一種具有縱向復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種晶體管，屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，尤其是一種具有縱向復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管。該晶體管包括襯底、氮化鋁成核層、氮化鎵溝道層、氮化鋁插入層、鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?、p型摻雜氮化鎵、源極、漏極以及和p型摻雜氮化鎵接觸的柵極，其中源極和漏極與勢(shì)壘層形成歐姆接觸，柵極與p型摻雜氮化鎵形成肖特基接觸，其特征在于，它還包括一層位于氮化鎵溝道層和氮化鋁成核層之間的p-AlxGayN/n-AlxGayN/……/p-AlxGayN/n-AlxGayN復(fù)合緩沖層，簡(jiǎn)稱(chēng)pn結(jié)復(fù)合緩沖層，其中p-AlxGayN代表p型摻雜鋁鎵氮，n-AlxGayN代表n型摻雜鋁鎵氮，以抑制電子在緩沖層內(nèi)的輸運(yùn)，降低器件緩沖層泄漏電流，提升器件擊穿電壓。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種具有縱向復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種晶體管，屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，尤其是一種具有縱向復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，可以有效降低器件的泄漏電流和提高器件的擊穿電壓。 【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵(GaN)材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場(chǎng)高、電子飽和速度高、導(dǎo)熱性能好、耐高溫、抗輻射和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異特性，同時(shí)氮化鎵材料與鋁鎵氮(AlGaN)等材料形成的高電子遷移率晶體管(HEMT)器件具有高濃度和高遷移率的二維電子氣，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]但是對(duì)于普通GaN HEMT 而言[M.j.Wang et al., “Source Injection InducedOff-State Breakdown and Its Improvement by Enhanced Back Barrier with Fluorine1n Implantation in AlGaN/GaN HEMTs”，in IEDM Tech.Dig.,2008, pp.149-152.]，具體結(jié)構(gòu)為，它包括襯底，氮化鎵成核層，氮化鎵緩沖層，鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?，柵極，源極，漏極，其中源極和漏極與勢(shì)壘層形成歐姆接觸，柵極與勢(shì)壘層形成肖特基接觸。當(dāng)這種普通器件承受耐壓時(shí)，從源極注入的電子可以經(jīng)過(guò)氮化鎵緩沖層到達(dá)漏極，形成漏電通道，過(guò)大的緩沖層泄漏電流會(huì)導(dǎo)致器件提前擊穿，使器件的擊穿電壓遠(yuǎn)低于理論預(yù)期，限制了 GaN HEMT的輸出能力。
[0004]在本發(fā)明提出以前，為降低器件緩沖層泄漏電流，提高器件擊穿電壓，通常使用以下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)緩沖層設(shè)計(jì):
[0005]1、在 GaN 緩沖層中摻碳、鐵、鋅等雜質(zhì)[0.Hilt et al., “NormalIy-offHigh-Voltage p-GaN Gate GaN HFET with Carbon-Doped Buffer”，ISPSD, IEEE(2011)]?碳、鐵、鋅等雜質(zhì)會(huì)在氮化鎵材料內(nèi)引入深能級(jí)電子陷阱，俘獲從源極注入緩沖層內(nèi)的電子，提高緩沖層電阻，從而降低緩沖層的泄漏電流，但是該技術(shù)對(duì)器件擊穿電壓提升有限，無(wú)法充分發(fā)揮氮化鎵材料的耐壓優(yōu)勢(shì)，同時(shí)碳、鐵等雜質(zhì)引入的深能級(jí)陷阱同樣會(huì)導(dǎo)致諸如器件輸出電流下降、電流崩塌效應(yīng)和反應(yīng)速度下降等缺點(diǎn)，影響器件穩(wěn)定性。
[0006]2、使用 AlGaN 等背勢(shì)壘緩沖層結(jié)構(gòu)[EldadBahat-Treidel et al.，“AlGaN/GaN/AlGaN DH-HEMTs Breakdown Voltage Enhancement Using Multiple Grating FieldPlates (MGFPs),，，IEEE Trans.Electron Devices, Vol.57, N0.6, pp.1208-1216, June2010]。AlGaN等背勢(shì)壘的使用增大了緩沖層勢(shì)壘高度，使得溝道二維電子氣越過(guò)緩沖層變得困難，從而降低了器件緩沖層泄漏電流，但是該技術(shù)同樣對(duì)器件擊穿電壓提升有限，未能充分體現(xiàn)氮化鎵材料的耐壓優(yōu)勢(shì)，同時(shí)AlGaN背勢(shì)壘不僅在緩沖層和溝道之間由于晶格失配引入陷阱，而且緩沖層中AlGaN和勢(shì)壘層中AlGaN具有相反的極化效應(yīng)，會(huì)降低溝道二維電子氣濃度，增大器件導(dǎo)通電阻。
