[發明專利]一種p?GaN增強型AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管

在審

• 申請號: 201710021098.2
• 申請日: 2017-01-11
• 公開（公告）號: CN106783962A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 段寶興;郭海君;謝慎隆;袁嵩;楊銀堂
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/778
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司61211
• 代理人: 胡樂

技術領域

本發明涉及半導體器件技術領域，特別是涉及一種p-GaN增強型AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管。

背景技術

由于以Si和GaAs為代表的第一代和第二代半導體材料的局限性，第三代寬禁帶半導體材料因為其優異的性能得到了飛速發展。GaN材料作為第三代半導體材料的核心之一，相比Si，GaAs和SiC特殊之處在于其所具有的極化效應。利用這種特殊性，人們研制了AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管，AlGaN/GaN HEMTs是以AlGaN/GaN異質結材料為基礎而制造的GaN基微電子器件。AlGaN/GaN異質結通過自發極化和壓電極化效應在異質結界面處形成高密度二維電子氣(two dimensional electron gas，2DEG)，這種二維電子氣在空間上與電離雜質分離，從而具有很高的遷移率，使AlGaN/GaN HEMTs具有很低的導通電阻。與傳統的場效應晶體管(FET)器件相比，AlGaN/GaN HEMTs具有高跨導、高飽和電流以及高截止頻率等優良特性。而且，實驗證明，GaN基HEMTs在1000K的高溫下仍然保持著良好的直流特性，從而為高溫環境應用提供了可靠的保證。

由于AlGaN/GaN異質結得天獨厚的優勢，AlGaN/GaN異質結材料的生長和AlGaN/GaN HEMTs器件的研制始終占據著GaN基電子器件研究的主要地位。按照零柵壓時器件的工作狀態,AlGaN/GaN HEMTs可分為耗盡型(常開)和增強型(常關)兩大類：柵壓為零時，導電溝道開啟，施加負偏壓時，溝道關斷的器件,稱為耗盡型器件；相反，只有當施加一定的正柵壓時，導電溝道開啟的器件,稱為增強型器件。由于強烈的自發極化和壓電極化效應，零柵壓時，在AlGaN/GaN異質結界面處存在高濃度的2DEG，因此傳統器件為耗盡型。在低功耗數字電路應用中，增強型和耗盡型器件的集成是十分必要的，因此高性能增強型AlGaN/GaN HEMTs器件的研究具有非常重要的意義。

現有技術中為了實現GaN基增強型器件，通常采用P型GaN柵結構。在柵下和AlGaN勢壘層之間引入P型GaN材料，柵金屬與P型GaN形成歐姆接觸。與傳統柵肖特基結相比，PN結可以感應出高內建電勢，這使得零柵壓時，器件溝道被耗盡，實現增強型特性。

然而，在p-GaN增強型AlGaN/GaN HEMTs的柵邊緣往往存在著高峰電場，給器件帶來以下不利影響：1、會引起電子–空穴對離化，當達到GaN材料的臨界擊穿電場這一雪崩條件時，器件在柵電極邊緣擊穿。2、即使沒有達到GaN材料的臨界擊穿電場，高電場效應仍然會使柵電極電子場致發射遂穿進入表面鈍化層，這些隧穿的電子會中和AlGaN層的表面極化正電荷，而這些表面極化正電荷，直接關系到異質結界面處2DEG的濃度大小，部分表面正電荷被中和會降低高密度的2DEG濃度，從而使AlGaN/GaN HEMTs輸出電流明顯減小，這就是電流崩塌效應。3、使電子–空穴對的離化幾率增加，電離后的空穴在縱向電場作用下進入溝道中和2DEG,也會使2DEG濃度減小，進一步減小輸出電流；而且電離后的電子進入AlGaN極化層會給器件閾值電壓帶來不利影響，使得器件可靠性降低。

發明內容

為了解決現有技術中由于在p-GaN增強型AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管的柵邊緣存在高峰電場而引起的器件雪崩擊穿、電流崩塌效應，閾值電壓和輸出電流減小，可靠性降低等一系列問題，本發明提供一種新型的p-GaN增強型AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管。

解決方案如下：

一種p-GaN增強型AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管，包括：

半絕緣襯底；

位于所述半絕緣襯底上異質外延生長的AlN成核層；

位于所述AlN成核層上外延生長的GaN緩沖層；

位于所述GaN緩沖層上外延生長的AlGaN勢壘層；

分列于所述AlGaN勢壘層上的源極、p型GaN介質層以及漏極；

位于所述p型GaN介質層上的柵極；

其特殊之處在于：

在AlGaN勢壘層上還外延生長有與p型GaN介質層邊緣鄰接的本征GaN帽層，所述本征GaN帽層部分覆蓋或者完全覆蓋柵極和漏極之間的區域，其長度與對溝道2DEG濃度調制的需要有關。

基于上述解決方案，本發明還進一步作如下優化限定和改進：

上述p型GaN介質層是通過在AlGaN勢壘層表面外延生長P型GaN層，然后刻蝕形成的。

P型GaN層是通過摻Mg，然后退火形成的。