一种氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法
专利名称:一种氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，从下至上依次由衬底，GaN缓冲层，沟道层，势垒层，势垒层上的源极、漏极和栅极，栅极与漏极之间的电荷补偿层，电荷补偿层上的金属电极以及绝缘介质组成，其特征在于：所述的沟道层、势垒层和电荷补偿层均为GaN材料，沟道层和势垒层极化方向相反，势垒层和电荷补偿层极化方向相反。沟道层和势垒层之间与势垒层和电荷补偿层之间由于极化电荷不平衡，产生了数量相同、类型相反的电荷，形成电荷自平衡的超结结构。解决了采用AlGaN等材料作为势垒层引起的可靠性与输出功率低等问题，同时解决了已有超结GaN器件中的电荷不平衡问题，提升了器件性能。
【专利说明】
一种氮化镓基高电子迁移率晶体管
技术领域
[0001] 本实用新型涉及半导体器件领域，尤其涉及一种氮化镓基高电子迀移率晶体管。
【背景技术】
[0002] 氮化镓(GaN)基高电子迀移率晶体管(HEMT)不但具有禁带宽度大、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，GaN材料还可以 与铝铟镓氮(AlxInyGal-x-yN)等材料形成具有高浓度和高迀移率的二维电子气(2DEG)异 质结沟道。因此，GaN HEMT特别适用于高压、大功率和高温应用领域，是电力电子应用最具 潜力的晶体管之一。
[0003] 已有技术GaN HEMT如图1所示，器件通常采用AlGaN等材料作为势皇层，通过GaN沟 道层和AlGaN势皇层之间极化电荷不平衡而形成的2DEG充当导电沟道。但已有技术采用 AlGaN等势皇层的GaN HEMT存在着以下不足：
[0004] 由于GaN材料和AlGaN材料晶格常数不同而产生应力，在沟道层与势皇层之间的异 质结沟道和AlGaN势皇层内形成电子陷阱，电子陷阱的存在不但会降低沟道2DEG浓度，限制 器件输出功率，同时会造成电流崩塌效应，降低器件的可靠性与寿命；
[0005] AlGaN势皇层中的A1和Ga元素的无序排列，对其周期性势场造成干扰，引起合金散 射，降低沟道2DEG迀移率与器件输出功率；
[0006] AlGaN势皇层中的应力弛豫和逆压电极化效应会明显降低沟道2DEG浓度，并造成 电流崩塌效应，影响器件的输出功率与应用范围。
[0007] 多个器件制备工艺都会对AlGaN势皇层应变分布均匀性产生的影响，而势皇层应 变分布的不均匀会导致对沟道2DEG的极化库仑场散射，从而降低沟道2DEG迀移率和器件输 出功率。
[0008] 此外，目前已制作GaN HEMT的击穿电压实际值与其理论耐压极限相比仍然有较大 的差距，其主要原因是栅极电场集中效应的问题难以从根本上得到有效解决。当GaN HEMT 在高漏极电压下时，沟道电力线集中指向栅极边缘，在栅极边缘形成电场峰值，使器件在较 低漏压下便发生雪崩击穿，无法充分发挥GaN材料的高耐压优势。
[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)提出了一种超结AlGaN/GaN HEMT器件来解决栅极电场集中 效应。该HEMT器件结构如图2所示，器件在栅极与漏极之间的AlGaN势皇层上生长了一层GaN 层和p型GaN层。由于GaN层与AlGaN势皇层界面极化电荷的不平衡，在GaN层与AlGaN势皇层 界面会形成二维空穴气（2DHG)，2DHG主要来源于p型GaN层内的杂质电离。当器件承受耐压 时，2DHG与沟道内2DEG之间形成超结结构，二者相互耗尽，平滑沟道电场分布，从而提升器 件击穿电压。
[0010] 对于已有技术的超结AlGaN/GaN HEMT器件，由于器件沟道2DEG来源于AlGaN势皇 层表面陷阱放电，2DEG和2DHG来源不同，同时由于P型GaN材料存在"冻析效应"，2DEG和2DHG 之间很难做到电荷平衡，而超结中的电荷不平衡问题，会由于器件沟道产生峰值电场而导 致击穿电压下降，无法充分发挥超结结构与GaN材料的高耐压特点。此外，P型GaN材料中的 "冻析效应"还会影响器件的热稳定性。GaN层和AlGaN势皇层之间由于应力而产生的界面陷 阱会导致电流崩塌效应，降低器件的可靠性。