[0007]3、使用 AlGaN/GaN 或 AlN/GaN 等復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)[S.L.Selvaraj, etal., " Breakdown Enhancement of AlGaN/GaN HEMTs on 4-1n Silicon by Improvingthe GaN Quality on Thick Buffer Layers," Electron Device Letters,IEEE,Vol.30,N0.6，pp.587-589，June 2009]。AlGaN/GaN或AlN/GaN復(fù)合結(jié)構(gòu)在緩沖層內(nèi)引入超晶格能帶結(jié)構(gòu)，相比緩沖層摻入陷阱和鋁鎵氮背勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步抑制電子在緩沖層內(nèi)的輸運(yùn)，提升器件擊穿電壓，但由于AlGaN和AlN材料與GaN材料的晶格失配同樣會(huì)破壞緩沖層的晶體結(jié)構(gòu)，引入陷阱和極化電荷，降低器件性能。
[0008]4、在[Saba Rajabi, et al.,“A Novel Double Field-Plate Power HighElectron Mobility Transistor based on AIGaN/GaN for Performance Improvement，，，ICSCCN (2011)]中，使用三層PNP GaN緩沖層結(jié)構(gòu)，但該方法是基于電荷平衡原理，在緩沖層中摻入的P型雜質(zhì)和N型雜質(zhì)濃度相等，摻雜厚度相同，并且該方法在緩沖層中摻雜只是輔助耗盡溝道中的二維電子氣，該方法提高擊穿電壓的主要措施是源漏端的兩個(gè)場(chǎng)板。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是為了抑制電子在緩沖層內(nèi)的輸運(yùn)，降低器件泄漏電流，從而使器件具有更高的擊穿電壓，本發(fā)明提出了一種具有縱向復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管。
[0010]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種具有縱向復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，包括襯底(108)、氮化鋁成核層(107)、氮化鎵溝道層(109)、氮化鋁插入層(106)、鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?105)、P型摻雜氮化鎵(104)、源極(101)、漏極(102)以及和P型摻雜氮化鎵(104)接觸的柵極(103);其中源極(101)和漏極(102)與鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?105)形成歐姆接觸，柵極(103)與P型摻雜氮化鎵(104)形成肖特基接觸；其特征在于:它還包括一層位于氮化鎵溝道層(109)和氮化鋁成核層(107)之間的P-AlxGayN/
n-AlxGayN/..../p-AlxGayN/n_AlxGayN復(fù)合緩沖層，簡(jiǎn)稱(chēng)ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)，其中
P-AlxGayN代表P型摻雜鋁鎵氮，n_AlxGayN代表η型摻雜鋁鎵氮。
[0011]其中，所述的ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)是縱向排列。
[0012]其中，所述的ρη 結(jié)復(fù)合緩沖層(110)按 p-AlxGayN/n-AlxGayN/..../p_AlxGayN/
n-AlxGayN重復(fù)生長(zhǎng)直到達(dá)到復(fù)合緩沖層所需的厚度1000nm~8000nm。
[0013]其中，所述的ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)中P-AlxGayN單層摻雜厚度為Inm~lOOnm，n-AIxGayN單層摻雜厚度為Inm~lOOnm。
[0014]其中，所述的ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)每層P-AlxGayN摻雜濃度范圍為IO16CnT3~IO19Cm 3，每層 n_AlxGayN 慘雜濃度范圍為 IO14Cm 3 ~IO18Cm 3。
[0015]其中，所述的ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)中AlxGayN式中x+y = I且O≤χ < 0.5，0.5
<y < I。
[0016]與以上方法相比，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是:
[0017](I)在緩沖層內(nèi)引入縱向ρη結(jié)，當(dāng)ρη結(jié)耗盡以后，形成電子勢(shì)阱，能阻擋電子向緩沖層內(nèi)部滲透，降低緩沖層泄漏電流。
