具有2DEG恢復效應的GaN HEMT器件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件技術領域，特別是涉及一種具有2DEG恢復效應的GaNHEMT器件。
【背景技術】
[0002]硅基芯片經歷幾十年發展，Si基CMOS器件尺寸不斷縮小，其頻率性能卻不斷提高，當特征尺寸達到25nm時，其fT可達490GHz。但Si材料的Johnson優值僅為0.5THzV,而尺寸的縮小使Si基CMOS器件的擊穿電壓遠小于IV，這極大地限制了硅基芯片在超高速數字領域的應用。
[0003]近年來，人們不斷地尋找Si材料的替代品，由于寬禁帶半導體氮化鎵(GaN)材料具有超高的Johnson優值(可達到5THzV)，其器件溝道尺寸達到10nm量級時，擊穿電壓仍能保持在10V左右，因此，GaN材料已逐漸引起國內外廣泛的重視。隨著，GaN材料在要求高轉換效率和精確閾值控制、寬帶、大動態范圍的電路(如超寬帶ADC、DAC)數字電子領域具有廣闊和特殊的應用前景，GaN基邏輯器件已成為近幾年超高速半導體領域研究的熱點，正成為Si基CMOS高速電路在數模和射頻電路領域的后續發展中的有力競爭者，是國家重點支持的尖端技術，堪稱信息產業的“心臟”。
[0004]目前，基于GaN的HEMT邏輯器件的加工尺度已進入了 GaN納電子的范疇，fT已達到190GHz，正向著300GHz到500GHz進軍。但是，一方面，由于常規GaN器件受限于AlGaN勢皇的“內在應力”和“表面耗盡效應”，其AlGaN勢皇極限厚度無法突破18nm，不能滿足毫米波應用器件等比例縮小的要求，阻礙了其向毫米波段超高速數字電路方向的發展；另一方面，對于這些傳統器件結構本身而言，其中勢皇引起的大柵流和電流崩塌是阻礙器件性能提高和實際應用的主要瓶頸。因此，目前的GaN器件還不能實現毫米波段的應用。
【發明內容】
[0005]本發明主要解決的技術問題是提供一種具有2DEG恢復效應的GaN HEMT器件，能夠實現毫米波段的應用。
[0006]為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是:提供一種具有2DEG恢復效應的GaN HEMT器件，包括Si襯底；GaN緩沖層，所述GaN緩沖層形成在所述Si襯底上；GaN溝道層，所述GaN溝道層形成在所述GaN緩沖層上；A1N勢皇層，所述A1N勢皇層形成在所述GaN溝道層的中心區域上；GaN帽層，所述GaN帽層形成在所述A1N勢皇層上；n+GaN外延層，所述n+GaN外延層形成在所述GaN溝道層的源極區域和漏極區域上，且所述n+GaN外延層的底端至少部分嵌入所述GaN溝道層內部，所述n+GaN外延層的頂端至少部分覆蓋所述GaN帽層，其中，所述源極區域和漏極區域分別位于所述中心區域兩側；A1203鈍化層，所述A1203鈍化層形成在所述GaN帽層上，并至少部分覆蓋所述n+GaN外延層；源極，所述源極形成在所述源極區域的n+GaN外延層上；漏極，所述漏極形成在所述漏極區域的n+GaN外延層上；柵極，所述柵極形成在所述GaN帽層上方的A1203鈍化層上。
[0007]優選地，所述GaN緩沖層中摻雜有Mg。
[0008]優選地，所述A1N勢皇層的厚度為1.5nm，所述GaN帽層的厚度為2nm。
[0009]優選地，所述n+GaN外延層的摻雜濃度為IX 1019-2 X1019。
[0010]優選地，所述源極和漏極與所述n+GaN外延層形成非合金歐姆接觸。
[0011]優選地，所述A1203鈍化層的厚度為2nm。
[0012]區別于現有技術的情況，本發明的有益效果是:
[0013]1.由于采用了 Si構成，有利于大幅度降低GaN HEMT器件的成本，并且可與常規Si基CMOS器件無縫契合，實現大規模化應用的射頻與數字的集成。
[0014]2.利用A1N勢皇層和GaN帽層形成的超薄亞閾值勢皇結構，可以有效解決具有常規AlGaN勢皇的GaN器件遇到的“內在應力”和“表面耗盡效應”，明顯改善常規GaN器件的大柵流和電流崩塌現象，提高器件可靠性。
[0015]3.可滿足微波毫米波器件應用等比例縮小的要求，極大地促進了 GaN器件向毫米波段超高頻、超高速數字電路方向的發展。
[0016]4.可有效地減小GaN器件歐姆接觸電阻，并克服常規GaN器件中需采用850度進行高溫退火的弊端，極大地提高了 GaN器件的可靠性。
[0017]4.可通過調節A1203有效厚度，控制閾值電壓，可以使得無損傷增強/耗盡型(E/D-mode)器件集成技術得以實現
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明實施例具有2DEG恢復效應的GaN HEMT器件的示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0020]參見圖1，是本發明實施例具有2DEG恢復效應的GaN HEMT器件的示意圖。本實施例的具有2DEG恢復效應的GaN HEMT器件包括Si襯底1、GaN緩沖層2、GaN溝道層3、A1N勢皇層4、GaN帽層5、n+GaN外延層6、A1203鈍化層7、源極8、漏極9和柵極10。
