間，這樣更進一步降低了溝道電阻，提高了器件源漏電流。但是，隨著溝道數量的增加，離柵極越遠的溝道受到的控制越弱，柵極電壓的控制能力下降引起跨導峰值下降，器件增益下降。而且由于柵控能力的下降，閾值電壓的負向移動很大。柵極對多個溝道的控制能力的提高是個挑戰。

采用FinFET結構制作的AlGaN/GaNHEMT器件相對于普通GaN基HEMT器件，具有較多的優勢。FinFET結構最大的優點就是采用了三維立體結構，由柵極將溝道從三個方向包裹起來，溝道在三個方向都能受到柵極較好的控制，使得器件在溝道長度很短時，提高柵控能力，改善短溝道效應，降低關態泄漏電流。在高速高頻應用方面，FinFET結構器件具有低的泄漏電流和良好的亞閾值特性。

蔡勇等人報道了納米溝道陣列AlGaN/GaNHEMT。參見ShenghouLiu,YongCai,GuodongGu,etal.Enhancement-ModeOperationofNanochannelArray(NCA)AlGaN/GaNHEMTs,IEEEELECTRONDEVICELETTERS,2012,VOL.33,NO.3。三面環柵的FinFET結構大大增強了柵極的控制能力。但溝道中發生的應力弛豫減小了異質結處的壓電極化，使存在于異質結附近的電子氣濃度下降，使得閾值電壓會正向偏移。隨著納米溝道寬度的減小，器件的峰值跨導逐漸增大，并且具有納米溝道陣列器件的跨導比常規器件都大，峰值跨導增大55％。但是由于FinFET結構器件具有納米量級的柵寬，而柵寬的縮小使得源漏電流明顯下降，器件的電流驅動能力下降，不利于器件在大功率方面的應用。