本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種槽柵增強(qiáng)型AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

背景技術(shù)：

由于以Si和GaAs為代表的第一代和第二代半導(dǎo)體材料的局限性，第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能得到了飛速發(fā)展。GaN材料作為第三代半導(dǎo)體材料的核心之一，相比Si，GaAs和SiC特殊之處在于其所具有的極化效應(yīng)。利用這種特殊性，人們研制了AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管，AlGaN/GaN HEMTs是以AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料為基礎(chǔ)而制造的GaN基微電子器件。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)通過自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)在異質(zhì)結(jié)界面處形成高密度二維電子氣(two dimensional electron gas，2DEG)，這種二維電子氣具有很高的遷移率，從而使AlGaN/GaN HEMTs具有很低的導(dǎo)通電阻。與傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)器件相比，AlGaN/GaN HEMTs具有高跨導(dǎo)、高飽和電流以及高截止頻率等優(yōu)良特性。而且，實(shí)驗(yàn)證明，GaN基HEMTs在1000K的高溫下仍然保持著良好的直流特性，從而為高溫環(huán)境應(yīng)用提供了可靠的保證。

由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的生長和AlGaN/GaN HEMTs器件的研制始終占據(jù)著GaN電子器件研究的主要地位。然而十幾年來針對(duì)GaN基電子器件研究的大部分工作集中在耗盡型AlGaN/GaN HEMTs器件上，這是由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中強(qiáng)極化電荷的存在，使得制造GaN基的增強(qiáng)型器件變得十分困難，因此高性能增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMTs的研究具有非常重要的意義。

對(duì)于GaN基增強(qiáng)型器件，工藝上較為容易實(shí)現(xiàn)的是槽柵結(jié)構(gòu)。W.B.Lanford等人通過MOCVD利用槽柵技術(shù)制得了閾值電壓達(dá)0.47V的增強(qiáng)型器件。該器件結(jié)構(gòu)自下而上包括：SiC襯底，成核層，2um厚的GaN，3nm厚的AlGaN，10nm厚的n-AlGaN，10nm厚的AlGaN。該技術(shù)通過將柵下的勢(shì)壘層刻蝕一定深度，使得柵下勢(shì)壘層變薄，從而使柵下2DEG濃度降低，而源漏區(qū)的載流子濃度保持較大值不變，這樣既可實(shí)現(xiàn)器件的增強(qiáng)型特性，又可保證一定的電流密度。參見文獻(xiàn):

W.B.Lanford,T.Tanaka,Y.Otoki and I.Adesida,“Recessed-gate enhancement-mode GaN HEMT with high threshold voltage”,Electronics Letters,Vol.41,No.7,March2005.

然而，在槽柵增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMTs的柵邊緣往往存在著高峰電場(chǎng)，其會(huì)給器件帶來以下不利影響：1、會(huì)引起電子–空穴對(duì)離化，當(dāng)達(dá)到GaN材料的臨界擊穿電場(chǎng)這一雪崩條件時(shí)，器件在柵電極邊緣擊穿。2、即使沒有達(dá)到GaN材料的臨界擊穿電場(chǎng)，高電場(chǎng)效應(yīng)仍然會(huì)使柵電極電子場(chǎng)致發(fā)射遂穿進(jìn)入表面鈍化層，這些隧穿的電子會(huì)中和AlGaN層的表面極化正電荷，而這些表面極化正電荷，直接關(guān)系到異質(zhì)結(jié)界面處2DEG的濃度大小，部分表面正電荷被中和會(huì)降低高密度的2DEG濃度，從而使AlGaN/GaN HEMTs輸出電流明顯減小，這就是電流崩塌效應(yīng)。3、使電子–空穴對(duì)的離化幾率增加，電離后的空穴在縱向電場(chǎng)作用下進(jìn)入溝道中和2DEG,也會(huì)使2DEG濃度減小，進(jìn)一步減小輸出電流；而且電離后的電子進(jìn)入AlGaN極化層會(huì)給器件閾值電壓帶來不利影響，使得器件可靠性降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中由于在槽柵增強(qiáng)型AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵邊緣存在高峰電場(chǎng)而引起的器件雪崩擊穿、電流崩塌效應(yīng)，閾值電壓和輸出電流減小，可靠性降低等一系列問題，本發(fā)明提供一種新型槽柵增強(qiáng)型AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

