基于納米溝道的凹槽柵增強型GaN晶體管器件的制作方法

本發明涉及微電子器件技術領域，特別是涉及一種基于納米溝道的凹槽柵增強型gan晶體管器件。

背景技術：

寬禁帶半導體材料gan具有高臨界擊穿電場、高電子飽和速度、良好的熱穩定性以及較強的抗輻射能力等優點，特別是algan/gan異質結構材料由于自發極化和壓電極化效應具有極高的二維電子氣濃度和電子遷移率，被認為是制備耐高溫、抗輻射、高頻大功率微波功率器件及高速、高壓電力開關器件和抗輻射高速數字電路的優良材料。

由于極化效應的存在，algan/gan高電子遷移率晶體管通常為耗盡型器件，制備增強型器件比較困難，研究進展非常緩慢。耗盡型器件的應用具有局限性。首先，在射頻功率應用方面，耗盡型器件必須采用負電壓偏置柵極，要求設計獨立的電源系統。其次，在電力開關應用方面，為了保證系統的總體安全性，耗盡型器件還要求負偏壓系統的運行先于電源通電。此外，在高速數字電路應用方面，增強型器件是構成反相器的必備元件，而反相器是構成復雜數字系統的核心單元。因此，研制出高可靠性的增強型gan晶體管具有非常重要的意義。

目前，國際上對于增強型gan器件的一種研究思路是通過在柵電極下方挖槽，使柵極下方的溝道二維電子氣耗盡，溝道其余部分二維電子氣濃度不變，從而實現增強型器件。但是，隨著器件尺寸的不斷縮小，柵長越來越短，傳統平面結構的高電子遷移率晶體管的短溝效應越來越明顯。2013年，ki-sikim等人制備出了單納米溝道的增強型algan/ganmisfet，閾值電壓為2.1v，該器件結構采用普通柵結構，為了實現增強型器件，納米溝道寬度僅為50nm，而且納米溝道兩端延伸到了源漏電極區，因此，器件導通電阻較大。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種基于納米溝道的凹槽柵增強型gan晶體管器件，所述晶體管具有柵控能力強、能夠抑制短溝效應、實現器件增強型和導通電阻小的特點。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：一種基于納米溝道的凹槽柵增強型gan晶體管器件，自下而上包括襯底層、gan緩沖層、algan勢壘層、柵介質層、鈍化層、源電極、漏電極和柵電極；其特征在于：所述algan勢壘層和所述gan緩沖層形成algan/gan異質結，所述algan勢壘層上方有凹槽，柵電極位于凹槽內并且包裹在algan/gan異質結的上方和兩側，形成三維環柵結構；所述柵電極下的algan/gan異質結具有納米圖形，形成納米溝道；所述納米溝道兩端具有溝道擴展區；所述柵介質層位于所述柵電極之下，所述源電極和所述漏電極之間，覆蓋在所述algan/gan異質結頂部并包裹所述納米溝道的兩個側壁。

優選地，所述襯底層為藍寶石、sic或gan。

優選地，所述gan緩沖層厚度為0.5-2.5um。

優選地，所述algan勢壘層厚度為10-20nm，其中al含量為15%-30%。

優選地，所述納米溝道的數目n為n≥1，長度lch為0<lch<源電極和漏電極的間距，寬度wch為10-200nm。

優選地，所述algan勢壘層上的凹槽底部與所述algan/gan異質結的距離dch1為0-15nm，所述納米溝道底部與所述algan/gan異質結的距離dch2為0-150nm。

優選地，所述柵介質層為sin、al2o3、sio2或多種介質層的堆疊結構，厚度為1-15nm。

優選地，所述鈍化層為sin、al2o3、sio2或多種鈍化層的堆疊結構，厚度為50-150nm。

優選地，所述柵電極為直柵或t型柵，柵極長度lg=lch或lg>lch或lg<lch。

優選地，所述源電極和漏電極為歐姆接觸，位于納米溝道兩端的溝道擴展區之上。

采用上述技術方案所產生的有益效果在于：將algan/gan高電子遷移率晶體管器件柵電極下方的異質結刻蝕形成納米溝道，則納米溝道兩側區域不存在二維電子氣，柵電極包裹在納米溝道的上方及兩側壁，由于柵電極從三個方向對溝道內的電子進行調制，柵控能力較強，能夠很好地抑制短溝效應。當納米溝道的寬度很小時，溝道內的二維電子氣被耗盡，器件實現增強型。采用凹槽柵結構，納米溝道和凹槽柵共同作用，可以保證器件在實現增強型的同時具有較大的納米溝道寬度，減小導通電阻。納米溝道兩端具有擴展區，可進一步減小導通電阻，提高器件頻率。