[0021]其中，GaN緩沖層2形成在Si襯底1上。GaN溝道層3形成在GaN緩沖層2上。A1N勢皇層4形成在GaN溝道層3的中心區域上。GaN帽層5形成在A1N勢皇層4上。n+GaN外延層6形成在GaN溝道層3的源極區域和漏極區域上，且n+GaN外延層6的底端至少部分嵌入GaN溝道層3內部，n+GaN外延層6的頂端至少部分覆蓋GaN帽層5，其中，源極區域和漏極區域分別位于中心區域兩側。A1203鈍化層7形成在GaN帽層5上，并至少部分覆蓋n+GaN外延層6。源極8形成在源極區域的n+GaN外延層6上。漏極9形成在漏極區域的n+GaN外延層6上。柵極10形成在GaN帽層5上方的A1203鈍化層7上。
[0022]在本實施例中，GaN緩沖層2中摻雜有Mg。A1N勢皇層4的厚度為1.5nm，GaN帽層5的厚度為2nm。n+GaN外延層6的摻雜濃度為1 X 1019-2X1019o源極8和漏極9與n+GaN外延層6形成非合金歐姆接觸。
[0023]A1N勢皇層4與GaN帽層5會形成AlN/GaN異質結，A1N勢皇層4已經達到極限厚度1.5nm，在該異質結結構中二維電子氣為零。
[0024]A1203鈍化層7可采用ALD設備生長，A1 203鈍化層7可用以恢復溝道中的二維電子氣。
[0025]n+GaN外延層6可以在源極區域和漏極區域再生長，不需要通過以往制作GaN器件中采用的850°C高溫退火方式即可形成，n+GaN外延層6可以形成良好的非合金歐姆接觸。
[0026]A1203鈍化層7的厚度可以調節，其典型值可以為2nm。通過調節A1 203鈍化層7的厚度，可控制閾值電壓范圍。
[0027]本發明實施例的具有2DEG恢復效應的GaN HEMT器件采用超薄A1N勢皇層與GaN帽層形成AlN/GaN異質結，并利用A1203鈍化層對AlN/GaN異質結進行修復，恢復溝道中的二維電子氣，由于A1N勢皇層超高的禁帶寬度和超薄的勢皇層厚度，可極大地提高GaN器件的高頻性能，能滿足下一代微波毫米波應用等比例縮小的要求。
[0028]以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
【主權項】
1.一種具有2DEG恢復效應的GaN HEMT器件，其特征在于，包括: Si襯底； GaN緩沖層，所述GaN緩沖層形成在所述Si襯底上； GaN溝道層，所述GaN溝道層形成在所述GaN緩沖層上； A1N勢皇層，所述A1N勢皇層形成在所述GaN溝道層的中心區域上； GaN帽層，所述GaN帽層形成在所述A1N勢皇層上； n+GaN外延層，所述n+GaN外延層形成在所述GaN溝道層的源極區域和漏極區域上，且所述n+GaN外延層的底端至少部分嵌入所述GaN溝道層內部，所述n+GaN外延層的頂端至少部分覆蓋所述GaN帽層，其中，所述源極區域和漏極區域分別位于所述中心區域兩側；A1203鈍化層，所述A1 203鈍化層形成在所述GaN帽層上，并至少部分覆蓋所述n+GaN外延層; 源極，所述源極形成在所述源極區域的n+GaN外延層上； 漏極，所述漏極形成在所述漏極區域的n+GaN外延層上； 柵極，所述柵極形成在所述GaN帽層上方的A1203鈍化層上。2.根據權利要求1所述的具有2DEG恢復效應的GaNHEMT器件，其特征在于，所述GaN緩沖層中摻雜有Mg。3.根據權利要求1所述的具有2DEG恢復效應的GaNHEMT器件，其特征在于，所述A1N勢皇層的厚度為1.5nm，所述GaN帽層的厚度為2nm。4.根據權利要求1所述所述的具有2DEG恢復效應的GaNHEMT器件，其特征在于，所述n+GaN外延層的摻雜濃度為1 X 1019-2X1019o5.根據權利要求4所述的具有2DEG恢復效應的GaNHEMT器件，其特征在于，所述源極和漏極與所述n+GaN外延層形成非合金歐姆接觸。6.根據權利要求1所述的具有2DEG恢復效應的GaNHEMT器件，其特征在于，所述A1203鈍化層的厚度為2nm。
【專利摘要】本發明提供了一種具有2DEG恢復效應的GaN？HEMT器件。其包括由下至上依次形成的Si襯底、GaN緩沖層、GaN溝道層、AlN勢壘層和GaN帽層，AlN勢壘層形成在GaN溝道層的中心區域上，GaN溝道層的源極區域和漏極區域上形成有n+GaN外延層，其底端至少部分嵌入GaN溝道層內部，其頂端至少部分覆蓋GaN帽層，其中，源極區域和漏極區域分別位于中心區域兩側，GaN帽層上形成有Al2O3鈍化層，Al2O3鈍化層至少部分覆蓋n+GaN外延層，源極區域和漏極區域的n+GaN外延層上分別形成有源極和漏極，GaN帽層上方的Al2O3鈍化層上形成有柵極。本發明能夠實現毫米波段的應用。
【IPC分類】H01L29/267, H01L29/778
【公開號】CN105428410
【申請號】CN201510815712
【發明人】黎明
【申請人】成都嘉石科技有限公司
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年11月20日