一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管，從下至上依次由襯底，GaN緩沖層，溝道層，勢壘層，勢壘層上的源極、漏極和柵極，柵極與漏極之間的電荷補償層，電荷補償層上的金屬電極以及絕緣介質組成，其特征在于：所述的溝道層、勢壘層和電荷補償層均為GaN材料，溝道層和勢壘層極化方向相反，勢壘層和電荷補償層極化方向相反。溝道層和勢壘層之間與勢壘層和電荷補償層之間由于極化電荷不平衡，產生了數量相同、類型相反的電荷，形成電荷自平衡的超結結構。解決了采用AlGaN等材料作為勢壘層引起的可靠性與輸出功率低等問題，同時解決了已有超結GaN器件中的電荷不平衡問題，提升了器件性能。
【專利說明】
-種氮化嫁基高電子遷移率晶體管
技術領域
[0001] 本發明設及半導體器件領域，尤其設及一種氮化嫁基高電子遷移率晶體管。
【背景技術】
[0002] 氮化嫁(GaN)基高電子遷移率晶體管化EMT)不但具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場 高、電子飽和速度高、導熱性能好、抗福射和良好的化學穩定性等優異特性，GaN材料還可W 與侶銅嫁氮(AlxInyGal-x-yN)等材料形成具有高濃度和高遷移率的二維電子氣(2DEG)異 質結溝道。因此，GaN皿MT特別適用于高壓、大功率和高溫應用領域，是電力電子應用最具 潛力的晶體管之一。
[0003] 已有技術GaN HEMT如圖1所示，器件通常采用AlGaN等材料作為勢壘層，通過GaN溝 道層和AlGaN勢壘層之間極化電荷不平衡而形成的2DEG充當導電溝道。但已有技術采用 AlGaN等勢壘層的GaN肥MT存在著W下不足：
[0004] 由于GaN材料和AlGaN材料晶格常數不同而產生應力，在溝道層與勢壘層之間的異 質結溝道和AlGaN勢壘層內形成電子陷阱，電子陷阱的存在不但會降低溝道2DEG濃度，限制 器件輸出功率，同時會造成電流崩塌效應，降低器件的可靠性與壽命；
[0005] AlGaN勢壘層中的A巧日Ga元素的無序排列，對其周期性勢場造成干擾，引起合金散 射，降低溝道2DEG遷移率與器件輸出功率；
[0006] AlGaN勢壘層中的應力弛豫和逆壓電極化效應會明顯降低溝道2DEG濃度，并造成 電流崩塌效應，影響器件的輸出功率與應用范圍。
[0007] 多個器件制備工藝都會對AlGaN勢壘層應變分布均勻性產生的影響，而勢壘層應 變分布的不均勻會導致對溝道2DEG的極化庫侖場散射，從而降低溝道2DEG遷移率和器件輸 出功率。
[000引此外，目前已制作GaN HEMT的擊穿電壓實際值與其理論耐壓極限相比仍然有較大 的差距，其主要原因是柵極電場集中效應的問題難W從根本上得到有效解決。當GaN皿MT 在高漏極電壓下時，溝道電力線集中指向柵極邊緣，在柵極邊緣形成電場峰值，使器件在較 低漏壓下便發生雪崩擊穿，無法充分發揮GaN材料的高耐壓優勢。
[0009] 2011 年，Nakajima等人（GaN-based S叩er heterojunction field effect transistors using the polarization junction concept. IEEE Electron Device Let ter s，2011，32 (4): 542-544)提出了一種超結AlGaN/GaN肥MT器件來解決柵極電場集中 效應。該肥MT器件結構如圖2所示，器件在柵極與漏極之間的AlGaN勢壘層上生長了一層GaN 層和P型GaN層。由于GaN層與AlGaN勢壘層界面極化電荷的不平衡，在GaN層與AlGaN勢壘層 界面會形成二維空穴氣（2DHG)，2DHG主要來源于P型GaN層內的雜質電離。當器件承受耐壓 時，2DHG與溝道內2DEG之間形成超結結構，二者相互耗盡，平滑溝道電場分布，從而提升器 件擊穿電壓。
[0010] 對于已有技術的超結AlGaN/GaN肥MT器件，由于器件溝道2DEG來源于AlGaN勢壘 層表面陷阱放電，2DEG和2DHG來源不同，同時由于P型GaN材料存在"凍析效應"，2DEG和2D服 之間很難做到電荷平衡，而超結中的電荷不平衡問題，會由于器件溝道產生峰值電場而導 致擊穿電壓下降，無法充分發揮超結結構與GaN材料的高耐壓特點。此外，P型GaN材料中的 "凍析效應"還會影響器件的熱穩定性。GaN層和AlGaN勢壘層之間由于應力而產生的界面陷 阱會導致電流崩塌效應，降低器件的可靠性。
