CN104201200B - 一种具有电偶极层结构的氮化镓基异质结场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有电偶极层结构的氮化镓基异质结场效应晶体管，其结构从下至上依次主要由衬底，氮化镓缓冲层，氮化镓沟道层，势垒层以及在势垒层上形成有源极、漏极，在器件表面有淀积一层钝化层，并且在钝化层中引入电偶极层以调制沟道电场的分布。本发明通过在钝化层中间引入电偶极层以改变沟道电场的分布，提高器件的耐压能力，同时避免增加器件寄生电容。此外，电偶极层的引入能有效的屏蔽势垒层表面束缚电荷，减小栅延迟和电流崩塌效应。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体指一种带有电偶极层结构的氮化镓基异质结场效应晶体管。
背景技术
氮化镓(GaN)基异质结场效应晶体管具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度高、导热性能好、抗辐射和良好的化学稳定性等优异特性，同时氮化镓(GaN)材料可以与铝镓氮(AlGaN)等材料形成具有高浓度和高迁移率的二维电子气异质结沟道，因此特别适用于高压、大功率和高温应用，是电力电子应用最具潜力的晶体管之一。
图1为现有技术的普通GaN HFET结构示意图，主要包括衬底107，氮化镓(GaN)缓冲层106，氮化镓(GaN)沟道层105，铝镓氮(AlGaN)势垒层104以及铝镓氮(AlGaN)势垒层上形成的源极101、漏极102和栅极103，其中源极101和漏极102均与铝镓氮(AlGaN)势垒层104成欧姆接触，栅极103与铝镓氮(AlGaN)势垒层104成肖特基接触；在源极101与栅极103、漏极102与栅极103之间分别设有钝化层108、109。对于普通GaN HFET而言，当器件承受耐压时，由于栅极和漏极之间沟道二维电子气不能够完全耗尽，使得沟道电场主要集中在栅极边缘，导致器件在较低的漏极电压下便被击穿；同时，从源极注入的电子可以经过GaN缓冲层到达漏极，形成漏电通道，过大的缓冲层泄漏电流同样会导致器件提前击穿，无法充分发挥GaN材料的高耐压优势，从而限制GaN HFET在高压方面的应用。此外，由于势垒层104表面束缚负电荷的存在，使得器件在脉冲情况下的测试结果与直流条件下的测试结果存在差异，该现象称之为栅延迟现象或电流崩塌现象。
在本发明提出以前，为了使栅极与漏极之间的电场分布更加均匀，抑制缓冲层泄漏电流，提高器件击穿电压，通常使用以下方法：
(1)使用表面场板技术。场板结构可以有效地耗尽其下的沟道二维电子气，扩展栅极与漏极之间的二维电子耗尽区域，使栅漏之间的电场分布更加均匀，从而达到提高击穿电压的目的。但场板结构的引入使得器件寄生电容增加，导致器件截止频率的下降。
(2)在缓冲层内掺入碳、铁等杂质。碳、铁等杂质会在GaN缓冲层内引入深能级电子陷阱，俘获从源极注入的电子，增大缓冲层电阻，同时被电子占据的陷阱有助于耗尽沟道中二维电子气，使器件沟道电场分布更加均匀。但是该技术不能完全耗尽沟道中的二维电子气，无法充分发挥GaN材料的耐压优势，同时碳、铁等杂质引入的深能级陷阱会导致诸如导通电阻增大、输出电流下降、电流崩塌效应和反应速度下降等负面影响。
在本发明提出以前，为了减轻由于表面束缚电荷引起的电流崩塌现象[Ramakrishna Vetury et al.，The Impact of Surface States on the DC and RFCharateristics of AlGaN/GaN HFETs，IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，VOL.48，NO.3，MARCH 2001]，常用的做法是在势垒层表面覆盖一层Si3N4钝化层，该钝化层能提供一定的正电荷以屏蔽势垒层表面的束缚负电荷；但是由于上述方法没有引入足够多的正电荷，使得屏蔽效果有限，使得GaN HEMT器件仍存在电流崩塌现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够减轻甚至避免栅延迟或电流崩塌现象并具有耐高压能力的氮化镓异质结晶体管。
