CN104409496A - 一种具有局部背势垒的氮化镓基功率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背势垒的氮化镓基功率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、铝铟镓氮局部背势垒层、氮化镓沟道层以及铝铟镓氮势垒层组成，在势垒层上形成有源极、漏极和栅极，源极及漏极与势垒层形成欧姆接触，栅极与势垒层形成肖特基接触。本发明通过引入极化强度大于氮化镓沟道层的铝铟镓氮局部背势垒层，使铝铟镓氮背势垒层和氮化镓沟道层界面电荷平衡后剩余负的极化电荷，起到耗尽部分栅漏漂移区沟道的2DEG的效果，构成LDD(low density drain)结构，从而实现调制沟道的电场分布以提升器件耐压能力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体是指一种具有局部背势垒的氮化镓(GaN)基功率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 HFET结构示意图，主要包括：衬底101，氮化铝(AlN)成核缓冲层102，氮化镓(GaN)沟道层以及铝铟镓氮(AlxInyGazN)势垒层104，铝铟镓氮(AlxInyGazN)势垒层104上形成源极105，漏极106以及栅极107，其中源极105和漏极106均与铝铟镓氮(AlxInyGazN)势垒层104形成欧姆接触，栅极107与铝铟镓氮(AlxInyGazN)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.12,2010(10),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.11,2010(9),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
本发明的目的是提供一种提高器件耐压的氮化镓基功率异质结场效应晶体管。
本发明采用如下述技术方案：一种新型氮化镓基异质结场效应晶体管，其结构如图2所示，由下至上依次主要由衬底101、氮化铝(AlN)成核缓冲层102、氮化镓(GaN)沟道层103以及铝铟镓氮(AlxInyGazN)势垒层104组成，在势垒层上形成有源极105、漏极106和栅极107，源极105及漏极106均与势垒层形成欧姆接触，栅极107与势垒层104形成肖特基接触；在铝铟镓氮势垒层104内设有铝铟镓氮(AlxInyGazN)局部背势垒层201，所述铝铟镓氮局部背势垒层201的下表面与氮化铝成核缓冲层102的上表面直接接触，且局部背势垒层201在横向上位于栅极107和漏极106之间的区域内；其中，x、y、z分别指铝铟镓氮(AlxInyGazN)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。
所引入的铝铟镓氮局部背势垒层201的极化强度大于氮化镓沟道层103的极化强度，使二者界面在电荷平衡后净剩下负的极化电荷，从而耗尽栅漏漂移区沟道部分二维电子气，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。
所述的铝铟镓氮局部背势垒层201的水平宽度LBB满足0＜LBB＜LGD，其中LGD为栅漏距。
所述的铝铟镓氮局部背势垒层201与栅极107漏边沿的距离LGB满足0≤LGB≤(LGD-LBB)，其中LGD为栅漏距。
所述的铝铟镓氮局部背势垒层201的上表面距离所述沟道层103上表面的距离TCB满足0＜TCB≤100nm。
所述铝铟镓氮(AlxInyGazN)局部背势垒层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；调节所述铝铟镓氮(AlxInyGazN)局部背势垒层201中的各元素组分使AlxInyGazN局部背势垒层201的极化强度大于氮化镓沟道层103的极化强度，使铝铟镓氮背势垒层201和氮化镓沟道层103的界面在电荷平衡后剩余负的极化电荷，起到耗尽部分栅漏漂移区沟道的2DEG的效果，构成LDD(low density drain)结构，起到类似于金属场板的作用，但并不引入额外的电容使器件的RF特性退化，从而实现调制沟道的电场分布，降低峰值电场，使栅漏漂移区的沟道电场平布更加均匀，提升器件的耐压能力。
本发明的有益效果是：
本发明通过在GaN-on-Insulator(GOI)技术的基础上，通过在氮化镓沟道层内、且在纵向上位于栅极与漏极之间的区域内引入极化强度大于氮化镓沟道层的铝铟镓氮局部背势垒层，使铝铟镓氮背势垒层和氮化镓沟道层的界面在电荷平衡后剩余负的极化电荷，起到耗尽部分栅漏漂移区沟道的2DEG的效果，构成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。本发明提供的器件工艺实现简单，相比场板结构不会退化器件的频率特性，同时无需掺杂，避免了掺杂所带来的缺陷等影响，提高了器件的可靠性。
