具有衬底内复合介质层结构的氮化镓异质结场效应管制造技术

本发明专利技术公开了一种具有衬底内复合介质层结构的氮化镓异质结场效应管，涉及微电子领域。本发明专利技术基于现有典型氮化镓基异质结场效应管结构，在其背部衬底内设置由高介电常数介质区域和低介电常数介质区域构成的复合基质层，通过合理控制高介电常数介质区域和低介电常数介质区域形成复合交界面的参数以改善栅极和漏极之间二维电子气沟道电场分布的均匀性，进而实现提高器件耐压能力；本发明专利技术还能够克服现有技术采用表面场板结构限制器件的高频应用及开关特性的不足，减小了芯片面积与成本；同时，本发明专利技术所采用的复合介质层为电绝缘介质材料，能够有效地降低衬底与欧姆接触之间的泄露电流，从而进一步提高器件的击穿电压，以保证器件的安全性和稳定性。

Gan heterostructure field effect transistor with substrate composite dielectric layer structure

The invention discloses a gallium nitride heterojunction field effect transistor with a substrate composite dielectric layer structure, which relates to the field of microelectronics. The invention of the typical GaN based heterostructure FET structure based on matrix composite layer is composed of high dielectric constant and low dielectric constant region disposed in the substrate on the back, through to improve between gate and drain channel of two-dimensional electron gas field distribution uniformity of the reasonable control of high dielectric constant the medium region and low dielectric constant region to form a composite interface parameters, and improve the breakdown voltage of the device; the invention also can overcome the existing technology used in high frequency application and switching characteristics of the surface field plate structure limit device is insufficient, and reduces the chip area and cost; at the same time, the composite dielectric layer adopted by the invention for electrical insulation materials, can effectively reduce the leakage current between the substrate and the ohmic contact, so as to further improve the breakdown voltage of the device, to ensure. Safety and stability of parts.

