CN104167440B - 一种增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管 - Google Patents

一种增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管 Download PDF

Info

Publication number
CN104167440B
CN104167440B CN201410369694.6A CN201410369694A CN104167440B CN 104167440 B CN104167440 B CN 104167440B CN 201410369694 A CN201410369694 A CN 201410369694A CN 104167440 B CN104167440 B CN 104167440B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gan
algan
2deg
grid
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410369694.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104167440A (zh
Inventor
段宝兴
袁嵩
杨银堂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xidian University
Original Assignee
Xidian University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xidian University filed Critical Xidian University
Priority to CN201410369694.6A priority Critical patent/CN104167440B/zh
Publication of CN104167440A publication Critical patent/CN104167440A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104167440B publication Critical patent/CN104167440B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/42312—Gate electrodes for field effect devices
    • H01L29/42316—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
    • H01L29/4232—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Abstract

本发明公开了一种增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管。这种新结构是在晶体管2DEG所在的高阻GaN层的源端到栅电极部分使用P型掺杂的GaN，于是在栅压为零时，由于P型GaN与2DEG界面处势垒的阻挡作用使得电子无法到达源电极实现器件导通，器件处于关断状态；当栅极加正电压时，栅极下的2DEG浓度提高，使其能带高度下降，随着电压进一步增大，2DEG能带高度进一步下降，2DEG与P型GaN的势垒厚度也不断减小，直到在漏源电压的作用下发生遂穿，实现器件导通。

