專利名稱：一種具有復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種具有復(fù)合緩沖層旳氮化鎵基高電子遷移率晶體管，屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，可以有效降低器件的泄漏電流和提高器件擊穿電壓。
背景技術(shù)：
氮化鎵基高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)不但具有氮化鎵材料禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、電子飽和漂移速度高、耐高溫、抗輻射和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異特性，同時(shí)氮化鎵材料可以與鋁鎵氮(AlGaN)等材料形成具有高濃度和高遷移率的二維電子氣溝道，因此特別適用于高壓、大功率和高溫應(yīng)用，是電力電子應(yīng)用最具潛力的晶體管之一。圖I為已有技術(shù)GaN HEMT結(jié)構(gòu)剖面圖，主要包括襯底(108)，氮化鋁(AlN)成核層(107)，氮化鎵(GaN)緩沖層(106)，氮化鋁(AlN)插入層(105)，鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層 (104)以及勢壘層上形成的源極(101)、漏極(102)和柵極(103)，其中源極(101)和漏極
(102)與AlGaN勢壘層(104)形成歐姆接觸，柵極(103)與AlGaN勢壘層(104)形成肖特基接觸。但是對于普通GaN HEMT而言，當(dāng)器件承受耐壓時(shí)，從源極(101)注入的電子可以經(jīng)過GaN緩沖層(106)到達(dá)漏極(102)，形成漏電通道，過大的緩沖層泄漏電流會導(dǎo)致器件提前擊穿，使器件的擊穿電壓遠(yuǎn)低于理論預(yù)期，限制了 GaN HEMT的輸出能力。在本發(fā)明提出以前，為降低器件緩沖層泄漏電流，提高器件擊穿電壓，通常使用以下方法來實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)緩沖層設(shè)計(jì)I、在 GaN 緩沖層(106)內(nèi)摻入碳、鐵等雜質(zhì)[Eldad Bahat-Treidel et al.,^AlGaN/GaN/GaN:C Back-Barrier HFETs With Breakdown Voltage of Over IkV and LowRonX A”，Transactions on Electron Devices, VOL. 57，No. 11，3050-3058 (2010)]。碳、鐵等雜質(zhì)會在氮化鎵材料內(nèi)弓I入深能級電子陷阱，俘獲從源極注入至緩沖層內(nèi)的電子，從而降低緩沖層的泄漏電流，但是該技術(shù)對器件擊穿電壓提升有限，無法充分發(fā)揮氮化鎵材料的耐壓優(yōu)勢，同時(shí)碳、鐵等雜質(zhì)引入的深能級陷阱同樣會導(dǎo)致諸如器件輸出電流下降、電流崩塌效應(yīng)和反應(yīng)速度下降等缺點(diǎn)。2、使用AlGaN等背勢魚緩沖層結(jié)構(gòu)[Oliver Gilt et al. ,“Normally-off AlGaN/GaN HFET with p-type GaN Gate and AlGaN Buffer，，，Integrated Power ElectronicsSystems, 2010] 0 AlGaN等背勢壘的使用增大了從溝道二維電子氣到緩沖層的勢壘高度，從而降低了器件緩沖層泄漏電流，但是該技術(shù)同樣對器件擊穿電壓提升有限，未能充分體現(xiàn)氮化鎵材料的耐壓優(yōu)勢，同時(shí)AlGaN背勢壘不僅在緩沖層和溝道之間由于晶格失配引入陷阱，而且緩沖層中AlGaN和勢壘層中AlGaN具有相反的極化效應(yīng)，會降低溝道二維電子氣濃度，增大器件導(dǎo)通電阻。3、使用 AlGaN/GaN 或 AlN/GaN 等復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)[Manabu Yanagihara et al.，“Recent advances in GaN transistors for future emerging application，，，Phys.Status Solidi A, Vol. 206, No. 6, 1221-1227 (2009) ]。AlGaN/GaN 或 AlN/GaN 復(fù)合結(jié)構(gòu)在緩沖層內(nèi)引入超晶格能帶結(jié)構(gòu)，相比緩沖層摻雜和鋁鎵氮背勢壘結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步抑制電子在緩沖層內(nèi)的輸運(yùn)，提升器件擊穿電壓，但由于AlGaN和AlN材料與GaN材料的晶格失配同樣會破壞緩沖層的晶體結(jié)構(gòu)，引入陷阱和極化電荷，降低器件性能。