CN106373991B - 一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应管 - Google Patents
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Abstract
该发明公开了一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应管，属于微电子领域，涉及半导体器件的制作工艺。针对现有技术存在的问题与不足，本发明提出了一种具有局部P型沟道层结构的氮面氮化镓基异质结场效应晶体管，通过引入局部P型沟道层，实现增强型的氮面氮化镓基异质结场效应晶体管。当栅下GaN沟道层掺P型杂质后会抬高沟道层的导带，从而使二维电子气沟道耗尽。当栅压正向增大时，栅下pn结沟道层的耗尽区变窄，从而使二维电子气沟道开启。显然本发明能解决之前氮面增强型器件的问题，在保证栅控能力的同时保证形成的局部P型沟道层与二维电子气沟道有一定距离，使沟道载流子依然有较高的迁移率。
Description
技术领域
本发明属于微电子领域，涉及半导体器件的制作工艺，具体是指一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应管，其可用于制作高性能的异质结与功率器件。
技术背景
氮化镓基异质结场效应晶体管(GaN HFET)不但具有禁带宽度大、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、大功率和高温应用，是电力电子应用最具潜力的晶体管之一。
目前常规的镓面GaN基HFET器件的制作已经趋于成熟，但是仍然缺乏可靠的实现增强型工作的方式。氟(F-)离子注入技术由香港科技大学陈敬小组在2005年首次提出[Yong Cai et al.,“High-Performance Enhancement-Mode AlGaN/GaN HEMTs UsingFluoride-Based Plasma Treatment”,IEEE Electron Device Lett.,Vol.26,No.7,p.435-437(2005)]该技术通过在栅下势垒层中注入F-离子来耗尽栅下的2DEG实现增强型。由于势垒层比较薄，其所需的注入能量很低，已经远低于普通离子注入设备的最低极限，因此该注入工艺往往采用RIE刻蚀机来实现。但是采用RIE刻蚀设备作为F-离子注入的途径并不可靠，且通过高温退火等工艺会导致器件阈值的剧烈波动。F-离子注入的工艺实现增强型依然存在一系列可靠性的问题，因此需要更可靠且可实现高阈值的工艺。
凹槽栅结构实现增强型的方法2006年由东芝公司提出[Wataru Saito et al.,“Recessed-Gate Structure Approach Toward Normally Off High-Voltage AlGaN/GaNHEMT for Power Electronics Applications”,IEEE Trans.Electron Devices,Vol.53,No.2,p.356-362(2006)]，由于二维电子气的浓度与势垒层的厚度有关，因此刻蚀部分势垒层可以降低二维电子气浓度，直到将其完全耗尽。然而实现高阈值需要将势垒层的刻蚀深度控制的更深，刻蚀界面更接近2DEG沟道，这样必然导致刻蚀损伤对沟道载流子的散射变大，从而降低载流子的沟道迁移率。
p-GaN栅极可以解决上述问题，也是目前工业界普遍采用的方法之一。但是由于势垒层的厚度得到保留，其阈值电压普遍在1.5V左右。2007年日本丰田公司首次提出栅注入晶体管(GIT)结构[Yasuhiro Uemoto et al.,“Gate Injection Transistor(GIT)—ANormally-Off AlGaN/GaN Power Transistor Using Conductivity Modulation”,IEEETrans.Electron Devices,Vol.54,No.12,p.356-362(2007)]，该结构采用p-AlGaN作为栅极，实现阈值电压为1V的增强型器件。但是该种方式同样会导致器件栅控能力的下降。
综上所述，目前需要找到一种实现高阈值的同时能够保证器件特性不会出现严重退化的增强型GaN基HFET实现方式。氮面的GaN基HFET器件由美国Transphorm公司提出(USpatent，NO.US9093366B2)，其本身具有优良的电学特性。该种结构具有天然背势垒，可以有效防止镓面AlGaN/GaN HEMT器件普遍存在的缓冲层漏电问题，从而有效提升器件耐压，且氮面的GaN沟道层较镓面的AlGaN势垒层更易实现欧姆接触，从而减小器件的导通电阻。值得注意的是，该专利中提出了几种实现氮面增强型器件的方法，分别是凹槽栅结构，以及外延帽层的方式。这两种方式可以有效实现器件的高阈值增强型工作，但是凹槽栅结构对刻蚀工艺要求较高，且刻蚀损伤会严重影响载流子的沟道迁移率；外延帽层的方式虽然工艺简单可控，且对沟道迁移率无任何影响，但是在栅下引入帽层势必降低器件的栅控能力，从而导致器件亚阈值特性的退化。
