CN103035706B - 一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直氮化镓基异质结场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直氮化镓基异质结场效应晶体管，从下至上依次主要由漏极，n+-GaN衬底，n-GaN缓冲层，GaN沟道层，AlGaN势垒层，以及AlGaN势垒层上的源极和栅极，源极与漏极均为欧姆接触，栅极为肖特基接触，该晶体管还包括位于n-GaN缓冲层与GaN沟道层之间的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层，该电流阻挡层内Al组分沿着y方向逐渐增大。本发明中，通过电流阻挡层内Al组分渐变而产生的极化电场提升p型杂质的激活率，增大电流阻挡层内的空穴浓度，从而提升器件击穿电压。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体是指一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直氮化镓基异质结场效应晶体管。
技术背景
氮化镓基异质结场效应晶体管(HeterojunctionFiele-EffectTransistor，HFET)不但具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度高、导热性能好、抗辐射和良好的化学稳定性等优异特性，同时氮化镓(GaN)材料可以与铝镓氮(AlGaN)等材料形成具有高浓度和高迁移率的二维电子气异质结沟道，因此特别适用于高压、大功率和高温应用，是电力电子应用最具潜力的晶体管之一。
现有的高耐压GaNHFET结构主要为横向器件，器件基本结构如图1所示。器件主要包括衬底，氮化镓(GaN)缓冲层，铝镓氮(AlGaN)势垒层以及铝镓氮(AlGaN)势垒层上形成的源极、漏极和栅极，其中源极和漏极与铝镓氮(AlGaN)势垒层形成欧姆接触，栅极与铝镓氮(AlGaN)势垒层形成肖特基接触。但是对于横向GaNHFET而言，在截止状态下，从源极注入的电子可以经过GaN缓冲层到达漏极，形成漏电通道，过大的缓冲层泄漏电流会导致器件提前击穿，无法充分发挥GaN材料的高耐压优势，从而限制GaNHFET在高压方面的应用。同时横向GaNHFET器件主要依靠栅极与漏极之间的有源区来承受耐压，要获得大的击穿电压，需设计很大的栅极与漏极间距，从而会增大芯片面积，不利于现代电力电子系统便携化、小型化的发展趋势。
与横向GaNHFET相比，垂直GaNHFET(VerticalHeterojunctionFiele-EffectTransistor，VHFET)结构可以有效地解决以上问题。已有技术GaNVHFET结构如图2所示，器件主要包括漏极、n+-GaN衬底、n-GaN缓冲层、P-GaN电流阻挡层、GaN沟道层、AlGaN势垒层和AlGaN势垒层上形成的栅极和源极，其中漏极与n+-GaN衬底形成欧姆接触，源极与AlGaN势垒层形成欧姆接触，栅极与AlGaN势垒层形成肖特基接触。与横向GaNHFET相比，GaNVHFET存在以下优势：器件主要通过栅极与漏极之间的纵向间距，即n-GaN缓冲层来承受耐压，器件横向尺寸可以设计的非常小，有效节省芯片面积；同时p-GaN电流阻挡层与n-GaN缓冲层之间形成的p-n结可以有效阻挡从源极注入的电子，从而抑制器件缓冲层泄漏电流。除此之外，GaNVHFET结构还具有便于封装、低沟道温度等多方面优点。
对于已有技术GaNVHFET结构而言，一般使用镁(Mg)掺杂的p型GaN材料来充当电流阻挡层，高质量、高浓度的p型电流阻挡层是实现GaNVHFET高击穿电压与低泄漏电流的关键之一。但是从上个世纪90年代至今，如何实现高质量、高浓度的p型GaN材料一直是GaN基器件设计与制备中的难题与瓶颈之一。在现有已知的GaN材料p型杂质中，Mg杂质具有最低的激活能，约为200meV，但仍远高于室温下的热电势(约为26meV)，过高的杂质激活能导致室温下p型杂质的激活率非常低，只有1％左右，并会随着温度的降低而急剧降低，当材料为AlGaN或者AlN，由于激活能的进一步增大会导致p型杂质激活率的进一步降低。因此如何获得高浓度、高质量的p型GaN材料或AlGaN材料，成为垂直GaNHFET设计与制备亟待解决的问题之一。
发明内容
针对已有技术GaNVHFET器件存在的技术问题，本发明提供了一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直氮化镓基异质结场效应晶体管(Polarization-DopedVerticalHeterojunctionField-EffectTransistor，PD-VHFET)，使用p-AlGaN电流阻挡层产生的极化电场提升p型杂质的激活率，从而实现器件的高击穿电压与低泄漏电流。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直氮化镓基异质结场效应晶体管，从下至上依次主要由漏极，n+-GaN衬底，n-GaN缓冲层，GaN沟道层，AlGaN势垒层，以及AlGaN势垒层上的源极和栅极组成，源极与漏极均为欧姆接触，栅极为肖特基接触，其还包括位于GaN沟道层下方的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层。器件结构如图3所示，为了方便讨论，图中定义了一个二维坐标系。
所述的所述的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层与GaN沟道层相连，并分为两部分，沿着x轴方向分别位于器件两侧。
所述的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层中，Al摩尔组分从上至下从r0逐渐增大至r1，其中r0为极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层上表面Al摩尔组分，r1为极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层下表面Al摩尔组分，其中0≤r0≤r1≤1。本发明使用Al组分渐变的p-AlGaN电流阻挡层，通过由于Al组分渐变而产生的极化电场提升p型杂质的激活率，从而实现器件的高击穿电压与低泄漏电流。
所述的两边极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层长度相等，均为LCBL，范围为0.2μm至50μm。
所述的两侧极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层之间的间距为LAP，LAP范围为0.2μm至50μm。
