CN108807528A - 一种新型微波氮化镓高电子迁移率晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型微波氮化镓高电子迁移率晶体管；包括：自下而上排列的半绝缘衬底、氮化铝成核层、氮化镓缓冲层和铝镓氮势垒层；所述铝镓氮势垒层上有源极帽层和漏极帽层，所述源极帽层上表面为源电极，所述漏极帽层的表面为漏电极；所述源电极和漏电极之间，且靠近源电极端设置有栅电极；所述源极帽层和漏极帽层之间设置有高栅，其上表面比底面高出5nm，所述源电极和栅电极间的正下方与氮化镓缓冲层上表面，形成具有凹陷形成的左凹陷区域，所述漏电极和栅电极间的正下方与氮化镓缓冲层上表面形成具有凹陷形成的右凹陷区域。本发明改善器件的跨导饱和区、提高器件的饱和输出功率以及改善器件的直流特性和频率特性。
Description
技术领域
本发明涉及电子迁移率晶体管，具体地，涉及一种新型微波氮化镓高电子迁移率晶体管。
背景技术
20世纪末，氮化镓(GaN)以其较大的禁带宽度、高电子饱和速度、高击穿电压以及抗辐照等特点，成为当今高频大功率器件和***的研究热点。而宽禁带半导体器件氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)，具有高频率、高功率密度、高耐压以及高效率等优势，因此它在民用通信、物联网、石油勘探、航空航天、雷达***等民用国防均有着广泛的应用前景。
进入21世纪，科技的发展呈现出爆发式的增长，传统的氮化镓高电子迁移率晶体管已经无法满足现在的需求。目前对于氮化镓高电子迁移率晶体管的研究多在于采用***电路对晶体管进行调控与补偿，来实现较好的输出特性。但是往往这类设计会导致晶体管耐压情况不理想、寄生电容较大、跨导饱和区较窄等问题，对器件的输出功率、功率附加效率等重要性能产生极大影响。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种新型微波氮化镓高电子迁移率晶体管。
根据本发明的一个方面，提供一种新型微波氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括：自下而上排列的半绝缘衬底(1)、氮化铝成核层(2)、氮化镓缓冲层(3)和铝镓氮势垒层(4)；
其中，
所述铝镓氮势垒层(4)上有源极帽层(5)和漏极帽层(6)，所述源极帽层(5)上表面为源电极(7)，所述漏极帽层(6)的表面为漏电极(8)；
所述源电极(7)和漏电极(8)之间，且靠近源电极(7)端设置有栅电极(9)；
所述源极帽层(5)和漏极帽层(6)之间设置有高栅(10)，其上表面比底面高出5nm，所述源电极(7)和栅电极(9)间的正下方与氮化镓缓冲层(3)上表面，形成具有凹陷形成的左凹陷区域(11)，所述漏电极(8)和栅电极(9)间的正下方与氮化镓缓冲层(3)上表面形成具有凹陷形成的右凹陷区域(12)。
优选地，所述晶体的宽度为6.5μm，所述源电极(7)、漏电极(8)与栅电极(9)之间的凹陷深度为5nm。
优选地，所述源电极(7)、漏电极(8)、栅电极(9)的电极宽度均为1μm。
优选地，所述铝镓氮势垒层(4)的左凹陷区域(11)宽度为1.5μm，右凹陷区域(12)宽度为2μm。
优选地，在所述氮化镓缓冲层(3)的上方，所述左凹陷区域(11)距离晶体管的左边界1μm，该凹陷的宽度为1μm，深度为3nm。
优选地，所述右凹陷区域(12)的右侧距离晶体管的右边界1.5μm，凹陷宽度为1μm，深度为3nm。
优选地，所述源电极(7)到所述氮化镓缓冲层(3)的垂直距离为20nm。
优选地，所述栅电极(9)到所述氮化镓缓冲层(3)的垂直距离为25nm。
优选地，所述漏电极(8)到所述氮化镓缓冲层(3)的垂直距离为20nm，。
优选地，所述氮化镓缓冲层(3)的厚度为3μm。
本发明所涉及的源电极(7)和漏电极(8)通过n+重掺杂后于铝镓氮进行欧姆接触；栅电极(9)通过肖特基接触与铝镓氮势垒层(4)进行连接；所述氮化镓缓冲层(3)具有半绝缘特性；所述半绝缘衬底(1)的材料可以是硅、碳化硅或蓝宝石衬底中的一种。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)跨导饱和区得到延展：由于高栅的作用，因此电流增长时，栅极下的高阻区域会对沟道电流起到缓冲作用，因此相比于传统结构，该结构的电流增长会放缓，但同时，由于电流增长减缓，导致其饱和时，跨导的饱和区得到延展。
