CN103367417A - 三族氮化物高电子迁移率晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种三族氮化物高电子迁移率晶体管(HEMT)。该三族氮化物高电子迁移率晶体管依序包含一基板、一氮化镓缓冲层、一氮化镓通道层、一氮化铝间隔层、一阻障层、一氮化镓覆盖层、以及一介于阻障层及氮化铝间隔层之间的单原子掺杂层。本发明的高电子迁移率晶体管结构能在维持低接触电阻的同时，提高电子迁移率以及二维电子气的浓度。

Description

三族氮化物高电子迁移率晶体管

技术领域

本发明涉及一种高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，HEMT)，尤其涉及一种三族氮化物高电子迁移率晶体管。

背景技术

三族氮化物高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，HEMT)与砷化镓高电子迁移率晶体管相较之下，具有相对较高的崩溃电压及转换速度。在高功率及高频应用领域，如无线装置中的集成电路，其为一重要组件。

一典型的氮化镓高电子迁移率晶体管如图1所示，包含一氮化镓缓冲层103，一与该氮化镓缓冲层103相邻的氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)层105；该氮化镓缓冲层103硅生长于一基板101，其中，构成该基板101的材料选自由碳化硅(SiC)、硅(Si)及蓝宝石(sapphire)所组成的群组；介于缓冲层103及基板101之间可包含一用来减低此两层间晶格不匹配问题的成核层102。由张力所导致氮化铝镓层的压电极化与自发极化将使氮化铝镓层105在氮化铝镓层105与氮化镓缓冲层103间的接口产生极化电荷；然后该极化电荷于接口上感应产生二维电子气(two-dimensional electron gas，2DEG)104，并形成一导电通道。典型氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)层105的铝含量x为介于0.1与0.4之间；因为氮化铝镓层105中之张力随着铝含量x增加而增加，当使用一高铝含量材质层时，将于界面通道中形成一较高密度的极化电电荷以及随之而来的更多二维电子气；然而，增加氮化铝镓层的铝含量将不可避免地增加接口上组成成份的变动，如此将加强载子于通道中的扩散，并因而降低二维电子气的电子迁移率；同时增加氮化铝镓层的铝含量亦将增加接触电阻值。因此，必须提供一种能提高二维电子气的电子迁移率及浓度，同时能保持低接触电阻值之氮化镓高电子迁移率晶体管结构。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种三族氮化物高电子迁移率晶体管(highelectron mobility transistor，HEMT)，其中，于间格层与阻障层之间插入一单原子掺杂层(δ-doped layer)，使得接触电阻值能被降低，同时并能增强二维电子气效应。

为达上述目的，本发明提供一种三族氮化物高电子迁移率晶体管，依序包含一基板、一氮化镓缓冲层、一氮化镓通道层、一氮化铝间格层、一单原子掺杂层、一阻障层、以及一氮化镓覆盖层。

于实施时，构成上述基板的材料选自由碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)及蓝宝石(sapphire)所组成的群组；构成上述阻障层的材料以氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)层且该氮化铝镓中的铝含量x为0.1≤x≤0.4，或氮化铟铝(In_yAl_1-yN)且该氮化铟铝中的铟含量y为0.17≤y≤0.29为较佳。

于实施时，本发明的高电子迁移率晶体管结构可于该单原子掺杂层与该阻障层之间进一步包含复数层交替迭合的单原子掺杂层及n型均质掺杂层。若将一单原子掺杂层及一n型均质掺杂层视为一对，则高电子迁移率晶体管结构总共可包含N对单原子掺杂层及n型均质掺杂层，且1≤N≤5。

于实施时，上述单原子掺杂层的掺杂物以硅(Si)为较佳，而硅掺杂浓度以10¹⁷～10¹⁹cm^-3为较佳，且该单原子掺杂层的厚度以介于

到为较佳。

于实施时，构成上述n型均质掺杂层的材料以氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)且该氮化铝镓中的铝含量x为0.1≤x≤0.4，或氮化铟铝(In_yAl_1-yN)且该氮化铟铝中的铟含量y为0.17≤y≤0.29为较佳；该n型均质掺杂层的掺杂物以硅(Si)为较佳，而硅掺杂浓度以10¹⁷～10¹⁸cm^-3为较佳，且该n型均质掺杂层的厚度以介于

