一種具有負離子注入鈍化層的場效應晶體管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有負離子注入鈍化層的場效應晶體管，從下至上依次主要由襯底，氮化鎵緩沖層，氮化鎵溝道層，鋁鎵氮勢壘層以及鈍化層組成，在勢壘層上形成與勢壘層成歐姆接觸的源極、漏極以及與勢壘層成肖特基接觸的柵極。本發(fā)明在柵極漏端的鈍化層內(nèi)引入負離子注入?yún)^(qū)域，負離子注入?yún)^(qū)域中的負離子會排斥部分二維電子氣溝道電子，形成LDD(Low-Densit Drain)結構，在不犧牲器件可靠性的基礎上調(diào)制了溝道電場分布使其更加均勻，提升了器件的耐壓。
【專利說明】一種具有負離子注入鈍化層的場效應晶體管

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體器件領域，具體涉及一種在鈍化層具有負離子注入?yún)^(qū)域的氮化 鎵基異質(zhì)結場效應管。

【背景技術】
[0002] 氮化鎵（GaN)基異質(zhì)結場效應晶體管具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、電子飽 和速度高、導熱性能好、抗輻射和良好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)異特性，同時氮化鎵（GaN)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異質(zhì)結溝道，因此特 別適用于高壓、大功率和高溫應用，是電力電子應用最具潛力的晶體管之一。
[0003] 圖1為基于現(xiàn)有技術的傳統(tǒng)GaN HFET結構示意圖，主要包括：襯底101，氮化鎵 (GaN)緩沖層102,氮化鎵（GaN)溝道層103,鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層104以及鈍化層105、 106,以及鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層104上表面設置的源極107、漏極108和柵極109,其中源極 107和漏極108均與鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層104形成歐姆接觸，柵極109與鋁鎵氮（AlGaN) 勢壘層104形成肖特基接觸。但是對于上述傳統(tǒng)的GaN HFET而言，當器件承受耐壓時，由于 柵極和漏極之間溝道二維電子氣不能夠完全耗盡，使得溝道電場主要集中在柵極邊緣，導 致器件在較低的漏極電壓下便被擊穿；同時，從源極注入的電子可以經(jīng)過GaN緩沖層到達 漏極，形成漏電通道，過大的緩沖層泄漏電流同樣會導致器件提前擊穿，無法充分發(fā)揮GaN 材料的高耐壓優(yōu)勢，從而限制GaN HFET在高壓方面的應用。
[0004] 在本發(fā)明提出以前，為了使柵極與漏極之間電場分布更加均勻，抑制緩沖層泄漏 電流，提高器件擊穿電壓，通常使用以下方法：
[0005] (1)在器件的電學結構中引入負離子注入?yún)^(qū)域[D. Song et al.，"Normally Off AlGaN/GaN Low-Density Drain HEMT(LDD-HEMT)ffith Enhanced Breakdown Voltage and Reduced Current Collapse，'，IEEE Electron Device Letters, Vol. 27, No. 3, pp. 189-19 l,Mar 2007]。在勢魚層注入負離子可以排斥溝道中的二維電子氣，形成LDD(Low-Densit Drain)結構，能夠使溝道電場更加均勻達到提升耐壓的作用，但在器件的電學結構中注入 負離子，會對器件的高壓和高溫可靠性造成明顯影響。
[0006] (2)在緩沖層內(nèi)摻入碳、鐵等雜質(zhì)[Eldad Bahat-Treidel et al.，"AlGaN/ GaN/GaN:C Back-Barrier HFETs ffithBreakdown Voltage of Over lkV and LowRONXA"，Trans, on Electron Devices，Vol.57，No.ll，p. 3050-3058(3060)]。碳、鐵等 雜質(zhì)會在GaN緩沖層內(nèi)引入深能級電子陷阱，俘獲從源極注入的電子，增大緩沖層電阻，同 時被電子占據(jù)的陷阱有助于耗盡溝道中二維電子氣，使器件溝道電場分布更加均勻。但是 該技術不能完全耗盡溝道中的二維電子氣，無法充分發(fā)揮GaN材料的耐壓優(yōu)勢，同時碳、鐵 等雜質(zhì)引入的深能級陷阱會導致諸如導通電阻增大、輸出電流下降、電流崩塌效應和反應 速度下降等負面影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種具有耐壓能力的氮化鎵基異質(zhì)結場效應 管。
[0008] 本發(fā)明采用如下述技術方案：一種具有負離子注入鈍化層的場效應晶體管，其結 構如圖1所示，由下至上依次主要由襯底101、氮化鎵（GaN)緩沖層102、氮化鎵（GaN)溝道 層103、鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層104以及鈍化層105、106組成，在鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層104 上表面設有源極107、漏極108和柵極109,源極107和漏極108均與勢壘層104成歐姆接 觸，柵極109與勢壘層104成肖特基接觸，在柵極109與漏極108之間的鈍化層106區(qū)域內(nèi) 還設有一個以上的負離子注入?yún)^(qū)域201，負離子注入?yún)^(qū)域201中的負離子會排斥部分二維 電子氣溝道電子，形成LDD(Low-Densit Drain)結構，達到調(diào)制溝道電場以實現(xiàn)提高耐壓的 目的。
[0009] 所述的鈍化層105、106由Si02、A120 3、Si3N4和ZnO組成的物質(zhì)組中選擇的一種絕 緣物質(zhì)制成。
[0010] 所述的負離子注入?yún)^(qū)域201可通過注入CF4、SF4等離子氣實現(xiàn)負離子的注入。
[0011] 所述的負離子注入?yún)^(qū)域201的負離子濃度為NF，滿足1015cnT 3彡NF彡102°cnT3。
[0012] 所述的負離子注入?yún)^(qū)域201與鈍化層106上表面的距離（注入深度）為TPF，且滿 足0彡T PF < TP，其中TP為鈍化層的厚度。
[0013] 進一步的，所述的負離子注入?yún)^(qū)域201的厚度為TF，滿足0 <TF彡（TP - TPF)，其 中Tp為鈍化層的厚度。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：
[0015] 本發(fā)明在GaN HFET柵極漏端的鈍化層引入負離子注入?yún)^(qū)域，通過耗盡部分漏端溝 道的二維電子氣形成LDD結構，達到通過調(diào)制溝道的電場來提升器件耐壓的目的。相比現(xiàn) 有技術，本發(fā)明實現(xiàn)工藝簡單，在柵極與漏極之間的鈍化層中引入的負離子注入?yún)^(qū)域對柵 電容的影響很小，對器件的頻率特性的影響很小，能做到在不犧牲器件可靠性的基礎上提 商耐壓能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是已有技術中常規(guī)GaN HFET的結構示意圖。
[0017] 圖2是本發(fā)明提供的具有負離子注入鈍化層的GaN HFET結構示意圖。
[0018] 圖3是本發(fā)明提供的具有負離子注入鈍化層的帶柵漏端場板的GaN HFET結構示 意圖。
[0019] 圖4是本發(fā)明提供的在鈍化層設有2個負離子注入?yún)^(qū)域的GaN HFET結構示意圖。
[0020] 圖5是圖2所示的本發(fā)明提供的GaN HFET與常規(guī)結構GaN HFET在器件柵極處于 關態(tài)情況下漏極電流與漏極偏壓的關系比較圖。
[0021] 圖6是圖2所示的本發(fā)明提供的GaN HFET圖2與常規(guī)結構GaN HFET在器件柵極 處于關態(tài)情況下沿溝道的電場分布的比較圖。
[0022] 圖中標記對應的零部件名稱為：
[0023] 101-襯底，102-氮化鎵（GaN)緩沖層，103-氮化鎵（GaN)溝道層，104-鋁鎵氮 (AlGaN)勢壘層，105、106-鈍化層，107-源極，108-漏極，109-柵極，20U202-負離子注入 區(qū)域，301-漏場板。

