本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種n極性algan/gan高電子遷移率場效應(yīng)管。

背景技術(shù)：

相對(duì)于ga極性algan/gan高電子遷移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，n極性algan/gan高電子遷移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)具有方向相反的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，因此為獲取高濃度的二維電子氣，溝道層位于勢壘層的上方，這為n極性algan/gan高電子遷移率場效應(yīng)管帶來了一些優(yōu)勢：勢壘層位于二維電子氣下方，形成了天然的背勢壘結(jié)構(gòu)，有助于抑制短溝道效應(yīng)(sce)及漏致勢壘降低效應(yīng)(dibl)；在淀積金屬形成歐姆接觸時(shí)，與二維電子氣是通過較窄帶隙的gan材料接觸的，有利于制作低阻歐姆接觸；同時(shí)可通過降低溝道層厚度直接減小柵極與溝道層的間距，無需復(fù)雜且不易控制的柵極凹槽工藝，來維持短溝道器件較高的縱橫比，這利于實(shí)現(xiàn)器件的高頻高效率。

然而，對(duì)于n極性algan/gan高電子遷移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，為獲取器件的更高工作頻率及效率，需減小器件的柵長，即減小柵區(qū)電子的渡越時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。但為抑制隨之而來的短溝道效應(yīng)需保持器件較高的縱橫比，這需要同時(shí)降低溝道層的厚度。但由于費(fèi)米能級(jí)釘扎在鈍化層與溝道層界面，隨著溝道層厚度下降，極化電荷耗盡區(qū)寬度會(huì)擴(kuò)展，致使二維電子氣被逐漸耗盡，直接減小器件的電流驅(qū)動(dòng)能力；同時(shí)界面粗糙度散射會(huì)隨著溝道層厚度減小而上升為影響低場電子遷移率的主要散射機(jī)制，且散射幾率f隨著溝道層厚度l的下降而迅速升高，即f∝l^-6，這嚴(yán)重降低了二維電子的遷移率；因此目前溝道層厚度是抑制n極性algan/gan高電子遷移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)向更高頻率及效率發(fā)展的重要因素，而尚未有明確技術(shù)方案來解決此問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供了一種工作頻率和效率都高的n極性algan/gan高電子遷移率場效應(yīng)管。

技術(shù)方案：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種n極性algan/gan高電子遷移率場效應(yīng)管，沿外延生長方向自下而上分別為：單晶襯底；gan緩沖層；gan摻雜層；第一alx1ga1-x1n勢壘層；第二alx2ga1-x2n勢壘層；aln插入層；alyga1-yn溝道層；sinz鈍化層；其中，下標(biāo)x1表示勢壘層中alx1ga1-x1n中al的組分，下標(biāo)x2表示勢壘層中alx2ga1-x2n中al的組分，下標(biāo)y表示溝道層中alyga1-yn中al的組分。

進(jìn)一步，所述單晶襯底為碳化硅、藍(lán)寶石或者氮化鎵。適合氮化物外延生長的單晶材料都可以用于制作單晶襯底。

進(jìn)一步，gan緩沖層的厚度為1-3μm；gan摻雜層的厚度為5-20nm，摻雜種類均為n型雜質(zhì)硅，摻雜劑量為5×10¹⁷cm^-3-5×10¹⁸cm^-3。這樣的結(jié)構(gòu)不僅保證了gan緩沖層的晶體質(zhì)量和擊穿特性，同時(shí)保證了gan摻雜層與勢壘層界面的費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)離價(jià)帶，進(jìn)而抑制由該界面處空穴陷阱導(dǎo)致的大信號(hào)射頻色散效應(yīng)，有效提高了電子遷移率。

進(jìn)一步，所述第一alx1ga1-x1n勢壘層的厚度為10-35nm，摻雜種類為n型雜質(zhì)硅，摻雜劑量為5×10¹⁷cm^-3-5×10¹⁸cm^-3，al的組分x1沿外延生長方向自下而上逐漸增加或者準(zhǔn)漸變(臺(tái)階式)增加，其中x1最小值0-0.10，最大值0.25-0.40；第二alx2ga1-x2n勢壘層的厚度為8-20nm，非故意摻雜，al的組分x2為常量，且x2與第一alx1ga1-x1n勢壘層的al的組分x1的最大值相等。這樣不僅能有效保證gan摻雜層與alx1ga1-x1n勢壘層的費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)離價(jià)帶，進(jìn)而抑制由該界面處空穴陷阱導(dǎo)致的大信號(hào)射頻色散效應(yīng)；同時(shí)通過極化調(diào)制效應(yīng)在層內(nèi)產(chǎn)生極化電場，利于alx1ga1-x1n勢壘層費(fèi)米能級(jí)更遠(yuǎn)離價(jià)帶，從而可摻雜較低劑量的硅n型雜質(zhì)來保證gan摻雜層與勢壘層alx1ga1-x1n勢壘層界面的費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)離價(jià)帶以消除大信號(hào)射頻色散效應(yīng)，有利于提升二維電子氣的遷移率，也保證了較高濃度二維電子氣及電子遷移率。

