CN105047708B - AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种复合缓冲层极化调制的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构，其结构沿外延生长方向自下而上为：单晶衬底；极化调制的Alx1Ga1‑x1N缓冲层、Alx2Ga1‑x2N缓冲层；GaN沟道层；AlyGa1‑yN势垒层。优点：能够显著抬升缓冲层相对沟道势阱的背势垒高度，减小电应力下热电子由沟道进入缓冲层后被深能级受主俘获的几率，抑制电流崩塌；增强沟道二维电子气的限域性，降低缓冲层的寄生电导和漏电流，同时比常规的GaN或者Al0.05Ga0.95N缓冲层具有更高的临界击穿电场，提高器件的击穿特性。有利于提升AlGaN/GaN HEMT在射频功放和高速功率开关器件领域的功率和频率特性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构，特别是一种借助极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层来有效抑制缓冲层内深能级受主导致的电流崩塌且显著提升器件击穿特性的一种复合缓冲层极化调制的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构。
背景技术
AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管是一种基于氮化物特有的极化效应在异质结界面沟道处产生高浓度的二维电子气，并通过栅压控制沟道开关的新型半导体电子器件，具有高频、高功率和耐高温特性，广泛应用于无线通信基站、高速功率开关器件、短波长光电子器件等领域。然而，限制AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管进一步提升功率和频率特性的一个主要因素是电应力作用下沟道内电子易被势垒层表面陷阱或者缓冲层内深能级受主俘获，导致源漏电流减小，导通电阻增大、射频分散等不利现象，即“电流崩塌”。其中沟道电子在栅极附近被势垒层表面陷阱俘获，能够形成对沟道电流具有控制作用的“虚栅”，降低了有效二维电子气密度，但可通过引入表面钝化层来抑制表面陷阱活性或者引入场板结构来调制栅极附近电场对其进行有效抑制。缓冲层内的深能级受主，包括铁、碳、本征缺陷等对于减小缓冲层背景电子浓度、抑制缓冲层漏电是必要的，但在电应力作用下这些深能级易俘获从沟道内溢出进入缓冲层的热电子而造成电流控制能力降低，然而目前并没有明确技术方案解决由缓冲层深能级导致的电流崩塌。
提高AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管的击穿电压是提升其功率特性的另一种途径，因为击穿电压直接影响到器件的输出功率密度。目前主要通过以下技术提升器件的击穿电压：引入场板结构来削弱栅极靠近漏极一测的电场，即达到临界击穿电场需提供更高的源漏击穿电压，但场板结构需要较为复杂的工艺；利用更宽带隙的AlGaN代替GaN作为沟道层材料，通过提升沟道层的临界击穿电场进而提升击穿电压，但会牺牲沟道二维电子气的迁移率；采用常规Al0.05Ga0.95N缓冲层的背势垒结构，可降低缓冲层漏电和提升缓冲层的临界击穿电场，但对击穿电压的提升效果有限，同时也会降低源漏电流。
发明内容
本发明提出的是一种复合缓冲层极化调制的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构，其目的是要有效抑制AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管器件由于缓冲层内深能级受主俘获沟道中的热电子而导致的电流崩塌问题，同时在不引入场板结构和维持沟道二维电子气高迁移率基础上明显提升器件的击穿特性。
本发明的技术解决方案：一种复合缓冲层极化调制的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构，其结构是沿外延生长方向自下而上分别为，
单晶衬底1；
极化调制的Alx1Ga1-x1N缓冲层2a；
极化调制的Alx2Ga1-x2N缓冲层2b；
GaN沟道层3；
AlyGa1-yN势垒层4。
基于能带裁剪理论采用极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层代替常规的GaN或者Al0.05Ga0.95N缓冲层以显著抬升缓冲层相对沟道势阱的背势垒高度，减小电应力下沟道内的热电子进入缓冲层被深能级受主俘获的几率，即抑制由缓冲层内深能级受主导致的电流崩塌；增强沟道二维电子气的限域性，降低缓冲层的寄生电导和漏电流，同时极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层相对常规的GaN或者Al0.05Ga0.95N缓冲层具有更高的临界击穿电场，缓冲层漏电流的降低和临界击穿电场的提高能明显提升器件的击穿特性；另外采用GaN作为沟道层材料也保证了足够高的二维电子气迁移率。
本发明与现有技术相比有益效果在于：
