專利名稱：一種具有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體是指ー種具有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表，與第一代半導(dǎo)體材料硅(Si)和第二代半導(dǎo)體材料神化鎵(GaAs)相比，GaN具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、電子飽和速度大、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照等優(yōu)點(diǎn)，是發(fā)展高電壓、大功率電カ電子器件的理想材料。而且氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GaN HFET)由于其高的擊穿電場(chǎng)和電子飽和速度，以及高的ニ維電子氣面密度和飽和電流，從而可以獲得很高的輸出功率，因此特別適用于高壓、大功率和高溫應(yīng)用，是電カ電子應(yīng)用最具潛力的晶體管之一。
已有技術(shù)的GaN HFET其結(jié)構(gòu)如圖I所示。主要包括襯底，氮化鋁(AlN)成核層，氮化鎵(GaN)緩沖層，氮化鎵(GaN)溝道層，氮化鋁(AlN)插入層，鋁鎵氮(AlGaN)勢(shì)壘層以及勢(shì)壘層上形成的源極、漏極和柵極，其中源極和漏極與勢(shì)壘層形成歐姆接觸，柵極與勢(shì)壘層形成肖特基接觸。但是對(duì)于普通GaN HFET來說，由于生長(zhǎng)エ藝的限制，在GaN緩沖層中存在很高濃度的背景載流子(I X IO14 cm_3 l X IO18 cm_3)。當(dāng)器件在高壓下工作吋，緩沖層會(huì)形成漏電通道，從源極發(fā)出的電子可以經(jīng)過GaN緩沖層到達(dá)漏扱，形成泄漏電流，導(dǎo)致器件提前擊穿，使器件的擊穿電壓遠(yuǎn)低于理論預(yù)期，限制了 GaN器件的輸出功率。在本發(fā)明提出以前，為降低器件緩沖層泄漏電流，提高器件擊穿電壓，通常使用以下方法來實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)緩沖層設(shè)計(jì)在GaN 緩沖層內(nèi)慘入碳、鐵等雜質(zhì)[Eldad Bahat-Treidel et al. , “AlGaN/GaN/GaN:C Back-Barrier HFETs With Breakdown Voltage of Over IkV and Low R0NXA”，Transactions on Electron Devices, VOL. 57, No. 11, 3050-3058 (2070)]。碳、鐵等雜質(zhì)會(huì)在氮化鎵材料內(nèi)引入深能級(jí)電子陷阱，俘獲從源極注入至緩沖層內(nèi)的電子，從而降低緩沖層的泄漏電流，但是該技術(shù)對(duì)器件擊穿電壓提升有限，無法充分發(fā)揮氮化鎵材料的耐壓優(yōu)勢(shì)，該同時(shí)碳、鐵等雜質(zhì)引入的深能級(jí)陷阱同樣會(huì)導(dǎo)致諸如器件輸出電流下降、電流崩塌效應(yīng)和反應(yīng)速度下降等缺點(diǎn)，影響器件穩(wěn)定性。使用AlGaN 等背勢(shì)魚緩沖層結(jié)構(gòu)[Oliver Gilt et al. , “Normally-off AlGaN/GaN HFET with p-type GaN Gate and AlGaN Buffer，，， Integrated Power ElectronicsSystems, 2070]。AlGaN等背勢(shì)壘的使用增大了從溝道ニ維電子氣到緩沖層的勢(shì)壘高度，從而降低器件緩沖層泄漏電流，但是該技術(shù)同樣對(duì)器件擊穿電壓提升有限，未能充分體現(xiàn)氮化鎵材料的耐壓優(yōu)勢(shì)，同時(shí)AlGaN背勢(shì)壘不僅在緩沖層和溝道之間由于晶格失配引入缺陷和陷阱，而且AlGaN緩沖層引入的極化電荷會(huì)降低溝道ニ維電子氣濃度，增大器件導(dǎo)通電阻。使用AlGaN/GaN 或 AlN/GaN 等多層復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)[Manabu Yanagihara et al,“Recent advances in GaN transistors for future emerging application，，， Phys.Status Solidi A, Vol. 206，No. 6, 1221-1227 (2009) ]。AlGaN/GaN或 AlN/GaN 多層復(fù)合結(jié)構(gòu)在緩沖層內(nèi)引入超晶格能帶結(jié)構(gòu)，相比緩沖層摻雜和AlGaN背勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以進(jìn)ー步抑制電子在緩沖層內(nèi)的輸運(yùn)，提升器件擊穿電壓，但由于AlGaN和AlN材料與GaN材料的晶格失配同樣會(huì)破壞緩沖層的晶體結(jié)構(gòu)，引入陷阱和極化電荷，降低器件性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供ー種具有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它通過設(shè)在氮化鎵(GaN)溝道層和氮化鋁(AlN)成核層之間的橫向P-n結(jié)復(fù)合緩沖層，減小緩沖層的電流，調(diào)節(jié)溝道電場(chǎng)分布，從而提高器件擊穿電壓與輸出功率。