CN104992964A - 具有PN结的GaN外延结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有PN结的GaN外延结构。该外延结构包括衬底；形成在衬底上的成核层；形成在成核层上的P型GaN半导体层；形成在P型GaN半导体层上的N型GaN半导体层，N型GaN半导体层与P型GaN半导体层形成PN结；形成在N型GaN半导体层上的GaN器件，GaN器件最底层的材料与N型GaN半导体层的材料相同；P型GaN半导体层和N型GaN半导体层的掺杂浓度等于或略高于本征载流子浓度，GaN器件最底层的掺杂浓度高于N型GaN半导体层的掺杂浓度，P型GaN半导体层的载流子被N型GaN半导体层和GaN器件最底层完全耗尽。本发明能够利用远离沟道的PN结降低来自衬底的漏电流。

Description

具有PN结的GaN外延结构
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种具有PN结的GaN外延结构。
背景技术
GaN(氮化镓)作为第三代半导体的典型代表，具有高功率、高效率、高工作温度等特点，进入21世纪以来，一直是人们研究的重点和热点，目前已广泛地应用于电力电子、微波通信等各个领域。
在微波通信领域，GaN器件可以作为微波功率放大器，具有较高的操作电压，如果能够降低来自衬底和缓冲层的泄露电流，就能够进一步提高微波功率放大器的效率，提高器件可靠性。在电力电子领域，GaN器件主要用于电力设备的电能变换与控制电路中,是电路设计极为重要的组成部分，在电力电子领域中，如果能够有效地降低来自衬底和缓冲层的泄露电流，就能够有效地降低电能损耗，提高器件可靠性。
为了能够降低来自衬底和缓冲层的泄露电流，目前普遍采用降低表面电场技术(即RESURF技术)，RESURF技术就是采用较厚的P型半导体材料或者局部的P型掺杂人为地设置一个低掺杂区，使得平面PN结表面附近处的电场得以分布均匀、并减弱，然而，低掺杂区由于离沟道较近，对沟道电场有调制作用。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种具有PN结的GaN外延结构，能够利用远离沟道的PN结降低来自衬底的漏电流。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种具有PN结的GaN外延结构，包括：衬底；成核层，所述成核层形成在所述衬底上；P型GaN半导体层，所述P型GaN半导体层形成在所述成核层上；N型GaN半导体层，所述N型GaN半导体层形成在所述P型GaN半导体层上，并与所述P型GaN半导体层形成PN结；GaN器件，所述GaN器件形成在所述N型GaN半导体层上，所述GaN器件最底层的材料与所述N型GaN半导体层的材料相同；其中，所述P型GaN半导体层和所述N型GaN半导体层的掺杂浓度等于或略高于GaN半导体的本征载流子浓度，所述GaN器件最底层的掺杂浓度高于所述N型GaN半导体层的掺杂浓度，所述P型GaN半导体层的载流子被所述N型GaN半导体层以及所述GaN器件最底层完全耗尽。
优选地，所述GaN器件为高电子迁移率晶体管HEMT、金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或金属-半导体场效应晶体管MESFET。
优选地，所述HEMT包括由下自上层叠的N型GaN沟道层和AlGaN肖特基势垒层，所述N型GaN沟道层和所述AlGaN肖特基势垒层之间形成二维电子气，所述AlGaN肖特基势垒层上形成有栅极、源极和漏极，所述N型GaN沟道层作为所述GaN器件最底层。
优选地，所述P型GaN半导体层的材料为P型GaN或P型AlGaN，所述N型GaN半导体层的材料为N型GaN或N型AlGaN。
优选地，所述P型GaN半导体层的厚度为50～200纳米，掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3，所述P型GaN半导体层的材料的化学式为AlXGa1-XN，其中，0≤X≤1。
优选地，所述N型GaN半导体层的厚度为50～200纳米，掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3，所述N型GaN半导体层的材料的化学式为AlYGa1-YN，其中，0≤Y≤1。
优选地，所述衬底的厚度为50～1000微米，所述衬底的材料包括Si、SiC、GaN、蓝宝石或Diamond。
优选地，所述成核层的厚度为50～1000纳米，所述成核层的材料的化学式为AlZGa1-ZN，其中0≤Z≤1。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：
