[发明专利]一种p‑GaN增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种p-GaN增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管。

背景技术

由于以Si和GaAs为代表的第一代和第二代半导体材料的局限性，第三代宽禁带半导体材料因为其优异的性能得到了飞速发展。GaN材料作为第三代半导体材料的核心之一，相比Si，GaAs和SiC特殊之处在于其所具有的极化效应。利用这种特殊性，人们研制了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，AlGaN/GaN HEMTs是以AlGaN/GaN异质结材料为基础而制造的GaN基微电子器件。AlGaN/GaN异质结通过自发极化和压电极化效应在异质结界面处形成高密度二维电子气(two dimensional electron gas，2DEG)，这种二维电子气在空间上与电离杂质分离，从而具有很高的迁移率，使AlGaN/GaN HEMTs具有很低的导通电阻。与传统的场效应晶体管(FET)器件相比，AlGaN/GaN HEMTs具有高跨导、高饱和电流以及高截止频率等优良特性。而且，实验证明，GaN基HEMTs在1000K的高温下仍然保持着良好的直流特性，从而为高温环境应用提供了可靠的保证。

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 HEMTs器件的研制始终占据着GaN基电子器件研究的主要地位。按照零栅压时器件的工作状态,AlGaN/GaN HEMTs可分为耗尽型(常开)和增强型(常关)两大类：栅压为零时，导电沟道开启，施加负偏压时，沟道关断的器件,称为耗尽型器件；相反，只有当施加一定的正栅压时，导电沟道开启的器件,称为增强型器件。由于强烈的自发极化和压电极化效应，零栅压时，在AlGaN/GaN异质结界面处存在高浓度的2DEG，因此传统器件为耗尽型。在低功耗数字电路应用中，增强型和耗尽型器件的集成是十分必要的，因此高性能增强型AlGaN/GaN HEMTs器件的研究具有非常重要的意义。

现有技术中为了实现GaN基增强型器件，通常采用P型GaN栅结构。在栅下和AlGaN势垒层之间引入P型GaN材料，栅金属与P型GaN形成欧姆接触。与传统栅肖特基结相比，PN结可以感应出高内建电势，这使得零栅压时，器件沟道被耗尽，实现增强型特性。

然而，在p-GaN增强型AlGaN/GaN HEMTs的栅边缘往往存在着高峰电场，给器件带来以下不利影响：1、会引起电子–空穴对离化，当达到GaN材料的临界击穿电场这一雪崩条件时，器件在栅电极边缘击穿。2、即使没有达到GaN材料的临界击穿电场，高电场效应仍然会使栅电极电子场致发射遂穿进入表面钝化层，这些隧穿的电子会中和AlGaN层的表面极化正电荷，而这些表面极化正电荷，直接关系到异质结界面处2DEG的浓度大小，部分表面正电荷被中和会降低高密度的2DEG浓度，从而使AlGaN/GaN HEMTs输出电流明显减小，这就是电流崩塌效应。3、使电子–空穴对的离化几率增加，电离后的空穴在纵向电场作用下进入沟道中和2DEG,也会使2DEG浓度减小，进一步减小输出电流；而且电离后的电子进入AlGaN极化层会给器件阈值电压带来不利影响，使得器件可靠性降低。

发明内容

为了解决现有技术中由于在p-GaN增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的栅边缘存在高峰电场而引起的器件雪崩击穿、电流崩塌效应，阈值电压和输出电流减小，可靠性降低等一系列问题，本发明提供一种新型的p-GaN增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管。

解决方案如下：

一种p-GaN增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，包括：

半绝缘衬底；

位于所述半绝缘衬底上异质外延生长的AlN成核层；

位于所述AlN成核层上外延生长的GaN缓冲层；

位于所述GaN缓冲层上外延生长的AlGaN势垒层；

分列于所述AlGaN势垒层上的源极、p型GaN介质层以及漏极；

位于所述p型GaN介质层上的栅极；

其特殊之处在于：

在AlGaN势垒层上还外延生长有与p型GaN介质层边缘邻接的本征GaN帽层，所述本征GaN帽层部分覆盖或者完全覆盖栅极和漏极之间的区域，其长度与对沟道2DEG浓度调制的需要有关。

基于上述解决方案，本发明还进一步作如下优化限定和改进：

上述p型GaN介质层是通过在AlGaN势垒层表面外延生长P型GaN层，然后刻蚀形成的。

P型GaN层是通过掺Mg，然后退火形成的。