[發明專利]基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件

在審

• 申請號: 201710636978.0
• 申請日: 2017-07-19
• 公開（公告）號: CN109285890A
• 公開（公告）日: 2019-01-29
• 發明（設計）人: 吳紹飛
• 申請（專利權）人: 吳紹飛
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/778;H01L29/51;H01L21/336
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本發明公開了一種基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件。其自下而上包括：襯底(1)、AlN成核層(2)、GaN緩沖層(3)、AlGaN勢壘層(4)和柵介質層(5)，AlGaN勢壘層的兩端分別為源級(7)和漏級(8)，柵介質層(5)的上部為柵極(6)，該柵介質層(5)自下而上包括Al₂O₃過渡層(501)和介電常數大于Al₂O₃的高K介質層(502)。該高K疊柵介質結構設計增加了柵介質與AlGaN勢壘層的導帶偏移量，提高柵介質的介電常數，增強柵電容對溝道電子的控制力，有效減小了柵極泄漏電流，提高了器件的工作電壓，改善了器件的功率特性，可用于高頻大功率電路。

技術領域

本發明屬于GaN寬禁帶半導體技術領域，特別涉及一種疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件，可用于無線通訊和雷達設備的高頻大功率電路。

背景技術

無線通信技術的發展對微波功率器件提出了更高的要求。相比于其他材料，GaN的禁帶寬度大，電子飽和速度高，熱傳導性好，非常適合應用于高溫、高頻和大功率環境下。

AlGaN/GaN高電子遷移率器件HEMT在高頻大功率的應用領域已經取得了很大的發展，但是HEMT器件存在的柵極泄漏電流和電流崩塌現象嚴重影響了器件性能，限制了其的應用范圍。引入MOS結構，一方面可以顯著降低HEMT器件的柵極泄漏電流，提高器件飽和漏電流；另一方面在AlGaN上生長一層高質量的柵介質可以起到鈍化作用，從而降低了電流崩塌效應。

隨著器件特征尺寸不斷縮小，柵氧化層厚度按比例縮小，引起量子隧穿效應。選取高K材料作為柵介質成為目前MOS-HEMT發展的趨勢，高K材料擁有較高的介電常數使得其與SiO₂擁有同樣柵電容時，其厚度遠高于SiO₂，降低了隧穿效應發生幾率。在與SiO₂厚度相同的情況下，高K材料使柵電容增大很多，增強了器件的柵控能力。高K材料作為柵介質直接與AlGaN勢壘層相接觸，由于其禁代寬度往往比較小而存在較小的導帶不連續性，導致柵極泄漏電流依然存在。另外高K材料與AlGaN勢壘層的界面問題以及表面鈍化特性也是限制其應用的主要原因。對MOS-HEMT器件柵介質的基本要求是，高的介電常數，大的禁帶寬度，大的導帶偏移量，高質量的界面和低的界面態密度。由于高K材料作為柵介質直接與AlGaN勢壘層相接觸，存在著導帶偏移量低，界面質量低和界面態密度高等問題，使得不能直接將高K材料作為AlGaN/GaN的MOS-HEMT器件的柵介質。因此需要對高K介質材料與AlGaN勢壘層的界面質量進行改進，以增加導帶偏移量，降低界面態密度，從而改善器件性能。

發明內容

本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出一種高K疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件，以降低常規HEMT器件的柵極泄漏電流，增強器件的柵控能力，增加柵介質材料與AlGaN勢壘層的導帶偏移量，提高柵介質材料與AlGaN勢壘層的界面質量。

本發明的技術方案是這樣實現的：

1.基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件，自下而上包括：襯底、AlN成核層、GaN緩沖層、AlGaN勢壘層、柵介質層，源級和漏級分別位于AlGaN勢壘層的兩端，柵極位于柵介質層的上部，其特征在于：

柵介質層包括：Al₂O₃過渡層和介電常數大于Al₂O₃介電常數的高K介質層，該高K介質層位于Al₂O₃過渡層的上部，用于提高柵控能力。

2.一種基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件的制作方法，包括如下步驟：

1)選用襯底并進行標準RCA清洗；