[发明专利]含有铁电栅介质的叠层栅增强型GaN高电子迁移率晶体管及制备方法

说明书

本发明公开了一种含有铁电栅介质的叠层栅增强型GaN高电子迁移率晶体管，主要解决现有同类器件可靠性差的问题。其自下而上包括衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层、GaN帽层、SiN钝化层、栅介质层和SiN保护层，SiN钝化层中设有凹型结构，凹型结构内壁及SiN钝化层表面设有栅介质层，其包括AlN或Al₂O₃介质插入层和HfZrO铁电层，GaN缓冲层的两端设有源电极和漏电极，栅介质层的中间设有栅电极，源电极和漏电极上设有金属互联层，栅电极和钝化层表面的栅介质层上覆盖有SiN保护层，本发明提高了器件的可靠性，减小了增强型器件的栅漏电，可用于作为需要较大阈值电压的开关器件。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体说是一种叠层栅增强型GaN高电子迁移率晶体管的制备方法，可用于作为需要较大阈值电压的开关器件。

背景技术

GaN具有大的禁带宽度、高的临界场强、高热导率、高载流子饱和速率等特点，在高温高频以及微波功率器件方面有广泛的应用。而AlGaN/GaN异质结构中高的二维电子气密度和高的电子迁移率，使其在大功率微波器件方面有非常好的应用前景。

由于较高的二维电子气密度，AlGaN/GaN通常都是耗尽型器件，表现出常开的特性。而从简化电路设计以及安全的角度考虑，增强型器件具有更好的潜力。作为功率开关的应用，增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件也备受关注，因而增强型AlGaN/GaNHEMT的研制具有很高的价值。目前，国内外对增强型AlGaN/GaN HEMT都有许多的研究和报道，这些报道中主要采用了以下几种技术来实现增强型AlGaN/GaN HEMT:

1.槽栅技术。这项技术在传统的耗尽型AlGaN/GaN HEMT器件结构的基础上做了改进。即在做完欧姆接触之后，并没有直接用电子束蒸发形成栅极。而是在栅极区域通过Cl₂等离子体刻蚀形成一个凹槽，在凹槽上再制作Ni/Au肖特基栅。槽栅刻蚀的原理是通过对栅下AlGaN势垒层的刻蚀，可以调整甚至耗尽栅下区域的二维电子气，从而实现器件的增强。用槽栅技术实现增强型在工艺上比较容易实现，但是对于阈值电压的可控性不是很好，并且在刻蚀过程中伴随的刻蚀损伤是很难避免的，会导致栅漏电增大以及跨导降低。

2.氟注入技术。香港科技大学陈敬等人研制出一种将F离子注入到AlGaN/GaNHEMT栅下势垒层中，利用F离子的电负性耗尽栅下区域沟道中的二维电子气从而实现器件增强的方法。但是F注入技术会引入不可避免的材料损伤，并且阈值的可控性也较差。同时，在高温下F的稳定性不太好，会造成阈值的漂移和器件的退化等问题。

3.薄势垒技术。从外延生长的角度考虑，将常规的势垒层长的更薄，从而调控沟道二维电子气的密度使之降低。当势垒层厚度减小到一定程度时，其极化效应减弱，从而由极化产生的二维电子气浓度降低，可以实现阈值电压的正向漂移。但是由于整个势垒层厚度同时变薄，导致整个沟道的二维电子气浓度减少，使得沟道方阻增高，且电流密度也相应的下降。

4.半极性或者非极性GaN技术。与传统的c面蓝宝石衬底不同，在r面或者a面蓝宝石衬底生长外延层，使得GaN材料变为半极性或者非极性，削弱AlGaN/GaN HEMT的极化强度，从而实现增强。但是这样实现的增强型由于材料的极化强度很弱，会因此导致其二维电子气浓度很低，因此器件方阻较大。同时，用半极性或者非极性材料制作的器件迁移率较低。

综上所述，目前国内外实现AlGaN/GaN HEMT增强的方法主要采用槽栅技术和氟离子注入技术，但是两者均有相应的不足之处：

首先，存在器件栅下区域的损伤问题。无论是凹槽刻蚀还是氟离子注入，都会对器件以及材料造成一定程度的损伤。虽然可以通过一些方法降低或者修复损伤，但是并不能完全消除，这种刻蚀和离子注入造成的损伤会对器件的特性以及可靠性造成一定程度的影响。