CN105762184A - 一种具有半绝缘层的氮化镓基高电子迁移率晶体管 - Google Patents

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Abstract

一种具有半绝缘层的氮化镓基高电子迁移率晶体管，属于半导体器件领域，包括衬底上依次形成的成核层、GaN层和势垒层，以及势垒层上的源极、栅极和漏极，其中源极、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，其特征是，它还包括一层位于势垒层上、栅极和漏极之间的，并与栅极和漏极相连的半绝缘材料层。所述势垒层和半绝缘材料层之间还可有一层绝缘材料层。其中的半绝缘材料层，相当于一个电阻型场板，利用这一场板对其下面的势垒层中的电场分布产生的调制作用，降低栅漏之间电场的峰值，从而提高了栅漏之间击穿所需的电压，也即提高晶体管的击穿电压。

Description

一种具有半绝缘层的氮化镓基高电子迁移率晶体管
技术领域
一种具有半绝缘层的氮化镓基高电子迁移率晶体管，属于半导体器件领域，特别涉及氮化镓(GaN)基半导体高电子迁移率晶体管。
背景技术
GaN基半导体高电子迁移率晶体管器件因其高电子迁移率、高电子饱和速度以及高击穿电压，使其很适合高频及高输出功率应用，是射频和微波应用最具潜力的半导体器件之一。但现阶段，各种GaN基高电子迁移率晶体管因其材料物理特性、工艺等，仍有各种问题妨碍了它的实用化及大规模应用。其中一个关键的问题就是其栅极与漏极之间的实际击穿电压比理论预期的要低得多，这就限制了GaN基高电子迁移率晶体管的高压高功率应用。
现有的GaN基高电子迁移率晶体管的基本结构(以AlGaN/GaN材料为例)剖面图如图1所示。它在衬底7上依次形成AlN层6、GaN层5和AlGaN势垒层4；AlGaN层上为源极1、栅极2和漏极3，其中源、漏极与AlGaN势垒层4形成欧姆接触，栅极与势垒层形成肖特基接触。在器件工作时，栅极与漏极之间的电场分布在栅极耗尽区边缘形成一个峰值，因此，其实际的击穿电压比理论预测的低很多，限制了晶体管的最大工作电压，从而限制了器件的输出功率。
发明内容
本发明的任务是提供一种提高击穿电压的具有半绝缘层的GaN基高电子迁移率晶体管。这种GaN基高电子迁移率晶体管具有更高击穿电压的特性，使其可以获得更高的工作电压和更高的输出功率。
本发明提供的一种提高击穿电压的具有半绝缘层的GaN基高电子迁移率晶体管如图2所示，包括衬底7上依次形成的成核层6、GaN层5和势垒层4，以及势垒层4上的源极1、栅极2和漏极3，其中源极1、漏极3与势垒层4形成欧姆接触，栅极2与势垒层4形成肖特基接触，其特征是，它还包括一层位于势垒层4上、栅极2和漏极3之间，并与栅极2和漏极3相连的半绝缘材料层8。
所述成核层6可以是ALN层；所述势垒层4可以是AlGaN层。
所述ALN层的厚度为几十到几百纳米；所述GaN层的厚度为1～3微米；所述AlGaN层的厚度为20～30纳米。
本发明提供的另一种提高击穿电压的具有半绝缘层的GaN基高电子迁移率晶体管如图3所示，在前述AlGaN势垒层4和半绝缘材料层8之间还可有一层绝缘材料层9。
连接在栅极和漏极之间的半绝缘材料层8，相当于一块电阻型场板，当GaN基高电子迁移率晶体管工作时，栅极和漏极两端电压就直接加到半绝缘材料层8上，如果半绝缘材料层8的方块电阻是均匀的，则电势由漏极到栅极是渐变的，使得半绝缘材料层8中的电场是均匀的。这个渐变的电势和均匀的电场对器件栅极与漏极之间的电场产生调制，使器件中电场变得平坦且趋于均匀分布，使得电场峰值降低。因此，要达到击穿电场，就需要更大的漏栅电压，从而提高了栅漏之间击穿所需的电压，也即晶体管的击穿电压。势垒层下表面电场E随离开栅极的距离x变化的示意图如图4所示，其中曲线A、B分别为栅极到漏极增加半绝缘材料层8前、后的电场分布。
绝缘材料层9的厚度应根据调制效果及对器件性能的影响来确定。半绝缘材料层8的厚度及电阻率需要根据泄漏电流大小、对器件电场分布及器件性能的影响进行综合考虑确定。
需要说明的是：
(1)所提出的结构适用于各种GaN基半导体高电子迁移率晶体管。
(2)图2中的所述半绝缘材料层8可以是多晶硅层、非晶硅层等。为控制泄漏电流，半绝缘材料层8的方块电阻通常控制在1010欧姆数量级上下。
(3)图3中的所述绝缘材料层9可以是二氧化硅层、四氮化三硅层等。
(4)由于半绝缘材料的半绝缘特性，可以直接将半绝缘材料覆盖在整个势垒层上，这样虽然在栅极和源极之间也引入了半绝缘层，但栅极和源极之间的半绝缘层对整个器件的性能没有影响。这样做的好处是在器件的制作上更加简单，无需单独针对栅极和漏极之间的区域开窗口。
本发明提出的结构的制作方法比较简单，可以在器件的基本结构制作好的基础上，直接在栅极和漏极之间用气相淀积工艺来淀积绝缘材料层9和半绝缘材料层8即可。
本发明的主要创新点在于：在GaN基高电子迁移率晶体管的栅极和漏极之间引入半绝缘材料层来调制其下面器件中的电场分布，降低电场峰值，从而提高击穿电压。仿真结果表明，本发明所提出的晶体管比基本结构的晶体管的击穿电压有显著提高。
附图说明
图1是现有的GaN基高电子迁移率晶体管基本结构(以AlGaN/GaN材料为例)剖面示意图。
如图1所示，其主要包括衬底7、成核层6、GaN层5、势垒层4、源极1、栅极2和漏极3，其中源、漏极为欧姆接触，栅极为肖特基接触。
图2是本发明提供的提高击穿电压的GaN基高电子迁移率晶体管(以AlGaN/GaN材料为例)剖面示意图。
如图2所示，其主要包括衬底7、AlN层6、GaN层5、AlGaN势垒层4、源极1、栅极2、漏极3、半绝缘材料层8。半绝缘材料层8两端分别与栅极2和漏极3相连。
图3是本发明提供的另一种提高击穿电压的具有半绝缘层的GaN基高电子迁移率晶体管(以AlGaN/GaN材料为例)剖面示意图。
如图3所示，其主要包括衬底7、AlN层6、GaN层5、AlGaN势垒层4、源极1、栅极2、漏极3、半绝缘材料层8和绝缘材料层9。半绝缘材料层两端分别与栅极2和漏极3相连。
图4为AlGaN势垒层下表面电场E随离开栅极的距离x变化的粗略示意图，其中曲线A、B分别为栅极到漏极增加半绝缘材料层前、后的电场分布。

