[发明专利]具有埋栅结构的氮化镓基增强耗尽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，具体是指一种具有埋栅结构的氮化镓基增强耗尽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、大功率和高温应用，是电子应用最具潜力的晶体管之一。

图1为现有技术普通氮化镓基异质结场效应管简称GaN MIS-HFET结构示意图，主要包括衬底、铝铟镓氮（Al_xIn_yGa_zN）缓冲层、铝铟镓氮（Al_xIn_yGa_zN）势垒层以及栅介质层，铝铟镓氮（Al_xIn_yGa_zN）势垒层上形成的源极、漏极，栅介质层上形成栅极，其中源极和漏极与铝铟镓氮（Al_xIn_yGa_zN）势垒层形成欧姆接触，栅极与栅介质层形成肖特基接触。但是对于普通GaN MIS-HFET而言，由于Al_xIn_yGa_zN /GaN异质结构间天然存在很强的二维电子气（2DEG）沟道，所以在零偏压下器件处于导通状态，为耗尽型器件。而增强/耗尽型数字集成电路单元是氮化镓基集成电路和电力开关的基础，所以实现氮化镓基增强型器件，尤其是实现氮化镓基增强/耗尽型互补逻辑电路有利于氮化镓集成电路的发展。

在本发明提出之前，为了实现氮化镓基增强型器件主要采用如下方法：

使用薄层势垒层技术[M. A. Khan, Q. Chen，C. J. Sun, et al. Enhancement and depletion mode GaN/AlGaNheterostructure field effect transistors[J], Applied Physics Letters, 1996, 68, (4), pp. 514-516]。通过减小AlGaN势垒层的Al成分和AlGaN厚度能减小沟道中2DEG浓度，优点是没有对栅下区域进行刻蚀引起工艺损伤，因而肖特基性能较好，栅泄露电流较低，但是由于整体削弱AlGaN势垒层的厚度，整个沟道区域的2DEG浓度较低，器件的饱和电流较小，同时阈值电压也不能实现太高。

使用槽栅结构[W. Sato，Y. Takata, M. Kuraguchi, et al. Recessed-gate strcuture approach toward normally-off high-voltage AlGaN/GaNhemt 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AlGaN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。

使用栅下氟离子（F^－）注入[Y. Cai，Y. Zhou, K. J. Chen，et al. High performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasma treatment[J], IEEE Electron Device Letters, 2005, 26, (7), pp.435-437]。F^－离子具有很强的负电性，注入到栅下区域可以提高肖特基栅的有效势垒高度，耗尽栅下2DEG，工艺容易实现且可重复性高，但注入F^－离子稳定性差，对器件的高压和高温可靠性产生严重影响。