CN103337517B - 基于iii族氮化物材料含多层背势垒的器件结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于III族氮化物材料含多层背势垒的器件结构，属于半导体器件领域。本发明自下而上包括衬底层、背势垒结构层和沟道层；所述背势垒结构层由两层及以上不同Al组份的AlxGaN（0＜x＜1）背势垒组成，所述背势垒结构层的Al组份沿从沟道层到衬底层方向递增，但同一背势垒中Al组份不变。背势垒结构层降低了沟道电场峰值，有效的调节了沟道电场，提高了器件的击穿电压；相较于场板技术，多层背势垒结构不增加栅电容，对器件的频率特性影响较小；相较于单层背势垒结构，多层背势垒结构在不引入高浓度的2DHG的前提下，用多层低组份背势垒共同调节沟道电场，从而在保持高的器件饱和电流基础上，有效的增加器件耐压。

Description

基于III族氮化物材料含多层背势垒的器件结构
技术领域
本发明涉及半导体器件领域。
背景技术
GaN半导体材料具有更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和电子饱和漂移速度等优异的性能，受到研究者们的广泛关注。虽然GaN材料的临界击穿电场远高于其他半导体材料，但是由于GaN器件局域曲率效应，器件内部存在一个峰值电场，使得器件提前击穿。因此如何降低峰值电场、缓解局域曲率效应、提高器件击穿电压始终是国内外研究热点之一。
场板技术是提高器件耐压最为简单有效的方法。Mishra小组报道了国际上首个高压电力开关器件AlGaN/GaNHEMT就带有场板；紧接Mishra小组又报道了带三层场板的器件（Mishra,U.K..StatusofAlGaN/GaNHEMTtechnology-AUCSBperspective.InGalliumArsenideandOtherSemiconductorApplicationSymposium,EGAAS2005,European,pp.21-27），击穿电压达到900V，代表着当时的最高水平；东芝公司的WataruSaito研究小组于2008年用源、栅双场板结构制备出了击穿电压达940V、峰值电流4.4A，特征通态电阻仅3.6mW*cm2(约为Si器件的1/44)的器件。场板技术虽然提高了器件耐压，但是其致命缺点是增大电容，使得频率特性变差。
背势垒结构可以有效的增加二维电子气（2DEG）的沟道限域性，从而降低漏电提高击穿电压。Micovic等人在AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）中引入Al0.04GaN背势垒，利用背势垒结构将沟道处GaN的势垒提高了1-2eV，提高了2DEG的沟道限域性，提高了器件的击穿电压，从而提高了AlGaN/GaNHEMT的功率密度，在10GHz频率下，漏压的工作电压高达40V，输出功率密度到达10.5W/mm。
单层背势垒结构提高击穿电压的效果是有限的，首先背势垒的组份不易太高，否则会引入高浓度的二维空穴气（2DHG），增加缓冲层漏电，击穿电压反而下降；但是低的背势垒组份增加沟道限域性的作用很有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于III族氮化物材料含多层背势垒的器件结构，该结构使得基于III族氮化物材料的器件在保持高频率特性和大饱和电流的基础上，提高器件的击穿电压，缓解其频率、饱和电流和击穿电压的矛盾关系，克服了单层背势垒的缺点，在不引入高浓度的2DHG的前提下，有效的增加器件耐压。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于III族氮化物材料含多层背势垒的器件结构，自下而上包括衬底层、背势垒结构层和沟道层；所述背势垒结构层由两层及以上不同Al组份的AlxGaN（0＜x＜1）背势垒组成。
所述背势垒结构层中的Al组份沿沟道层到衬底层方向递增，但同一背势垒中Al组份不变。
所述背势垒结构层的Al组份从沟道层到衬底层为线性增加或者非线性增加。
所述背势垒结构层中各背势垒的厚度相等。
采用上述技术方案取得的技术进步为：
1）由多层背势垒组成的背势垒结构层降低了沟道电场峰值，有效的调节了沟道电场，提高了器件的击穿电压；相较于场板技术，多层背势垒结构不增加栅电容，对器件的频率特性影响较小；
2）相较于单层背势垒结构，多层背势垒结构在不引入高浓度的2DHG的前提下，用多层低组份背势垒共同调节沟道电场，从而在保持高的器件饱和电流基础上，有效的增加器件耐压。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为本发明实施例3的结构示意图；
图4为本发明实施例4的结构示意图；
其中，1、衬底层，2、第一背势垒，3、第二背势垒，4、沟道层，5、势垒层，6、源金属，7、栅金属，8、漏金属，9、阴极金属，10、阳极金属，11、栅介质，12、第三背势垒。
具体实施方式
实施例1
由图1所示可知，实施例1为基于III族氮化物材料的多层背势垒高电子迁移率晶体管HEMT，自下而上包括衬底层1、背势垒结构层、沟道层4和势垒层5，在所述势垒层5上设有源金属6、栅金属7和漏金属8。所述背势垒结构层由第一背势垒2和第二背势垒3组成，第一背势垒2和第二背势垒3为AlxGaN（0＜x＜1），同一背势垒中Al组份不变。