【发明内容】
[0011] 本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种既能够避免采用 AlGaN等势皇层导致的输出功率下降和可靠性等问题，又能解决已有超结GaN HEMT电荷不 平衡问题的氮化镓基高电子迀移率晶体管。
[0012] 本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种氮化镓基高电子迀移率 晶体管，从下至上依次主要由衬底，GaN缓冲层，沟道层，势皇层，势皇层上的源极、漏极和栅 极，源极与漏极均为欧姆接触，栅极为肖特基接触，栅极与漏极之间的电荷补偿层，电荷补 偿层上的金属电极以及绝缘介质组成，其特征在于:所述的沟道层、势皇层和电荷补偿层均 为GaN材料，沟道层和势皇层极化方向相反，势皇层和电荷补偿层极化方向相反。
[0013] 器件工作原理如下：虽然沟道层和势皇层均为GaN材料，但由于二者极化方向相 反，界面处将形成高浓度的净极化电荷，从而产生高浓度的2DEG(或2DHG)，充当器件的导电 沟道;类似的，势皇层和电荷补偿层之间将形成高浓度的2DHG(或2DEG)。由于沟道层、势皇 层和电荷补偿层均为GaN材料，沟道层和势皇层之间与势皇层和电荷补偿层之间形成的电 荷类型相反，密度相同，二者之间形成了电荷平衡的超结结构。
[0014] 进一步地，所述的GaN沟道层与GaN势皇层之间，GaN势皇层和GaN电荷补偿层之间， 均通过键合的工艺相结合。
[0015] 为了避免漏极和栅极通过GaN电荷补偿层直接导通，所述的GaN电荷补偿层不能同 时与漏极和栅极相连。
[0016] 进一步地，所述绝缘介质为高k介质，相对介电常数大于15。
[0017] 为了避免GaN电荷补偿层出现电位浮空，更好的控制器件特性，所述GaN电荷补偿 层上制备有金属电极，金属电极与电荷补偿层之间形成欧姆接触或肖特基接触，金属电极 电位介于栅极电压和漏极电压之间。
[0018] 与现有技术相比，本实用新型的优点在于：1、器件缓冲层、沟道层、势皇层和电荷 补偿层均为GaN材料，器件内不存在应变，可有效降低器件内电子陷阱密度，抑制器件电流 崩塌效应，改善器件输出功率和可靠性;2、由于势皇层为GaN材料，不会产生合金散射，同时 由于势皇层内不会产生应变，也不存在应变分布不均匀的问题，不会产生极化库伦场散射， 可有效改善沟道载流子迀移率，从而改善器件频率特性与输出功率;3、势皇层内没有逆压 电极化效应，器件偏置电压不会改变沟道载流子浓度，可有效改善器件电流崩塌效应;4、沟 道层和势皇层之间与势皇层和电荷补偿层之间形成的载流子类型相反、浓度相同，二者之 间可形成电荷平衡的超结结构，可有效改善已有技术超结GaN HEMT中电荷不平衡的问题， 同时由于沟道层和势皇层之间与势皇层和电荷补偿层之间的载流子均来源于极化电荷，而 非杂质电离，不会产生"冻析效应"，可有效提升器件可靠性。
【附图说明】
[0019] 图1是已有技术的GaNHEMT结构示意图；
[0020] 图2是已有技术的超结GaN HEMT结构示意图；
[0021 ]图3是本实用新型提出的GaN HEMT结构示意图；
[0022] 图4A是本实用新型实施例中的GaN HEMT工艺流程示意图；
[0023] 图4B是本实用新型实施例中的GaN HEMT工艺流程示意图；
[0024] 图4C是本实用新型实施例中的GaN HEMT工艺流程示意图；
[0025] 图4D是本实用新型实施例中的GaN HEMT工艺流程示意图；
[0026] 图4E是本实用新型实施例中的GaN HEMT工艺流程示意图；
[0027] 图4F是本实用新型实施例中的GaN HEMT工艺流程示意图；
[0028] 图4G是本实用新型实施例中的GaN HEMT工艺流程示意图；
[0029] 图5是本实用新型实施例中的GaN HEMT栅极与漏极之间能带结构示意图；
[0030] 图6是本实用新型实施例中的GaN HEMT转移特性曲线；
[0031] 图7是本实用新型提出的GaN HEMT与已有技术GaN HEMT击穿时沟道横向电场分布 比较；
[0032] 图8是温度300k时，本实用新型提出的GaN HEMT与已有技术超结GaN HEMT击穿时 沟道横向电场分布比较；
