CN100383980C - 改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的结构 - Google Patents

Abstract

一种改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的结构，包括：一蓝宝石衬底或碳化硅衬底或硅衬底；一高阻氮化镓缓冲层，该高阻氮化镓缓冲层制作在衬底上；一薄层非故意掺杂铝镓氮插入层，该非故意掺杂铝镓氮插入层制作在高阻氮化镓缓冲层上；一高迁移率氮化镓沟道层，该高迁移率氮化镓沟道层制作在非故意掺杂铝镓氮插入层上；一非故意掺杂铝镓氮空间隔离层，该非故意掺杂铝镓氮空间隔离层制作在高迁移率氮化镓沟道层上；一n型掺杂铝镓氮载流子供给层，该n型掺杂铝镓氮载流子供给层制作在非故意掺杂铝镓氮空间隔离层上；一非故意掺杂铝镓氮盖帽层，该非故意掺杂铝镓氮盖帽层制作在n型掺杂铝镓氮载流子供给层上。

Description

改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的结构

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其指改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的的结构。

背景技术

III-V族氮化镓(GaN)及其化合物半导体材料，作为第三代半导体材料的典型代表，因其独特的物理、化学和机械性能，在光电子和微电子领域有着巨大的应用前景。由于GaN基材料大的禁带宽度、高的击穿电场、好的化学稳定性、高的电子饱和速度和峰值速度以及强的抗辐射能力，使铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)成为微电子应用领域最耀眼的新星，有望在航天航空、高温强辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子等方面发挥重要作用。

当前，AlGaN/GaN HEMT研究面临的重点之一是进一步提高沟道电子浓度和电子迁移率，提高器件的输出电流密度、频率和功率特性，满足器件在高频和大功率条件下的应用。为了提高沟道电子浓度，很多研究者借鉴AlGaAs/GaAs HEMT结构，对势垒层进行n型掺杂，即AlGaN势垒层掺Si，这在很大程度上提高了HEMT结构材料的沟道电子浓度，是器件发展过程中的一个很大突破。但整个势垒层掺Si，会降低AlGaN/GaN HEMT器件栅极肖特基结的质量，从而影响AlGaN/GaNHEMT器件的性能。因此，寻找一种既能降低栅极制作难度、改善肖特基结性能、减小栅极漏电的器件结构，同时又不排斥势垒层掺杂的器件设计结构，是改善提高器件性能的关键之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的结构，该种结构的高电子迁移率晶体管不仅采用了势垒层n型掺杂，提高了沟道电子浓度和器件的输出电流能力，而且避免了势垒层掺杂给栅极肖特基结带来的问题，减小了栅极漏电，降低了器件栅极制作的工艺难度，可以有效地提高器件的输出特性，提高器件的稳定性和可靠性。

