[发明专利]一种非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管及制备方法

说明书

本发明涉及一种非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管及制备方法，制备方法包括：在衬底上生长成核层材料，形成成核层；在成核层上以第一条件生长GaN，形成非极性缓冲层；在非极性缓冲层上以第二条件生长GaN，形成非极性沟道层；在非极性沟道层上生长InAlN，形成非极性势垒层；在非极性沟道层和非极性势垒层内制作源极和漏极，在非极性势垒层上制作栅极，得到非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管。本发明实施例的非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法形成了非极性沟道层和非极性势垒层，从而形成非极性异质结构，非极性异质结构能够对自发极化及压电极化进行调制，从而抑制沟道内高密度极化电荷的产生，实现增强型效果。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管及制备方法。

背景技术

由于GaN基异质结构的沟道内存在高迁移率二维电子气，因此GaN成为制备高性能电子器件最理想的材料。自从K.Han等人第一次提出GaN基异质结构的概念后，以AlGaN/GaN、InAlN/GaN、AlN/GaN等为代表的异质结构在制备高电子迁移率晶体管方面取得了丰硕的研究成果。截至目前，以常规AlGaN/GaN异质结构为基础的高电子迁移率晶体管(HighElectron Mobility Transistor，简称HEMT)的截止频率已经突破200GHz，最大震荡频率也已经突破300GHz。

基于常规极性c面III族氮化物异质结构的晶体管器件为耗尽型器件，即器件在零偏置时呈现开启状态，需要外加偏置电压来使其达到截止状态。这一性质不仅会使器件在非工作状态下损耗功率，同时使器件在电力电子应用方面存在安全隐患。另外，在数字电路体系中，仅依靠耗尽型器件无法完成多种逻辑功能的实现。因此，制备高性能的增强型（常关型）器件成为了当前GaN基电子器件研究的热点和重点。

目前，实现增强型器件的技术主要包括p-GaN帽层结构制备技术、凹栅结构制备技术以及氟离子注入技术等。

对于p-GaN帽层制备技术：p-GaN帽层技术的工作原理和pn结相似，p型GaN可以和n型AlGaN势垒层产生pn结电场，对AlGaN/GaN异质结界面处的二维电子气产生耗尽作用。但是在p-GaN帽层结构中，帽层的淀积不仅会增大器件的寄生电容，同时会削弱器件的栅控能力；并且，p型GaN的生长对于掺杂技术的要求很高，目前仍是尚未攻克的GaN外延工艺难点，工艺过程难以精确控制。

对于凹栅结构制备技术：凹栅结构制备技术是对AlGaN势垒层进行刻蚀，当其厚度小于临界值时，AlGaN/GaN异质结界面不会产生二维电子气，这时，栅极下方没有电子的积聚，器件处于常关状态。但是对于凹栅结构，过薄的势垒层会导致沟道势阱深度较浅，造成载流子的限域性降低；而且，干法刻蚀工艺会对材料结构造成损伤，且工艺稳定性和重复性较差，不利于大规模生产；另外，凹栅结构器件的阈值电压仅能达到稍大于0 V的水平，无法得到更高的阈值电压。

对于氟离子注入技术：氟离子注入技术的原理是通过等离子体设备对栅区域的AlGaN势垒层进行氟等离子体处理，使部分氟离子进入AlGaN势垒层中形成负电中心，在其周围形成的势场对沟道电子产生耗尽作用从而形成增强型器件。然而，由于氟离子注入工艺会造成势垒层中陷阱态和缺陷损伤的增加，影响器件性能，尤其会影响器件在高温条件下的稳定性；

此外，传统工艺方法尽管均能达到耗尽沟道内载流子的目的，但是异质结构界面处的极化电荷仍然存在；现有技术表明，在进行栅介质淀积等器件工艺时，极化电荷会造成器件阈值电压的负向漂移，可靠性存在隐患。

综上所述，现有实现增强型器件的技术存在工艺重复性差、工艺过程对材料及器件造成损伤、工艺过程影响器件稳定性的问题，从而影响增强型器件的性能和可靠性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：