[发明专利]一种基于Ga2

说明书

本发明提供一种基于Ga₂O₃/GaN异质结的HEMT器件，它包括衬底（1），缓冲层（2），沟道层（3），以及势垒层（4），沟道层（3）顶端具有2DEG（5），还设有源极（6），漏极（8）和栅极（7）；其中所述沟道层（3）由GaN构成，势垒层（4）由Ga₂O₃构成，2DEG（5）在异质结界面靠近GaN一侧；本发明具有临界击穿电场较大、势垒层表面缺陷较少、能带调节较为容易的特点。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体讲是一种基于Ga₂O₃/GaN异质结的HEMT器件。

背景技术

随着半导体技术的快速发展，第一代半导体如Si以及第二代半导体GaAs等等已经逐渐到达了材料固有性质所决定的物理极限。得益于基本物理参数的优越性以及材料生长技术的重大突破，以GaN和SiC为首的第三代半导体逐渐成为半导体领域新兴的领跑者。相比于Si和GaAs，GaN和SiC有着禁带宽度大、击穿场强高、介电常数低、电子饱和速度高和导通电阻低等优势，因此在电子、光电子器件中具有重大应用价值。

高电子迁移率晶体管（HEMT）是一种控制电流导通和关断的基本元器件，广泛应用于电力电子器件以及射频器件领域。不同于Si基与GaAs基HEMT的掺杂诱导2维电子气（2DEG），在氮化物基HEMT中，由于材料的自发极化和压电极化可以实现非掺杂的高浓度2维电子气（2DEG）。现有HEMT器件主要基于Al_xGa_1-xN/GaN异质结，由于AlGaN的自发极化与压电极化较大，极化电场较强，可以在未掺杂的AlGaN/GaN异质结中GaN一侧诱导形成高电子浓度和高电子迁移率的2DEG。其2DEG面密度，电子迁移率分别高达10e¹³/cm-2，2000cm²/V.s。

如图1所示，传统氮化物 HEMT主要由衬底（1），缓冲层（2），沟道层（3），以及势垒层（4）组成，2DEG（5）位于沟道层顶端，一般衬底为蓝宝石、硅或碳化硅；缓冲层通常由高阻值GaN构成，降低器件体漏电流；沟道层是2DEG传输的通道，由GaN构成；势垒层禁带宽度较大，由AlGaN构成。HEMT器件是三端器件，需要沉积源极（6），漏极（8）和栅极（7）。一般源极和漏极是采用低功函金属作为接触层，如Ti/Al/Ni/Au金属栈结构，形成低电阻的欧姆接触，栅极采用高功函金属作为接触层，如Ni/Au电极形成肖特基接触，调制沟道2EDG，对器件进行开启和关断。

除此之外，为了进一步提高器件的输出性能，需要解决电流崩塌效应。电流崩塌效应是指相比于直流工作电压，在脉冲工作电压下，器件的输出电流大大减小，这也是目前HEMT器件亟需解决的重大问题。电流崩塌的主要原因是势垒层表面存在高密度的缺陷态，在器件工作的时候会捕获电子，由于电压脉冲时间常数小于陷阱中电子的释放时间常数，导致电流在脉冲工作模式下会大大减小，影响器件的输出性能。目前，常常在势垒层上沉积一层介质层（9）钝化器件表面，如氧化硅，氧化铝等等，形成较低缺陷态的界面。

由于氮化镓材料存在较多的穿透位错等材料缺陷，导致实际的临界击穿场强仅有1-2MV/cm，与理论临界击穿场强相差较大,这限制了氮化物HEMT在更高工作电压下的进一步应用。因此如何通过设计新的器件的结构来提高HEMT临界击穿场强是器件大规模商用的一个重大难题。现阶段较好的改善方法是采用场板结构。场板结构需要在漏电极一侧的栅电极上连接一层金属场板（10），改善电场的分布，减小峰值电场，增加临界击穿电压，提高器件的击穿性能。带有钝化结构和场板结构的HEMT器件如图1所示，但是采用场板结构会增大工艺复杂程度。