具有2DEG恢復(fù)效應(yīng)的GaN HEMT器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有2DEG恢復(fù)效應(yīng)的GaNHEMT器件。
【背景技術(shù)】
[0002]硅基芯片經(jīng)歷幾十年發(fā)展，Si基CMOS器件尺寸不斷縮小，其頻率性能卻不斷提高，當(dāng)特征尺寸達(dá)到25nm時，其fT可達(dá)490GHz。但Si材料的Johnson優(yōu)值僅為0.5THzV,而尺寸的縮小使Si基CMOS器件的擊穿電壓遠(yuǎn)小于IV，這極大地限制了硅基芯片在超高速數(shù)字領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003]近年來，人們不斷地尋找Si材料的替代品，由于寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)材料具有超高的Johnson優(yōu)值(可達(dá)到5THzV)，其器件溝道尺寸達(dá)到10nm量級時，擊穿電壓仍能保持在10V左右，因此，GaN材料已逐漸引起國內(nèi)外廣泛的重視。隨著，GaN材料在要求高轉(zhuǎn)換效率和精確閾值控制、寬帶、大動態(tài)范圍的電路(如超寬帶ADC、DAC)數(shù)字電子領(lǐng)域具有廣闊和特殊的應(yīng)用前景，GaN基邏輯器件已成為近幾年超高速半導(dǎo)體領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，正成為Si基CMOS高速電路在數(shù)模和射頻電路領(lǐng)域的后續(xù)發(fā)展中的有力競爭者，是國家重點(diǎn)支持的尖端技術(shù)，堪稱信息產(chǎn)業(yè)的“心臟”。
[0004]目前，基于GaN的HEMT邏輯器件的加工尺度已進(jìn)入了 GaN納電子的范疇，fT已達(dá)到190GHz，正向著300GHz到500GHz進(jìn)軍。但是，一方面，由于常規(guī)GaN器件受限于AlGaN勢皇的“內(nèi)在應(yīng)力”和“表面耗盡效應(yīng)”，其AlGaN勢皇極限厚度無法突破18nm，不能滿足毫米波應(yīng)用器件等比例縮小的要求，阻礙了其向毫米波段超高速數(shù)字電路方向的發(fā)展；另一方面，對于這些傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)本身而言，其中勢皇引起的大柵流和電流崩塌是阻礙器件性能提高和實際應(yīng)用的主要瓶頸。因此，目前的GaN器件還不能實現(xiàn)毫米波段的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種具有2DEG恢復(fù)效應(yīng)的GaN HEMT器件，能夠?qū)崿F(xiàn)毫米波段的應(yīng)用。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是:提供一種具有2DEG恢復(fù)效應(yīng)的GaN HEMT器件，包括Si襯底；GaN緩沖層，所述GaN緩沖層形成在所述Si襯底上；GaN溝道層，所述GaN溝道層形成在所述GaN緩沖層上；A1N勢皇層，所述A1N勢皇層形成在所述GaN溝道層的中心區(qū)域上；GaN帽層，所述GaN帽層形成在所述A1N勢皇層上；n+GaN外延層，所述n+GaN外延層形成在所述GaN溝道層的源極區(qū)域和漏極區(qū)域上，且所述n+GaN外延層的底端至少部分嵌入所述GaN溝道層內(nèi)部，所述n+GaN外延層的頂端至少部分覆蓋所述GaN帽層，其中，所述源極區(qū)域和漏極區(qū)域分別位于所述中心區(qū)域兩側(cè)；A1203鈍化層，所述A1203鈍化層形成在所述GaN帽層上，并至少部分覆蓋所述n+GaN外延層；源極，所述源極形成在所述源極區(qū)域的n+GaN外延層上；漏極，所述漏極形成在所述漏極區(qū)域的n+GaN外延層上；柵極，所述柵極形成在所述GaN帽層上方的A1203鈍化層上。
[0007]優(yōu)選地，所述GaN緩沖層中摻雜有Mg。
[0008]優(yōu)選地，所述A1N勢皇層的厚度為1.5nm，所述GaN帽層的厚度為2nm。