【技术实现步骤摘要】
具有衬底内复合介质层结构的氮化镓异质结场效应管
本专利技术涉及微电子领域，尤其涉及一种具有衬底内复合介质层结构的氮化镓异质结场效应管。
技术介绍
氮化镓基异质结场效应管(GaNHFET)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，同时氮化镓材料可以与氮化镓铝(AlGaN)等材料形成具有高浓度和高迁移率的二维电子气异质结沟道，因此特别适用于高压、大功率和高温应用，是电力电子应用最具潜力的晶体管之一。现有技术典型的氮化镓基异质结场效应管(GaNHFET)结构如图1所示，主要包括衬底，氮化镓(GaN)缓冲层，氮化镓(GaN)沟道层，铝镓氮(AlGaN)势垒层以及在铝镓氮(AlGaN)势垒层上形成的源极、漏极和栅极，其中：源极和漏极与铝镓氮(AlGaN)势垒层形成欧姆接触，栅极与铝镓氮(AlGaN)势垒层形成肖特基接触。对于普通氮化镓基异质结场效应管(GaNHFET)而言，当器件承受耐压时，由于栅极和漏极之间沟道二维电子气不能够完全耗尽，使得沟道电场主要集中在栅极边缘，导致器件在较低的漏极电压下便被击穿。故而，如何能够有效提高沟道电场分布的均匀性，进而提高器件的击穿电压，使得器件工作于高压环境下成为研究中所要解决的技术问题。此外，由于衬底低的击穿电场与禁带宽度，可能导致欧姆接触与衬底之间的泄漏电流增大，使得器件无法正常工作。因此，降低器件的泄露电流同样亟待解决。现有技术通常采用表面场板结构对电场分布进行改善，比如D.Visalli发表的《LimitationsofFieldPlateEffectDuetotheSiliconSubstrateinAlGaN/GaN/AlGaNDHFETs》(《AlGaN/GaN/AlGaN双异质结场效应管中硅衬底造成的场板效应的局限性》)。基于场板结构能够有效耗尽二维电子气，进而扩展栅极与漏极之间的耗尽区域，从而使得栅极与漏极之间的电场分布更加均匀，以此达到提高击穿电压的目的，最终解决沟道电场主要集中在栅极漏边缘的问题。然而，场板结构不仅无法完全耗尽栅极与漏极之间的沟道二维电子气，而且并不能克服器件存在泄漏电流的不足，这样使得氮化镓材料的耐压优势不能充分发挥；此外，场板结构会引入额外的栅源或栅漏电容，限制了器件在高频领域的使用。现有技术通常采用衬底去除技术来降低器件欧姆接触与衬底之间的泄漏电流，从而避免器件的提前击穿。Nicolas等人采用了硅衬底去除技术，将栅漏间距为15μm的氮化镓基异质结场效应管(GaNHFET)的击穿电压从750V提高到1900V。然而，采用衬底去除技术会使得器件热学特性下降，基于自热效应引起的迁移率降低导致跨导与饱和电流下降，导通电阻也随之增大。综上所述，亟需一种具有高耐压、高可靠性的氮化镓基异质结场效应管。
技术实现思路
鉴于上文所述，为解决上述技术问题，本专利技术提出一种具有衬底内复合介质层结构的氮化镓异质结场效应管，耐压效果良好。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种具有衬底内复合介质层结构的氮化镓异质结场效应管，包括衬底，设于所述衬底上的氮化镓缓冲层，设于所述氮化镓缓冲层上的氮化镓沟道层以及设于所述氮化镓沟道层上的氮化镓铝势垒层，所述氮化镓铝势垒层上形成有源极、漏极和栅极；所述衬底内设置有复合介质层，所述复合介质层的顶面与氮化镓缓冲层的底面相接触；所述复合介质层由相互接触设置的高介电常数介质区域和低介电常数介质区域组成，所述高介电常数介质区域和低介电常数介质区域形成接触面的方向包括与氮化镓沟道层相垂直的方向。本专利技术的总技术方案是在传统氮化镓异质结场效应管的衬底内设置由不同介电常数部分构成的复合介质层，以此来调控栅极与漏极之间二维电子气沟道的电场分布。进一步地，本专利技术中复合介质层位于与氮化镓铝势垒层上栅极和漏极之间的区域相对应的衬底中，所述复合介质层的顶面与氮化镓缓冲层的底面相接触。根据本专利技术具体实施例，复合介质层的一端与栅极的漏边沿对齐，所述复合介质层的另一端与漏极的栅边沿对齐；在垂直方向上，所述复合介质层的厚度小于或者等于所述衬底的厚度。进一步地，定义本专利技术中高介电常数介质区域和低介电常数介质区域的所用材料的介电常数分别为Kh和Kl，则Kh和Kl的关系满足：2≤2Kl≤Kh≤200。本专利技术高介电常数介质区域和低介电常数介质区域接触面形成复合界面，垂直于所述复合界面处的电场分布不连续，其中，高介电常数介质区域内电场强度较低，低介电常数介质区域内电场密度较高；而为使得上述复合界面垂直处电场强度能够产生横向电场强度跃变，进而影响到器件中二维电子气沟道区域内电场分布，本技术方案将高介电常数介质区域材料和低介电常数介质区域的复合界面的方向设置为与二维电子气沟道即氮化镓沟道层相垂直的方向。基于此，本专利技术栅极与漏极之间二维电子气沟道内的电场分布受上述影响，类似在其中引入一个新的电场尖峰，使得栅极的漏边缘处峰值电场降低，而远离栅极靠近漏极处的电场抬高，基于此，本专利技术降低了栅极边缘的电场集中程度，进而提升了栅极与漏极之间的沟道电场分布均匀度，最终实现了提高器件耐压能力的目的。具体地，本专利技术中高介电常数介质区域或者低介电常数介质区域的数量为一个、两个或者多个；为更好实现本专利技术，采用多个高介电常数介质区域或者低介电常数介质区域以增加与二维电子气沟道垂直方向上的复合界面数，从而充分利用上述电场调制作用使得沟道电场分布趋于理想状态分布，以达到更高的耐压能力，进一步地，多个高介电常数介质区域所用材料的介电常数可以相同也可以不同；多个低介电常数介质区域所用材料的介电常数可以相同也可以不同。其中，多个不同材料的高介电常数介质区域之间相互间隔设置或者紧密接触设置。其中，多个不同材料的低介电常数介质区域之间相互间隔设置或者紧密接触设置。进一步地，本专利技术还包括设置于源极与栅极之间以及栅极与漏极之间的钝化层。相比现有技术，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术结构设计合理，通过在衬底内设置由高介电常数介质区域和低介电常数介质区域组成的复合介质层，基于合理控制与二维电子气沟道垂直的复合交界面进而调控二维电子气沟道内电场分布，从而大幅度提升器件的耐压水平；二维电子气沟道内电场的调制效果取决于复合介质层内高介电常数介质区域和低介电常数介质区域形成复合交界面的结构参数及位置参数；此外，本专利技术还能够克服现有技术采用表面场板结构限制器件的高频应用及开关特性的不足，减小了芯片面积与成本。2、本专利技术所采用的复合介质层为电绝缘介质材料，因此相比于现有技术栅极和漏极势垒层下方的衬底材料，能够有效地降低衬底与欧姆接触之间的泄露电流，进而进一步提高器件的击穿电压，以保证器件的安全性和稳定性。附图说明图1为现有技术典型氮化镓基异质结场效应管的结构示意图；图2为基于现有衬底去除技术的氮化镓基异质结场效应管的结构示意图；图3为本专利技术所提供的氮化镓异质结场效应管的结构示意图；图4为本专利技术的一个具体实施实例所提供氮化镓异质结场效应管的结构示意图；图5为本专利技术实施例与基于现有衬底去除技术的氮化镓异质结场效应管的击穿特性对比；图6为本专利技术实施例与基于现有衬底去除技术的氮化镓异质结场效应管的沟道电场分布对比；图7为本专利技术实施例与基于现有衬底去除技术的氮化镓异质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有衬底内复合介质层结构的氮化镓异质结场效应管，包括衬底(307)，设于所述衬底(307)上的氮化镓缓冲层(306)，设于所述氮化镓缓冲层(306)上的氮化镓沟道层(305)以及设于所述氮化镓沟道层(305)上的氮化镓铝势垒层(304)，所述氮化镓铝势垒层(304)上形成有源极(301)、漏极(302)和栅极(303)，其特征在于，所述衬底(307)内设置有复合介质层，所述复合介质层的顶面与氮化镓缓冲层(306)的底面相接触；所述复合介质层由相互接触设置的高介电常数介质区域(309)和低介电常数介质区域(310)组成，所述高介电常数介质区域(309)和低介电常数介质区域(310)形成接触面的方向包括与氮化镓沟道层(305)相垂直的方向。

