CN104167444A - 一种具有局部帽层的氮化镓基异质结场效应晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有局部帽层的氮化镓基异质结场效应晶体管，从下至上依次主要由衬底，氮化镓缓冲层，氮化镓沟道层以及势垒层，在势垒层上形成源极、漏极以及栅极，在势垒层上侧栅漏端有局部帽层。本发明通过在栅漏间引入局部帽层，使势垒层和局部帽层之间净剩下负的极化电荷，由此耗尽部分沟道漏端二维电子气，形成LDD(low density drain)结构，从而实现调制沟道的电场分布以提升耐压能力。

Description

一种具有局部帽层的氮化镓基异质结场效应晶体管
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种具有局部帽层结构的氮化镓基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、大功率和高温应用，是电力电子应用最具潜力的晶体管之一。
图1为基于现有技术的传统GaN HFET结构示意图，主要包括：衬底101，氮化镓(GaN)缓冲层102，氮化镓(GaN)沟道层103，铝镓氮(AlGaN)势垒层104以及铝镓氮(AlGaN)势垒层104上设置的源极105、漏极106和栅极107，其中源极106和漏极107均与铝镓氮(AlGaN)势垒层104形成欧姆接触，栅极108与铝镓氮(AlGaN)势垒层104形成肖特基接触。但是对于上述传统的GaN HFET而言，当器件承受耐压时，由于栅极和漏极之间沟道二维电子气不能够完全耗尽，使得沟道电场主要集中在栅极边缘，导致器件在较低的漏极电压下便被击穿；同时，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同样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GaN HFET在高压方面的应用。
在本发明提出以前，为了使栅极与漏极之间电场分布更加均匀，抑制缓冲层泄漏电流，提高器件击穿电压，通常使用以下方法：
(1)使用表面场板技术[D.Vislalli et al.,“Limitations of Field Plate Effect Due to the SiliconSubstrate in AlGaN/GaN/AlGaN DHFETs”,IEEE Trans.Electron Devices,Vol.57,No.12,p.3333-3339(3060)]。场板结构可以有效地耗尽其下的沟道二维电子气，扩展栅极与漏极之间的二维电子耗尽区域，使栅漏之间的电场分布更加均匀，从而达到提高击穿电压的目的。但场板结构依然无法完全耗尽栅极与漏极之间的沟道二维电子气，同时无法抑制缓冲层泄漏电流，不能充分发挥GaN材料的耐压优势，同时场板结构也会退化器件的频率特性。
(2)在缓冲层内掺入碳、铁等杂质[Eldad Bahat-Treidel et al.，“AlGaN/GaN/GaN:CBack-Barrier HFETs WithBreakdown Voltage of Over 1kV and LowRON×A”,Trans.on ElectronDevices,Vol.57,No.11,p.3050-3058(3060)]。碳、铁等杂质会在GaN缓冲层内引入深能级电子陷阱，俘获从源极注入的电子，增大缓冲层电阻，同时被电子占据的陷阱有助于耗尽沟道中二维电子气，使器件沟道电场分布更加均匀。但是该技术不能完全耗尽沟道中的二维电子气，无法充分发挥GaN材料的耐压优势，同时碳、铁等杂质引入的深能级陷阱会导致诸如导通电阻增大、输出电流下降、电流崩塌效应和反应速度下降等负面影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有耐压能力的氮化镓基异质结场效应管。
本发明采用如下述技术方案：一种具有局部帽层的氮化镓基异质结场效应管，从下至上依次主要由衬底101、氮化镓(GaN)缓冲层102、氮化镓(GaN)沟道层103以及势垒层104组成，在势垒104层上表面设有源极106、漏极107和栅极108，源极106和漏极107均与势垒层104成欧姆接触，栅极108与势垒层104成肖特基接触；在势垒层104的上表面、并于源极106与栅极107之间设有局部帽层201，其中局部帽层201所用材料的极化强度小于势垒层104所用材料的极化强度；通过在栅极漏端引入局部帽层104，使势垒层和局部帽层之间净剩负的极化电荷，由此耗尽部分沟道漏端二维电子气，形成LDD(low density drain)结构，从而实现调制沟道的电场分布以提升器件的耐压能力。
所述局部帽层201距漏极106的水平距离LDC满足0≤LDC<LGD，其中LGD为栅漏距。
所述局部帽层201距栅极107的水平距离LGC满足0≤LGC<LGD，其中LGD为栅漏距。
所述局部帽层201的横向宽度LCAP满足0<LCAP<LGD，其中LGD为栅漏距。
所述局部帽层201的纵向高度TCAP满足0<TCAP≤TBARRIER，其中TBARRIER为势垒层104的纵向高度。
为达到进一步耗尽部分漏端的沟道的目的，所述的局部帽层201还可进行P型掺杂，P型掺杂浓度NP满足1015cm-3≤NP≤1020cm-3。
进一步的，所述势垒层104和局部帽层201的材料可均为铝铟镓氮(AlxInyGazN)，其中x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1；铝铟镓氮(AlxInyGazN)的极化强度可由下式确定：
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；调节势垒层104和局部帽层201中铝铟镓氮(AlxInyGazN)各元素组分，确保局部帽层201中的铝铟镓氮(AlxInyGazN)的极化强度小于势垒层104中铝铟镓氮(AlxInyGazN)的极化强度，从而使局部帽层201上表面的极化电荷被钝化层屏蔽掉，而局部帽层201和势垒层104的界面间净剩下的极化电荷起到耗尽部分漏端沟道的作用。
本发明的有益效果是：
本发明在GaN HEMT势垒上单独生长一层局部帽层，通过耗尽部分漏端沟道的二维电子气形成LDD结构，达到通过调制沟道的电场来提升器件耐压的目的。本发明实现工艺简单，能做到在不牺牲器件可靠性的基础上提高耐压能力。
附图说明
图1是已有技术中常规GaN HEMT的结构示意图。
图2是本发明提供的具有局部帽层的GaN HEMT结构示意图。
图3是本发明提供的GaN HEMT与常规结构GaN HEMT在器件栅极处于关态情况下漏极电流与漏极偏压的关系比较图。
图4是本发明提供的GaN HEMT与常规结构GaN HEMT在器件栅极处于关态情况下沿沟道的电场分布的比较图。
图中标记对应的零部件名称为：
101-衬底，102-氮化镓(GaN)缓冲层，103-氮化镓(GaN)沟道层，104-势垒层，105-源极，106-漏极，107-栅极，201-局部帽层。
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。
实施例
最易于说明本发明意图和优点的例子是本发明提供的图2所示结构的GaN HEMT与常规结构GaN HEMT(图1)的性能对比；上述两个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GaN HEMT结构，本实施例提供的GaN HEMT的主要的工艺步骤如下：首先，在衬底上用MOCVD依次生长氮化镓(GaN)缓冲层102，氮化镓(GaN)沟道层103和铝铟镓氮(AlxInyGazN)势垒层104；接着，在势垒层104上表面、且于源极106与漏极107之间生长局部帽层201；最后，在势垒层104上表面形成与其成欧姆接触的源极106和漏极107，以及与势垒层104成肖特基接触的栅极108。
所述的势垒层104和局部帽层201的材料均为AlxInyGazN，其中x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1。铝铟镓氮(AlxInyGazN)的极化强度由下式确定：
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；调节势垒层104和局部帽层201中AlxInyGazN各元素组分，确保局部帽层中的AlxInyGazN的极化强度小于势垒层104中AlxInyGazN的极化强度，局部帽层上表面的极化电荷被钝化层屏蔽掉，而局部帽层和势垒层的界面间净剩下的极化电荷，起到耗尽部分漏端沟道的作用。
图3为现有的传统GaN HFET和本发明提供的带局部帽层的GaN HFET的击穿特性对比，击穿电压定义为电流达到1mA/mm时的源漏电压。由图3可见传统的GaN HFET结构的击穿电压为535V，本发明提供的带局部帽层的GaN HFET结构的击穿电压相比于传统结构提高了124％，达到1200V。图4为两个结构击穿时的沟道横向电场分布图，可见本发明提供的带局部层的GaN HFET的栅漏边沿的电场峰值相对普通GaN HFET明显下降，同时帽层边沿产生第二个电场峰值，使沟道电场更加均匀，说明局部帽层实现了调制沟道电场，提高击穿电压的作用。
表1器件仿真结构参数

