[0009]一种制造电子气背势皇氮化镓异质结场效应管的方法，在衬底上依次生长GaN缓冲层、AlN、AlGaN、AlInN等势皇层构成异质结来形成栅电极外的外沟道，然后适当减薄势皇层构筑内沟道异质结，再在内沟道异质结上淀积栅金属层制成栅电极。使大射频栅压变动范围内外沟道中始终保持足够的电子气，依靠电子气的负电荷来构筑背势皇，其特征是还包括如下工艺步骤:
(1)针对器件工作要求的射频电压和电流来设计栅电极外的外沟道异质结构，使射频栅压变动范围内外沟道中始终保持足够的电子气密度，运用电子气的负电荷来抑制器件射频工作中电场梯度引起的异质结能带畸变，构成电子气背势皇；
(2)减薄势皇层厚度，淀积栅电极金属层，制作栅电极。控制内沟道的势皇层厚度来提高器件跨导，使选定的射频栅压变化足以控制内沟道的通断，实现场效应管的高效射频工作；
(3)自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程，研宄大射频栅压摆动下的外沟道能带畸变和沟道堵塞；调节内、外沟道的异质结构，降低能抑制能带畸变和沟道堵塞的最低负栅压；扩大器件射频工作的栅压和漏压变动范围，提高器件的抗电流崩塌能力；同时优化设计外沟道的电势分布，降低强场峰，确保外沟道达到所需的击穿电压。
[0010]氮化物异质结沟道阱中的电子气密度随势皇层增厚而增大，在厚势皇层下电子气密度逐渐趋于饱和。目前的异质结优化设计对内、外沟道都只考虑一种异质结构。往往选用电子气密度接近饱和的势皇层厚度。因此Al组份比和势皇层厚度间存在一定的关联，能带剪裁的余地不大。本专利提出独立设计内、外沟道两种异质结构，提高了优化设计异质结构的力度。首先选用Al组份比较高的势皇层来提高内沟道挖槽的能带剪裁力度。控制内沟道势皇层厚度来达到所需的电子气密度和沟道电流，提高器件跨导。然后增厚外沟道高Al组份比势皇层的厚度来增大外沟道电子气密度，降低外沟道电子气密度随表面势的变化，形成较大的内、外沟道夹断电压差，使内沟道夹断以后外沟道仍保留适当的电子气来构成电子气背势皇，消除外沟道能带畸变和沟道堵塞。再自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程来计算不同电场梯度和负栅压下的异质结能带。优化设计内、外沟道异质结构，使器件在高漏压和强负栅压下不产生显著能带畸变和沟道堵塞。并且开展内、外沟道的相互作用研宄，用两沟道间的电子气密度差来降低沟道强场峰，提高击穿电压。从而弱化电流崩塌，增大射频电流，提高器件PAE和输出功率，减少器件射频工作中的性能退化，提高可靠性。
[0011]使用常规的器件制作工艺来制作场效应管。在完成欧姆接触后用光刻和挖槽工艺把内沟道势皇层减薄到所设计的厚度，再在势皇层上覆盖栅电极，制成挖槽场效应管。
[0012]实施例1
考虑最常用的AlGaN/GaN异质结沟道阱。选用Al组份比较高的A10.35Ga0.65N势皇层来增大挖槽能带剪裁力度。取内沟道层厚15nm，自洽求解泊松方程和薛定谔方程得到沟道电子气密度为9.48*1012cm-2，夹断电压为-3.2V。选取30nm厚的外沟道势皇层，求得的电子气密度为1.245*1013cm-2，在内沟道夹断的-3.2V栅压下沟道中仍有7.16*1012cm_2的电子气密度，外沟道在-7.7V栅压下才夹断。内、外沟道的电子气密度差使内沟道夹断时外沟道中仍有较强的电子气背势皇。在3*1011V/cm2的强电场梯度下，外沟道电子气密度升高，在-7V强负栅压下外沟道中仍保留5.27*1012cm-2的电子气密度。自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程证明在这样高的负栅压下电子气背势皇仍能抑制能带畸变和沟道堵塞。从而确保能在B类工作条件下消除电流崩塌，实现高效大功率输出。
[0013]实施例2