综上所述，提出一种新的增强型氮面氮化镓器件的实现方式，在保证器件基本特性不退化的基础上实现高阈值就尤为重要。
发明内容
针对现有技术存在的问题与不足，本发明设计一种沟道载流子有较高迁移率、可靠性高的氮面增强型氮化镓基异质结场效应管。
本发明技术方案为一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应管，该场效应管结构包括：衬底(313)，设置于衬底上的缓冲层(312)，设置于缓冲层(312)上的背势垒层(311)，所述背势垒层中部凸起高于两侧，背势垒层凸起部的上表面从左至右依次设置源极(306)、道层(310)、漏极(308)，所述源极(306)和漏极(308)的上表面高于沟道层(310)的上表面，沟道层(310)上表面的两侧分别设置钝化层(305)，钝化层(305)的上表面及其靠近中部的侧壁和沟道层(310)中部的上表面设置栅介质层(302)覆盖，栅介质层(302)中部凹陷处设置栅极(307)，栅极上表面高于栅介质层(302)上表面；所述源极(306)和漏极(308)的上表面与其解除的栅介质层(302)上表面齐平；所述背势垒层(311)的两侧凹台上设置隔离区(303)，隔离区的上表面与沟道层(310)上表面齐平，隔离区(303)上设置钝化层(305)，该处钝化层上再设置栅介质层(302)覆盖；其特征在于所述栅介质层(302)中部凹陷处下方对应的沟道层(310)中设置P型沟道。
进一步的，所述P型沟道为1个矩形沟道、1个椭圆形沟道。
进一步的，所述P型沟道为多个矩形沟道。
进一步的，所述P型沟道为氮面AlxInyGazN材料。
进一步的，所述的沟道层(310)、背势垒层(311)、缓冲层(312)为氮面AlxInyGazN材料。
进一步的，所述的沟道层(310)、背势垒层(311)以及缓冲层(312)的氮面AlxInyGazN中，x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1。
进一步的，所述的钝化层(305)、栅介质层(302)、隔离区(303)均为氮化硅、氧化铝、氧化硅中的一种。
进一步的，所述的衬底(313)为硅、蓝宝石、碳化硅中的一种。
进一步的，所述沟道层(310)、背势垒层(311)、缓冲层(312)厚度为介于1nm～100μm。
进一步的，所述P型氮面AlxInyGazN材料沟道层(301)掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1021cm-3。
进一步的，所述氮面AlxInyGazN沟道层(310)、背势垒层(311)以及缓冲层(312)掺杂浓度范围均为1×1014cm-3～1×1021cm-3。
本发明通过引入局部P型沟道层(301)，实现增强型的氮面氮化镓基异质结场效应晶体管。当栅下GaN沟道层(310)掺P型杂质后会抬高沟道层的导带，从而使二维电子气沟道耗尽。当栅压正向增大时，栅下pn结沟道层的耗尽区变窄，从而使二维电子气沟道开启。显然本发明能解决之前氮面增强型器件的问题，在保证栅控能力的同时保证形成的局部P型沟道层与二维电子气沟道有一定距离，使沟道载流子依然有较高的迁移率。
附图说明
图1是氮面氮化镓基异质结场效应晶体管，它包含有衬底(313)，铝铟镓氮(AlxInyGazN)缓冲层(312)，铝铟镓氮(AlxInyGazN)背势垒层(311)，铝铟镓氮(AlxInyGazN)沟道层(310)，以及之上形成的隔离区(303)、栅极(307)、源极(306)、漏极(308)、钝化层(305)、栅介质层(302)。
图2是一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应晶体管，它包含有衬底(313)，铝铟镓氮(AlxInyGazN)缓冲层(312)，铝铟镓氮(AlxInyGazN)背势垒层(311)，铝铟镓氮(AlxInyGazN)沟道层(310)，局部p型沟道层(301)，以及之上形成的隔离区(303)、栅极(307)、源极(306)、漏极(308)、钝化层(305)、栅介质层(302)其特征是：材料极性为氮面且它在栅极(307)下的(GaN)沟道层(310)与栅介质(304)层之间有一层P型的AlxInyGazN沟道层，简称局部P型沟道层(301)，且该层局部P型沟道层为矩形。
