[发明专利]增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管

说明书

本发明公开了一种增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管，主要解决现有增强型器件的阈值电压小，短沟道效应严重的问题。其自下而上包括：衬底(1)、GaN缓冲层(2)、GaN沟道层(3)、AlGaN势垒层(4)、栅介质层(5)、钝化层(6)和源、漏、栅电极。其中GaN沟道层与AlGaN势垒层组成AlGaN/GaN异质结；栅电极采用凹槽栅结构，且包裹在AlGaN/GaN异质结的两侧和上方，形成三维栅结构；栅电极与AlGaN/GaN异质结之间设有一层高介电常数的栅介质；源、漏电极设在AlGaN/GaN异质结的两端。本发明器件具有阈值电压高，栅控能力强，源、漏电阻小的优点，可作为小尺寸的增强型器件。

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，具体地说是一种增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管MIS-HEMT，可用于增强/耗尽模式的纳米级数字集成电路。

背景技术

GaN材料作为第三代半导体材料，由于禁带宽度大、二维电子气2DEG浓度高和电子饱和速度高等优点，被认为是制作微波功率器件及高速器件的优良材料。特别是AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管HEMT，在集成电路中有广泛的应用。

通常AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件制备完成时已经形成了高密度的二维电子气2DEG，这样的器件属于常开的耗尽型器件D-HEMT。为了实现常关的增强型器件E-HEMT，需要一些特殊结构和工艺，如薄势垒层、凹槽栅、栅下氟离子注入等。但是随着器件尺寸的减小，传统结构的增强型器件短沟道效应越来越严重，影响了器件的工作性能。2013年，ShinoharaK等人制备的增强型器件，采用AlN作为薄势垒层，这种结构有更短的栅长，更好的频率特性，参见ScalingofGaNHEMTsandSchottkyDiodesforSubmillimeter-WaveMMICApplications[J].IEEETransactionsonElectronDevices，2013，60(10)：2982-2996。但是该器件在栅长较小时，短沟道效应严重，亚阈值摆幅较大，不利于实现增强/耗尽模式的纳米级数字集成电路。

发明内容

本发明的目的在于针对以上增强型高电子迁移率晶体管的不足，提出一种增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管及制作方法，以抑制短沟道效应，提高阈值电压和跨导，实现更小栅长的增强型器件。

为实现上述目的，本发明的技术思路是：采用GaN沟道层和AlGaN势垒层形成AlGaN/GaN异质结，通过AlGaN/GaN异质结生成二维电子气，通过刻蚀AlGaN和GaN，形成鳍型AlGaN/GaN异质结，通过在栅区域刻蚀AlGaN，形成栅凹槽，通过在凹槽处淀积高介电常数的栅介质，形成鳍式凹槽绝缘栅结构。

依据上述技术思路，本发明的增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管，自下而上包括衬底1、GaN缓冲层2、GaN沟道层3、AlGaN势垒层4、栅介质层5、钝化层6和栅、源、漏电极，GaN沟道层和AlGaN势垒层形成AlGaN/GaN异质结，AlGaN/GaN异质结生成二维电子气，其特征在于：

栅电极采用凹槽栅结构，且包裹在AlGaN/GaN异质结的两侧和上方，形成三维栅结构；

栅电极与AlGaN/GaN异质结之间设有一层高介电常数的栅介质；

源、漏电极设在AlGaN/GaN异质结的两端，以实现与二维电子气的直接接触。

依据上述技术思路，本发明制作增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管的方法，包括如下步骤：

1)在Si面SiC或c面蓝宝石或Si衬底上，利用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长1～3μm的GaN缓冲层；

2)在GaN缓冲层上生长5nm厚的GaN沟道层；

3)在GaN沟道层上生长10～20nm的AlGaN势垒层；