【發明內容】
[0011] 本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術提供一種既能夠避免采用AlGaN 等勢壘層導致的輸出功率下降和可靠性等問題，又能解決已有超結GaN肥MT電荷不平衡問 題的氮化嫁基高電子遷移率晶體管。
[0012] 本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為:一種氮化嫁基高電子遷移率晶體 管，從下至上依次主要由襯底，GaN緩沖層，溝道層，勢壘層，勢壘層上的源極、漏極和柵極， 源極與漏極均為歐姆接觸，柵極為肖特基接觸，柵極與漏極之間的電荷補償層，電荷補償層 上的金屬電極W及絕緣介質組成，其特征在于:所述的溝道層、勢壘層和電荷補償層均為 Ga飾?料，溝道層和勢壘層極化方向相反，勢壘層和電荷補償層極化方向相反。
[0013] 器件工作原理如下：雖然溝道層和勢壘層均為GaN材料，但由于二者極化方向相 反，界面處將形成高濃度的凈極化電荷，從而產生高濃度的2DEG(或2DHG)，充當器件的導電 溝道;類似的，勢壘層和電荷補償層之間將形成高濃度的2DHG(或2DEG)。由于溝道層、勢壘 層和電荷補償層均為GaN材料，溝道層和勢壘層之間與勢壘層和電荷補償層之間形成的電 荷類型相反，密度相同，二者之間形成了電荷平衡的超結結構。
[0014] 進一步地，所述的GaN溝道層與GaN勢壘層之間，GaN勢壘層和GaN電荷補償層之間， 均通過鍵合的工藝相結合。
[001引為了避免漏極和柵極通過GaN電荷補償層直接導通，所述的GaN電荷補償層不能同 時與漏極和柵極相連。
[0016]進一步地，所述絕緣介質為高k介質，相對介電常數大于15。
[0017]為了避免GaN電荷補償層出現電位浮空，更好的控制器件特性，所述GaN電荷補償 層上制備有金屬電極，金屬電極與電荷補償層之間形成歐姆接觸或肖特基接觸，金屬電極 電位介于柵極電壓和漏極電壓之間。
[0018]與現有技術相比，本發明的優點在于：1、器件緩沖層、溝道層、勢壘層和電荷補償 層均為GaN材料，器件內不存在應變，可有效降低器件內電子陷阱密度，抑制器件電流崩塌 效應，改善器件輸出功率和可靠性;2、由于勢壘層為GaN材料，不會產生合金散射，同時由于 勢壘層內不會產生應變，也不存在應變分布不均勻的問題，不會產生極化庫倫場散射，可有 效改善溝道載流子遷移率，從而改善器件頻率特性與輸出功率;3、勢壘層內沒有逆壓電極 化效應，器件偏置電壓不會改變溝道載流子濃度，可有效改善器件電流崩塌效應;4、溝道層 和勢壘層之間與勢壘層和電荷補償層之間形成的載流子類型相反、濃度相同，二者之間可 形成電荷平衡的超結結構，可有效改善已有技術超結GaN HEMT中電荷不平衡的問題，同時 由于溝道層和勢壘層之間與勢壘層和電荷補償層之間的載流子均來源于極化電荷，而非雜 質電離，不會產生"凍析效應"，可有效提升器件可靠性。
【附圖說明】
[0019]圖1是已有技術的GaN肥MT結構示意圖；
[0020] 圖2是已有技術的超結GaN肥MT結構示意圖；
[0021] 圖3是本發明提出的GaN HEMT結構示意圖；
[0022] 圖4A是本發明實施例中的GaN HEMT工藝流程示意圖；
[0023] 圖4B是本發明實施例中的GaN HEMT工藝流程示意圖；
[0024] 圖4C是本發明實施例中的GaN肥MT工藝流程示意圖；
[0025] 圖4D是本發明實施例中的GaN肥MT工藝流程示意圖；
[0026] 圖4E是本發明實施例中的GaN HEMT工藝流程示意圖；
[0027] 圖4F是本發明實施例中的GaN HEMT工藝流程示意圖；
[002引圖4G是本發明實施例中的GaN HEMT工藝流程示意圖；
[0029] 圖5是本發明實施例中的GaN HEMT柵極與漏極之間能帶結構示意圖；
[0030] 圖6是本發明實施例中的GaN HEMT轉移特性曲線；