【技术特征摘要】
1.一种具有衬底内复合介质层结构的氮化镓异质结场效应管，包括衬底(307)，设于所述衬底(307)上的氮化镓缓冲层(306)，设于所述氮化镓缓冲层(306)上的氮化镓沟道层(305)以及设于所述氮化镓沟道层(305)上的氮化镓铝势垒层(304)，所述氮化镓铝势垒层(304)上形成有源极(301)、漏极(302)和栅极(303)，其特征在于，所述衬底(307)内设置有复合介质层，所述复合介质层的顶面与氮化镓缓冲层(306)的底面相接触；所述复合介质层由相互接触设置的高介电常数介质区域(309)和低介电常数介质区域(310)组成，所述高介电常数介质区域(309)和低介电常数介质区域(310)形成接触面的方向包括与氮化镓沟道层(305)相垂直的方向。2.根据权利要求1所述的一种具有衬底内复合介质层结构的氮化镓异质结场效应管，其特征在于，所述复合介质层位于与氮化镓铝势垒层(304)上栅极(303)和漏极(302)之间的区域相对应的衬底中。3.根据权利要求1所述的一种具有衬底内复合介质层结构的氮化镓异质结场效应管，其特征在于，定义高介电常数介质区域(309)和低介电常数介质区域(310)的所用材料的介电常数分别为Kh和Kl，则Kh和Kl的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜江锋，蒋知广，白智元，于奇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51