[0009]優(yōu)選地，所述n+GaN外延層的摻雜濃度為IX 1019-2 X1019。
[0010]優(yōu)選地，所述源極和漏極與所述n+GaN外延層形成非合金歐姆接觸。
[0011]優(yōu)選地，所述A1203鈍化層的厚度為2nm。
[0012]區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明的有益效果是:
[0013]1.由于采用了 Si構(gòu)成，有利于大幅度降低GaN HEMT器件的成本，并且可與常規(guī)Si基CMOS器件無縫契合，實現(xiàn)大規(guī)?；瘧?yīng)用的射頻與數(shù)字的集成。
[0014]2.利用A1N勢皇層和GaN帽層形成的超薄亞閾值勢皇結(jié)構(gòu)，可以有效解決具有常規(guī)AlGaN勢皇的GaN器件遇到的“內(nèi)在應(yīng)力”和“表面耗盡效應(yīng)”，明顯改善常規(guī)GaN器件的大柵流和電流崩塌現(xiàn)象，提高器件可靠性。
[0015]3.可滿足微波毫米波器件應(yīng)用等比例縮小的要求，極大地促進(jìn)了 GaN器件向毫米波段超高頻、超高速數(shù)字電路方向的發(fā)展。
[0016]4.可有效地減小GaN器件歐姆接觸電阻，并克服常規(guī)GaN器件中需采用850度進(jìn)行高溫退火的弊端，極大地提高了 GaN器件的可靠性。
[0017]4.可通過調(diào)節(jié)A1203有效厚度，控制閾值電壓，可以使得無損傷增強(qiáng)/耗盡型(E/D-mode)器件集成技術(shù)得以實現(xiàn)
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明實施例具有2DEG恢復(fù)效應(yīng)的GaN HEMT器件的示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0020]參見圖1，是本發(fā)明實施例具有2DEG恢復(fù)效應(yīng)的GaN HEMT器件的示意圖。本實施例的具有2DEG恢復(fù)效應(yīng)的GaN HEMT器件包括Si襯底1、GaN緩沖層2、GaN溝道層3、A1N勢皇層4、GaN帽層5、n+GaN外延層6、A1203鈍化層7、源極8、漏極9和柵極10。
[0021]其中，GaN緩沖層2形成在Si襯底1上。GaN溝道層3形成在GaN緩沖層2上。A1N勢皇層4形成在GaN溝道層3的中心區(qū)域上。GaN帽層5形成在A1N勢皇層4上。n+GaN外延層6形成在GaN溝道層3的源極區(qū)域和漏極區(qū)域上，且n+GaN外延層6的底端至少部分嵌入GaN溝道層3內(nèi)部，n+GaN外延層6的頂端至少部分覆蓋GaN帽層5，其中，源極區(qū)域和漏極區(qū)域分別位于中心區(qū)域兩側(cè)。A1203鈍化層7形成在GaN帽層5上，并至少部分覆蓋n+GaN外延層6。源極8形成在源極區(qū)域的n+GaN外延層6上。漏極9形成在漏極區(qū)域的n+GaN外延層6上。柵極10形成在GaN帽層5上方的A1203鈍化層7上。
[0022]在本實施例中，GaN緩沖層2中摻雜有Mg。A1N勢皇層4的厚度為1.5nm，GaN帽層5的厚度為2nm。n+GaN外延層6的摻雜濃度為1 X 1019-2X1019o源極8和漏極9與n+GaN外延層6形成非合金歐姆接觸。
[0023]A1N勢皇層4與GaN帽層5會形成AlN/GaN異質(zhì)結(jié)，A1N勢皇層4已經(jīng)達(dá)到極限厚度1.5nm，在該異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中二維電子氣為零。
[0024]A1203鈍化層7可采用ALD設(shè)備生長，A1 203鈍化層7可用以恢復(fù)溝道中的二維電子氣。
[0025]n+GaN外延層6可以在源極區(qū)域和漏極區(qū)域再生長，不需要通過以往制作GaN器件中采用的850°C高溫退火方式即可形成，n+GaN外延層6可以形成良好的非合金歐姆接觸。
[0026]A1203鈍化層7的厚度可以調(diào)節(jié)，其典型值可以為2nm。通過調(diào)節(jié)A1 203鈍化層7的厚度，可控制閾值電壓范圍。
