[發明專利]ScAlN/GaN高電子遷移率晶體管及其制作方法

有效

• 申請號: 202011452266.1
• 申請日: 2020-12-10
• 公開（公告）號: CN112542508B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 薛軍帥;劉芳;張進成;郝躍;李藍星;孫志鵬;張赫朋;楊雪妍;姚佳佳
• 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;H01L29/20;H01L29/778;H01L21/336
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;李勇軍

本發明涉及ScAlN/GaN高電子遷移率晶體管及其制作方法，主要解決現有氮化物微波功率器件同質外延界面漏電及工作頻率低的問題。其自下而上包括襯底、成核層、GaN溝道層、AlN插入層和ScAlN勢壘層，該插入層與勢壘層之間設有InAlN帽層；該勢壘層上部依次設有勢壘保護層和絕緣柵介質層，該InAlN帽層至絕緣柵介質層的兩側設有制作源、漏電極的歐姆接觸區。該結構中的成核層、GaN溝道層、AlN插入層和InAlN帽層采用MOCVD生長；ScAlN勢壘層和勢壘保護層采用MBE生長。本發明無同質外延界面寄生漏電，器件工作頻率高，輸出電流密度大，制作工藝簡單，可用于高頻微波功率放大器和微波毫米波集成電路。

技術領域

本發明屬于半導體器件技術領域，特別涉及一種高電子遷移率晶體管，可用于制作微波功率放大器和微波毫米波單片集成電路。

背景技術

GaN異質結材料以其寬禁帶、高臨界擊穿場強、高電子飽和漂移速度、以及強的自發和壓電極化效應產生的具有高電子遷移率特性的二維電子氣等出色的材料性能而受到廣泛研究，在高頻、高功率、高效率固態微波功率器件應用方面有獨一無二的優勢。自1993年第一支GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)原型器件制備成功至今，國內外相關研究人員對其進行了廣泛而深入的研究，并取得了一系列令人矚目的研究成果，逐步從實驗研究進入商業應用領域。

為進一步提高GaN HEMT器件的工作頻率、輸出功率和工作可靠性，材料結構設計與外延技術、器件芯片制造工藝、新材料應用和器件結構創新均成為主要的技術途徑。由于氮化鎵單晶襯底材料尺寸小且價格高，GaN HEMT器件常在SiC等其他襯底材料上異質外延獲得。常規AlGaN/GaN HEMT器件結構如圖1所示，其自下而上包括襯底、成核層、GaN溝道層、AlN插入層和AlGaN勢壘層，AlGaN勢壘層上設有柵電極，源漏區歐姆接觸上設有源、漏電極。該器件存在以下缺點：

一是異質外延GaN材料過程中，不可避免地產生高密度位錯缺陷，該缺陷在器件高壓長時間工作下會形成漏電通道，降低器件擊穿電壓并惡化可靠性；

二是AlGaN勢壘層和GaN溝道層存在大的晶格失配和張應變，器件在高壓工作時在AlGaN勢壘層中產生逆壓電效應，形成晶格缺陷并降低器件可靠性；

三是AlGaN/GaN異質結界面有極化效應產生的二維電子氣濃度不夠高，限制了其在高頻高功率器件領域的應用；

四是AlGaN勢壘層沒有加以保護，會在勢壘層表面產生表面態，降低二維電子氣濃度，影響器件電流和功率輸出特性。

五是厚的AlGaN勢壘層需要增加柵極長度來有效控制溝道二維電子氣，限制了HEMT器件工作頻率的提高。

六是直接在AlGaN勢壘層表面做源漏電極，源漏區域歐姆接觸電阻很高，影響器件電流和功率輸出特性。

發明內容

本發明目的在于針對上述已有技術的缺點，提出一種ScAlN/GaN高電子遷移率晶體管及其制作方法，以有效抑制同質外延界面漏電通道，增加外延尺寸，降低材料缺陷密度，提高器件工作頻率和輸出功率及可靠性。

本發明的技術方案是這樣實現的：

一種ScAlN/GaN高電子遷移率晶體管，自下而上，包括襯底、成核層、GaN溝道層、AlN插入層、勢壘層，其特征在于：

所述AlN插入層與勢壘層之間增設有In組分x在14％-20％之間，厚度為1nm-10nm的In_xAl_1-x N帽層；

所述勢壘層的上部依次設有勢壘保護層和絕緣柵介質層，該絕緣柵介質層上設置柵電極；

所述InAlN帽層至絕緣柵介質層兩側均為歐姆接觸區，歐姆接觸區上分別設置源、漏電極。