[發明專利]AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管

有效

• 申請號: 200910176048.7
• 申請日: 2009-09-25
• 公開（公告）號: CN101714574A
• 公開（公告）日: 2010-05-26
• 發明（設計）人: 陳敬;王茂俊
• 申請（專利權）人: 香港科技大學
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/06;H01L21/335;H01L21/265
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 陳源;張天舒

技術領域

本發明屬于場效應晶體管，特別涉及利用氟離子注入來提高AlGaN/GaN高遷移率晶體管的擊穿電壓及相關材料，器件結構和方法。?

背景技術

高電子遷移率晶體管(HEMT)，又稱為異質結場效應晶體管(HFET)或調制摻雜場效應晶體管(MODFET)一般利用兩種不同禁帶寬度的材料所形成的結，例如異質結替代摻雜區作為溝道。高電子遷移率晶體管得益于異質結構，利用異質結產生的高遷移率電子，該異質結由比如高摻雜寬禁帶n型施主層或非故意摻雜的AlGaN寬禁帶層和具有很少或沒有故意摻雜物的非摻雜的窄禁帶層(例如，GaN層)形成。?

例如，由于異質結是由在異質結的非摻雜側的導帶中形成電子勢阱的禁帶寬度不同的材料形成的，所以n型施主層中離化產生的電子容易轉移到異質結處的禁帶寬度稍窄的非摻雜溝道中，從而產生薄的耗盡的n型施主層和禁帶稍窄的導電溝道。在AlGaN/GaN體系中，由于極強的自發極化和壓電極化效應，不摻雜也可以形成高濃度的電子溝道。例如，內部極化誘導產生的電場可以把AlGaN表面施主能級中電子轉移到GaN層中。在這種情況下，由于溝道中沒有施主雜質導致的散射，電子可以高速移動，獲得很高的電子遷移率。最終結果是異質結構中產生了一高濃度高遷移率的電子薄層，從而導致很低的溝道電阻率。這就是通稱的二維電子氣(2DEG)。在場效應晶體管(FET)中，通過在柵電極上施加偏壓來改變這一層的電導，從而完成晶體管的工作。?

GaN?HEMT體系中AlGaN/GaN?HEMT是最常見的異質結高遷移?率晶體管。通常，利用MOCVD或者MBE在襯底材料(比如藍寶石、硅(111)、碳化硅)上外延生長GaN以及AlGaN及其相關結構來提供AlGaN/GaN?HEMT制備所需的材料。?

由于內在的高密度二維電子氣具有高的電子濃度和電子遷移率以及極高的臨界擊穿電場，AlGaN/GaN?HEMT具有極高的輸出功率密度，從而成為目前國際上的研究熱點。因此，寬禁帶AlGaN/GaNHEMT正成為下一代射頻(RF)和微波功率放大器的理想替代者。HEMT的一個重要工作和設計參數就是擊穿電壓(BV_off)，它往往決定了A類工作模式下器件的最大輸出功率。?

然而，目前報道的器件的擊穿電壓還遠遠小于GaN基材料的理論極限。比如，最近發現由于GaN緩沖層中存在n型背景摻雜(主要是內在的氮空位以及氧雜質)，從源極注入到漏極的電流導致的擊穿是限制實用器件擊穿電壓的一個重要因素。由于GaN緩沖層中的勢壘較低，導致GaN緩沖層中的漏致勢壘降低(DIBL)效應隨著離2DEG溝道深度的增加而加重。因此，在高的漏極偏壓下，電子就可能通過GaN緩沖層從源極注入到高場區，在溝道中引起碰撞電離，從而在器件的柵擊穿之前導致三端擊穿。?

雖然人們曾嘗試過減少GaN緩沖層中的n型背景摻雜，但是這種努力通常被證實為很困難和沒有商業價值的。另外，比如在GaN層中摻入碳或者Fe形成深的受主能級，然而這些受主能級容易導致器件的電流坍塌以及電流電壓(I-V)輸出特性的滯后，故意引入的雜質還可能導致生長系統的永久污染。另外，這些受主雜質還可能導致器件的不穩定，特別是漏極工作電壓較高時。因此，期望在器件工藝級別來提高實用器件的擊穿特性。?

發明內容

下面通過簡單的概括來說明本發明的基本特點，以便基本理解本發明的一些方面。本概述不是本發明的具體表述，省略了細節說明和關鍵部分的闡述，以及本發明的實施例和權利要求。其目的只是簡單的描述本發明，作為后面詳細表述的引子。?

在各種實施例中，提供了增強背勢壘(EBB)結構和器件，該結構和器件通過在2DEG溝道下的非故意摻雜的GaN緩沖層中產生較高的能量勢壘來提高III族氮化物HEMT(尤其是AlGaN/GaNHEMT)的關態擊穿和阻擋特性。同時給出了利用在GaN緩沖層中形成背勢壘來提高AlGaN/GaN?HEMT擊穿特性的多種結構和器件類型。?

在一個非限制性實施例中，HEMT結構包括Schottky柵極控制的2DEG溝道、源極歐姆接觸和漏極歐姆接觸。有利的是，根據一個方面，氟離子可以在柵極光刻之后，濺射金屬之前注入。因此，形成和柵極金屬自對準的增強背勢壘。?

在其他實施例中，提出了工藝層面制備增強背勢壘HEMT的方法。可以根據具體的外延結構在相關區域選擇性地注入氟離子來實現相關結構和器件。有利的是，氟離子注入可以利用目前商用的離子注入設備。?