本發(fā)明涉及一種GaN HEMT（氮化鎵高電子遷移率晶體管），尤其是一種可改善電流崩塌效應(yīng)的GaN HEMT。

背景技術(shù)：

目前，GaN HEMT已應(yīng)用于微波通訊和電力電子轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。現(xiàn)有的GaN HEMT的結(jié)構(gòu)是以硅、藍(lán)寶石或碳化硅為襯底，在襯底上依次有Al_xGa_1-xN緩沖層、GaN或InGaN溝道層及In_xAl_yGa_1-x-yN勢壘層（可有GaN或SiN帽層覆蓋其上），在In_xAl_yGa_1-x-yN勢壘層上的有源區(qū)內(nèi)設(shè)有源電極、柵電極及漏電極，在柵電極上表面依次有介質(zhì)鈍化層及柵電極場板或源電極場板。制作方法包括如下步驟：

1. 通過干法刻蝕或者離子注入的方式在外延材料上形成器件有源區(qū)：干法刻蝕通常以光刻膠或介質(zhì)層為掩膜版，用BCl₃、Cl₂、Ar或其中任意兩者的混合氣在RIE或ICP中以等離子體的形態(tài)刻蝕至GaN溝道層，刻蝕深度在30 ~1000nm；離子注入的方式通常在幾萬至幾十萬電子伏特的能量下將一定劑量的Ar、N、O、B或Al等離子注入至半導(dǎo)體，將半導(dǎo)體晶格破壞、達(dá)到隔離的效果；

2. 源漏電極制備：通常使用Ti、Al、Ni、Au或其中兩種或三種金屬的組合，每層金屬的厚度在1~500 nm之間，通過電子束蒸發(fā)后剝離或磁控濺射后刻蝕的方法形成電極后，在氮氣、氫氣、氬氣或混合氣氛圍中進(jìn)行快速熱退火形成歐姆接觸，退火溫度為500~1000度；

3. 柵電極制備：通常使用Ni/Au、Pt/Au、TiN、Ti/Al或Cu等金屬通過電子束蒸發(fā)后剝離或磁控濺射后刻蝕的方法形成柵電極；

4. 器件表面鈍化：在柵電極形成后，在柵電極表面通過PECVD或ALD的方法生長SiN、Al₂O₃或其他高k介質(zhì)鈍化層；

5. 借助于鈍化層形成柵電極場板或源電極場板。

由于三族氮化物In_xAl_yGa_1-x-yN（0 < x, y < 1，x+y ≤ 1）材料體系具有很強(qiáng)的極化效應(yīng)且其極化系數(shù)隨著Al組分的升高而增大，In_xAl_yGa_1-x-yN/GaN界面溝道中的二維電子氣（2DEG）濃度也隨Al組分的升高而增大。極化效應(yīng)的強(qiáng)度或2DEG的濃度以及器件的長、寬度決定了GaN HEMT的靜態(tài)導(dǎo)通電阻，理想狀態(tài)下GaN HEMT在實際工作（即開關(guān)過程）中的導(dǎo)通電阻（又稱動態(tài)導(dǎo)通電阻）應(yīng)等于靜態(tài)導(dǎo)通電阻，即歸一化后的動態(tài)導(dǎo)通電阻等于一。

極化效應(yīng)在帶來In_xAl_yGa_1-x-yN/GaN界面溝道中2DEG的同時，使得勢壘層上表面形成電荷密度與2DEG濃度相當(dāng)?shù)膸д姾傻碾x化施主。當(dāng)GaN HEMT工作在截止?fàn)顟B(tài)時，柵電極偏向漏電極一側(cè)的電場強(qiáng)度達(dá)到最大，柵電極上的電子在電場力的作用下躍遷至勢壘層表面，并在其表面施主能級間向漏電極的方向橫向遷移，中和了表面的離化施主并耗盡溝道中的電子，形成“虛柵”（“虛柵”的長度與器件開關(guān)頻率、漏電極電壓、電應(yīng)力時長、工作溫度等因素相關(guān)）；當(dāng)GaN HEMT器件的工作狀態(tài)從截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時，勢壘層表面從柵電極遷移來的電子會以緩慢的速率遷移回柵電極。但是當(dāng)GaN HEMT器件以一定的頻率開關(guān)時，勢壘層表面的電子就不能及時遷移回柵電極，造成導(dǎo)通狀態(tài)下的電阻升高，可能幾倍于靜態(tài)導(dǎo)通電阻，即電流崩塌?，F(xiàn)有GaN HEMT隨漏電極電壓增加歸一化后的動態(tài)導(dǎo)通電阻變化較大，部分GaN HEMT可從1升至1.65，在電力電子器件通常要求的650 V或以上的電壓范圍內(nèi)歸一化后的動態(tài)導(dǎo)通電阻均大于1.55。突變的歸一化后的動態(tài)導(dǎo)通電阻使GaN HEMT器件性能指標(biāo)隨開關(guān)頻率高低、漏電極電壓大小、電應(yīng)力時間長短等因素產(chǎn)生的漂移，可靠性降低；同時較高的電流崩塌在射頻器件中體現(xiàn)為輸出功率密度大大降低，在電力電子器件中體現(xiàn)為導(dǎo)通損耗增加從而影響電源轉(zhuǎn)換效率。改善電流崩塌效應(yīng)是亟待解決的技術(shù)難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，提供一種可改善電流崩塌效應(yīng)的GaN HEMT。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種可改善電流崩塌效應(yīng)的GaN HEMT，有溝道層及勢壘層，在有源區(qū)內(nèi)設(shè)有源電極、漏電極及柵電極，所述漏電極的寬度為W，所述源電極與柵電極之間的間距為L_s，所述柵電極與漏電極之間的間距為L_d，在柵電極與漏電極之間的勢壘層上設(shè)有可阻擋部分柵電極電子通過施主能級向漏電極遷移的阻擋區(qū)，使800V下歸一化后的動態(tài)導(dǎo)通電阻趨于1。