[0033] 图9是温度200k时，本实用新型提出的GaN HEMT与已有技术超结GaN HEMT击穿时 沟道横向电场分布比较
[0034] 其中，图中附图标记对应的零部件名称为：
[0035] 101 -衬底，102 -GaN 缓冲层，103 -GaN 沟道层，104 -GaN 势皇层，105 -源极， 106 -漏极，107 -栅极，108-GaN电荷补偿层，109-绝缘介质，110-金属电极。
【具体实施方式】
[0036] 以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
[0037]图4A~图4G为本实用新型所提出的器件结构制备工艺流程示意图。图4A为器件外 延准备，GaN缓冲层102和GaN沟道层103制备于衬底101上，其极化方向均为向上，GaN势皇层 104制备于衬底1011上，其极化方向同样为向上。图4B中，将GaN沟道层103和GaN势皇层104 通过键合工艺结合到一起，此时GaN缓冲层102和GaN沟道层103极化方向向上，而GaN势皇层 104极化方向变为向下，在GaN沟道层103和GaN势皇层104界面处由于极化电荷不平衡，会形 成高浓度的2DEG，充当器件的导电沟道。图4C中，将衬底1011剥离，并通过化学机械抛光和 刻蚀工艺将GaN势皇层104减薄至预期的厚度；同时将GaN电荷补偿层108制备于衬底1012 上，其极化方向为向下。图4D中，将GaN势皇层104和GaN电荷补偿层108通过键合工艺结合到 一起，此时GaN电荷补偿层108极化方向变为向上，由于极化电荷不平衡，GaN势皇层104和 GaN电荷补偿层108界面处将形成高浓度的2DHG。图4E中，将衬底1012剥离，并通过化学机械 抛光和刻蚀工艺将GaN电荷补偿层108加工至预期的厚度和形状。图4F中，形成栅极107、源 极105、漏极106和金属电极。图4G中，形成绝缘介质109。
[0038]为了验证本实用新型所提出器件结构的工作机制，对图4G所示器件进行了仿真， 仿真参数由表1给出。其中电荷补偿层位于与栅极107相连，距离漏极106的距离均为2μπι，电 荷补偿层上绝缘介质109厚度为50nm〇
[0039]表1器件仿真结构参数
[0041]图5所示为器件栅极107与漏极106之间沿垂直方向能带结构仿真结果。从图中可 以看出，在电荷补偿层与势皇层界面处，价带向上弯曲接近费米能级，在该界面处形成了高 浓度的2DHG，而在势皇层与沟道层界面处，导带向下弯曲，在该界面处形成了高浓度的 2DEG。势皇层与沟道层界面2DEG充电器件导电沟道，而电荷补偿层与势皇层界面的2DHG与 沟道2DEG形成超结结构，当器件承受耐压时相互耗尽，扩展器件电场区域，平滑沟道电场分 布，从而提升器件耐压。
[0042]图6所示为本实用新型所提出器件的转移特性曲线。从图中可以看出，与已有技术 GaN HEMT转移特性类似，器件为耗尽型，阈值电压为-8.8V，当栅压为0V，漏极106电压为 0.5V时，器件漏极106电流密度为0.47A/mm。
[0043] 为了进一步证实实用新型所提出GaN HEMT的耐压优势，图7比较了本实用新型所 提出GaN HEMT与已有技术GaN HEMT(器件结构如图1所示)击穿时沟道横向电场分布，已有 技术GaN HEMT中AlGaN势皇层104厚度为30nm，Al组分为0.25，沟道2DEG浓度为1.03 X 1013cnf2,器件其他参数与表1相同。器件击穿电压定义为截止状态下（栅极107电压=-10V)，漏极106电流密度达至IjlmA/mm时的漏极106电压。从图中可以看出，由于栅极107电场 集中效应，已有技术GaN HEMT栅极107边缘形成电场峰值，器件在较低漏压下便被击穿，击 穿电压为145V。而对于本实用新型所提出的GaN HEMT，由于高漏压下GaN电荷补偿层108与 GaN势皇层104之间形成的2DHG和沟道2DEG相互耗尽，沟道形成了平滑的电场分布，器件击 穿电压为1296V，是已有技术GaN HEMT的8.94倍。
