[發明專利]一種槽柵多溝道結構GaN基高電子遷移率晶體管及制作方法

在審

• 申請號: 202110731752.5
• 申請日: 2021-06-29
• 公開（公告）號: CN113644128A
• 公開（公告）日: 2021-11-12
• 發明（設計）人: 王沖;鄧松;馬曉華;鄭雪峰;何云龍;郝躍
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L21/335;H01L29/10;H01L29/423
• 代理公司: 西安嘉思特知識產權代理事務所(普通合伙) 61230
• 代理人: 劉長春

本發明涉及一種槽柵多溝道結構GaN基高電子遷移率晶體管及制作方法，高電子遷移率晶體管包括：襯底、至少四層異質結結構、源電極、漏電極、中間層和柵電極，至少四層異質結結構依次層疊在襯底上，且至少四層異質結結構中開設有柵槽，柵槽將至少四層異質結結構形成的二維電子氣隔斷；源電極嵌入至少四層異質結結構的一端；漏電極嵌入至少四層異質結結構的另一端；中間層位于柵槽中以及至少四層異質結結構的表面上，一端與源電極接觸，另一端與漏電極接觸，中間層與至少四層異質結結構之間形成二維電子氣；柵電極位于柵槽中且位于中間層上。該高電子遷移率晶體管在閾值電壓和跨導不嚴重惡化的條件下，實現了更大的正向電流，得到了更小的導通電阻。

技術領域

本發明屬于半導體器件結構與制作領域，具體涉及一種槽柵多溝道結構GaN基高電子遷移率晶體管及制作方法。

背景技術

隨著半導體領域的蓬勃發展，以GaN為代表的第三代半導體吸引了人們的注意。GaN材料的禁帶寬度相比Si有很大的提高，因此GaN具備一些更優異的性能，例如高臨界擊穿場強、高熱導率、高飽和電子速度以及良好的耐高溫、抗輻射等。在器件制造方面，GaN可以和AlGaN形成AlGaN/GaN HEMT器件，在AlGaN/GaN兩種材料的界面處會形成高濃度的電子，這些電子被局限在勢阱中，只能在兩個方向上自由運動，因此具有更高的遷移率，被稱為二維電子氣(2DEG)，因而AlGaN/GaN HEMT器件的研究成為熱點。

為了追求更大的飽和電流，更小的串聯電阻，多溝道AlGaN/GaN HEMT器件進入了人們的視線，得到了廣泛的研究。多溝道AlGaN/GaN HEMT器件是將多層AlGaN/GaN溝道進行疊加，期望溝道中的載流子也能夠隨著溝道數量的增加呈現倍數增加，實現更優秀的性能。

早在2005年，Jie Liu等人就通過在溝道區插入一層6nm厚度、Al組分為5％的AlGaN，實現了具有高線性度的Al_0.3Ga_0.7N–Al_0.05Ga_0.95N–GaN復合溝道結構器件。該器件通過對器件進行直流和射頻的測量，證明了跨導和截止頻率可以維持在峰值附近。這些特性有利于線性大信號操作，適用于先進的3G無線系統，如W-CDMA/UMTS。

2010年，西安電子科技大學的付小凡等人將Si以SiH₄的形式通到反應室中，通過對離襯底最近的緩變鋁組分的勢壘層中進行濃度為3×10¹⁹的Siδ摻雜，得到AlGaN/GaN/AlGaN/GaN雙溝道異質結材料。該雙溝道異質結材料經過流片，制成HEMT器件，測得的摻雜的雙溝道器件的歐姆接觸電阻為0.0495Ohm·mm，柵極懸空時的漏源電流達到2A/mm，通過實驗證明，雙溝道中載流子的遷移率等電特性在高溫環境下仍然具有很好的穩定性。可以用該器件用來實現大電流，降低源漏區電阻。

2020年，Y.H Chang等人通過在柵極上使用空氣橋式場板(AFP)和傾斜場板，提高了雙溝道AlGaN/GaN HEMT的關態擊穿電壓。該雙溝道AlGaN/GaN HEMT，僅使用AFP可以在一定程度上降低柵邊緣附近的峰值電場，如果再加上傾斜的場板可以獲得更好的效果，擊穿電壓提高了10倍；證明空氣橋場板和斜場板都對減小溝道的峰值電場，增大雙溝道HEMT器件的擊穿電壓。

上述多溝道器件都只有兩個溝道，因為隨著溝道數目的增多，柵極難以控制下層溝道，但出于對更大電流的需求，需要增加溝道的數目，另尋他法以求控制所有溝道。

2021年，Luca Nela等人將Si基四溝道器件與FinFET結構結合，并對器件進行了鈍化。實驗發現在保持相同擊穿電壓V_BR的情況下，導通電阻R_ON與傳統單通道器件相比降低了約3倍，且SiN鈍化層有效降低了柵極與溝道接觸處的陷阱，提升了擊穿電壓。研究發現，將多溝道器件與FinFET結構結合，通過在溝道側壁處淀積柵極，使得溝道兩側的柵極也可以控制溝道中的2DEG，達到一個柵極同時控制多個溝道的效果，且能夠有效耗盡溝道中的載流子，器件性能表現良好。