本發(fā)明的最佳技術(shù)方案是所述阻擋區(qū)為n個，在寬度上沿柵電極分布排列，所述阻擋區(qū)與柵電極之間的間距為a，n個阻擋區(qū)的總寬度為b，阻擋區(qū)的長度為c，當(dāng)n = 1時：1/20 ≤ a/L_d ≤ 1/10，0.3 ≤ b/W ≤ 0.9，c/L_d ≤ 1/15；

當(dāng)n至少為2時：a = 0，0.3 ≤ b/W ≤ 0.9，c/L_d ≤ 1/15。

本發(fā)明設(shè)置了可阻擋部分柵電極電子通過施主能級向漏電極遷移的阻擋區(qū)，即縮小GaN HEMT關(guān)斷時柵電極電子沿In_xAl_yGa_1-x-yN勢壘層表面向漏電極橫向遷移的通路，同時小比例提升靜態(tài)導(dǎo)通電阻，使歸一化后的動態(tài)導(dǎo)通電阻穩(wěn)定且800 V下更趨于1，減小GaN HEMT在實際工作過程中性能指標(biāo)隨開關(guān)頻率高低、漏電極電壓大小、電應(yīng)力時間長短等因素產(chǎn)生的漂移，提高了器件的可靠性，同時避免因歸一化后的動態(tài)導(dǎo)通電阻過高而產(chǎn)生的種種問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1、2、3、4的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例1、2阻擋區(qū)布置示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例3、4阻擋區(qū)布置示意圖。

圖4是本發(fā)明實施例1、2與現(xiàn)有技術(shù)歸一化后的動態(tài)導(dǎo)通電阻對比圖。

圖5是本發(fā)明實施例3、4與現(xiàn)有技術(shù)歸一化后的動態(tài)導(dǎo)通電阻對比圖。

具體實施方式

實施例1：

如圖1、2所示：基本結(jié)構(gòu)同背景技術(shù)所提及的現(xiàn)有技術(shù)，有襯底1，在襯底1上依次有Al_xGa_1-xN緩沖層2、GaN或InGaN溝道層3及In_xAl_yGa_1-x-yN勢壘層4（可有GaN或SiN帽層覆蓋其上），在In_xAl_yGa_1-x-yN勢壘層4上的有源區(qū)10內(nèi)設(shè)有源電極5、柵電極7及漏電極6，在柵電極7上表面依次有介質(zhì)鈍化層21及柵電極場板或源電極場板22。其中源電極5與柵電極7之間的間距為L_s = 5μm，柵電極7與漏電極6之間的間距為L_d = 30μm，源電極5、柵電極7及漏電極6的寬度均為W = 500μm，柵長為2μm。與現(xiàn)有技術(shù)所不同的是在柵電極7與漏電極6之間的勢壘層4上設(shè)有3個在寬度上沿柵電極7分布排列用于阻擋柵電極電子通過施主能級向漏電極遷移的阻擋區(qū)9，阻擋區(qū)9的深度以能夠阻擋柵電極電子通過施主能級向漏電極遷移為準(zhǔn)，阻擋區(qū)9與柵電極7之間的間距為a = 0，3個阻擋區(qū)9的總寬度為b = 0.4 W = 200μm，每個阻擋區(qū)9的寬度及間距可以相等或不等，阻擋區(qū)9的長度為c = L_d/15 = 2μm。

制作方法也基本同現(xiàn)有技術(shù)，與現(xiàn)有技術(shù)不同的是需要制備阻擋區(qū)，可通過干法刻蝕及離子注入等方式使該阻擋區(qū)氮化物表面的離化施主消失，以阻擋柵電極電子通過施主能級向漏電極遷移，具體可按照如下方法制備：

