一种Si基AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及一种宽禁带功率半导体器件，特别是涉及一种应用于电力开关领域的高压增强型Si基AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管。
【背景技术】
[0002]氮化镓(GaN)作为一种新型半导体材料，具有禁带宽度大(3.39eV)、击穿电场强度高(?3.0MV/cm)和电子迀移率高(800?1700/Vs)等特点，在功率半导体器件领域得到了极大的关注。
[0003]AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(High Electronic Mobility Transistor)是基于GaN材料的场效应晶体管，在禁带宽度、电子迀移率和击穿电压上具有优势。由于AlGaN/GaN异质层存在AlGaN和GaN材料的自发极化以及两者材料间压电效应而带来的压电极化，所以异质结内部具有很强的极化效应，也因此存在极强的电场。这极强的电场使得AlGaN/GaN异质结中可以产生高于其他化合物半导体十倍浓度的二维电子气。同时由于AlGaN/GaN异质结界面处的二维电子气是被限制在此界面的二维平面内运动的，所以这些电子距离施主原子较远，杂质间的散射作用对电子迀移率的影响会较小，因此异质结界面处的二维电子气的电子迀移率相当高，于是得到了具有高密度及高电子迀移率的导通电流。这样高电子迀移率晶体管就可以获得较低的比导通电阻(Ron-sp)，因而减小了功率器件的损耗。因此，相比较传统晶体管，AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管可以应用在更高功率和效率的场合中。
[0004]AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管作为横向器件，在截止状态下，沟道耗尽区内的正电荷发出的电力线集中指向栅极边缘，在栅极靠近漏端一侧形成电场峰值，是制约器件击穿电压提高的主要原因之一。过大的峰值电场使器件电场峰值分布不均，器件容易在较低源漏电压下被击穿，无法充分发挥GaN材料的高耐压优势。为了提高AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管的击穿电压，最常采用的方法是引入场板结构，如栅场板、源场板等，场板的采用，可以在场板的边缘引入另一个电场峰值，使得栅漏之间的电场得到重新分布，降低了近漏端栅极边缘的电场峰值，大大提高了击穿电压。但是，场板的加入会增加寄生电容的大小，使得器件的频率特性变坏。
【发明内容】
[0005]本发明针对上述问题，提出了一种Si基AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管，该结构器件保持阈值电压和频率特性基本不变的基础上，能够有效提高击穿电压。
[0006]本发明采用如下技术方案:Si基衬底，在Si基衬底上形成有AlN成核层，在AlN成核层上形成有本征GaN层，在本征GaN层上形成有AlGaN掺杂层；在所述AlGaN掺杂层中形成有栅氧化层，所述栅氧化层的下表面与本征GaN层的上表面相接触，在栅氧化层的上表面形成有栅极；在AlGaN掺杂层的上表面栅极的一侧形成有源极，在AlGaN掺杂层的上表面栅极的另一侧形成有漏极，在栅极、源极和漏极上形成有钝化层，且源极和漏极通过钝化层和栅极相隔离，其特征在于，在本征GaN层中形成有P型AlGaN掺杂区，所述P型AlGaN掺杂区位于栅极和漏极之间区域的下方。
[0007]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0008](I)、本发明器件在本征GaN层中采用P型AlGaN掺杂区的结构，通过极化效应改变栅漏之间二维电子气的浓度来调整栅漏之间的电场分布，进而使得器件击穿电压提高。
[0009]AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管由于强烈的极化效应，会在AlGaN/GaN异质结界面处形成自发极化和压电极化电场，使得AlGaN/GaN异质结界面处的能带发生弯曲，在AlGaN/GaN界面靠近GaN —侧形成高浓度的二维电子气，减小二维电子气的浓度，可以调整栅漏间的电场分布，从而达到提高击穿电压的目的。因此本发明采用在本征GaN层3中插入P型AlGaN掺杂区的方法，在AlGaN与GaN异质结的界面处发生极化效应，使得异质结界面处形成高密度的二维电子气，从而使得P型AlGaN掺杂区上方所对应的二维电子气浓度减小，沟道中二维电子气浓度的减小会引入新的峰值电场，从而达到了调整栅漏之间电场分布，进而提高击穿电压的目的。图3为本发明器件的二维电子气浓度分布图，可以发现沟道中的二维电子气浓度在P型AlGaN掺杂区结构所对应的沟道处(X = 2.8-3.5)明显减小。图4为本发明器件与常规器件的击穿电压对比曲线图，可以发现本发明器件与常规器件相比，击穿电压得到了提高。
[0010](2)、本发明器件的好处在于提高了器件的击穿电压的基础上，阈值电压基本保持不变。图5为本发明器件与常规器件的阈值电压对比图，可以发现本发明器件与常规器件相比，器件的阈值电压基本保持不变。