图3是一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应晶体管，它包含有衬底(313)，铝铟镓氮(AlxInyGazN)缓冲层(312)，铝铟镓氮(AlxInyGazN)背势垒层(311)，铝铟镓氮(AlxInyGazN)沟道层(310)，局部p型沟道层(301)，以及之上形成的隔离区(303)、栅极(307)、源极(306)、漏极(308)、钝化层(305)、栅介质层(302)其特征是：材料极性为氮面且它在栅极(307)下的(GaN)沟道层(310)与栅介质(304)层之间有一层P型的AlxInyGazN沟道层，简称局部P型沟道层(301)，该结构中的局部P型沟道层为椭圆形。
图4是一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应晶体管，它包含有衬底(313)，铝铟镓氮(AlxInyGazN)缓冲层(312)，铝铟镓氮(AlxInyGazN)背势垒层(311)，铝铟镓氮(AlxInyGazN)沟道层(310)，局部p型沟道层(301)，以及之上形成的隔离区(303)、栅极(307)、源极(306)、漏极(308)、钝化层(305)、栅介质层(302)其特征是：材料极性为氮面且它在栅极(307)下的(GaN)沟道层(310)与栅介质(304)层之间有一层P型的AlxInyGazN沟道层，简称局部P型沟道层(301)，该结构中的局部P型沟道层为分离的矩形。
图5是本发明提供的氮面增强型GaN HFET与已有氮面GaN HFET转移特性比较。
图6是本发明提供的氮面增强型GaN HFET与已有氮面GaN HFET对数坐标下转移特性比较。
图7是本发明提供的氮面增强型GaN HFET与已有氮面GaN HFET导带与电子浓度分布比较。
具体实施案例
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此实施例。
图1是氮面氮化镓基异质结场效应晶体管，它包含有衬底(313)，铝镓氮(AlGaN)缓冲层(312)，铝镓氮(AlGaN)背势垒层(311)，氮化镓(GaN)沟道层(310)，以及之上形成的隔离区(303)、栅极(307)、源极(306)、漏极(308)、钝化层(305)、栅介质层(302)。
图2是本发明提供的一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应晶体管，它包含有衬底(313)，铝铟镓氮(AlxInyGazN)缓冲层(312)，铝铟镓氮(AlxInyGazN)背势垒层(311)，铝铟镓氮(AlxInyGazN)沟道层(310)，局部p型沟道层(301)，以及之上形成的隔离区(303)、栅极(307)、源极(306)、漏极(308)、钝化层(305)、栅介质层(302)其特征是：材料极性为氮面且它在栅极(307)下的(GaN)沟道层(310)与栅介质(304)层之间有一层P型的AlxInyGazN沟道层，简称局部P型沟道层(301)，且该层局部P型沟道层为矩形。
所述的GaN沟道层和栅介质(304)P型沟道层(301)可为氮面AlxInyGazN材料，且所述的P型的AlxInyGazN沟道层(301)可以采用任意杂质分布方式与任意离子掺杂，形状可为正方形、圆形、多边形等任意形状。
所述的沟道层(310)、背势垒层(311)以及缓冲层(312)可为氮面AlxInyGazN。
所述的钝化层(305)、栅介质层(302)以及隔离区(303)均可为氮化硅、氧化铝、氧化硅等任意绝缘材料。
所述的沟道层(310)、背势垒层(311)以及缓冲层(312)的氮面AlxInyGazN中，x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1。
所述P型氮面AlxInyGazN材料沟道层(301)长度介于源极(306)与漏极(308)之间，且必须在栅极(307)下方出现，厚度小于等于沟道层(310)的厚度。
所述氮面AlxInyGazN沟道层(310)、背势垒层(311)以及缓冲层(312)厚度介于1nm～100μm。
所述P型氮面AlxInyGazN材料沟道层(301)掺杂浓度范围为1×1014cm-3～1×1021cm-3。
所述氮面AlxInyGazN沟道层(310)、背势垒层(311)以及缓冲层(312)掺杂浓度范围为1×1014cm-3～1×1021cm-3。
图5是本发明提供的氮面增强型GaN HFET与已有氮面GaN HFET在漏极(308)电压为10V的条件下转移特性的比较。器件阈值电压定义为跨导峰值点所做的切线与栅极(307)电压坐标轴截距。其中方块图形的曲线为本发明提供的氮面增强型GaN HFET转移特性曲线，虚线为已有氮面GaN HFET转移特性曲线。从图中可以看出，与已有技术氮面GaN HFET相比，本发明的氮面增强型GaN HFET的阈值电压为1.9V，满足高阈值的增强型器件要求。此外在相同的栅驱动电压下(VGS-Vth)，输出电流均为90mA/mm，表明本发明提出的新结构并未影响器件的栅驱动能力，且未影响沟道迁移率，这明显优于凹槽栅结构。
