CN114649411A - 具有掺铝缓冲层的高电子迁移率晶体管器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有掺铝缓冲层的高电子迁移率晶体管器件。所述高电子迁移率晶体管器件包括一个基板和基板上方的外延层，所述外延层包括一个包含含铝掺杂剂的缓冲层，其中，所述缓冲层内的铝浓度介于0.5％和3％之间。所述外延层进一步包括一个缓冲层上方的沟道层和一个沟道层上方的阻挡层。所述外延层表面设有一个栅极接点。外延层表面还设有一个源极接点和一个漏极接点，其中，所述源极接点和漏极接点与栅极接点相互隔开。
Description
相关申请
本申请要求于2020年12月17日递交的第63/126 837号临时专利申请的优先权，所述第63/126 837号临时专利申请的公开通过本发明的整体引用，成为本发明的一部分。
技术领域
本公开涉及一种具有缓冲层(能够提高线性度)的高电子迁移率晶体管器件。
背景技术
射频(RF)频谱变得越来越拥挤。因此，为了共享拥挤的射频频谱，非常可取的做法是提高放大器的线性度。然而，至少存在一个问题会使放大器线性度出现下降，即存在无掺杂氮化镓缓冲层(通常为n型)，其原因在于，在氮化镓缓冲层的外延生长过程中，进入了不必要的硅或氧。n型氮化镓缓冲层通常会使氮化镓高电子迁移率晶体管器件发生泄漏，这种器件的射频性能非常差。这就需要一种具有缓冲层的高电子迁移率晶体管器件，其缓冲层能够消除泄漏，从而提高线性度。
发明内容
本发明公开了一种高电子迁移率晶体管(HEMT)器件。所述HEMT器件包括一个基板和基板上方的外延层，所述外延层包括一个包含含铝掺杂剂的缓冲层，其中，所述缓冲层内的铝浓度介于0.5％和3％之间。所述外延层进一步包括一个缓冲层上方的沟道层和一个沟道层上方的阻挡层。所述外延层表面设有一个栅极接点。所述外延层表面还设有一个源极接点和一个漏极接点，其中，所述源极接点和漏极接点与栅极接点相互隔开。
在另一方面，为了实现其他优势，可将上述各方面中的任一方面(单独或一起)和/或本文所述各个单独方面和特性相结合。除非本发明另有相反说明，否则本发明公开的各个特性和要素中的任何一个可与一个或多个其他已公开特性和要素相结合。
在结合附图阅读以下优选实施例的详细描述之后，本领域技术人员将会理解本公开的范围，并实现本公开的其他方面。
附图说明
纳入本说明书并构成其一部分的附图显示了本公开的几个方面，并与以下说明一起解释本公开的原理。
图1为根据本公开构造的高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的横截面图。
图2为HEMT器件示例性实施例的横截面图，其中，缓冲层在横向上分为一个无掺杂区和一个包含含铝掺杂剂的掺杂区。
图3为另一示例性实施例的横截面图，其中，缓冲层具有一个含有铁或碳等非铝掺杂剂的第二掺杂区。
图4为场效应晶体管典型半导体结构的能带图。
图5为采用铁陷阱的氮化镓(GaN)缓冲层上的典型深陷阱曲线图。
图6A说明了当HEMT器件作为栅极电压控制开关操作时，HEMT器件上的漏电流动态变化情况。
图6B为HEMT器件的横截面图，其中，缓冲层中的陷阱未填充，用空心点表示。
图6C为HEMT器件的横截面图，其中，缓冲层中的陷阱已填充，用实心点表示。
图7A显示了HEMT器件(采用含2％稀释铝掺杂剂的GaN缓冲层)的静态漏电流动态变化情况。
图7B为图7A图表所示静态漏电流动态变化情况汇总表。
图8A显示了具有类似构造器件(具有铁深陷阱，而非本公开HEMT器件的铝掺杂剂)的动态变化情况。
图8B为图8A图表所示静态漏电流动态变化情况汇总表。
图9显示了放大器，其中将一对HEMT器件作为可放大本公开所述射频信号的放大器件。
具体实施方式
下文所述实施例提供了必要的信息，使本领域技术人员能够实践实施例，并说明最佳的实施例实践方式。在结合附图阅读以下说明时，本领域技术人员将理解本公开的概念，并认识到本文未特别提及的概念应用。应当理解，这些概念和应用均属于本公开和所附权利要求的范围。
可以理解，虽然“第一”、“第二”等术语在本发明中可用于描述各种要素，但是这些要素不受这些术语限制，仅用于将一个要素与另一个要素区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一要素可称为第二要素，同样，第二要素亦可称为第一要素。本文中使用的术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任何和所有组合。