4、在[王曉亮等，寬帶隙氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)及制作方法，CN100555660C]中公布了一種使用鋁(銦)鎵氮(AlxInyGazN)超晶格緩沖層的氮化鎵基場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以降低材料的晶格缺陷和提高溝道二維電子氣遷移率。但是所述的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管使用了晶格常數(shù)不同的AlxInyGazN超晶格緩沖層，會在緩沖層內(nèi)引入新的失配應(yīng)力，引入陷阱和極化電荷。同時(shí)它還包括一層位于鋁(銦)鎵氮超晶格層和高遷移率氮化鎵層之間的非有意摻雜或有意摻雜氮化鎵高阻層，該高阻層雖然可以減小電子向緩沖層的泄漏，但是對器件擊穿電壓的提升有限，不能充分發(fā)揮氮化鎵材料的優(yōu)勢，同時(shí)該高阻層內(nèi)的深能級陷阱會造成器件輸出電流下降、電流崩塌效應(yīng)和反應(yīng)速度下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了抑制電子在緩沖層內(nèi)的輸運(yùn)，降低器件泄漏電流，從而使器件具有更高的擊穿電壓，本發(fā)明提出了一種使用鋁銦氮/氮化鎵(AlInN/GaN)復(fù)合緩沖層耐壓結(jié)構(gòu)的GaN HEMT0與以上方法相比，本發(fā)明的主要優(yōu)勢有(I)在緩沖層內(nèi)引入超晶格能帶結(jié)構(gòu)，阻擋電子向緩沖層內(nèi)部滲透，降低緩沖層泄漏電流；(2)通過精確控制AlInN中In摩爾組分，可以做到AlInN材料和GaN材料晶格的完美匹配，避免了由于應(yīng)力引入的缺陷和陷阱；(3)不使用非有意摻雜或有意摻雜的GaN高阻緩沖層，在降低緩沖層泄露電流的同時(shí)避免了 GaN高阻緩沖層內(nèi)深能級陷阱對器件性能的影響。本發(fā)明提供的氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括襯底(108)，AlN成核層(107)，GaN溝道層(201)，AlN插入層(105)，AlGaN勢壘層(104)以及勢壘層上形成的源極(101)、漏極(102)和柵極(103)，其中源極(101)和漏極(102)與勢壘層(104)形成歐姆接觸，柵極(103)與勢壘層(104)形成肖特基接觸，其特征是，它還包括一層位于GaN溝道層(201)和AlN成核層(107)之間的AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)。該復(fù)合
緩沖層在AlN成核層(107)之上按GaN/AlInN......GaN/AlInN重復(fù)排列直到復(fù)合緩沖層所
需的厚度，該緩沖層厚度為lynT8iim。其中AlInN單層厚度為Inm 10nm，GaN單層厚度為10nnT50nm。AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)中AlInN層內(nèi)In摩爾組分為17% 18%，以確保AlInN材料與GaN材料晶格常數(shù)相同。根據(jù)本發(fā)明提供的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，所述襯底可以是藍(lán)寶石(A1203)、碳化硅(SiC)或者硅(Si);所述AlN成核層(107)的厚度為IOnm到3
溝道層(201)厚度為5nm到2iim;所述AlN插入層(105)厚度為Inm到5nm;所述AlGaN勢壘層(104)厚度為IOnm到50nm。根據(jù)本發(fā)明提供的GaN HEMT，所述AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)的能帶結(jié)構(gòu)如圖3所示，此時(shí)緩沖層內(nèi)的電子輸運(yùn)過程可分為橫向輸運(yùn)(沿X方向)和縱向輸運(yùn)(沿y方向)，與已有技術(shù)GaN緩沖層(106 )或AlGaN背勢壘相比，電子在y方向的輸運(yùn)受到了限制，其主要的輸運(yùn)機(jī)制有兩種第一，熱激發(fā)傳導(dǎo)，即電子獲得足夠的能量躍遷過AlInN勢壘(圖中過程a)，但在沿著y方向的運(yùn)動過程中，會與晶格相互作用重新落回到氮化鎵勢阱中，此時(shí)電子需要再一次獲得能量才能繼續(xù)向緩沖層內(nèi)部輸運(yùn)；第二，多阱連續(xù)共振遂穿傳導(dǎo)(圖中、過程b)，即電子依次遂穿過多個(gè)勢阱向緩沖層內(nèi)部運(yùn)動，通過合理設(shè)計(jì)緩沖層參數(shù)，可以降電子的這種遂穿幾率降至零。