CN105428410A - 具有2DEG恢复效应的GaN HEMT器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有2DEG恢复效应的GaN？HEMT器件。其包括由下至上依次形成的Si衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN势垒层和GaN帽层，AlN势垒层形成在GaN沟道层的中心区域上，GaN沟道层的源极区域和漏极区域上形成有n+GaN外延层，其底端至少部分嵌入GaN沟道层内部，其顶端至少部分覆盖GaN帽层，其中，源极区域和漏极区域分别位于中心区域两侧，GaN帽层上形成有Al2O3钝化层，Al2O3钝化层至少部分覆盖n+GaN外延层，源极区域和漏极区域的n+GaN外延层上分别形成有源极和漏极，GaN帽层上方的Al2O3钝化层上形成有栅极。本发明能够实现毫米波段的应用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种具有2DEG恢复效应的GaNHEMT器件。
背景技术
硅基芯片经历几十年发展，Si基CMOS器件尺寸不断缩小，其频率性能却不断提高，当特征尺寸达到25nm时，其fT可达490GHz。但Si材料的Johnson优值仅为0.5THzV,而尺寸的缩小使Si基CMOS器件的击穿电压远小于1V，这极大地限制了硅基芯片在超高速数字领域的应用。
近年来，人们不断地寻找Si材料的替代品，由于宽禁带半导体氮化镓(GaN)材料具有超高的Johnson优值(可达到5THzV)，其器件沟道尺寸达到10nm量级时，击穿电压仍能保持在10V左右，因此，GaN材料已逐渐引起国内外广泛的重视。随着，GaN材料在要求高转换效率和精确阈值控制、宽带、大动态范围的电路(如超宽带ADC、DAC)数字电子领域具有广阔和特殊的应用前景，GaN基逻辑器件已成为近几年超高速半导体领域研究的热点，正成为Si基CMOS高速电路在数模和射频电路领域的后续发展中的有力竞争者,是国家重点支持的尖端技术，堪称信息产业的“心脏”。
目前，基于GaN的HEMT逻辑器件的加工尺度已进入了GaN纳电子的范畴，fT已达到190GHz，正向着300GHz到500GHz进军。但是，一方面，由于常规GaN器件受限于AlGaN势垒的“内在应力”和“表面耗尽效应”，其AlGaN势垒极限厚度无法突破18nm，不能满足毫米波应用器件等比例缩小的要求，阻碍了其向毫米波段超高速数字电路方向的发展；另一方面，对于这些传统器件结构本身而言，其中势垒引起的大栅流和电流崩塌是阻碍器件性能提高和实际应用的主要瓶颈。因此，目前的GaN器件还不能实现毫米波段的应用。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种具有2DEG恢复效应的GaNHEMT器件，能够实现毫米波段的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种具有2DEG恢复效应的GaNHEMT器件，包括Si衬底；GaN缓冲层，所述GaN缓冲层形成在所述Si衬底上；GaN沟道层，所述GaN沟道层形成在所述GaN缓冲层上；AlN势垒层，所述AlN势垒层形成在所述GaN沟道层的中心区域上；GaN帽层，所述GaN帽层形成在所述AlN势垒层上；n+GaN外延层，所述n+GaN外延层形成在所述GaN沟道层的源极区域和漏极区域上，且所述n+GaN外延层的底端至少部分嵌入所述GaN沟道层内部，所述n+GaN外延层的顶端至少部分覆盖所述GaN帽层，其中，所述源极区域和漏极区域分别位于所述中心区域两侧；Al2O3钝化层，所述Al2O3钝化层形成在所述GaN帽层上，并至少部分覆盖所述n+GaN外延层；源极，所述源极形成在所述源极区域的n+GaN外延层上；漏极，所述漏极形成在所述漏极区域的n+GaN外延层上；栅极，所述栅极形成在所述GaN帽层上方的Al2O3钝化层上。
优选地，所述GaN缓冲层中掺杂有Mg。
优选地，所述AlN势垒层的厚度为1.5nm，所述GaN帽层的厚度为2nm。
优选地，所述n+GaN外延层的掺杂浓度为1×1019-2×1019。
优选地，所述源极和漏极与所述n+GaN外延层形成非合金欧姆接触。
优选地，所述Al2O3钝化层的厚度为2nm。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：
1.由于采用了Si构成，有利于大幅度降低GaNHEMT器件的成本，并且可与常规Si基CMOS器件无缝契合，实现大规模化应用的射频与数字的集成。
2.利用AlN势垒层和GaN帽层形成的超薄亚阈值势垒结构，可以有效解决具有常规AlGaN势垒的GaN器件遇到的“内在应力”和“表面耗尽效应”，明显改善常规GaN器件的大栅流和电流崩塌现象，提高器件可靠性。
