專利名稱:一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管，從下至上依次由襯底，GaN緩沖層，溝道層，勢壘層，勢壘層上的源極、漏極和柵極，柵極與漏極之間的電荷補(bǔ)償層，電荷補(bǔ)償層上的金屬電極以及絕緣介質(zhì)組成，其特征在于：所述的溝道層、勢壘層和電荷補(bǔ)償層均為GaN材料，溝道層和勢壘層極化方向相反，勢壘層和電荷補(bǔ)償層極化方向相反。溝道層和勢壘層之間與勢壘層和電荷補(bǔ)償層之間由于極化電荷不平衡，產(chǎn)生了數(shù)量相同、類型相反的電荷，形成電荷自平衡的超結(jié)結(jié)構(gòu)。解決了采用AlGaN等材料作為勢壘層引起的可靠性與輸出功率低等問題，同時解決了已有超結(jié)GaN器件中的電荷不平衡問題，提升了器件性能。
【專利說明】
一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，尤其涉及一種氮化鎵基高電子迀移率晶體管。
【背景技術(shù)】
[0002] 氮化鎵(GaN)基高電子迀移率晶體管(HEMT)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，GaN材料還可以 與鋁銦鎵氮(AlxInyGal-x-yN)等材料形成具有高濃度和高迀移率的二維電子氣(2DEG)異 質(zhì)結(jié)溝道。因此，GaN HEMT特別適用于高壓、大功率和高溫應(yīng)用領(lǐng)域，是電力電子應(yīng)用最具 潛力的晶體管之一。
[0003] 已有技術(shù)GaN HEMT如圖1所示，器件通常采用AlGaN等材料作為勢皇層，通過GaN溝 道層和AlGaN勢皇層之間極化電荷不平衡而形成的2DEG充當(dāng)導(dǎo)電溝道。但已有技術(shù)采用 AlGaN等勢皇層的GaN HEMT存在著以下不足：
[0004] 由于GaN材料和AlGaN材料晶格常數(shù)不同而產(chǎn)生應(yīng)力，在溝道層與勢皇層之間的異 質(zhì)結(jié)溝道和AlGaN勢皇層內(nèi)形成電子陷阱，電子陷阱的存在不但會降低溝道2DEG濃度，限制 器件輸出功率，同時會造成電流崩塌效應(yīng)，降低器件的可靠性與壽命；
[0005] AlGaN勢皇層中的A1和Ga元素的無序排列，對其周期性勢場造成干擾，引起合金散 射，降低溝道2DEG迀移率與器件輸出功率；
[0006] AlGaN勢皇層中的應(yīng)力弛豫和逆壓電極化效應(yīng)會明顯降低溝道2DEG濃度，并造成 電流崩塌效應(yīng)，影響器件的輸出功率與應(yīng)用范圍。
[0007] 多個器件制備工藝都會對AlGaN勢皇層應(yīng)變分布均勻性產(chǎn)生的影響，而勢皇層應(yīng) 變分布的不均勻會導(dǎo)致對溝道2DEG的極化庫侖場散射，從而降低溝道2DEG迀移率和器件輸 出功率。
[0008] 此外，目前已制作GaN HEMT的擊穿電壓實(shí)際值與其理論耐壓極限相比仍然有較大 的差距，其主要原因是柵極電場集中效應(yīng)的問題難以從根本上得到有效解決。當(dāng)GaN HEMT 在高漏極電壓下時，溝道電力線集中指向柵極邊緣，在柵極邊緣形成電場峰值，使器件在較 低漏壓下便發(fā)生雪崩擊穿，無法充分發(fā)揮GaN材料的高耐壓優(yōu)勢。
[0009] 2011 年，Nakajima等人（GaN-based super heterojunction field effect transistors using the polarization junctionconcept. IEEE Electron Device Let ter s，2011，32 (4): 542-544)提出了一種超結(jié)AlGaN/GaN HEMT器件來解決柵極電場集中 效應(yīng)。該HEMT器件結(jié)構(gòu)如圖2所示，器件在柵極與漏極之間的AlGaN勢皇層上生長了一層GaN 層和p型GaN層。由于GaN層與AlGaN勢皇層界面極化電荷的不平衡，在GaN層與AlGaN勢皇層 界面會形成二維空穴氣（2DHG)，2DHG主要來源于p型GaN層內(nèi)的雜質(zhì)電離。當(dāng)器件承受耐壓 時，2DHG與溝道內(nèi)2DEG之間形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，二者相互耗盡，平滑溝道電場分布，從而提升器 件擊穿電壓。