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是ー種具有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，從下到上主要包括有襯底，氮化鋁(AlN)成核層，氮化鎵(GaN)溝 道層，氮化鋁(AlN)插入層，勢(shì)壘層以及勢(shì)壘層上形成的源極，漏極和柵極，其中源極和漏極與勢(shì)壘層形成歐姆接觸，柵極與勢(shì)壘層形成肖特基接觸，為了提高器件的擊穿電壓和輸出功率，在氮化鎵(GaN)溝道層和氮化鋁(AlN)成核層之間還設(shè)有ー層由η型鋁銦鎵氮Cn-AlxInyGazN)和ρ型招銦鎵氮(p_AlxInyGazN)橫向排列復(fù)合而成的緩沖層,簡(jiǎn)稱橫向p_n結(jié)復(fù)合緩沖層；其中n-AlxInyGazN代表η型摻雜鋁銦鎵氮，p_AlxInyGazN代表ρ型摻雜鋁銦鎵氮，襯底可以是氮化鎵(GaN)、藍(lán)寶石(A1203)、碳化硅(SiC)或者硅(Si)，為了更好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，所述的η型鋁銦鎵氮U-AlxInyGazN)與ρ型鋁銦鎵氮Cp-AlxInyGazN)間隔排列。其中，所述的勢(shì)壘層為AlxInyGazN勢(shì)壘層。進(jìn)ー步，在所述的η型招銦鎵氮(n_AlxInyGazN)、ρ型招銦鎵氮(p_AlxInyGazN)和AlxInyGazN 勢(shì)魚層中，x+y+z=l,O ^ x ^ I,O ^ y ^ I,O ^ z ^ I。在所述的橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層中，η型鋁銦鎵氮U-AlxInyGazN)與ρ型鋁銦鎵氮Cp-AlxInyGazN)形成的p-η結(jié)是突變p-η結(jié)或漸變p-η結(jié)。其中，所述橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層的厚度為1μπΓ8μπι ;在所述橫向p-η結(jié)復(fù)合緩沖層中，η型鋁銦鎵氮U-AlxInyGazN)與ρ型鋁銦鎵氮(p_AlxInyGazN)的單層寬度均為50nm 10 μ m。在所述橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層中，η型鋁銦鎵氮(n_AlxInyGazN)與ρ型鋁銦鎵氮(P-AlxInyGazN)的摻雜濃度均為 IXlO14 cnT3 lX1021 cnT3。所述氮化鋁(AlN)成核層厚度為IOnm到I μ m ;所述氮化鎵(GaN)溝道層厚度為5nm到2 μ m ;所述氮化招(AlN)插入層厚度為Inm到5nm ;所述AlxInyGazN勢(shì)魚層厚度為Inm到 50nm。與以上方法相比，本發(fā)明的主要優(yōu)勢(shì)有(I)在緩沖層引入橫向p-n結(jié)，當(dāng)器件承受耐壓吋，p-n結(jié)相互耗盡，形成多重電子勢(shì)壘，阻擋電子在緩沖層中的輸運(yùn)，降低緩沖層泄漏電流。(2)通過控制p-n結(jié)中施主雜質(zhì)與受主雜質(zhì)的濃度，擴(kuò)展截止?fàn)顟B(tài)下溝道ニ維電子氣耗盡區(qū)域，調(diào)節(jié)溝道電場(chǎng)分布，使溝道電場(chǎng)分布更加均勻。
(3)避免了使用碳、鐵等雜質(zhì)在緩沖層引入的深能級(jí)陷阱對(duì)器件性能的負(fù)面影響。


圖I是己有技術(shù)GaN HFET結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明提供的GaN HFET結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明提供的橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層熱平衡時(shí)能帶結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明提供的GaN HFET與已有技術(shù)GaN HFET截止?fàn)顟B(tài)下漏極電流比較。圖5是本發(fā)明提供的帶有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層GaN HFET與已有技術(shù)GaN HFET擊穿時(shí)溝道電場(chǎng)分布比較。圖6 Ca)是為驗(yàn)證本發(fā)明提供的復(fù)合緩沖層抑制泄漏電流能力的器件仿真結(jié)構(gòu)；圖6 (b)是圖6 (a)所示器件結(jié)構(gòu)與已有技術(shù)GaN緩沖層泄漏電流對(duì)比。 其中，圖中附圖標(biāo)記對(duì)應(yīng)的零部件名稱為201 一源極，202 —漏極，203 —柵極，204 —?jiǎng)輭緦樱?05 —氮化鋁(AlN)插入層，206 一氮化鎵(GaN)溝道層，207 —橫向p_n結(jié)復(fù)合緩沖層，208 —氮化鋁(AlN)成核層，209 —襯底。