可以理解，当提到层、区或基板等要素“位于另一要素上”或延伸“到另一要素上”时，此要素可直接位于另一要素上或直接延伸到另一要素上，或者也可能存在中间要素。相反，当提到一个要素“直接位于另一要素上”或“直接延伸到另一要素上”时，不存在中间要素。同样，可以理解，当提到层、区或基板等要素“位于另一要素上方”或“在另一要素上方”延伸时，此要素可直接位于另一要素上方或直接在另一要素上方延伸，或者也可能存在中间要素。相反，当提到一个要素“直接位于另一要素上方”或“直接在另一要素上方”延伸时，不存在中间要素。还可以理解，当提到一个要素与另一要素“连接”或“耦合”时，此要素可与另一要素直接连接或耦合，或者可能存在中间要素。相反，当提到一个要素与另一要素“直接连接”或“直接耦合”时，不存在中间要素。
如附图所示，在本发明中可使用相对术语来描述一个要素、层或区与另一要素、层或区的关系，如“下方”或“上方”，或“上部”或“下部”，或“水平”或“垂直”。可以理解，这些术语和上述术语旨在涵盖附图所述取向以外的不同器件取向。
本发明中使用的术语仅用于描述特定实施例，而非旨在对本公开构成限制。除非上下文另有明确说明，否则本发明中使用的单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”包括复数形式。可以进一步理解，当本发明中使用术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”和/或“包括(including)”时，即说明存在所述特性、整数、步骤、操作、要素和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特性、整数、步骤、操作、要素、部件和/或其分组。
除非另有规定，否则本发明中使用的所有术语(包括科技术语)的含义与本公开所属领域普通技术人员通常理解的含义相同。可以进一步理解，本发明中使用的术语应解释为具有与本说明书上下文中的含义相符的含义，除非本文另有明确规定，否则这些术语不会在理想化或过于正式的意义上进行解释。
在本发明中，参照本公开实施例示意图对实施例进行描述。因此，层和要素的实际尺寸可以有所不同，例如由于制造技术和/或公差的原因，预计插图形状会有变化。例如，显示或描述为正方形或矩形的区域可具有圆形或曲线形特性，而显示为直线的区域可存在一些不规则性。因此，图中所示区域为示意性，其形状并非旨在说明器件某个区域的精确形状，也并非旨在限制本公开的范围。另外，为了方便说明，结构或区域的大小可相对于其他结构或区域放大，因此，提供结构或区域的大小旨在说明本主题的一般结构，并且可以按比例绘制，也可以不按比例绘制。在本发明中，附图之间的共同要素可用共同要素编号显示，后续不作重复说明。
由于在外延生长过程中进入了不必要的硅(Si)或氧(O)(两种已知浅施主)，因此无掺杂氮化镓(GaN)缓冲层通常为n型。n型GaN缓冲层使GaN场效应管(FET)器件发生泄漏，这种器件的射频(RF)性能非常差。
为了减少GaN缓冲层的泄漏，器件技术人员在生长过程中引入深陷阱。外延生长过程中，用于此目的的两种最常见的深能级陷阱是碳和铁。例如，铁是一种相对快速的陷阱，但是会显示生长记忆，也就是说，不能突然切换在缓冲层中加入铁。其不良后果是，必须在缓冲层中加入比需要量更多的深能级陷阱。相反，碳是一种较慢的陷阱。碳不会显示生长记忆，但缓冲层中的碳加入量受生长条件(包括温度、生长速率和V/III比)的控制。考虑到实现最高晶体质量的氮化镓缓冲层所需的优化生长窗口相对较小，将碳掺杂控制在所需水平变得非常具有挑战性。
深能级陷阱的积极特性是抑制高电子迁移率晶体管器件漏极侧和源极侧之间泄漏，从而产生性能更高的射频器件。深能级陷阱的消极特性是当受到接收和传输事件影响时会缓慢去陷，从而在器件静态漏电流条件下产生不必要的动态变化。
随着器件运行达到稳态漏极静态电流，器件跨导发生动态变化，因此在时域双工基站应用的背景下，接收和传输切换事件的动态变化尤为不利。这些跨导动态变化使用于氮化镓放大器线性化的数位预失真演算法的应用复杂化。其结果是高电子迁移率晶体管器件难以线性化，因而限制了信息传输能力。
从根本上说，缓冲层中深能级陷阱的数量以及与深能级陷阱相关联的去陷次数是决定特定器件使用方式的因素。就无传输和接收切换应用而言，由于铁深能级陷阱使缓冲层的生长温度和质量与缓冲层中的所需绝缘量解耦，因此优选铁深能级陷阱。就有传输和接收切换应用而言，由于碳掺杂层不需要那么多的深能级陷阱(生长时的瞬时切换)，且不会以缓冲层质量低、难控制为代价产生干扰传输基带信号的去陷动态变化(去陷时间非常慢)，因此优选碳掺杂缓冲层。
本发明公开了一种新型绝缘缓冲层，其具有铁温度解耦和可控性高、碳切换生长突然和去陷时间慢的优点。
特别是，可以用铝氧配合物代替典型的碳或铁深能级陷阱，并代替稀释铝掺杂剂通过缓冲层掺杂产生的其他固有缺陷。用铝代替碳或铁的主要优点如下：