[0044] 为了进一步证实本实用新型所提出GaN HEMT的可靠性优势，仿真了不同温度下本 实用新型所提出GaN HEMT与已有技术超结GaN HEMT耐压特性比较。已有技术超结GaN HEMT 器件结构如图2所示，GaN层厚度为10nm;P型GaN层厚度为40nm，掺杂浓度为3Χ10'πΓ3， 300k时Ρ型GaN层杂质电离率为1 %，300k时2DHG浓度为1.2 X 1013cm-2，GaN层和Ρ型GaN层长 度均为4ym;AlGaN势皇层104厚度为30nm，Al组分为0.25，沟道2DEG浓度为1.03 X 1013cnf2， 器件其他参数与表1相同。图8为300k时本实用新型提出的GaN HEMT与已有技术超结GaN HEMT击穿时沟道横向电场分布比较。从图中可以看出，由于已有技术超结GaN HEMT中，2DHG 浓度高于沟道2DEG浓度，器件承受耐压时，2DHG无法完全耗尽，在GaN层边缘形成电场峰值， 器件击穿电压为1 〇 17V。而本实用新型提出的GaN HEMT由于2DHG和2DEG电荷平衡，沟道内没 有形成电场峰值，器件耐压为1296V，较已有技术超结GaN HEMT提高了27.4%。
[0045] 图9为200k时本实用新型提出的GaN HEMT与已有技术超结GaN HEMT击穿时沟道横 向电场分布比较。由于本实用新型提出的GaN HEMT不存在"冻析效应"，器件击穿电压与 300k时相同，仍为1296V。而对于已有技术超结GaN HEMT，由于P型GaN层内P型杂质存在"冻 析效应"，2DHG浓度随着温度的降低而急剧减小，2DHG无法完全耗尽沟道2DEG，器件在栅极 107边缘形成电场峰值，击穿电压较300k时大幅减小，仅为194V。
[0046]虽然上述实施例是以氮化镓基高电子迀移率晶体管(GaN HEMT)为例进行说明的， 但是所提出结构适用于各种其他半导体材料构成的多种结构晶体管。
[0047]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限 制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入 本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种氮化镓基高电子迀移率晶体管，从下至上依次主要由衬底（101)，GaN缓冲层 (102) ，沟道层（103)，势皇层（104)，势皇层（104)上的源极（105)、漏极（106)和栅极（107)， 栅极（107)与漏极（106)之间的电荷补偿层（108)，电荷补偿层（108)上的金属电极（110)以 及绝缘介质（109)组成，其特征在于:所述的沟道层（103)、势皇层（104)和电荷补偿层（108) 均为GaN材料，沟道层（103)和势皇层（104)极化方向相反，势皇层（104)和电荷补偿层（108) 极化方向相反。2. 根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迀移率晶体管，其特征在于：所述的沟道层 (103) 与势皇层（104)之间，势皇层（104)和电荷补偿层（108)之间，均通过键合的工艺相结 合。3. 根据权利要求1或2所述的氮化镓基高电子迀移率晶体管，其特征在于:所述的电荷 补偿层（108)不能同时与漏极（106)和栅极（107)相连。4. 根据权利要求3所述的氮化镓基高电子迀移率晶体管，其特征在于:所述的金属电极 (110)电位介于栅极（107)电压和漏极（106)电压之间。5. 根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迀移率晶体管，所述绝缘介质（109)为高k介 质，相对介电常数大于15。6. 根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迀移率晶体管，其特征在于:所述的金属电极 (110)与电荷补偿层(108)之间形成欧姆接触。7. 根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迀移率晶体管，其特征在于:所述的金属电极 (110)与电荷补偿层(108)之间形成肖特基接触。
【文档编号】H01L29/06GK205723544SQ201620255990
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】曲兆珠, 赵子奇, 朱超, 张后程, 姜涛, 胡子阳
【申请人】宁波大学
