專利名稱：一種帶有極化摻雜電流阻擋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(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，具體是指ー種帶有極化摻雜電流阻擋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
氮化嫁基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HeterojunctionFiele-Effect Transistor,HFET)不但具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、電子飽和速度高、導(dǎo)熱性能好、抗輻射和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異特性，同時氮化鎵(GaN)材料可以與鋁鎵氮(AlGaN)等材料形成具有高濃度和高遷移率的ニ維電子氣異質(zhì)結(jié)溝道，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?，F(xiàn)有的高耐壓GaN HFET結(jié)構(gòu)主要為橫向器件，器件基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。器件主要包括襯底，氮化鎵(GaN)緩沖層，鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層以及鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層上形成的源極、漏極和柵極，其中源極和漏極與鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層形成歐姆接觸，柵極與鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層形成肖特基接觸。但是對于橫向GaN HFET而言，在截止?fàn)顟B(tài)下，從源極注入的電子可以經(jīng)過GaN緩沖層到達(dá)漏扱，形成漏電通道，過大的緩沖層泄漏電流會導(dǎo)致器件提前擊穿，無法充分發(fā)揮GaN材料的高耐壓優(yōu)勢，從而限制GaN HFET在高壓方面的應(yīng)用。同時橫向GaN HFET器件主要依靠柵極與漏極之間的有源區(qū)來承受耐壓，要獲得大的擊穿電壓，需設(shè)計很大的柵極與漏極間距，從而會増大芯片面積，不利于現(xiàn)代電カ電子系統(tǒng)便攜化、小型化的發(fā)展趨勢。與橫向GaN HFET 相 t 匕，垂直 GaN HFET (Vertical HeterojunctionFiele-EffectTransistor, VHFET)結(jié)構(gòu)可以有效地解決以上問題。已有技術(shù)GaN VHFET結(jié)構(gòu)如圖2所示，器件主要包 括漏極、n+-GaN襯底、n_GaN緩沖層、P-GaN電流阻擋層、GaN溝道層、AlGaN勢壘層和AlGaN勢壘層上形成的柵極和源極，其中漏極與n+_GaN襯底形成歐姆接觸，源極與AlGaN勢壘層形成歐姆接觸，柵極與AlGaN勢壘層形成肖特基接觸。與橫向GaNHFET相比，GaN VHFET存在以下優(yōu)勢器件主要通過柵極與漏極之間的縱向間距，即n_GaN緩沖層來承受耐壓，器件橫向尺寸可以設(shè)計的非常小，有效節(jié)省芯片面積；同時P-GaN電流阻擋層與n-GaN緩沖層之間形成的p_n結(jié)可以有效阻擋從源極注入的電子，從而抑制器件緩沖層泄漏電流。除此之外，GaN VHFET結(jié)構(gòu)還具有便于封裝、低溝道溫度等多方面優(yōu)點(diǎn)。對于已有技術(shù)GaN VHFET結(jié)構(gòu)而言，一般使用鎂(Mg)摻雜的p型GaN材料來充當(dāng)電流阻擋層，高質(zhì)量、高濃度的P型電流阻擋層是實(shí)現(xiàn)GaN VHFET高擊穿電壓與低泄漏電流的關(guān)鍵之一。但是從上個世紀(jì)90年代至今，如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高濃度的p型GaN材料一直是GaN基器件設(shè)計與制備中的難題與瓶頸之一。在現(xiàn)有已知的GaN材料p型雜質(zhì)中，Mg雜質(zhì)具有最低的激活能，約為200meV，但仍遠(yuǎn)高于室溫下的熱電勢(約為26meV)，過高的雜質(zhì)激活能導(dǎo)致室溫下P型雜質(zhì)的激活率非常低，只有I %左右，并會隨著溫度的降低而急劇降低，當(dāng)材料為AlGaN或者A1N，由于激活能的進(jìn)ー步增大會導(dǎo)致p型雜質(zhì)激活率的進(jìn)ー步降低。因此如何獲得高濃度、高質(zhì)量的P型GaN材料或AlGaN材料，成為垂直GaN HFET設(shè)計與制備亟待解決的問題之ー。

發(fā)明內(nèi)容
針對已有技術(shù)GaN VHFET器件存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了 ー種帶有極化摻雜電流阻擋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(Polarization-DopedVerticalHetero junction Field-Effect Transistor, F1D-VHFET),使用 p-AlGaN 電流阻擋層產(chǎn)生的極化電場提升P型雜質(zhì)的激活率，從而實(shí)現(xiàn)器件的高擊穿電壓與低泄漏電流。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種帶有極化摻雜電流阻擋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，從下至上依次主要由漏扱，n+-GaN襯底，n-GaN緩沖層，GaN溝道層，AlGaN勢壘層，以及AlGaN勢壘層上的源極和柵極組成，源極與漏極均為歐姆接觸，柵極為肖特基接觸，其還包括位于GaN溝道層下方的極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層。器件結(jié)構(gòu)如圖3所示，為了方便討論，圖中定義了ー個ニ維坐標(biāo)系。所述的所述的極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層與GaN溝道層相連，井分為兩部分，沿著X軸方向分別位于器件兩側(cè)。所述的極化摻 雜p-AlGaN電流阻擋層中，Al摩爾組分從上至下從&逐漸増大至A，其中&為極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層上表面Al摩爾組分，r:為極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層下表面Al摩爾組分，其中0彡&彡F1彡I。本發(fā)明使用Al組分漸變的p-AlGaN電流阻擋層，通過由于Al組分漸變而產(chǎn)生的極化電場提升p型雜質(zhì)的激活率，從而實(shí)現(xiàn)器件的高擊穿電壓與低泄漏電流。