GaN高电子迁徙率晶体管制造技术

本发明专利技术提供了一种GaN高电子迁徙率晶体管，包括：衬底；缓冲层，设置在衬底上；沟道层，设置在缓冲层上；势垒层，设置在沟道层上；掺杂层，设置在势垒层上；源极，设置在沟道层上，并位于势垒层的一侧；漏极，设置在沟道层上，并位于势垒层的另一侧；栅极，设置在掺杂层靠近漏极的一侧；其中，沟道层与势垒层的临界处靠近沟道层的一侧具有二维电子气，沟道层在源极处的高度大于沟道层在栅极处的高度。通过使沟道层在源极处的厚度大于沟道层在栅极处的厚度，使得晶体管通电时，高浓度2‑DEG的流向为自上而下，有效避免或减弱了源极漏极之间电场的作用，从而提高晶体管的阈值电压。

GaN high electron mobility transistor

【技术实现步骤摘要】
GaN高电子迁徙率晶体管
本专利技术属于功率半导体材料与器件制造的
，具体而言，涉及一种GaN高电子迁徙率晶体管。
技术介绍
电力电子器件广泛应用于移动通信、电动汽车、工业控制等领域中，近年来随着电动汽车行业的高速发展以及5G技术逐步实现商用，目前在以Si为代表的第一代半导体材料和以GaAs、InP为代表的第二代半导体材料逐渐接近其理论极限，在高频、高效率、高功率密度、高温和强辐照环境等应用场景下已不能满足市场需求。因此，以SiC和GaN为代表的第三代半导体材料因其突出的性能优势在部分领域正逐步取代Si基器件。GaN材料因其禁带宽度大、饱和电子迁移率高、高温性能好以及耐辐照能力强，在高压、高温、高功率密度以及高效率等应用场合具有较大优势。目前GaN基半导体器件已经在航天领域以及移动通信领域有了较为成熟的应用，而在功率半导体器件方面也已实现商用。GaN高电子迁移率晶体管(Highelectronmobilitytransistor，HEMT)具有开关速度快、导通电阻小、耐压能力强以及高温性能较好等优点，目前在100-900V电压范围内，具有明显的性能优势，其开关频率可达硅基器件的十倍以上，因此可大大减小电感电容等无源元件的体积，提高功率密度，此外，因GaNHEMT器件无反向恢复损耗，因此效率有明显提升。但是，GaNHEMT器件因其特殊的异质结结构特点，在材料本身的自发极化与压电极化效应作用下，GaN与AlGaN界面处在零栅极偏压下会形成势阱，会有大量的二维电子气(2-DEG)存在，这也是GaNHEMT器件具有较高饱和电子迁移率的原因。但这样也使得GaNHEMT器件的阈值电压较低，如相关技术中的P型栅结构GaN器件阈值电压较低，抗干扰能力较弱，因此在不明显降低器件性能的前提下提升GaNHEMT器件的阈值电压是急需解决的。
技术实现思路
本专利技术旨在解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的第一方面提出了一种GaN高电子迁徙率晶体管。有鉴于此，根据本专利技术的第一方面提出了一种GaN高电子迁徙率晶体管，包括：衬底；缓冲层，设置在衬底上；沟道层，设置在缓冲层上；势垒层，设置在沟道层上；掺杂层，设置在势垒层上；源极，设置在沟道层上，并位于势垒层的一侧；漏极，设置在沟道层上，并位于势垒层的另一侧；栅极，设置在掺杂层靠近漏极的一侧；其中，沟道层与势垒层的临界处靠近沟道层的一侧具有二维电子气，沟道层在源极处的高度大于沟道层在栅极处的高度。本专利技术提出的GaN高电子迁徙率晶体管包括由底部至顶部依次分布的衬底、缓冲层、沟道层、势垒层及掺杂层，还包括位于沟道层顶部的源极和漏极，以及位于势垒层上方的栅极，其中，源极、漏极和势垒层均设置在沟道层上，源极和漏极分别位于势垒层的左右两侧，沟道层与势垒层的临界处靠近沟道层的一侧具有高浓度二维电子气。晶体管中存在由漏极到源极的电场，由于在非耗尽区中的沟道层和势垒层的界面处存在高浓度的2-DEG，该电场会使栅极靠源极一侧的高浓度2-DEG向漏极侧移动，因此该电场对栅极下方沟道的导通起到了促进作用，这也就导致了相关技术中器件的阈值电压较低。