所述栅极的长度大于两边极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层之间的间距LAP，且部分覆盖两边的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层。
所述极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层掺杂浓度为1×1017cm-3至1×1021cm-3；厚度为0.05μm至Tbuf，其中Tbuf为n-GaN缓冲层厚度。
所述n-GaN缓冲层掺杂浓度为1×1015cm-3至1×1018cm-3，厚度为1μm至500μm。
与已有技术GaNVHFET相比，本发明所提出的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层工作原理为：所述p-AlGaN电流阻挡层内Al摩尔组分是随着y轴方向逐渐增大的，因此电流阻挡层内由于自发极化与压电极化产生的极化电荷密度也是沿着y轴方向变化的，根据高斯定理，这些非均匀分布的电荷会在电流阻挡层内形成极化电场，掺入到电流阻挡层内的p型杂质可以在该极化电场的作用下被激活，从而可以获得更高的杂质激活率，同时由于杂质的激活不再是单纯地依靠热激发，因此极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层拥有比常规掺杂更好的热稳定性。
与已有技术GaNVHFET相比，本发明所提出的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层拥有更高的杂质激活率，可以更加有效地抑制由源极电子穿过电流阻挡层形成的泄漏电流，增大器件的击穿电压，同时AlGaN材料拥有比GaN材料更高的禁带宽度，可以进一步抑制泄漏电流，提升器件耐压能力。发明提供的GaNPD-VHFET结构还拥有比已有技术GaNVHFET更好的热稳定性与可靠性。
附图说明
图1是已有技术横向GaNHFET结构示意图。
图2是已有技术GaNVHFET结构。
图3是本发明提供的GaNPD-VHFET结构示意图。
图4是本发明提供的GaNPD-VHFET与已有技术GaNVHFET热平衡时A-A’截面处载流子浓度比较，其中正值为电子浓度，负值为空穴浓度。
图5是本发明提供的GaNPD-VHFET与已有技术GaNVHFET热平衡时A-A’截面处能带结构比较。
图6是本发明提供的GaNPD-VHFET与已有技术GaNVHFET截止状态下漏极泄漏电流比较。
其中，图中附图标记对应的零部件名称为：
301-源极，302-栅极，303-AlGaN势垒层，304-GaN沟道层，305-n-GaN缓冲层，306-n+-GaN衬底，307-漏极，308-极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
图1是已有技术横向GaNHFET结构示意图，从下至上主要包括衬底，氮化镓(GaN)缓冲层，氮化镓(GaN)沟道层，铝镓氮(AlGaN)势垒层以及铝镓氮(AlGaN)势垒层上形成的源极、漏极和栅极，其中源极和漏极与铝镓氮(AlGaN)势垒层形成欧姆接触，栅极与铝镓氮(AlGaN)势垒层形成肖特基接触。
图2是已有技术GaNVHFET结构示意图，从下至上主要包括漏极，n+-GaN衬底，n-GaN缓冲层，p-GaN电流阻挡层，GaN沟道层，AlGaN势垒层以及AlGaN势垒层上形成的源极和栅极，其中源极和漏极均为欧姆接触，栅极为肖特基接触。
图3是本发明提供的GaNPD-VHFET结构示意图，从下至上依次主要由漏极307，n+-GaN衬底306，n-GaN缓冲层305，GaN沟道层304，AlGaN势垒层303，以及AlGaN势垒层303上的源极301和栅极302，源极301与AlGaN势垒层303为欧姆接触，漏极307与n+-GaN衬底306为欧姆接触，栅极302与AlGaN势垒层303为肖特基接触，该晶体管还包括分为两部分的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层308。所述极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层308掺杂浓度为1×1017cm-3至1×1021cm-3，厚度为0.05μm至Tbuf，其中Tbuf为n-GaN缓冲层305厚度。为了方便讨论，图中定义了一个二维坐标系。
所述的所述的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层与GaN沟道层相连，并分为两部分，分别位于器件x轴方向两侧。
所述的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层中，Al摩尔组分从上至下从r0逐渐增大至r1，其中r0为极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层上表面Al摩尔组分，r1为极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层下表面Al摩尔组分，其中0≤r0≤r1≤1。本发明使用Al组分渐变的AlGaN电流阻挡层，通过由于Al组分渐变而产生的极化电场提升p型杂质的激活率，从而实现器件的高击穿电压与低泄漏电流。
所述的两边极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层长度相等，均为LCBL，范围为0.2μm至50μm。
所述的两侧极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层之间的间距为LAP，LAP范围为0.2μm至50μm。
所述栅极的长度大于两边极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层之间的间距LAP，且部分覆盖两边的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层。
所述极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层掺杂浓度为1×1017cm-3至1×1021cm-3；厚度为0.05μm至Tbuf，其中Tbuf为n-GaN缓冲层厚度。
所述n-GaN缓冲层掺杂浓度为1×1015cm-3至1×1018cm-3，厚度为1μm至500μm。
在本发明的GaNHFET中，最易于说明本发明意图的例子是图3所示的GaNPD-VHFET与图2所示的已有技术GaNVHFET器件特性对比。器件结构参数由表1给出，其中GaNPD-VHFET中，所述极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层308内，Al摩尔组分从0.2线性增大至0.4。