【专利摘要】本实用新型涉及一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，从下至上依次由衬底，GaN缓冲层，沟道层，势垒层，势垒层上的源极、漏极和栅极，栅极与漏极之间的电荷补偿层，电荷补偿层上的金属电极以及绝缘介质组成，其特征在于：所述的沟道层、势垒层和电荷补偿层均为GaN材料，沟道层和势垒层极化方向相反，势垒层和电荷补偿层极化方向相反。沟道层和势垒层之间与势垒层和电荷补偿层之间由于极化电荷不平衡，产生了数量相同、类型相反的电荷，形成电荷自平衡的超结结构。解决了采用AlGaN等材料作为势垒层引起的可靠性与输出功率低等问题，同时解决了已有超结GaN器件中的电荷不平衡问题，提升了器件性能。
【专利说明】
一种氮化镓基高电子迁移率晶体管
技术领域
[0001] 本实用新型涉及半导体器件领域，尤其涉及一种氮化镓基高电子迀移率晶体管。
【背景技术】
[0002] 氮化镓(GaN)基高电子迀移率晶体管(HEMT)不但具有禁带宽度大、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，GaN材料还可以 与铝铟镓氮(AlxInyGal-x-yN)等材料形成具有高浓度和高迀移率的二维电子气(2DEG)异 质结沟道。因此，GaN HEMT特别适用于高压、大功率和高温应用领域，是电力电子应用最具 潜力的晶体管之一。
[0003] 已有技术GaN HEMT如图1所示，器件通常采用AlGaN等材料作为势皇层，通过GaN沟 道层和AlGaN势皇层之间极化电荷不平衡而形成的2DEG充当导电沟道。但已有技术采用 AlGaN等势皇层的GaN HEMT存在着以下不足：
[0004] 由于GaN材料和AlGaN材料晶格常数不同而产生应力，在沟道层与势皇层之间的异 质结沟道和AlGaN势皇层内形成电子陷阱，电子陷阱的存在不但会降低沟道2DEG浓度，限制 器件输出功率，同时会造成电流崩塌效应，降低器件的可靠性与寿命；
[0005] AlGaN势皇层中的A1和Ga元素的无序排列，对其周期性势场造成干扰，引起合金散 射，降低沟道2DEG迀移率与器件输出功率；
[0006] AlGaN势皇层中的应力弛豫和逆压电极化效应会明显降低沟道2DEG浓度，并造成 电流崩塌效应，影响器件的输出功率与应用范围。
[0007] 多个器件制备工艺都会对AlGaN势皇层应变分布均匀性产生的影响，而势皇层应 变分布的不均匀会导致对沟道2DEG的极化库仑场散射，从而降低沟道2DEG迀移率和器件输 出功率。
[0008] 此外，目前已制作GaN HEMT的击穿电压实际值与其理论耐压极限相比仍然有较大 的差距，其主要原因是栅极电场集中效应的问题难以从根本上得到有效解决。当GaN HEMT 在高漏极电压下时，沟道电力线集中指向栅极边缘，在栅极边缘形成电场峰值，使器件在较 低漏压下便发生雪崩击穿，无法充分发挥GaN材料的高耐压优势。
[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)提出了一种超结AlGaN/GaN HEMT器件来解决栅极电场集中 效应。该HEMT器件结构如图2所示，器件在栅极与漏极之间的AlGaN势皇层上生长了一层GaN 层和p型GaN层。由于GaN层与AlGaN势皇层界面极化电荷的不平衡，在GaN层与AlGaN势皇层 界面会形成二维空穴气（2DHG)，2DHG主要来源于p型GaN层内的杂质电离。当器件承受耐压 时，2DHG与沟道内2DEG之间形成超结结构，二者相互耗尽，平滑沟道电场分布，从而提升器 件击穿电压。
[0010] 对于已有技术的超结AlGaN/GaN HEMT器件，由于器件沟道2DEG来源于AlGaN势皇 层表面陷阱放电，2DEG和2DHG来源不同，同时由于P型GaN材料存在"冻析效应"，2DEG和2DHG 之间很难做到电荷平衡，而超结中的电荷不平衡问题，会由于器件沟道产生峰值电场而导 致击穿电压下降，无法充分发挥超结结构与GaN材料的高耐压特点。此外，P型GaN材料中的 "冻析效应"还会影响器件的热稳定性。GaN层和AlGaN势皇层之间由于应力而产生的界面陷 阱会导致电流崩塌效应，降低器件的可靠性。
【发明内容】
