[實用新型]一種增強型AlN/AlGaN/GaN HEMT器件

有效

• 申請號: 201921418007.X
• 申請日: 2019-08-29
• 公開（公告）號: CN210429824U
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 李國強;孫佩椰;陳丁波;萬利軍;闕顯灃;姚書南
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/20;H01L29/423;H01L29/51;H01L29/778;H01L21/28;H01L21/335
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 羅嘯秋

本實用新型屬于半導體器件領域，公開了一種增強型AlN/AlGaN/GaN HEMT器件。所述器件包括襯底、GaN溝道層、AlGaN超薄勢壘層、非晶SiO₂層、單晶AlN層、漏金屬電極、源金屬電極和柵金屬電極。本實用新型的增強型器件是在GaN和超薄AlGaN異質結的基礎上，在柵下區域插入非晶SiO₂層后，在異質結上外延單晶AlN層。柵下非晶SiO₂層能夠隔離強極性單晶AlN層對AlGaN超薄勢壘層的極化增強效應，耗盡柵下二維電子氣，使器件關斷，實現增強型器件。同時柵下的非晶SiO₂和單晶AlN可作為柵下介質層，有利于降低柵泄漏電流，提高器件擊穿電壓。

技術領域

本實用新型屬于半導體器件領域，具體涉及一種增強型AlN/AlGaN/GaN HEMT器件。

背景技術

在化合物半導體電子器件中，高電子遷移率晶體管(HEMT)是應用于高頻大功率場合最主要的電子器件。這種器件依靠Ⅲ族氮化物半導體的自發極化和壓電極化效應，在異質結界面形成具有量子效應的二維電子氣(2DEG)導電溝道，2DEG的密度、遷移率和飽和速率等決定了器件的電流處理能力。其中，基于GaN及相關Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料(AlN、InN)的HEMT器件是目前化合物半導體電子器件的研究熱點。與第二代半導體GaAs相比，GaN具有寬禁帶、臨界擊穿電場高、電子飽和速度高、熱導率高、抗輻照能力強等優勢，因此GaN HEMT具有優異的高頻、耐壓、耐高溫、耐惡劣環境特性，被大量應用在射頻微波以及功率開關等領域。

AlGaN/GaN異質結界面處的自發極化及壓電極化，使得常見的AlGaN/GaN異質結之間能夠產生濃度大約為10¹³cm^-2的面電荷密度，因此GaN HEMT器件是天然的耗盡型器件。這種耗盡型器件在射頻微波應用中要使用負的開啟電壓，使電路結構變得復雜而且電路的防誤啟的保護功能也會受到影響，降低電路的安全性，因此有必要開展增強型GaN HEMT器件的研究，簡化電路設計和降低制備成本，這對大規模微波射頻電路應用來說具有重大意義。同時在數字電路中，增強型和耗盡型GaN HEMT相結合，可以集成為直接耦合型場效應晶體管邏輯(DCFL)電路，這些單片集成的增強型/耗盡型(E/D Mode)GaN HEMTs邏輯單元可以用在混合信號電路和直流-直流(DC-DC)轉換電路上，在反相器、環形振蕩器的設計中，使電路設計更簡單。

常見的實現增強型器件的方法有氟離子注入技術、凹槽柵技術和p型柵技術。

氟離子注入是在柵金屬沉積之前，通過反應離子刻蝕(RIE)或者感應耦合等離子刻蝕(ICP)將氟離子注入柵下勢壘層，注入的F離子通常受到來自相鄰原子(Al、Ga或N)的排斥力而在間隙位置處于穩定，由于氟在所有元素中具有最強的電負性，因此在間隙位置處的單個氟離子會捕獲自由電子并形成負的固定電荷，形成一個附加的勢壘，提高勢壘高度，產生閾值電壓的大幅度正移。但是氟離子注入不可避免的會造成2DEG溝道中存在少量氟離子，導致溝道載流子遷移率減低，同時對勢壘層造成晶格損傷。

凹槽柵結構是對柵下勢壘層進行刻蝕，只降低柵下極化電荷密度而盡可能不影響溝道電荷，在保證較高輸出電流的情況下實現增強型。但在實際制備中，在工藝上難以精準刻蝕勢壘層，同時刻蝕過程中會引入晶格損傷，降低被刻蝕區域的電子遷移率，增大柵電流，影響器件的功率特性，嚴重時會造成器件失效。

p型柵技術是在未人為摻雜的AlGaN勢壘層和柵極金屬之間引入一層p型摻雜的GaN或AlGaN外延層，抬升整個異質結的導帶從而耗盡柵極下方溝道中的2DEG，使器件由耗盡型轉變為增強型。由于p型外延層選擇性生長難度大，所以目前實現p型柵技術的常用方法是在勢壘層上生長一層p-AlGaN或p-GaN，并使用ICP刻蝕掉柵源和柵漏之間p型外延層。因此，p型柵技術也同樣存在難以控制刻蝕精度的問題，刻蝕不充分或刻蝕過度都會降低溝道下的二維電子氣濃度，減小輸出電流。