本发明一种改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的结构，其特征在于，包括：

一蓝宝石衬底或碳化硅衬底或硅衬底；

一高阻氮化镓缓冲层，该高阻氮化镓缓冲层制作在衬底上；

一薄层非故意掺杂铝镓氮插入层，该非故意掺杂铝镓氮插入层制作在高阻氮化镓缓冲层上；

一高迁移率氮化镓沟道层，该高迁移率氮化镓沟道层制作在非故意掺杂铝镓氮插入层上；

一非故意掺杂铝镓氮空间隔离层，该非故意掺杂铝镓氮空间隔离层制作在高迁移率氮化镓沟道层上；

一n型掺杂铝镓氮载流子供给层，该n型掺杂铝镓氮载流子供给层制作在非故意掺杂铝镓氮空间隔离层上；

一非故意掺杂铝镓氮盖帽层，该非故意掺杂铝镓氮盖帽层制作在n型掺杂铝镓氮载流子供给层上；

其中在蓝宝石衬底或碳化硅衬底或硅衬底上生长一层较厚的高阻氮化镓缓冲层，生长厚度约1.5-5.0μm。

其中高阻氮化镓缓冲层上生长的薄层非故意掺杂铝镓氮插入层，厚度为1-10nm。

其中铝镓氮插入层上生长高迁移率氮化镓沟道层，生长厚度约为50-100nm。

其中高迁移率氮化镓沟道层上生长一薄层非故意掺杂铝镓氮空间隔离层，厚度为1-5nm。

其中薄层非故意掺杂铝镓氮空间隔离层上生长n型掺杂铝镓氮载流子供给层，掺杂浓度1×10¹⁸-1×10¹⁹cm^-3，生长厚度10-20nm。

其中n型掺杂铝镓氮载流子供给层上生长非故意掺杂铝镓氮盖帽层，生长厚度1-10nm。

其中非故意掺杂铝镓氮空间隔离层、n型掺杂铝镓氮载流子供给层和非故意掺杂铝镓氮盖帽层共同构成晶体管的势垒层，优化器件性能。

附图说明

为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施方式对本发明作一详细的描述，其中：

图1是不同栅极偏压情况下，金属与n型半导体接触的能带图，用来说明器件栅极肖特基结的工作原理；

图2是本发明的高阻(半绝缘)GaN缓冲层生长结构示意图；

图3是本发明的薄层Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)插入层的生长结构示意图；

图4是本发明的高迁移率GaN沟道层生长结构示意图；

图5是本发明的非故意掺杂AlGaN空间隔离层生长结构示意图；

图6是本发明的Si掺杂n型AlGaN载流子供给层生长结构示意图。

图7是本发明的非故意掺杂AlGaN盖帽层生长结构示意图。

图8具有本发明的(a)和不具有(b)非故意掺杂AlGaN盖帽层结构的HEMT器件栅源间I-V特性曲线比较。

具体实施方式

如图7所示，为本发明的改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的结构的示意图。在该场效应晶体管结构中，最关键的部件是非故意掺杂Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)盖帽层，既可以充分利用势垒层n型掺杂提高沟道电子浓度的优点，又保证了栅极肖特基结的性能。

实施例(参阅图2-图7)：

(1)首先在衬底蓝宝石10(0001)晶面上采用分子束外延技术生长一层较厚的高阻(半绝缘)氮化镓缓冲层20，生长温度1050℃，生长厚度1.5-5μm，(图2)本高阻(半绝缘)氮化镓缓冲层20可以采用离子注入、掺杂、补偿等方法生成，主要目的是减少器件工作时电流的缓冲层泄露，由此防止器件工作温度升高引起的性能恶化，提高器件的稳定性。

(2)其次在高阻(半绝缘)氮化镓缓冲层20上生长一薄层非故意掺杂铝镓氮(Al_xGa_1-xN，0≤x≤1)插入层30，厚度为1-10nm，(图3)根据需要，该非故意掺杂铝镓氮插入层30的Al组分x可以在0≤x≤1之间变化，以此调节其禁带宽度的大小。

(3)接着在非故意掺杂铝镓氮插入层30上生长高迁移率氮化镓沟道层40，生长温度为1050℃，生长厚度约为50-100nm，(图4)生长该层的目的是给沟道二维电子提供运行轨道。

(4)然后在高迁移率氮化镓沟道层40上生长非故意掺杂铝镓氮(Al_xGa_1-xN，0＜x≤1)空间隔离层50，生长温度1000℃，厚度为1-5nm，(图5)主要目的是将沟道电子和Si掺杂铝镓氮势垒层隔开，增加沟道电子迁移率。本非故意掺杂铝镓氮(Al_xGa_1-xN，0＜x≤1)空间隔离层50的Al组分也可以根据需要调节，在试验中考虑到生长结构的连续性和晶体质量，一般保持势垒层80的三部分(非故意掺杂铝镓氮空间隔离层50、Si掺杂铝镓氮载流子供给层60、非故意掺杂铝镓氮盖帽层70)的Al组分相同。