3.可满足微波毫米波器件应用等比例缩小的要求，极大地促进了GaN器件向毫米波段超高频、超高速数字电路方向的发展。
4.可有效地减小GaN器件欧姆接触电阻，并克服常规GaN器件中需采用850度进行高温退火的弊端，极大地提高了GaN器件的可靠性。
4.可通过调节Al2O3有效厚度，控制阈值电压，可以使得无损伤增强/耗尽型(E/D-mode)器件集成技术得以实现
附图说明
图1是本发明实施例具有2DEG恢复效应的GaNHEMT器件的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，是本发明实施例具有2DEG恢复效应的GaNHEMT器件的示意图。本实施例的具有2DEG恢复效应的GaNHEMT器件包括Si衬底1、GaN缓冲层2、GaN沟道层3、AlN势垒层4、GaN帽层5、n+GaN外延层6、Al2O3钝化层7、源极8、漏极9和栅极10。
其中，GaN缓冲层2形成在Si衬底1上。GaN沟道层3形成在GaN缓冲层2上。AlN势垒层4形成在GaN沟道层3的中心区域上。GaN帽层5形成在AlN势垒层4上。n+GaN外延层6形成在GaN沟道层3的源极区域和漏极区域上，且n+GaN外延层6的底端至少部分嵌入GaN沟道层3内部，n+GaN外延层6的顶端至少部分覆盖GaN帽层5，其中，源极区域和漏极区域分别位于中心区域两侧。Al2O3钝化层7形成在GaN帽层5上，并至少部分覆盖n+GaN外延层6。源极8形成在源极区域的n+GaN外延层6上。漏极9形成在漏极区域的n+GaN外延层6上。栅极10形成在GaN帽层5上方的Al2O3钝化层7上。
在本实施例中，GaN缓冲层2中掺杂有Mg。AlN势垒层4的厚度为1.5nm，GaN帽层5的厚度为2nm。n+GaN外延层6的掺杂浓度为1×1019-2×1019。源极8和漏极9与n+GaN外延层6形成非合金欧姆接触。
AlN势垒层4与GaN帽层5会形成AlN/GaN异质结，AlN势垒层4已经达到极限厚度1.5nm，在该异质结结构中二维电子气为零。
Al2O3钝化层7可采用ALD设备生长，Al2O3钝化层7可用以恢复沟道中的二维电子气。
n+GaN外延层6可以在源极区域和漏极区域再生长，不需要通过以往制作GaN器件中采用的850℃高温退火方式即可形成，n+GaN外延层6可以形成良好的非合金欧姆接触。
Al2O3钝化层7的厚度可以调节，其典型值可以为2nm。通过调节Al2O3钝化层7的厚度，可控制阈值电压范围。
本发明实施例的具有2DEG恢复效应的GaNHEMT器件采用超薄AlN势垒层与GaN帽层形成AlN/GaN异质结，并利用Al2O3钝化层对AlN/GaN异质结进行修复，恢复沟道中的二维电子气，由于AlN势垒层超高的禁带宽度和超薄的势垒层厚度，可极大地提高GaN器件的高频性能，能满足下一代微波毫米波应用等比例缩小的要求。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种具有2DEG恢复效应的GaNHEMT器件，其特征在于，包括：
Si衬底；
GaN缓冲层，所述GaN缓冲层形成在所述Si衬底上；
GaN沟道层，所述GaN沟道层形成在所述GaN缓冲层上；
AlN势垒层，所述AlN势垒层形成在所述GaN沟道层的中心区域上；
GaN帽层，所述GaN帽层形成在所述AlN势垒层上；
n+GaN外延层，所述n+GaN外延层形成在所述GaN沟道层的源极区域和漏极区域上，且所述n+GaN外延层的底端至少部分嵌入所述GaN沟道层内部，所述n+GaN外延层的顶端至少部分覆盖所述GaN帽层，其中，所述源极区域和漏极区域分别位于所述中心区域两侧；
Al2O3钝化层，所述Al2O3钝化层形成在所述GaN帽层上，并至少部分覆盖所述n+GaN外延层；
源极，所述源极形成在所述源极区域的n+GaN外延层上；
漏极，所述漏极形成在所述漏极区域的n+GaN外延层上；
栅极，所述栅极形成在所述GaN帽层上方的Al2O3钝化层上。
2.根据权利要求1所述的具有2DEG恢复效应的GaNHEMT器件，其特征在于，所述GaN缓冲层中掺杂有Mg。
3.根据权利要求1所述的具有2DEG恢复效应的GaNHEMT器件，其特征在于，所述AlN势垒层的厚度为1.5nm，所述GaN帽层的厚度为2nm。
4.根据权利要求1所述所述的具有2DEG恢复效应的GaNHEMT器件，其特征在于，所述n+GaN外延层的掺杂浓度为1×1019-2×1019。
5.根据权利要求4所述的具有2DEG恢复效应的GaNHEMT器件，其特征在于，所述源极和漏极与所述n+GaN外延层形成非合金欧姆接触。
6.根据权利要求1所述的具有2DEG恢复效应的GaNHEMT器件，其特征在于，所述Al2O3钝化层的厚度为2nm。
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