[0011] 本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种既能够避免采用 AlGaN等势皇层导致的输出功率下降和可靠性等问题，又能解决已有超结GaN HEMT电荷不 平衡问题的氮化镓基高电子迀移率晶体管。
[0012] 本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种氮化镓基高电子迀移率 晶体管，从下至上依次主要由衬底，GaN缓冲层，沟道层，势皇层，势皇层上的源极、漏极和栅 极，源极与漏极均为欧姆接触，栅极为肖特基接触，栅极与漏极之间的电荷补偿层，电荷补 偿层上的金属电极以及绝缘介质组成，其特征在于:所述的沟道层、势皇层和电荷补偿层均 为GaN材料，沟道层和势皇层极化方向相反，势皇层和电荷补偿层极化方向相反。
[0013] 器件工作原理如下：虽然沟道层和势皇层均为GaN材料，但由于二者极化方向相 反，界面处将形成高浓度的净极化电荷，从而产生高浓度的2DEG(或2DHG)，充当器件的导电 沟道;类似的，势皇层和电荷补偿层之间将形成高浓度的2DHG(或2DEG)。由于沟道层、势皇 层和电荷补偿层均为GaN材料，沟道层和势皇层之间与势皇层和电荷补偿层之间形成的电 荷类型相反，密度相同，二者之间形成了电荷平衡的超结结构。
[0014] 进一步地，所述的GaN沟道层与GaN势皇层之间，GaN势皇层和GaN电荷补偿层之间， 均通过键合的工艺相结合。
[0015] 为了避免漏极和栅极通过GaN电荷补偿层直接导通，所述的GaN电荷补偿层不能同 时与漏极和栅极相连。
[0016] 进一步地，所述绝缘介质为高k介质，相对介电常数大于15。
[0017] 为了避免GaN电荷补偿层出现电位浮空，更好的控制器件特性，所述GaN电荷补偿 层上制备有金属电极，金属电极与电荷补偿层之间形成欧姆接触或肖特基接触，金属电极 电位介于栅极电压和漏极电压之间。
[0018] 与现有技术相比，本实用新型的优点在于：1、器件缓冲层、沟道层、势皇层和电荷 补偿层均为GaN材料，器件内不存在应变，可有效降低器件内电子陷阱密度，抑制器件电流 崩塌效应，改善器件输出功率和可靠性;2、由于势皇层为GaN材料，不会产生合金散射，同时 由于势皇层内不会产生应变，也不存在应变分布不均匀的问题，不会产生极化库伦场散射， 可有效改善沟道载流子迀移率，从而改善器件频率特性与输出功率;3、势皇层内没有逆压 电极化效应，器件偏置电压不会改变沟道载流子浓度，可有效改善器件电流崩塌效应;4、沟 道层和势皇层之间与势皇层和电荷补偿层之间形成的载流子类型相反、浓度相同，二者之 间可形成电荷平衡的超结结构，可有效改善已有技术超结GaN HEMT中电荷不平衡的问题， 同时由于沟道层和势皇层之间与势皇层和电荷补偿层之间的载流子均来源于极化电荷，而 非杂质电离，不会产生"冻析效应"，可有效提升器件可靠性。
【附图说明】
[0019] 图1是已有技术的GaNHEMT结构示意图；
[0020] 图2是已有技术的超结GaN HEMT结构示意图；
[0021 ]图3是本实用新型提出的GaN HEMT结构示意图；
[0022] 图4A是本实用新型实施例中的GaN HEMT工艺流程示意图；
[0023] 图4B是本实用新型实施例中的GaN HEMT工艺流程示意图；
[0024] 图4C是本实用新型实施例中的GaN HEMT工艺流程示意图；
[0025] 图4D是本实用新型实施例中的GaN HEMT工艺流程示意图；
[0026] 图4E是本实用新型实施例中的GaN HEMT工艺流程示意图；
[0027] 图4F是本实用新型实施例中的GaN HEMT工艺流程示意图；
[0028] 图4G是本实用新型实施例中的GaN HEMT工艺流程示意图；
[0029] 图5是本实用新型实施例中的GaN HEMT栅极与漏极之间能带结构示意图；
[0030] 图6是本实用新型实施例中的GaN HEMT转移特性曲线；
[0031] 图7是本实用新型提出的GaN HEMT与已有技术GaN HEMT击穿时沟道横向电场分布 比较；
[0032] 图8是温度300k时，本实用新型提出的GaN HEMT与已有技术超结GaN HEMT击穿时 沟道横向电场分布比较；
[0033] 图9是温度200k时，本实用新型提出的GaN HEMT与已有技术超结GaN HEMT击穿时 沟道横向电场分布比较