【具體實施方式】
[0024] 下面結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0025] 實施例1
[0026] 最易于說明本發(fā)明意圖和優(yōu)點的例子是本發(fā)明提供的圖2所示結構的GaN HFET 與常規(guī)結構GaN HFET(圖1)的性能對比；上述兩個器件的具體實例的結構參數(shù)由表1給 出。
[0027] 表1器件仿真結構參數(shù)
[0028]

【權利要求】
1. 一種具有負離子注入鈍化層的場效應晶體管，由下至上依次主要由襯底（101)、氮 化鎵（GaN)緩沖層（102)、氮化鎵（GaN)溝道層（103)、鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層（104)以及鈍 化層（105、106)組成，在鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層（104)上表面設有源極（107)、漏極（108)和 柵極（109)，所述源極（107)和漏極（108)均與鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層（104)成歐姆接觸， 柵極（109)與鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層（104)成肖特基接觸，其特征在于，在柵極（109)與漏 極（108)之間的鈍化層（106)區(qū)域內(nèi)還設有一個以上的負離子注入?yún)^(qū)域（201)，負離子注入 區(qū)域（201)中的負離子會排斥部分二維電子氣溝道電子，形成LDD(Low-Densit Drain)結 構，達到調(diào)制溝道電場以實現(xiàn)提高耐壓的目的。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種具有負離子注入鈍化層的場效應晶體管，其特征在于， 所述鈍化層（105、106)由Si02、Al 203、Si3N4和ZnO組成的物質(zhì)組中選擇的一種絕緣物質(zhì)制 成。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種具有負離子注入鈍化層的場效應晶體管，其特征在于， 所述的負離子注入?yún)^(qū)域（201)中注入的負離子氣為CF 4*SF4。
4. 根據(jù)權利要求3所述的一種具有負離子注入鈍化層的場效應晶體管，其 特征在于，所述的負離子注入?yún)^(qū)域（201)的負離子濃度為乂（個數(shù)/cnT 3)，且滿足 1015cm 3 ^ NF ^ 102Clcm 3〇
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種具有負離子注入鈍化層的場效應晶體管，其特征在于， 所述的負離子注入?yún)^(qū)域（201)與鈍化層（106)上表面的距離（注入深度）為T PF，滿足0<TPF <TP，其中TP為鈍化層（106)的厚度；所述的負離子注入?yún)^(qū)域（201)的厚度為T F，滿足0 < TF彡（TP - TPF)，其中TP為鈍化層（106)的厚度。
【文檔編號】H01L29/10GK104282735SQ201410473240
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權日:2014年9月17日
【發(fā)明者】杜江鋒, 潘沛霖, 陳南庭, 王康, 于奇 申請人:電子科技大學