具有2DEG恢复效应的GaN HEMT器件

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f_T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，f_T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GaN HEMT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G aN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A l₂O₃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G aN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Al ₂O₃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。