[实用新型]基于纳米沟道的凹槽栅增强型GaN晶体管器件

说明书

技术领域

本实用新型涉及微电子器件技术领域，特别是涉及一种基于纳米沟道的凹槽栅增强型GaN晶体管器件。

背景技术

宽禁带半导体材料GaN具有高临界击穿电场、高电子饱和速度、良好的热稳定性以及较强的抗辐射能力等优点，特别是AlGaN/GaN异质结构材料由于自发极化和压电极化效应具有极高的二维电子气浓度和电子迁移率，被认为是制备耐高温、抗辐射、高频大功率微波功率器件及高速、高压电力开关器件和抗辐射高速数字电路的优良材料。

由于极化效应的存在，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管通常为耗尽型器件，制备增强型器件比较困难，研究进展非常缓慢。耗尽型器件的应用具有局限性。首先，在射频功率应用方面，耗尽型器件必须采用负电压偏置栅极，要求设计独立的电源系统。其次，在电力开关应用方面，为了保证系统的总体安全性，耗尽型器件还要求负偏压系统的运行先于电源通电。此外，在高速数字电路应用方面，增强型器件是构成反相器的必备元件，而反相器是构成复杂数字系统的核心单元。因此，研制出高可靠性的增强型GaN晶体管具有非常重要的意义。

目前，国际上对于增强型GaN器件的一种研究思路是通过在栅电极下方挖槽，使栅极下方的沟道二维电子气耗尽，沟道其余部分二维电子气浓度不变，从而实现增强型器件。但是，随着器件尺寸的不断缩小，栅长越来越短，传统平面结构的高电子迁移率晶体管的短沟效应越来越明显。2013年，Ki-Sik Im等人制备出了单纳米沟道的增强型AlGaN/GaNMISFET，阈值电压为2.1V，该器件结构采用普通栅结构，为了实现增强型器件，纳米沟道宽度仅为50nm，而且纳米沟道两端延伸到了源漏电极区，因此，器件导通电阻较大。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于纳米沟道的凹槽栅增强型GaN晶体管器件，所述晶体管具有栅控能力强、能够抑制短沟效应、实现器件增强型和导通电阻小的特点。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种基于纳米沟道的凹槽栅增强型GaN晶体管器件，自下而上包括衬底层、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、栅介质层、钝化层、源电极、漏电极和栅电极；其特征在于：所述AlGaN势垒层和所述GaN缓冲层形成AlGaN/GaN异质结，所述AlGaN势垒层上方有凹槽，栅电极位于凹槽内并且包裹在AlGaN/GaN异质结的上方和两侧，形成三维环栅结构；所述栅电极下的AlGaN/GaN异质结具有纳米图形，形成纳米沟道；所述纳米沟道两端具有沟道扩展区；所述栅介质层位于所述栅电极之下，所述源电极和所述漏电极之间，覆盖在所述AlGaN/GaN异质结顶部并包裹所述纳米沟道的两个侧壁。

优选地，所述衬底层为蓝宝石、SiC或GaN。

优选地，所述GaN缓冲层厚度为0.5-2.5um。

优选地，所述AlGaN势垒层厚度为10-20nm，其中Al含量为15%-30%。

优选地，所述纳米沟道的数目n为n≥1，长度L_ch为0<L_ch<源电极和漏电极的间距，宽度W_ch为10-200nm。

优选地，所述AlGaN势垒层上的凹槽底部与所述AlGaN/GaN异质结的距离D_ch1为0-15nm，所述纳米沟道底部与所述AlGaN/GaN异质结的距离D_ch2为0-150nm。

优选地，所述栅介质层为SiN、Al₂O₃、SiO₂或多种介质层的堆叠结构，厚度为1-15nm。

优选地，所述钝化层为SiN、Al₂O₃、SiO₂或多种钝化层的堆叠结构，厚度为50-150nm。

优选地，所述栅电极为直栅或T型栅，栅极长度L_g=L_ch或L_g>L_ch或L_g<L_ch。

优选地，所述源电极和漏电极为欧姆接触，位于纳米沟道两端的沟道扩展区之上。