進(jìn)一步，所述aln插入層的厚度為0.3-2.0nm。這樣有效降低合金散射，提升二維電子氣遷移率，同時(shí)提升二維電子氣濃度。

進(jìn)一步，所述alyga1-yn溝道層的厚度為5-20nm，非故意摻雜，alyga1-yn中al的組分y沿外延生長方向自下而上逐漸減小，其中y最小值0-0.05，最大值0.10-0.20。這樣通過極化調(diào)制效應(yīng)，使alyga1-yn溝道層與alx2ga1-x2n勢壘層異質(zhì)結(jié)界面的面極化正電荷向alyga1-yn溝道層內(nèi)擴(kuò)展成為體極化正電荷。為保持溝道層內(nèi)電中性，則在alyga1-yn溝道層中產(chǎn)生了與體極化正電荷分布相一致的準(zhǔn)三維電子氣。在溝道層厚度不變的情況下，準(zhǔn)三維電子氣的產(chǎn)生使電子氣的勢阱發(fā)生了量子位移，降低了電子氣與柵極間距離，等效增加了柵電容，利于提升器件的頻率及效率。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在不降低n極性algan/gan高電子遷移率場效應(yīng)管溝道層厚度和二維電子氣濃度的前提下，減小二維電子氣與柵極間距離，提升柵電容，從而提高器件的工作頻率及效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的n極性algan/gan高電子遷移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中n極性algan/gan高電子遷移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明提供的場效應(yīng)管(str_2)與現(xiàn)有技術(shù)中的場效應(yīng)管(str_1)沿外延生長方向上的能帶結(jié)構(gòu)對(duì)比圖；

圖4為本發(fā)明提供的場效應(yīng)管(str_2)與現(xiàn)有技術(shù)中的場效應(yīng)管(str_1)沿外延生長方向上的電子密度分布示意圖；

圖5為本發(fā)明提供的場效應(yīng)管(str_2)與現(xiàn)有技術(shù)中的場效應(yīng)管(str_1)的單邊功率增益對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種n極性algan/gan高電子遷移率場效應(yīng)管，包括沿外延生長方向自下而上的單晶襯底1，gan緩沖層2a，gan摻雜層2b，alx1ga1-x1n勢壘層3a，alx2ga1-x2n勢壘層3b，aln插入層4，alyga1-yn溝道層5，sinz鈍化層6。其中，單晶襯底1為碳化硅襯底；gan緩沖層2a的厚度為1μm；gan摻雜層2b的厚度為7.5nm，摻雜種類為硅，摻雜劑量為2×10¹⁸cm^-3；alx1ga1-x1n勢壘層3a的厚度為20nm，摻雜種類為硅，摻雜劑量為2×10¹⁸cm^-3，鋁組分x1沿外延生長方向自下而上線性增加，其中最小值為0，最大值為0.35；alx2ga1-x2n勢壘層3b的厚度為10nm，非故意摻雜，鋁組分x2為定值0.35；aln插入層4的厚度為0.8nm；alyga1-yn溝道層5的厚度為10nm，非故意摻雜，鋁組分y沿外延生長方向自下而上逐漸減小，其中y最大值為0.12，最小值為0；sinz鈍化層6的厚度為10nm。

如圖2所示，現(xiàn)有技術(shù)中n極性algan/gan高電子遷移率場效應(yīng)管中g(shù)an溝道層5a的厚度為10nm，非故意摻雜。其它功能層的結(jié)構(gòu)與本發(fā)明提供的一樣。

如圖3所示，將本發(fā)明提供的場效應(yīng)管(str_2)與現(xiàn)有技術(shù)中的場效應(yīng)管(str_1)沿外延生長方向上的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，從圖中可以看到本發(fā)明基于alx1ga1-x1n勢壘層3a鋁組分的漸變以抬升其附近費(fèi)米能級(jí)的高度，故僅需要在gan摻雜層2b與alx1ga1-x1n勢壘層3a摻雜劑量均為2×10¹⁸cm^-3的硅，就能保證gan摻雜層2b與alx1ga1-x1n勢壘層界面處的費(fèi)米能級(jí)高于價(jià)帶；同時(shí)并沒有因alyga1-yn溝道層的引入而明顯降低str_2的溝道層與勢壘層界面附近勢阱的深度，導(dǎo)致二維電子氣濃度的降低。

如圖4所示，str_1中的二維電子氣局限于alx2ga1-x2n勢壘層3b與gan溝道層5a界面附近，柵與二維電子氣間距離近似等于溝道層厚度；而基于alyga1-yn溝道層5的極化調(diào)制效應(yīng)，str_2中的勢阱位置明顯向結(jié)構(gòu)表面移動(dòng)，即產(chǎn)生了量子位移，并將局域于溝道層與勢壘層界面的二維電子氣向溝道層內(nèi)擴(kuò)展，形成了準(zhǔn)三維電子氣，這將減小柵極與電子氣間的等效距離，從而增加?xùn)烹娙?。同時(shí)基于積分計(jì)算，str_1的二維電子氣面密度為6.8×10¹²cm^-2，而str_2的二維電子氣面密度為6.2×10¹²cm^-2，說明str_2中alyga1-yn溝道層5的引入并沒有明顯降低電子氣濃度，有效保證了器件的足夠電流驅(qū)動(dòng)能力。

如圖5所示，由于str_2柵電容的增加，其截止頻率高達(dá)129ghz，明顯高于str_1的98ghz，且在高頻毫米波段增益和功率附加效率提升較大。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。