到

为较佳。

本发明的高电子迁移率晶体管结构能在维持低接触电阻的同时，提高电子迁移率以及二维电子气的浓度。

附图说明

图1为一先前技术中的高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图；

图2A～图2E为本发明的高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图；

图3A及图3B为在闸极电压为零(Vg＝0)时，对不同硅掺杂浓度以及不同硅掺杂层厚度的汲极-源极电流(Ids)对电压(Vds)变化图；

图4为一高电子迁移率晶体管结构在含有单原子掺杂层及不含单原子掺杂层时的模拟结果图。

附图标记说明：101-基板；102-成核层；103-氮化镓缓冲层；104-二维电子气；105-氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)层；201-基板；202-氮化镓缓冲层；204-氮化镓通道层；205-氮化铝间格层；206-单原子掺杂层；207-阻障层；208-氮化镓覆盖层；206A-调制掺杂层；203-后阻障层；202A-渐变氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)层；202B-氮化镓/氮化铝镓(GaN/AlGaN)超晶格结构；A-含单原子掺杂层；B-无单原子掺杂层。

具体实施方式

图2A为本发明的三族氮化物高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图，其包含一基板201、一氮化镓缓冲层202、一氮化镓通道层204、一氮化铝间格层205、一单原子掺杂层206、一阻障层207、以及一氮化镓覆盖层208。

在本发明的结构中，该基板201通常由半绝缘性物质所构成，其中，以选自由碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)及蓝宝石(sapphire)所组成的群组为较佳。于基板上形成的三族氮化物磊晶层可以分子束磊晶(molecularbeam epitaxy，MBE)或金属有机物化学气相沉积(metal-organic chemical vapordeposition，MOCVD)方式生成，在生成氮化镓缓冲层之前，可于基板201上先形成一成核层(nucleation layer)，以降低基板与氮化镓之间的晶格不匹配；构成该成核层的物质以氮化铝或氮化镓层为较佳；然后该非故意掺杂的氮化镓缓冲层202便可生成于该成核层之上，且其生成厚度以1微米至4微米为较佳；接着，一由非故意掺杂的氮化镓层构成且厚度为15至30奈米的氮化镓通道层204便生成于该氮化镓缓冲层202之上；在氮化镓通道层204之上，依序生成一氮化铝间隔层205、一单原子掺杂层206以及一阻障层207；最后，一由非故意掺杂或掺杂浓度不超过1×10¹⁸cm^-3的n型掺杂层构成的氮化镓覆盖层208覆盖于最上方以完成该高电子迁移率晶体管结构。该单原子掺杂层206以沉积一单层硅原子，也就是相当于

的厚度于氮化铝间隔层205之上为较佳；硅掺杂浓度以10¹⁷～10¹⁹cm^-3为较佳；生长于氮化铝间隔层205及单原子掺杂层206之上的阻障层207由氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)所构成且该氮化铝镓中的铝含量x最佳为0.1≤x≤0.4，或由氮化铟铝(In_yAl_1-yN)所构成且该氮化铟铝中的铟含量y最佳为0.17≤y≤0.29。图3A及图3B为在闸极电压为零(V_g＝0)时，对不同硅掺杂浓度以及不同硅掺杂层厚度的汲极-源极电流对电压变化图。图中显示，对同一汲极-源极电压，当硅掺杂浓度或硅掺杂层厚度增加时，汲极-源极间的电流也会相对提高，表示在组件中插入硅单原子掺杂层将使导通电阻值降低。图4为在闸极电压V_g＝-6V，汲极-源极电压V_ds＝40V的条件下，一高电子迁移率晶体管结构在含有单原子掺杂层(A线)及不含单原子掺杂层(B线)时的临界电场模拟结果。在高电子迁移率晶体管结构含有一单原子掺杂层206时，可发现临界电场在闸极区域有微量增加，但在组件制程中如场效电板设计，此效应可被降低。

图2B为本发明的三族氮化物高电子迁移率晶体管另一结构的剖面示意图，其中，介于氮化铝间隔层205与阻障层207之间，进一步包含一调制掺杂层206A。该调制掺杂层206A由至少一对单原子掺杂层及n型均质掺杂层交替迭合所组成。该单原子掺杂层的掺杂物以硅(Si)为较佳，而硅掺杂浓度以10¹⁷～10¹⁹cm^-3为较佳，且该单原子掺杂层的厚度以介于

到

为较佳；该n型均质掺杂层由氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)所构成且该氮化铝镓中的铝含量x最佳为0.1≤x≤0.4，或由氮化铟铝(In_yAl_1-yN)所构成且该氮化铟铝中的铟含量y最佳为0.17≤y≤0.29；该n型均质掺杂层的掺杂物以硅(Si)为较佳，而硅掺杂浓度以10¹⁷～10¹⁸cm^-3为较佳，且该n型均质掺杂层的厚度以介于