所述衬底层1为Si或蓝宝石；所述沟道层4为GaN或者AlxGa1-xN（0＜x＜1）；所述势垒层5为InxAlyGa1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1）。
所述背势垒结构层的Al组份沿沟道层4到衬底层1方向逐渐线性增加，即第一背势垒2的Al组分大于第二背势垒3的Al组分，但是两种组分数值之间为线性关系；第二背势垒3的Al组份为4%，第一背势垒2的Al组份为8%。
第一背势垒2和第二背势垒3的厚度相等。
实施例2
由图2所示可知，实施例2为基于III族氮化物材料的多层背势垒肖特基二极管SBD，自下而上包括衬底层1、背势垒结构层、沟道层4和势垒层5，在所述势垒层5上设有阳极金属10，在所述沟道层4上设有阴极金属9。所述背势垒结构层由第一背势垒2和第二背势垒3组成。第一背势垒2和第二背势垒3为AlxGaN（0＜x＜1），同一背势垒中Al组份不变。
所述衬底1为或SiC或GaN或金刚石；所述沟道层4为GaN；所述势垒层5为InxAlyGa1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1）。
所述背势垒结构层的Al组份沿沟道层4到衬底层1方向逐渐非线性增加。即第一背势垒2的Al组分大于第二背势垒3的Al组分，但是两种组分数值之间为非线性关系；第二背势垒3的Al组份为3%；第一背势垒2的Al组分为5%。
第一背势垒2和第二背势垒3的厚度不相等，第二背势垒3的厚度大于第一背势垒2的厚度。
实施例3
由图3所示可知，实施例3为基于III族氮化物材料的多层背势垒肖特基势垒场效应晶体管MESFET，自下而上包括衬底层1、背势垒结构层、沟道层4，在所述沟道层4上设有源金属6、栅金属7和漏金属8。所述背势垒结构层由第一背势垒2、第二背势垒3和第三背势垒12组成，第一背势垒2、第二背势垒3和第三背势垒12为AlxGaN（0＜x＜1），同一背势垒中Al组份不变。
所述衬底层1为Si或蓝宝石或SiC或GaN或金刚石；所述沟道层4为GaN或者AlxGa1-xN（0＜x＜1）。
所述背势垒结构层的Al组份沿沟道层4到衬底层1方向逐渐非线性增加，即第三背势垒12的Al组分小于第二背势垒3的Al组分，第二背势垒3的Al组分小于第一背势垒2的Al组分，但是三种组分数值之间为非线性关系，第三背势垒12的Al组份为2%，第二背势垒3的Al组分为5%，第一背势垒2的Al组分为7%。
第一背势垒2、第二背势垒3和第三背势垒12的厚度相等。
实施例4
由图4所示可知，实施例4为基于III族氮化物材料的多层背势垒MISFET，自下而上包括衬底层1、背势垒结构层、沟道层4，在所述沟道层4上设有源金属6、栅金属7、漏金属8和栅介质11。所述背势垒结构层由第一背势垒2、第二背势垒3和第三背势垒12组成，第一背势垒2、第二背势垒3和第三背势垒12为AlxGaN（0＜x＜1），同一背势垒中Al组份不变。
所述衬底层1为Si或蓝宝石或SiC或GaN或金刚石；所述沟道层4为GaN或者AlxGa1-xN（0＜x＜1）。
所述背势垒结构层的Al组份沿沟道层4到衬底层1方向逐渐线性增加，即第三背势垒12的Al组分小于第二背势垒3的Al组分，第二背势垒3的Al组分小于第一背势垒2的Al组分，但是三种组分数值之间为线性关系，第三背势垒12的Al组份为3%，第二背势垒3的Al组份为5%，第一背势垒2的Al组份为7%。
第一背势垒2、第二背势垒3和第三背势垒12的厚度不相等，自第三背势垒12开始，各背势垒的厚度逐渐减小。
本发明最优方案，距沟道层4最近的背势垒的Al组份大于等于2%，并且小于等于8%，相邻背势垒之间Al组分的差值大于等于2%，并且小于等于8%。
本发明采用了由多层背势垒组成的背势垒结构层，该结构降低了沟道电场峰值，有效的调节了沟道电场，提高了器件的击穿电压；相较于场板技术，多层背势垒结构不增加栅电容，对器件的频率特性影响较小；相较于单层背势垒结构，多层背势垒结构在不引入高浓度的2DHG的前提下，用多层低组份背势垒共同调节沟道电场，从而在保持高的器件饱和电流基础上，有效的增加器件耐压。

Claims (3)

1.一种基于III族氮化物材料含多层背势垒的器件结构，其特征在于自下而上包括衬底层（1）、背势垒结构层和沟道层（4）；所述背势垒结构层由两层及以上不同Al组份的AlxGaN背势垒组成，其中0＜x＜1，所述背势垒结构层中的Al组份沿沟道层（4）到衬底层（1）方向递增，但同一背势垒中Al组份不变，距沟道层（4）最近的背势垒的Al组份大于等于2%，并且小于等于8%，相邻背势垒之间Al组分的差值大于等于2%，并且小于等于8%。
2.根据权利要求1所述的基于III族氮化物材料含多层背势垒的器件结构，其特征在于所述背势垒结构层的Al组份从沟道层（4）到衬底层（1）为线性增加或者非线性增加。
3.根据权利要求1或2所述的基于III族氮化物材料含多层背势垒的器件结构，其特征在于所述背势垒结构层中各背势垒的厚度相等。
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