專利名稱：一種場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型hemt器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及高電子遷移率晶體管(HEMT)。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)是第三代寬禁帶半導(dǎo)體的代表之一，具有優(yōu)良的特性高的臨界擊穿電場(chǎng)Γ3. 5X106V/cm)、高電子遷移率r2000cm2/V · S)、高的二維電子氣(2DEG)濃度ri013cm_2)、高的高溫工作能力?；贏lGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率晶體管(HEMT)(或異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管HFET，調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管M0DFET，以下統(tǒng)稱為HEMT器件)在半導(dǎo)體領(lǐng)域已經(jīng)取得廣泛應(yīng)用。該類器件具有反向阻斷電壓高、正向?qū)娮璧汀⒐ぷ黝l率高等特性，因此可以滿足系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體器件更大功率、更高頻率、更小體積和更惡劣高溫工作的要求。
對(duì)于AlGaN/GaN HEMT器件而言，增強(qiáng)型(常關(guān)型)HEMT器件比耗盡型(常開(kāi)型)HEMT器件具有更多的優(yōu)勢(shì)，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)是研究者們極其關(guān)注的問(wèn)題。文獻(xiàn)X. Hu, et.al., “Enhancement mode AlGaN/GaN HFET with selectively grown pn junctiongate, ” Electron. Lett. vol. 36, no. 8, pp. 753-754，Apr. 2000 報(bào)道了米用 P 型 GaN 柵實(shí)現(xiàn)了一 種增強(qiáng)型 AlGaN/GaNHEMT 器件。文獻(xiàn) Y. Ohmaki, et. al. , “Enhancementmode AlGaN/AlN/GaN high electronmobiIity transistor with low on-stateresistance and high breakdown voltage, Jpn. J. Appl. Phys. , vol. 45, no. 44, pp.L1168-L1170, Nov. 2006報(bào)道了通過(guò)減薄AlGaN層實(shí)現(xiàn)了一種準(zhǔn)增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件。文獻(xiàn) W. Saito, et. al. , “Recessed-gate structure approach towardnormalIyoff high-voltage AlGaN/GaN HEMT for power electronics applications,，，IEEETrans. Electron Devices, vol. 53, no. 2, pp. 356 - 362, Feb. 2006 報(bào)道了 米用槽棚結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一種準(zhǔn)增強(qiáng)型高壓 AlGaN/GaN HEMT。文獻(xiàn) Y. Uemoto, et. al. , “Gate injectiontransistor(GIT)-AnormalIy-off AlGaN/GaN power transistor using conductivitymodulation,，，IEEE Trans. ElectronDevices, vol. 54, no. 12, pp. 3393-3399，Dec. 2007 報(bào)道了具有正閾值電壓的GIT器件。文獻(xiàn)Y. Cai, et. al. ,“High-performance enhancement-modeAlGaN/GaN HEMTs using Fluoride-basedPlasma Treatment,，，IEEE Electron Device Letters, vol. 26，No. 7，pp. 435-437，Jul.，2005報(bào)道了采用氟等離子體處理柵區(qū)，能有效的把具有負(fù)電荷的氟離子注入AlGaN勢(shì)壘區(qū)，使得閾值電壓產(chǎn)生漂移，并利用形成柵時(shí)的快速退火，有效的去除等離子體產(chǎn)生的損傷，使得Iym柵長(zhǎng)的器件獲得較好的性能。