CN112289853A - 一种具有组分渐变的背势垒结构的hemt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有组分渐变的背势垒结构的HEMT器件，属于半导体功率器件制造技术领域。所述HEMT器件通过引入组分渐变的背势垒，有效地增强沟道中的电子约束，从而改善器件的性能。此外，背势垒中的极化渐变可以降低寄生沟道中的2DEG浓度并减弱沟道的不利影响，这有利于改善器件的电子性能。本发明通过采用极化渐变的AlGaN背势垒，使得HEMT器件的饱和电流和跨导均有所提高，电流增益截止频率峰值和功率增益截止频率峰值也得到了提高，从而获得高性能的InAlN/GaN HEMT。由此，该结构有助于GaN基功率器件的发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有组分渐变的背势垒结构的HEMT器件，属于半导体功率器件制造技术领域。
背景技术
氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，由于其具有极宽的禁带宽度、高临界电场、极化引起的电子气、更高的电子迁移率和饱和速度，是制造高频大功率器件的最佳选择。因此，GaN基高电子迁移率晶体管(HEMTs)可以实现在高压下工作以及更低的导通电阻和更高的工作开关频率。此外，GaN基HEMTs具有高二维电子气浓度及高电子迁移率的优点，因此可以工作到毫米波段。
近年来，AlGaN/GaN异质结材料一直是GaN基器件的主力，考虑到AlGaN/GaN异质结处的晶格失配和压电效应引起的晶格缺陷导致了AlGaN/GaN HEMT的可靠性问题，AlInN势垒层被选择替代常用的AlGaN势垒层以改善GaN基HEMT的性能。当InxAl1-xN的Al组分为0.83时，InxAl1-xN与GaN晶格匹配。因此，In0.17Al0.83N/GaN界面处的自发极化可以诱导更高的二维电子气(2DEG)密度，并且可以增强HEMT的可靠性。
虽然所提出的InAlN/AlN/GaN结构具有所述的优点，但GaN在单一异质结结构中既是缓冲层又是沟道层会导致一部分2DEG从沟道溢出到缓冲层，导致灵活性和可靠性降低。增强异质结2DEG约束和抑制载流子溢出到缓冲层最直接的方法是使用背垒，它构成了双异质结结构。其中，加入AlGaN背势垒层是最常用的解决办法之一，其在一定程度上，它可以增强载流子约束，但同时也会在AlGaN/GaN缓冲界面产生不必要的寄生通道。而寄生通道会导致器件的击穿电压降低，并使器件的可靠性严重恶化，限制了器件的电学特性。
发明内容
为了解决HEMT器件中加入AlGaN背势垒层导致在AlGaN/GaN缓冲界面产生不必要的寄生通道的问题，本发明提供了一种具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，所述HEMT器件的外延结构依次包括：衬底，GaN缓冲层，Al组分渐变的AlGaN背势垒层，GaN沟道，AlN插入层，In组分为0.17的InAlN势垒层，以及钝化层，栅极、源极和漏极；
其中靠近GaN主沟道侧的渐变AlGaN背势垒层的Al成分为0.1，并且远离主沟道逐渐减小至0。
可选的，所述HEMT器件中，Al组分渐变的AlGaN背势垒层中Al含量从0.1到0呈线性变化。
可选的，所述衬底的材料为蓝宝石。
可选的，所述GaN缓冲层为非故意n型掺杂，背景载流子浓度为1×1016cm-3，其厚度为2μm。
可选的，所述GaN沟道的厚度为14nm。
可选的，所述AlN插入层的厚度为1nm。
可选的，所述InAlN势垒层为未掺杂且厚度为10nm，Al组分为0.83，与厚度为14nm的GaN沟道实现晶格匹配。
可选的，源极和漏极均为欧姆接触，栅极为肖特基接触。
可选的，栅-源极之间的距离，栅-漏极之间的距离和栅极的长度分别为0.5μm，10μm和2μm。
可选的，所述钝化层采用Si3N4。
本发明有益效果是：
通过引入组分渐变的背势垒，有效地增强沟道中的电子约束，从而改善器件的性能。此外，背势垒中的极化渐变可以降低寄生沟道中的2DEG浓度并减弱沟道的不利影响，这有利于改善器件的电子性能。极化渐变的AlGaN背势垒可以替代固定的Al含量AlxGa1-xN背势垒设计，从而获得高性能的InAlN/GaN HEMT。由此，该结构有助于GaN基功率器件的发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例中提出的具有组分渐变的背势垒层InAlN/GaN HEMT器件的层结构示意图；
图2是传统的具有组分固定的背势垒层InAlN/GaN HEMT器件的层结构示意图；
图3是本发明提出的具有组分渐变和传统组分固定的背势垒的两种HEMT器件在漏电压为5v时的传输特性仿真图，其中图3A为栅电压-漏电流仿真图，图3B为栅电压-跨导仿真图；
图4是具有组分渐变和组分固定的背势垒的两种HEMT器件在8v漏电压下的模拟射频(RF)性能仿真图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供一种具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，所述HEMT器件采用极化渐变的AlGaN背势垒代替了传统组分固定的Al0.1Ga0.9N背势垒，其中靠近GaN主沟道侧的渐变AlGaN背势垒层的Al成分为0.1，并且远离主沟道逐渐减小至0，以减少寄生沟道的危害，提高器件的性能。
参见图1，所述具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件的外延结构依次包括：衬底，GaN缓冲层，Al组分渐变的AlGaN背势垒层，GaN沟道，AlN插入层，In组分为0.17的InAlN势垒层。
所述HEMT器件还包括钝化层以及栅极、源极和漏极。钝化层的厚度为100nm。
所述结构中的衬底材料为蓝宝石。
GaN缓冲层为非故意n型掺杂，背景载流子浓度为1×1016cm-3，其厚度为2μm。
