CN106206711A - 一种P型埋层AlGaN‑GaN高电子迁移率晶体管 - Google Patents
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Abstract
一种P型埋层AlGaN‑GaN高电子迁移率晶体管，包括：Si基衬底，在Si基衬底上形成AlN成核层，在AlN成核层上形成本征GaN层，在本征GaN层上形成AlGaN掺杂层，在AlGaN掺杂层上表面形成栅氧化层，在栅氧化层上表面形成栅极，在AlGaN掺杂层和栅极上覆盖钝化层，在栅极一侧形成源极，在栅极另一侧形成漏极，所述源极和漏极始于本征GaN层的上部、贯穿AlGaN掺杂层并止于钝化层内，其特征在于，在AlN成核层中形成有P型AlGaN掺杂区埋层，所述P型AlGaN掺杂区埋层上表面与本征GaN层下表面相接触，P型AlGaN掺杂区埋层的一个边界位于栅极下方，另一个边界位于栅极和漏极之间区域的下方。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种宽禁带材料功率半导体器件，特别是涉及一种应用于电力开关领域的AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管。
背景技术
GaN材料具有良好的电学特性，如宽的禁带宽度、高击穿电场、高热导率、耐腐蚀等，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料，是制作高频、高压、高温、大功率电子器件和短波长、大功率光电子器件的理想材料。
AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管由于自发极化效应，在AlGaN-GaN界面的GaN层中出现了浓度很高的二维电子气(2DEG)，因此AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管具有电子漂移速度快的优势。由于AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管还具有击穿电压高和抗辐射能力强等优势，其在高频高温大功率领域具有十分广泛的应用前景。沟道处2DEG的高迁移率使得它具有超高功率密度和低功耗特性。在此之前，对于AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管的研究一直集中在微波器件领域，耐压多在200V以下。近几年随着大尺寸Si基GaN器件制造成为可能之后，AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管在功率器件领域的研究又成为了一个热点。
当漏极电压很高时，电子会在栅漏之间强电场的作用下注入AlN成核层，并被AlN成核层中的缺陷捕获，从而造成2DEG浓度降低，输出电流减小，这种效应被称为强场电流崩塌效应。强场电流崩塌效应一直是阻碍AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管发展的一个重要原因。所以为了减小器件的强场电流崩塌效应，主要应该从两方面着手，一方面是减少注入AlN成核层中的电子数目，另一方面就是减小AlN成核层缺陷的密度。对于AlN成核层中的缺陷，其主要是材料生长过程中引入的，要减少该缺陷需要从工艺角度出发，提高材料的生长质量。从器件结构的设计角度出发，只能尽量减少注入AlN成核层中的电子数量，从而在一定程度上抑制电流崩塌效应。为了减少注入AlN成核层中的电子数目，可以通过提高GaN沟道层和AlN成核层的势垒高度，来提高电子注入AlN成核层需要的电子能量。现有的提高AlN成核层势垒高度的方法，如提高AlN成核层的Al组份，可以有效抑制电流崩塌效应，但是同时这种方法会降低器件的2DEG浓度，使得器件的电流能力下降。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种P型埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，该器件结构在保持电流能力不变的基础上，能够有效提高栅极边缘AlN成核层势垒高度，抑制电流崩塌效应。
本发明采用如下技术方案：一种P型埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，包括：Si基衬底，在Si基衬底上形成有AlN成核层，在AlN成核层上形成有本征GaN层，在本征GaN层上形成有AlGaN掺杂层，在所述AlGaN掺杂层的上表面形成栅氧化层，在栅氧化层上表面形成栅极，在AlGaN掺杂层和栅极上覆盖有钝化层，在栅极一侧形成有源极，所述源极始于本征GaN层的上部、贯穿AlGaN掺杂层并止于钝化层内，在栅极另一侧形成有漏极，所述漏极始于本征GaN层的上部、贯穿AlGaN掺杂层并止于钝化层内，其特征在于，在AlN成核层中形成有P型AlGaN掺杂区埋层，所述P型AlGaN掺杂区埋层上表面与本征GaN层的下表面相接触，P型AlGaN掺杂区埋层的一个边界位于栅极下方，P型AlGaN掺杂区埋层的另一个边界位于栅极和漏极之间区域的下方。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明器件在AlN成核层中采用P型AlGaN掺杂区埋层10的结构，在抑制电流崩塌效应的同时，所述P型AlGaN掺杂区埋层10可维持器件正常工作时的电流能力不变。本发明所述P型AlGaN掺杂区埋层10在解决上述技术问题的过程中起着如下两个作用：
