CN101399284A - 氮化镓基高电子迁移率晶体管结构 - Google Patents

氮化镓基高电子迁移率晶体管结构 Download PDF

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Abstract

一种氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，包括：一衬底；一低温成核层制作在衬底的上面；一氮化镓高阻层制作在低温成核层的上面；一铟镓氮插入层制作在氮化镓高阻层的上面；一低温氮化镓隔离层制作在铟镓氮插入层的上面；一高迁移率氮化镓层制作在低温氮化镓隔离层的上面；一氮化铝插入层制作在高迁移率氮化镓层的上面；一铝镓氮势垒层制作在氮化铝插入层的上面；一氮化镓帽层，该氮化镓帽层制作在铝镓氮势垒层的上面，该氮化镓帽层有效抑制了电流崩塌效应。

Description

氮化镓基高电子迁移率晶体管结构
技术领域
本发明属于半导体科学技术领域，特别是涉及一种氮化镓基高电子迁移率晶体管的结构。
背景技术
氮化镓基高电子迁移率晶体管具有高温、高频、大功率和抗辐射的特点，可以在恶劣环境下工作，在雷达、卫星通信、无线通信等领域具有广阔的应用前景。
氮化镓基高电子迁移率晶体管的原理为：由于氮化镓与铝镓氮这两种材料的导带不连续性，同时由于这两种材料的自发极化与压电极化效应，在它们的界面处形成一个三角形势阱，从而在三角形势阱中形成二维电子气，由于二维电子气与电离杂质在空间上相互隔离，使材料的迁移率大大提高。如在栅电极与源电极之间加一控制电压一栅压，同时在漏电极和源电极之间加一电压，即可通过栅压控制漏极电流，起到功率放大等作用。
在本发明以前，普遍采用的氮化镓基高电子迁移率晶体管的结构为：在衬底上依次生长氮化镓缓冲层和铝镓氮势垒层。这种传统结构中，在铝镓氮与氮化镓异质结处形成三角形势阱，当氮化镓基高电子迁移率晶体管工作时，如果加以较大的偏压，由于三角形势阱氮化镓缓冲层一侧的势垒较低，沟道中的电子会越过三角形势阱氮化镓缓冲层一侧的势垒，使器件性能变差；另外由于传统结构中铝镓氮势垒层中的铝组分较低，所以铝镓氮与氮化镓异质结界面处铝镓氮一侧的导带不连续性参数的增大受到限制，加之铝镓氮中合金组份不均匀性对电子的散射作用，使得这种传统结构的电子迁移率和相应器件的性能很难得到进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型氮化镓基高电子迁移率晶体管的结构。本发明采用了新型的双插入层结构，包括铟镓氮插入层和氮化铝插入层。其中铟镓氮插入层的导带底能级在其压电极化电场的作用下被抬高，更好的把载流子限制在沟道之中。铟镓氮插入层与氮化镓高迁移率层之间采取了一层薄的低温生长的氮化镓隔离层来防止铟镓氮插入层中的铟的分凝扩散。同时薄的氮化铝插入层与氮化镓高迁移率层界面处具有更高的导带不连续性，有效提高了此结构中的二维电子气迁移率。氮化镓帽层在一定程度上降低了铝镓氮势垒层的表面缺陷，有效抑制了电流崩塌效应，且方便制作器件的欧姆接触电极。
本发明提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，其中包括：
一衬底；
一低温成核层，该低温成核层制作在衬底的上面，该低温成核层为高温外延层提供有效的成核中心，并起到有效降低外延层位错密度；
一氮化镓高阻层，该氮化镓高阻层制作在低温成核层的上面，该氮化镓高阻层的作用为降低衬底材料对外延层的影响，提高氮化镓沟道层的质量，同时起到降低缓冲层电流的泄漏；
一铟镓氮插入层，该铟镓氮插入层制作在氮化镓高阻层的上面，该铟镓氮插入层有效增强了对沟道载流子的限制；
一低温氮化镓隔离层，该低温氮化镓隔离层制作在铟镓氮插入层的上面，该低温氮化镓隔离层有效抑制了铟镓氮插入层中的铟的分凝扩散；
一高迁移率氮化镓层，该高迁移率氮化镓层制作在低温氮化镓隔离层的上面，该高迁移率氮化镓层减少了氮化镓高阻层深能级陷阱对沟道电子的散射，提高了沟道电子迁移率；
一氮化铝插入层，该氮化铝插入层制作在高迁移率氮化镓层的上面，该氮化铝插入层增强了异质结导带不连续性，有效提高了此结构中的二维电子气迁移率；
一铝镓氮势垒层，该铝镓氮势垒层制作在氮化铝插入层的上面，该铝镓氮势垒层用于形成铝镓氮/氮化镓异质结结构，产生二维电子气；
一氮化镓帽层，该氮化镓帽层制作在铝镓氮势垒层的上面，该氮化镓帽层有效抑制了电流崩塌效应。
其中所述的衬底为蓝宝石或硅或碳化硅或氮化镓或氮化铝或ZnO。
其所述的低温成核层为氮化镓或氮化铝或AlGaN，度为20-100nm。
其中所述的氮化镓高阻层的厚度为500-5000nm。
其中所述的铟镓氮插入层的厚度为1-20nm，铟组分为1％-10％。
其中所述的低温氮化镓隔离层的厚度为1-100nm。
其中所述的高迁移率氮化镓层的厚度为10-300nm，优化值为50-200nm。
其中所述的氮化铝插入层的厚度为0-4nm，优化值为0.5-1.5nm。
其中所述的铝镓氮势垒层的厚度为15-30nm。
其中所述的氮化镓帽层的厚度为1-300nm。
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个详细的描述，其中：
图1是本发明的氮化镓基高电子迁移率晶体管的结构示意图；