文獻(xiàn) PALACIOS T, et al. , “High-performance E-mode AlGaN/GaNHEMTs, ” IEEE ElectronDevice Letters, 2006，27(6) :428 — 430 報(bào)道了柵長(zhǎng) 160nm 的增強(qiáng)型 GaNHEMT 器件，采用柵挖槽和氟等離子處理相結(jié)合的辦法，利用InGaN背勢(shì)壘，獲得了和耗盡型GaN HEMT相當(dāng)?shù)男阅堋Ｎ墨I(xiàn) LI G. ff. , et al. , “Threshold voltage control in Al0.72Ga0.28N/A1N/GaN HEMTs by work-function engineering,，，IEEE Electron Device Letters,2010,31(9) :954 - 956報(bào)道了在AlGaN表面采用原子層淀積(ALD) 4nm Al2O3,既避免了金屬與AlGaN的直接接觸，又降低了柵極與溝道的距離。該方法增加了柵極對(duì)于溝道的控制。文獻(xiàn) FUJIffARA T.,et al. , ^Enhancement-mode m-plane AlGaN/GaN heterojunctionfield-effecttransistors” Appl Phys Express, 2009, 2 (I) :011001 — 011002 報(bào)道了制作非極化 m 面 AlGaN/GaN HEMT 。文獻(xiàn) KURODA M, et al. , “Nonpolar AlGaN/GaNmetal-insulator-semiconductor heterojunction field-effect transistors with anormally off operation, ^IEEE Transactions on Electron Device,2010,57(2):368 —372報(bào)道了制作非極化面a面AlGaN/GaN MIS-HFET實(shí)現(xiàn)閾值電壓I. 3V。文獻(xiàn)YuhuaWen, et al.，“Enhancement-modeAlGaN/GaN heterostructure field effect transistorsfabricated by elective area growth technique,，，Appl. Phys. Lett. 98072108，2011 報(bào)道了采用選擇區(qū)域外延(SAG)技術(shù)，在薄層AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)上進(jìn)行二次生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型器件。雖然近年來(lái)增強(qiáng)型HEMT的研究工作已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，但目前增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT的閾值電壓都比較低(大多小于IV)，性能要明顯比耗盡型HEMT的差。通常器件閾值電壓要求在3 5V以上，才能避免由于噪音而引起的誤操作，滿足功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用。其中，降低Al組分或者生長(zhǎng)薄的勢(shì)壘層降低了溝道中2DEG濃度，增大了 AlGaN/GaN HEMT的寄生電阻和開(kāi)態(tài)電阻，因此Al組分和勢(shì)壘層厚度只能夠在有限的范圍內(nèi)降低；生長(zhǎng)InGaN蓋帽層或ρ-GaN蓋帽層制作增強(qiáng)型HEMT，蓋帽層使柵極對(duì)于溝道的控制變?nèi)?，降低了器件的跨?dǎo)，對(duì)于AlGaN/GaN HEMT高頻工作不利；凹柵刻蝕能夠有效地耗盡柵極下方2DEG濃度，極大地提高閾值電壓，但是凹柵刻蝕需要精確地控制刻蝕深度和降低等離子體處理引起的刻蝕損傷；盡管目前F基等離子體處理是一種十分有前途的制作增強(qiáng)型HEMT的方法，但有可能遇到注入損傷和高壓工作穩(wěn)定性問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件。本發(fā)明根據(jù)場(chǎng)致隧穿的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)與方法，采用絕緣層-凹槽和垂直柵極技術(shù)實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型AlGaN/GaNHEMT器件。本發(fā)明所提供的場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT不僅具有高壓、高速、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，還與AlGaN/GaN HEMT功率開(kāi)關(guān)器件工藝兼容。