解決方案如下：

一種槽柵增強(qiáng)型AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括：

半絕緣襯底；

位于所述半絕緣襯底上異質(zhì)外延生長的AlN成核層；

位于所述AlN成核層上外延生長的GaN緩沖層；

位于所述GaN緩沖層上外延生長的AlGaN勢(shì)壘層；

分列于所述AlGaN層上的源極、柵凹槽以及漏極；

位于所述源極與漏極之間的柵凹槽；

位于所述柵凹槽上的柵極；

其特殊之處在于：

在AlGaN勢(shì)壘層上還外延生長有與柵極邊緣鄰接的本征GaN帽層，所述本征GaN帽層部分覆蓋或者完全覆蓋柵極和漏極之間的區(qū)域，其長度與溝道2DEG濃度調(diào)制需要有關(guān)。

基于上述解決方案，本發(fā)明還進(jìn)一步作如下優(yōu)化限定和改進(jìn)：

上述本征GaN帽層是通過在AlGaN勢(shì)壘層表面外延生長本征GaN層，然后刻蝕形成的。

本征GaN帽層位于柵極和漏極之間，可以部分覆蓋，也可以完全覆蓋。這是因?yàn)楸菊鱃aN帽層對(duì)溝道2DEG濃度調(diào)制作用的效果與其長度有關(guān)，可以靈活選擇刻蝕區(qū)域，本征GaN帽層長度以不超過柵漏間距的百分之二十為佳。

上述柵凹槽是通過對(duì)本征GaN帽層和AlGaN勢(shì)壘層局部刻蝕形成的。

上述柵極通過肖特基接觸與所述AlGaN勢(shì)壘層相連。

上述源極和所述漏極均通過歐姆接觸與所述AlGaN勢(shì)壘層相連。

上述外延生長的GaN緩沖層具有n型電阻特性或半絕緣特性。

上述半絕緣襯底為能夠與所述AlN成核層異質(zhì)外延的半絕緣材料，優(yōu)選硅或碳化硅，或者采用藍(lán)寶石襯底。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：

在晶體管柵極邊緣引入本征GaN帽層，該本征GaN帽層會(huì)降低該區(qū)域?qū)щ姕系?DEG的濃度，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)。通過產(chǎn)生新的電場(chǎng)峰，降低了柵邊緣的高電場(chǎng)，使晶體管表面的電場(chǎng)分布更加均勻。隨著本征GaN帽層長度的增加，電場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)增強(qiáng)，使得新電場(chǎng)峰值提高，柵邊緣高峰電場(chǎng)下降量增加；而且由于表面電場(chǎng)分布更加均勻，使得器件在達(dá)到GaN材料臨界擊穿電場(chǎng)時(shí)所需要施加的漏端電壓更大，擊穿電壓提高，器件可靠性相比于傳統(tǒng)槽柵增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)，也有了明顯的改善。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具有部分本征GaN帽層的新型槽柵增強(qiáng)型AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的示意圖。

圖2為傳統(tǒng)槽柵增強(qiáng)型AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)與本發(fā)明具有本征GaN帽層的槽柵增強(qiáng)型AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)擊穿時(shí)溝道電場(chǎng)分布與電壓值對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