這就降低了電子在緩沖層內(nèi)的滲透深度，減小了器件緩沖層泄漏電流，從而提高了器件擊穿電壓。根據(jù)本發(fā)明提供的GaN HEMT，為了提高緩沖層內(nèi)電子勢壘高度，進(jìn)一步降低緩沖層泄漏電流，可以在AlInN和GaN之間插入禁帶寬度更大的AlN薄層，形成氮化鋁/鋁銦氮/氮化鎵(AlN/AlInN/GaN)復(fù)合緩沖層(401)結(jié)構(gòu)如圖4所示，該復(fù)合緩沖層在AlN成核層(107)之上，按GaN/AlInN/AIN……GaN/AlInN/AIN重復(fù)排列直到復(fù)合緩沖層所需的厚度，該緩沖層厚度為I U nT8 ii m,所述AlN/AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(401)中，AlN單層厚度為Inm 5nm, AlInN單層厚度為Inm IOnm, GaN單層厚度為IOnm 50nm。。


圖I是已有技術(shù)GaN HEMT結(jié)構(gòu)示意圖。主要包括襯底(108)，AlN成核層(107)，GaN緩沖層(106)，AlN插入層(105)，AlGaN勢壘層(104)以及勢壘層上形成的源極(101 )、漏極(102)和柵極(103)，其中源極(101)和漏極(102)與勢壘層(104)形成歐姆接觸，柵極
(103)與勢壘層(104)形成肖特基接觸。圖2是本發(fā)明提供的氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。主要包括襯底(108)，AlN成核層(107)，AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)，GaN溝道層(201)，AlN插入層(105)，AlGaN勢壘層(104)以及勢壘層上形成的源極(101 )、漏極(102)和柵極(103)。圖3是本發(fā)明提供的GaN HEMT中AlInN/GaN復(fù)合緩沖層能帶結(jié)構(gòu)與電子縱向輸運(yùn)機(jī)制示意圖，其中Eg_A1M為AlInN材料禁帶寬度，Eg_GaN為GaN材料禁帶寬度。圖4是本發(fā)明提供的一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)示意圖，其中使用了AlN/AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(401)結(jié)構(gòu)。圖5a是本發(fā)明提供的GaN HEMT與已有技術(shù)GaN HEMT轉(zhuǎn)移特性比較，其中橫坐標(biāo)為柵極電壓(Vg)，縱坐標(biāo)為源漏電流(Ids)，實(shí)線為本發(fā)明晶體管圖2使用AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移特性，虛線為已有技術(shù)晶體管圖I使用GaN緩沖層(106)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移特性，器件源漏電壓(Vds)為IOV。圖5b是本發(fā)明提供的GaN HEMT與已有技術(shù)GaN HEMT截止?fàn)顟B(tài)下源漏泄漏電流比較，其中其中橫坐標(biāo)為柵極電壓(Vg)，縱坐標(biāo)為源漏泄露電流(Ileak),實(shí)線為本發(fā)明晶體管圖2使用AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)結(jié)構(gòu)的泄漏電流，虛線為已有技術(shù)晶體管圖I使用GaN緩沖層(106)結(jié)構(gòu)的泄漏電流，器件源漏電壓(Vds)為IOV。圖6a是本發(fā)明帶有Al InN/GaN復(fù)合緩沖層(202)的垂直器件結(jié)構(gòu)示意圖。主要包括襯底(108)、AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)、GaN溝道層(201)以及陽極(601)和陰極(602)兩個(gè)電極，其中陽極(601)和GaN溝道層(201)、陰極(602 )和襯底(108 )均形成歐姆接觸。圖6b是圖6a所示的垂直器件結(jié)構(gòu)電流電壓特性比較，其中橫坐標(biāo)為陽極電壓(VA)，縱坐標(biāo)為陽極電流(IA)，，實(shí)線為本發(fā)明使用AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)結(jié)構(gòu)的電壓電流特性，虛線為巳有技術(shù)使用GaN緩沖層(106)結(jié)構(gòu)的電壓電流特性。 