一種具有電偶極層結(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
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有電偶極層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其結(jié)構(gòu)從下至上依次主要由襯底，氮化鎵緩沖層，氮化鎵溝道層，勢(shì)壘層以及在勢(shì)壘層上形成有源極、漏極，在器件表面有淀積一層鈍化層，并且在鈍化層中引入電偶極層以調(diào)制溝道電場(chǎng)的分布。本發(fā)明通過在鈍化層中間引入電偶極層以改變溝道電場(chǎng)的分布，提高器件的耐壓能力，同時(shí)避免增加器件寄生電容。此外，電偶極層的引入能有效的屏蔽勢(shì)壘層表面束縛電荷，減小柵延遲和電流崩塌效應(yīng)。
【專利說明】一種具有電偶極層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體指一種帶有電偶極層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵(GaN)基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場(chǎng)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(shí)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二維電子氣異質(zhì)結(jié)溝道，因此特別適用于高壓、大功率和高溫應(yīng)用，是電力電子應(yīng)用最具潛力的晶體管之一。
[0003]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的普通GaN HFET結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括襯底107，氮化鎵(GaN)緩沖層106，氮化鎵(GaN)溝道層105，鋁鎵氮(AlGaN)勢(shì)壘層104以及鋁鎵氮(AlGaN)勢(shì)壘層上形成的源極101、漏極102和柵極103，其中源極101和漏極102均與鋁鎵氮(AlGaN)勢(shì)壘層104成歐姆接觸，柵極103與鋁鎵氮(AlGaN)勢(shì)壘層104成肖特基接觸；在源極101與柵極103、漏極102與柵極103之間分別設(shè)有鈍化層108、109。對(duì)于普通GaN HFET而言，當(dāng)器件承受耐壓時(shí)，由于柵極和漏極之間溝道二維電子氣不能夠完全耗盡，使得溝道電場(chǎng)主要集中在柵極邊緣，導(dǎo)致器件在較低的漏極電壓下便被擊穿；同時(shí)，從源極注入的電子可以經(jīng)過GaN緩沖層到達(dá)漏極，形成漏電通道，過大的緩沖層泄漏電流同樣會(huì)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(shì)，從而限制GaN HFET在高壓方面的應(yīng)用。此外，由于勢(shì)壘層104表面束縛負(fù)電荷的存在，使得器件在脈沖情況下的測(cè)試結(jié)果與直流條件下的測(cè)試結(jié)果存在差異，該現(xiàn)象稱之為柵延遲現(xiàn)象或電流崩塌現(xiàn)象。
[0004]在本發(fā)明提出以前，為了使柵極與漏極之間的電場(chǎng)分布更加均勻，抑制緩沖層泄漏電流，提高器件擊穿電壓，通常使用以下方法:
[0005](I)使用表面場(chǎng)板技術(shù)。場(chǎng)板結(jié)構(gòu)可以有效地耗盡其下的溝道二維電子氣，擴(kuò)展柵極與漏極之間的二維電子耗盡區(qū)域，使柵漏之間的電場(chǎng)分布更加均勻，從而達(dá)到提高擊穿電壓的目的。但場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的引入使得器件寄生電容增加，導(dǎo)致器件截止頻率的下降。
[0006](2)在緩沖層內(nèi)摻入碳、鐵等雜質(zhì)。碳、鐵等雜質(zhì)會(huì)在GaN緩沖層內(nèi)引入深能級(jí)電子陷阱，俘獲從源極注入的電子，增大緩沖層電阻，同時(shí)被電子占據(jù)的陷阱有助于耗盡溝道中二維電子氣，使器件溝道電場(chǎng)分布更加均勻。但是該技術(shù)不能完全耗盡溝道中的二維電子氣，無法充分發(fā)揮GaN材料的耐壓優(yōu)勢(shì)，同時(shí)碳、鐵等雜質(zhì)引入的深能級(jí)陷阱會(huì)導(dǎo)致諸如導(dǎo)通電阻增大、輸出電流下降、電流崩塌效應(yīng)和反應(yīng)速度下降等負(fù)面影響。
[0007]在本發(fā)明提出以前，為了減輕由于表面束縛電荷引起的電流崩塌現(xiàn)象[Ramakrishna Vetury et al., The Impact of Surface States on the DCand RF Charateristics of AlGaN/GaN HFETs,IEEE TRANSACT1NS ON ELECTRONDEVICES, VOL.48，N0.3，MARCH 2001]，常用的做法是在勢(shì)壘層表面覆蓋一層Si3N4鈍化層，該鈍化層能提供一定的正電荷以屏蔽勢(shì)壘層表面的束縛負(fù)電荷；但是由于上述方法沒有引入足夠多的正電荷，使得屏蔽效果有限，使得GaN HEMT器件仍存在電流崩塌現(xiàn)象。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種能夠減輕甚至避免柵延遲或電流崩塌現(xiàn)象并具有耐高壓能力的氮化鎵異質(zhì)結(jié)晶體管。