(5)接着在非故意掺杂铝镓氮(Al_xGa_1-xN，0＜x≤1)空间隔离层50上生长Si掺杂铝镓氮载流子供给层60，掺杂浓度1×10¹⁸-1×10¹⁹cm^-3，生长温度1000℃，生长厚度10-20nm。(图6)对本层进行有意掺杂的目的是增大沟道电子浓度，此种结构的HEMT结构材料沟道电子由极化效应和掺杂共同提供。

(6)最后在Si掺杂铝镓氮载流子供给层60上生长非故意掺杂铝镓氮盖帽层70，生长温度1000℃，生长厚度1-10nm。(图7)此非故意掺杂铝镓氮盖帽层70是本发明不同于其它HEMT结构的关键所在，主要目的是避免势垒层n型掺杂给栅极肖特基结带来的不利影响，优化肖特基接触性能，提高栅极击穿电压，减小栅极漏电，提高器件的稳定性和可靠性，并降低器件工艺难度。

(7)非故意掺杂铝镓氮(Al_xGa_1-xN，0＜x≤1)空间隔离层50、Si掺杂铝镓氮载流子供给层60和非故意掺杂铝镓氮盖帽层70共同构成本发明的势垒层80。

用此方法生长的HEMT结构其栅极I-V特性如图8(b)所示，图8同时给出了没有本发明所示的非故意掺杂铝镓氮盖帽层的HEMT器件栅极I-V特性(图8(a))，比较图8(a)和(b)可以看出，本发明的高电子迁移率晶体管优化了栅极肖特基结的I-V特性，器件漏电减小。

本发明提供了一种改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的结构，在n型掺杂的铝镓氮载流子供给层上再生长一层非故意掺杂铝镓氮盖帽层，避免了势垒层n型掺杂给栅极肖特基结制作带来的问题，改善了肖特基性能。本结构充分利用了势垒层n型掺杂提高沟道电子浓度的优点，提高了器件的电流输出能力，提高了器件跨导和输出功率，并利用非故意掺杂铝镓氮盖帽层优化了栅极肖特基结性能，减小了栅极漏电，提高了器件的可靠性和稳定性。本发明的晶体管设计结构，器件性能的优化完全在外延生长阶段实现，降低了工艺难度，增加了器件输出性能，提高了器件的可靠性和稳定性，为高性能、高温、大功率、高频、抗辐射AlGaN/GaN微波器件和电路的制造打下了基础。

该设计结构的高电子迁移率晶体管的工作原理可以解释如下：

一、第一层高阻(半绝缘)氮化镓缓冲层的主要作用是减小器件电流的缓冲层泄漏，优化器件的开关特性，并且保证其上生长的其它外延层的晶体质量，提高器件性能；

二、第二层薄层铝镓氮(Al_xGa_1-xN，0≤x≤1)插入层的作用是利用其禁带宽度大于氮化镓的特点，阻止高场时沟道电子向缓冲层方向的泄漏，减小电子被缓冲层中深陷阱能级俘获的几率，有效地抑制高场电流崩塌效应；同时，通过提高铝镓氮插入层的晶体质量，减小电子的散射，增加沟道电子迁移率。

三、第三层高迁移率氮化镓沟道层的作用是为电子提供一个高质量的运行通道，提高二维电子气的密度和迁移率。

四、第四层非故意掺杂铝镓氮空间隔离层的作用是将n型掺杂铝镓氮载流子供给层和沟道电子隔开，减小对电子的散射，增加沟道电子迁移率。

五、Si掺杂n型铝镓氮载流子供给层的作用是提供沟道电子。

六、最后一层非故意掺杂铝镓氮盖帽层是本发明的关键所在，其作用可以简单分析如下：

如图1所示是(a)热平衡、(b)正向偏压、(c)反向偏压下，金属与n型半导体接触的能带图，可以由此了解金属和半导体形成肖特基结的原理及器件工作时的能带变化情况。

在AlGaN/GaN HEMT器件的栅极肖特基势垒中，无论器件结构的表面是有意掺杂还是非故意掺杂，电流的传导主要由多数载流子-电子来完成，对工作在适当温度(如300K)下的肖特基二极管，其主要传导机制是半导体中的电子发射越过电势势垒而进入金属中，栅极肖特基结的I-V特性可以用热电子发射理论来近似。