图2是本发明的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构的能带示意图；
图3是本发明的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构的变温霍尔测试结果；
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明发明了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管的结构，其中包括：
(1)衬底10，该衬底10的材料为蓝宝石或硅或碳化硅或氮化镓或氮化铝或ZnO；
(2)低温成核层20，该低温成核层20为氮化镓或氮化铝或AlGaN，制作在衬底10的上面，低温成核层20的作用是为外延层的生长提供有效的成核中心，而且由于产生的大量位错释放了外延层的大部分应力，有效地降低了外延层的位错密度，提高了材料的晶体质量和器件的性能；
(3)氮化镓高阻层30，该氮化镓高阻层30制作在低温成核层20的上面，氮化镓高阻层30的作用是减小衬底材料对外延膜的影响，提高GaN沟道层的晶体质量，同时将缓冲层的电流泄漏减小到最低限度，优化了材料和器件的性能；
(4)铟镓氮插入层40，该铟镓氮插入层40制作在氮化镓高阻层30的上面，铟镓氮插入层40的作用是，铟镓氮插入层的导带底能级在其压电极化电场的作用下被抬高，形成了一个背势垒结构，从而更好的把载流子限制在沟道之中，防止了沟道中的载流子泄漏到缓冲层中去；
(5)低温氮化镓隔离层50，该低温氮化镓隔离层50制作在铟镓氮插入层40的上面，低温氮化镓隔离层50的作用是，由于较低的生长温度，所以可以有效的防止铟镓氮插入层中的铟的分凝扩散；
(6)高迁移率氮化镓层60，该高迁移率氮化镓层60制作在低温氮化镓隔离层50的上面，高迁移率氮化镓层60的作用是不仅能防止电流从缓冲层的泄漏，而且高质量的电子导电沟道减小了高阻氮化镓缓冲层深能级陷阱对沟道电子的散射，提高了沟道电子迁移率；
(7)氮化铝插入层70，该氮化铝插入层70制作在高迁移率氮化镓层60的上面，氮化铝插入层70的作用是使得异质结导带的不连续性得到了较大地提高，同时由于氮化铝插入层70很薄，不会对异质结的界面粗糙度带来很大影响，所以沟道电子的迁移率会大幅提高；
(8)铝镓氮势垒层80，该铝镓氮势垒层80制作在氮化铝插入层70的上面，铝镓氮势垒层80的作用是使的异质结界面处形成一个三角形势阱，从而在三角形势阱中形成二维电子气；
(9)氮化镓盖帽层90，该氮化镓帽层90制作在铝镓氮势垒层80的上面，氮化镓盖帽层90的作用是，减少铝镓氮势垒层80的表面缺陷，抑制电流崩塌效应。
以上在衬底10上制作的低温成核层20、氮化镓高阻层30、铟镓氮插入层40、氮化镓隔离层50、高迁移率氮化镓层60、氮化铝插入层70、铝镓氮势垒层80、氮化镓帽层90，均可以采用现有技术的金属有机物化学气相淀积法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)或氰化物汽相外延法(HVPE)制作，或采用以上三种方法的组合。
请参阅图2所示的具体能带图结构，本发明关键在于通过分析异质结构中半导体的自发和压电极化效应，采用了新型的铟镓氮插入层与氮化铝插入层的双插入层，来提高材料的迁移率并改善对二维电子气的限制。如图2中所示，铟镓氮插入层中的压电极化电场的方向，是从铟镓氮插入层指向氮化镓缓冲层，而铝镓氮势垒层中的压电极化电场方向，则是从氮化镓高迁移率层指向铝镓氮势垒层，所以铟镓氮插入层中的压电极化电场的方向与铝镓氮势垒层中的压电极化电场方向相反，所以铟镓氮插入层的导带底能级在其压电极化电场的作用下被抬高，形成了一个背势垒结构，从而更好的把载流子限制在沟道之中，防止了沟道中的载流子泄漏到缓冲层中去。由于铟镓氮插入层容易在高温下发生铟的分凝扩散现象，所以还在铟镓氮插入层与氮化镓高迁移率层之间采取了一层薄的低温生长的氮化镓隔离层来防止铟镓氮插入层中的铟的分凝扩散。同时如图2中所示，薄的氮化铝插入层与氮化镓高迁移率层界面处具有更高的导带不连续性，从而有效提高了此结构中的二维电子气迁移率。另外在结构最表面的氮化镓帽层，在一定程度上降低了铝镓氮势垒层的表面缺陷，有效抑制了电流崩塌效应，同时由于氮化镓表面更容易制作欧姆接触，所以将方便制作器件的欧姆接触电极。
采用金属有机物化学气相淀积法(MOCVD)生长获得以上结构的样品，对样品进行了测试分析，证明了采用此结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管材料具有高的迁移率。请参阅图3所示，室温HALL测试表明该结构材料的二维电子气室温迁移率在1900cm2/V.s-2110cm2/V.s之间，二维电子气面密度大于0.8×1013cm-2，变温HALL测试表明该结构材料在78K低温下，迁移率超过8500cm2/V.s，且二维电子气面密度随温度变化的分布近似为水平直线，表明其随温度的变化不明显，从而表明材料具有优良的质量和电学性能。原子力显微镜(AFM)测试方法证实该结构材料表面粗糙度(RMS)小于0.2nm，表明此结构材料具有平整的表面形貌。本发明利用了异质结构中半导体的自发和压电极化效应和能带工程理论进行设计，获得了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管结构。