Claims (7)

1.一种具有半绝缘层的氮化镓基高电子迁移率晶体管，包括衬底(7)上依次形成的成核层(6)、GaN层(5)和势垒层(4)，以及势垒层(4)上的源极(1)、栅极(2)和漏极(3)，其中源极(1)、漏极(3)与势垒层(4)形成欧姆接触，栅极(2)与势垒层形成肖特基接触，其特征是，它还包括一层位于势垒层(4)上、栅极(2)和漏极(3)之间的，并与栅极(2)和漏极(3)相连的半绝缘材料层(8)。
2.根据权利要求1所述的一种具有半绝缘层的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征是，所述成核层(6)可以是ALN层；所述势垒层(4)可以是AlGaN层。
3.根据权利要求2所述的一种具有半绝缘层的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征是，所述ALN层的厚度为几十到几百纳米；所述GaN层的厚度为1～3微米；所述AlGaN层的厚度为20～30纳米。
4.根据权利要求1所述的一种具有半绝缘层的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征是，所述半绝缘材料层(8)可以是多晶硅层、非晶硅层等。
5.根据权利要求1所述的一种具有半绝缘层的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征是，所述半绝缘材料层(8)的方块电阻最好控制在1010欧姆数量级上下，以控制泄漏电流。
6.根据权利要求1所述的一种具有半绝缘层的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征是，所述势垒层(4)和半绝缘材料层(8)之间还可有一层绝缘材料层(9)。
7.根据权利要求5所述的一种具有半绝缘层的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征是，所述绝缘材料层(9)可以是二氧化硅层、四氮化三硅层等。
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