本發(fā)明技術(shù)方案是一種場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型HMET器件，其結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括硅襯底3、由GaN層I和MGaN層2形成GaN異質(zhì)結(jié)、柵極結(jié)構(gòu)、源極結(jié)構(gòu)和漏極結(jié)構(gòu)，其中M為除Ga之外的III族元素；所述漏極結(jié)構(gòu)由位于GaN異質(zhì)結(jié)的上層、即AlGaN層2表面，且與MGaN層2表面形成歐姆接觸的金屬漏電極4形成；所述柵極結(jié)構(gòu)為凹槽絕緣柵結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)刻蝕于GaN異質(zhì)結(jié)中的凹槽，凹槽內(nèi)壁具有與GaN層I和MGaN層2相接觸的絕緣柵介質(zhì)6，凹槽內(nèi)部填充金屬形成金屬柵電極7 ;所述源極結(jié)構(gòu)由靠近柵極結(jié)構(gòu)并遠(yuǎn)離漏極結(jié)構(gòu)，與MGaN層2表面形成肖特基勢(shì)壘接觸的金屬源電極5形成，金屬源電極5與金屬柵電極7之間采用絕緣柵介質(zhì)6相隔尚。上述技術(shù)方案中1、所述除Ga之外的III族元素M通常采用Al或In ;2、絕緣柵介質(zhì)6材料可選用Si02、Si3N4、AlN、Al203、Mg0或Sc2O3 ;3、刻蝕于GaN異質(zhì)結(jié)中的凹槽所采用的刻蝕工藝為干法刻蝕或濕法刻蝕均可；4、凹槽內(nèi)壁的絕緣柵介質(zhì)6可采用ALD或PECVD工藝淀積。本發(fā)明提供的場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型HMET器件，與常規(guī)AlGaN/GaN HEMT器件(如圖2所示)不同的是，本發(fā)明中源極(S)是肖特基勢(shì)壘接觸而不是常規(guī)結(jié)構(gòu)中的歐姆接觸；柵極(G)不再位于源極和漏極(D)之間而是通過(guò)刻蝕凹槽在遠(yuǎn)離漏極的源極邊緣形成凹槽絕緣柵電極。本器件的工作原理是通過(guò)在凹槽柵電極上施加電勢(shì)(電場(chǎng))調(diào)控柵電極附近的AlGaN層能帶分布，以達(dá)到電子從源極金屬到2DEG溝道的隧穿導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)器件正向開(kāi)啟；在凹槽柵電極無(wú)外加電勢(shì)時(shí)，源極金屬與半導(dǎo)體構(gòu)成肖特基勢(shì)壘接觸，器件具有阻斷能力。由此，通過(guò)柵極對(duì)源極的導(dǎo)通與截止控制，達(dá)到了對(duì)器件的開(kāi)啟和關(guān)斷控制，從而實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型AlGaN/GaN HMET器件功能。同時(shí)，由于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)耗盡區(qū)在源極邊緣而并非在柵極邊緣，它將不會(huì)在柵極邊緣產(chǎn)生高電場(chǎng)，有利于降低高電場(chǎng)對(duì)柵極失效的影響。對(duì)本發(fā)明內(nèi)容的場(chǎng)控導(dǎo)電溝道(如圖I所示)，GaN異質(zhì)結(jié)以AlGaN/GaN為例，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面形成2DEG，主要由于GaNg和AlGaN兩種材料的晶格不匹配和界面應(yīng)力等因素的存在而形成。此器件利用了自發(fā)極化和壓電極化的方式實(shí)現(xiàn)了器件的2DEG導(dǎo)電溝道的存在。由于極化產(chǎn)生的2DEG使得AlGaN/GaN材料體系是常開(kāi)型溝道。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所需的常關(guān)型溝道，本發(fā)明構(gòu)建了垂直凹槽柵極結(jié)構(gòu)，異質(zhì)結(jié)界面的2DEG濃度與其 能帶分布有關(guān)，而能帶的變化可以通過(guò)改變電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此通過(guò)改變電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能帶的變化，柵極加正向電壓時(shí)能帶彎曲后電子可以直接隧穿過(guò)勢(shì)壘并且積聚在柵調(diào)制的溝道之下(圖3 (a)為器件加?xùn)艍呵暗膶?dǎo)帶示意圖，圖3 (b)為器件加?xùn)艍汉蟮膶?dǎo)帶示意圖)，進(jìn)而調(diào)控異質(zhì)結(jié)界面的2DEG濃度，實(shí)現(xiàn)常關(guān)型導(dǎo)電溝道。圖4是不同柵電壓下能帶變化的仿真結(jié)果，圖5是器件轉(zhuǎn)移特性曲線的仿真結(jié)果，圖6是輸出特性曲線的仿真結(jié)果。本發(fā)明的設(shè)計(jì)過(guò)程中尤其體現(xiàn)了以下細(xì)節(jié)I、垂直溝道貫穿整個(gè)MGaN層以確保器件能夠正常開(kāi)啟。2、源極金屬可以采用不同功函數(shù)的材料，但較低功函數(shù)的源極金屬可以使器件有較好的正向特性。3、柵介質(zhì)層厚度的選擇應(yīng)充分考慮以下兩個(gè)因素(a)介質(zhì)層厚度過(guò)薄，柵介質(zhì)易發(fā)生擊穿；(b)柵介質(zhì)層過(guò)厚，柵控制能力減弱。