本发采用如下技术方案：一种具有电偶极层结构的氮化镓异质结场效应晶体管，其结构如图2所示，从下至上依次主要由衬底207、氮化镓(GaN)缓冲层206、氮化镓(GaN)沟道层205和势垒层204组成，在势垒层204上表面设有源极201、漏极202和栅极203，源极201和漏极202均与势垒层204成欧姆接触，栅极203与势垒层204成肖特基接触，在源极201与栅极203、漏极202与栅极203之间分别设有钝化层208、209，在漏极202与栅极203之间的钝化层209区域内设有电偶极层210。
通过在钝化层209中引入电偶极层210，使电偶极层210可充当场板的作用，以此调制沟道的电场分布，提高器件的耐压能力；而且，所引入的电偶极层210可以有效的屏蔽势垒层204表面的束缚负电荷，能减轻甚至避免栅延迟或电流崩塌现象。
所述的钝化层208由具有绝缘特性的材料制成，如SiO2、Al2O3、Si3N4及HFO2或以上材料的复合材料等制作而成。
所述的电偶极层210由可产生极化电荷现象的材料制成，如有机硅烷自组织单层(organosilanes SAM)及由高-K介质和SiO2构成的界面结构等。
所述的位于漏极202与栅极203之间的钝化层209所用的材料，既可与所述的位于源极201与栅极203之间的钝化层208所用的材料相同，也可与所述的电偶极层210所用的材料相同。
进一步的，若所述钝化层209所用材料不同于电偶极层210而与钝化层208所用的材料相同，则所述的电偶极层210的水平方向宽度为Lfp、电偶极层210左侧与栅极203之间的距离Lfg以及电偶极层210右侧与漏极202的距离Lfd满足如下关系：Lfp＞0，Lfg≥0，Lfd≥0，且Lfp+Lfg+Lfd＝Lpass，其中，Lpass是栅极203与漏极202之间的钝化层209在水平方向上的宽度；且所述的电偶极层210的垂直方向厚度Hfp、电偶极层210下表面与势垒层204上表面之间的距离Hfb以及电偶极层210上表面与钝化层209上表面的距离Hfa满足如下关系：Hfp＞0，Hfb＞0，Hfa≥0，且Hfp+Hfa+Hfb＝Hpass，其中Hpass钝化层209在垂直方向上的厚度；而且，电偶极层210左侧与栅极203之间的距离Lfg、电偶极层210右侧与漏极202的距离Lfd、电偶极层210下表面与势垒层204上表面之间的距离Hfb、电偶极层210上表面与钝化层209上表面的距离Hfa这四个距离至少有一个不等于零。
本发明的有益效果是：
在钝化层中引入电偶极层，可以调制沟道电场分布，同时避免器件寄生电容的增加，非常适用于微波功率器件和高频功率开关。此外，电偶极层的引入可以对势垒层表面的束缚电荷起到良好的屏蔽作用，减小栅延迟及电流崩塌效应。
附图说明
图1是现有技术中常规的GaN HEMT结构示意图。
图2是本发明提供的GaN HEMT结构示意图
图3是通过二维数值仿真所得器件耐压曲线图。
图4是通过二维数值仿真所的器件在击穿偏置点沟道电场沿水平方向的分布图。
图中标记对应的零部件名称为：
101-源极，102-漏极，103-栅极，104-铝镓氮(AlGaN)势垒层，205-氮化镓(GaN)沟道层，106-氮化镓(GaN)缓冲层，107-衬底，108-钝化层，109-钝化层；
201-源极，202-漏极，203-栅极，204-铝镓氮(A1GaN)势垒层，205-氮化镓(GaN)沟道层，206-氮化镓(GaN)缓冲层，207-衬底，208-钝化层，209-钝化层，210-电偶极层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明。
实施例
最易于说明本发明意图和优点的例子是本发明提供的图2所示的具有电偶极层场板结构的GaN HFET与现有的如图1所示的GaN HEMT(图1)的性能对比；上述两种不同结构器件的具体实例的结构参数已由表1给出。
