一种氮化镓基高电子迁移率晶体管制造技术

一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，属于半导体器件技术领域。本发明专利技术通过在传统GaNHEMT器件的栅极与漏极之间形成具有整流作用的横向肖特基二极管，以此作为耐压结构来调制器件表面电场，优化横向电场分布，从而达到提高器件击穿电压的目的；同时，横向肖特基二极管的存在还可以在阻断状态下承受一定反向电压，在正向导通状态下避免栅极加正压时栅极产生过大的泄漏电流，保证了器件的正向电流能力；此外，本发明专利技术相比场板结构不会引入附加的寄生电容，保证了器件的工作频率和开关速度，提高了器件的可靠性。

A GaN-based High Electron Mobility Transistor

A GaN-based high electron mobility transistor belongs to the technical field of semiconductor devices. By forming a transverse Schottky diode with rectifying effect between the gate and drain of a conventional GaNHEMT device as a voltage withstanding structure, the device surface electric field is modulated, and the transverse electric field distribution is optimized to achieve the purpose of improving the breakdown voltage of the device; at the same time, the existence of transverse Schottky diode can also exist in the GaNHEMT device. The device can withstand a certain reverse voltage in the blocking state, avoid excessive leakage current when the grid is added positive voltage in the forward conducting state, and ensure the forward current capability of the device; moreover, compared with the field plate structure, the invention does not introduce additional parasitic capacitance, ensures the working frequency and switching speed of the device, and improves the device. Reliability of parts.