[0031] 圖7是本發明提出的GaN皿MT與已有技術GaN皿MT擊穿時溝道橫向電場分布比 較；
[0032] 圖8是溫度300k時，本發明提出的GaN HEMT與已有技術超結GaN皿MT擊穿時溝道 橫向電場分布比較；
[0033] 圖9是溫度200k時，本發明提出的GaN HEMT與已有技術超結GaN皿MT擊穿時溝道 橫向電場分布比較
[0034] 其中，圖中附圖標記對應的零部件名稱為：
[003引 101-襯底，102-GaN緩沖層，103-GaN溝道層，104-GaN勢壘層，105-源極， 106-漏極，107-柵極，108-GaN電荷補償層，109-絕緣介質，110-金屬電極。
【具體實施方式】
[0036] W下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
[0037] 圖4A~圖4G為本發明所提出的器件結構制備工藝流程示意圖。圖4A為器件外延準 備，GaN緩沖層102和GaN溝道層103制備于襯底101上，其極化方向均為向上，GaN勢壘層104 制備于襯底1011上，其極化方向同樣為向上。圖4B中，將GaN溝道層103和GaN勢壘層104通過 鍵合工藝結合到一起，此時GaN緩沖層102和GaN溝道層103極化方向向上，而GaN勢壘層104 極化方向變為向下，在GaN溝道層103和GaN勢壘層104界面處由于極化電荷不平衡，會形成 高濃度的2DEG，充當器件的導電溝道。圖4C中，將襯底1011剝離，并通過化學機械拋光和刻 蝕工藝將GaN勢壘層104減薄至預期的厚度；同時將GaN電荷補償層108制備于襯底1012上， 其極化方向為向下。圖4D中，將GaN勢壘層104和GaN電荷補償層108通過鍵合工藝結合到一 起，此時GaN電荷補償層108極化方向變為向上，由于極化電荷不平衡，GaN勢壘層104和GaN 電荷補償層108界面處將形成高濃度的2DHG。圖4E中，將襯底1012剝離，并通過化學機械拋 光和刻蝕工藝將GaN電荷補償層108加工至預期的厚度和形狀。圖4F中，形成柵極107、源極 105、漏極106和金屬電極。圖4G中，形成絕緣介質109。
[0038] 為了驗證本發明所提出器件結構的工作機制，對圖4G所示器件進行了仿真，仿真 參數由表1給出。其中電荷補償層位于與柵極107相連，距離漏極106的距離均為2μπι，電荷補 償層上絕緣介質109厚度為50nm。
[0039] 表1器件仿真結構參數
[0040]
[0041] 圖5所示為器件柵極107與漏極106之間沿垂直方向能帶結構仿真結果。從圖中可 W看出，在電荷補償層與勢壘層界面處，價帶向上彎曲接近費米能級，在該界面處形成了高 濃度的2DHG，而在勢壘層與溝道層界面處，導帶向下彎曲，在該界面處形成了高濃度的 2DEG。勢壘層與溝道層界面2DEG充電器件導電溝道，而電荷補償層與勢壘層界面的2DHG與 溝道2DEG形成超結結構，當器件承受耐壓時相互耗盡，擴展器件電場區域，平滑溝道電場分 布，從而提升器件耐壓。
[0042] 圖6所示為本發明所提出器件的轉移特性曲線。從圖中可W看出，與已有技術GaN 肥MT轉移特性類似，器件為耗盡型，闊值電壓為-8.8V，當柵壓為0V，漏極106電壓為0.5V時， 器件漏極106電流密度為0.47A/mm。
[0043] 為了進一步證實發明所提出GaN皿MT的耐壓優勢，圖7比較了本發明所提出GaN 皿MT與已有技術GaN HEMT(器件結構如圖1所示）擊穿時溝道橫向電場分布，已有技術GaN 肥MT中AlGaN勢壘層104厚度為30nm，A1組分為0.25，溝道2DEG濃度為1.03 X l〇i3cm-2，器件 其他參數與表1相同。器件擊穿電壓定義為截止狀態下(柵極107電壓二-lOV)，漏極106電流 密度達到ImA/mm時的漏極106電壓。從圖中可W看出，由于柵極107電場集中效應，已有技術 GaN HEMT柵極107邊緣形成電場峰值，器件在較低漏壓下便被擊穿，擊穿電壓為145V。而對 于本發明所提出的GaN肥MT，由于高漏壓下GaN電荷補償層108與GaN勢壘層104之間形成的 2DHG和溝道2DEG相互耗盡，溝道形成了平滑的電場分布，器件擊穿電壓為1296V，是已有技 術GaN肥MT的8.94倍。
