CN107623032A - 一种新型的GaN异质结场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的GaN异质结场效应晶体管。本发明通过在场效应晶体管的GaN沟道层局部区域引入P型GaN埋层，该P型GaN埋层可以提升该区域异质结能带从而降低局部沟道2‑DEG浓度同时在GaN沟道层沿着电流方向引入了pn结场板来调制沟道电场。本发明将P型GaN埋层和凹槽技术相结合使阈值电压调控方案更加灵活并且可以实现更大范围的阈值电压调控；同时，P型GaN埋层在GaN沟道层的电场调制效应有效降低器件内部最大峰值电场，使电场分布更加均匀，而且，P型GaN埋层在GaN Buffer中引入了势垒，有效抑制由Buffer漏电所导致器件发生的源漏穿通。因此，与传统凹槽栅GaN异质结场效应晶体管相比，新结构有效地提高了器件的阈值电压调控范围和大大改善了器件的耐压能力。

Description

一种新型的GaN异质结场效应晶体管

技术领域

本发明属于功率半导体技术领域，一种新型的GaN异质结场效应晶体管。

背景技术

由于Si和GaAs为代表的前两代半导体材料的局限性，第三代宽禁带半导体材料因为其优异的性能得到了飞速发展。氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料的核心之一，相比Si，GaAs和碳化硅(SiC)特殊之处在于其所具有极化效应。AlGaN/GaN异质结由于极化效应在异质结界面靠近GaN侧产生了高浓度、高电子迁移率的二维电子气导电沟道，使得AlGaN/GaN HEMT器件具有导通电阻小、开关速度快、正向导通饱和电流密度大等特点，在器件应用中占据较大优势，因此得到广泛关注和研究。

GaN增强型HEMT器件的研究背景技术：

1.AlGaN/GaN异质结由于极化效应在异质结界面靠近GaN侧产生了高浓度、高电子迁移率的二维电子气导电沟道，因此，常规AlGaN/GaN HEMT器件为常开型器件。然而，器件实际应用中需要负压驱动，驱动电路设计难度大、成本增加，且负压驱动电路不具备失效保护功能，使得系统安全性降低。因此，对于AlGaN/GaN HEMT器件而言，增强型(常关型)HEMT器件比耗尽型(常开型)HEMT器件具有更多的优势，其实现技术是研究者们极其关注的问题。

2.近年来增强型GaN HEMT的研究工作已经取得了巨大的进步，但目前增强型GaNHEMT的阈值电压都比较低(大多小于1V)，性能要明显比耗尽型HEMT的差。通常器件阈值电压要求在2.5～4V以上，才能避免由于栅极驱动信号畸变或振铃等干扰而导致GaN器件误开启，满足功率开关在实际系统应用中安全、稳定、可靠的要求。

3.在本发明提出以前，通常采用如下技术实现GaN增强型HEMT器件：

(1)降低Al组分或者生长薄的势垒层降低了沟道中2DEG浓度，但是增大了AlGaN/GaN HEMT的寄生电阻和开态电阻，因此Al组分和势垒层厚度只能够在有限的范围内降低，阈值电压都比较低。

(2)生长p-cap盖帽层实现增强型HEMT，但是盖帽层使栅极对于沟道的控制变弱，降低了器件的跨导，对于高频工作不利，同时P-cap技术会引入P-N结栅，器件工作时会有大量空穴注入到沟道从而会产生很大的栅电流，导致阈值电压发生回滞和可靠性降低等一系列问题。

(3)凹栅刻蚀能够有效地耗尽栅极下方2DEG浓度，但是凹栅刻蚀需要精确地控制刻蚀深度同时会引入严重的刻蚀损伤。

4F基等离子体处理是一种十分有前途的实现增强型HEMT的方法，但是会引入注入损伤、阈值电压回滞、和高压工作稳定性问题。

提高GaN HEMT器件反向耐压能力的研究背景技术：

1.对于传统的GaN HEMT而言，当器件承受反向耐压时，由于栅极和漏极之间沟道二维电子气不能够完全耗尽，使得沟道电场主要集中在栅漏边缘，导致器件在较低的漏极电压下便发生击穿；同时，从源极注入的电子可以经过GaN缓冲层到达漏极，形成漏电通道，过大的缓冲层泄漏电流同样会导致器件提前击穿，无法充分发挥GaN材料的高耐压优势，从而限制GaN HFET在高压方面的应用。