通过采用极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层代替常规GaN缓冲层或者Al0.05Ga0.95N背势垒缓冲层以显著抬升背势垒高度和改善缓冲层能带形状，减小电应力作用下缓冲层内深能级受主俘获沟道中的热电子而导致的电流崩塌问题。同时背势垒高度的提升也利于增强沟道二维电子气的限域性，降低缓冲层的寄生电导和漏电流，再者极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层相对常规的GaN或者Al0.05Ga0.95N缓冲层具有更高的临界击穿电场，缓冲层漏电流的降低和临界击穿电场的提高能明显提升器件的击穿特性。电流崩塌的抑制和击穿电压的提高利于提升AlGaN/GaN HEMT在射频功放和高速功率开关器件领域的功率和频率特性。
附图说明
图1是本发明提供的复合缓冲层极化调制AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构示意图；
图2是常规GaN缓冲层的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构示意图；
图3是常规Al0.05Ga0.95N缓冲层的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构示意图；
图4是具体实施例中AlxGa1-xN复合缓冲层极化调制（polarized AlGaN）、常规GaN缓冲层（conventional GaN）、常规Al0.05Ga0.95N缓冲层（conventional AlGaN）的高电子迁移率场效应管结构沿外延生长方向上的能带结构示意图；
图5是具体实施例中AlxGa1-xN复合缓冲层极化调制（polarized AlGaN）、常规GaN缓冲层（conventional GaN）、常规Al0.05Ga0.95N缓冲层（conventional AlGaN）的高电子迁移率场效应管结构在栅极、漏极上加电应力前后漏极电流的退化程度，其中电应力起始时间为0.001-0.002 s示意图；
图6是具体实施例中AlxGa1-xN复合缓冲层极化调制（polarized AlGaN）、常规GaN缓冲层（conventional GaN）、常规Al0.05Ga0.95N缓冲层（conventional AlGaN）的高电子迁移率场效应管结构在关态下（栅压为-10V）栅极电流-漏极电压、漏极电流-漏极电压关系特性曲线示意图。
具体实施方式
一种复合缓冲层极化调制的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构，其结构是沿外延生长方向自下而上分别为：
单晶衬底1；
极化调制的Alx1Ga1-x1N缓冲层2a；
极化调制的Alx2Ga1-x2N缓冲层2b；
GaN沟道层3；
AlyGa1-yN势垒层4。
所述单晶衬底1可以为碳化硅、蓝宝石、氮化镓、氮化铝、氧化镓、SOI或者硅及适合氮化物外延生长的单晶材料。
所述极化调制的Alx2Ga1-x2N缓冲层2b生长在极化调制的Alx1Ga1-x1N缓冲层2a表面，两者组成极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层；
所述极化调制的Alx1Ga1-x1N缓冲层2a的X1铝组分沿外延生长方向自下而上逐渐变小或者准渐变（台阶式）变小，该层X1铝组分最大值0.18-0.30，最小值0.08-0.18；极化调制的Alx2Ga1-x2N缓冲层2b的X2铝组分沿外延生长方向自下而上也是逐渐变小或者准渐变变小，该层X2铝组分最大值0.08-0.18，最小值为0.02-0.08；同时Alx1Ga1-x1N缓冲层2a的X1铝组分最小值与Alx2Ga1-x2N缓冲层2b的X2铝组分最大值保持相等；
所述极化调制的Alx1Ga1-x1N缓冲层2a厚度为0.95-2.8μm，极化调制的Alx2Ga1-x2N缓冲层2b厚度为0.05-0.2μm，即极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层总厚度为1-3μm；
所述GaN沟道层3厚度为20-500nm。
下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明的技术方案：
如图1所示，本实施例对引入的极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层进行参数选取，以此证明其相对常规GaN缓冲层（如图2）或Al0.05Ga0.95N缓冲层（如图3）高电子迁移率场效应管结构具备上述优势；
其中1为碳化硅衬底；2a为极化调制的Alx1Ga1-x1N缓冲层，其中铝组分沿外延生长方向自下而上由0.20线性渐变至0.12，厚度为1μm；2b为极化调制的Alx2Ga1-x2N缓冲层，其中铝组分沿外延生长方向自下而上由0.12线性渐变至0.04，厚度为0.1μm；2c为GaN缓冲层，厚度为1.1μm；2d为Al0.05Ga0.95N缓冲层，厚度为1.1μm；3为GaN沟道层，厚度为100nm；4为AlGaN势垒层，其中铝组分为0.22，厚度为22nm；另外，为研究上述结构的电学特性，势垒层上方采用氮化硅作为钝化层，厚度为200nm，并引入常规电极：栅极、漏极和源级，其中栅源距离为1μm，栅漏距离为2.5μm，栅长0.5μm，栅宽1mm。
