[發明專利]基于高K材料的品型柵AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管及制作方法

在審

• 申請號: 202010724259.6
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111863960A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 梁智文;楊倩倩;張法碧;王琦;汪青;張國義
• 申請（專利權）人: 北京大學東莞光電研究院
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/423;H01L29/51;H01L21/335
• 代理公司: 東莞恒成知識產權代理事務所(普通合伙) 44412
• 代理人: 鄧燕

本發明公開了一種基于高K材料的品型柵AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管及制備方法，該高電子遷移率晶體管包括襯底、AlN成核層、GaN緩沖層、AlN插入、AlGaN勢壘層、源極、漏極和柵介質層，該柵介質層包括介電常數不同的第一介質材料層與第二介質材料層橫向連接組成的界面過渡層和介電常數大于Al₂O₃的高K介質層。本發明采用了品型柵介質層結構，提高了柵介質層的介電常數，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；界面過渡層增加了柵介質與AlGaN勢壘層的導帶偏移量，改善了柵介質層與勢壘層的界面質量，并且減小了采用高K材料作柵介質層帶來的大的柵電容，使器件的頻率特性提升，提高了器件的可靠性。

技術領域

本發明涉及寬禁帶半導體技術領域，尤指一種基于高K材料的品型柵AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管及制作方法。

背景技術

隨著無線通信技術的發展，這對微波功率器件有了更高的要求。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，非常適合于高溫、高頻、大功率的環境下使用。尤其是AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管，在高頻、大功率的應用領域已經取得了很大的發展。

但是傳統的高電子遷移率晶體管(以下簡稱：HEMT)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的柵極泄漏電流，提高器件飽和漏電流，但是柵控能力出現了下降；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，從而降低電流崩塌效應。

隨著器件工藝進入納米級別，傳統的MOS結構的柵介質SiO₂厚度和溝道長度都需按比例縮小，引起量子隧穿效應。選取高K材料作為器件的柵介質已經成為目前HEMT的發展趨勢，高K介質在與SiO₂擁有同樣柵控能力的情況下，其厚度遠大于SiO₂、Si₃N₄等傳統介質，有效地減小了柵泄漏電流。但是高K材料作為柵介質還是存在不少問題：高K材料直接與AlGaN勢壘層相接觸，由于其禁帶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，并且存在著導帶偏移量低，界面質量低和界面態密度高等問題；同時高K材料作柵介質層又會引入大的柵電容，對器件的電流增益截止頻率造成負面影響，影響器件特性。

發明內容

為解決上述問題，本發明提供一種基于高K材料的品型柵AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管及制作方法，通過MOS結構降低漏電流，并采用高K材料作柵介質層，提高柵控能力的同時降低柵電容，提高器件的性能和可靠性。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種基于高K材料的品型柵AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管及制作方法；

其中，一種基于高K材料的品型柵AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管，由下至上依次包括襯底、AlN成核層、GaN緩沖層、AlN插入層、AlGaN勢壘層、柵介質層和柵極，所述柵介質層由下至上依次包括介電常數不同的界面過渡層和高K介質層，所述界面過渡層包括介電常數不同的第一介質材料層和第二介質材料層，所述第一介質材料層與所述第二介質材料層橫向連接，所述第一介質材料層一端連接有源極，所述第二介質材料層一端連接有漏極。

作為一種優選方案，所述的高K介質層由介電常數大于Al₂O₃介電常數的高K材料制成；該高K材料為HfO₂或La₂O₃或TiO₂或Ta₂O₅或者介電常數大于Al₂O₃的絕緣介質。