CN107346785A - 一种N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管 - Google Patents

一种N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管,沿外延生长方向自下而上分别为:单晶衬底;GaN缓冲层;GaN掺杂层;第一Alx1Ga1‑x1N势垒层;第二Alx2Ga1‑x2N势垒层;AlN插入层;AlyGa1‑yN沟道层;SiNz钝化层;其中,下标X1表示势垒层中Alx1Ga1‑x1N中Al的组分,下标X2表示势垒层中Alx2Ga1‑x2N中Al的组分,下标y表示沟道层中AlyGa1‑yN中Al的组分。本发明在不降低N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管沟道层厚度和二维电子气浓度的前提下,减小二维电子气与栅极间距离,提升栅电容,从而提高器件的工作频率及效率。

Description

一种N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管
技术领域
本发明属于半导体技术领域,特别涉及一种N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管。
背景技术
相对于Ga极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构,N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构具有方向相反的自发极化和压电极化效应,因此为获取高浓度的二维电子气,沟道层位于势垒层的上方,这为N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管带来了一些优势:势垒层位于二维电子气下方,形成了天然的背势垒结构,有助于抑制短沟道效应(SCE)及漏致势垒降低效应(DIBL);在淀积金属形成欧姆接触时,与二维电子气是通过较窄带隙的GaN材料接触的,有利于制作低阻欧姆接触;同时可通过降低沟道层厚度直接减小栅极与沟道层的间距,无需复杂且不易控制的栅极凹槽工艺,来维持短沟道器件较高的纵横比,这利于实现器件的高频高效率。
然而,对于N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构,为获取器件的更高工作频率及效率,需减小器件的栅长,即减小栅区电子的渡越时间来实现。但为抑制随之而来的短沟道效应需保持器件较高的纵横比,这需要同时降低沟道层的厚度。但由于费米能级钉扎在钝化层与沟道层界面,随着沟道层厚度下降,极化电荷耗尽区宽度会扩展,致使二维电子气被逐渐耗尽,直接减小器件的电流驱动能力;同时界面粗糙度散射会随着沟道层厚度减小而上升为影响低场电子迁移率的主要散射机制,且散射几率F随着沟道层厚度L的下降而迅速升高,即F∝L-6,这严重降低了二维电子的迁移率;因此目前沟道层厚度是抑制N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构向更高频率及效率发展的重要因素,而尚未有明确技术方案来解决此问题。
发明内容
发明目的:本发明针对现有技术存在的问题,提供了一种工作频率和效率都高的N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管。
技术方案:为了解决现有技术中存在的问题,本发明提供了一种N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管,沿外延生长方向自下而上分别为:单晶衬底;GaN缓冲层;GaN掺杂层;第一Alx1Ga1-x1N势垒层;第二Alx2Ga1-x2N势垒层;AlN插入层;AlyGa1-yN沟道层;SiNz钝化层;其中,下标X1表示势垒层中Alx1Ga1-x1N中Al的组分,下标X2表示势垒层中Alx2Ga1-x2N中Al的组分,下标y表示沟道层中AlyGa1-yN中Al的组分。
进一步,所述单晶衬底为碳化硅、蓝宝石或者氮化镓。适合氮化物外延生长的单晶材料都可以用于制作单晶衬底。
进一步,GaN缓冲层的厚度为1-3μm;GaN掺杂层的厚度为5-20nm,掺杂种类均为N型杂质硅,掺杂剂量为5×1017cm-3-5×1018cm-3。这样的结构不仅保证了GaN缓冲层的晶体质量和击穿特性,同时保证了GaN掺杂层与势垒层界面的费米能级远离价带,进而抑制由该界面处空穴陷阱导致的大信号射频色散效应,有效提高了电子迁移率。
进一步,所述第一Alx1Ga1-x1N势垒层的厚度为10-35nm,掺杂种类为N型杂质硅,掺杂剂量为5×1017cm-3-5×1018cm-3,Al的组分X1沿外延生长方向自下而上逐渐增加或者准渐变(台阶式)增加,其中X1最小值0-0.10,最大值0.25-0.40;第二Alx2Ga1-x2N势垒层的厚度为8-20nm,非故意掺杂,Al的组分X2为常量,且X2与第一Alx1Ga1-x1N势垒层的Al的组分X1的最大值相等。这样不仅能有效保证GaN掺杂层与Alx1Ga1-x1N势垒层的费米能级远离价带,进而抑制由该界面处空穴陷阱导致的大信号射频色散效应;同时通过极化调制效应在层内产生极化电场,利于Alx1Ga1-x1N势垒层费米能级更远离价带,从而可掺杂较低剂量的硅N型杂质来保证GaN掺杂层与势垒层Alx1Ga1-x1N势垒层界面的费米能级远离价带以消除大信号射频色散效应,有利于提升二维电子气的迁移率,也保证了较高浓度二维电子气及电子迁移率。
进一步,所述AlN插入层的厚度为0.3-2.0nm。这样有效降低合金散射,提升二维电子气迁移率,同时提升二维电子气浓度。
进一步,所述AlyGa1-yN沟道层的厚度为5-20nm,非故意掺杂,AlyGa1-yN中Al的组分y沿外延生长方向自下而上逐渐减小,其中y最小值0-0.05,最大值0.10-0.20。这样通过极化调制效应,使AlyGa1-yN沟道层与Alx2Ga1-x2N势垒层异质结界面的面极化正电荷向AlyGa1-yN沟道层内扩展成为体极化正电荷。为保持沟道层内电中性,则在AlyGa1-yN沟道层中产生了与体极化正电荷分布相一致的准三维电子气。在沟道层厚度不变的情况下,准三维电子气的产生使电子气的势阱发生了量子位移,降低了电子气与栅极间距离,等效增加了栅电容,利于提升器件的频率及效率。