附圖說明

圖1是本發明實施例一整體結構的俯視圖。

圖2是圖1a-a面的剖視圖。

圖3是圖1b-b面的剖視圖。

圖4是圖1c-c面的剖視圖。

圖5是本發明實施例二整體結構的俯視圖。

圖6是本發明實施例三整體結構的俯視圖。

圖7是本發明實施例四整體結構的剖視圖。

圖中：1、源電極；2、漏電極；3、柵電極；4、溝道擴展區；5、納米溝道；6、襯底層；7、gan緩沖層；8、algan勢壘層；9、柵介質層；10、鈍化層。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發明器件包括襯底層6、gan緩沖層7、algan勢壘層8、柵介質層9、鈍化層10、源電極1、漏電極2和柵電極3。其中最下層是采用藍寶石、sic或gan的襯底層6；襯底層6上面是gan緩沖層7；緩沖層上面是algan勢壘層8；algan勢壘層8和gan緩沖層7形成algan/gan異質結，algan勢壘層8上方有凹槽，柵電極3位于凹槽內，且包裹在異質結的上方及兩側，形成三維環柵結構；柵電極3下的algan/gan異質結具有納米圖形，形成納米溝道5；納米溝道5兩端具有溝道擴展區4；柵介質層9位于algan勢壘層8和柵電極3之間，覆蓋在algan/gan異質結頂部并包裹納米溝道5的兩個側壁；源電極1和漏電極2分別位于納米溝道5擴展區4之上；鈍化層10覆蓋在整個器件的表面。

下面參照附圖，結合具體實施例對本發明作進一步詳細說明。

實施例一：基于單納米溝道的凹槽柵增強型gan晶體管器件。

圖1是本發明實施例一整體結構的俯視圖，圖2、圖3和圖4分別是圖1中a-a面、b-b面和c-c面的剖視圖。本實施例基于單納米溝道5的凹槽柵增強型gan晶體管器件自下而上包括襯底層6、gan緩沖層7、algan勢壘層8、柵介質層9、鈍化層10和源電極1、漏電極2和柵電極3。

襯底層6使用材料為藍寶石、sic或gan。

襯底層6上面是厚度為0.5-2.5μm的gan緩沖層7。

緩沖層上面是厚度為10-20nm和al組分為15％～30％的algan勢壘層8。

algan勢壘層8和gan緩沖層7形成algan/gan異質結，algan勢壘層8上方有凹槽，柵電極3位于凹槽內，且包裹在異質結的上方及兩側，形成三維環柵結構。其中所述柵凹槽底部與algan/gan異質結的距離dch1為0-15nm。

柵電極3下的algan/gan異質結具有納米圖形，形成納米溝道5，其中所述納米溝道5的數目n為n=1，長度lch為lch=柵電極3長度lg；納米溝道5寬度wch為10-200nm，納米溝道5底部與algan/gan異質結的距離dch2為0-150nm。

納米溝道5兩端具有溝道擴展區4。

柵介質層9位于algan勢壘層8和柵電極3之間，覆蓋在algan/gan異質結頂部并包裹納米溝道5的兩個側壁，柵介質層9采用sin、al2o3、sio2或多種介質層的堆疊結構，厚度為1-15nm。

鈍化層10位于除電極外的整個器件的表面，鈍化層10采用sin、al2o3、sio2或多種鈍化層10的堆疊結構，厚度為50-150nm。

源電極1和漏電極2為歐姆接觸，位于納米溝道5兩端的溝道擴展區4之上。

實施例二：基于單納米溝道的凹槽柵增強型gan晶體管器件。

如圖5所示，本實施例的基于單納米溝道5的凹槽柵增強型gan晶體管器件具有與實施例一相同的結構，但所述納米溝道5的長度lch為lch>柵長lg。

實施例三：基于多納米溝道的凹槽柵增強型gan晶體管器件。

如圖6所示，本實施例的基于多納米溝道的凹槽柵增強型gan晶體管器件具有與實施例一相同的結構，但所述納米溝道5的數目n為n>1。

實施例四：基于單納米溝道的t型凹槽柵增強型gan晶體管器件。

如圖7所示，本實施例的基于單納米溝道5的t型凹槽柵增強型gan晶體管器件具有與實施例一相同的結構，但柵電極3采用t型柵結構。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。