图3是本发明提供的实施例与现有常规的GaN HEMT在截止状态下漏极电流的比较，其中，器件击穿电压定义为漏极电流达到1mA/mm时漏极所施加的偏置电压，结果均为二维数值仿真所得。由图3的对比可知，本实施例提供的具有电偶极层的GaN HEMT的击穿电压要高于常规结构的GaN HEMT的击穿电压。
为了进一步验证电偶极层场板结构对器件击穿电压的影响，通过二维数值仿真研究了普通GaN HEMT(图1所示结构)和本发明实施例提供的带电偶极层的GaN HEMT(图2所示结构)在击穿时沿沟道的电场分布情况，其结果对比如图4所示，短划线表示普通GaN HEMT，实线表示带电偶极层场板的GaN HEMT。从图4中可以看出，电偶极层210的引入使得沟道出现了两个峰值，大大提升了器件的耐压能力。
表1 器件仿真结构参数
Claims (6)
1.一种具有电偶极层结构的氮化镓基异质结场效应晶体管，从下至上依次主要由衬底(207)，氮化镓(GaN)缓冲层(206)，氮化镓(GAN)沟道层(205)及势垒层(204)组成，在所述势垒层(204)上表面设有源极(201)、漏极(202)和栅极(203)，所述源极(201)和漏极(202)均与势垒层(204)成欧姆接触，所述栅极(203)与势垒层(204)成肖特基接触，在所述源极(201)与栅极(203)、漏极(202)与栅极(203)之间分别设有钝化层(208、209)，其特征在于，在所述漏极(202)与栅极(203)之间的钝化层(209)区域内设有电偶极层(210)；
所述的钝化层(208、209)由具有绝缘特性的材料制成；所述的电偶极层(210)的水平方向宽度为Lfp、电偶极层(210)左侧与栅极(203)之间的距离Lfg以及电偶极层(210)右侧与漏极(202)的距离Lfd满足如下关系：Lfp＞0，Lfg≥0，Lfd≥0，且Lfp+Lfg+Lfd＝Lpass，其中，Lpass是栅极(203)与漏极(202)之间的钝化层(209)在水平方向上的横向宽度；所述的电偶极层(210)的垂直方向厚度Hfp、电偶极层(210)下表面与势垒层(204)上表面之间的距离Hfb以及电偶极层(210)上表面与钝化层(209)上表面的距离Hfa满足如下关系：Hfp＞0，Hfb＞0，Hfa≥0，且Hfp+Hfa+Hfb＝Hpass，其中Hpass是钝化层(209)在垂直方向上的厚度。
2.根据权利要求1所述的具有电偶极层结构的氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的势垒层(204)由铝镓氮(AlGAN)制成。
3.根据权利要求1所述的具有电偶极层结构的氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的电偶极层(210)由可产生极化电荷现象的材料制成。
4.根据权利要求1所述的具有电偶极层结构的氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的电偶极层(210)的左侧与栅极(203)之间的距离Lfg、电偶极层(210)右侧与漏极(202)的距离Lfd、电偶极层(210)下表面与势垒层(204)上表面之间的距离Hfb、电偶极层(210)上表面与钝化层(209)上表面的距离Hfa这四个距离至少有一个不等于零。
5.根据权利要求3所述的具有电偶极层结构的氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的可产生极化电荷现象的材料是有机硅烷分子构成的自组装结构(Organosilanes SAMs)或者由高-K介质和SiO2构成的界面结构。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的具有电偶极层结构的氮化镓基异质结场效应晶体管，其特征在于，所述的具有绝缘特性的材料由SiO2、Al2O3、Si3N4及HFO2中的一种以上组成。
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