而本申请通过使沟道层在源极处的高度大于沟道层在栅极处的高度，也即沟道层各处高度并不相同，沟道层的上边界各处所在高度并不相同，位于源极下方的沟道层的高度大于位于栅极下方的沟道层的高度，使得晶体管通电时，高浓度2-DEG的流向为自上而下，这种方式在很大程度上避免了或减弱了源极漏极之间电场的作用，使得器件，也即本申请的晶体管的阈值电压有较大的提升，在显著提升器件阈值电压的同时并未引起电流能力的下降，而且不会影响器件性能，如导通性能，且抗干扰能力强。相关技术中P型栅结构器件的阈值电压一般在1.5V以下，而本申请中提出的晶体管的阈值电压能够达到了3V以上，而且在适当降低其导通特性的前提下阈值电压还可以进一步增加，阈值电压能够提升2倍以上。另外，根据理论分析和仿真计算结果可知，在固定漏极与源极之间的电压的情况下，器件的漏极电流与栅宽(即栅极与势垒层之间的有效长度)成正比，而与截止沟道(即二维电子气中与栅极在势垒层方向所对应的部分二维电子气所在沟道)的长度成反比。在申请中，由于沟道层在源极处的高度大于沟道层在栅极处的高度，与相关技术中沟道层各处厚度、各处高度相同相比，使得沟道层靠近栅极处的沟道具有竖向延伸的趋势，可使这部分沟道的长度相比传统P型栅的截止沟道长度要短，而栅极与相对而言较为水平延伸的沟道的接触面又增加了栅宽。因此随着截止沟道长度的减小以及栅宽的增加，器件的电流能力并没有显著下降，而因为这种特性的存在，对结构参数进行优化后甚至可以一定程度上增加器件的电流能力，又提高晶体管的阈值电压。而且，本申请中的器件的电流能力几乎不受P型掺杂层浓度的影响，这是因为在栅宽和截止沟道长度这两者对器件电流能力的影响远大于P型掺杂浓度的影响，此时P型掺杂层浓度对器件电流能力的影响已经可以忽略不计。由于在功率器件的生产工艺中，实现较高的P型掺杂浓度仍然比较困难，因此，本申请中的晶体管还可以降低器件生产制造中对工艺的要求。其中，需要说明的是，在本申请中，沟道层的高度方向与沟道层的厚度方向同向，沟道层的高度指沟道层上边界所在的高度，在沟道层的下边界各处高度相同，处于同一水平面上的情况下，沟道层各处的高度，等于对应位置沟道层的厚度。沟道层的高度方向与晶体管整体的高度方向同向。另外，根据本专利技术提供的上述技术方案中的GaN高电子迁徙率晶体管，还可以具有如下附加技术特征：在一种可能的设计中，沟道层包括水平沟道层和竖直沟道层，水平沟道层沿水平方向延伸，竖直沟道层在水平沟道层的厚度方向上延伸，并位于水平沟道层靠近源极的一侧，竖直沟道层的高度大于水平沟道层的高度。在该设计中，具体使沟道层包括水平沟道层和竖直沟道层，其中，水平沟道层沿水平方向延伸，竖直沟道层在水平沟道层的厚度方向上延伸，由于水平沟道层和竖直沟道层延伸简单，使得沟道层整体方便加工。而且，由于竖直沟道层的高度大于水平沟道层的高度，使得晶体管在通电后，更容易使高浓度2-DEG的自上而下流动，减弱源极漏极之间电场的作用，从而增加晶体管的阈值电压。而且，可通过调节竖直沟道层与水平沟道层的高度差，来增加阈值电压的大小，阈值电压可随着竖直沟道层与水平沟道层的高度差的增加而增加。其中，需要说明的是，本申请中的各层的厚度方向，为从衬底至势垒层的方向。水平方向为相对而言的水平方向，始终垂直于衬底的厚度方向。在一种可能的设计中，源极设置在竖直沟道层上，栅极设置在水平沟道层远离缓冲层的一侧。在该设计中，具体将源极设置竖直沟道层上，将栅极设置在水平沟道层远离缓冲层的一侧，方便加工。进一步地，源极设置在竖直沟道层的上边界的左侧，漏极设置在水平沟道层的上边界的右侧，栅极位于源极与漏极之间，并位于水平沟道层的中部上方。在一种可能的设计中，势垒层在沟道层的高度方向上呈Z字型分布。在该设计中，具体使势垒层在沟道层的高度方向上呈Z字型分布，由于势垒层与沟道层相邻，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaN高电子迁徙率晶体管，其特征在于，包括：/n衬底；/n缓冲层，设置在所述衬底上；/n沟道层，设置在所述缓冲层上；/n势垒层，设置在所述沟道层上；/n掺杂层，设置在所述势垒层上；/n源极，设置在所述沟道层上，并位于所述势垒层的一侧；/n漏极，设置在所述沟道层上，并位于所述势垒层的另一侧；/n栅极，设置在所述掺杂层靠近所述漏极的一侧；/n其中，所述沟道层与所述势垒层的临界处靠近所述沟道层的一侧具有二维电子气，所述沟道层在所述源极处的高度大于所述沟道层在所述栅极处的高度。/n