铝氧配合物和碳一样，是一种非常缓慢的陷阱，用于防止混淆去陷动态变化和信息动态变化。此外，和碳一样，铝氧配合物的曲线可能会突然变化，从而无需添加比通常使用量更多的陷阱。与碳相比，在不改变其他生长条件的情况下，通过三甲基铝流即可实现铝氧控制。通过三甲基铝流控制铝氧，可使深能级陷阱的进入与缓冲层的生长条件解耦，从而保持缓冲层的整体质量。
简言之，用铝代替碳和铁会产生低浓度深能级陷阱器件，其通过更具可生产性的生长过程来控制优秀的传输/接收切换特征，无需利用生长条件来控制陷阱的数量。
图1为根据本公开构造的高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的横截面图。HEMT器件10具有一个基板12和基板12上方的外延层14。外延层14包括一个缓冲层16、一个缓冲层16上方的沟道层18和一个沟道层18上方的阻挡层20。HEMT器件10还包括一个设置在外延层14表面24上的栅极接点22。HEMT器件10进一步包括一个设置在外延层14表面24上方的源极接点26和一个设置在外延层18表面24上方的漏极接点28，其中，源极接点26和漏极接点28与栅极接点22相互隔开。在示例性实施例中，缓冲层16由包含含铝掺杂剂30的氮化镓制成。在一些示例性实施例中，由于存在掺杂剂30，缓冲层16中的铝浓度介于0.5％和3％之间。在示例性实施例的一些其他实施例中，由于存在掺杂剂30，缓冲层16中的铝浓度介于0.5％和0.75％之间。在其他示例性实施例中，由于存在掺杂剂30，缓冲层16中的铝浓度介于0.75％和1.25％之间。在其他示例性实施例中，由于存在掺杂剂30，缓冲层16中的铝浓度介于1.25％和2％之间。在其他示例性实施例中，由于存在掺杂剂30，缓冲层16中的铝浓度介于2％和3％之间。
在一些示例性实施例中，如图2所示，缓冲层16在横向上分为一个无掺杂区32和一个包含含铝掺杂剂30的第一掺杂区34。如图3所示，在其他示例性实施例中，缓冲层16具有一个含非铝掺杂剂38的第二掺杂区36，在图3中用字母X表示。在这些示例性实施例中，无掺杂区32与沟道层18相邻，第一掺杂区34夹在无掺杂区32和第二掺杂区34中间。在一些示例性实施例中，非铝掺杂剂38为碳。在其他示例性实施例中，非铝掺杂剂38为铁。
图4为场效应晶体管的典型半导体结构的能带图。注意非故意情况下出现的施主态的能量。黑线表示为了使缓冲层绝缘而故意添加的深陷阱。故意添加的深陷阱数量应大于非故意情况下出现的施主态的数量。否则，缓冲层将具有导电性，不能用于射频应用。
图5为采用铁陷阱的GaN缓冲层上的典型深陷阱曲线图，用实线曲线表示。由于存在生长记忆效应，铁的浓度不会突然下降。图5中虚线所示的理想陷阱曲线具有较大的转折。为了实现这种较大转折的曲线，可使用碳或在铝稀释GaN缓冲层中使用铝氧配合物。然而，使用碳时需要改变生长条件，从而影响缓冲层上构造的场效应晶体管的击穿。
图6A说明了当HEMT器件作为栅极电压控制开关操作时，HEMT器件10上的漏电流动态变化情况，具体如图6B和图6C所示。当栅极电压处于深夹断状态时，沟道层18中没有漏极电流通过。如图6C所示，缓冲层16中的所有陷阱(黑点)已填充完毕。
如图6A所示，当栅极电压从状态(1)增加到状态(2)时，从漏极流向源极的漏极电流增加。由于陷阱需要一段时间才能去陷，因此稳态(3)的增加为非瞬时性增加。正是漏电流的这种接收-传输切换上的动态变化，增加了数位预失真线性的难度。如果陷阱过多，例如GaN缓冲层中的4％稀释Al掺杂剂，则状态(2)漏电流的起始点非常低，并且器件很难线性化。
图7A显示了在漏极电压(VD)48V条件下经受栅极电压(VG)5ms接收-传输动态变化情况-4V至-10V，HEMT器件10(采用含2％稀释铝掺杂剂的GaN缓冲层)的静态漏电流动态变化情况。图7B中的表格汇总了图7A中所述的静态漏电流动态变化情况。为了便于比较，图8A显示了具有类似构造的器件(具有铁深陷阱，而非HEMT器件10的铝掺杂剂)的动态变化情况。本领域技术人员将会认识到，掺铝缓冲层的动态变化情况有了很大改进。图8B中的表格汇总了图8A中所述的静态漏电流动态变化情况。
图9显示了放大器40，其中将一对HEMT器件10-1和10-2作为可放大射频信号的放大器件。在本示例性实施例中，所述放大器采用多尔蒂放大器，其中HEMT器件10-1作为载波放大器，HEMT器件10-2作为峰值放大器。在本示例性实施例中，一对HEMT器件10-1和10-2在输入正交耦合器42和输出正交耦合器44之间耦合。射频信号输入端46(RFIN)与输入正交耦合器42的第一端口P1耦合，输入终端阻抗48与正交耦合器42的第二端口P2耦合。输入终端阻抗50与输出正交耦合器44的第三端口P3耦合，射频信号输出端52(RFOUT)与输出正交耦合器44的第四端口P4耦合。