附图说明
图1是基于现有的GOI技术的GaN HFET结构示意图。
图2是本发明提供的具有局部背势垒层的GaN HFET结构示意图。
图3是本发明提供的GaN HEMT与常规GOI结构的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GOI结构的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。
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(GaN)沟道层，104－铝铟镓氮(AlxInyGazN)势垒层，105－源极，106－漏极，107－栅极，201－铝铟镓氮(AlxInyGazN)局部背势垒层。
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
本实施例提供的具有局部背势垒层的GaN HFET结构如图2所示，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，通过选择性外延在氮化铝(AlN)成核缓冲层102的栅漏之间生长铝铟镓氮(AlxInyGazN)局部背势垒层201；然后在成核缓冲层102上方其他区域开始生长氮化镓(GaN)沟道层103，沟道层103上生长铝铟镓氮(AlxInyGazN)势垒层104；在势垒层104上形成与其成欧姆接触的源极105和漏极106以及与其成肖特基接触的栅极107。
所述的铝铟镓氮(AlxInyGazN)局部背势垒层201与栅极107漏边沿的距离为LGB。
在本发明提供的具有局部背势垒层的GaN HFET中，最易于说明本发明意图的例子是图2所示的本发明提供的局部背势垒位于缓冲层表面的GaN HFET结构与现有的基于GOI技术的GaN HFET(图1)对比；上述两个器件的具体结构参数由表1给出。
表1器件仿真结构参数
图4为现有的基于GOI技术的GaN HFET和本发明提供的局部背势垒的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4可见基于GOI技术的GaN HFET结构的击穿电压为140V，本发明提供的带复合势垒层的GaN HFET结构的击穿电压相比于传统结构提高了293％，达到550V。图4为两个结构击穿时的沟道横向电场分布图，可见本发明提供的局部背势垒的GaN HFETGaN HFET的栅漏边沿的电场峰值相对普通GaNHFET，电场分布向沟道漏区展宽，在局部背势垒处电场被拉平，使器件能承受更大的耐压，说明复合势垒层实现了调制沟道电场，提高击穿电压的作用。
Claims (5)
1.一种具有局部背势垒的氮化镓基功率异质结场效应晶体管，从下至上依次主要为衬底(101)，氮化铝成核缓冲层(102)，氮化镓沟道层(103)，铝铟镓氮势垒层(104)，在铝铟镓氮势垒层(104)上形成有源极(105)、漏极(106)和栅极(107)，源极(105)及漏极(106)均与铝铟镓氮势垒层(104)成欧姆接触，栅极(107)与铝铟镓氮势垒层(104)成肖特基接触，在铝铟镓氮势垒层(104)内设有铝铟镓氮局部背势垒层(201)，所述铝铟镓氮局部背势垒层(201)的下表面与氮化铝成核缓冲层(102)的上表面直接接触，在其特征在于，所述局部背势垒层(201)在横向上位于栅极(107)和漏极(106)之间的区域内。
2.根据权利要求1所述的具有局部背势垒的氮化镓基功率异质结场效应晶体管，其特征在于，所述铝铟镓氮局部背势垒层(201)的极化强度大于所述氮化镓沟道层(103)的极化强度。
3.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，所述的铝铟镓氮的极化强度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，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1所述的具有局部背势垒的氮化镓基功率异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的铝铟镓氮局部背势垒层(201)与栅极(107)漏边沿的距离LGB满足0≤LGB≤(LGD-LBB)，其中LGD为栅漏距。
5.根据权利要求1所述的具有局部背势垒的氮化镓基功率异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的铝铟镓氮局部背势垒层(201)上表面距离沟道层(103)上表面的距离TCB满足0＜TCB。
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