[實(shí)用新型]基于納米溝道的凹槽柵增強(qiáng)型GaN晶體管器件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201720593804.6
• 申請日: 2017-05-25
• 公開（公告）號: CN206947353U
• 公開（公告）日: 2018-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周幸葉;馮志紅;呂元杰;譚鑫;王元?jiǎng)?/a>;宋旭波;徐鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/20;H01L29/423;H01L29/06
• 代理公司: 石家莊國為知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所13120
• 代理人: 夏素霞

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及微電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于納米溝道的凹槽柵增強(qiáng)型GaN晶體管器件。

背景技術(shù)

寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN具有高臨界擊穿電場、高電子飽和速度、良好的熱穩(wěn)定性以及較強(qiáng)的抗輻射能力等優(yōu)點(diǎn)，特別是AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料由于自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)具有極高的二維電子氣濃度和電子遷移率，被認(rèn)為是制備耐高溫、抗輻射、高頻大功率微波功率器件及高速、高壓電力開關(guān)器件和抗輻射高速數(shù)字電路的優(yōu)良材料。

由于極化效應(yīng)的存在，AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管通常為耗盡型器件，制備增強(qiáng)型器件比較困難，研究進(jìn)展非常緩慢。耗盡型器件的應(yīng)用具有局限性。首先，在射頻功率應(yīng)用方面，耗盡型器件必須采用負(fù)電壓偏置柵極，要求設(shè)計(jì)獨(dú)立的電源系統(tǒng)。其次，在電力開關(guān)應(yīng)用方面，為了保證系統(tǒng)的總體安全性，耗盡型器件還要求負(fù)偏壓系統(tǒng)的運(yùn)行先于電源通電。此外，在高速數(shù)字電路應(yīng)用方面，增強(qiáng)型器件是構(gòu)成反相器的必備元件，而反相器是構(gòu)成復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的核心單元。因此，研制出高可靠性的增強(qiáng)型GaN晶體管具有非常重要的意義。

目前，國際上對于增強(qiáng)型GaN器件的一種研究思路是通過在柵電極下方挖槽，使柵極下方的溝道二維電子氣耗盡，溝道其余部分二維電子氣濃度不變，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件。但是，隨著器件尺寸的不斷縮小，柵長越來越短，傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)的高電子遷移率晶體管的短溝效應(yīng)越來越明顯。2013年，Ki-Sik Im等人制備出了單納米溝道的增強(qiáng)型AlGaN/GaNMISFET，閾值電壓為2.1V，該器件結(jié)構(gòu)采用普通柵結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件，納米溝道寬度僅為50nm，而且納米溝道兩端延伸到了源漏電極區(qū)，因此，器件導(dǎo)通電阻較大。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于納米溝道的凹槽柵增強(qiáng)型GaN晶體管器件，所述晶體管具有柵控能力強(qiáng)、能夠抑制短溝效應(yīng)、實(shí)現(xiàn)器件增強(qiáng)型和導(dǎo)通電阻小的特點(diǎn)。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是：一種基于納米溝道的凹槽柵增強(qiáng)型GaN晶體管器件，自下而上包括襯底層、GaN緩沖層、AlGaN勢壘層、柵介質(zhì)層、鈍化層、源電極、漏電極和柵電極；其特征在于：所述AlGaN勢壘層和所述GaN緩沖層形成AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，所述AlGaN勢壘層上方有凹槽，柵電極位于凹槽內(nèi)并且包裹在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的上方和兩側(cè)，形成三維環(huán)柵結(jié)構(gòu)；所述柵電極下的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)具有納米圖形，形成納米溝道；所述納米溝道兩端具有溝道擴(kuò)展區(qū)；所述柵介質(zhì)層位于所述柵電極之下，所述源電極和所述漏電極之間，覆蓋在所述AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)頂部并包裹所述納米溝道的兩個(gè)側(cè)壁。

優(yōu)選地，所述襯底層為藍(lán)寶石、SiC或GaN。

優(yōu)選地，所述GaN緩沖層厚度為0.5-2.5um。

優(yōu)選地，所述AlGaN勢壘層厚度為10-20nm，其中Al含量為15%-30%。

優(yōu)選地，所述納米溝道的數(shù)目n為n≥1，長度L_ch為0<L_ch<源電極和漏電極的間距，寬度W_ch為10-200nm。

優(yōu)選地，所述AlGaN勢壘層上的凹槽底部與所述AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的距離D_ch1為0-15nm，所述納米溝道底部與所述AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的距離D_ch2為0-150nm。

優(yōu)選地，所述柵介質(zhì)層為SiN、Al₂O₃、SiO₂或多種介質(zhì)層的堆疊結(jié)構(gòu)，厚度為1-15nm。

優(yōu)選地，所述鈍化層為SiN、Al₂O₃、SiO₂或多種鈍化層的堆疊結(jié)構(gòu)，厚度為50-150nm。

優(yōu)選地，所述柵電極為直柵或T型柵，柵極長度L_g=L_ch或L_g>L_ch或L_g<L_ch。

優(yōu)選地，所述源電極和漏電極為歐姆接觸，位于納米溝道兩端的溝道擴(kuò)展區(qū)之上。