1.利用等于或略高于GaN半导体的本征载流子浓度的掺杂浓度的P型GaN半导体层和N型GaN半导体层形成PN结，通过PN结的耗尽区，降低来自衬底的漏电流，从而能够利用远离沟道的PN结降低来自衬底的漏电流；
2.由于P型GaN半导体层的存在，可以减小背栅效应；
3.由于GaN器件最底层的掺杂浓度高于N型GaN半导体层的掺杂浓度，有益于提高GaN器件的击穿等特性。
4.PN结的存在能有效提高栅极到漏极的等效电阻，提高器件增益。
附图说明
图1是本发明一实施例具有PN结的GaN外延结构的截面示意图。
图2是本发明另一实施例具有PN结的GaN外延结构的截面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，是本发明一实施例具有PN结的GaN外延结构的截面示意图。本实施例的具有PN结的GaN外延结构包括衬底10、成核层20、P型GaN半导体层30、N型GaN半导体层40和GaN器件50。
成核层20形成在衬底10上，P型GaN半导体层30形成在成核层20上，N型GaN半导体层40形成在P型GaN半导体层30上，并与P型GaN半导体层30形成PN结60。GaN器件50形成在N型GaN半导体层40上，GaN器件50最底层的材料与N型GaN半导体层40的材料相同。
其中，P型GaN半导体层30和N型GaN半导体层40的掺杂浓度等于或略高于GaN半导体的本征载流子浓度，GaN器件50最底层的掺杂浓度高于N型GaN半导体层40的掺杂浓度，P型GaN半导体层30的载流子被N型GaN半导体层40以及GaN器件50最底层完全耗尽。也就是说，P型GaN半导体层30和N型GaN半导体层40的掺杂浓度为轻掺杂。由于P型GaN半导体层30的载流子被完全耗尽，PN结60将形成自然耗尽区，由于自然耗尽区没有载流子，可以有效地屏蔽来自衬底10、成核层20的漏电流，有效地减少漏电流的形成，PN结60的机理与PN限幅器类似。
在本实施例中，P型GaN半导体层30的材料为P型GaN或P型AlGaN，N型GaN半导体层40的材料为N型GaN或N型AlGaN。具体而言，P型GaN半导体层30的厚度为50～200纳米，掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3，P型GaN半导体层30的材料的化学式为AlXGa1-XN，其中，0≤X≤1。N型GaN半导体层40的厚度为50～200纳米，掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3，N型GaN半导体层40的材料的化学式为AlYGa1-YN，其中，0≤Y≤1。在本实施例中，P型GaN半导体层30和N型GaN半导体层40的材料中，Al组分的含量相同。
衬底10的厚度为50～1000微米，衬底10的材料包括Si、SiC、GaN、蓝宝石或Diamond。衬底10的主要作用是进行支撑。
成核层20的厚度为50～1000纳米，成核层20的材料的化学式为AlZGa1-ZN，其中0≤Z≤1。成核层20的主要作用封闭来自衬底10的缺陷，减小衬底10对器件的影响。
本实施例的GaN器件50可以是HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)或MESFET(Metal-Semiconductor FET，金属-半导体场效应晶体管)。例如，参见图2，是本发明另一实施例具有PN结的GaN外延结构的截面示意图。本实施例的GaN外延结构中，GaN器件50为HEMT，该HEMT包括由下自上层叠的N型GaN沟道层51和AlGaN肖特基势垒层52，N型GaN沟道层51和AlGaN肖特基势垒层52之间形成二维电子气53，AlGaN肖特基势垒层52上形成有栅极G、源极S和漏极D，N型GaN沟道层51作为GaN器件50最底层。N型GaN沟道层51与N型GaN半导体层40接触，且N型GaN沟道层51的材料与N型GaN半导体层40的材料相同，但掺杂浓度高于N型GaN半导体层40的掺杂浓度。由于PN结60的存在，可显著增大栅极G到漏极D的等效电阻，从而增加器件增益。
通过上述方式，本发明实施例的具有PN结的GaN外延结构利用轻掺杂浓度的P型GaN半导体层和N型GaN半导体层形成远离沟道的PN结，利用PN结的耗尽区降低来自衬底和成核层的漏电流，从而能够利用远离沟道的PN结降低来自衬底的漏电流，可以减小背栅效应，提高GaN器件的击穿等特性以及增加器件增益。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种具有PN结的GaN外延结构，其特征在于，包括：
衬底；
成核层，所述成核层形成在所述衬底上；
P型GaN半导体层，所述P型GaN半导体层形成在所述成核层上；
N型GaN半导体层，所述N型GaN半导体层形成在所述P型GaN半导体层上，并与所述P型GaN半导体层形成PN结；