到

为较佳；该调制掺杂层可包含N对单原子掺杂层及n型均质掺杂层，且以1≤N≤5为较佳。

本发明的高电子迁移率晶体管结构可于缓冲层202及通道层204之间进一步包含一薄后阻障层(back barrier layer)203，如图2C所示。该后阻障层由氮化铟镓(In_xGa_1-xN)所构成且该氮化铟镓中的低铟含量x最佳为0.1≤x≤0.2；该后阻障层203中的极化电场可提高氮化镓缓冲层的导电带，并强化二维电子气于导电通道的束缚。

图2D及图2E为本发明的具不同缓冲层结构的高电子迁移率晶体管的剖面示意图。如图2D所示，本发明的高电子迁移率晶体管的缓冲层202可于该缓冲层202与该基板201之间进一步包含一渐变的氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)层202A，且该氮化铝镓中的铝含量x由1渐变为0.05；缓冲层202的另一结构，如图2E所示，可于该缓冲层202与该基板201之间进一步包含一氮化镓/氮化铝镓(GaN/AlGaN)超晶格结构202B。

综上所述，本发明提供的于间格层与阻障层之间插入一单原子掺杂层的三族氮化镓高电子迁移率晶体管确实可达到预期的目的，使得接触电阻值能被降低，并能增强二维电子气效应，而组件效能也能因此被改善。

以上这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (27)

1.一种三族氮化镓高电子迁移率晶体管，依序包括：

一基板；

一氮化镓缓冲层；

一氮化镓通道层；

一氮化铝间格层；

一单原子掺杂层；

一阻障层；以及

一氮化镓覆盖层。

2.如权利要求1所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，构成该基板的材料选自由碳化硅、硅、氮化镓及蓝宝石所组成的群组。

3.如权利要求1所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该阻障层为一氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)层，且该氮化铝镓中的铝含量x为0.1≤x≤0.4。

4.如权利要求1所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该阻障层为一氮化铟铝(In_yAl_1-yN)层，且该氮化铟铝中的铟含量y为0.17≤y≤0.29。

5.如权利要求1所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该单原子掺杂层的掺杂物为硅。

6.如权利要求5所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该硅掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁹cm^-3。

7.如权利要求5所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该硅单原子掺杂层的厚度介于

到

8.如权利要求1所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，介于该单原子掺杂层与该阻障层之间，进一步包含一n型均质掺杂层。

9.如权利要求8所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该n型均质掺杂层为一氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)层，且该氮化铝镓中的铝含量x为0.1≤x≤0.4。

10.如权利要求8所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该n型均质掺杂层为一氮化铟铝(In_yAl_1-yN)层，且该氮化铟铝中的铟含量y为0.17≤y≤0.29。

11.如权利要求8所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该n型均质掺杂层的掺杂物为硅。

12.如权利要求11所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该硅掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁸cm^-3。

13.如权利要求8所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该n型均质掺杂层的厚度介于

到

14.如权利要求8所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，介于该n型均质掺杂层与该阻障层之间，进一步包含复数层交替迭合的单原子掺杂层及n型均质掺杂层。

15.如权利要求14所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，将一单原子掺杂层及一n型均质掺杂层视为一对，则介于该n型均质掺杂层与该阻障层之间包含N对单原子掺杂层及n型均质掺杂层，且1≤N≤4。

16.如权利要求14所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该单原子掺杂层的掺杂物为硅。

17.如权利要求16所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该硅掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁹cm^-3。

18.如权利要求16所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该硅单原子掺杂层的厚度介于

到

19.如权利要求14所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该n型均质掺杂层为一氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)层，且该氮化铝镓中的铝含量x为0.1≤x≤0.4。

20.如权利要求14所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该n型均质掺杂层为一氮化铟铝(In_yAl_1-yN)层，且该氮化铟铝中的铟含量y为0.17≤y≤0.29。

21.如权利要求14所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该n型均质掺杂层的掺杂物为硅。

22.如权利要求21所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该硅掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁸cm^-3。

23.如权利要求14所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该n型均质掺杂层的厚度介于

到

24.如权利要求1所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，介于该氮化镓缓冲层与该氮化镓通道层之间，进一步包含一后阻障层(backbarrier layer)。

25.如权利要求24所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，该后阻障层为一氮化铟镓(In_xGa_1-xN)层，且该氮化铟镓中的铟含量x为0.1≤x≤0.2。

26.如权利要求1所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，介于该基板与该氮化镓缓冲层之间，进一步包含一渐变的氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)层，且该氮化铝镓中的铝含量x由1渐变为0.05。

27.如权利要求1所述的三族氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，介于该基板与该氮化镓缓冲层之间，进一步包含一氮化镓/氮化铝镓(GaN/AlGaN)超晶格结构。

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