[发明专利]基于GaN的MIS栅增强型HEMT器件及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件及制作工艺，具体的说是一种基于GaN材料的金属绝缘体半导体MIS栅增强型高电子迁移率晶体管HEMT器件以及制作方法，可用于高温高频大功率应用场合以及大功率开关和数字电路。

背景技术

GaN是一种新型宽禁带化合物半导体材料，具有许多硅基半导体材料所不具备的优良特性，如3.14eV的宽禁带宽度，高达3×10⁶V/cm的击穿电场，以及较高的热导率，且耐腐蚀，抗辐射。更重要的是，GaN材料可以形成AlGaN/GaN异质结结构，这种异质结结构在室温下可以获得高于1500cm²/Vs的电子迁移率，以及高达3×10⁷cm/s的饱和电子速度和2×10⁷cm/s的电子速度，而且可以获得比第二代化合物半导体异质结器件更高的二维电子气浓度。这些优势使得AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT在大功率、高频率、低噪声方面超过GaAs基HEMT和InP基HEMT。所以，基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管在高温器件及大功率微波器件方面有非常好的应用前景。

由于AlGaN/GaN异质结得天独厚的优势，AlGaN/GaN异质结材料的生长和AlGaN/GaN HEMT器件的研制始终占据着GaN电子器件研究的主要地位。然而十几年来针对GaN基电子器件研究的大部分工作集中在耗尽型AlGaN/GaN HEMT器件上，这是因为AlGaN/GaN异质结构中较强极化电荷的存在，使得制造基于GaN的增强型器件变得十分困难，因此高性能AlGaN/GaN增强型HEMT的研究具有非常重要的意义。

AlGaN/GaN增强型HEMT具有广阔的应用前景。首先，GaN基材料被誉为是研制微波功率器件的理想材料，而增强型器件在微波功率放大器和低噪声放大器等电路中由于减少了负电压源，从而大大降低了电路的复杂性以及成本，且AlGaN/GaN增强型HEMT器件在微波大功率器件和电路具有很好的电路兼容性。同时，增强型器件的研制使单片集成耗尽型/增强型器件的数字电路成为可能。而且，在功率开光应用方面，AlGaN/GaN增强型HEMT也有很大的应用前景。因而高性能AlGaN/GaN增强型HEMT器件的研究得到了极大的重视。

目前，不论是国内还是国际上，都有不少关于AlGaN/GaN增强型HEMT的报道。目前报道的主要有以下几种技术：

1.F离子注入技术，即基于氟化物CF4的等离子体注入技术，香港科技大学的Yong Cai等人成功研制了基于F离子注入技术的增强型HEMT器件，该器件通过在AlGaN/GaN HEMT栅下的AlGaN势垒层中注入F离子，由于F离子的强负电性，势垒层中的F离子可以提供稳定的负电荷，因而可以有效的耗尽沟道区的强二维电子气，当AlGaN势垒层中的F离子数达到一定数量时，栅下沟道处的二维电子气完全耗尽，从而实现增强型HEMT器件。但是F注入技术不可避免的会引入材料的损伤，且器件阈值电压的可控性不高。该器件在室温下薄层载流子浓度高达1.3×10¹³cm^-2，迁移率为1000cm²/Vs，阈值电压达到0.9V，最大漏极电流达310mA/mm。参见文献Yong Cai，Yugang Zhou，Kevin J.Chen and Kei May Lau，“High-performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasma treatment”，IEEE Electron Device Lett，Vol.26，No.7，JULY 2005。