专利名称：一种氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法
技术领域：
一种高电子迁移率晶体管，属于半导体器件领域，特别涉及氮化镓(GaN)基半导体高电子迁移率晶体管。
背景技术：
氮化镓基半导体高电子迁移率晶体管器件因其高电子迁移率、高电子饱和速度以及高击穿电压，使其很适合高频及高输出功率应用，是射频和微波应用最具潜力的半导体器件之一。但现阶段，各种氮化镓基高电子迁移率晶体管因其材料物理特性、工艺等，仍有各种问题妨碍了它的实用化及大规模应用。其中一个关键的问题就是其栅极与漏极之间的实际击穿电压比理论预期的要低得多，这就限制了氮化镓基高电子迁移率晶体管的高压高功率应用。
现有的氮化镓基高电子迁移率晶体管的基本结构(以铝镓氮/氮化镓异质结材料为例)剖面图如图1(a)所示。它在衬底7上依次形成成核层6(本说明书以氮化铝(AlN)为例，下同)、高电阻半导体层5(本说明书以氮化镓(GaN)为例，下同)和能带比高电阻半导体层5宽的势垒层4(本说明书以铝镓氮(AlGaN)为例，下同)；势垒层上为源极1、栅极2和漏极3，其中源、漏极与铝镓氮势垒层4形成欧姆接触，栅极与势垒层形成肖特基接触。在器件工作时，栅极与漏极之间的电场分布在栅极耗尽区边缘形成一个峰值，这是由于从漏电极3发出的电场线主要经过半导体，到达栅电极2，如图1(b)所示。因此，其实际的击穿电压比理论预测的低很多，限制了晶体管的最大工作电压，从而限制了器件的输出功率。
发明内容
为了改善氮化镓基高电子迁移率晶体管栅极耗尽区边缘的电场分布，从而具有更高击穿电压的特性，使其可以获得更高的工作电压和更高的输出功率，本发明提供了一种高击穿电压的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构。
本发明的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构(以铝镓氮/氮化镓异质结材料为例)如图2(a)所示，包括衬底7及在其上依次形成的成核层6、高电阻半导体(氮化镓)层5和能带比高电阻半导体层5宽的势垒层(铝镓氮)4，以及势垒层4上的源极1、栅极2和漏极3，其中源极1、漏极3与势垒层4形成欧姆接触，栅极2与势垒层4形成肖特基接触，其特征是，它还包括一层位于势垒层4上、栅极2和漏极3之间的高介电系数材料层8(以下称高K材料层)以改善其下高电阻半导体层5和势垒层4内部的电场分布。
根据本发明的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构中，所述高介电系数材料层8可以是VB族金属氧化物、IVB族金属氧化物、IIIB族金属氧化物，以及上述多种高介电系数材料的多重薄层。一般要求相对介电系数ε值大于20，ε值越高，对半导体内部电场分布的改善作用越明显。
所述成核层6的厚度为几十纳米到十微米；所述氮化镓层的厚度为1～3微米；所述铝镓氮层的厚度为10～40纳米。
根据本发明的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构中，所述高介电系数材料层8在电场作0用下发生介质极化，介质极化后在高介电系数材料层8与势垒层4的界面处形成的极化电荷对其下半导体材料中的电场产生调制作用。这等效于从漏电极3发出的部分电场线不经过半导体，而是通过高介电系数材料层8到达栅电极2，如图2(b)所示，这就减小了半导体中栅耗尽区边缘的电场峰值。因此，要达到击穿电场，就需要更大的漏栅电压，这就提高了栅漏之间击穿所需的电压，也即晶体管的击穿电压，从而扩展了氮化镓基高电子迁移率晶体管的输出功率范围。
根据本发明的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构中，所述高介电系数材料层8厚度可以是随离开栅电极2或漏电极3的距离连续或阶梯变化的，如图3所示。
根据本发明的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构中，所述高介电系数材料层8可以插入在栅极2与势垒层4之间形成MIS结构，如图4所示。
虽然上述发明内容是以铝镓氮/氮化镓异质结高电子迁移率晶体管(AlGaN/GaN HEMT)为例进行说明的，但是所提出结构适用于III族氮化物半导体材料构成的高电子迁移率晶体管。
图1(a)是现有的氮化镓基高电子迁移率晶体管基本结构(以铝镓氮/氮化镓材料为例)剖面示意图。其主要包括衬底7、成核层6、氮化镓层5、势垒层4、源极1、栅极2和漏极3，其中源、漏极为欧姆接触，栅极为肖特基接触。
图1(b)是不带高介电系数材料层的氮化镓基高电子迁移率晶体管(以铝镓氮/氮化镓材料为例)栅靠漏边缘之间的电力线分布示意图。