图6为本发明提供的氮面增强型GaN HFET与已有技术氮面GaN HFET对数坐标下的转移特性比较。可以看出新结构并未使器件的夹断特性退化，且两种器件的开关比均为1012。此外新结构与已有氮面GaN HFET的亚阈值摆幅(SS)基本一致，约为130mV/dec。这说明新结构的栅控能力并未出现退化。这比外延帽层的实现增强型的方法更有优势。
为进一步说明器件增强型工作的物理机理。图7给出了两种结构在栅极(307)、漏极(308)、源极(306)均为0V偏置下的栅极下方的导带与电子分布。可以看出在栅极下方引入局部p-GaN沟道层后，栅极下方导带被抬高，由之前在费米能级(能量值为0eV处)以下0.16eV变为费米能级以上0.4eV。这就导致在平衡态时栅下二维电子气(2DEG)的浓度从1019cm-3降低至1011cm-3，从而使栅下沟道二维电子气几乎耗尽，沟道在平衡态时实现关断，从而使新结构器件实现增强型工作。
虽然上述实施例子是以氮化镓基异质结场效应晶体管(GaN HFET)为例进行说明的，但是所提出结构适用于各种其他半导体材料构成的多种结构晶体管。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本/发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
表1器件仿真结构参数
Claims (8)
1.一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应管，该场效应管结构包括：衬底(313)，设置于衬底上的缓冲层(312)，设置于缓冲层(312)上的背势垒层(311)，所述背势垒层中部凸起高于两侧，背势垒层凸起部的上表面从左至右依次设置源极(306)、沟道层(310)、漏极(308)，所述源极(306)和漏极(308)的上表面高于沟道层(310)的上表面，沟道层(310)上表面的两侧分别设置钝化层(305)，钝化层(305)的上表面及其靠近中部的侧壁和沟道层(310)中部的上表面设置栅介质层(302)覆盖，栅介质层(302)中部凹陷处设置栅极(307)，栅极上表面高于栅介质层(302)上表面；所述源极(306)和漏极(308)的上表面与其接触的栅介质层(302)上表面齐平；所述背势垒层(311)的两侧凹台上设置隔离区(303)，隔离区的上表面与沟道层(310)上表面齐平，隔离区(303)上设置钝化层(305)，该处钝化层上再设置栅介质层(302)覆盖；其特征在于所述栅介质层(302)中部凹陷处下方对应的沟道层(310)中设置P型沟道，所述P型沟道为氮面AlxInyGazN材料，掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1021cm-3。
2.如权利要求1所述的一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应管，其特征在于所述P型沟道为1个矩形沟道或1个椭圆形沟道。
3.如权利要求1所述的一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应管，其特征在于所述P型沟道为多个矩形沟道。
4.如权利要求1所述的一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应管，其特征在于所述的沟道层(310)、背势垒层(311)、缓冲层(312)为氮面AlxInyGazN材料。
5.如权利要求1所述的一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应管，其特征在于所述的钝化层(305)、栅介质层(302)、隔离区(303)均为氮化硅、氧化铝、氧化硅中的一种，所述的衬底(313)为硅、蓝宝石、碳化硅中的一种。
6.如权利要求1所述的一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应管，其特征在于所述沟道层(310)、背势垒层(311)、缓冲层(312)厚度为介于1nm～100μm。
7.如权利要求4所述的一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应管，其特征在于所述的沟道层(310)、背势垒层(311)以及缓冲层(312)的氮面AlxInyGazN中；
其中：x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1。
8.如权利要求4所述的一种氮面增强型氮化镓基异质结场效应管，其特征在于所述氮面AlxInyGazN沟道层(310)、背势垒层(311)以及缓冲层(312)掺杂浓度范围均为1×1014cm-3～1×1021cm-3。
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