有益效果:与现有技术相比,本发明在不降低N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管沟道层厚度和二维电子气浓度的前提下,减小二维电子气与栅极间距离,提升栅电容,从而提高器件的工作频率及效率。
附图说明
图1是本发明提供的N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构示意图;
图2为现有技术中N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管结构示意图;
图3为本发明提供的场效应管(Str_2)与现有技术中的场效应管(Str_1)沿外延生长方向上的能带结构对比图;
图4为本发明提供的场效应管(Str_2)与现有技术中的场效应管(Str_1)沿外延生长方向上的电子密度分布示意图;
图5为本发明提供的场效应管(Str_2)与现有技术中的场效应管(Str_1)的单边功率增益对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示,本发明提供了一种N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管,包括沿外延生长方向自下而上的单晶衬底1,GaN缓冲层2a,GaN掺杂层2b,Alx1Ga1-x1N势垒层3a,Alx2Ga1-x2N势垒层3b,AlN插入层4,AlyGa1-yN沟道层5,SiNz钝化层6。其中,单晶衬底1为碳化硅衬底;GaN缓冲层2a的厚度为1μm;GaN掺杂层2b的厚度为7.5nm,掺杂种类为硅,掺杂剂量为2×1018cm-3;Alx1Ga1-x1N势垒层3a的厚度为20nm,掺杂种类为硅,掺杂剂量为2×1018cm-3,铝组分X1沿外延生长方向自下而上线性增加,其中最小值为0,最大值为0.35;Alx2Ga1-x2N势垒层3b的厚度为10nm,非故意掺杂,铝组分X2为定值0.35;AlN插入层4的厚度为0.8nm;AlyGa1-yN沟道层5的厚度为10nm,非故意掺杂,铝组分y沿外延生长方向自下而上逐渐减小,其中y最大值为0.12,最小值为0;SiNz钝化层6的厚度为10nm。
如图2所示,现有技术中N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管中GaN沟道层5a的厚度为10nm,非故意掺杂。其它功能层的结构与本发明提供的一样。
如图3所示,将本发明提供的场效应管(Str_2)与现有技术中的场效应管(Str_1)沿外延生长方向上的能带结构进行对比,从图中可以看到本发明基于Alx1Ga1-x1N势垒层3a铝组分的渐变以抬升其附近费米能级的高度,故仅需要在GaN掺杂层2b与Alx1Ga1-x1N势垒层3a掺杂剂量均为2×1018cm-3的硅,就能保证GaN掺杂层2b与Alx1Ga1-x1N势垒层界面处的费米能级高于价带;同时并没有因AlyGa1-yN沟道层的引入而明显降低Str_2的沟道层与势垒层界面附近势阱的深度,导致二维电子气浓度的降低。
如图4所示,Str_1中的二维电子气局限于Alx2Ga1-x2N势垒层3b与GaN沟道层5a界面附近,栅与二维电子气间距离近似等于沟道层厚度;而基于AlyGa1-yN沟道层5的极化调制效应,Str_2中的势阱位置明显向结构表面移动,即产生了量子位移,并将局域于沟道层与势垒层界面的二维电子气向沟道层内扩展,形成了准三维电子气,这将减小栅极与电子气间的等效距离,从而增加栅电容。同时基于积分计算,Str_1的二维电子气面密度为6.8×1012cm-2,而Str_2的二维电子气面密度为6.2×1012cm-2,说明Str_2中AlyGa1-yN沟道层5的引入并没有明显降低电子气浓度,有效保证了器件的足够电流驱动能力。
如图5所示,由于Str_2栅电容的增加,其截止频率高达129G Hz,明显高于Str_1的98G Hz,且在高频毫米波段增益和功率附加效率提升较大。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管,其特征在于:沿外延生长方向自下而上分别为:单晶衬底;GaN缓冲层;GaN掺杂层;第一Alx1Ga1-x1N势垒层;第二Alx2Ga1-x2N势垒层;AlN插入层;AlyGa1-yN沟道层;SiNz钝化层;其中,下标X1表示势垒层中Alx1Ga1-x1N中Al的组分,下标X2表示势垒层中Alx2Ga1-x2N中Al的组分,下标y表示沟道层中AlyGa1-yN中Al的组分。
2.根据权利要求1所述的N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管,其特征在于:所述单晶衬底为碳化硅、蓝宝石或者氮化镓。
3.根据权利要求1所述的N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管,其特征在于:GaN缓冲层的厚度为1-3μm;GaN掺杂层的厚度为5-20nm,掺杂种类均为N型杂质硅,掺杂剂量为5×1017cm-3--5×1018cm-3
4.根据权利要求1所述的N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管,其特征在于:所述第一Alx1Ga1-x1N势垒层的厚度为10-35nm,掺杂种类为N型杂质硅,掺杂剂量为5×1017cm-3--5×1018cm-3,Al的组分X1沿外延生长方向自下而上逐渐增加或者准渐变增加,其中X1最小值0-0.10,最大值0.25-0.40;第二Alx2Ga1-x2N势垒层的厚度为8-20nm,非故意掺杂,Al的组分X2为常量,且X2与第一Alx1Ga1-x1N势垒层的Al的组分X1的最大值相等。
5.根据权利要求1所述的N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管,其特征在于:所述AlN插入层的厚度为0.3-2.0nm。
6.根据权利要求1所述的N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管,其特征在于:所述AlyGa1-yN沟道层的厚度为5-20nm,非故意掺杂,AlyGa1-yN中Al的组分y沿外延生长方向自下而上逐渐减小,其中y最小值0-0.05,最大值0.10-0.20。
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