[0010] 對于已有技術(shù)的超結(jié)AlGaN/GaN HEMT器件，由于器件溝道2DEG來源于AlGaN勢皇 層表面陷阱放電，2DEG和2DHG來源不同，同時由于P型GaN材料存在"凍析效應(yīng)"，2DEG和2DHG 之間很難做到電荷平衡，而超結(jié)中的電荷不平衡問題，會由于器件溝道產(chǎn)生峰值電場而導(dǎo) 致?lián)舸╇妷合陆担瑹o法充分發(fā)揮超結(jié)結(jié)構(gòu)與GaN材料的高耐壓特點(diǎn)。此外，P型GaN材料中的 "凍析效應(yīng)"還會影響器件的熱穩(wěn)定性。GaN層和AlGaN勢皇層之間由于應(yīng)力而產(chǎn)生的界面陷 阱會導(dǎo)致電流崩塌效應(yīng)，降低器件的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種既能夠避免采用 AlGaN等勢皇層導(dǎo)致的輸出功率下降和可靠性等問題，又能解決已有超結(jié)GaN HEMT電荷不 平衡問題的氮化鎵基高電子迀移率晶體管。
[0012] 本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種氮化鎵基高電子迀移率 晶體管，從下至上依次主要由襯底，GaN緩沖層，溝道層，勢皇層，勢皇層上的源極、漏極和柵 極，源極與漏極均為歐姆接觸，柵極為肖特基接觸，柵極與漏極之間的電荷補(bǔ)償層，電荷補(bǔ) 償層上的金屬電極以及絕緣介質(zhì)組成，其特征在于:所述的溝道層、勢皇層和電荷補(bǔ)償層均 為GaN材料，溝道層和勢皇層極化方向相反，勢皇層和電荷補(bǔ)償層極化方向相反。
[0013] 器件工作原理如下：雖然溝道層和勢皇層均為GaN材料，但由于二者極化方向相 反，界面處將形成高濃度的凈極化電荷，從而產(chǎn)生高濃度的2DEG(或2DHG)，充當(dāng)器件的導(dǎo)電 溝道;類似的，勢皇層和電荷補(bǔ)償層之間將形成高濃度的2DHG(或2DEG)。由于溝道層、勢皇 層和電荷補(bǔ)償層均為GaN材料，溝道層和勢皇層之間與勢皇層和電荷補(bǔ)償層之間形成的電 荷類型相反，密度相同，二者之間形成了電荷平衡的超結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0014] 進(jìn)一步地，所述的GaN溝道層與GaN勢皇層之間，GaN勢皇層和GaN電荷補(bǔ)償層之間， 均通過鍵合的工藝相結(jié)合。
[0015] 為了避免漏極和柵極通過GaN電荷補(bǔ)償層直接導(dǎo)通，所述的GaN電荷補(bǔ)償層不能同 時與漏極和柵極相連。
[0016] 進(jìn)一步地，所述絕緣介質(zhì)為高k介質(zhì)，相對介電常數(shù)大于15。
[0017] 為了避免GaN電荷補(bǔ)償層出現(xiàn)電位浮空，更好的控制器件特性，所述GaN電荷補(bǔ)償 層上制備有金屬電極，金屬電極與電荷補(bǔ)償層之間形成歐姆接觸或肖特基接觸，金屬電極 電位介于柵極電壓和漏極電壓之間。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：1、器件緩沖層、溝道層、勢皇層和電荷 補(bǔ)償層均為GaN材料，器件內(nèi)不存在應(yīng)變，可有效降低器件內(nèi)電子陷阱密度，抑制器件電流 崩塌效應(yīng)，改善器件輸出功率和可靠性;2、由于勢皇層為GaN材料，不會產(chǎn)生合金散射，同時 由于勢皇層內(nèi)不會產(chǎn)生應(yīng)變，也不存在應(yīng)變分布不均勻的問題，不會產(chǎn)生極化庫倫場散射， 可有效改善溝道載流子迀移率，從而改善器件頻率特性與輸出功率;3、勢皇層內(nèi)沒有逆壓 電極化效應(yīng)，器件偏置電壓不會改變溝道載流子濃度，可有效改善器件電流崩塌效應(yīng);4、溝 道層和勢皇層之間與勢皇層和電荷補(bǔ)償層之間形成的載流子類型相反、濃度相同，二者之 間可形成電荷平衡的超結(jié)結(jié)構(gòu)，可有效改善已有技術(shù)超結(jié)GaN HEMT中電荷不平衡的問題， 同時由于溝道層和勢皇層之間與勢皇層和電荷補(bǔ)償層之間的載流子均來源于極化電荷，而 非雜質(zhì)電離，不會產(chǎn)生"凍析效應(yīng)"，可有效提升器件可靠性。
