極復(fù)合緩沖層的背勢皇高度和改善復(fù)合緩沖層的能帶形狀，增強了二維電子氣的限域性。而常規(guī)GaN緩沖層、常規(guī)Al0.05Ga0.95N緩沖層在外延生長方向上則自發(fā)極化不存在梯度。
[0014]圖5為在電應(yīng)力前后，AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層極化調(diào)制、常規(guī)GaN緩沖層、常規(guī)AlaffiGaa95N緩沖層的高電子迀移率場效應(yīng)管因緩沖層深能級受主俘獲溝道中的熱電子而導(dǎo)致的電流崩塌程度。AlxGa1…復(fù)合緩沖層極化調(diào)制的高電子迀移率場效應(yīng)管的電流崩塌程度僅為2.05%，而常規(guī)GaN緩沖層和常規(guī)Al。.^Gaa95N緩沖層的高電子迀移率場效應(yīng)管電流崩塌程度分別達到14.0%和6.54%。這是因為極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層背勢皇高度能夠明顯增強二維電子氣限域性和改善復(fù)合緩沖層的能帶形狀，致使電應(yīng)力作用下溝道中經(jīng)過電場加速的熱電子進入緩沖層需要克服的勢皇高度增加，從而被緩沖層內(nèi)深能級受主俘獲的幾率降低，致使電流崩塌的程度降低。
[0015]圖6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)管在關(guān)態(tài)下(柵壓為-ι?ν)柵極電流-漏極電壓、漏極電流-漏極電壓關(guān)系特性曲線。圖中可發(fā)現(xiàn)由柵極電流(空穴電流)的迅速增加對應(yīng)漏極電流(電子電流)的迅速增加，這表明發(fā)生了由溝道層內(nèi)的離子碰撞引發(fā)的雪崩擊穿。由于漏極電流在數(shù)值上等于緩沖層漏電流與柵極電流之和，而極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層的緩沖層漏電流最小(圖6中可觀察到AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層極化調(diào)制的高電子迀移率場效應(yīng)管的漏極電流與柵極電流最為接近)且對應(yīng)的緩沖層臨界擊穿電場最高，因此AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層極化調(diào)制的高電子迀移率場效應(yīng)管關(guān)態(tài)擊穿特性得到大幅提升。
實施例
[0016]方案I，如圖1，一種復(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)沿外延生長方向自下而上分別為:
單晶襯底1，其材料為碳化硅、藍寶石、氮化鎵、氮化鋁、氧化鎵、SOI或者硅等適合氮化物外延生長的單晶材料；
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。
[0017]方案2，根據(jù)方案I所述的復(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)，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?；谀軒Р眉敉ㄟ^極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層最大可能提升緩沖層相對溝道勢阱的背勢皇高度和改善緩沖層能帶形狀，以增強溝道二維電子氣限域性和改善器件特性。
[0018]方案3，根據(jù)方案I所述的復(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)，所述極化調(diào)制的AlxlGa1 xlN緩沖層2a和Alx2Ga1 x2N緩沖層2b組成極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層鋁組分沿外延生長方向自下而上逐漸變小或者準漸變(臺階式)變小。為保證緩沖層背勢皇高度顯著提升的可能性，以減小電應(yīng)力作用下溝道中的熱電子進入緩沖層被深能級受主俘獲的幾率，充分抑制深能級受主導(dǎo)致的電流崩塌；保證二維電子氣限域性的增強，以減小緩沖層的寄生電導(dǎo)和漏電特性；保證緩沖層臨界擊穿電場的有效提升，極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層鋁組分最大值不應(yīng)小于0.18。而過高鋁組分的AlGaN外延生長難度大、晶體質(zhì)量不佳，并且導(dǎo)熱率過低致使器件自熱效應(yīng)明顯，故極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層鋁組分最大值不應(yīng)大于0.30。為控制AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層上方的GaN溝道層3應(yīng)力及足夠高二維電子氣濃度，極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層鋁組分最小值為0.02-0.08。
[0019]方案4，根據(jù)方案I所述的復(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)，所述極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層總厚度不應(yīng)小于I ym，原因是緩沖層厚度過小會嚴重影響器件的擊穿特性；極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層總厚度不應(yīng)大于3 μπι，因為極化調(diào)制的AlxGa1 ΧΝ復(fù)合緩沖層在外延生長方向上自下而上鋁組分漸變或者準漸變(臺階式)變小，即在該方向上AlxGa1 ΧΝ自發(fā)極化強度存在梯度變化故產(chǎn)生了三維空間分布的極化負電荷，而該空間極化電荷密度越大越能有效提升背勢皇高度。AlxGa1 ΧΝ復(fù)合緩沖層的鋁組分極值一定時，空間極化電荷密度與AlxGa1 ΧΝ緩沖層的厚度成反比，故為保證足夠大的空間極化電荷密度，極化調(diào)制的AlxGa1 ΧΝ復(fù)合緩沖層厚度不應(yīng)過厚。