【技术特征摘要】
1.一种GaN高电子迁徙率晶体管，其特征在于，包括：
衬底；
缓冲层，设置在所述衬底上；
沟道层，设置在所述缓冲层上；
势垒层，设置在所述沟道层上；
掺杂层，设置在所述势垒层上；
源极，设置在所述沟道层上，并位于所述势垒层的一侧；
漏极，设置在所述沟道层上，并位于所述势垒层的另一侧；
栅极，设置在所述掺杂层靠近所述漏极的一侧；
其中，所述沟道层与所述势垒层的临界处靠近所述沟道层的一侧具有二维电子气，所述沟道层在所述源极处的高度大于所述沟道层在所述栅极处的高度。


2.根据权利要求1所述的GaN高电子迁徙率晶体管，其特征在于，
所述沟道层包括水平沟道层和竖直沟道层，所述水平沟道层沿水平方向延伸，所述竖直沟道层在所述水平沟道层的厚度方向上延伸，并位于所述水平沟道层靠近所述源极的一侧，所述竖直沟道层的高度大于所述水平沟道层的高度。


3.根据权利要求2所述的GaN高电子迁徙率晶体管，其特征在于，
所述源极设置在所述竖直沟道层上，所述栅极设置在所述水平沟道层远离所述缓冲层的一侧。


4.根据权利要求2或3所述的GaN高电子迁徙率晶体管，其特征在于，
所述势垒层在所述沟道层的高度方向上呈Z字型分布。


5.根据权利要求1所述的GaN高电子迁徙率晶体管，其特征在于，
所述沟道层包括倾斜沟道层，所述倾斜沟道层的上边界靠近所述源极的部分向上倾斜，所述倾斜沟道层的上边界靠近所述漏极的部分向下倾斜。


6.根据权利要求1至3、5中任一项所述的GaN高电子迁徙率晶体管，其特征在于，<...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈显平，李万杰，王黎明，张旭，钱靖，吴灵美，
申请(专利权)人：重庆平创半导体研究院有限责任公司，重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50