[发明专利]多沟道侧栅结构的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管

说明书

本发明公开了一种多沟道侧栅结构的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构。主要解决目前多沟道器件栅控能力差、顶栅结构器件载流子迁移率和饱和速度低的问题。其依次包括衬底(1)、第一层AlGaN/GaN异质结(2)、SiN钝化层(4)和源漏栅电极，源漏电极分别位于SiN层两侧顶层AlGaN势垒层上，其特征在于：第一层异质结与SiN层之间设有GaN层和AlGaN势垒层，形成第二层AlGaN/GaN异质结(3)；栅电极覆盖在SiN钝化层顶部和SiN钝化层、第一层异质结、第二层异质结的两个侧壁。本发明器件栅控能力强，载流子迁移率和饱和速度高，饱和电流大，可用于短栅长的低噪声微波功率器件。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件结构与制作，具体的说是一种多沟道侧栅结构的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，可用于制作大规模集成电路。

背景技术

近年来以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体以其大禁带宽度、高击穿电场、高热导率、高饱和电子速度和异质结界面二维电子气2DEG浓度高等特性，使其受到广泛关注。在理论上，利用这些材料制作的高电子迁移率晶体管HEMT、发光二极管LED、激光二极管LD等器件比现有器件具有明显的优越特性，因此近些年来国内外研究者对其进行了广泛而深入的研究，并取得了令人瞩目的研究成果。

AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管HEMT在高温器件及大功率微波器件方面已显示出了得天独厚的优势，追求器件高频率、高压、高功率吸引了众多的研究。由于器件栅长不断减小，栅控能力逐渐减弱，平面栅结构器件短沟道效应越来越明显，AlGaN/GaN HEMT器件关态泄漏电流逐渐增大，这不仅会降低器件的可靠性和亚阈值特性，而且会影响器件的低频噪声特性。平面栅器件中，栅压较高时使得载流子散射效应增强，器件饱和电流和跨导都受到较大影响，器件放大工作的线性度明显降低。

蔡勇等人对纳米沟道阵列AlGaN/GaN HEMT进行了分析研究。参见Shenghou Liu,Yong Cai,Guodong Gu,et al.Enhancement-Mode Operation of Nanochannel Array(NCA)AlGaN/GaN HEMTs,IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,2012,VOL.33,NO.3。纳米沟道阵列器件的导电沟道除了受表面栅纵向电场的影响外，还受两侧壁栅横向电场的影响，从而形成三维的二维电子气调制，加强了栅的调制能力。通过实验研究，证实了在100nm尺度内阈值电压与沟道宽度呈现明显的相关性。即随着沟道宽度逐渐减小，栅控能力增强，阈值电压正向增大，也证明了三维栅结构中的两个侧栅的横向电场对二维电子气有较强的调制作用。但是由于FinFET结构器件具有纳米量级的栅宽，栅宽的缩小使得源漏电流明显下降，器件的电流驱动能力下降，不利于器件在大功率方面的应用。

Dong Seup Lee等人报道了具有高线性度g_m和f_T的纳米沟道InAlN/GaN HEMTs器件。参见Dong Seup Lee,Han Wang,Allen Hsu,et al.Nanowire Channel InAlN/GaNHEMTs With High Linearity of g_mand f_T,IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,2013,VOL.34,NO.8。文章介绍了在传统AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中，随着栅偏置电压和漏极电流的增加，跨导在达到峰值后迅速下降。栅压的增大使得载流子之间存在库仑力散射及异质结界面散射，降低了载流子迁移率，导致载流子饱和速度降低，大大降低了器件的跨导性能。若仅采用侧栅结构的AlGaN/GaN HEMT器件，消除顶栅对载流子迁移率的影响，势必能将器件的传输特性明显提高。

为了进一步推动GaN异质结器件在更大电流、更高功率、更低功耗、更高频率、开关模式、多值逻辑门等领域的应用，对于多沟道多异质结材料和器件的研究就显得很有必要。