該實(shí)施例是一種具有部分本征GaN帽層的新型槽柵增強(qiáng)型AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：半絕緣襯底0；位于半絕緣襯底上異質(zhì)外延生長的AlN成核層1；位于AlN成核層上外延生長的GaN緩沖層2；位于GaN緩沖層上外延生長的AlGaN勢(shì)壘層3；位于所述AlGaN勢(shì)壘層上的柵凹槽4、漏極5以及源極6；位于柵凹槽上的柵極7；位于所述AlGaN勢(shì)壘層上，與柵極邊緣鄰接的本征GaN帽層8。

槽柵結(jié)構(gòu)是常用的實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型的方法。通過將柵下的勢(shì)壘層刻蝕一定深度，使得柵下勢(shì)壘層變薄，從而使柵下2DEG濃度降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型特性。器件的閾值電壓取決于刻蝕深度。

引入本征GaN帽層，使得GaN/AlGaN界面處感應(yīng)出負(fù)極化電荷，這層負(fù)電荷降低了溝道2DEG濃度，產(chǎn)生新的電場(chǎng)峰，使得柵極邊緣高電場(chǎng)降低，表面電場(chǎng)分布趨于均勻。隨著本征GaN帽層長度的增加，電場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)增強(qiáng)，使得新電場(chǎng)峰值提高，柵邊緣高峰電場(chǎng)下降量增加；而且由于表面電場(chǎng)分布更加均勻，使得器件在達(dá)到GaN材料臨界擊穿電場(chǎng)時(shí)所需要施加的漏端電壓更大，擊穿電壓提高，器件可靠性相比于傳統(tǒng)槽柵增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)，也有了明顯的改善。

如圖2所示，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在柵極邊緣存在高峰電場(chǎng)，電場(chǎng)分布為三角形，其擊穿電壓只有46V，而新型結(jié)構(gòu)能夠在本征GaN帽層靠近漏極一側(cè)產(chǎn)生新的電場(chǎng)峰，有效降低了柵極邊緣的高峰電場(chǎng)，擊穿電壓提高至78V，其中柵極靠近漏極邊緣位置為X＝3.0μm，本征GaN帽層長度為2.0μm，厚度為100nm。

其具體實(shí)現(xiàn)方法以感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)為例：在完成本征GaN帽層AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的刻蝕與金屬電極淀積工藝后，利用ICP在靠近柵極邊緣刻蝕出本征GaN帽層?？涛g區(qū)域可以靈活選擇。

這里，本征GaN帽層的厚度，只與該帽層所對(duì)應(yīng)的溝道具體要求有關(guān)，在需要減少溝道載流子濃度的地方，就應(yīng)存在本征GaN帽層，帽層的厚度越大，載流子濃度減小的幅度越大，具體溝道載流子濃度的大小，主要是根據(jù)需要著重遏制的不利影響來確定，比如：

若需要一個(gè)LDD的濃度分布以提高擊穿電壓遏制熱載流子注入效應(yīng)，則可以在由柵到漏依次刻蝕不同深度，產(chǎn)生階梯型本征GaN帽層。

若需要充分改善器件的擊穿特性，則可以在柵漏間完全覆蓋本征GaN帽層。

若需要降低器件漏極靠近柵極邊緣產(chǎn)生的高峰電場(chǎng)，則可以在漏極邊緣根據(jù)具體要求刻蝕產(chǎn)生本征GaN帽層，等等。

為獲得“具有調(diào)制溝道載流子濃度的本征GaN帽層”，并不限于上述實(shí)施例采用的本征GaN帽層ICP刻蝕技術(shù)，也可以采用其他方式實(shí)現(xiàn)，最終應(yīng)能達(dá)到相同的技術(shù)效果。

獲得本征GaN帽層的刻蝕技術(shù)與方法有很多，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、電子回旋共振等離子體刻蝕(ECR)等能夠刻蝕本征GaN帽層的技術(shù)都可以應(yīng)用于此方案。

以上所述的是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通人員來說，基于本發(fā)明的原理，還可以進(jìn)行若干改進(jìn)和完善，這些改進(jìn)和完善的產(chǎn)物也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。