Description

一种增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种AlGaN/GaN异质结场效应晶体管。
背景技术
由于Si与GaAs为代表的前两代半导体材料的局限性，第三代宽禁带半导体材料因为其优异的性能得到了飞速发展。GaN材料作为第三代半导体材料的核心之一，相比Si，GaAs和碳化硅(SiC)特殊之处在于其所具有极化效应。利用这种特殊性能人们研制了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，AlGaN/GaN HEMTs是以AlGaN/GaN异质结材料为基础而制造的GaN基微电子器件。AlGaN/GaN异质结通过自发极化和压电极化效应在异质结界面处形成高密度二维电子气(two dimensional electron gas，2DEG)，这种二维电子气具有很高的迁移率，从而使AlGaN/GaN HEMTs具有很低的导通电阻。与传统的场效应晶体管(FET)器件相比，AlGaN/GaN HEMTs具有高跨导、高饱和电流以及高截止频率等优良特性。而且，实验证明，GaN基HEMTs在1000K的高温下仍然保持着良好的直流特性，从而为高温环境应用的系统提供了可靠高效的电子器件。
HEMT器件按照零栅压时器件的工作状态,可分为耗尽型(常开)和增强型(常关)两大类：栅压为零时已存在导电沟道的器件,称为耗尽型器件；相反，只有当施加一定的正向栅压才能形成导电沟道的器件,称为增强型器件。传统的耗尽型AlGaN/GaN HEMTs因为要使用负的开启电压，这在射频微波应用中，使电路结构显得复杂化。因此有必要开展增强型AlGaN/GaN HEMTs器件的研究，即让器件的阈值电压变为正值，实际应用中只需要加一个正的偏压即可以使其工作或夹断。这样可以消除负偏压的电路设计，使得电路简单化，减少了电路设计的复杂性和制备的成本，对于大规模微波射频电路应用来说，其意义十分重大。
目前，常见的槽栅增强型AlGaN/GaN HEMTs器件结构如图1所示，主要包括：半绝缘衬底7；位于半绝缘衬底上外延生长的缓冲层6；位于缓冲层6表面外延生长的GaN层5；位于GaN缓冲上异质外延生长的AlGaN层4，其中栅位置处有刻蚀形成的凹槽；位于AlGaN层上的源极1、栅极2、漏极3。
槽栅增强型器件在制造的过程中由于AlGaN层的厚度以及槽栅刻蚀深度的准确控制比较难，因此工艺重复性差，阈值电压的可控性较差；另外，刻蚀损伤大，导致栅漏电流大等问题。
发明内容
为了满足现阶段对增强型AlGaN/GaN HEMTs器件的需求，本发明提供了一种新型的增强型AlGaN/GaN HEMTs结构。
解决方案如下：
一种增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，包括半绝缘衬底、缓冲层、GaN层、AlGaN层、源极、栅极以及漏极；源极和漏极均通过欧姆接触与GaN层、AlGaN层相连；其特殊之处在于：
所述GaN层在靠近电极一侧有一部分区域为P型掺杂GaN，对应于自源极至部分栅极所覆盖的区域。
具体来说，P型掺杂GaN宽度的要求就是要使栅极能够覆盖到P型掺杂GaN与2DEG的界面即可。当然，厚度应当满足在无栅压情况下，器件不会开启(即漏电流低于设计者要求的值)，这与具体的器件设计要求相关。
GaN层中的P型掺杂GaN可以通过Mg或者其他可掺杂元素外延生长形成，视掺杂效果和需求而定。
基于上述解决方案，本发明还进一步作如下优化限定和改进：
上述栅极通过肖特基接触与所述AlGaN层相连。
上述半绝缘材料为硅、蓝宝石或碳化硅。
上述GaN层具有N型电阻特性或半绝缘特性。
本发明的有益效果如下：
在晶体管2DEG所在的GaN层源端到栅电极部分区域使用P型掺杂的GaN代替，P型GaN与源极为欧姆接触，P型GaN与GaN层2DEG为直接接触。在栅压为零时，由于P型GaN与2DEG界面处势垒的阻挡作用电子无法到达源电极，器件处于关断状态；当栅极加电正压时，栅极下的2DEG浓度提高，使其能带高度下降，随着电压进一步增大，2DEG能带高度进一步下降，2DEG与P型掺杂GaN的势垒厚度也不断减小，直到在漏源电压的作用下发生遂穿，实现器件导通。于是就实现了栅控常关的增强型器件。
本发明由于无需在表面做刻蚀等工艺过程，可以在保持较好界面特性的情况下实现增强型器件的制作，器件的性能与可靠性都能得到保证。
附图说明
图1为常规的一种槽栅增强型AlGaN/GaN HEMTs器件的示意图。
图2为本发明新型增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种新型增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，如图2所示，主要包括：半绝缘衬底8；位于半绝缘衬底上外延生长的缓冲层7；位于缓冲层7表面外延生长的GaN层6；位于GaN层中的P型掺杂GaN部分5；位于GaN层(包括P型掺杂GaN部分)上异质外延生长的AlGaN层4；位于AlGaN层上的源极1、栅极2、漏极3。
其中，由于P型掺杂的GaN与2DEG界面处势垒的阻挡作用，电子无法到达源电极，器件处于关断状态；当栅极加电正压时，栅极下的2DEG浓度提高，使其能带高度下降，随着电压进一步增大，2DEG侧能带高度进一步下降，2DEG与P型GaN的势垒厚度也不断减小，直到在漏源电压的作用下发生遂穿，实现器件导通。于是就实现了栅控常关的增强型器件。
其具体实施方式以Mg为例，在外延生长完成GaN层之后，在掩膜的保护下，对指定区域通入Mg源进行外延生长P型GaN，然后去掉掩膜进行所需的其他部分的GaN层的生长，之后对整个GaN层进行一定深度的刻蚀，并进行高温退火，激活Mg杂质并确保接下来外延生长的AlGaN层所需的GaN界面的尽可能的表面完整而缺陷少。然后进行常规的AlGaN层外延生长以及后续的电极、接触、钝化等步骤直至完成器件的制备。
此处的P型GaN应尽量保证与源极的欧姆接触良好，与2DEG(很薄的一层，位于AlGaN与GaN界面处)接触的界面应处于部分栅极的覆盖范围内，以保证栅极电压能准确控制到界面处电子的浓度，保证隧穿效应能正常发生。
此处的Mg源可选范围很多，如二茂镁、氮化镁等等，而掺杂元素除Mg之外还可以选择Zn、V、Si、Li等等均可通过一定的手段实现P型GaN的掺杂。
本发明的AlGaN/GaN HEMT器件各外延层生长顺序不定，可根据实际情况调整。例如，也可以自下而上依次为半绝缘衬底、缓冲层、AlGaN层、GaN层，即源极、栅极以及漏极设置于GaN层(包括P型掺杂GaN部分)上。
以上所述的是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通人员来说，基于本发明的原理，还可以进行若干改进和完善，这些改进和完善的产物也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，包括半绝缘衬底、缓冲层、GaN层、AlGaN层、源极、栅极以及漏极，AlGaN与GaN界面处形成很薄的2DEG；源极和漏极均通过欧姆接触与GaN层、AlGaN层相连；其特征在于：
所述GaN层在靠近电极一侧有一部分区域为P型掺杂GaN，对应于自源极至部分栅极所覆盖的区域，P型掺杂GaN与2DEG为直接接触，满足在栅压为零时P型掺杂GaN与2DEG界面处势垒的阻挡作用使器件关断，在栅极加电正压时遂穿导通。
2.如权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，其特征在于：所述栅极通过肖特基接触与所述AlGaN层相连。
3.如权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，其特征在于：所述半绝缘衬底的材料为硅或碳化硅，或所述半绝缘衬底替换为蓝宝石衬底。
4.如权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，其特征在于：所述GaN层具有N型电阻特性或半绝缘特性。
CN201410369694.6A 2014-07-30 2014-07-30 一种增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管 Active CN104167440B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410369694.6A CN104167440B (zh) 2014-07-30 2014-07-30 一种增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410369694.6A CN104167440B (zh) 2014-07-30 2014-07-30 一种增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104167440A CN104167440A (zh) 2014-11-26
CN104167440B true CN104167440B (zh) 2017-08-25

