CN104157679A - 一种氮化镓基增强型异质结场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓基增强型异质结场效应晶体管，其结构从下至上依次主要由衬底、氮化铝成核缓冲层、背势垒层、氮化镓、势垒层以及绝缘介质层组成，在势垒层上形成有源极、漏极，源极及漏极与势垒层形成欧姆接触，在绝缘介质层上形成有栅极，栅极与绝缘介质层形成肖特基接触。本发明通过在栅极正下方沟道区域引入极化强度大于势垒层的背势垒层，使背势垒层和势垒层的极化强度相抵消，起到耗尽栅下沟道的二维电子气的效果，从而实现增强型工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体是指一种氮化镓(GaN)基增强型异质结场效应晶体管。
背景技术
氮化镓(GaN)基异质结场效应晶体管具有禁带宽度大、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、大功率和高温环境的应用，是电力电子应用最具潜力的晶体管之一。
图1为现有的基于GaN-on-Insulator(GOI)技术的GaN MIS-HFET结构示意图，主要包括：衬底101，氮化铝(AlN)成核缓冲层102，铝铟镓氮(AlxInyGazN)势垒层104以及绝缘介质层105，铝铟镓氮(AlxInyGazN)势垒层上形成源极106和漏极107，绝缘介质层上形成栅极108，其中源极和漏极均与铝铟镓氮(AlxInyGazN)势垒层形成欧姆接触，栅极与绝缘介质层形成肖特基接触。由于AlxInyGazN/GaN异质结构间天然存在很强的二维电子气(2DEG)沟道，所以在零偏压下，图1所示的基于GOI技术的GaN MIS-HFET器件处于导通状态，为耗尽型器件；而耗尽型器件的应用存在一定局限性：要使耗尽型器件关断必须在栅极加负电压偏置，这增加了电路的功耗和复杂度，同时在异常断电的情况下，器件仍处于导通状态，降低了系统的安全性。而使用增强型器件能降低系统功耗和复杂度，提升安全性，使氮化镓基HEMT能应用于大功率开关器件和电路以及数字互补逻辑集成电路，具有很大的应用前景。
在本发明提出以前，为了实现氮化镓增强型器件主要采用如下方法：
(1)使用槽栅结构[W.Sato,Y.Takata,M.Kuraguchi,et al.Recessed-gate strcutureapproach toward normally-off high-voltage AlGaN/GaN hemt for power electronics applications[J],IEEE Trans.Electron Devices,2006,53,(2),pp.356-362]。将栅下AlGaN势垒层刻蚀掉一部分，当势垒层薄到一定程度时，栅下2DEG密度将减小到可以忽略的程度，而源、漏区域的2DEG密度不变；这样器件的饱和电流、跨导和阈值电压均优于薄势垒结构，但槽栅工艺对刻蚀深度的准确性控制较差，导致工艺重复性差，同时刻蚀会造成机械性损伤，使栅漏电增加。
(2)使用P型GaN栅结构[T.O.Hilt,F.Brunner,E.CHO,et al.Normally-off high-voltagep-GaN gate GaN HFET with carbon-doped buffer[C].23rd International Symposium on PowerSemiconductor Devices and ICs,May 23-26,2011.Piscataway NJ,USA:IEEE,2011.]。在栅下和AlGaN势垒层之间引入P型GaN材料，栅金属与P型GaN形成欧姆接触，一方面P型掺杂能提高能带，在栅压为零时耗尽沟道电子实现增强型特性，另一方面P型GaN材料中的空穴能注入沟道，起到电导调制作用，在提高漏极电流的同时保持较小的栅电流。但GaN材料的P型受主Mg激活能很高，高质量的P型GaN材料很难实现，同时P型掺杂也会对材料的可靠性造成影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有增强型工作状态的氮化镓基增强型异质结场效应晶体管。
本发明采用如下述技术方案：一种新型氮化镓基增强型异质结场效应晶体管，如图2所示，其由下至上依次主要由衬底101、氮化铝(AlN)成核缓冲层102、背势垒层201、氮化镓(GaN)沟道层103、势垒层104以及绝缘介质层105组成，在势垒层104上表面设有源极106和漏极107，源极106及漏极107均与势垒层104形成欧姆接触，绝缘介质层106上表面设有栅极108，栅极108与绝缘介质层105形成肖特基接触；其中势垒层104的极化强度小于或等于引入的背势垒层201的极化强度，从而耗尽沟道二维电子气，由此实现器件的增强型工作状态。