4、本發(fā)明可以有以下衍生結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖8):使柵極金屬躍過(guò)源極，此衍生結(jié)構(gòu)可以使柵極與源極之間的電場(chǎng)再分布，事實(shí)上等于形成了一個(gè)場(chǎng)板，防止了高電場(chǎng)峰的出現(xiàn)，使得器件耐壓提高。5、本發(fā)明中的漏極材料還可以采用肖特基金屬。本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在I、通常由于極化產(chǎn)生的2DEG使得AlGaN/GaN材料體系是常開(kāi)型溝道，而本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)了常關(guān)型溝道，使得器件更加利于控制。2、由于本結(jié)構(gòu)很好地克服了短溝道效應(yīng)，因此使得器件的頻率特性更加出色，特征頻率顯者提聞，可以應(yīng)用于聞?lì)l電路中。3、本發(fā)明場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT可以與傳統(tǒng)工藝兼容。


圖I場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2常規(guī)AlGaN/GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖3場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件導(dǎo)帶示意圖，(a) Vgs=O ； (b) Ves>0。圖4仿真得到的不同柵壓下對(duì)場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型AlGaN/GaNHEMT器件溝道中導(dǎo)帶能量的調(diào)制。圖5場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件的轉(zhuǎn)移特性曲線。圖6場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件的輸出特性曲線。圖7場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件的工藝流程圖(a)襯底；(b)刻蝕凹形柵槽；(C)歐姆接觸；(d)制作源極金屬電極；(e)淀積絕緣層；(f )制作柵極金屬電極。
圖8場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件的衍生結(jié)構(gòu)示意圖。 圖9場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件截止時(shí)等勢(shì)線分布圖。圖10場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件正向開(kāi)啟時(shí)柵附近等勢(shì)線分布。上述圖中I是GaN層,2是MGaN層(M為除Ga之外的III族兀素)，3是娃襯底,4是歐姆接觸的金屬漏電極，5是肖特基勢(shì)壘接觸的金屬源電極，6絕緣柵介質(zhì)，7金屬柵電極，8是歐姆接觸的金屬源電極。
具體實(shí)施例方式一種場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型HMET器件，其結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括硅襯底3、由GaN層I和MGaN層2形成GaN異質(zhì)結(jié)、柵極結(jié)構(gòu)、源極結(jié)構(gòu)和漏極結(jié)構(gòu)，其中M為除Ga之外的III族元素；所述漏極結(jié)構(gòu)由位于GaN異質(zhì)結(jié)的上層、即AlGaN層2表面，且與MGaN層2表面形成歐姆接觸的金屬漏電極4形成；所述柵極結(jié)構(gòu)為凹槽絕緣柵結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)刻蝕于GaN異質(zhì)結(jié)中的凹槽，凹槽內(nèi)壁具有與GaN層I和MGaN層2相接觸的絕緣柵介質(zhì)6，凹槽內(nèi)部填充金屬形成金屬柵電極7 ;所述源極結(jié)構(gòu)由靠近柵極結(jié)構(gòu)并遠(yuǎn)離漏極結(jié)構(gòu)，與MGaN層2表面形成肖特基勢(shì)壘接觸的金屬源電極5形成，金屬源電極5與金屬柵電極7之間采用絕緣柵介質(zhì)6相隔尚。上述技術(shù)方案中1、所述除Ga之外的III族元素M通常采用Al或In ;2、絕緣柵介質(zhì)6材料可選用Si02、Si3N4、AlN、Al203、Mg0或Sc2O3 ;3、刻蝕于GaN異質(zhì)結(jié)中的凹槽所采用的刻蝕工藝為干法刻蝕或濕法刻蝕均可；4、凹槽內(nèi)壁的絕緣柵介質(zhì)6可采用ALD或PECVD工藝淀積。本發(fā)明提出一種場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型AlGaN/GaN HMET器件(如圖I所示)，與常規(guī)AlGaN/GaNHEMT器件(如圖2所示)不同的是，該結(jié)構(gòu)中源極(S)是肖特基勢(shì)壘接觸而不是常規(guī)結(jié)構(gòu)中的歐姆接觸；柵極(G)不再位于源極和漏極(D)之間而是通過(guò)刻蝕凹槽在遠(yuǎn)離漏極的源極邊緣形成絕緣柵電極。