(2)饱和输出功率上升：在氮化镓高电子迁移率晶体管中，薄的势垒层会使其内部的电场强度更大，引起更大的电流崩塌效应，导致直流特性与饱和输出功率下降；厚的势垒层能增大寄生效应，如栅源电容和栅漏电容，并最终使器件的频率特性降低。本发明中，通过仿真结果优化了势垒层上表面与缓冲层上表面的有效厚度，使其电流崩塌效应的影响降低；凹陷结构的存在能够使器件在漂移区产生新的电场峰，提高了器件的耐压。
(3)直流特性得到改善：铝镓氮与氮化镓之间的异质结能够形成二维电子气，实验证明二维电子气的浓度与势垒层厚度成正相关的关系。因此本发明为了能够使二维电子气的浓度不因势垒层较薄而有所降低，故在氮化镓缓冲层上表面实现两个凹陷。若凹陷深度过深，则会使铝镓氮与氮化镓之间的异质结的沟道电阻上升，导致直流提升效果不明显，因此此处通过仿真优化确定凹陷深度为3nm。这样就兼顾了直流提升与异质结导电沟道电阻上升之间的矛盾。
(4)频率特性得到提高：如前所述，厚的势垒层能增大寄生效应，如栅源电容和栅漏电容，由于高栅的作用，使栅源，栅漏之间的电容得到降低，有效地抑制了栅极下的耗尽层向两边扩展，不仅减小了表面漏电流，也使最终器件的频率特性得到提高。具有高栅及多重凹陷缓冲层的微波氮化镓高电子迁移率晶体管，主要改善了器件的跨导饱和区、提高了器件的饱和输出功率以及改善了器件的直流特性和频率特性。
(5)本发明改善器件的跨导饱和区、提高器件的饱和输出功率以及改善器件的直流特性和频率特性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
改进后的氮化镓高电子迁移率晶体管的结构如下。
在图1中，本发明的具有高栅及多重凹陷缓冲层的微波氮化镓高电子迁移率晶体管，结构自下而上包括半绝缘衬底1、氮化铝成核层2、氮化镓缓冲层3和铝镓氮势垒层4、在铝镓氮势垒层上有源极帽层5和漏极帽层6，上表面分别是源电极7和漏电极8，源电极和漏电极之间，且靠近源极一侧形成栅电极9，所述晶体管中，高栅10上表面比底面高出5nm，且在源极和栅极间的正下方的氮化镓缓冲层上表面，具有凹陷形成的左凹陷区域11，在漏极和栅极间的正下方的氮化镓缓冲层上表面，具有凹陷形成的右凹陷区域12。
上述具有高栅及多重凹陷缓冲层的微波氮化镓高电子迁移率晶体管，器件的横向宽度为6.5μm，源电极7到氮化镓缓冲层3表面的垂直距离为20nm，栅电极9到氮化镓缓冲层3表面的垂直距离为3μm，漏电极8到氮化镓表面缓冲层3的垂直距离为20nm，氮化镓缓冲层3的厚度为3μm(凹陷区除外)。
铝镓氮势垒层4上表面左右两侧分别有源电极7和漏电极8，源电极和漏电极通过n+重掺杂后与铝镓氮进行欧姆接触；源电极7和漏电极8之间，且靠近源极一侧形成栅电极9，栅电极9通过肖特基接触与铝镓氮势垒层4进行连接。
氮化镓缓冲层3具有n型电阻特性或半绝缘特性。
半导体绝缘衬底1，其衬底材料可以是硅、碳化硅或蓝宝石衬底中的一种。
实施例2
本实施例中，所述栅电极9的高度为4nm，凹陷缓冲层11的厚度为2nm，凹陷缓冲层(12)的厚度为2nm。
本实施例的其余技术方案与实施例1相同。
实施例3
本实施例中，所述栅电极9的高度为3nm，左凹陷区域11的厚度为1nm，右凹陷区域12的厚度为1nm。
本实施例的其余技术方案与实施例1相同。
实施例4
本实施例中，所述栅电极9的高度为3nm，左凹陷区域11的厚度为2nm，右凹陷区域12的厚度为1nm。
本实施例的其余技术方案与实施例1相同。
实施例5
本实施例中，氮化镓缓冲层3的上表面，第一个凹陷左侧距离左边界1μm，该凹陷的宽度为1.5μm，深度为3nm。第二个凹陷的右侧距离右边界1.5μm，凹陷宽度为1.5μm，深度为3nm。
本实施例的其余技术方案与实施例1相同。