考虑用AlN插入层来提高AlGaN/GaN异质结沟道阱的电子迀移率。选用1nmAl0.35Ga0.65N/lnmAlN势皇层来构筑内沟道异质结。自洽求解泊松方程和薛定愕方程得到沟道电子气密度为1.15*1013cm-2，夹断电压为-3V。选取25nmA10.35Ga0.65N/lnmAlN的外沟道势皇层，求得的电子气密度为1.37*1013cm-2，在内沟道夹断的-3V栅压下外沟道中仍有8.12*1012cm-2的电子气密度，外沟道在-7.6V栅压下才夹断。内、外沟道的电子气密度差使内沟道夹断时外沟道中仍有较强的电子气背势皇。在3*1011V/cm2的强电场梯度下，外沟道电子气密度升高，在-8V强负栅压下外沟道中仍保留3.5*1012cm-2的电子气密度。自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程证明在这样高的负栅压下电子气背势皇仍能抑制能带畸变和沟道堵塞。从而确保能在B类工作条件下消除电流崩塌，实现高效大功率输出。
[0014]实施例3
考虑AlInN/GaN晶格匹配高Al组份比异质结沟道阱。选用5nmA10.83In0.17N/lnmAlN势皇层来构筑内沟道异质结。自洽求解泊松方程和薛定谔方程得到沟道电子气密度为
2.72*1013cm-2，夹断电压为-4V。选取15nmA10.83In0.17N/lnmAlN的外沟道势皇层，求得的电子气密度为3.26*1013cm-2，在内沟道夹断的-4V栅压下沟道中仍有1.95*1013cm_2的电子气密度，外沟道在-10.6V栅压下才夹断。内、外沟道的电子气密度差使内沟道夹断时外沟道中仍有较强的电子气背势皇。在3*1011V/cm2的强电场梯度下，外沟道电子气密度升高，在-1lV强负栅压下外沟道中仍保留3.87*1012cm-2的电子气密度。自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程证明在这样高的负栅压下电子气背势皇仍能抑制能带畸变和沟道堵塞。从而确保能在B类工作条件下消除电流崩塌，实现高效大功率输出。
【主权项】
1.一种制造电子气背势皇氮化镓异质结场效应管的方法，在衬底上依次生长GaN缓冲层、么1队4163队411]^势皇层构成异质结来形成栅电极外的外沟道，然后减薄势皇层构筑内沟道异质结，再在内沟道异质结上淀积栅金属层制成栅电极，使大射频栅压变动范围内外沟道中始终保持电子气，依靠电子气的负电荷来构筑背势皇，其特征是还包括如下工艺步骤: (1)针对器件工作要求的射频电压和电流来设计栅电极外的外沟道异质结构，使射频栅压变动范围内外沟道中始终保持电子气密度，运用电子气的负电荷来抑制器件射频工作中电场梯度引起的异质结能带畸变，构成电子气背势皇； (2)减薄势皇层的厚度，淀积栅电极金属层，制作栅电极；控制内沟道的势皇层厚度来提高器件跨导，使选定的射频栅压变化足以控制内沟道的通断，实现场效应管的高效射频工作； (3)自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程，研宄大射频栅压摆动下的外沟道能带畸变和沟道堵塞；调节内、外沟道的异质结构，降低能抑制能带畸变和沟道堵塞的最低负栅压；扩大器件射频工作的栅压和漏压变动范围，提高器件的抗电流崩塌能力；同时优化设计外沟道的电势分布，降低强场峰，确保外沟道达到所需的击穿电压。
【专利摘要】本发明是一种制造电子气背势垒氮化镓异质结场效应管的方法，其特征是为场效应管栅电极下的内沟道和栅电极外的外沟道独立设计不同的异质结构，使大射频栅压变动下外沟道中始终保持足够的电子气密度，利用电子负电荷来产生背势垒，抑制器件射频工作中外沟道的能带畸变和沟道堵塞。然后减薄势垒层制作内沟道异质结，提高栅电极对内沟道电导的控制力度，实现高效的射频工作。通过自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程研究内、外沟道的相互作用，抑制器件射频工作中的能带畸变和电流崩塌。平衡内、外沟道的电场分布，提高击穿电压。
【IPC分类】H01L21-335
【公开号】CN104576371
【申请号】CN201410754731
【发明人】薛舫时
【申请人】中国电子科技集团公司第五十五研究所
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月11日