【附圖說明】

[0019] 圖1是已有技術(shù)的GaNHEMT結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2是已有技術(shù)的超結(jié)GaN HEMT結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖3是本實(shí)用新型提出的GaN HEMT結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖4A是本實(shí)用新型實(shí)施例中的GaN HEMT工藝流程示意圖；
[0023] 圖4B是本實(shí)用新型實(shí)施例中的GaN HEMT工藝流程示意圖；
[0024] 圖4C是本實(shí)用新型實(shí)施例中的GaN HEMT工藝流程示意圖；
[0025] 圖4D是本實(shí)用新型實(shí)施例中的GaN HEMT工藝流程示意圖；
[0026] 圖4E是本實(shí)用新型實(shí)施例中的GaN HEMT工藝流程示意圖；
[0027] 圖4F是本實(shí)用新型實(shí)施例中的GaN HEMT工藝流程示意圖；
[0028] 圖4G是本實(shí)用新型實(shí)施例中的GaN HEMT工藝流程示意圖；
[0029] 圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例中的GaN HEMT柵極與漏極之間能帶結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例中的GaN HEMT轉(zhuǎn)移特性曲線；
[0031] 圖7是本實(shí)用新型提出的GaN HEMT與已有技術(shù)GaN HEMT擊穿時溝道橫向電場分布 比較；
[0032] 圖8是溫度300k時，本實(shí)用新型提出的GaN HEMT與已有技術(shù)超結(jié)GaN HEMT擊穿時 溝道橫向電場分布比較；
[0033] 圖9是溫度200k時，本實(shí)用新型提出的GaN HEMT與已有技術(shù)超結(jié)GaN HEMT擊穿時 溝道橫向電場分布比較
[0034] 其中，圖中附圖標(biāo)記對應(yīng)的零部件名稱為：
[0035] 101 -襯底，102 -GaN 緩沖層，103 -GaN 溝道層，104 -GaN 勢皇層，105 -源極， 106 -漏極，107 -柵極，108-GaN電荷補(bǔ)償層，109-絕緣介質(zhì)，110-金屬電極。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 以下結(jié)合附圖實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0037]圖4A~圖4G為本實(shí)用新型所提出的器件結(jié)構(gòu)制備工藝流程示意圖。圖4A為器件外 延準(zhǔn)備，GaN緩沖層102和GaN溝道層103制備于襯底101上，其極化方向均為向上，GaN勢皇層 104制備于襯底1011上，其極化方向同樣為向上。圖4B中，將GaN溝道層103和GaN勢皇層104 通過鍵合工藝結(jié)合到一起，此時GaN緩沖層102和GaN溝道層103極化方向向上，而GaN勢皇層 104極化方向變?yōu)橄蛳?，在GaN溝道層103和GaN勢皇層104界面處由于極化電荷不平衡，會形 成高濃度的2DEG，充當(dāng)器件的導(dǎo)電溝道。圖4C中，將襯底1011剝離，并通過化學(xué)機(jī)械拋光和 刻蝕工藝將GaN勢皇層104減薄至預(yù)期的厚度；同時將GaN電荷補(bǔ)償層108制備于襯底1012 上，其極化方向?yàn)橄蛳隆D4D中，將GaN勢皇層104和GaN電荷補(bǔ)償層108通過鍵合工藝結(jié)合到 一起，此時GaN電荷補(bǔ)償層108極化方向變?yōu)橄蛏?，由于極化電荷不平衡，GaN勢皇層104和 GaN電荷補(bǔ)償層108界面處將形成高濃度的2DHG。圖4E中，將襯底1012剝離，并通過化學(xué)機(jī)械 拋光和刻蝕工藝將GaN電荷補(bǔ)償層108加工至預(yù)期的厚度和形狀。圖4F中，形成柵極107、源 極105、漏極106和金屬電極。圖4G中，形成絕緣介質(zhì)109。