AlN插入层厚度为1nm，InAlN势垒层为未掺杂且厚度为10nm，Al组分为0.83，与厚度为14nm的GaN沟道实现晶格匹配。
所述HEMT器件的Al组分渐变的AlGaN背势垒层的厚度为25nm，其中Al含量沿外延生长从0％(底部)到10％(顶部)线性变化。
源极和漏极均为欧姆接触，栅极为肖特基接触。栅-源极之间的距离，栅-漏极之间的距离和栅极的长度分别为0.5μm，10μm和2μm。通过使用Si3N4薄膜钝化器件表面，以减少HEMT中的电流崩塌效应。
为验证本申请提出的具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件相对于传统组分固定的背势垒层InAlN/GaN HEMT器件的优势，本申请发明人对二者的相关性能指标进行了仿真对比，其中传统组分固定的背势垒层InAlN/GaN HEMT器件的结构如图2所示，其背势垒层Al组分固定为0.1，厚度为25nm。
通过使用SilvacoTCAD的Atlas二维器件仿真工具分别对传统的组分固定Al0.1Ga0.9N背势垒HEMT器件和本申请提出的组分渐变的背势垒HEMT器件性能进行仿真比较。在二维数值计算中，使用了漂移扩散输运模型以及其它几个重要的物理模型，例如费米-狄拉克，低场电子迁移率，高场迁移率，载流子产生复合模型(SRH)和极化，并且设置了压电极化参数和自发极化参数。在小信号交流仿真的基础上，讨论了器件的频率特性。对于所有模拟，在In0.17Al0.83N处引入了供体陷阱，陷阱能级为0.42eV，密度为3.86×1013cm-3，而在非故意掺杂(UID)GaN缓冲层中考虑了受体陷阱，陷阱能级低于导带0.4eV，陷阱密度为1×1017cm-3。
图3展示了本申请提出的具有组分渐变和传统组分固定的背势垒的两种HEMT器件在漏电压(Vds)为5V时的传输特性，其中图3A为栅电压-漏电流仿真图，图3B为栅电压-跨导仿真图。根据图3可知，与传统具有组分固定的Al0.1Ga0.9N背势垒的HEMT相比，本申请提出的组分渐变的AlGaN背势垒HEMT的饱和电流和跨导均有所提高。这是由于逐渐形成的Al成分会削弱寄生沟道对主沟道的影响并增加2DEG的迁移率。
本申请提出的具有组分渐变和传统组分固定的背势垒的两种HEMT器件在Vds为8V时的射频(RF)性能如图4所示，本申请提出的具有组分渐变的背势垒的HEMT器件通过AlGaN背势垒中渐变的Al组分，改善了器件的RF性能。由图4可知，本申请提出的具有渐变组分的背势垒层的器件实现了5GHz的电流增益截止频率峰值和19GHz的功率增益截止频率峰值，均高于传统组分固定的的背势垒的HEMT器件。此结果的原因主要是由于AlGaN背势垒中的分级极化导致更高的跨导和更高的输出电阻，从而使得电流增益截止频率峰值更高且功率增益截止频率峰值也较高。
本发明通过对Atlas漂移-扩散模拟的二维分析，提出了具有极化渐变AlGaN背势垒的晶格匹配In0.17Al0.83N/AlN/GaN HEMT。通过引入具有极化渐变AlGaN背势垒，可以有效地增强沟道中的电子约束，从而改善器件的性能。
此外，背势垒中的极化渐变可以降低寄生沟道中的2DEG浓度并减弱沟道的不利影响，这有利于改善器件的电子性能。极化渐变的AlGaN背势垒可以替代固定的Al含量AlxGa1-xN背势垒设计，从而获得高性能的InAlN/GaN HEMT。
由此，该结构有助于GaN基功率器件的发展。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，其特征在于，所述HEMT器件的外延结构依次包括：衬底，GaN缓冲层，Al组分渐变的AlGaN背势垒层，GaN沟道，AlN插入层，In组分为0.17的InAlN势垒层，以及钝化层，栅极、源极和漏极；
其中靠近GaN主沟道侧的渐变AlGaN背势垒层的Al成分为0.1，并且远离主沟道逐渐减小至0。
2.根据权利要求1所述的具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，其特征在于，所述HEMT器件中，Al组分渐变的AlGaN背势垒层中Al含量从0.1到0呈线性变化。
3.根据权利要求2所述的具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，其特征在于，所述衬底的材料为蓝宝石。
4.根据权利要求3所述的具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，其特征在于，所述GaN缓冲层为非故意n型掺杂，背景载流子浓度为1×1016cm-3，其厚度为2μm。
5.根据权利要求4所述的具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，其特征在于，所述GaN沟道的厚度为14nm。
6.根据权利要求5所述的具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，其特征在于，所述AlN插入层的厚度为1nm。
7.根据权利要求6所述的具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，其特征在于，所述InAlN势垒层为未掺杂且厚度为10nm，Al组分为0.83，与厚度为14nm的GaN沟道实现晶格匹配。
8.根据权利要求7所述的具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，其特征在于，源极和漏极均为欧姆接触，栅极为肖特基接触。
9.根据权利要求8所述的具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，其特征在于，栅-源极之间的距离，栅-漏极之间的距离和栅极的长度分别为0.5μm，10μm和2μm。
10.根据权利要求9所述的具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，其特征在于，所述钝化层采用Si3N4。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210129 |