表1器件仿真结构参数
图4是本发明提供的GaNPD-VHFET与已有技术GaNVHFET热平衡时A-A’截面处(y＝0.25μm)载流子浓度比较。其中正值为电子浓度，负值为空穴浓度。从图中可以看出，对于已有技术GaNVHFET，由于p-GaN电流阻挡层内p型杂质激活率非常低，其空穴浓度仅为2×1017cm-3。而对于本发明提供的GaNPD-VHFET，由于极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层308的使用，杂质激活率大幅提升，电流阻挡层内空穴浓度约为6.5×1017cm-3，与已有技术GaNVHFET相比，增大了约225％。
图5是本发明提供的GaNPD-VHFET与已有技术GaNVHFET热平衡时A-A’截面处(y＝0.25μm)能带结构比较。从图中可以看出，由于本发明提供的GaNPD-VHFET电流阻挡层内为AlGaN材料其禁带宽度大于已有技术GaNVHFET电流阻挡层所用的GaN材料，可以进一步抑制通过电流阻挡层的泄漏电流。
为了验证本发明提供的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层308对器件击穿电压的提升作用，对本发明提供的GaNPD-VHFET与已有技术GaNVHFET的击穿特性进行了仿真，器件参数与表1一致，结果如图6所示。器件击穿电压定义为截止状态下漏极307电流达到1mA/mm时，漏极307所施加的偏置电压。从图中可以看出，与已有技术GaNVHFET相比，GaNPD-VHFET结构有效降低了器件的泄漏电流，提升了器件的击穿电压，在器件其他参数完全相同的情况下，器件击穿电压从220V增大至457V，增大了约108％，同时并未过多地牺牲器件导通电阻，仅从0.28mΩ·cm2增大至0.3mΩ·cm2，增大了约7％。
虽然上述实施例子是以氮化镓基异质结场效应晶体管(GaNHFET)为例进行说明的，但是所提出结构适用于各种其他半导体材料构成的多种结构晶体管。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本/发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直氮化镓基异质结场效应晶体管，从下至上依次主要由漏极(307)，n+-GaN衬底(306)，n-GaN缓冲层(305)，GaN沟道层(304)，AlGaN势垒层(303)，以及AlGaN势垒层(303)上的源极(301)和栅极(302)组成，源极(301)与漏极(307)均为欧姆接触，栅极(302)为肖特基接触，其特征在于：还包括位于GaN沟道层(304)下方的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层(308)。
2.根据权利要求1所述的一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于：所述的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层(308)与GaN沟道层(304)相连，并分为两部分，沿着x轴方向分别位于器件两侧。
3.根据权利要求2所述的一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于：所述的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层(308)中，Al摩尔组分从上至下从r0逐渐增大至r1，其中r0为极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层(308)上表面Al摩尔组分，r1为极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层(308)下表面Al摩尔组分，其中O≤r0≤r1≤1。
4.根据权利要求3所述的一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于：所述两边的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层(308)长度相等，均为LCBL，范围为0.2μm至50μm。
5.根据权利要求4所述的一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于：所述两边的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层(308)之间的间距为LAP，LAP范围为0.2μm至50μm。
6.根据权利要求5所述的一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于：所述栅极(302)的长度大于两边极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层(308)之间的间距LAP，且部分覆盖两边的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层(308)。
7.根据权利要求6所述的一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于：所述的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层(308)掺杂浓度为1×1017cm-3至1×1021cm-3。
8.根据权利要求7所述的一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于：所述的极化掺杂p-AlGaN电流阻挡层(308)厚度为0.05μm至Tbuf，其中Tbuf为n-GaN缓冲层(305)厚度。
9.根据权利要求8所述的一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于：所述n-GaN缓冲层(305)掺杂浓度为1×1015cm-3至1×1018cm-3。
10.根据权利要求9所述的一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于：所述n-GaN缓冲层(305)厚度为1μm至500μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160427 Termination date: 20200104 |