图2(a)是本发明提供的带高介电系数材料层的氮化镓基高电子迁移率晶体管(以铝镓氮/氮化镓材料为例)剖面示意图。其主要包括衬底7、成核层6、氮化镓层5、铝镓氮势垒层4、源极1、栅极2、漏极3、高介电系数材料层8。
图2(b)是带高介电系数材料层的氮化镓基高电子迁移率晶体管(以铝镓氮/氮化镓材料为例)栅靠漏边缘之间的电力线分布示意图。
图3是所述覆盖在氮化镓基高电子迁移率晶体管(以铝镓氮/氮化镓材料为例)栅漏之间高介电系数材料层8厚度随位置连续或阶梯变化的示意图。
图4是本发明提供的一种带高介电系数材料层的氮化镓基高电子迁移率晶体管(以铝镓氮/氮化镓材料为例)剖面示意图，其中高介电系数材料层8插入在栅极2与势垒层4之间形成MIS结构。
图5为以铝镓氮/氮化镓材料为例的势垒层下表面电场E随离开栅极的距离x变化的粗略示意图，其中曲线A表示没有高介电系数材料层时栅极到漏极的电场分布、曲线B为使用高介电系数材料层后栅极到漏极的电场分布。
具体实施例方式
在所述高介电系数材料层8材料一定(即介电系数值一定)的情况下，厚度t的选取可通过MEDICI、ISE-DESSIS等器件模拟软件模拟确定，以使异质结沟道处达到如图5分布的铝镓氮/氮化镓异质结沟道电场，从而得到提高了的栅漏之间击穿所需的电压(沟道电场由栅向漏积分所得电压)。
根据本发明的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构中，最易于说明本发明意图的例子是图2(a)所示的带有均匀厚度高介电系数材料层8与最常用的铝镓氮/氮化镓异质结构成的高电子迁移率晶体管结构。对由厚度为3微米氮化镓层5和厚度为30纳米铝镓氮势垒层4形成异质结(理想材料)，栅极2和漏极3间距3微米并覆盖厚度100纳米(均匀)高介电系数材料8的高电子迁移率晶体管结构进行模拟，得到栅截止电压下其击穿电压为400伏(判定标准是铝镓氮/氮化镓异质结沟道在栅极2边缘的电场峰值3.25MV/cm时漏极3上的电压)。对没有高介电系数材料8而其他参数相同的高电子迁移率晶体管结构进行模拟，得到其击穿电压为60伏。
虽然上述实施例子是以铝镓氮/氮化镓异质结高电子迁移率晶体管(AlGaN/GaN HEMT)为例进行说明的，但是所提出结构适用于III族氮化物半导体材料构成的高电子迁移率晶体管。
权利要求
1.一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，包括衬底(7)上依次形成的成核层(6)、高电阻半导体层(5)和能带比高电阻半导体层(5)宽的势垒层(4)，以及势垒层(4)上的源极(1)、栅极(2)和漏极(3)，其中源极(1)、漏极(3)与势垒层(4)形成欧姆接触，栅极(2)与势垒层形成肖特基接触，其特征是，它还包括一层位于势垒层(4)上、栅极(2)和漏极(3)之间的高介电系数材料层(8)。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征是，所述高介电系数材料层(8)厚度可以是随位置连续或阶梯变化。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征是，所述高介电系数材料层(8)可以插入在栅极(2)与势垒层之间形成MIS结构。
4.根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征是，所述高介电系数材料层(8)可以是VB族金属氧化物、IVB族金属氧化物、IIIB族金属氧化物，或上述多种高K材料的多重薄层。
5.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征是，所述高介电系数材料层(8)的相对介电系数大于20。
全文摘要
一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，属于半导体器件，特别涉及氮化镓基高电子迁移率晶体管。它是由衬底7上依次形成的成核层6、高电阻半导体层5和能带比高电阻半导体层5宽的势垒层4，以及势垒层4上的源极1、栅极2和漏极3，其中源极1、漏极3与势垒层4形成欧姆接触，栅极2与势垒层4形成肖特基接触。其特征是，它还包括一层位于势垒层上、栅极和漏极之间有一层高介电系数材料层8，以改善其下高电阻半导体层5和势垒层4内部的电场分布，提高栅漏之间击穿所需的电压，从而扩展了氮化镓基高电子迁移率晶体管的输出功率范围。
文档编号H01L29/812GK101017854SQ20061002272
公开日2007年8月15日 申请日期2006年12月31日 优先权日2006年12月31日
发明者周伟, 靳翀, 杜江锋, 罗谦, 夏建新, 于奇, 杨谟华 申请人:电子科技大学