[0020]方案5，根據(jù)方案I所述的復(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)，所述AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層鋁組分在外延生長方向上自下而上漸變或者準漸變(臺階式)變小，即在該豎直方向上AlxGa1 XN自發(fā)極化強度存在梯度變化而產(chǎn)生了三維空間分布的極化負電荷，極化負電荷密度決定著緩沖層能帶向上抬升的程度及背勢皇的高度，而極化負電荷密度與緩沖層厚度成反比，與鋁組分變化范圍成正比。本發(fā)明采用極化漸變梯度不同的兩層子緩沖層:極化調(diào)制的Alx2Ga1 x2N緩沖層2b鋁組分最大值0.08-0.18，最小值0.02-0.08，厚度變化范圍是0.05-0.2 μ m ;極化調(diào)制的AlxlGa1 xlN緩沖層(2a)鋁組分最大值0.18-0.30，最小值0.08-0.18，厚度變化范圍是0.95-2.8 μ m ;同時AlxlGa1 xlN緩沖層2a的鋁組分最小值與Alx2Ga1 x2N緩沖層2b的鋁組分最大值保持相等，致使極化調(diào)制的Alx2Ga1 x2N緩沖層2b內(nèi)的極化負電荷密度遠大于極化調(diào)制的AlxlGa1 xlN緩沖層2a內(nèi)的極化負電荷密度，極化調(diào)制的Alx2Ga1 x2N緩沖層2b的能帶相對溝道層能帶抬升更抖、背勢皇高度更高，在獲得足夠高的背勢皇高度和臨界擊穿電場同時，二維電子氣限域性和緩沖層能帶形狀得到進一步改善。
[0021 ] 方案6，根據(jù)方案I所述的復(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)，其中GaN溝道層3厚度20-500nmo
【主權(quán)項】
1.一種復(fù)合緩沖層極化調(diào)制的AlGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，其特征是沿外延生長方向自下而上分別為: 單晶襯底； 極化調(diào)制的AlxlGa1 xlN緩沖層； 極化調(diào)制的Alx2Ga1 x2N緩沖層； GaN溝道層； AlyGa1 #勢皇層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合緩沖層極化調(diào)制的AlGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，其特征是所述單晶襯底可以為碳化硅、藍寶石、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。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合緩沖層極化調(diào)制的AlGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，其特征是所述極化調(diào)制的Alx2Ga1 x2N緩沖層生長在極化調(diào)制的AlxlGa1 xlN緩沖層上表面，兩者組成極化調(diào)制的AlxGa1 XN復(fù)合緩沖層。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合緩沖層極化調(diào)制的AlGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，其特征是所述極化調(diào)制的AlxlGa1 xlN緩沖層的Xl鋁組分沿外延生長方向自下而上逐漸變小或者準漸變變小，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緩沖層的Xl鋁組分最小值與Alx2Ga1 x2N緩沖層的X2鋁組分最大值保持相等。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合緩沖層極化調(diào)制的AlGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，其特征是所述極化調(diào)制的AlxlGa1 xlN緩沖層厚度為0.95-2.8 μ m，極化調(diào)制的Alx2Ga1 x2N緩沖層厚度為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。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合緩沖層極化調(diào)制的AlGaN/GaN高電子迀移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，其特征是所述GaN溝道層厚度為20-500nm。
【專利摘要】本發(fā)明是一種復(fù)合緩沖層極化調(diào)制的AlGaN/GaN高電子遷移率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)沿外延生長方向自下而上為：單晶襯底；極化調(diào)制的Alx1Ga1-x1N緩沖層、Alx2Ga1-x2N緩沖層；GaN溝道層；AlyGa1-yN勢壘層。優(yōu)點：能夠顯著抬升緩沖層相對溝道勢阱的背勢壘高度，減小電應(yīng)力下熱電子由溝道進入緩沖層后被深能級受主俘獲的幾率，抑制電流崩塌；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，同時比常規(guī)的GaN或者Al0.05Ga0.95N緩沖層具有更高的臨界擊穿電場，提高器件的擊穿特性。有利于提升AlGaN/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。
【IPC分類】H01L29/20, H01L29/778
【公開號】CN105047708
【申請?zhí)枴緾N201510380107
【發(fā)明人】李傳皓, 李忠輝, 彭大青
【申請人】中國電子科技集團公司第五十五研究所
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年7月2日