具體實(shí)施方案在本發(fā)明中，所述AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)結(jié)構(gòu)中AlInN單層厚度，GaN單層厚度和緩沖層總厚度可以根據(jù)具體器件指標(biāo)要求，使用SENTAURUS、MEDICI等器件仿真軟件確定，以使器件在截止?fàn)顟B(tài)下的緩沖層泄漏電流達(dá)到最小，最大地提升器件的耐壓能力。為驗(yàn)證本發(fā)明中所述的AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)結(jié)構(gòu)抑制泄漏電流的效果，分別對使用AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)和GaN緩沖層(106)的GaN HEMT進(jìn)行了仿真。使用 Al InN/GaN 復(fù)合緩沖層(202)的 GaN HEMT 中，GaN 溝道層(201)厚度為 30nm，Al InN/GaN復(fù)合緩沖層(202 )厚度為3 ii m，Al InN/GaN復(fù)合緩沖層(202 )內(nèi)Al InN單層厚度為5nm，GaN單層厚度為20nm ;使用GaN緩沖層(106)的GaN HEMT中，GaN緩沖層(106)厚度為3 y m。兩種器件其他參數(shù)完全相同，具體參數(shù)值如表I所示，器件轉(zhuǎn)移特性如圖5a所示。從器件轉(zhuǎn)移特性比較可以看出，使用AlIn N/GaN復(fù)合緩沖層(202)結(jié)構(gòu)的GaNHEMT具有更好的夾斷特性，同時(shí)在相同的二維電子氣濃度下表現(xiàn)出更大的輸出電流(柵極電壓Vg為IV時(shí)，Al InN/GaN復(fù)合緩沖層(202)GaN HEMT輸出電流為I. 30A/mm,而GaN緩沖層(106)GaN HEMT輸出電流為I. 09A/mm),說明AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)結(jié)構(gòu)具有更好的二維電子氣限域性和更小的緩沖層泄漏電流。圖5b為截止?fàn)顟B(tài)下，使用AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)與GaN緩沖層(106)的GaN HEMT源漏泄露電流比較，從圖中可以看出，在截止?fàn)顟B(tài)下，使用AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)的GaN HEMT源漏泄露電流(實(shí)線)比使用GaN緩沖層(106)的GaN HEMT (虛線)下降了約7個(gè)數(shù)量級，說明Al InN/GaN復(fù)合緩沖層(202)有效地抑制了電子在緩沖層內(nèi)的輸運(yùn)，降低器件緩沖層泄漏電流。表I器件仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)
器件參數(shù)參數(shù)值
柵長0. 5 y m
柵漏間距2ym
柵源間距0. 5ym
Si襯底厚度0. 5ym
AlN成核層厚度IO^
AlN插入厚度Inm
AlGaN勢壘層厚度25nm
溝道二維電子氣濃度IXlO13Cnf2
源漏電壓Iov為進(jìn)一步驗(yàn)證AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)結(jié)構(gòu)抑制緩沖層泄漏電流的效果，分別對圖6a所示使用本發(fā)明AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)和使用已有技術(shù)GaN緩沖層(106)垂直器件結(jié)構(gòu)的電流-電壓進(jìn)行了仿真。其中GaN溝道層(201)厚度均為30nm，硅襯底厚度均為0. 5iim，使用Al InN/GaN復(fù)合緩沖層(202)的垂直結(jié)構(gòu)中，Al InN/GaN復(fù)合緩沖層(202)厚度為0. 5um, Al InN/GaN復(fù)合緩沖層(202)內(nèi)AlInN單層厚度為5nm, GaN單層厚度為20nm ;使用GaN緩沖層(106)的GaN HEMT中，GaN緩沖層(106)厚度為0. 5 u m0器件仿真結(jié)果如圖6b所示巳有技術(shù)GaN緩沖層(106)結(jié)構(gòu)其泄漏電流很大(虛線)，電流隨著電壓的增大而線性增大直至飽和；而0. 5pm厚的AlInN/GaN復(fù)合緩沖層則有效地抑制了泄漏電流(實(shí)線)，直到200V左右器件的 電流才開始緩慢增大。
權(quán)利要求