图4为AlxGa1-xN复合缓冲层极化调制、常规GaN缓冲层、常规Al0.05Ga0.95N缓冲层的高电子迁移率场效应管在外延生长方向上的能带结构。由于极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层在外延生长方向上存在自发极化强度的梯度，因而在整个缓冲层外延生长方向上形成三维分布的空间负极化电荷，经理论计算其下层极化电荷体密度2.6e16 cm-3，而上层极化电荷体密度高达2.6e17 cm-3，上层极化电荷密度很高能明显提升极复合缓冲层的背势垒高度和改善复合缓冲层的能带形状，增强了二维电子气的限域性。而常规GaN缓冲层、常规Al0.05Ga0.95N缓冲层在外延生长方向上则自发极化不存在梯度。
图5为在电应力前后，AlxGa1-xN复合缓冲层极化调制、常规GaN缓冲层、常规Al0.05Ga0.95N缓冲层的高电子迁移率场效应管因缓冲层深能级受主俘获沟道中的热电子而导致的电流崩塌程度。AlxGa1-xN复合缓冲层极化调制的高电子迁移率场效应管的电流崩塌程度仅为2.05%，而常规GaN缓冲层和常规Al0.05Ga0.95N缓冲层的高电子迁移率场效应管电流崩塌程度分别达到14.0%和6.54%。这是因为极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层背势垒高度能够明显增强二维电子气限域性和改善复合缓冲层的能带形状，致使电应力作用下沟道中经过电场加速的热电子进入缓冲层需要克服的势垒高度增加，从而被缓冲层内深能级受主俘获的几率降低，致使电流崩塌的程度降低。
图6为AlxGa1-xN复合缓冲层极化调制、常规GaN缓冲层、常规Al0.05Ga0.95N缓冲层的高电子迁移率场效应管在关态下（栅压为-10V）栅极电流-漏极电压、漏极电流-漏极电压关系特性曲线。图中可发现由栅极电流(空穴电流)的迅速增加对应漏极电流(电子电流)的迅速增加，这表明发生了由沟道层内的离子碰撞引发的雪崩击穿。由于漏极电流在数值上等于缓冲层漏电流与栅极电流之和，而极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层的缓冲层漏电流最小(图6中可观察到AlxGa1-xN复合缓冲层极化调制的高电子迁移率场效应管的漏极电流与栅极电流最为接近)且对应的缓冲层临界击穿电场最高，因此AlxGa1-xN复合缓冲层极化调制的高电子迁移率场效应管关态击穿特性得到大幅提升。
实施例
方案1，如图1，一种复合缓冲层极化调制的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构，其结构沿外延生长方向自下而上分别为：
单晶衬底1，其材料为碳化硅、蓝宝石、氮化镓、氮化铝、氧化镓、SOI或者硅等适合氮化物外延生长的单晶材料；
极化调制的Alx1Ga1-x1N缓冲层2a；
极化调制的Alx2Ga1-x2N缓冲层2b；
GaN沟道层3；
AlyGa1-yN势垒层4。
方案2，根据方案1所述的复合缓冲层极化调制的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构，所述极化调制的Alx2Ga1-x2N缓冲层2b生长在极化调制的Alx1Ga1-x1N缓冲层2a表面，两者组成极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层。基于能带裁剪通过极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层最大可能提升缓冲层相对沟道势阱的背势垒高度和改善缓冲层能带形状，以增强沟道二维电子气限域性和改善器件特性。
方案3，根据方案1所述的复合缓冲层极化调制的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构，所述极化调制的Alx1Ga1-x1N缓冲层2a和Alx2Ga1-x2N缓冲层2b组成极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层铝组分沿外延生长方向自下而上逐渐变小或者准渐变（台阶式）变小。为保证缓冲层背势垒高度显著提升的可能性，以减小电应力作用下沟道中的热电子进入缓冲层被深能级受主俘获的几率，充分抑制深能级受主导致的电流崩塌；保证二维电子气限域性的增强，以减小缓冲层的寄生电导和漏电特性；保证缓冲层临界击穿电场的有效提升，极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层铝组分最大值不应小于0.18。而过高铝组分的AlGaN外延生长难度大、晶体质量不佳，并且导热率过低致使器件自热效应明显，故极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层铝组分最大值不应大于0.30。为控制AlxGa1-xN复合缓冲层上方的GaN沟道层3应力及足够高二维电子气浓度，极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层铝组分最小值为0.02-0.08。