[0038]為了驗(yàn)證本實(shí)用新型所提出器件結(jié)構(gòu)的工作機(jī)制，對圖4G所示器件進(jìn)行了仿真， 仿真參數(shù)由表1給出。其中電荷補(bǔ)償層位于與柵極107相連，距離漏極106的距離均為2μπι，電 荷補(bǔ)償層上絕緣介質(zhì)109厚度為50nm〇
[0039]表1器件仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0041]圖5所示為器件柵極107與漏極106之間沿垂直方向能帶結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果。從圖中可 以看出，在電荷補(bǔ)償層與勢皇層界面處，價帶向上彎曲接近費(fèi)米能級，在該界面處形成了高 濃度的2DHG，而在勢皇層與溝道層界面處，導(dǎo)帶向下彎曲，在該界面處形成了高濃度的 2DEG。勢皇層與溝道層界面2DEG充電器件導(dǎo)電溝道，而電荷補(bǔ)償層與勢皇層界面的2DHG與 溝道2DEG形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，當(dāng)器件承受耐壓時相互耗盡，擴(kuò)展器件電場區(qū)域，平滑溝道電場分 布，從而提升器件耐壓。
[0042]圖6所示為本實(shí)用新型所提出器件的轉(zhuǎn)移特性曲線。從圖中可以看出，與已有技術(shù) GaN HEMT轉(zhuǎn)移特性類似，器件為耗盡型，閾值電壓為-8.8V，當(dāng)柵壓為0V，漏極106電壓為 0.5V時，器件漏極106電流密度為0.47A/mm。
[0043] 為了進(jìn)一步證實(shí)實(shí)用新型所提出GaN HEMT的耐壓優(yōu)勢，圖7比較了本實(shí)用新型所 提出GaN HEMT與已有技術(shù)GaN HEMT(器件結(jié)構(gòu)如圖1所示)擊穿時溝道橫向電場分布，已有 技術(shù)GaN HEMT中AlGaN勢皇層104厚度為30nm，Al組分為0.25，溝道2DEG濃度為1.03 X 1013cnf2,器件其他參數(shù)與表1相同。器件擊穿電壓定義為截止?fàn)顟B(tài)下（柵極107電壓=-10V)，漏極106電流密度達(dá)至IjlmA/mm時的漏極106電壓。從圖中可以看出，由于柵極107電場 集中效應(yīng)，已有技術(shù)GaN HEMT柵極107邊緣形成電場峰值，器件在較低漏壓下便被擊穿，擊 穿電壓為145V。而對于本實(shí)用新型所提出的GaN HEMT，由于高漏壓下GaN電荷補(bǔ)償層108與 GaN勢皇層104之間形成的2DHG和溝道2DEG相互耗盡，溝道形成了平滑的電場分布，器件擊 穿電壓為1296V，是已有技術(shù)GaN HEMT的8.94倍。
[0044] 為了進(jìn)一步證實(shí)本實(shí)用新型所提出GaN HEMT的可靠性優(yōu)勢，仿真了不同溫度下本 實(shí)用新型所提出GaN HEMT與已有技術(shù)超結(jié)GaN HEMT耐壓特性比較。已有技術(shù)超結(jié)GaN HEMT 器件結(jié)構(gòu)如圖2所示，GaN層厚度為10nm;P型GaN層厚度為40nm，摻雜濃度為3Χ10'πΓ3， 300k時Ρ型GaN層雜質(zhì)電離率為1 %，300k時2DHG濃度為1.2 X 1013cm-2，GaN層和Ρ型GaN層長 度均為4ym;AlGaN勢皇層104厚度為30nm，Al組分為0.25，溝道2DEG濃度為1.03 X 1013cnf2， 器件其他參數(shù)與表1相同。圖8為300k時本實(shí)用新型提出的GaN HEMT與已有技術(shù)超結(jié)GaN HEMT擊穿時溝道橫向電場分布比較。從圖中可以看出，由于已有技術(shù)超結(jié)GaN HEMT中，2DHG 濃度高于溝道2DEG濃度，器件承受耐壓時，2DHG無法完全耗盡，在GaN層邊緣形成電場峰值， 器件擊穿電壓為1 〇 17V。而本實(shí)用新型提出的GaN HEMT由于2DHG和2DEG電荷平衡，溝道內(nèi)沒 有形成電場峰值，器件耐壓為1296V，較已有技術(shù)超結(jié)GaN HEMT提高了27.4%。