1.ー種具有復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，包含有襯底(108)，氮化鋁(AlN)成核層(107)，氮化鎵(GaN)溝道層(201 )，氮化鋁(AlN)插入層(105)，鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層(104)以及勢壘層上形成的源極(101 )、漏極(102)和柵極(103)，其中源極(101)和漏極(102)與AlGaN勢壘層(104)形成歐姆接觸，柵極(103)與AlGaN勢壘層(104)形成肖特基接觸，其特征是在位于GaN溝道層(201)和AlN成核層(107)之間有ー層鋁銦氮/氮化鎵(AlInN/GaN)復(fù)合緩沖層(202)、或在位于GaN溝道層(201)和AlN成核層(107)之間有ー層氮化鋁/鋁銦氮/氮化鎵(AlN/AlInN/GaN)復(fù)合緩沖層(401)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種具有復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，其特征是；所述AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)位于AlN成核層(107)之上，按GaN/AlInN……GaN/AlInN重復(fù)排列直到復(fù)合緩沖層所需的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種具有復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，其特征是所述Al InN/GaN復(fù)合緩沖層(202)總厚度為I μ πΓ8 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種具有復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，其特征是所述AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)中AlInN單層厚度為lnnTlOnm，GaN單層厚度為IOnm 50nmo
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種具有復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，其特征是所述AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(202)中，AlInN層內(nèi)銦摩爾組分為17% 18%，以確保AlInN材料與GaN材料晶格常數(shù)相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種具有復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，其特征是；所述A1N/A1 InN/GaN復(fù)合緩沖層(401)，該復(fù)合緩沖層在AlN成核層(107)之上按GaN/AlInN/AIN……GaN/AlInN/AIN重復(fù)排列直到復(fù)合緩沖層所需的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的ー種具有復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，其特征是，所述AlN/AlInN/GaN復(fù)合緩沖層(401)總厚度為I μ πΓ8 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的ー種具有復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，其特征是，所述A1N/A1 InN/GaN復(fù)合緩沖層(401)中，AlN單層厚度為lnnT5nm，AlInN單層厚度為lnm 10nm, GaN單層厚度為IOnm 50nm。
全文摘要
一種具有復(fù)合緩沖層的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。該晶體管包含襯底(108)，氮化鋁成核層(107)，氮化鎵溝道層(201)，氮化鋁插入層(105)，鋁鎵氮勢壘層(104)以及勢壘層上形成的源極(101)、漏極(102)和柵極(103)，其中源極(101)和漏極(102)與鋁鎵氮勢壘層(104)形成歐姆接觸，柵極(103)與鋁鎵氮勢壘層(104)形成肖特基接觸，其特征是，它還包含一層位于氮化鎵溝道層(201)和氮化鋁成核層(107)之間的鋁銦氮/氮化鎵復(fù)合緩沖層(202)、或氮化鋁/鋁銦氮/氮化鎵復(fù)合緩沖層(401)，以抑制電子在緩沖層內(nèi)的輸運(yùn)，降低器件緩沖層泄漏電流，提升器件擊穿電壓與輸出功率。
文檔編號H01L29/06GK102664188SQ20121014293
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者于奇, 尹江龍, 杜江鋒, 趙子奇, 馬坤華 申請人:電子科技大學(xué)