非故意掺杂AlGaN盖帽层和金属接触形成的栅极肖特基结，半导体内的施主浓度N_D很小，因此其栅极肖特基接触的性能优于有意n型掺杂的AlGaN与金属接触形成的肖特基结，栅极的击穿电压增大，而且非故意掺杂AlGaN盖帽层施主浓度低，减小了栅极电流泄露。同时，在n型掺杂的AlGaN载流子供给层上生长非故意掺杂AlGaN盖帽层，可以提高器件表面的晶体质量，减小表面陷阱密度，由此降低器件工艺难度，增加器件工作时的稳定性和可靠性。

综合上述说明，本发明的高电子迁移率晶体管不仅充分利用了势垒层掺杂提高沟道电子浓度的优点，而且改善了栅极肖特基结的性能，提高了栅极击穿电压，减小了栅极漏电，提高器件的稳定性和可靠性。因此，本发明的高电子迁移率晶体管是一种很有潜力的新结构。

Claims (8)

1.一种改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的结构，其特征在于，包括：

一蓝宝石衬底或碳化硅衬底或硅衬底；

一高阻氮化镓缓冲层，该高阻氮化镓缓冲层制作在衬底上；

一薄层非故意掺杂铝镓氮插入层，该非故意掺杂铝镓氮插入层制作在高阻氮化镓缓冲层上；

一高迁移率氮化镓沟道层，该高迁移率氮化镓沟道层制作在非故意掺杂铝镓氮插入层上；

一非故意掺杂铝镓氮空间隔离层，该非故意掺杂铝镓氮空间隔离层制作在高迁移率氮化镓沟道层上；

一n型掺杂铝镓氮载流子供给层，该n型掺杂铝镓氮载流子供给层制作在非故意掺杂铝镓氮空间隔离层上；

一非故意掺杂铝镓氮盖帽层，该非故意掺杂铝镓氮盖帽层制作在n型掺杂铝镓氮载流子供给层上。

2.根据权利要求1所述的改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的结构，其特征在于，其中在蓝宝石衬底或碳化硅衬底或硅衬底上生长一层高阻氮化镓缓冲层，生长厚度为1.5-5.0μm。

3.根据权利要求1所述的改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的结构，其特征在于，其中高阻氮化镓缓冲层上生长的薄层非故意掺杂铝镓氮插入层，厚度为1-10nm。

4.根据权利要求1所述的改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的结构，其特征在于，其中铝镓氮插入层上生长高迁移率氮化镓沟道层，生长厚度为50-100nm。

5.根据权利要求1所述的改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的结构，其特征在于，其中高迁移率氮化镓沟道层上生长一薄层非故意掺杂铝镓氮空间隔离层，厚度为1-5nm。

6.根据权利要求1所述的改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的结构，其特征在于，其中薄层非故意掺杂铝镓氮空间隔离层上生长n型掺杂铝镓氮载流子供给层，掺杂浓度1×10¹⁸-1×10¹⁹cm^-3，生长厚度10-20nm。

7.根据权利要求1所述的改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的结构，其特征在于，其中n型掺杂铝镓氮载流子供给层上生长非故意掺杂铝镓氮盖帽层，生长厚度1-10nm。

8.根据权利要求1所述的改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极肖特基性能的结构，其特征在于，其中非故意掺杂铝镓氮空间隔离层、n型掺杂铝镓氮载流子供给层和非故意掺杂铝镓氮盖帽层共同构成晶体管的势垒层，优化器件性能。

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