本发明的核心是改善器件的跨导饱和区、提高器件的饱和输出功率以及改善器件的直流特性和频率特性。由于高栅的作用，因此电流增长时，栅极下的高阻区域会对沟道电流起到缓冲作用，因此相比于传统结构，该结构的电流增长会放缓，但同时，由于电流增长减缓，导致其饱和时，跨导的有效区域得到提高。薄的势垒层会使其内部的电场强度更大，引起更大的电流崩塌效应，导致直流特性与饱和输出功率下降；厚的势垒层能增大寄生效应，如栅源电容和栅漏电容，并最终使器件的频率特性降低。本发明中，通过仿真结果优化了势垒层上表面与缓冲层上表面的有效厚度，使其电流崩塌效应的影响降低；凹陷结构的存在能够使器件在漂移区产生新的电场峰，提高了器件的耐压。铝镓氮与氮化镓之间的异质结能够形成二维电子气，二维电子气的浓度与势垒层厚度成正相关的关系。因此本发明为了能够使二维电子气的浓度不因势垒层较薄而有所降低，故在氮化镓缓冲层上表面实现两个凹陷。若凹陷深度过深，则会使铝镓氮与氮化镓之间的异质结的沟道电阻上升，导致直流提升效果不明显，本发明兼顾了直流提升与异质结导电沟道电阻上升之间的矛盾。厚的势垒层能增大寄生效应，由于高栅的作用，使栅源，栅漏之间的电容得到降低，有效地抑制了栅极下的耗尽层向两边扩展，不仅减小了表面漏电流，也使最终器件的频率特性得到提高。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种新型微波氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括：自下而上排列的半绝缘衬底(1)、氮化铝成核层(2)、氮化镓缓冲层(3)和铝镓氮势垒层(4)；
其中，
所述铝镓氮势垒层(4)上有源极帽层(5)和漏极帽层(6)，所述源极帽层(5)上表面为源电极(7)，所述漏极帽层(6)的表面为漏电极(8)；
所述源电极(7)和漏电极(8)之间，且靠近源电极(7)端设置有栅电极(9)；
所述源极帽层(5)和漏极帽层(6)之间设置有高栅(10)，其上表面比底面高出5nm，所述源电极(7)和栅电极(9)间的正下方与氮化镓缓冲层(3)上表面，形成具有凹陷形成的左凹陷区域(11)，所述漏电极(8)和栅电极(9)间的正下方与氮化镓缓冲层(3)上表面形成具有凹陷形成的右凹陷区域(12)。
2.根据权利要求1所述的新型微波氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述晶体的宽度为6.5μm，所述源电极(7)、漏电极(8)与栅电极(9)之间的凹陷深度为5nm。
3.根据权利要求1所述的新型微波氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述源电极(7)、漏电极(8)、栅电极(9)的电极宽度均为1μm。
4.根据权利要求1所述的新型微波氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述铝镓氮势垒层(4)的左凹陷区域(11)宽度为1.5μm，右凹陷区域(12)宽度为2μm。
5.根据权利要求1所述的新型微波氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，在所述氮化镓缓冲层(3)的上方，所述左凹陷区域(11)距离晶体管的左边界1μm，该凹陷的宽度为1μm，深度为3nm。
6.根据权利要求4所述的新型微波氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述右凹陷区域(12)的右侧距离晶体管的右边界1.5μm，凹陷宽度为1μm，深度为3nm。
7.根据权利要求1所述的新型微波氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述源电极(7)到所述氮化镓缓冲层(3)的垂直距离为20nm。
8.根据权利要求1所述的新型微波氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述栅电极(9)到所述氮化镓缓冲层(3)的垂直距离为25nm。
9.根据权利要求1所述的新型微波氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述漏电极(8)到所述氮化镓缓冲层(3)的垂直距离为20nm。
10.根据权利要求1所述的新型微波氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述氮化镓缓冲层(3)的厚度为3μm。
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