一种具有组分渐变的背势垒结构的HEMT器件制造技术

本发明专利技术公开了一种具有组分渐变的背势垒结构的HEMT器件，属于半导体功率器件制造技术领域。所述HEMT器件通过引入组分渐变的背势垒，有效地增强沟道中的电子约束，从而改善器件的性能。此外，背势垒中的极化渐变可以降低寄生沟道中的2DEG浓度并减弱沟道的不利影响，这有利于改善器件的电子性能。本发明专利技术通过采用极化渐变的AlGaN背势垒，使得HEMT器件的饱和电流和跨导均有所提高，电流增益截止频率峰值和功率增益截止频率峰值也得到了提高，从而获得高性能的InAlN/GaN HEMT。由此，该结构有助于GaN基功率器件的发展。于GaN基功率器件的发展。于GaN基功率器件的发展。

【技术实现步骤摘要】
一种具有组分渐变的背势垒结构的HEMT器件


[0001]本专利技术涉及一种具有组分渐变的背势垒结构的HEMT器件，属于半导体功率器件制造


技术介绍

[0002]氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，由于其具有极宽的禁带宽度、高临界电场、极化引起的电子气、更高的电子迁移率和饱和速度，是制造高频大功率器件的最佳选择。因此，GaN基高电子迁移率晶体管(HEMTs)可以实现在高压下工作以及更低的导通电阻和更高的工作开关频率。此外，GaN基HEMTs具有高二维电子气浓度及高电子迁移率的优点，因此可以工作到毫米波段。
[0003]近年来，AlGaN/GaN异质结材料一直是GaN基器件的主力，考虑到AlGaN/GaN异质结处的晶格失配和压电效应引起的晶格缺陷导致了AlGaN/GaN HEMT的可靠性问题，AlInN势垒层被选择替代常用的AlGaN势垒层以改善GaN基HEMT的性能。当In
x
Al
1-x
N的Al组分为0.83时，In
x
Al
1-x
N与GaN晶格匹配。因此，In
0.17
Al
0.83
N/GaN界面处的自发极化可以诱导更高的二维电子气(2DEG)密度，并且可以增强HEMT的可靠性。
[0004]虽然所提出的InAlN/AlN/GaN结构具有所述的优点，但GaN在单一异质结结构中既是缓冲层又是沟道层会导致一部分2DEG从沟道溢出到缓冲层，导致灵活性和可靠性降低。增强异质结2DEG约束和抑制载流子溢出到缓冲层最直接的方法是使用背垒，它构成了双异质结结构。其中，加入AlGaN背势垒层是最常用的解决办法之一，其在一定程度上，它可以增强载流子约束，但同时也会在AlGaN/GaN缓冲界面产生不必要的寄生通道。而寄生通道会导致器件的击穿电压降低，并使器件的可靠性严重恶化，限制了器件的电学特性。