[0018](2)通過(guò)調(diào)節(jié)ρη結(jié)摻雜濃度，當(dāng)P型摻雜濃度高于η型摻雜濃度時(shí)，η型區(qū)域完全耗盡，形成電子勢(shì)阱，而未耗盡的P型區(qū)域還可以有減小表面電場(chǎng)(RESURF)作用。
[0019](3)避免了使用AlGaN/GaN或者AlN/GaN等復(fù)合緩沖層由于應(yīng)力引入所造成的缺陷和陷阱。【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是ρη結(jié)復(fù)合緩沖層導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3是ρη結(jié)復(fù)合緩沖層垂直結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4為圖3所示垂直結(jié)構(gòu)電流電壓特性對(duì)比圖；
[0024]圖5是本發(fā)明轉(zhuǎn)移特性仿真對(duì)比圖；
[0025]圖6是本發(fā)明泄漏電流仿真對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0027]如圖1，一種具有縱向復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，包括襯底
(108)、氮化鋁成核層(107)、氮化鎵溝道層(109)、氮化鋁插入層(106)、鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?105)、P型摻雜氮化鎵(104)、源極(101)、漏極(102)以及和ρ型摻雜氮化鎵(104)接觸的柵極(103);其中源極(101)和漏極(102)與鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?105)形成歐姆接觸，柵極(103)與ρ型摻雜氮化鎵(104)形成肖特基接觸；其特征在于:它還包括一層位于氮化鎵溝道層(109)和氮化鋁成核層(107)之間的 p-AlxGayN/n-AlxGayN/……/p-AlxGayN/n_AlxGayN復(fù)合緩沖層，簡(jiǎn)稱(chēng)ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)，其中P-AlxGayN代表ρ型摻雜鋁鎵氮，n_AlxGayN代表η型摻雜鋁鎵氮。
[0028]其中，所述的ρη結(jié)復(fù) 合緩沖層(110)是縱向排列。
[0029]其中，所述的ρη 結(jié)復(fù)合緩沖層(110)按 p-AlxGayN/n_AlxGayN/..../p_AlxGayN/
n-AlxGayN重復(fù)生長(zhǎng)直到達(dá)到復(fù)合緩沖層所需的厚度1000nm~8000nm。
[0030]其中，所述的ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)中P-AlxGayN單層摻雜厚度為Inm~lOOnm，n-AIxGayN單層摻雜厚度為Inm~lOOnm。
[0031]其中，所述的ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)每層P-AlxGayN摻雜濃度范圍為1016m_3~IO19Cm 3，每層 n_AlxGayN 慘雜濃度范圍為 IO14Cm 3 ~IO18Cm 3。
[0032]其中，所述的ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)中AlxGayN式中x+y = I且O≤χ < 0.5，0.5
<y < I。
[0033]在本發(fā)明中P-AlxGayN型摻雜厚度，n_AlxGayN型摻雜厚度和ρη結(jié)復(fù)合緩沖層
(110)總厚度可根據(jù)具體器件指標(biāo)要求，通過(guò)理論計(jì)算，使用SENTAURUS、MEDICI等器件仿真軟件確定，以使器件在截止?fàn)顟B(tài)下的緩沖層泄漏電流達(dá)到最小，最大地提升器件的耐壓能力。
[0034]為驗(yàn)證ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)結(jié)構(gòu)抑制緩沖層泄漏電流的效果，對(duì)ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)垂直器件結(jié)構(gòu)的電流-電壓特性進(jìn)行了仿真分析，圖3是ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)的垂直結(jié)構(gòu)。使用ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)的垂直結(jié)構(gòu)中，ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)總厚度為2000nm，ρ型摻雜厚度為80nm，摻雜濃度為3.0 X 1016cnT3，η型摻雜厚度為20nm，摻雜濃度為 I X IO16CnT3。
[0035]器件仿真結(jié)果如圖4所示，采用本征氮化鎵緩沖層(即沒(méi)有在氮化鎵緩沖層中進(jìn)行Pn結(jié)摻雜)的泄漏電流很大(實(shí)線(xiàn))；而本發(fā)明ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)則有效地抑制了泄漏電流，當(dāng)η型摻雜濃度為I X 1016cm_3，ρ型摻雜濃度為3.0X IO16CnT3時(shí)，泄漏電流減小4個(gè)數(shù)量級(jí)(虛線(xiàn))，說(shuō)明ρη結(jié)復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)能有效抑制泄漏電流。