[0044] 為了進一步證實本發明所提出GaN HEMT的可靠性優勢，仿真了不同溫度下本發明 所提出GaN HEMT與已有技術超結GaN肥MT耐壓特性比較。已有技術超結GaN肥MT器件結構 如圖2所示，GaN層厚度為10nm;P型GaN層厚度為40加1，滲雜濃度為3X102Dcm-3,300k時P型 GaN層雜質電離率為1 %，300k時2畑G濃度為1.2 X l〇i3cm-2，GaN層和P型GaN層長度均為4皿； AlGaN勢壘層104厚度為30nm，A1組分為0.25，溝道2DEG濃度為1.03 X l〇i3cm-2，器件其他參 數與表1相同。圖8為300k時本發明提出的GaN肥MT與已有技術超結GaN肥MT擊穿時溝道橫 向電場分布比較。從圖中可W看出，由于已有技術超結GaN肥MT中，2DHG濃度高于溝道2DEG 濃度，器件承受耐壓時，2DHG無法完全耗盡，在GaN層邊緣形成電場峰值，器件擊穿電壓為 1017V。而本發明提出的GaN肥MT由于2DHG和2DEG電荷平衡，溝道內沒有形成電場峰值，器 件耐壓為1296V，較已有技術超結GaN肥MT提高了 27.4 %。
[0045] 圖9為200k時本發明提出的GaN肥MT與已有技術超結GaN肥MT擊穿時溝道橫向電 場分布比較。由于本發明提出的GaN HEMT不存在"凍析效應"，器件擊穿電壓與300k時相同， 仍為1296V。而對于已有技術超結GaN肥MT，由于P型GaN層內P型雜質存在"凍析效應"，2D服 濃度隨著溫度的降低而急劇減小，2DHG無法完全耗盡溝道2DEG，器件在柵極107邊緣形成電 場峰值，擊穿電壓較300k時大幅減小，僅為194V。
[0046] 雖然上述實施例是W氮化嫁基高電子遷移率晶體管(GaN肥MT)為例進行說明的， 但是所提出結構適用于各種其他半導體材料構成的多種結構晶體管。
[0047] W上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明做任何形式上的限制，凡是依 據本發明的技術實質對W上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發明的保護 范圍之內。
【主權項】
1. 一種氮化鎵基高電子迀移率晶體管，從下至上依次主要由襯底（101)，GaN緩沖層 (102) ，溝道層（103)，勢皇層（104)，勢皇層（104)上的源極（105)、漏極（106)和柵極（107)， 柵極（107)與漏極（106)之間的電荷補償層（108)，電荷補償層（108)上的金屬電極（110)以 及絕緣介質（109)組成，其特征在于:所述的溝道層（103)、勢皇層（104)和電荷補償層（108) 均為GaN材料，溝道層（103)和勢皇層（104)極化方向相反，勢皇層（104)和電荷補償層（108) 極化方向相反。2. 根據權利要求1所述的氮化鎵基高電子迀移率晶體管，其特征在于：所述的溝道層 (103) 與勢皇層（104)之間，勢皇層（104)和電荷補償層（108)之間，均通過鍵合的工藝相結 合。3. 根據權利要求1或2所述的氮化鎵基高電子迀移率晶體管，其特征在于:所述的電荷 補償層（108)不能同時與漏極（106)和柵極（107)相連。4. 根據權利要求3所述的氮化鎵基高電子迀移率晶體管，其特征在于:所述的金屬電極 (110)電位介于柵極（107)電壓和漏極（106)電壓之間。5. 根據權利要求1所述的氮化鎵基高電子迀移率晶體管，所述絕緣介質（109)為高k介 質，相對介電常數大于15。6. 根據權利要求1所述的氮化鎵基高電子迀移率晶體管，其特征在于:所述的金屬電極 (110)與電荷補償層(108)之間形成歐姆接觸。7. 根據權利要求1所述的氮化鎵基高電子迀移率晶體管，其特征在于:所述的金屬電極 (110)與電荷補償層(108)之間形成肖特基接觸。
【文檔編號】H01L29/10GK105870164SQ201610191581
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月30日
【發明人】曲兆珠, 趙子奇, 朱超, 張后程, 姜濤, 胡子陽
【申請人】寧波大學