[發(fā)明專利]一種氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管

有效

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• 申請日: 2014-08-27
• 公開（公告）號: CN104157679B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 杜江鋒;潘沛霖;陳南庭;于奇
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/808
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心51203
• 代理人: 李明光

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體是指一種氮化鎵(GaN)基增強型異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。

背景技術(shù)

氮化鎵(GaN)基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)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(dǎo)熱性能好、抗輻射和良好的化學(xué)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(jié)溝道，因此特別適用于高壓、大功率和高溫環(huán)境的應(yīng)用，是電力電子應(yīng)用最具潛力的晶體管之一。

圖1為現(xiàn)有的基于GaN-on-Insulator(GOI)技術(shù)的GaN MIS-HFET結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括：襯底101，氮化鋁(AlN)成核緩沖層102，鋁銦鎵氮(Al_xIn_yGa_zN)勢壘層104以及絕緣介質(zhì)層105，鋁銦鎵氮(Al_xIn_yGa_zN)勢壘層上形成源極106和漏極107，絕緣介質(zhì)層上形成柵極108，其中源極和漏極均與鋁銦鎵氮(Al_xIn_yGa_zN)勢壘層形成歐姆接觸，柵極與絕緣介質(zhì)層形成肖特基接觸。由于AlxInyGazN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)間天然存在很強的二維電子氣(2DEG)溝道，所以在零偏壓下，圖1所示的基于GOI技術(shù)的GaN MIS-HFET器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，為耗盡型器件；而耗盡型器件的應(yīng)用存在一定局限性：要使耗盡型器件關(guān)斷必須在柵極加負電壓偏置，這增加了電路的功耗和復(fù)雜度，同時在異常斷電的情況下，器件仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，降低了系統(tǒng)的安全性。而使用增強型器件能降低系統(tǒng)功耗和復(fù)雜度，提升安全性，使氮化鎵基HEMT能應(yīng)用于大功率開關(guān)器件和電路以及數(shù)字互補邏輯集成電路，具有很大的應(yīng)用前景。

在本發(fā)明提出以前，為了實現(xiàn)氮化鎵增強型器件主要采用如下方法：

(1)使用槽柵結(jié)構(gòu)[W.Sato,Y.Takata,M.Kuraguchi,et al.Recessed-gate strcuture approach toward normally-off high-voltage AlGaN/GaN hemt for power electronics applications[J],IEEE Trans.Electron Devices,2006,53,(2),pp.356-362]。將柵下AlGaN勢壘層刻蝕掉一部分，當(dāng)勢壘層薄到一定程度時，柵下2DEG密度將減小到可以忽略的程度，而源、漏區(qū)域的2DEG密度不變；這樣器件的飽和電流、跨導(dǎo)和閾值電壓均優(yōu)于薄勢壘結(jié)構(gòu)，但槽柵工藝對刻蝕深度的準確性控制較差，導(dǎo)致工藝重復(fù)性差，同時刻蝕會造成機械性損傷，使柵漏電增加。

(2)使用P型GaN柵結(jié)構(gòu)[T.O.Hilt,F.Brunner,E.CHO,et al.Normally-off high-voltage p-GaN gate GaN HFET with carbon-doped buffer[C].23rd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs,May 23-26,2011.Piscataway NJ,USA:IEEE,2011.]。在柵下和AlGaN勢壘層之間引入P型GaN材料，柵金屬與P型GaN形成歐姆接觸，一方面P型摻雜能提高能帶，在柵壓為零時耗盡溝道電子實現(xiàn)增強型特性，另一方面P型GaN材料中的空穴能注入溝道，起到電導(dǎo)調(diào)制作用，在提高漏極電流的同時保持較小的柵電流。但GaN材料的P型受主Mg激活能很高，高質(zhì)量的P型GaN材料很難實現(xiàn)，同時P型摻雜也會對材料的可靠性造成影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種具有增強型工作狀態(tài)的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。

本發(fā)明采用如下述技術(shù)方案：一種新型氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，如圖2所示，其由下至上依次主要由襯底101、氮化鋁(AlN)成核緩沖層102、背勢壘層201、氮化鎵(GaN)溝道層103、勢壘層104以及絕緣介質(zhì)層105組成，在勢壘層104上表面設(shè)有源極106和漏極107，源極106及漏極107均與勢壘層104形成歐姆接觸，絕緣介質(zhì)層106上表面設(shè)有柵極108，柵極108與絕緣介質(zhì)層105形成肖特基接觸；其中勢壘層104的極化強度小于或等于引入的背勢壘層201的極化強度，從而耗盡溝道二維電子氣，由此實現(xiàn)器件的增強型工作狀態(tài)。