【技术实现步骤摘要】
一种氮化镓基高电子迁移率晶体管
本专利技术属于半导体器件
，具体涉及一种具有横向肖特基二极管耐压结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管。
技术介绍
氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管具有禁带宽度大、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(GaN)材料可以与铝镓氮(AlGaN)或者铟镓氮(InGaN)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，氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管特别适用于高压、大功率及高温场合的应用，成为了电力电子应用最具潜力的晶体管之一。图1为现有技术的普通氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMT)的结构示意图，主要包括自下而上依次层叠设置的衬底107、氮化镓缓冲层106、氮化镓沟道层105、铝镓氮势垒层104以及分别设置在铝镓氮势垒层上表面的源极101、漏极102和栅极103，所述源极101和漏极102均与铝镓氮势垒层104形成欧姆接触，栅极103与铝镓氮势垒层104形成肖特基接触；所述源极101与所述栅极103以及所述栅极103与所述漏极102之间分别设置有钝化层108。对于普通GaNHEMT器件而言，当器件承受耐压时，栅极103和漏极102之间沟道二维电子气并不能够完全耗尽，这样将会使得沟道电场主要集中在栅极103的边缘，从而导致器件在较低的漏极电压下便被击穿；同时，从源极101注入的电子可以经过氮化镓缓冲层106到达漏极102，从而形成漏电通道，而过大的缓冲层泄漏电流同样会导致器件提前击穿，这样无法充分发挥GaN材料的高耐压优势，从而限制氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管在高压方面的应用。为了充分利用GaN材料的高临界击穿电场等优异特性，业内研究者对于提高HEMT的耐压能力进行了许多研究，通常采用如下方式：1.场板技术是一种用于改善器件耐压的常用终端技术，文献(J.Li,et.al.“HighbreakdownvoltageGaNHFETwithfieldplate”IEEEElectronLett,vol.37,No.3,pp.196–197,February.2001.)公开有采用与栅短接的场板，场板的引入可以降低主结的曲率效应和电场尖峰，有效地耗尽其下的沟道二维电子气，扩展栅极与漏极之间的二维电子耗尽区域，使栅漏之间的电场分布更加均匀，从而提高耐压。然而，场板的引入会使器件寄生电容增大，影响器件的高频和开关特性。2.缓冲层中引入P-GaN也可提高器件的关态击穿电压，有文献(ShreepadKarmalkar，et.al.“RESURFAlGaN/GaNHEMTforHighVoltagePowerSwitching”IEEEElectronDeviceLetters,VOL.22,NO.8,AUGUST2001)通过引入P-GaN提高了器件耐压，P-GaN的引入可以提高器件的纵向耐压，避免器件过早击穿。但是，P-GaN的激活率很低，改善器件耐压能力的效果有限。3.使用AlGaN等背势垒缓冲层结构，文献[OliverGiltetal.“Normally-offAlGaN/GaNHFETwithp-typeGaNGateandAlGaNBuffer”,IntegratedPowerElectronicsSystems,2010]中提到，AlGaN等背势垒的使用增大了从沟道二维电子气到缓冲层的势垒高度，从而降低了器件缓冲层泄漏电流，但是，该技术同样对器件击穿电压提升有限，未能充分体现氮化镓材料的耐压优势；同时AlGaN背势垒不仅会在缓冲层和沟道层之间由于晶格失配而引入陷阱，而且因为缓冲层中AlGaN与势垒层中AlGaN具有相反的极化效应，反而会降低沟道二维电子气浓度，从而导致器件的导通电阻增大。综上所述，如何在不影响器件其他性能的同时，显著提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的耐压能力成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
鉴于上文所述，本专利技术针对现目前氮化镓基高电子迁移率晶体管(GaNHEMT)耐压能力不足，限制了GaNHEMT在高压场合的应用，提出了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，通过在栅漏之间形成横向肖特基二极管作为耐压结构，优化器件表面电场以提高器件击穿电压的同时也避免了栅极过大的泄漏电流，提高了器件的正向电流能力。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，包括自下而上依次层叠设置的衬底、氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层、铝镓氮势垒层以及分别设置在铝镓氮势垒层上表面的源极、漏极和栅极，所述源极和所述漏极均与所述铝镓氮势垒层形成欧姆接触，所述栅极与所述铝镓氮势垒层形成肖特基接触；其特征在于：栅极与漏极之间的铝镓氮势垒层上表面设置有N型半导体层，所述N型半导体层包括掺杂浓度不同的N-型半导体层和N+型半导体层；所述N-型半导体层与所述栅极形成肖特基接触，所述N+型半导体层与所述漏极形成欧姆接触，栅极和漏极及介于二者之间N型半导体层形成横向肖特基二极管；源极与栅极之间的铝镓氮势垒层以及栅极与漏极之间的N型半导体层表面设置有钝化层。进一步地，本专利技术中N型半导体层还包括：介于N-型半导体层和N+型半导体层之间的本征半导体层。进一步地，本专利技术中N型半导体层的厚度范围为20～500nm。进一步地，N-型半导体层的掺杂浓度范围为1×1013cm-3～5×1016cm-3；N+型半导体层的掺杂浓度范围为3×1017cm-3～1×1020cm-3。进一步地，本专利技术中铝镓氮势垒层的分子式为AlxGayN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，x+y＝1。进一步地，本专利技术中铝镓氮势垒层的厚度范围为10nm～40nm。进一步地，本专利技术中氮化镓沟道层的材料为N型掺杂半导体材料，其厚度范围为10nm～20nm，其掺杂浓度范围为3×1015cm-3～1×1019cm-3。进一步地，本专利技术中氮化镓缓冲层的厚度范围为1μm～4μm。进一步地，本专利技术中N-型半导体层及N+型半导体层的材料均为Si，GaAs，GaN，SiC，AlN，AlGaN和InGaN中任意一种或几种的组合。进一步地，本专利技术中钝化层的材料为SiO2、HfO2、Al2O3、Si3N4和La2O3中任意一种或几种形成的复合材料。进一步地，本专利技术中衬底的材料为蓝宝石、Si和SiC中任意一种。本专利技术的要旨在于克服氮化镓基高电子迁移率晶体管(GaNHEMT)耐压能力不足的缺陷提出一种具有横向肖特基二极管耐压结构的GaNHEMT，从而充分发挥出氮化镓材料的高临界击穿电场及高电子饱和速度等特性。本专利技术的技术方案在栅极和漏极之间形成整流结构，即横向肖特基二极管结构。横向肖特基二极管的存在，能够避免栅极上加正压时造成栅极上产生过大的泄漏电流，保证了器件具有较佳的正向电流能力；并且能够在阻断状态下承受一定的反向电压，同时横向肖特基二极管内部电场能够调制沟道层的电场，优化器件表面电场，减小栅极靠近漏端的电场峰值，使得表面电场分布更为均匀，由此在不引入场板的情况下显著提高了器件的击穿电压，并且不会引入附加的寄生电容，从而不会限制器件的工作频率和开关速度。相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：本专利技术通过在传统GaNHEMT器件的栅极与漏极之间形成具有整流作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，包括自下而上依次层叠设置的衬底(207)、氮化镓缓冲层(206)、氮化镓沟道层(205)、铝镓氮势垒层(204)以及分别设置在铝镓氮势垒层(204)上表面的源极(201)、漏极(202)和栅极(203)，所述源极(201)和所述漏极(202)均与所述铝镓氮势垒层(204)形成欧姆接触，所述栅极(203)与所述铝镓氮势垒层(204)形成肖特基接触；其特征在于：栅极(203)与漏极(202)之间的铝镓氮势垒层(204)上表面设置有N型半导体层，所述N型半导体层包括掺杂浓度不同的N‑型半导体层(209)和N+型半导体层(210)；所述N‑型半导体层(209)与所述栅极(203)形成肖特基接触，所述N+型半导体层(210)与所述漏极(202)形成欧姆接触，栅极(203)和漏极(202)及介于二者之间N型半导体层形成横向肖特基二极管；源极(201)与栅极(203)之间的铝镓氮势垒层(204)以及栅极(203)与漏极(202)之间的N型半导体层表面设置有钝化层(208)。

【技术特征摘要】
1.一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，包括自下而上依次层叠设置的衬底(207)、氮化镓缓冲层(206)、氮化镓沟道层(205)、铝镓氮势垒层(204)以及分别设置在铝镓氮势垒层(204)上表面的源极(201)、漏极(202)和栅极(203)，所述源极(201)和所述漏极(202)均与所述铝镓氮势垒层(204)形成欧姆接触，所述栅极(203)与所述铝镓氮势垒层(204)形成肖特基接触；其特征在于：栅极(203)与漏极(202)之间的铝镓氮势垒层(204)上表面设置有N型半导体层，所述N型半导体层包括掺杂浓度不同的N-型半导体层(209)和N+型半导体层(210)；所述N-型半导体层(209)与所述栅极(203)形成肖特基接触，所述N+型半导体层(210)与所述漏极(202)形成欧姆接触，栅极(203)和漏极(202)及介于二者之间N型半导体层形成横向肖特基二极管；源极(201)与栅极(203)之间的铝镓氮势垒层(204)以及栅极(203)与漏极(202)之间的N型半导体层表面设置有钝化层(208)。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，其特征在于，所述N型半导体层还包括：介于N-型半导体层和N+型半导体层之间的本征半导体层。3.根据权利要求1或2所述的一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述N型半导体层的厚度范围为20～500nm。4.根据权利要求1或2所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜江锋，汪浩，刘勇，白智元，辛奇，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