2.在本发明提出以前，为了使栅极与漏极之间电场分布更加均匀，抑制缓冲层泄漏电流，提高器件击穿电压，通常使用以下方法：

(1)使用表面场板技术[D.Vislalli et al.,“Limitations of Field PlateEffect Du e to the Silicon Substrate in AlGaN/GaN/AlGaN DHFETs”,IEEETrans.Electron Devic es,Vol.57,No.12,2010(10),p.3333-3339(3060)]。场板结构可以有效地耗尽其下的沟道二维电子气，扩展栅极与漏极之间的二维电子气耗尽区域，使栅漏之间的电场分布更加均匀，从而达到提高击穿电压的目的。但场板结构依然无法完全耗尽栅极与漏极之间的沟道二维电子气，同时无法抑制缓冲层泄漏电流，不能充分发挥GaN材料的耐压优势，同时场板结构也会退化器件的频率特性。

(2)在缓冲层内掺入碳、铁等杂质[Eldad Bahat-Treidel et al.，“AlGaN/GaN/GaN:C B ack-Barrier HFETs WithBreakdown Voltage of Over 1kV and LowRON×A”,Trans.on Ele ctron Devices,Vol.57,No.11,2010(9),p.3050-3058(3060)]。碳、铁等杂质会在GaN缓冲层内引入深能级电子陷阱，俘获从源极注入的电子，增大缓冲层电阻，同时被电子占据的陷阱有助于耗尽沟道中二维电子气，使器件沟道电场分布更加均匀。但是该技术不能完全耗尽沟道中的二维电子气，无法充分发挥GaN材料的耐压优势，同时碳、铁等杂质引入的深能级陷阱会导致诸如导通电阻增大、输出电流下降、电流崩塌效应和反应速度下降等负面影响。

发明内容

为了解决上述技术难题，本发明提出了一种新型的具有P型GaN埋层的增强型高压AlGaN/GaN异质结场效应晶体管。

本发明采用如下技术方案，一种新型的具有P型GaN埋层的增强型GaN异质结场效应晶体管，其结构如图2所示，从下至上依次主要为衬底1，GaN成核缓冲层2，GaN沟道层5，在GaN沟道层5中设置有局部P型GaN埋层4，在GaN沟道层5上设置有XN势垒层6，所述XN势垒层6两端分别设置有欧姆接触漏极7和欧姆接触源极8，在所述XN势垒层6中设置有凹槽12，所述凹槽12与欧姆接触漏极7和欧姆接触源极8之间的XN势垒层6上表面具有钝化层9；所述凹槽12底部及与钝化层9相连的侧壁以及钝化层9上表面具有绝缘介质10；所述凹槽12中具有肖特基金属栅极11。本发明技术方案其特征在于：所述GaN沟道层5中设置有局部P型GaN埋层4，且局部P型GaN埋层4位于凹槽栅正下方并向漏极方向延伸Lgp长度，同时P型GaN埋层4的上表面距离沟道层5上表面的距离为T。