[0036]為進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明中所述的ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)結(jié)構(gòu)提高擊穿電壓的效果，對(duì)ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)的GaN HEMT進(jìn)行了仿真。使用ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)的GaNHEMT的仿真中，氮化鎵溝道層(109)厚度為30nm，ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)厚度為2000nm，ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)內(nèi)ρ型單層摻雜厚度為80nm，摻雜濃度為2.8 X 1016cm_3，η型單層摻雜厚度為20nm，摻雜濃度為I X IO16CnT3 ;采用本征氮化鎵緩沖層時(shí)緩沖層厚度為2000nm，其他參數(shù)值相同，具體如下:
【權(quán)利要求】
1.一種具有縱向復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，包括襯底(108)、氮化鋁成核層(107)、氮化鎵溝道層(109)、氮化鋁插入層(106)、鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?105)、p型摻雜氮化鎵(104)、源極(101)、漏極(102)以及和P型摻雜氮化鎵(104)接觸的柵極(103);其中源極(101)和漏極(102)與鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?105)形成歐姆接觸，柵極(103)與P型摻雜氮化鎵(104)形成肖特基接觸；其特征在于:它還包括一層位于氮化鎵溝道層(109)和氮化招成核層(107)之間的 p-AlxGayN/n-AlxGayN/..../p-AlxGayN/n_AlxGayN 復(fù)合緩沖層,簡(jiǎn)稱(chēng)Pn結(jié)復(fù)合緩沖層(110)，其中P-AlxGayN代表p型摻雜鋁鎵氮，n_AlxGayN代表η型摻雜招鎵氮。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有縱向復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述的ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)是縱向排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有縱向復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述的ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)按p-AlxGayN/n-AlxGayN/..../p_AlxGayN/n-AlxGayN重復(fù)生長(zhǎng)直到達(dá)到復(fù)合緩沖層所需的厚度1000nm~8000nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有縱向復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述的ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)中P-AlxGayN單層摻雜厚度為Inm~IOOnm,n-AIxGayN單層摻雜厚度為Inm~lOOnm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有縱向復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述的ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)中每層P-AlxGayN摻雜濃度范圍為1016cm_3~IO19Cm 3，每層 n_AlxGayN 慘雜濃度范圍為 IO14Cm 3 ~IO18Cm 3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有縱向復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述的ρη結(jié)復(fù)合緩沖層(110)中AlxGayN式中x+y = I且O≤x < 0.5,0.5<y < I。
【文檔編號(hào)】H01L29/06GK103579326SQ201210281409
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月3日
【發(fā)明者】杜江鋒, 尹江龍, 馬坤華, 張新川, 趙子奇, 于奇 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)