具體實(shí)施方案下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例圖I是己有技術(shù)GaN HFET結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括襯底，氮化鋁(AlN)成核層，氮化鎵(GaN)緩沖層，氮化鎵(GaN)溝道層，氮化鋁(AlN)插入層，鋁鎵氮(AlGaN)勢(shì)壘層以及AlGaN勢(shì)壘層上形成的源極、漏極和柵極，其中源極和漏極與AlGaN勢(shì)壘層形成歐姆接觸，柵極與AlGaN勢(shì)壘層形成肖特基接觸。圖2是本發(fā)明提供的GaN HFET結(jié)構(gòu)示意圖，從下到上主要包括有襯底209，氮化鋁(AlN)成核層208，氮化鎵(GaN)溝道層206，氮化鋁(AlN)插入層205，勢(shì)壘層204以及勢(shì)壘層204上形成的源極201，漏極202和柵極203，其中源極201和漏極202與勢(shì)壘層204形成歐姆接觸，柵極203與勢(shì)壘層204形成肖特基接觸，它還包括一層位于GaN溝道層206和AlN成核層208之間的橫向η型鋁銦鎵氮和ρ型鋁銦鎵氮(n_AlxInyGazN和p_AlxInyGazN)復(fù)合緩沖層，簡(jiǎn)稱橫向P-n結(jié)復(fù)合緩沖層207，其中n-AlxInyGazN代表η型摻雜鋁銦鎵氮，P-AlxInyGazN代表ρ型摻雜鋁銦鎵氮；勢(shì)壘層204為AlxInyGazN勢(shì)壘層。所述橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層207與AlxInyGazN勢(shì)魚層中，x+y+z=l,0彡x彡I,O ^ y ^ I,O ^ z ^ I。所述橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層207中，p-n結(jié)的排列方式是橫向的；n_AlxInyGazN與P-AlxInyGazN所形成的p_n結(jié),可以是突變p-n結(jié),也可以是漸變p-n結(jié)；所述橫向p_n結(jié)復(fù)合緩沖層 207 厚度為 I μ πΓ8 μ m ;n_AlxInyGazN 單層寬度為 50ηπΓ 0 μ m，p_AlxInyGazN 單層寬度也為 50nm 10 μ m ;n_AlxInyGazN 慘雜濃度為 I X IO14 cm 3 I X IO21 cm 3, p-AlxInyGazN 慘雜濃度同樣為I X IO14 cm 3 I X IO21 cm 3。根據(jù)本發(fā)明提供的GaN HFET結(jié)構(gòu)中，最容易說明本發(fā)明意圖的是圖2所示的帶有橫向P-n結(jié)復(fù)合緩沖層207的GaN HFET與已有技術(shù)普通GaN HFET (圖I)對(duì)比。圖3為本發(fā)明所提供的橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層207在熱平衡條件下其能帶結(jié)構(gòu)示意圖，復(fù)合p-n結(jié)結(jié)構(gòu)形成多重電子勢(shì)壘，阻擋電子在緩沖層內(nèi)的橫向輸運(yùn)。當(dāng)器件承受耐壓吋，P-n結(jié)之間相互耗盡，電子勢(shì)壘高度進(jìn)ー步増大，緩沖層泄漏電流被抑制，器件擊穿電壓得到提升。圖4為本發(fā)明提供的GaN HFET與已有技術(shù)GaN HFET截止?fàn)顟B(tài)下漏極泄漏電流比較。器件結(jié)構(gòu)參數(shù)由表I給出。器件擊穿電壓定義為截止?fàn)顟B(tài)下漏極泄漏電流達(dá)到ImAAim時(shí)，漏極所施加的偏置電壓(如圖4所示)。從圖中可以看出，橫向p-n結(jié)復(fù) 合緩沖層207的使用有效地抑制了器件緩沖層泄漏電流，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同的情況下，器件擊穿電壓從100V提升至1470V。表I器件仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)
權(quán)利要求