技术实现思路

[0005]为了解决HEMT器件中加入AlGaN背势垒层导致在AlGaN/GaN缓冲界面产生不必要的寄生通道的问题，本专利技术提供了一种具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，所述HEMT器件的外延结构依次包括：衬底，GaN缓冲层，Al组分渐变的AlGaN背势垒层，GaN沟道，AlN插入层，In组分为0.17的InAlN势垒层，以及钝化层，栅极、源极和漏极；
[0006]其中靠近GaN主沟道侧的渐变AlGaN背势垒层的Al成分为0.1，并且远离主沟道逐渐减小至0。
[0007]可选的，所述HEMT器件中，Al组分渐变的AlGaN背势垒层中Al含量从0.1到0呈线性变化。
[0008]可选的，所述衬底的材料为蓝宝石。
[0009]可选的，所述GaN缓冲层为非故意n型掺杂，背景载流子浓度为1
×
10
16
cm-3
，其厚度为2μm。
[0010]可选的，所述GaN沟道的厚度为14nm。
[0011]可选的，所述AlN插入层的厚度为1nm。
[0012]可选的，所述InAlN势垒层为未掺杂且厚度为10nm，Al组分为0.83，与厚度为14nm的GaN沟道实现晶格匹配。
[0013]可选的，源极和漏极均为欧姆接触，栅极为肖特基接触。
[0014]可选的，栅-源极之间的距离，栅-漏极之间的距离和栅极的长度分别为0.5μm，10μm和2μm。
[0015]可选的，所述钝化层采用Si3N4。
[0016]本专利技术有益效果是：
[0017]通过引入组分渐变的背势垒，有效地增强沟道中的电子约束，从而改善器件的性能。此外，背势垒中的极化渐变可以降低寄生沟道中的2DEG浓度并减弱沟道的不利影响，这有利于改善器件的电子性能。极化渐变的AlGaN背势垒可以替代固定的Al含量Al
x
Ga
1-x
N背势垒设计，从而获得高性能的InAlN/GaN HEMT。由此，该结构有助于GaN基功率器件的发展。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1是本专利技术一个实施例中提出的具有组分渐变的背势垒层InAlN/GaN HEMT器件的层结构示意图；
[0020]图2是传统的具有组分固定的背势垒层InAlN/GaN HEMT器件的层结构示意图；
[0021]图3是本专利技术提出的具有组分渐变和传统组分固定的背势垒的两种HEMT器件在漏电压为5v时的传输特性仿真图，其中图3A为栅电压-漏电流仿真图，图3B为栅电压-跨导仿真图；
[0022]图4是具有组分渐变和组分固定的背势垒的两种HEMT器件在8v漏电压下的模拟射频(RF)性能仿真图。
具体实施方式
[0023]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。
[0024]实施例一：
[0025]本实施例提供一种具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，所述HEMT器件采用极化渐变的AlGaN背势垒代替了传统组分固定的Al
0.1
Ga
0.9
N背势垒，其中靠近GaN主沟道侧的渐变AlGaN背势垒层的Al成分为0.1，并且远离主沟道逐渐减小至0，以减少寄生沟道的危害，提高器件的性能。
[0026]参见图1，所述具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件的外延结构依次包括：衬底，GaN缓冲层，Al组分渐变的AlGaN背势垒层，GaN沟道，AlN插入层，In组分为0.17的InAlN势垒层。
[0027]所述HEMT器件还包括钝化层以及栅极、源极和漏极。钝化层的厚度为100nm。
[0028]所述结构中的衬底材料为蓝宝石。
[0029]GaN缓冲层为非故意n型掺杂，背景载流子浓度为1
×
10
16
cm-3
，其厚度为2μm。
[0030]AlN插入层厚度为1nm，InAlN势垒层为未掺杂且厚度为10nm，Al组分为0.83，与厚度为14nm的GaN沟道实现晶格匹配。
[0031]所述HEMT器件的Al组分渐变的AlGaN背势垒层的厚度为25nm，其中Al含量沿外延生长从0％(底部)到10％(顶部)线性变化。
[0032]源极和漏极均为欧姆接触，栅极为肖特基接触。栅-源极之间的距离，栅-漏极之间的距离和栅极的长度分别为0.5μm，10μm和2μm。通过使用Si3N4薄膜钝化器件表面，以减少HEMT中的电流崩塌效应。
[0033]为验证本申请提出的具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN H本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，其特征在于，所述HEMT器件的外延结构依次包括：衬底，GaN缓冲层，Al组分渐变的AlGaN背势垒层，GaN沟道，AlN插入层，In组分为0.17的InAlN势垒层，以及钝化层，栅极、源极和漏极；其中靠近GaN主沟道侧的渐变AlGaN背势垒层的Al成分为0.1，并且远离主沟道逐渐减小至0。2.根据权利要求1所述的具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，其特征在于，所述HEMT器件中，Al组分渐变的AlGaN背势垒层中Al含量从0.1到0呈线性变化。3.根据权利要求2所述的具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，其特征在于，所述衬底的材料为蓝宝石。4.根据权利要求3所述的具有组分渐变的背势垒结构的InAlN/GaN HEMT器件，其特征在于，所述GaN缓冲层为非故意n型掺杂，背景载流子浓度为1
×
10
16
cm-3
，其厚度为2μm。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨国锋，
申请(专利权)人：杨国锋，
类型：发明
国别省市：