所述背势垒层201的垂直轴线与栅极108的垂直轴线重合；所述背势垒层201的长度Lbb满足0＜Lbb＜Lsd，其中Lsd为源漏距。
所述势垒层104的厚度Tbarrier和背势垒层201的厚度Tbackbarrier满足1nm≤Tbackbarrier≤Tbarrier≤100nm。
进一步的，所述势垒层104和背势垒层201的材料可均为铝铟镓氮(AlxInyGazN)，其中，x、y、z分别指铝铟镓氮中Al、In和Ga的摩尔百分比组分含量，其中x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1；所述铝铟镓氮(AlxInyGazN)势垒层104和铝铟镓氮(AlxInyGazN)背势垒层201的极化强度Psp(AlxInyGazN)可通过下式得出：
Psp(AlxInyGazN)＝x·Psp(AlN)+y·Psp(InN)+z·Psp(GaN)
其中，Psp(AlN)、Psp(InN)、Psp(GaN)分别指AlN、InN、GaN的极化强度；调节铝铟镓氮(AlxInyGazN)势垒层104和铝铟镓氮(AlxInyGazN)背势垒层201中的各元素组分使势垒层104的极化强度小于或等于背势垒层201的极化强度，达到耗尽沟道二维电子气的目的，由此实现器件的增强型工作状态。
本发明的有益效果是：
本发明在GaN-on-Insulator(GOI)技术的基础上，于栅极正下方区域、沟道层中引入背势垒层201，使背势垒层201与势垒层104的极化作用相互抵消，起到耗尽2DEG的作用，从而实现增强型器件。本发明提供的器件工艺实现简单，相比薄势垒结构能达到更高的阈值电压和最大饱和漏电流，同时无需掺杂，避免了掺杂所带来的缺陷等影响。相比氟离子注入、凹栅结构等后工艺实现方法，本发明避免了对完成后的器件造成损伤，提高了器件可靠性。
附图说明
图1是基于现有的GOI技术的GaN MIS-HFET结构示意图。
图2是本发明提供的增强型GaN MIS-HFET结构示意图。
图3是现有的GaN MIS-HFET与本发明提供的GaN MIS-HFET的导带图对比。
图4是基于现有GOI技术的GaN MIS-HFET结构的转移特性。
图5是本发明提供的GaN MIS-HFET结构的转移特性。
图6是本发明提供的GaN MIS-HFET结构的输出特性。
其中，图中附图标记对应的零部件名称为：
101－衬底，102－氮化铝(AlN)成核缓冲层，103－氮化镓沟道，104－势垒层，105－绝缘介质层，106－源极，107－漏极，108－栅极，201－背势垒层。
具体实施方式
下面结合图2和实施例对本发明作进一步地详细说明。
实施例
最易于说明本发明的意图与优势的例子是本发明提供的图2所示的增强型GaNMIS-HFET与现有的基于GOI技术的GaN MIS-HFET(图1)的对比；上述两种不同结构器件的具体实例的结构参数由表1给出。
基于本发明提供的如图2所示的增强型GaN MIS-HFET的结构，本实施例提供的增强型GaN MIS-HFET的主要工艺步骤如下：在衬底上用MOCVD依次生长氮化铝(AlN)成核缓冲层102、铝铟镓氮(AlxInyGazN)背势垒层201；刻蚀掉铝铟镓氮(AlxInyGazN)背势垒层201的源漏端区域，只保留其栅极108正下方区域；然后在刻蚀掉的区域开始生长氮化镓(GaN)沟道层103，沟道层上依次生长势垒层(AlxInyGazN势垒层)104和绝缘介质层105；最后刻蚀掉绝缘介质层的源漏区域，在势垒层104上形成欧姆接触的源极106和漏极107，在绝缘介质层105上生长肖特基接触的栅极108。
所述铝铟镓氮(AlxInyGazN)势垒层104和铝铟镓氮(AlxInyGazN)背势垒层201的极化强度Psp(AlxInyGazN)可通过下式得出：
Psp(AlxInyGazN)＝x·Psp(AlN)+y·Psp(InN)+z·Psp(GaN)
其中，Psp(AlN)、Psp(InN)、Psp(GaN)分别指AlN、InN、GaN的极化强度；调节铝铟镓氮(AlxInyGazN)势垒层104和铝铟镓氮(AlxInyGazN)背势垒层201中的各元素组分使势垒层104中的极化强度小于或等于背势垒层201的极化强度，达到耗尽沟道二维电子气的目的，由此实现器件的增强型工作状态。
