[发明专利]ScAlN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法

说明书

本发明涉及ScAlN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法，主要解决现有氮化物微波功率器件同质外延界面漏电及工作频率低的问题。其自下而上包括衬底、成核层、GaN沟道层、AlN插入层和ScAlN势垒层，该插入层与势垒层之间设有InAlN帽层；该势垒层上部依次设有势垒保护层和绝缘栅介质层，该InAlN帽层至绝缘栅介质层的两侧设有制作源、漏电极的欧姆接触区。该结构中的成核层、GaN沟道层、AlN插入层和InAlN帽层采用MOCVD生长；ScAlN势垒层和势垒保护层采用MBE生长。本发明无同质外延界面寄生漏电，器件工作频率高，输出电流密度大，制作工艺简单，可用于高频微波功率放大器和微波毫米波集成电路。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种高电子迁移率晶体管，可用于制作微波功率放大器和微波毫米波单片集成电路。

背景技术

GaN异质结材料以其宽禁带、高临界击穿场强、高电子饱和漂移速度、以及强的自发和压电极化效应产生的具有高电子迁移率特性的二维电子气等出色的材料性能而受到广泛研究，在高频、高功率、高效率固态微波功率器件应用方面有独一无二的优势。自1993年第一支GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)原型器件制备成功至今，国内外相关研究人员对其进行了广泛而深入的研究，并取得了一系列令人瞩目的研究成果，逐步从实验研究进入商业应用领域。

为进一步提高GaN HEMT器件的工作频率、输出功率和工作可靠性，材料结构设计与外延技术、器件芯片制造工艺、新材料应用和器件结构创新均成为主要的技术途径。由于氮化镓单晶衬底材料尺寸小且价格高，GaN HEMT器件常在SiC等其他衬底材料上异质外延获得。常规AlGaN/GaN HEMT器件结构如图1所示，其自下而上包括衬底、成核层、GaN沟道层、AlN插入层和AlGaN势垒层，AlGaN势垒层上设有栅电极，源漏区欧姆接触上设有源、漏电极。该器件存在以下缺点：

一是异质外延GaN材料过程中，不可避免地产生高密度位错缺陷，该缺陷在器件高压长时间工作下会形成漏电通道，降低器件击穿电压并恶化可靠性；

二是AlGaN势垒层和GaN沟道层存在大的晶格失配和张应变，器件在高压工作时在AlGaN势垒层中产生逆压电效应，形成晶格缺陷并降低器件可靠性；

三是AlGaN/GaN异质结界面有极化效应产生的二维电子气浓度不够高，限制了其在高频高功率器件领域的应用；

四是AlGaN势垒层没有加以保护，会在势垒层表面产生表面态，降低二维电子气浓度，影响器件电流和功率输出特性。

五是厚的AlGaN势垒层需要增加栅极长度来有效控制沟道二维电子气，限制了HEMT器件工作频率的提高。

六是直接在AlGaN势垒层表面做源漏电极，源漏区域欧姆接触电阻很高，影响器件电流和功率输出特性。

发明内容

本发明目的在于针对上述已有技术的缺点，提出一种ScAlN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法，以有效抑制同质外延界面漏电通道，增加外延尺寸，降低材料缺陷密度，提高器件工作频率和输出功率及可靠性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种ScAlN/GaN高电子迁移率晶体管，自下而上，包括衬底、成核层、GaN沟道层、AlN插入层、势垒层，其特征在于：

所述AlN插入层与势垒层之间增设有In组分x在14％-20％之间，厚度为1nm-10nm的In_xAl_1-x N帽层；

所述势垒层的上部依次设有势垒保护层和绝缘栅介质层，该绝缘栅介质层上设置栅电极；

所述InAlN帽层至绝缘栅介质层两侧均为欧姆接触区，欧姆接触区上分别设置源、漏电极。