[0009]本發(fā)采用如下技術(shù)方案:一種具有電偶極層結(jié)構(gòu)的氮化鎵異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，從下至上依次主要由襯底207、氮化鎵(GaN)緩沖層206、氮化鎵(GaN)溝道層205和勢(shì)壘層204組成，在勢(shì)壘層204上表面設(shè)有源極201、漏極202和柵極203，源極201和漏極202均與勢(shì)壘層204成歐姆接觸，柵極203與勢(shì)壘層204成肖特基接觸，在源極201與柵極203、漏極202與柵極203之間分別設(shè)有鈍化層208、209，在漏極202與柵極203之間的鈍化層209區(qū)域內(nèi)設(shè)有電偶極層210。
[0010]通過在鈍化層209中引入電偶極層210，使電偶極層210可充當(dāng)場(chǎng)板的作用，以此調(diào)制溝道的電場(chǎng)分布，提高器件的耐壓能力；而且，所引入的電偶極層210可以有效的屏蔽勢(shì)壘層204表面的束縛負(fù)電荷，能減輕甚至避免柵延遲或電流崩塌現(xiàn)象。
[0011]所述的鈍化層208由具有絕緣特性的材料制成，如Si02、Al203、Si3N4及HFO2或以上材料的復(fù)合材料等制作而成。
[0012]所述的電偶極層210由可產(chǎn)生極化電荷現(xiàn)象的材料制成，如有機(jī)硅烷自組織單層(organosilanes SAM)及由高-K介質(zhì)和Si02構(gòu)成的界面結(jié)構(gòu)等。
[0013]所述的位于漏極202與柵極203之間的鈍化層209所用的材料，既可與所述的位于源極201與柵極203之間的鈍化層208所用的材料相同，也可與所述的電偶極層210所用的材料相同。
[0014]進(jìn)一步的，若所述鈍化層209所用材料不同于電偶極層210而與鈍化層208所用的材料相同，則所述的電偶極層210的水平方向?qū)挾葹長(zhǎng)fp、電偶極層210左側(cè)與柵極203之間的距離Lfg以及電偶極層210右側(cè)與漏極202的距離Lfd滿足如下關(guān)系:Lfp>0，Lfg彡0，Lfd彡0，且Lfp+Lfg+Lfd = Lpass,其中，Lpass是柵極203與漏極202之間的鈍化層209在水平方向上的寬度；且所述的電偶極層210的垂直方向厚度Hfp、電偶極層210下表面與勢(shì)壘層204上表面之間的距離Hfb以及電偶極層210上表面與鈍化層209上表面的距離Hfa滿足如下關(guān)系:Hfp>0，Hfb彡O, Hfa彡0，且Hfp+Hfa+Hfb = Hpass，其中Hpass鈍化層209在垂直方向上的厚度；而且，電偶極層210左側(cè)與柵極203之間的距離Lfg、電偶極層210右側(cè)與漏極202的距離Lfd、電偶極層210下表面與勢(shì)壘層204上表面之間的距離Hfb、電偶極層204上表面與鈍化層209上表面的距離Hfa這四個(gè)距離至少有一個(gè)不等于零。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:
[0016]在鈍化層中引入電偶極層，可以調(diào)制溝道電場(chǎng)分布，同時(shí)避免器件寄生電容的增力口，非常適用于微波功率器件和高頻功率開關(guān)。此外，電偶極層的引入可以對(duì)勢(shì)壘層表面的束縛電荷起到良好的屏蔽作用，減小柵延遲及電流崩塌效應(yīng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)的GaN HEMT結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明提供的GaN HEMT結(jié)構(gòu)示意圖
[0019]圖3是通過二維數(shù)值仿真所得器件耐壓曲線圖。
[0020]圖4是通過二維數(shù)值仿真所的器件在擊穿偏置點(diǎn)溝道電場(chǎng)沿水平方向的分布圖。
[0021]圖中標(biāo)記對(duì)應(yīng)的零部件名稱為:
[0022]101-源極，102-漏極，103-柵極，104-鋁鎵氮(AlGaN)勢(shì)壘層，205-氮化鎵(GaN)溝道層，106-氮化鎵(GaN)緩沖層，107-襯底，108-鈍化層，109-鈍化層；
[0023]201-源極，202-漏極，203-柵極，204-鋁鎵氮(AlGaN)勢(shì)壘層，205-氮化鎵(GaN)溝道層，206-氮化鎵(GaN)緩沖層，207-襯底，208-鈍化層，209-鈍化層，210-電偶極層。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。
[0025]實(shí)施例
[0026]最易于說明本發(fā)明意圖和優(yōu)點(diǎn)的例子是本發(fā)明提供的圖2所示的具有電偶極層場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的GaN HFET與現(xiàn)有的如圖1所示的GaN HEMT (圖1)的性能對(duì)比；上述兩種不同結(jié)構(gòu)器件的具體實(shí)例的結(jié)構(gòu)參數(shù)已由表I給出。
[0027]圖3是本發(fā)明提供的實(shí)施例與現(xiàn)有常規(guī)的GaN HEMT在截止?fàn)顟B(tài)下漏極電流的比較，其中，器件擊穿電壓定義為漏極電流達(dá)到ImAAim時(shí)漏極所施加的偏置電壓，結(jié)果均為二維數(shù)值仿真所得。由圖3的對(duì)比可知，本實(shí)施例提供的具有電偶極層的GaN HEMT的擊穿電壓要高于常規(guī)結(jié)構(gòu)的GaN HEMT的擊穿電壓。