本器件的工作原理是通過(guò)在凹槽柵電極上施加電勢(shì)(電場(chǎng))調(diào)控柵電極附近的AlGaN層能帶分布，以達(dá)到電子從源極金屬到2DEG溝道的隧穿導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)器件正向開(kāi)啟；在凹槽柵電極無(wú)外加電勢(shì)時(shí)，源極金屬與半導(dǎo)體構(gòu)成肖特基勢(shì)壘接觸，器件具有阻斷能力。由此，通過(guò)柵極對(duì)源極的導(dǎo)通與截止控制，達(dá)到了對(duì)器件的開(kāi)啟和關(guān)斷控制，從而實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型AlGaN/GaN HMET器件功能。同時(shí)，由于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)耗盡區(qū)在源極邊緣而并非在柵極邊緣，它將不會(huì)在柵極邊緣產(chǎn)生高電場(chǎng)，有利于降低高電場(chǎng)對(duì)柵極失效的影響。對(duì)本發(fā)明內(nèi)容的場(chǎng)控導(dǎo)電溝道(如圖I所示)，GaN異質(zhì)結(jié)以AlGaN/GaN為例，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面形成2DEG，主要由于GaNg和AlGaN兩種材料的晶格不匹配和界面應(yīng)力等因素的存在而形成。此器件利用了自發(fā)極化和壓電極化的方式實(shí)現(xiàn)了器件的2DEG導(dǎo)電溝道的存在。由于極化產(chǎn)生的2DEG使得AlGaN/GaN材料體系是常開(kāi)型溝道。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所需的常關(guān)型溝道，本發(fā)明構(gòu)建了垂直凹槽柵極結(jié)構(gòu)，異質(zhì)結(jié)界面的2DEG濃度與其能帶分布有關(guān)，而能帶的變化可以通過(guò)改變電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此通過(guò)改變電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能帶的變化，柵極加正向電壓時(shí)能帶彎曲后電子可以直接隧穿過(guò)勢(shì)壘并且積聚在柵調(diào)制的溝道之下(圖3 (a)為器件加?xùn)艍呵暗膶?dǎo)帶示意圖，圖3 (b)為器件加?xùn)艍汉蟮膶?dǎo)帶示意圖)，進(jìn)而調(diào)控異質(zhì)結(jié)界面的2DEG濃度，實(shí)現(xiàn)常關(guān)型導(dǎo)電溝道。圖4是不同柵電壓下能帶變化的仿真結(jié)果，圖5是器件轉(zhuǎn)移特性曲線的仿真結(jié)果，圖6是輸出特性曲線的仿真結(jié)果。在本發(fā)明中，可采用以下兩種方案來(lái)制備絕緣柵介質(zhì)材料。(a)采用原子層淀積(ALD)制備A1203、Hf02、TiO2等介質(zhì)材料。ALD所生長(zhǎng)的薄膜是自限制的，能精確地控制薄膜的厚度和化學(xué)組分，而且淀積的薄膜具有很好的均勻性和保形性。應(yīng)考慮采用復(fù)合疊層的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如HfO2AI2O3等。
(b)采用MOCVD設(shè)備制備Ga203、A1203、AlGaO或AlGa0/Al203等各種單層、混合層以及各種疊層結(jié)構(gòu)，以制備高性能絕緣柵介質(zhì)。采用MOCVD方法具有介質(zhì)材料成膜狀態(tài)致密、厚度控制精準(zhǔn)、易于形成混合膜和多層膜重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，特別是對(duì)界面態(tài)控制的可控空間較大。場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件的一種可以實(shí)現(xiàn)的工藝流程如圖7所示
(a)制備襯底，(b)刻蝕凹形柵槽，(C)漏極歐姆接觸，(d)制作源極金屬電極，(e)淀積絕緣層，(f)制作柵極金屬電極。采用器件仿真軟件ISE-Dessis對(duì)本發(fā)明所提結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步仿真分析。在本仿真分析中，AlGaN勢(shì)魚(yú)層為23nm, GaN層為I μ m,漏極是長(zhǎng)度為I μ m的歐姆接觸,源極為長(zhǎng)度是O. 2 μ m的肖特基接觸(Ni/Au)。在源極側(cè)面的凹槽中，通過(guò)在凹槽側(cè)面淀積 IOnm厚的SiN介質(zhì)層以及肖特基金屬形成柵電極。由于極化效應(yīng)的存在，在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面引入lX1013cm_2的負(fù)的極化電荷，以表征2DEG的存在；在AlGaN和GaN中分別引入I. 