AlGaN/GaN高電子遷移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種AIGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，特別是一種借助極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層來有效抑制緩沖層內(nèi)深能級受主導(dǎo)致的電流崩塌且顯著提升器件擊穿特性的一種復(fù)合緩沖層極化調(diào)制的AIGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]AIGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管是一種基于氮化物特有的極化效應(yīng)在異質(zhì)結(jié)界面溝道處產(chǎn)生高濃度的二維電子氣，并通過柵壓控制溝道開關(guān)的新型半導(dǎo)體電子器件，具有高頻、高功率和耐高溫特性，廣泛應(yīng)用于無線通信基站、高速功率開關(guān)器件、短波長光電子器件等領(lǐng)域。然而，限制AIGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管進(jìn)一步提升功率和頻率特性的一個主要因素是電應(yīng)力作用下溝道內(nèi)電子易被勢皇層表面陷阱或者緩沖層內(nèi)深能級受主俘獲，導(dǎo)致源漏電流減小，導(dǎo)通電阻增大、射頻分散等不利現(xiàn)象，即“電流崩塌”。其中溝道電子在柵極附近被勢皇層表面陷阱俘獲，能夠形成對溝道電流具有控制作用的“虛柵”，降低了有效二維電子氣密度，但可通過引入表面鈍化層來抑制表面陷阱活性或者引入場板結(jié)構(gòu)來調(diào)制柵極附近電場對其進(jìn)行有效抑制。緩沖層內(nèi)的深能級受主，包括鐵、碳、本征缺陷等對于減小緩沖層背景電子濃度、抑制緩沖層漏電是必要的，但在電應(yīng)力作用下這些深能級易俘獲從溝道內(nèi)溢出進(jìn)入緩沖層的熱電子而造成電流控制能力降低，然而目前并沒有明確技術(shù)方案解決由緩沖層深能級導(dǎo)致的電流崩塌。
[0003]提高AIGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管的擊穿電壓是提升其功率特性的另一種途徑，因為擊穿電壓直接影響到器件的輸出功率密度。目前主要通過以下技術(shù)提升器件的擊穿電壓:引入場板結(jié)構(gòu)來削弱柵極靠近漏極一測的電場，即達(dá)到臨界擊穿電場需提供更高的源漏擊穿電壓，但場板結(jié)構(gòu)需要較為復(fù)雜的工藝；利用更寬帶隙的AlGaN代替GaN作為溝道層材料，通過提升溝道層的臨界擊穿電場進(jìn)而提升擊穿電壓，但會犧牲溝道二維電子氣的迀移率；采用常規(guī)Ala(]5Gaa95N緩沖層的背勢皇結(jié)構(gòu)，可降低緩沖層漏電和提升緩沖層的臨界擊穿電場，但對擊穿電壓的提升效果有限，同時也會降低源漏電流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出的是一種復(fù)合緩沖層極化調(diào)制的AIGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，其目的是要有效抑制AIGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管器件由于緩沖層內(nèi)深能級受主俘獲溝道中的熱電子而導(dǎo)致的電流崩塌問題，同時在不引入場板結(jié)構(gòu)和維持溝道二維電子氣高迀移率基礎(chǔ)上明顯提升器件的擊穿特性。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種復(fù)合緩沖層極化調(diào)制的AIGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是沿外延生長方向自下而上分別為，
單晶襯底I ;
極化調(diào)制的AlxlGa1 xlN緩沖層2a ；
極化調(diào)制的Alx2Ga1 x2N緩沖層2b ； GaN溝道層3 ；
AlyGa1 yN 勢皇層 4。
[0006]基于能帶裁剪理論采用極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層代替常規(guī)的GaN或者AlaffiGaa95N緩沖層以顯著抬升緩沖層相對溝道勢阱的背勢皇高度，減小電應(yīng)力下溝道內(nèi)的熱電子進(jìn)入緩沖層被深能級受主俘獲的幾率，即抑制由緩沖層內(nèi)深能級受主導(dǎo)致的電流崩塌；增強溝道二維電子氣的限域性，降低緩沖層的寄生電導(dǎo)和漏電流，同時極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層相對常規(guī)的GaN或者AlaffiGaa95N緩沖層具有更高的臨界擊穿電場，緩沖層漏電流的降低和臨界擊穿電場的提高能明顯提升器件的擊穿特性；另外采用GaN作為溝道層材料也保證了足夠高的二維電子氣迀移率。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果在于:
通過采用極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層代替常規(guī)GaN緩沖層或者Al。.^Gaa95N背勢皇緩沖層以顯著抬升背勢皇高度和改善緩沖層能帶形狀，減小電應(yīng)力作用下緩沖層內(nèi)深能級受主俘獲溝道中的熱電子而導(dǎo)致的電流崩塌問題。同時背勢皇高度的提升也利于增強溝道二維電子氣的限域性，降低緩沖層的寄生電導(dǎo)和漏電流，再者極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層相對常規(guī)的GaN或者AlaffiGaa95N緩沖層具有更高的臨界擊穿電場，緩沖層漏電流的降低和臨界擊穿電場的提高能明顯提升器件的擊穿特性。電流崩塌的抑制和擊穿電壓的提高利于提升AIGaN/GaN HEMT在射頻功放和高速功率開關(guān)器件領(lǐng)域的功率和頻率特性。