作为优选方式，P型GaN埋层4位于凹槽栅正下方的局部P型GaN埋层4向漏极方向延伸长度Lgp＝2μm。

作为优选方式，所引入的P型GaN埋层4的上表面距离沟道层5上表面的距离T，10nm≤T≤20nm。

作为优选方式，其中X为Ⅲ族元素B、Al、Ga、In中的单个元素或多个元素组成。

作为优选方式，所述的衬底材料为为Si、SiC、蓝宝石、或GaN中的任意一种。

作为优选方式，所述GaN沟道层5为N型半导体或本征半导体。

作为优选方式，X为Ⅲ族元素中的单个元素或多个元素组合。

为了解决目前实现GaN增强型HEMT器件所遇到的技术难题，本发明提出了一种新型的具有P型GaN埋层的GaN异质结场效应晶体管(如图2所示)。与传统凹槽栅型AlGaN/GaNHEMT器件不同的是，本发明所公布的主要技术特征是所述GaN沟道层5中设置有局部P型GaN埋层4，且局部P型GaN埋层4位于凹槽栅正下方并向漏极方向延伸2μm长度，同时P型GaN埋层4的上表面距离沟道层5上表面的距离为10nm。通过在场效应晶体管的GaN沟道层的局部区域引入P型GaN埋层，该P型GaN埋层可以有效地提升该区域异质结能带(如图3所示)，从而降低局部沟道2-DEG浓度，同时本发明将P型GaN埋层设置在凹槽栅正下方使阈值电压调控方案更加灵活并且可以实现更大的阈值电压调控范围。采用本技术方案可以将阈值电压增大到3V，能有效避免由于栅极驱动信号畸变或振铃等干扰而导致GaN器件误开启，满足功率开关在实际系统应用中安全、稳定、可靠的要求。

为了解决目前GaN HEMT器件耐压低的技术难题，本发明提出了一种新型的具有P型GaN埋层的GaN异质结场效应晶体管(如图2所示)。与传统凹槽栅AlGaN/GaN HEMT器件不同的是，本发明所公布的主要技术特征是所述GaN沟道层5中设置有局部P型GaN埋层4，且局部P型GaN埋层4位于凹槽栅正下方并向漏极方向延伸2μm长度，同时P型GaN埋层4的上表面距离沟道层5上表面的距离为10nm。本发明P型GaN埋层在GaN沟道层的电场调制效应大大降低了栅漏边缘电场峰值，同时沿着电流方向引入pn结场板在P型GaN埋层靠近漏边缘引入了新的电场峰值，有效降低器件内部最大峰值电场，使电场分布更加均匀(如图4所示)；另外，P型GaN埋层在GaN Buffer中引入了势垒，源极电子渡越Buffer到达漏极时必须翻越这个势垒(如图5所示)，从而P型GaN埋层能够显著降低源漏之间通过GaN Buffer层的泄漏电流，有效抑制了由GaN Buffer漏电所导致器件发生的源漏穿通。因此，本发明通过P型GaN埋层在GaN沟道电流方向引入pn结和在GaN Buffer层引入势垒两方面大大提高了器件的击穿电压(如图6所示)，充分发挥了GaN材料的耐压优势。与传统凹槽栅GaN异质结场效应晶体管相比，新结构大大改善了器件的耐压能力，解决了目前GaN HEMT器件耐压低的技术难题。

本发明的有益效果是：

本发明通过在场效应晶体管的GaN沟道层的局部区域引入P型GaN埋层，该P型GaN埋层可以提升该区域异质结能带从而降低局部沟道2-DEG浓度同时在GaN沟道层沿着电流方向引入了pn结场板来调制沟道电场。就器件阈值电压调控方面，本发明将P型GaN埋层和凹槽技术相结合使阈值电压调控方案更加灵活并且可以实现更大的阈值电压调控范围。采用本技术方案可以将阈值电压增大到3V，能有效避免由于栅极驱动信号畸变或振铃等干扰而导致GaN器件误开启，满足功率开关在实际系统应用中安全、稳定、可靠的要求。就器件耐压方面，本发明P型GaN埋层在GaN沟道层的电场调制效应大大降低了栅漏边缘电场峰值，同时沿着电流方向引入pn结场板在P型GaN埋层靠近漏边缘引入了新的电场峰值，有效降低器件内部最大峰值电场，使电场分布更加均匀；另外，P型GaN埋层在GaN Buffer中引入了势垒，能够显著降低源漏之间通过GaN Buffer层的泄漏电流，有效抑制由Buffer漏电所导致器件发生的源漏穿通。因此，本发明通过P型GaN埋层在GaN沟道电流方向引入pn结和在GaNBuffer层引入势垒两方面大大提高了器件的击穿电压，充分发挥了GaN材料的耐压优势。与传统增强型GaN异质结场效应晶体管相比，新结构有效地提高了器件的阈值电压调控范围和大大改善了器件的耐压能力。