Claims (10)

1、一种氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，其中包括：
一衬底；
一低温成核层，该低温成核层制作在衬底的上面，该低温成核层为高温外延层提供有效的成核中心，并起到有效降低外延层位错密度；
一氮化镓高阻层，该氮化镓高阻层制作在低温成核层的上面，该氮化镓高阻层的作用为降低衬底材料对外延层的影响，提高氮化镓沟道层的质量，同时起到降低缓冲层电流的泄漏；
一铟镓氮插入层，该铟镓氮插入层制作在氮化镓高阻层的上面，该铟镓氮插入层有效增强了对沟道载流子的限制；
一低温氮化镓隔离层，该低温氮化镓隔离层制作在铟镓氮插入层的上面，该低温氮化镓隔离层有效抑制了铟镓氮插入层中的铟的分凝扩散；
一高迁移率氮化镓层，该高迁移率氮化镓层制作在低温氮化镓隔离层的上面，该高迁移率氮化镓层减少了氮化镓高阻层深能级陷阱对沟道电子的散射，提高了沟道电子迁移率；
一氮化铝插入层，该氮化铝插入层制作在高迁移率氮化镓层的上面，该氮化铝插入层增强了异质结导带不连续性，有效提高了此结构中的二维电子气迁移率；
一铝镓氮势垒层，该铝镓氮势垒层制作在氮化铝插入层的上面，该铝镓氮势垒层用于形成铝镓氮/氮化镓异质结结构，产生二维电子气；
一氮化镓帽层，该氮化镓帽层制作在铝镓氮势垒层的上面，该氮化镓帽层有效抑制了电流崩塌效应。
2、根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，其中所述的衬底为蓝宝石或硅或碳化硅或氮化镓或氮化铝或ZnO。
3、根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，其所述的低温成核层为氮化镓或氮化铝或AlGaN，度为20-100nm。
4、根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，其中所述的氮化镓高阻层的厚度为500-5000nm。
5、根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，其中所述的铟镓氮插入层的厚度为1-20nm，铟组分为1％-10％。
6、根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，其中所述的低温氮化镓隔离层的厚度为1-100nm。
7、根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，其中所述的高迁移率氮化镓层的厚度为10-300nm，优化值为50-200nm。
8、根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，其中所述的氮化铝插入层的厚度为0-4nm，优化值为0.5-1.5nm。
9、根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，其中所述的铝镓氮势垒层的厚度为15-30nm。
10、根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，其中所述的氮化镓帽层的厚度为1-300nm。
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