CN112736140A - 一种基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，自下而上依次包括：衬底、成核层、非掺杂GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层，以及在AlGaN势垒层上分别引出的源极、栅极和漏极；与此同时，在栅极下方的GaN沟道层中设置一个正离子注入区。一方面，当栅极下方的GaN沟道层注入正离子之后，相当于在能带上增加了势垒高度，拉升了势阱，从而实现了沟道内二维电子气(2DEG)的耗尽，成为增强型器件；另一方面，正离子注入可以有效降低AlGaN势垒层的表面损伤和缺陷，减少表面态和缺陷，有效抑制电流崩塌，从而提高器件的输出电流，最终改善器件的输出功率和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子材料和器件制造领域，具体涉及一种基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)。
背景技术
作为第三代半导体，氮化镓(GaN)材料具有较大的禁带宽度和键结合能、良好的热稳定性和化学稳定性、较高的电子饱和速度和较大的临界击穿电场等优点。与此同时，GaN材料还可以与铝镓氮(AlGaN)等材料形成异质结，通过自发极化效应和压电极化效应在异质结界面形成高浓度、高迁移率的二维电子气(2DEG)，因此在高频、高速器件方面的应用极具优势[1]。
AlGaN/GaN HEMT根据工作模式可以分为耗尽型和增强型两种。通常AlGaN/GaN在制备完成时已经形成2DEG通道，制备出来的HEMT都是耗尽型器件，只有在栅极电压为负时才能关断。这在实际电路应用中会增加电路的成本和和复杂性，同时也具有安全隐患。因此需要一种栅极施加正向电压才能开启的HEMT器件，即增强型器件。对于增强型器件，在零伏栅电压下，沟道是夹断的，只有当栅电压大于阈值电压时，沟道内才会出现2DEG，沟道导通，电子从源极流向漏极，实现功率和电流的输出。
目前，实现增强型AlGaN/GaN HEMT器件的主要技术手段包括降低栅极到沟道的距离、降低AlGaN/GaN异质结的导带差以及通过氟基等离子体处理等方法[2-4]。其中，基于氟离子注入实现增强型AlGaN/GaN HEMT器件如图2所示。但是，上述工艺的实施都会导致AlGaN势垒层表面受到损伤，增加势垒层材料的表面的悬挂键和表面态，形成捕获电子的缺陷和陷阱，最终导致器件的输出电流Ids下降，膝电压上升，最终引起输出功率减小，此即电流崩塌效应。因此，为改善增强型AlGaN/GaN HEMT的器件性能，业界迫切需要一些新型的技术手段来改善电流崩塌。
发明内容
针对上述现有技术制备的增强型AlGaN/GaN HEMT所存在的问题，本发明提供了一种基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN HEMT。采用该种结构一方面可以在能带上增加势垒高度，拉升势阱，从而实现了沟道内2DEG的耗尽，成为增强型器件；另一方面，正离子注入可以有效减少势垒层表面的损伤和悬挂键，减少缺陷和陷阱，有效抑制电流崩塌，从而提高器件的输出功率和可靠性。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN HEMT，包括自下而上依次设置的衬底、成核层、非掺杂GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层以及在AlGaN势垒层上分别设置的漏极、栅极和源极；其中，栅极(107)设置在中间位置；在栅极之下的GaN沟道层中设置有一个正离子注入区，向正离子注入区中注入正离子，所注入的正离子为带一价正电的离子。
进一步的，所述的衬底选自蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化镓或氮化铝材料中的至少一种。
进一步的，所述成核层选自AlN、GaN或AlGaN材料的至少一种。
进一步的，所述漏极、栅极和源极采用的电极材料选自Ni、Al、In、Au、Ti中的一种或几种材料所形成的合金。
其中，所述漏极和源极与AlGaN势垒层之间形成欧姆接触，所述栅极与AlGaN势垒层之间形成肖特基接触。
其中，所述正离子注入区位于栅极正下方的GaN沟道层中。
作为优选的方案，所述正离子注入区中注入的正离子为锂离子。
作为优选的方案，所注入的正离子浓度为不低于1018cm-3量级。
作为优选的方案，所注入的正离子的浓度峰值位于邻近异质界面的GaN沟道层中。
有益效果：
本发明提出了一种基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管。通过在GaN沟道层中设置正离子注入区，可以形成与极化电场方向相反的电场，从而在能带上增加势垒高度，拉升势阱，从而实现沟道内2DEG的耗尽，成为增强型器件；与此同时，由于离子注入区设置在GaN沟道层中，可以从源头上避免对AlGaN势垒层表面的损伤，因此使得势垒层表面的悬挂键、缺陷和陷阱大大减少，在正常工作时减少对电子的捕获，从而有效抑制电流崩塌效应，增大器件的输出电流Ids下降，最终提高器件的输出功率，改善器件的可靠性。
附图说明
图1为基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管示意图。由下至上依次为衬底(101)，成核层(102)、非掺杂GaN缓冲层(103)、GaN沟道层(104)、AlGaN势垒层(105)、在AlGaN势垒层(105)上分别设置漏极(106)、栅极(107)和源极(108)。此外，在栅极(107)之下的GaN沟道层(104)中存在一个正离子注入区(109)。