所述的兩邊極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層長度相等，均為Lc^范圍為0. 2 y m至50 u m0所述的兩側(cè)極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層之間的間距為Lap，Lap范圍為0. 2 y m至50 u m0所述柵極的長度大于兩邊極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層之間的間距LAP，且部分覆蓋兩邊的極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層。所述極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層摻雜濃度為I X IO17CnT3至I X IO21CnT3 ;厚度為0. 05 ii m至Tbuf，其中Tbuf為n-GaN緩沖層厚度。所述n-GaN緩沖層摻雜濃度為I X IO15CnT3至I X IO18CnT3,厚度為I U m至500 u m。與已有技術(shù)GaN VHFET相比，本發(fā)明所提出的極化摻雜p_AlGaN電流阻擋層工作原理為所述P-AlGaN電流阻擋層內(nèi)Al摩爾組分是隨著I軸方向逐漸増大的，因此電流阻擋層內(nèi)由于自發(fā)極化與壓電極化產(chǎn)生的極化電荷密度也是沿著y軸方向變化的，根據(jù)高斯定理，這些非均勻分布的電荷會在電流阻擋層內(nèi)形成極化電場，摻入到電流阻擋層內(nèi)的P型雜質(zhì)可以在該極化電場的作用下被激活，從而可以獲得更高的雜質(zhì)激活率，同時由于雜質(zhì)的激活不再是單純地依靠熱激發(fā)，因此極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層擁有比常規(guī)摻雜更好的熱穩(wěn)定性。與已有技術(shù)GaN VHFET相比，本發(fā)明所提出的極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層擁有更高的雜質(zhì)激活率，可以更加有效地抑制由源極電子穿過電流阻擋層形成的泄漏電流，增大器件的擊穿電壓，同時AlGaN材料擁有比GaN材料更高的禁帶寬度，可以進(jìn)一歩抑制泄漏電流，提升器件耐壓能力。發(fā)明提供的GaNPD-VHFET結(jié)構(gòu)還擁有比已有技術(shù)GaN VHFET更好的熱穩(wěn)定性與可靠性。


圖1是已有技術(shù)橫向GaN HFET結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是已有技術(shù)GaNVHFET結(jié)構(gòu)。圖3是本發(fā)明提供的GaN PD-VHFET結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明提供的GaN PD-VHFET與已有技術(shù)GaN VHFET熱平衡時A-A’截面處載流子濃度比較，其中正值為電子濃度，負(fù)值為空穴濃度。圖5是本發(fā)明提供的GaN PD-VHFET與已有技術(shù)GaN VHFET熱平衡時A-A’截面處能帶結(jié)構(gòu)比較。圖6是本發(fā)明提供的GaN PD-VHFET與已有技術(shù)GaN VHFET截止?fàn)顟B(tài)下漏極泄漏電流比較。其中，圖中附圖標(biāo)記對應(yīng)的零部件名稱為301-源極，302-柵極，303-AlGaN 勢壘層，304-GaN 溝道層，305-n-GaN 緩沖層，306-n+-GaN襯底，307-漏極，308-極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(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1是已有技術(shù)橫向GaN HFET結(jié)構(gòu)示意圖，從下至上主要包括襯底，氮化鎵(GaN)緩沖層，氮化鎵(GaN)溝道層，鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層以及鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層上形成的源極、漏極和柵極，其中源極和漏極與鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層形成歐姆接觸，柵極與鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層形成肖特基接觸。圖2是已有技術(shù)GaN VHFET結(jié)構(gòu)示意圖，從下至上主要包括漏極，n+_GaN襯底，n-GaN緩沖層，p-GaN電流阻擋層，GaN溝道層，AlGaN勢壘層以及AlGaN勢壘層上形成的源極和柵極，其中源極和漏極均為歐姆接觸，柵極為肖特基接觸。圖3是本發(fā)明提供的GaN PD-VHFET結(jié)構(gòu)示意圖，從下至上依次主要由漏極307，n+-GaN襯底306，n-GaN緩沖層305，GaN溝道層304，AlGaN勢壘層303，以及AlGaN勢壘層303上的源極301和柵極302，源極301與AlGaN勢壘層303為歐姆接觸，漏極307與n+_GaN襯底306為歐姆接觸，柵極302與AlGaN勢壘層303為肖特基接觸，該晶體管還包括分為兩部分的極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層308。所述極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層308摻雜濃度為 I X IO17cnT3 至 I X IO21cnT3,厚度為 0. 05umM Tbuf，其中 Tbuf 為 n-GaN 緩沖層 305 厚度。為了方便討論，圖中定義了ー個ニ維坐標(biāo)系。所述的所述的極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層與GaN溝道層相連，井分為兩部分，分別位于器件X軸方向兩側(cè)。所述的極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層中，Al摩爾組分從上至下從&逐漸増大至A，其中&為極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層上表面Al摩爾組分，r:為極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層下表面Al摩爾組分，其中0彡&彡ri彡I。本發(fā)明使用Al組分漸變的AlGaN電流阻擋層，通過由于Al組分漸變而產(chǎn)生的極化電場提升p型雜質(zhì)的激活率，從而實(shí)現(xiàn)器件的高擊穿電壓與低泄漏電流。所述的兩邊極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層長度相等，均為Lc^范圍為0. 2 y m至50 u m0所述的兩側(cè)極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層之間的間距為LAP，Lap范圍為0. 