方案4，根据方案1所述的复合缓冲层极化调制的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构，所述极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层总厚度不应小于1μm，原因是缓冲层厚度过小会严重影响器件的击穿特性；极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层总厚度不应大于3μm，因为极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层在外延生长方向上自下而上铝组分渐变或者准渐变（台阶式）变小，即在该方向上AlxGa1-xN自发极化强度存在梯度变化故产生了三维空间分布的极化负电荷，而该空间极化电荷密度越大越能有效提升背势垒高度。AlxGa1-xN复合缓冲层的铝组分极值一定时，空间极化电荷密度与AlxGa1-xN缓冲层的厚度成反比，故为保证足够大的空间极化电荷密度，极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层厚度不应过厚。
方案5，根据方案1所述的复合缓冲层极化调制的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构，所述AlxGa1-xN复合缓冲层铝组分在外延生长方向上自下而上渐变或者准渐变（台阶式）变小，即在该竖直方向上AlxGa1-xN自发极化强度存在梯度变化而产生了三维空间分布的极化负电荷，极化负电荷密度决定着缓冲层能带向上抬升的程度及背势垒的高度，而极化负电荷密度与缓冲层厚度成反比，与铝组分变化范围成正比。本发明采用极化渐变梯度不同的两层子缓冲层：极化调制的Alx2Ga1-x2N缓冲层2b铝组分最大值0.08-0.18，最小值0.02-0.08，厚度变化范围是0.05-0.2μm；极化调制的Alx1Ga1-x1N缓冲层(2a)铝组分最大值0.18-0.30，最小值0.08-0.18，厚度变化范围是0.95-2.8μm；同时Alx1Ga1-x1N缓冲层2a的铝组分最小值与Alx2Ga1-x2N缓冲层2b的铝组分最大值保持相等，致使极化调制的Alx2Ga1-x2N缓冲层2b内的极化负电荷密度远大于极化调制的Alx1Ga1-x1N缓冲层2a内的极化负电荷密度，极化调制的Alx2Ga1-x2N缓冲层2b的能带相对沟道层能带抬升更抖、背势垒高度更高，在获得足够高的背势垒高度和临界击穿电场同时，二维电子气限域性和缓冲层能带形状得到进一步改善。
方案6，根据方案1所述的复合缓冲层极化调制的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构，其中GaN沟道层3厚度20-500nm。
Claims (3)
1.一种复合缓冲层极化调制的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构，其特征是沿外延生长方向自下而上分别为：
单晶衬底；
极化调制的Alx1Ga1-x1N缓冲层；
极化调制的Alx2Ga1-x2N缓冲层；
GaN沟道层；
AlyGa1-yN势垒层；
所述极化调制的Alx2Ga1-x2N缓冲层生长在极化调制的Alx1Ga1-x1N缓冲层上表面，两者组成极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层；
所述极化调制的Alx1Ga1-x1N缓冲层的铝组分X1沿外延生长方向自下而上逐渐变小或者准渐变台阶式变小，该层X1铝组分最大值0.18-0.30，最小值0.08-0.18；极化调制的Alx2Ga1-x2N缓冲层的X2铝组分沿外延生长方向自下而上也是逐渐变小或者准渐变台阶式变小，该层X2铝组分最大值0.08-0.18，最小值为0.02-0.08；同时Alx1Ga1-x1N缓冲层的铝组分X1最小值与Alx2Ga1-x2N缓冲层的X2铝组分最大值保持相等；
所述极化调制的Alx1Ga1-x1N缓冲层厚度为0.95-2.8μm，极化调制的Alx2Ga1-x2N缓冲层厚度为0.05-0.2μm，即极化调制的AlxGa1-xN复合缓冲层总厚度为1-3μm。
2.根据权利要求1所述的复合缓冲层极化调制的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构，其特征是所述单晶衬底为碳化硅、蓝宝石、氮化镓、氮化铝、氧化镓、SOI。
3.根据权利要求1所述的复合缓冲层极化调制的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构，其特征是所述GaN沟道层厚度为20-500nm。
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