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明提供的復(fù)合緩沖層極化調(diào)制AIGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是常規(guī)GaN緩沖層的AIGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是常規(guī)AlaffiGaa95N緩沖層的AIGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是具體實施例中AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層極化調(diào)制(polarized AlGaN)、常規(guī)GaN緩沖層(convent1nal GaN)、常規(guī) Al。.Q5GaQ.95N 緩沖層(convent1nal AlGaN)的高電子遷移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)沿外延生長方向上的能帶結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是具體實施例中AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層極化調(diào)制(polarized AlGaN)、常規(guī)GaN緩沖層(convent1nal GaN)、常規(guī) Al。.Q5GaQ.95N 緩沖層(convent1nal AlGaN)的高電子遷移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)在柵極、漏極上加電應(yīng)力前后漏極電流的退化程度，其中電應(yīng)力起始時間為 0.001-0.002 S 示意圖；
圖6是具體實施例中AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層極化調(diào)制(polarized AlGaN)、常規(guī)GaN緩沖層(convent1nal GaN)、常規(guī) Al。.Q5GaQ.95N 緩沖層(convent1nal AlGaN)的高電子遷移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)在關(guān)態(tài)下(柵壓為-10V)柵極電流-漏極電壓、漏極電流-漏極電壓關(guān)系特性曲線不意圖。
【具體實施方式】
[0009]—種復(fù)合緩沖層極化調(diào)制的AIGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是沿外延生長方向自下而上分別為:
單晶襯底I ; 極化調(diào)制的AlxlGa1 xlN緩沖層2a ；
極化調(diào)制的Alx2Ga1 x2N緩沖層2b ；
GaN溝道層3 ；
AlyGa1 yN 勢皇層 4。
[0010]所述單晶襯底I可以為碳化硅、藍(lán)寶石、氮化鎵、氮化鋁、氧化鎵、SOI或者硅及適合氮化物外延生長的單晶材料。
[0011 ] 所述極化調(diào)制的Alx2Ga1 x2N緩沖層2b生長在極化調(diào)制的AlxlGa1 xlN緩沖層2a表面，兩者組成極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層；
所述極化調(diào)制的AlxlGa1 xlN緩沖層2a的Xl鋁組分沿外延生長方向自下而上逐漸變小或者準(zhǔn)漸變(臺階式)變小，該層Xl鋁組分最大值0.18-0.30，最小值0.08-0.18 ;極化調(diào)制的Alx2Ga1 x2N緩沖層2b的X2鋁組分沿外延生長方向自下而上也是逐漸變小或者準(zhǔn)漸變變小，該層X2鋁組分最大值0.08-0.18，最小值為0.02-0.08 ;同時AlxlGa1 xlN緩沖層2a的Xl鋁組分最小值與Alx2Ga1 x2N緩沖層2b的X2鋁組分最大值保持相等；
所述極化調(diào)制的AlxlGa1 xlN緩沖層2a厚度為0.95-2.8 μ m，極化調(diào)制的Alx2Ga1 x2N緩沖層2b厚度為0.05-0.2 μπι，即極化調(diào)制的AlxGa1 ΧΝ復(fù)合緩沖層總厚度為1_3 μπι;
所述GaN溝道層3厚度為20-500nm。
[0012]下面結(jié)合附圖及具體實施例詳細(xì)介紹本發(fā)明的技術(shù)方案:
如圖1所示，本實施例對引入的極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層進(jìn)行參數(shù)選取，以此證明其相對常規(guī)GaN緩沖層(如圖2)或Al。.Jaa95N緩沖層(如圖3)高電子迀移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)具備上述優(yōu)勢；
其中I為碳化硅襯底；2a為極化調(diào)制的AlxlGa1 xlN緩沖層，其中鋁組分沿外延生長方向自下而上由0.20線性漸變至0.12，厚度為I μπι ;2b為極化調(diào)制的Alx2Ga1 x2N緩沖層，其中鋁組分沿外延生長方向自下而上由0.12線性漸變至0.04，厚度為0.1 μπι ;2c為GaN緩沖層，厚度為1.1 ym ;2d為Al。.Q5Gaa95N緩沖層，厚度為1.1 μ m ;3為GaN溝道層，厚度為10nm ；4為AlGaN勢皇層，其中鋁組分為0.22，厚度為22nm ;另外，為研究上述結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性，勢皇層上方采用氮化硅作為鈍化層，厚度為200nm，并引入常規(guī)電極:柵極、漏極和源級，其中柵源距離為I μ m，柵漏距離為2.5 μ m，柵長0.5 μ m，柵寬1mm。
[0013]圖4為AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層極化調(diào)制、常規(guī)GaN緩沖層、常規(guī)AlQ.Q5GaQ.95N緩沖層的高電子迀移率場效應(yīng)管在外延生長方向上的能帶結(jié)構(gòu)。由于極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層在外延生長方向上存在自發(fā)極化強度的梯度，因而在整個緩沖層外延生長方向上形成三維分布的空間負(fù)極化電荷，經(jīng)理論計算其下層極化電荷體密度2.6el6 cm3，而上層極化電荷體密度高達(dá)2.6el7 cm3，上層極化電荷密度很高能明顯提升