本发明器件在AlN成核层中采用P型AlGaN掺杂区埋层的结构，可以有效提高AlN成核层的势垒高度，减小注入的电子数目，抑制电流崩塌效应。AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管结构中靠近漏侧栅极边缘的电离缺陷浓度最高，也就是说此处注入的电子数量最高，在此处加入P型AlGaN掺杂区埋层，可以有效提高AlN成核层的势垒高度，从而减小注入的电子数目，抑制电流崩塌效应。图3为本发明器件与常规器件沿着器件结构纵向的导带能量分布图，可以发现本发明器件使得AlN成核层导带能量从0.57eV提高到1.02eV，抑制了电流崩塌效应。
进而，本发明器件的好处还在于，本发明能够在抑制电流崩塌效应的基础上，保持本发明器件的电流能力基本不变。常用在GaN沟道层下方插入高组分AlGaN缓冲层的方法来抑制电流崩塌效应，但是AlGaN缓冲层会削弱AlGaN掺杂层和本征GaN层的极化作用，导致本征GaN层中的2DEG浓度降低，使得器件正常工作时的电流能力下降。而本发明器件采用在AlN成核层中形成P型AlGaN掺杂区埋层的方法来抑制电流崩塌效应，P型AlGaN掺杂区埋层的加入不会影响AlGaN掺杂层和本征GaN层的极化作用，即本征GaN层中的2DEG浓度不变，本发明器件可以维持器件正常工作时的电流能力不变。图4为本发明器件本征GaN层中横向的2DEG浓度分布图，横轴上P型AlGaN掺杂区埋层对应位置2DEG的浓度并没有发生变化，这表明P型AlGaN掺杂区埋层的加入不会影响器件的电流能力。
附图说明
图1是常规的AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管的结构剖面图。
图2是本发明的P型埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管的结构剖面图。
图3是本发明器件与常规器件的沿器件结构纵向的导带能量分布图。可以看出本发明器件使得AlN成核层导带能量提高，抑制了电流崩塌效应。
图4是本发明器件的沿器件本征GaN层横向2DEG浓度分布图。可以看出P型AlGaN掺杂区埋层对应位置2DEG浓度不变，即本发明器件的电流能力基本保持不变。
具体实施方式
一种P型埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，包括：Si基衬底1，在Si基衬底1上形成有AlN成核层2，在AlN成核层2上形成有本征GaN层3，在本征GaN层3上形成有AlGaN掺杂层4，在所述AlGaN掺杂层4的上表面形成栅氧化层5，在栅氧化层5上表面形成栅极6，在AlGaN掺杂层4和栅极6上覆盖有钝化层9，在栅极6一侧形成有源极7，所述源极7始于本征GaN层3的上部、贯穿AlGaN掺杂层4并止于钝化层9内，在栅极6另一侧形成有漏极8，所述漏极8始于本征GaN层3的上部、贯穿AlGaN掺杂层4并止于钝化层9内，其特征在于，在AlN成核层2中形成有P型AlGaN掺杂区埋层10，所述P型AlGaN掺杂区埋层10上表面与本征GaN层3的下表面相接触，P型AlGaN掺杂区埋层10的一个边界位于栅极6下方，P型AlGaN掺杂区埋层10的另一个边界位于栅极6和漏极8之间区域的下方。P型AlGaN掺杂区埋层10的厚度为80-120nm。P型AlGaN掺杂区埋层10的长度为0.5-1.5μm。P型AlGaN掺杂区埋层10的掺杂浓度为1e18cm-3-5e18cm-3。
Claims (4)
1.一种P型埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，包括：Si基衬底(1)，在Si基衬底(1)上形成有AlN成核层(2)，在AlN成核层(2)上形成有本征GaN层(3)，在本征GaN层(3)上形成有AlGaN掺杂层(4)，在所述AlGaN掺杂层(4)的上表面形成栅氧化层(5)，在栅氧化层(5)上表面形成栅极(6)，在AlGaN掺杂层(4)和栅极(6)上覆盖有钝化层(9)，在栅极(6)一侧形成有源极(7)，所述源极(7)始于本征GaN层(3)的上部、贯穿AlGaN掺杂层(4)并止于钝化层(9)内，在栅极(6)另一侧形成有漏极(8)，所述漏极(8)始于本征GaN层(3)的上部、贯穿AlGaN掺杂层(4)并止于钝化层(9)内，其特征在于，在AlN成核层(2)中形成有P型AlGaN掺杂区埋层(10)，所述P型AlGaN掺杂区埋层(10)上表面与本征GaN层(3)的下表面相接触，P型AlGaN掺杂区埋层(10)的一个边界位于栅极(6)下方，P型AlGaN掺杂区埋层(10)的另一个边界位于栅极(6)和漏极(8)之间区域的下方。
2.根据权利要求1所述的P型埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述P型AlGaN掺杂区埋层(10)的厚度为80-120nm。
3.根据权利要求1所述的P型埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述P型AlGaN掺杂区埋层(10)的长度为0.5-1.5μm。
4.根据权利要求1所述的P型埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述P型AlGaN掺杂区埋层(10)的掺杂浓度为1e18cm-3-5e18cm-3。
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| CN114175274A (zh) * | 2019-07-29 | 2022-03-11 | 苏州晶湛半导体有限公司 | 半导体结构及其制备方法 |
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| CN104157679A (zh) * | 2014-08-27 | 2014-11-19 | 电子科技大学 | 一种氮化镓基增强型异质结场效应晶体管 |
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