图2为现有技术制备的基于氟离子注入实现增强型AlGaN/GaN HEMT器件。由下至上依次为衬底(201)，成核层(202)、非掺杂GaN缓冲层(203)、GaN沟道层(204)、AlGaN势垒层(205)、在AlGaN势垒层(205)上分别设置漏极(206)、栅极(207)和源极(208)。此外，在栅极(207)之下的AlGaN势垒层(205)中设置一个氟离子注入区(209)。
具体实施方式
以下通过实施例形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。下述实施例中所使用的实验方法，如无特殊说明均为常规方法，所用的试剂、方法和设备，如无特殊说明均为本技术领域常规试剂、方法和设备。
在本发明的描述中，还需要说明的是：术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语如“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示，一种基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体，包括由下至上依次设置的衬底(101)、成核层(102)、GaN缓冲层(103)、GaN沟道层(104)、AlGaN势垒层(105)、在AlGaN势垒层(105)上分别设置漏极(106)、栅极(107)和源极(108)。此外，在栅极(107)之下的GaN沟道层(104)中存在一个正离子注入区(109)。
所述衬底(101)为C面蓝宝石衬底。
实施例中，所述成核层(102)为GaN成核层，其厚度为20nm，GaN缓冲层(103)的厚度为1.5μm，GaN沟道层(104)的厚度为10nm，AlGaN势垒层(105)的Al组分为0.27，厚度为10nm。漏极(106)、栅极(107)和源极(108)与AlGaN势垒层(105)的接触均为1μm。
所述漏极(106)和源极(108)与AlGaN势垒层(105)形成欧姆接触，而栅极(107)与AlGaN势垒层(105)形成肖特基接触。
所述注入的正离子为带一价正电的离子。
所述正离子注入区(109)位于栅极(107)之下的GaN沟道层(104)中。
所述注入的正离子浓度为8×1018cm-3。
所述注入的正离子的浓度峰值位于邻近异质界面的GaN沟道层(104)中。
一方面，当栅极下方的GaN沟道层注入正离子之后，相当于在能带上增加了势垒高度，拉升了势阱，从而实现了沟道内二维电子气(2DEG)的耗尽，成为增强型器件；另一方面，正离子注入可以有效降低AlGaN势垒层的表面损伤和缺陷，减少表面态和缺陷，有效抑制电流崩塌，从而提高器件的输出电流，最终改善器件的输出功率和可靠性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN HEMT，其特征在于：包括自下而上依次设置的衬底(101)、成核层(102)、非掺杂GaN缓冲层(103)、GaN沟道层(104)、AlGaN势垒层(105)以及在AlGaN势垒层(105)上分别设置的漏极(106)、栅极(107)和源极(108)；其中，栅极(107)设置在中间位置；在栅极(107)之下的GaN沟道层(104)中设置有一个正离子注入区(109)，向正离子注入区(109)中注入正离子，所注入的正离子为带一价正电的离子。
2.根据权利要求1所述的基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN HEMT，其特征为：所述的衬底(101)选自蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化镓或氮化铝材料中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN HEMT，其特征为：所述成核层(102)选自AlN、GaN或AlGaN材料的至少一种。
4.根据权利要求1所述的基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN HEMT，其特征为：所述漏极(106)、栅极(107)和源极(108)采用的电极材料选自Ni、Al、In、Au、Ti中的一种或几种材料所形成的合金。
5.根据权利要求1所述的基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN HEMT，其特征为：所述漏极(106)和源极(108)与AlGaN势垒层(105)之间形成欧姆接触，所述栅极(107)与AlGaN势垒层(105)之间形成肖特基接触。
6.根据权利要求1所述的基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN HEMT，其特征为：所述正离子注入区位于栅极(107)正下方的GaN沟道层(104)中。
7.根据权利要求1所述的基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN HEMT，其特征为：所述正离子注入区(109)中注入的正离子为锂离子。
8.根据权利要求1所述的基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN HEMT，其特征为：所注入的正离子浓度为不低于1018cm-3量级。
9.根据权利要求1所述的基于正离子注入的增强型AlGaN/GaN HEMT，其特征为：所注入的正离子的浓度峰值位于邻近异质界面的GaN沟道层(104)中。
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