[0045] 圖9為200k時本實(shí)用新型提出的GaN HEMT與已有技術(shù)超結(jié)GaN HEMT擊穿時溝道橫 向電場分布比較。由于本實(shí)用新型提出的GaN HEMT不存在"凍析效應(yīng)"，器件擊穿電壓與 300k時相同，仍為1296V。而對于已有技術(shù)超結(jié)GaN HEMT，由于P型GaN層內(nèi)P型雜質(zhì)存在"凍 析效應(yīng)"，2DHG濃度隨著溫度的降低而急劇減小，2DHG無法完全耗盡溝道2DEG，器件在柵極 107邊緣形成電場峰值，擊穿電壓較300k時大幅減小，僅為194V。
[0046]雖然上述實(shí)施例是以氮化鎵基高電子迀移率晶體管(GaN HEMT)為例進(jìn)行說明的， 但是所提出結(jié)構(gòu)適用于各種其他半導(dǎo)體材料構(gòu)成的多種結(jié)構(gòu)晶體管。
[0047]以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非對本實(shí)用新型做任何形式上的限 制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入 本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種氮化鎵基高電子迀移率晶體管，從下至上依次主要由襯底（101)，GaN緩沖層 (102) ，溝道層（103)，勢皇層（104)，勢皇層（104)上的源極（105)、漏極（106)和柵極（107)， 柵極（107)與漏極（106)之間的電荷補(bǔ)償層（108)，電荷補(bǔ)償層（108)上的金屬電極（110)以 及絕緣介質(zhì)（109)組成，其特征在于:所述的溝道層（103)、勢皇層（104)和電荷補(bǔ)償層（108) 均為GaN材料，溝道層（103)和勢皇層（104)極化方向相反，勢皇層（104)和電荷補(bǔ)償層（108) 極化方向相反。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基高電子迀移率晶體管，其特征在于：所述的溝道層 (103) 與勢皇層（104)之間，勢皇層（104)和電荷補(bǔ)償層（108)之間，均通過鍵合的工藝相結(jié) 合。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵基高電子迀移率晶體管，其特征在于:所述的電荷 補(bǔ)償層（108)不能同時與漏極（106)和柵極（107)相連。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化鎵基高電子迀移率晶體管，其特征在于:所述的金屬電極 (110)電位介于柵極（107)電壓和漏極（106)電壓之間。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基高電子迀移率晶體管，所述絕緣介質(zhì)（109)為高k介 質(zhì)，相對介電常數(shù)大于15。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基高電子迀移率晶體管，其特征在于:所述的金屬電極 (110)與電荷補(bǔ)償層(108)之間形成歐姆接觸。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基高電子迀移率晶體管，其特征在于:所述的金屬電極 (110)與電荷補(bǔ)償層(108)之間形成肖特基接觸。
【文檔編號】H01L29/06GK205723544SQ201620255990
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年3月30日
【發(fā)明人】曲兆珠, 趙子奇, 朱超, 張后程, 姜濤, 胡子陽
【申請人】寧波大學(xué)