[0028]為了進(jìn)一步驗(yàn)證電偶極層場(chǎng)板結(jié)構(gòu)對(duì)器件擊穿電壓的影響，通過二維數(shù)值仿真研究了普通GaN HEMT (圖1所示結(jié)構(gòu))和本發(fā)明實(shí)施例提供的帶電偶極層的GaN HEMT (圖2所示結(jié)構(gòu))在擊穿時(shí)沿溝道的電場(chǎng)分布情況，其結(jié)果對(duì)比如圖4所示，短劃線表示普通GaNHEMT，實(shí)線表示帶電偶極層場(chǎng)板的GaN HEMT0從圖4中可以看出，電偶極層210的引入使得溝道出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，大大提升了器件的耐壓能力。
[0029]表I器件仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0030]

【權(quán)利要求】
1.一種具有電偶極層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，從下至上依次主要由襯底(207)，氮化鎵(GaN)緩沖層(206)，氮化鎵(GaN)溝道層(205)及勢(shì)壘層(204)組成，在所述勢(shì)壘層(204)上表面設(shè)有源極(201)、漏極(202)和柵極(203)，所述源極(201)和漏極(202)均與勢(shì)壘層(204)成歐姆接觸，所述柵極(203)與勢(shì)壘層(204)成肖特基接觸，在所述源極(201)與柵極(203)、漏極(202)與柵極(203)之間分別設(shè)有鈍化層(208、209)，其特征在于，在所述漏極(202)與柵極(203)之間的鈍化層(209)區(qū)域內(nèi)設(shè)有電偶極層(210)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有電偶極層結(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)由鋁鎵氮(AlGaN)制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有電偶極層結(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，所述的電偶極層(210)由可產(chǎn)生極化電荷現(xiàn)象的材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)所述的具有電偶極層結(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，所述的鈍化層(208、209)由具有絕緣特性的材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)所述的具有電偶極層結(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，所述的位于源極(201)與柵極(203)之間的鈍化層(208)由具有絕緣特性的材料制成，所述的位于漏極(202)與柵極(203)之間的鈍化層(209)的材料與所述電偶極層(210)的材料相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有電偶極層結(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，所述的電偶極層(210)的水平方向?qū)挾葹長(zhǎng)fp、電偶極層(210)左側(cè)與柵極(203)之間的距離Lfg以及電偶極層(210)右側(cè)與漏極(202)的距離Lfd滿足如下關(guān)系:Lfp>0，Lfg彡0，Lfd彡0，且Lfp+Lfg+Lfd = Lpass，其中，Lpass是柵極(203)與漏極(202)之間的鈍化層(209)在水平方向上的橫向?qū)挾龋凰龅碾娕紭O層(210)的垂直方向厚度Hfp、電偶極層(210)下表面與勢(shì)壘層(204)上表面之間的距離Hfb以及電偶極層(210)上表面與鈍化層(209)上表面的距離Hfa滿足如下關(guān)系:Hfp>0，Hfb彡O, Hfa彡0，且Hfp+Hfa+Hfb = Hpass，其中Hpass是鈍化層(209)在垂直方向上的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有電偶極層結(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，所述的電偶極層(210)的左側(cè)與柵極(203)之間的距離Lfg、電偶極層(210)右側(cè)與漏極(202)的距離Lfd、電偶極層(210)下表面與勢(shì)壘層(204)上表面之間的距離Hfb、電偶極層(204)上表面與鈍化層(209)上表面的距離Hfa這四個(gè)距離至少有一個(gè)不等于零。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有電偶極層結(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，所述的可產(chǎn)生極化電荷現(xiàn)象的材料是有機(jī)硅烷分子構(gòu)成的自組裝結(jié)構(gòu)(Organosilanes SAMs)或者由高-K介質(zhì)和Si02構(gòu)成的界面結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有電偶極層結(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，所述的具有絕緣特性的材料由Si02、Al203、Si3N4及HFO2中的一種以上組成。
【文檔編號(hào)】H01L29/06GK104201200SQ201410427468
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】杜江鋒, 陳南庭, 潘沛霖, 劉 東, 白智元, 于奇 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)