8eV和2. 2eV的受主型深陷阱以表征體缺陷。仿真模型中，沒(méi)有考慮鏡像力對(duì)肖特基勢(shì)壘高度的影響。當(dāng)柵極電壓為OV時(shí)，凹槽柵溝道中沒(méi)有電子聚集，在肖特基源極邊緣產(chǎn)生的耗盡區(qū)承受漏極電壓，如同反向偏置的SBD —樣，如圖9所示。隨著柵極電壓的增加，凹槽柵溝道中的AlGaN導(dǎo)帶逐漸向下彎曲，這伴隨著源極肖特基勢(shì)壘的減薄，如圖4所示。當(dāng)肖特基勢(shì)壘減薄到小于電子隧穿距離時(shí)，電子將越過(guò)勢(shì)壘并且積聚在柵調(diào)制的溝道之下，源漏電勢(shì)差使得聚集在溝道中的電子漂移穿過(guò)AlGaN勢(shì)壘層，最終被異質(zhì)結(jié)處的二維量子阱俘獲，從而實(shí)現(xiàn)了電流導(dǎo)通。圖10是柵壓為4. 5V時(shí)柵附近等勢(shì)線分布。圖5是器件的轉(zhuǎn)移特性曲線仿真結(jié)果，由圖中可以得到閾值電壓達(dá)到2V。圖6是直流輸出電流仿真結(jié)果，在柵壓為4. 5V時(shí)漏極電流為飛OOmA/mm。通過(guò)上述ISE仿真分析，驗(yàn)證了本發(fā)明所提出器件工作機(jī)理的可行性。
權(quán)利要求
1.一種場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型HMET器件，其結(jié)構(gòu)包括硅襯底(3)、由GaN層(I)和MGaN層(2)形成GaN異質(zhì)結(jié)、柵極結(jié)構(gòu)、源極結(jié)構(gòu)和漏極結(jié)構(gòu)，其中M為除Ga之外的III族元素；所述漏極結(jié)構(gòu)由位于GaN異質(zhì)結(jié)的上層、即MGaN層(2)表面，且與MGaN層(2)表面形成歐姆接觸的金屬漏電極(4)形成；所述柵極結(jié)構(gòu)為凹槽絕緣柵結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)刻蝕于GaN異質(zhì)結(jié)中的凹槽，凹槽內(nèi)壁具有與GaN層(I)和MGaN層(2)相接觸的絕緣柵介質(zhì)(6)，凹槽內(nèi)部填充金屬形成金屬柵電極(7);所述源極結(jié)構(gòu)由靠近柵極結(jié)構(gòu)并遠(yuǎn)離漏極結(jié)構(gòu)，與MGaN層(2)表面形成肖特基勢(shì)壘接觸的金屬源電極(5)形成，金屬源電極(5)與金屬柵電極(7)之間采用絕緣柵介質(zhì)(6)相隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型HMET器件，其特征在于，所述除Ga之外的III族元素M為Al或In。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型HMET器件，其特征在于，所述絕緣柵介質(zhì) (6)材料為 Si02、Si3N4' AIN、Al2O3' MgO 或 Sc2O3°
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型HMET器件，其特征在于，刻蝕于GaN異質(zhì)結(jié)中的凹槽所采用的刻蝕工藝為干法刻蝕或濕法刻蝕。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型HMET器件，其特征在于，凹槽內(nèi)壁的絕緣柵介質(zhì)(6)采用ALD或PECVD工藝淀積。
全文摘要
一種場(chǎng)致隧穿增強(qiáng)型HEMT器件，屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。與常規(guī)AlGaN/GaNHEMT器件不同的是，本發(fā)明中金屬源極是肖特基勢(shì)壘接觸而不是常規(guī)結(jié)構(gòu)中的歐姆接觸；金屬柵極不再位于源極和漏極之間而是通過(guò)刻蝕凹槽在遠(yuǎn)離漏極的源極邊緣形成絕緣柵電極。本發(fā)明通過(guò)采用絕緣層-凹槽技術(shù)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)控導(dǎo)電溝道，由凹槽柵電極上施加的電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)其場(chǎng)控導(dǎo)電溝道的電場(chǎng)控制，柵極加正向電壓時(shí)能帶彎曲后電子可以直接隧穿過(guò)勢(shì)壘并且積聚在柵調(diào)制的溝道之下，從而實(shí)現(xiàn)了常關(guān)型溝道，有利于提升器件頻率特性，而且不影響器件的反向耐壓能力。與此同時(shí)，本發(fā)明所公布的器件制備工藝與傳統(tǒng)工藝兼容，從而為GaN功率集成技術(shù)奠定了良好基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)H01L29/06GK102881716SQ201210364990
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者陳萬(wàn)軍, 張競(jìng), 尉中杰, 魏進(jìn), 張波 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)