根据预期，为了实现其他优势，可将上述各方面中的任一方面和/或本发明所述各个单独方面和特性相结合。除非本发明另有相反说明，否则本发明中公开的各个实施例中的任何一个可与一个或多个其他已公开实施例相结合。
本领域技术人员将会认识到对本公开优选实施例所做的改进和修改。所有改进和修改均视为在本发明中公开的概念及所附权利要求书的范围。
Claims (21)
1.一种高电子迁移率晶体管器件，包括：
一个基板；
基板上方的外延层，并且包括；
一个包含含铝掺杂剂的缓冲层，其中，缓冲层内的铝浓度介于0.5％和3％之间；
一个缓冲层上方的沟道层；
一个沟道层上方的阻挡层；以及
一个设置在外延层表面的栅极接点；
一个设置在外延层表面的源极接点；以及
一个设置在外延层表面的漏极接点，其中，源极接点和漏极接点与栅极接点相互隔开。
2.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述缓冲层包含氮化镓。
3.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述缓冲层内的铝浓度介于0.5％和0.75％之间。
4.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述缓冲层内的铝浓度介于0.75％和1.25％之间。
5.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述缓冲层内的铝浓度介于1.25％和2％之间。
6.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述缓冲层内的铝浓度介于2％和3％之间。
7.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述缓冲层在横向上分为一个包含含铝掺杂剂的掺杂区和一个无掺杂区。
8.根据权利要求7所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述掺杂区内的铝浓度介于0.5％和0.75％之间。
9.根据权利要求7所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述掺杂区内的铝浓度介于0.75％和1.25％之间。
10.根据权利要求7所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述掺杂区内的铝浓度介于1.25％和2％之间。
11.根据权利要求7所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述掺杂区内的铝浓度介于2％和3％之间。
12.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述缓冲层在横向上分为一个包含含铝掺杂剂的第一掺杂区、一个包含非铝掺杂剂的第二掺杂区和一个无掺杂区。
13.根据权利要求12所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述第一掺杂区内的铝浓度介于0.5％和0.75％之间。
14.根据权利要求12所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述第一掺杂区内的铝浓度介于0.75％和1.25％之间。
15.根据权利要求12所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述第一掺杂区内的铝浓度介于1.25％和2％之间。
16.根据权利要求12所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述第一掺杂区内的铝浓度介于2％和3％之间。
17.根据权利要求12所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述第二掺杂区掺杂有碳。
18.根据权利要求12所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述第二掺杂区掺杂有铁。
19.根据权利要求12所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述无掺杂区与沟道层相邻，所述第一掺杂区夹在无掺杂区和第二掺杂区中间。
20.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述高电子迁移率晶体管器件包括一个能够放大射频信号的放大器。
21.根据权利要求20所述的高电子迁移率晶体管器件，其中，所述放大器采用多尔蒂放大器。
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