GaN器件，所述GaN器件形成在所述N型GaN半导体层上，所述GaN器件最底层的材料与所述N型GaN半导体层的材料相同；
其中，所述P型GaN半导体层和所述N型GaN半导体层的掺杂浓度等于或略高于GaN半导体的本征载流子浓度，所述GaN器件最底层的掺杂浓度高于所述N型GaN半导体层的掺杂浓度，所述P型GaN半导体层的载流子被所述N型GaN半导体层以及所述GaN器件最底层完全耗尽。
2.根据权利要求1所述的具有PN结的GaN外延结构，其特征在于，所述GaN器件为高电子迁移率晶体管HEMT、金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或金属-半导体场效应晶体管MESFET。
3.根据权利要求2所述的具有PN结的GaN外延结构，其特征在于，所述HEMT包括由下自上层叠的N型GaN沟道层和AlGaN肖特基势垒层，所述N型GaN沟道层和所述AlGaN肖特基势垒层之间形成二维电子气，所述AlGaN肖特基势垒层上形成有栅极、源极和漏极，所述N型GaN沟道层作为所述GaN器件最底层。
4.根据权利要求1至3任一项所述的具有PN结的GaN外延结构，其特征在于，所述P型GaN半导体层的材料为P型GaN或P型AlGaN，所述N型GaN半导体层的材料为N型GaN或N型AlGaN。
5.根据权利要求4所述的具有PN结的GaN外延结构，其特征在于，所述P型GaN半导体层的厚度为50～200纳米，掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3，所述P型GaN半导体层的材料的化学式为AlXGa1-XN，其中，0≤X≤1。
6.根据权利要求4所述的具有PN结的GaN外延结构，其特征在于，所述N型GaN半导体层的厚度为50～200纳米，掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3，所述N型GaN半导体层的材料的化学式为AlYGa1-YN，其中，0≤Y≤1。
7.根据权利要求1至3任一项所述的具有PN结的GaN外延结构，其特征在于，所述衬底的厚度为50～1000微米，所述衬底的材料包括Si、SiC、GaN、蓝宝石或Diamond。
8.根据权利要求1至3任一项所述的具有PN结的GaN外延结构，其特征在于，所述成核层的厚度为50～1000纳米，所述成核层的材料的化学式为AlZGa1-ZN，其中0≤Z≤1。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108364997A (zh) * 2017-12-27 2018-08-03 海迪科（南通）光电科技有限公司 一种GaN基HEMT器件外延结构

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005122256A2 (en) * 2004-06-03 2005-12-22 Genesic Semiconductor Inc. Voltage booster transistor
US20090065785A1 (en) * 2007-09-06 2009-03-12 Robert Beach III-nitride power semiconductor device
CN103579326A (zh) * 2012-08-03 2014-02-12 电子科技大学 一种具有纵向复合缓冲层的氮化镓基高电子迁移率晶体管

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005122256A2 (en) * 2004-06-03 2005-12-22 Genesic Semiconductor Inc. Voltage booster transistor
US20090065785A1 (en) * 2007-09-06 2009-03-12 Robert Beach III-nitride power semiconductor device
CN103579326A (zh) * 2012-08-03 2014-02-12 电子科技大学 一种具有纵向复合缓冲层的氮化镓基高电子迁移率晶体管

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
尹江龙: ""功率AlGaN/GaN HEMT缓冲层设计和耐压新结构"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108364997A (zh) * 2017-12-27 2018-08-03 海迪科（南通）光电科技有限公司 一种GaN基HEMT器件外延结构

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