1.ー種具有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，從下到上主要包括有襯底(209)，氮化鋁(AlN)成核層(208)，氮化鎵(GaN)溝道層(206)，氮化鋁(AlN)插入層(205)，勢(shì)壘層(204)以及勢(shì)壘層(204)上形成的源極(201)，漏極(202)和柵極(203)，其中源極(201)和漏極(202)與勢(shì)壘層(204)形成歐姆接觸，柵極(203)與勢(shì)壘層(204)形成肖特基接觸，其特征在于在氮化鎵(GaN)溝道層(206)和氮化鋁(AlN)成核層(208)之間還設(shè)有ー層由η型鋁銦鎵氮(n-AlxInyGazN)和p型鋁銦鎵氮(p- AlxInyGazN)橫向排列復(fù)合而成的緩沖層，簡(jiǎn)稱橫向P-n結(jié)復(fù)合緩沖層(207)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種具有橫向P-n結(jié)復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述的η型鋁銦鎵氮U-AlxInyGazN)與P型鋁銦鎵氮(P-AlxInyGazN)間隔排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種具有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述的勢(shì)壘層(204)為AlxInyGazN勢(shì)壘層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種具有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于在所述的η型鋁銦鎵氮(n-AlxInyGazN)、p型鋁銦鎵氮Cp-AlxInyGazN)和 AlxInyGazN 勢(shì)魚層中，x+y+z=l,O ^ x ^ I,O ^ y ^ I,O ^ z ^ I。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種具有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于在所述的橫向P-n結(jié)復(fù)合緩沖層(207)中，η型鋁銦鎵氮Cn-AlxInyGazN)與ρ型招銦鎵氮(p_AlxInyGazN)形成的p-η結(jié)是突變p_n結(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種具有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于在所述的橫向P-n結(jié)復(fù)合緩沖層(207)中，η型鋁銦鎵氮Cn-AlxInyGazN)與ρ型招銦鎵氮(p_AlxInyGazN)形成的p-η結(jié)是漸變p_n結(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的ー種具有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述橫向P-n結(jié)復(fù)合緩沖層(207)的厚度為I μ πΓ8 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的ー種具有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于在所述橫向P-n結(jié)復(fù)合緩沖層(207)中，η型鋁銦鎵氮Cn-AlxInyGazN)與ρ型鋁銦鎵氮(p_AlxInyGazN)的單層寬度均為50ηπΓ 0 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的ー種具有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于在所述橫向P-n結(jié)復(fù)合緩沖層(207)中，η型鋁銦鎵氮Cn-AlxInyGazN)與 ρ 型鋁銦鎵氮(p_AlxInyGazN)的摻雜濃度均為 I X IO14 cm_3 l X IO21 cm_3。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的ー種具有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述氮化鋁(AlN)成核層(208)厚度為IOnm到Ιμπι ;所述氮化鎵(GaN)溝道層(206)厚度為5nm到2 μ m ;所述氮化鋁(AlN)插入層(205)厚度為Inm到5nm ;所述AlxInyGazN勢(shì)魚層厚度為Inm到50nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。其結(jié)構(gòu)從下到上主要包括有襯底，氮化鋁(AlN)成核層，氮化鎵(GaN)溝道層，氮化鋁(AlN)插入層，勢(shì)壘層以及勢(shì)壘層上形成的源極，漏極和柵極，其中源極和漏極與勢(shì)壘層形成歐姆接觸，柵極與勢(shì)壘層形成肖特基接觸，在氮化鎵(GaN)溝道層和氮化鋁(AlN)成核層之間還設(shè)有橫向p-n結(jié)復(fù)合緩沖層以抑制緩沖層內(nèi)的載流子輸運(yùn)，降低器件緩沖層泄漏電流，提升器件擊穿電壓與輸出功率。
文檔編號(hào)H01L29/06GK102832241SQ201210341509
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者杜江鋒, 趙子奇, 馬坤華, 尹江龍, 張新川, 羅謙, 于奇 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)