Claims (9)

1.一种具有局部帽层的氮化镓基异质结场效应晶体管，其结构由下至上依次有衬底(101)，氮化镓(GaN)缓冲层(102)，氮化镓(GaN)沟道层(103)以及势垒层(104)，在势垒层(104)上形成有源极(105)、漏极(106)和栅极(107)，所述源极(105)和漏极(106)与所述势垒层(104)成欧姆接触，所述栅极(107)与所述势垒层(104)成肖特基接触，其特征在于，在所述势垒层(104)的上表面、且于栅极(107)与漏极(106)之间设有局部帽层(201)。
2.根据权利要求1所述的具有局部帽层的氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于，局部帽层(201)所用材料的极化强度小于势垒层(104)所用材料的极化强度。
3.根据权利要求2所述的具有局部帽层的氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的势垒层(104)和局部帽层(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。
4.根据权利要求3所述的具有局部帽层的氮化镓基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。
5.根据权利要求1所述的具有局部帽层的氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的局部帽层(201)的厚度TCAP满足0<TCAP≤TBARRIER，其中TBARRIER为势垒层的厚度。
6.根据权利要求1所述的具有局部帽层的氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于：所述的局部帽层(201)距栅极的距离LGC满足0≤LGC<LGD，其中LGD为栅漏距。
7.根据权利要求6所述的具有局部帽层的氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于，所述局部帽层(201)距漏极(106)的水平距离LDC满足0≤LDC<LGD，其中LGD为栅漏距。
8.根据权利要求7所述的具有局部帽层的氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的局部帽层(201)的水平宽度LCAP满足0<LCAP<LGD，其中LGD为栅漏距。
9.根据权利要求4至8任意一项所述的具有局部帽层的氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的局部帽层(201)可进行P型掺杂，P型掺杂浓度NP满足1015cm-3≤NP≤1020cm-3。
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