[0027]本發(fā)明實施例的具有2DEG恢復(fù)效應(yīng)的GaN HEMT器件采用超薄A1N勢皇層與GaN帽層形成AlN/GaN異質(zhì)結(jié)，并利用A1203鈍化層對AlN/GaN異質(zhì)結(jié)進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)溝道中的二維電子氣，由于A1N勢皇層超高的禁帶寬度和超薄的勢皇層厚度，可極大地提高GaN器件的高頻性能，能滿足下一代微波毫米波應(yīng)用等比例縮小的要求。
[0028]以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種具有2DEG恢復(fù)效應(yīng)的GaN HEMT器件，其特征在于，包括: Si襯底； GaN緩沖層，所述GaN緩沖層形成在所述Si襯底上； GaN溝道層，所述GaN溝道層形成在所述GaN緩沖層上； A1N勢皇層，所述A1N勢皇層形成在所述GaN溝道層的中心區(qū)域上； GaN帽層，所述GaN帽層形成在所述A1N勢皇層上； n+GaN外延層，所述n+GaN外延層形成在所述GaN溝道層的源極區(qū)域和漏極區(qū)域上，且所述n+GaN外延層的底端至少部分嵌入所述GaN溝道層內(nèi)部，所述n+GaN外延層的頂端至少部分覆蓋所述GaN帽層，其中，所述源極區(qū)域和漏極區(qū)域分別位于所述中心區(qū)域兩側(cè)；A1203鈍化層，所述A1 203鈍化層形成在所述GaN帽層上，并至少部分覆蓋所述n+GaN外延層; 源極，所述源極形成在所述源極區(qū)域的n+GaN外延層上； 漏極，所述漏極形成在所述漏極區(qū)域的n+GaN外延層上； 柵極，所述柵極形成在所述GaN帽層上方的A1203鈍化層上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有2DEG恢復(fù)效應(yīng)的GaNHEMT器件，其特征在于，所述GaN緩沖層中摻雜有Mg。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有2DEG恢復(fù)效應(yīng)的GaNHEMT器件，其特征在于，所述A1N勢皇層的厚度為1.5nm，所述GaN帽層的厚度為2nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述所述的具有2DEG恢復(fù)效應(yīng)的GaNHEMT器件，其特征在于，所述n+GaN外延層的摻雜濃度為1 X 1019-2X1019o5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有2DEG恢復(fù)效應(yīng)的GaNHEMT器件，其特征在于，所述源極和漏極與所述n+GaN外延層形成非合金歐姆接觸。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有2DEG恢復(fù)效應(yīng)的GaNHEMT器件，其特征在于，所述A1203鈍化層的厚度為2nm。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有2DEG恢復(fù)效應(yīng)的GaN？HEMT器件。其包括由下至上依次形成的Si襯底、GaN緩沖層、GaN溝道層、AlN勢壘層和GaN帽層，AlN勢壘層形成在GaN溝道層的中心區(qū)域上，GaN溝道層的源極區(qū)域和漏極區(qū)域上形成有n+GaN外延層，其底端至少部分嵌入GaN溝道層內(nèi)部，其頂端至少部分覆蓋GaN帽層，其中，源極區(qū)域和漏極區(qū)域分別位于中心區(qū)域兩側(cè)，GaN帽層上形成有Al2O3鈍化層，Al2O3鈍化層至少部分覆蓋n+GaN外延層，源極區(qū)域和漏極區(qū)域的n+GaN外延層上分別形成有源極和漏極，GaN帽層上方的Al2O3鈍化層上形成有柵極。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)毫米波段的應(yīng)用。
【IPC分類】H01L29/267, H01L29/778
【公開號】CN105428410
【申請?zhí)枴緾N201510815712
【發(fā)明人】黎明
【申請人】成都嘉石科技有限公司
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年11月20日