1）通過干法刻蝕將In_xAl_yGa_1-x-yN勢壘層去除、刻蝕至GaN溝道層，刻蝕后溝道被阻斷，氮化物表面的離化施主消失，柵電極電子無法通過施主能級向漏電極遷移；

2）通過離子注入的方式將In_xAl_yGa_1-x-yN勢壘層半導(dǎo)體晶格破壞，氮化物表面的離化施主亦消失，柵電極電子無法通過施主能級向漏電極遷移；

3）采用含CF₄或O₂等氣體的等離子體對In_xAl_yGa_1-x-yN勢壘層表面進(jìn)行處理，電負(fù)性較強(qiáng)的F離子或O離子會與氮化物表面的離化施主緊密結(jié)合形成電中性，氮化物表面的離化施主消失，柵電極電子無法通過施主能級向漏電極遷移。

可在器件隔離的同時或制備柵電極后再制備阻擋區(qū)，如有GaN或SiN帽層覆蓋在勢壘層上，則從帽層開始制備阻擋區(qū)。

實施例2：

如圖1、2所示，結(jié)構(gòu)及制備方法與實施例1基本相同，如阻擋區(qū)9與柵電極7之間的間距為a = 0，阻擋區(qū)9的長度為c = L_d/15 = 2μm，與實施例1所不同的是3個阻擋區(qū)9的總寬度為b = 0.8 W = 400μm 。

實施例3：

如圖1、3所示，結(jié)構(gòu)及制備方法與實施例1基本相同，與實施例1所不同的是源電極5、柵電極7的寬度為b，阻擋區(qū)9為一個（即n = 1），在寬度上平行于柵電極7且與柵電極7平齊設(shè)置，阻擋區(qū)9與柵電極7之間的間距為a = L_d/10 = 3μm，阻擋區(qū)9的長度為c = L_d/15 = 2μm，阻擋區(qū)9的寬度為b = 0.4W = 200μm。

實施例4：

如圖1、3所示，結(jié)構(gòu)及制備方法與實施例3基本相同，如源電極5、柵電極7的寬度為b，阻擋區(qū)9為一個（即n = 1），在寬度上平行于柵電極7且與柵電極7平齊設(shè)置，阻擋區(qū)9的長度為c = L_d/15 = 2μm，與實施例3所不同的是阻擋區(qū)9與柵電極7之間的間距為a = L_d/20 = 1.5μm，阻擋區(qū)9的寬度為b = 0.8W = 400μm。

設(shè)傳統(tǒng)GaN HEMT的 “虛柵”長度為X，則“虛柵”面積為W * X，實施例1、2、3、4所減少的“虛柵”面積為b*（X – a），當(dāng)a減為0且增加b時，可將“虛柵”面積壓縮至最小，但是所設(shè)置的阻擋區(qū)同時將靜態(tài)導(dǎo)通面積減小[b * c ]，因此合理設(shè)計a、b、c，在小比例提升靜態(tài)導(dǎo)通電阻的同時可抑制電流崩塌效應(yīng)。

試驗：

實施例1、實施例2及背景技術(shù)所提及傳統(tǒng)GaN HEMT的各試驗參數(shù)一致。

將實施例1、實施例2及背景技術(shù)所提及的傳統(tǒng)GaN HEMT在不同漏電極電壓下的歸一化后的動態(tài)導(dǎo)通電阻進(jìn)行對比，其結(jié)果如圖4所示。圖4表明，傳統(tǒng)GaN HEMT的歸一化動態(tài)導(dǎo)通電阻隨漏電極電壓變化明顯，當(dāng)漏電極電壓從50 V增大至800 V時，其歸一化后的動態(tài)導(dǎo)通電阻由1增加至1.65；在同樣的漏電極電壓變化范圍下，實施例1歸一化后的動態(tài)導(dǎo)通電阻的增幅相對較小由1.05增至1.45，實施例2歸一化后的動態(tài)導(dǎo)通電阻增幅更小，由1.21增至1.35。電力電子器件通常要求工作范圍在650 V或以上，在此條件下本發(fā)明實施例1、2歸一化后的動態(tài)導(dǎo)通電阻相對穩(wěn)定，優(yōu)勢明顯。

將實施例3、實施例4及背景技術(shù)所提及的傳統(tǒng)GaN HEMT在不同漏電極電壓下的歸一化后的動態(tài)導(dǎo)通電阻進(jìn)行對比，其結(jié)果如圖5所示。圖5表明，本發(fā)明實施例3、4歸一化動態(tài)導(dǎo)通電阻相對平穩(wěn)（實施例3為1.3~1.4，實施例4為1.4~1.5），尤其在漏電極電壓達(dá)到200 V以后基本不變。