[发明专利]高击穿电压InAlN/AlGaN高电子迁移率晶体管及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，具体的说是一种采用Al_yGa_1-yN作为二维电子气沟道层，与沟道层晶格匹配的In_xAl_1-xN作为势垒层，通过原子层淀积技术在In_xAl_1-xN势垒层表面淀积Al₂O₃帽层，和采用金属有机物化学气相淀积技术在源漏欧姆接触区域二次再生长n型重掺杂GaN形成欧姆接触的高击穿电压高电子迁移率晶体管及实现方法，主要用于制作功率电力电子和高温高压等领域的电子器件。

背景技术

AlGaN/GaN异质结材料具有大的禁带宽度、高击穿场强、高电子饱和漂移速度、抗辐射能力强和高化学稳定性等优越性能。更为重要的是，AlGaN和GaN结合形成的异质结材料在界面处可以产生高面密度和高迁移率的二维电子气(2DEG)。以上材料性能使得AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)具有出色的微波功率优势，近二十年来在国际上得到广泛关注，成为固态微波功率器件领域的研究热点，并实现了商业化生产。

在传统AlGaN/GaN异质结中，如图1所示，AlGaN势垒层和GaN沟道之间天然存在大的晶格失配，AlGaN势垒层始终处于张应变状态。处于张应变状态的AlGaN势垒层，在HEMT器件工作时会发生逆压电效应，在其内部形成晶体缺陷。这些缺陷严重影响器件的工作性能和可靠性，尤其是HEMT器件长时间处在高温高压工作状态时。为了解决AlGaN势垒层中应变引起的器件可靠性问题，并进一步提高HEMT器件性能，晶格匹配InAlN/GaN异质结受到了普遍关注。晶格匹配InAlN/GaN异质结中，InAlN势垒层处于无应变状态，有效消除了与应变相关的逆压电效应和HEMT器件可靠性问题。同时，InAlN势垒层有更强的自发极化效应，即使没有压电极化效应，InAlN/GaN异质结也能以较薄的势垒层产生高密度的2DEG，使HEMT器件获得高的工作频率和输出功率密度。因此，近五年来国际上掀起了InAlN/GaNHEMT器件研究的高潮，并取得了令人瞩目的研究成果。2013年Yue等人制造的SiC衬底InAlN/GaN HEMT获得了400GHz的电流增益截止频率，参见文献Yue Y,Hu Z,Guo J,et al.,“Ultrascaled InAlN/GaN high electron mobility transistor with cutoff frequency of 400 GHz”，Japanese Journal of Applied Physics,2013,52(8):08JN14。2010年Crespo等人制造的基于SiC衬底InAlN/GaN HEMT在35GHz的工作频率下获得了5.8W/mm的输出功率密度，参见文献Crespo A,Bellot M,Chabak K,et al.,“High power Ka-band performance of AlInN/GaN HEMT with 9.8 nm thin barrier”,IEEEElectron Device Letters,2010,31(1):2。

虽然InAlN/GaN HEMT在高频放大器应用方面有非常明显的优势，但是，InAlN/GaN HEMT的击穿电压远低于常规AlGaN/GaN HETM器件的。2010年，Crespo等人报道的栅长为160nm，栅漏间距为1.32μm的InAlN/GaN HEMT器件，三端击穿电压仅为23.6V。参见文献Crespo A,Bellot M,Chabak K,et al.,“High power Ka-band performance of AlInN/GaN HEMT with 9.8nm thin barrier”,IEEE Electron Device Letters,2010,31(1):2。低的击穿电压不能满足大功率输出的需求，也限制了其在电力电子和高温高压电子器件中的应用。这种困难主要来自三个方面，即缓冲层击穿、大的源漏区欧姆接触电阻和栅极漏电。