[0034] 其中，图中附图标记对应的零部件名称为：
[0035] 101 -衬底，102 -GaN 缓冲层，103 -GaN 沟道层，104 -GaN 势皇层，105 -源极， 106 -漏极，107 -栅极，108-GaN电荷补偿层，109-绝缘介质，110-金属电极。
【具体实施方式】
[0036] 以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
[0037]图4A~图4G为本实用新型所提出的器件结构制备工艺流程示意图。图4A为器件外 延准备，GaN缓冲层102和GaN沟道层103制备于衬底101上，其极化方向均为向上，GaN势皇层 104制备于衬底1011上，其极化方向同样为向上。图4B中，将GaN沟道层103和GaN势皇层104 通过键合工艺结合到一起，此时GaN缓冲层102和GaN沟道层103极化方向向上，而GaN势皇层 104极化方向变为向下，在GaN沟道层103和GaN势皇层104界面处由于极化电荷不平衡，会形 成高浓度的2DEG，充当器件的导电沟道。图4C中，将衬底1011剥离，并通过化学机械抛光和 刻蚀工艺将GaN势皇层104减薄至预期的厚度；同时将GaN电荷补偿层108制备于衬底1012 上，其极化方向为向下。图4D中，将GaN势皇层104和GaN电荷补偿层108通过键合工艺结合到 一起，此时GaN电荷补偿层108极化方向变为向上，由于极化电荷不平衡，GaN势皇层104和 GaN电荷补偿层108界面处将形成高浓度的2DHG。图4E中，将衬底1012剥离，并通过化学机械 抛光和刻蚀工艺将GaN电荷补偿层108加工至预期的厚度和形状。图4F中，形成栅极107、源 极105、漏极106和金属电极。图4G中，形成绝缘介质109。
[0038]为了验证本实用新型所提出器件结构的工作机制，对图4G所示器件进行了仿真， 仿真参数由表1给出。其中电荷补偿层位于与栅极107相连，距离漏极106的距离均为2μπι，电 荷补偿层上绝缘介质109厚度为50nm〇
[0039]表1器件仿真结构参数
[0041]图5所示为器件栅极107与漏极106之间沿垂直方向能带结构仿真结果。从图中可 以看出，在电荷补偿层与势皇层界面处，价带向上弯曲接近费米能级，在该界面处形成了高 浓度的2DHG，而在势皇层与沟道层界面处，导带向下弯曲，在该界面处形成了高浓度的 2DEG。势皇层与沟道层界面2DEG充电器件导电沟道，而电荷补偿层与势皇层界面的2DHG与 沟道2DEG形成超结结构，当器件承受耐压时相互耗尽，扩展器件电场区域，平滑沟道电场分 布，从而提升器件耐压。
[0042]图6所示为本实用新型所提出器件的转移特性曲线。从图中可以看出，与已有技术 GaN HEMT转移特性类似，器件为耗尽型，阈值电压为-8.8V，当栅压为0V，漏极106电压为 0.5V时，器件漏极106电流密度为0.47A/mm。
[0043] 为了进一步证实实用新型所提出GaN HEMT的耐压优势，图7比较了本实用新型所 提出GaN HEMT与已有技术GaN HEMT(器件结构如图1所示)击穿时沟道横向电场分布，已有 技术GaN HEMT中AlGaN势皇层104厚度为30nm，Al组分为0.25，沟道2DEG浓度为1.03 X 1013cnf2,器件其他参数与表1相同。器件击穿电压定义为截止状态下（栅极107电压=-10V)，漏极106电流密度达至IjlmA/mm时的漏极106电压。从图中可以看出，由于栅极107电场 集中效应，已有技术GaN HEMT栅极107边缘形成电场峰值，器件在较低漏压下便被击穿，击 穿电压为145V。而对于本实用新型所提出的GaN HEMT，由于高漏压下GaN电荷补偿层108与 GaN势皇层104之间形成的2DHG和沟道2DEG相互耗尽，沟道形成了平滑的电场分布，器件击 穿电压为1296V，是已有技术GaN HEMT的8.94倍。