[0011](4)、本发明器件的好处在于提高了器件的击穿电压的基础上，器件的频率特性基本保持不变。P型AlGaN掺杂区10的结构和传统的场板结构相比，前者通过在器件内部做结构调整，改变器件内部的电场分布，并没有引入额外的寄生电容，因此寄生电容基本保持不变，进而保证了器件的频率特性基本保持不变。
【附图说明】
[0012]图1是常规的Si基AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管结构剖面图。
[0013]图2是本发明的Si基AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管结构剖面图。
[0014]图3是本发明器件二维电子气浓度分布曲线图。可以看出本发明器件使得P型AlGaN掺杂区上方所对应的栅漏间二维电子气出现了明显减小。
[0015]图4是本发明器件与常规器件的击穿电压比较图。可以看出本发明器件使得击穿电压得到了明显的提高。
[0016]图5是本发明器件与常规器件的阈值电压比较图。可以看出本发明器件与常规器件相比，阈值电压基本保持不变。
【具体实施方式】
[0017]一种Si基AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管，包括:Si基衬底1，在Si基衬底I上形成有AlN成核层2，在AlN成核层2上形成有本征GaN层3，在本征GaN层3上形成有AlGaN掺杂层4 ;在所述AlGaN掺杂层4中形成有栅氧化层5，所述栅氧化层5的下表面与本征GaN层3的上表面相接触，在栅氧化层5的上表面形成有栅极6 ;在AlGaN掺杂层4的上表面栅极6的一侧形成有源极7，在AlGaN掺杂层4的上表面栅极6的另一侧形成有漏极8，在栅极6、源极7和漏极8上形成有钝化层9，且源极7和漏极8通过钝化层9和栅极6相隔离，其特征在于，在本征GaN层3中形成有P型AlGaN掺杂区10，所述P型AlGaN掺杂区10位于栅极6和漏极8之间区域的下方。P型AlGaN掺杂区10的厚度为20_30nm。P型AlGaN掺杂区10的长度为0.5-1。P型AlGaN掺杂区10的上表面与AlGaN掺杂层4下表面的距离为10-20nm。P型AlGaN掺杂区的掺杂浓度为l_5el9。
【主权项】
1.一种Si基AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管，包括:Si基衬底(I)，在Si基衬底(I)上形成有AlN成核层(2)，在AlN成核层(2)上形成有本征GaN层(3)，在本征GaN层(3)上形成有AlGaN掺杂层(4);在所述AlGaN掺杂层(4)中形成有栅氧化层(5)，所述栅氧化层(5)的下表面与本征GaN层(3)的上表面相接触，在栅氧化层(5)的上表面形成有栅极(6);在AlGaN掺杂层(4)的上表面栅极(6)的一侧形成有源极(7)，在AlGaN掺杂层(4)的上表面栅极￠)的另一侧形成有漏极(8)，在栅极￠)、源极(7)和漏极(8)上形成有钝化层(9)，且源极(7)和漏极(8)通过钝化层(9)和栅极(6)相隔离，其特征在于，在本征GaN层(3)中形成有P型AlGaN掺杂区(10)，所述P型AlGaN掺杂区(10)位于栅极(6)和漏极(8)之间区域的下方。2.根据权利要求1所述的Si基AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管，其特征在于，所述P型AlGaN掺杂区(10)的厚度为20_30nm。3.根据权利要求1所述的Si基AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管，其特征在于，所述P型AlGaN掺杂区(10)的长度为0.5-1。4.根据权利要求1所述的Si基AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管，其特征在于，所述P型AlGaN掺杂区(10)的上表面与AlGaN掺杂层(4)下表面的距离为10_20nm。5.根据权利要求1所述的Si基AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管，其特征在于，所述P型AlGaN掺杂区(10)的掺杂浓度为l_5el9。
【专利摘要】一种Si基AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，包括：Si基衬底，在Si基衬底上形成有AlN成核层，在AlN成核层上形成有本征GaN层，在本征GaN层上形成有AlGaN掺杂层；在所述AlGaN掺杂层中形成有栅氧化层，所述栅氧化层的下表面与本征GaN层的上表面相接触，在栅氧化层的上表面形成有栅极；在AlGaN掺杂层的上表面栅极的一侧形成有源极，在AlGaN掺杂层的上表面栅极的另一侧形成有漏极，在栅极、源极和漏极上形成有钝化层，且源极和漏极通过钝化层和栅极相隔离，其特征在于，在本征GaN层中形成有P型AlGaN掺杂区，所述P型AlGaN掺杂区位于栅极和漏极之间区域的下方。这种结构的优点在于保持器件频率特性和阈值电压基本不变的前提下，显著提高器件的击穿电压。
【IPC分类】H01L29/778, H01L29/06
【公开号】CN105206663
【申请号】CN201510661083
【发明人】刘斯扬, 周迁, 王宁, 魏家行, 孙伟锋, 陆生礼, 时龙兴
【申请人】东南大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年10月14日