附图说明

图1是传统凹槽栅GaN HEMT结构示意图。

图2是本发明提出的具有局部P型GaN埋层的GaN HEMT结构示意图。

图3是传统GaN HEMT和具有P-GaN埋层HEMT在凹槽栅区域垂直于沟道方向的导带图，从图中可以看出P型GaN埋层可以显著提升该区域异质结能带。

图4是传统GaN HEMT和具有P-GaN埋层HEMT在沟道中的电场图，从图中可以看出P型GaN埋层在GaN沟道层的电场调制效应大大降低了栅漏边缘电场峰值，使电场分布更加均匀；

图5是传统GaN HEMT和具有P-GaN埋层HEMT在Buffer中Y＝1μm处的导带图，从图中可以看出P型GaN埋层在GaN-Buffer中引入了势垒。

图6是传统GaN HEMT和具有P-GaN埋层HEMT反向击穿特性图。

图7是本发明提供的具有阶梯型局部P型GaN埋层的GaN HEMT结构示意图。

图8是本发明制备工艺中利用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生长GaN成核缓冲层2和P型GaN埋层3。

图9是本法制备工艺中利用干法刻蚀和氧化湿法刻蚀其中的一种或者两者结合将P型GaN埋层3刻蚀成局部P型GaN埋层4。

具体实施方案

在发明内容部分已经对本发明进行了详细的描述，在此不再赘述。为了更进一步说明本发明方案在实际应用中的可行性，下面提出可制备本发明结构的制作工艺：

在Si、SiC、蓝宝石或GaN衬底1上依次利用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生长GaN成核缓冲层2和P型GaN埋层3,如图8；

利用干法刻蚀和氧化湿法刻蚀其中的一种或者两者结合将P型GaN埋层3刻蚀成局部P型GaN埋层4，如图9；

采用二次外延的方法依次外延生长i型或N型GaN沟道层5和异质结势垒层6，并利用相关工艺技术依次完成蒸溅源漏欧姆金属、器件有源隔离、钝化开孔、刻蚀槽栅、沉积栅绝缘介质；

淀积金属薄膜制得肖特基接触栅极，如图2。

Claims (3)

1.一种新型的GaN异质结场效应晶体管，从下至上依次包括衬底(1)、GaN成核缓冲层(2)、GaN沟道层(5)；在GaN沟道层(5)上设置有异质结XN势垒层(6)，所述异质结XN势垒层(6)两端分别设置有欧姆接触漏极(7)和欧姆接触源极(8)，在所述异质结XN势垒层(6)中设置有凹槽(12)，所述凹槽(12)与欧姆接触漏极(7)和欧姆接触源极(8)之间的异质结XN势垒层(6)上表面具有钝化层(9)；所述凹槽(12)底部及与钝化层(9)相连的侧壁以及钝化层(9)上表面具有绝缘介质(10)；所述凹槽(12)中具有肖特基金属栅极(11)；其特征在于：所述GaN沟道层(5)中设置有局部P型GaN埋层(4)，且局部P型GaN埋层(4)位于凹槽栅正下方并向漏极方向延伸Lgp长度，同时P型GaN埋层(4)的上表面距离沟道层(5)上表面的距离为T。

2.根据权利要求1所述的一种新型的GaN异质结场效应晶体管，位于凹槽栅正下方的局部P型GaN埋层(4)向漏极方向延伸长度Lgp＝2μm。

3.根据权利要求1所述的一种新型的GaN异质结场效应晶体管，其特征在于：所述局部P型GaN埋层(4)的上表面距离沟道层(5)上表面的距离T，10nm≤T≤20nm。