2 y m至50 u m0所述柵極的長度大于兩邊極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層之間的間距LAP，且部分覆蓋兩邊的極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層。所述極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層摻雜濃度為I X IO17Cm-3至I X IO21Cm-3 ;厚度為0. 05 ii m至Tbuf，其中Tbuf為n-GaN緩沖層厚度。所述n-GaN緩沖層摻雜濃度為I X IO15CnT3至I X IO18CnT3,厚度為I ii m至500 ii m。在本發(fā)明的GaN HFET中，最易于說明本發(fā)明意圖的例子是圖3所示的GaNPD-VHFET與圖2所示的已有技術(shù)GaN VHFET器件特性対比。器件結(jié)構(gòu)參數(shù)由表I給出，其中GaN PD-VHFET中，所述極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層308內(nèi)，Al摩爾組分從0. 2線性增大至0. 4。 表I器件仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種帶有極化摻雜電流阻擋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，從下至上依次主要由漏極(307)，H+-GaN襯底(306)，n-GaN緩沖層(305)，GaN溝道層(304)，AlGaN勢壘層(303)，以及AlGaN勢壘層(303)上的源極(301)和柵極(302)組成，源極(301)與漏極(307)均為歐姆接觸，柵極(302)為肖特基接觸，其特征在于還包括位于GaN溝道層(304)下方的極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層(308)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有極化摻雜電流阻擋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述的極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層(308)與GaN溝道層(304)相連，并分為兩部分，沿著X軸方向分別位于器件兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種帶有極化摻雜電流阻擋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述的極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層(308)中，Al摩爾組分從上至下從rQ逐漸增大至Γι，其中rQ為極化摻雜ρ-AlGaN電流阻擋層(308)上表面Al摩爾組分，Γ!為極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層(308)下表面Al摩爾組分，其中O彡rQ彡Γι彡I。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種帶有極化摻雜電流阻擋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述兩邊的極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層(308)長度相等，均為Lcbl,范圍為 O. 2 μ m 至 50 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種帶有極化摻雜電流阻擋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述兩邊的極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層(308)之間的間距為LAP，Lap 范圍為 O. 2 μ m 至 50 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種帶有極化摻雜電流阻擋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述柵極(302)的長度大于兩邊極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層(308)之間的間距Lap，且部分覆蓋兩邊的極化摻雜ρ-AlGaN電流阻擋層(308)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種帶有極化摻雜電流阻擋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述的極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層(308)摻雜濃度為I X IO17CnT3至 I X IO21Cm 3O
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種帶有極化摻雜電流阻擋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述的極化摻雜P-AlGaN電流阻擋層(308)厚度為O. 05 μ m至Tbuf,其中Tbuf為n-GaN緩沖層(305)厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種帶有極化摻雜電流阻擋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述n-GaN緩沖層(305)摻雜濃度為I X IO15CnT3至I X 1018cm_3。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種帶有極化摻雜電流阻擋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述n-GaN緩沖層(305)厚度為I μ m至500 μ m。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種帶有極化摻雜電流阻擋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，從下至上依次主要由漏極，n+-GaN襯底，n-GaN緩沖層，GaN溝道層，AlGaN勢壘層，以及AlGaN勢壘層上的源極和柵極，源極與漏極均為歐姆接觸，柵極為肖特基接觸，該晶體管還包括位于n-GaN緩沖層與GaN溝道層之間的極化摻雜p-AlGaN電流阻擋層，該電流阻擋層內(nèi)Al組分沿著y方向逐漸增大。本發(fā)明中，通過電流阻擋層內(nèi)Al組分漸變而產(chǎn)生的極化電場提升p型雜質(zhì)的激活率，增大電流阻擋層內(nèi)的空穴濃度，從而提升器件擊穿電壓。
文檔編號H01L29/06GK103035706SQ20131000014
公開日2013年4月10日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者杜江鋒, 趙子奇, 羅杰, 尹成功, 嚴(yán)慧, 黃思霓, 羅謙, 于奇 申請人:電子科技大學(xué)