[0044] 为了进一步证实本实用新型所提出GaN HEMT的可靠性优势，仿真了不同温度下本 实用新型所提出GaN HEMT与已有技术超结GaN HEMT耐压特性比较。已有技术超结GaN HEMT 器件结构如图2所示，GaN层厚度为10nm;P型GaN层厚度为40nm，掺杂浓度为3Χ10'πΓ3， 300k时Ρ型GaN层杂质电离率为1 %，300k时2DHG浓度为1.2 X 1013cm-2，GaN层和Ρ型GaN层长 度均为4ym;AlGaN势皇层104厚度为30nm，Al组分为0.25，沟道2DEG浓度为1.03 X 1013cnf2， 器件其他参数与表1相同。图8为300k时本实用新型提出的GaN HEMT与已有技术超结GaN HEMT击穿时沟道横向电场分布比较。从图中可以看出，由于已有技术超结GaN HEMT中，2DHG 浓度高于沟道2DEG浓度，器件承受耐压时，2DHG无法完全耗尽，在GaN层边缘形成电场峰值， 器件击穿电压为1 〇 17V。而本实用新型提出的GaN HEMT由于2DHG和2DEG电荷平衡，沟道内没 有形成电场峰值，器件耐压为1296V，较已有技术超结GaN HEMT提高了27.4%。
[0045] 图9为200k时本实用新型提出的GaN HEMT与已有技术超结GaN HEMT击穿时沟道横 向电场分布比较。由于本实用新型提出的GaN HEMT不存在"冻析效应"，器件击穿电压与 300k时相同，仍为1296V。而对于已有技术超结GaN HEMT，由于P型GaN层内P型杂质存在"冻 析效应"，2DHG浓度随着温度的降低而急剧减小，2DHG无法完全耗尽沟道2DEG，器件在栅极 107边缘形成电场峰值，击穿电压较300k时大幅减小，仅为194V。
[0046]虽然上述实施例是以氮化镓基高电子迀移率晶体管(GaN HEMT)为例进行说明的， 但是所提出结构适用于各种其他半导体材料构成的多种结构晶体管。
[0047]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限 制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入 本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种氮化镓基高电子迀移率晶体管，从下至上依次主要由衬底（101)，GaN缓冲层 (102) ，沟道层（103)，势皇层（104)，势皇层（104)上的源极（105)、漏极（106)和栅极（107)， 栅极（107)与漏极（106)之间的电荷补偿层（108)，电荷补偿层（108)上的金属电极（110)以 及绝缘介质（109)组成，其特征在于:所述的沟道层（103)、势皇层（104)和电荷补偿层（108) 均为GaN材料，沟道层（103)和势皇层（104)极化方向相反，势皇层（104)和电荷补偿层（108) 极化方向相反。2. 根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迀移率晶体管，其特征在于：所述的沟道层 (103) 与势皇层（104)之间，势皇层（104)和电荷补偿层（108)之间，均通过键合的工艺相结 合。3. 根据权利要求1或2所述的氮化镓基高电子迀移率晶体管，其特征在于:所述的电荷 补偿层（108)不能同时与漏极（106)和栅极（107)相连。4. 根据权利要求3所述的氮化镓基高电子迀移率晶体管，其特征在于:所述的金属电极 (110)电位介于栅极（107)电压和漏极（106)电压之间。5. 根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迀移率晶体管，所述绝缘介质（109)为高k介 质，相对介电常数大于15。6. 根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迀移率晶体管，其特征在于:所述的金属电极 (110)与电荷补偿层(108)之间形成欧姆接触。7. 根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迀移率晶体管，其特征在于:所述的金属电极 (110)与电荷补偿层(108)之间形成肖特基接触。
【文档编号】H01L29/06GK205723544SQ201620255990
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】曲兆珠, 赵子奇, 朱超, 张后程, 姜涛, 胡子阳
【申请人】宁波大学
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