[发明专利]一种氮化镓基增强型异质结场效应晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，具体是指一种氮化镓(GaN)基增强型异质结场效应晶体管。

背景技术

氮化镓(GaN)基异质结场效应晶体管具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度高、导热性能好、抗辐射和良好的化学稳定性等优异特性，同时氮化镓(GaN)材料可以与铝镓氮(AlGaN)等材料形成具有高浓度和高迁移率的二维电子气异质结沟道，因此特别适用于高压、大功率和高温环境的应用，是电力电子应用最具潜力的晶体管之一。

图1为现有的基于GaN-on-Insulator(GOI)技术的GaN MIS-HFET结构示意图，主要包括：衬底101，氮化铝(AlN)成核缓冲层102，铝铟镓氮(Al_xIn_yGa_zN)势垒层104以及绝缘介质层105，铝铟镓氮(Al_xIn_yGa_zN)势垒层上形成源极106和漏极107，绝缘介质层上形成栅极108，其中源极和漏极均与铝铟镓氮(Al_xIn_yGa_zN)势垒层形成欧姆接触，栅极与绝缘介质层形成肖特基接触。由于AlxInyGazN/GaN异质结构间天然存在很强的二维电子气(2DEG)沟道，所以在零偏压下，图1所示的基于GOI技术的GaN MIS-HFET器件处于导通状态，为耗尽型器件；而耗尽型器件的应用存在一定局限性：要使耗尽型器件关断必须在栅极加负电压偏置，这增加了电路的功耗和复杂度，同时在异常断电的情况下，器件仍处于导通状态，降低了系统的安全性。而使用增强型器件能降低系统功耗和复杂度，提升安全性，使氮化镓基HEMT能应用于大功率开关器件和电路以及数字互补逻辑集成电路，具有很大的应用前景。

在本发明提出以前，为了实现氮化镓增强型器件主要采用如下方法：

(1)使用槽栅结构[W.Sato,Y.Takata,M.Kuraguchi,et al.Recessed-gate strcuture approach toward normally-off high-voltage AlGaN/GaN hemt for power electronics applications[J],IEEE Trans.Electron Devices,2006,53,(2),pp.356-362]。将栅下AlGaN势垒层刻蚀掉一部分，当势垒层薄到一定程度时，栅下2DEG密度将减小到可以忽略的程度，而源、漏区域的2DEG密度不变；这样器件的饱和电流、跨导和阈值电压均优于薄势垒结构，但槽栅工艺对刻蚀深度的准确性控制较差，导致工艺重复性差，同时刻蚀会造成机械性损伤，使栅漏电增加。

(2)使用P型GaN栅结构[T.O.Hilt,F.Brunner,E.CHO,et al.Normally-off high-voltage p-GaN gate GaN HFET with carbon-doped buffer[C].23rd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs,May 23-26,2011.Piscataway NJ,USA:IEEE,2011.]。在栅下和AlGaN势垒层之间引入P型GaN材料，栅金属与P型GaN形成欧姆接触，一方面P型掺杂能提高能带，在栅压为零时耗尽沟道电子实现增强型特性，另一方面P型GaN材料中的空穴能注入沟道，起到电导调制作用，在提高漏极电流的同时保持较小的栅电流。但GaN材料的P型受主Mg激活能很高，高质量的P型GaN材料很难实现，同时P型掺杂也会对材料的可靠性造成影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有增强型工作状态的氮化镓基增强型异质结场效应晶体管。

本发明采用如下述技术方案：一种新型氮化镓基增强型异质结场效应晶体管，如图2所示，其由下至上依次主要由衬底101、氮化铝(AlN)成核缓冲层102、背势垒层201、氮化镓(GaN)沟道层103、势垒层104以及绝缘介质层105组成，在势垒层104上表面设有源极106和漏极107，源极106及漏极107均与势垒层104形成欧姆接触，绝缘介质层106上表面设有栅极108，栅极108与绝缘介质层105形成肖特基接触；其中势垒层104的极化强度小于或等于引入的背势垒层201的极化强度，从而耗尽沟道二维电子气，由此实现器件的增强型工作状态。