图3为本实施例提供的增强型GaN MIS-HFET与现有常规的GaN MIS-HFET的栅下沿垂直沟道方向的导带对比图，可见基于现有的GOI技术的GaN MIS-HFET的沟道导带底均在费米能级以下，表现为常开型器件；而本发明提供的增强型GaN MIS-HFET的沟道导带底在费米能级以上，说明其势垒层和复合沟道层的极化强度相抵消，能够实现常关型工作。
图4为现有的基于GOI技术的GaN MIS-HFET的转移特性曲线，该传统结构除没有背势垒层外，其余结构均与本发明的增强型GaN MIS-HFET一致，由图4可知其阈值电压为-4.5V，为耗尽型器件。图5为本发明提供的增强型GaN MIS-HIFET的转移特性，相比现有的基于GOI技术的GaN MIS-HFET，在引入氮化铝背势垒之后，阈值电压从-4.5V提高到了1.7V，实现了增强型工作状态。图6为本发明提供的具有复合沟道层的GaN MIS-HIFET的输出特性，可见最大漏电流达到570mA/mm，满足实际工程应用的需要。
表1 实施例仿真结构参数
Claims (8)
1.一种氮化镓基增强型异质结场效应晶体管，从下至上依次主要为衬底(101)，氮化铝(AlN)成核缓冲层(102)，氮化镓沟道层(103)，势垒层(104)和绝缘介质层(105)，在所述势垒层(104)上形成有源极(106)、漏极(107)，在所述绝缘介质层(105)上表面设有栅极(108)，所述源极(106)及漏极(107)均与所述势垒层(104)形成欧姆接触，所述栅极(108)与所述绝缘介质层(105)形成肖特基接触，其特征在于，在所述氮化铝(AlN)成核缓冲层(102)的上表面设有背势垒层(201)。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基增强型异质结场效应晶体管，其特征在于，所述势垒层(104)所用材料的极化强度小于或等于所述背势垒层(201)所用材料的极化强度。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基增强型异质结场效应晶体管，其特征在于，所述背势垒层(201)的垂直轴线与栅极(108)的垂直轴线重合。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的氮化镓基增强型异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的背势垒层(201)的长度Lbb满足0＜Lbb＜Lsd，其中Lsd为源漏距。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的氮化镓基增强型异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的势垒层(104)的厚度Tbarrier和背势垒(201)的厚度Tbackbarrier满足1nm≤Tbackbarrier≤Tbarrier≤100nm。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的氮化镓基增强型异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的绝缘介质层(105)所用材料包括SiO2、Al2O3、Si3N4中的至少一种。
7.根据权利要求2所述的氮化镓基增强型异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的势垒层(104)和背势垒层(201)的材料均为铝铟镓氮(AlxInyGazN)，其中，x、y、z分别指铝铟镓氮中Al、In和Ga的摩尔百分比组分含量，且x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1。
8.根据权利要求7所述的氮化镓基增强型异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的铝铟镓氮(AlxInyGazN)的极化强度Psp(AlxInyGazN)可通过下式确定：
Psp(AlxInyGazN)＝x·Psp(AlN)+y·Psp(InN)+z·Psp(GaN)
其中，Psp(AlN)、Psp(InN)、Psp(GaN)分别指AlN、InN、GaN的极化强度，其中，x、y、z分别指铝铟镓氮中Al、In和Ga的摩尔百分比组分含量，且x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1。
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