Family

ID=51911183

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410369694.6A Active CN104167440B (zh) 2014-07-30 2014-07-30 一种增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104167440B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105448976A (zh) * 2015-12-25 2016-03-30 深圳市华讯方舟微电子科技有限公司 一种增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制造方法
CN107154427B (zh) * 2016-03-03 2019-12-13 北京大学 一种减小GaN功率开关器件电流坍塌的器件结构
CN109817711B (zh) * 2019-01-28 2020-06-26 西安电子科技大学 具有AlGaN/GaN异质结的氮化镓横向晶体管及其制作方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102856374A (zh) * 2012-10-10 2013-01-02 中山大学 一种GaN增强型MIS-HFET器件及其制备方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8963162B2 (en) * 2011-12-28 2015-02-24 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. High electron mobility transistor
FR2998709B1 (fr) * 2012-11-26 2015-01-16 Commissariat Energie Atomique Procede de fabrication d'un transistor a heterojonction de type normalement bloque

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102856374A (zh) * 2012-10-10 2013-01-02 中山大学 一种GaN增强型MIS-HFET器件及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN104167440A (zh) 2014-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9685525B2 (en) Sidewall passivation for HEMT devices
US8933461B2 (en) III-nitride enhancement mode transistors with tunable and high gate-source voltage rating
KR101562879B1 (ko) 반도체 장치
US9087704B2 (en) Semiconductor devices and methods of manufacturing the semiconductor device
US8378389B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing same
US7821035B2 (en) ED inverter circuit and integrate circuit element including the same
US20140264379A1 (en) III-Nitride P-Channel Field Effect Transistor with Hole Carriers in the Channel
Kambayashi et al. Normally off n-channel GaN MOSFETs on Si substrates using an SAG technique and ion implantation
WO2012003609A1 (en) Normally-off iii-nitride metal-2deg tunnel junction field-effect transistors
CN104201202B (zh) 一种具有复合势垒层的氮化镓基异质结场效应管
CN108155232B (zh) 高电子迁移率晶体管器件
CN104167445B (zh) 具有埋栅结构的氮化镓基增强耗尽型异质结场效应晶体管
KR20110067409A (ko) 인헨스먼트 노말리 오프 질화물 반도체 소자 및 그 제조방법
CN104269433B (zh) 具有复合沟道层的氮化镓基增强型异质结场效应晶体管
KR20150016868A (ko) 반도체 장치 및 그 제조 방법
Mahaboob et al. Dynamic control of AlGaN/GaN HEMT characteristics by implementation of a p-GaN body-diode-based back-gate
CN104167440B (zh) 一种增强型AlGaN/GaN异质结场效应晶体管
KR101172857B1 (ko) 인헨스먼트 노멀리 오프 질화물 반도체 소자 및 그 제조방법
KR101180068B1 (ko) ＡｌＧａＮ계 ＨＦＥＴ
Hamady et al. P-doped region below the AlGaN/GaN interface for normally-off HEMT
KR101200274B1 (ko) 인헨스먼트 노멀리 오프 버티컬 질화물 반도체 소자 및 그 제조방법
Bouguenna et al. Comparative study on performance of cubic AlxGa1− xN/GaN nanostructures MODFETs and MOS-MODFETs
CN108346687B (zh) 一种氮化镓基高电子迁移率晶体管
CN105448976A (zh) 一种增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制造方法
CN104167441B (zh) 一种增强型MIS结构AlGaN/GaN异质结场效应晶体管

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant