[发明专利]一种具有复合势垒层的氮化镓基异质结场效应管

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及到一种具有复合势垒层的氮化镓基异质结场效应管。

背景技术

氮化镓(GaN)基异质结场效应晶体管具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度高、导热性能好、抗辐射和良好的化学稳定性等优异特性，同时氮化镓(GaN)材料可以与铝镓氮(AlGaN)等材料形成具有高浓度和高迁移率的二维电子气异质结沟道，因此特别适用于高压、大功率和高温应用，是电力电子应用最具潜力的晶体管之一。

图1为基于现有技术的传统GaN HFET结构示意图，主要包括：衬底101，氮化镓(GaN)缓冲层102，氮化镓(GaN)沟道层103，铝铟镓氮(Al_xIn_yGa_zN)势垒层104以及铝铟镓氮(Al_xIn_yGa_zN)势垒层104上设置的源极105、漏极106和栅极107，其中源极105和漏极106均与铝镓氮(AlGaN)势垒层104形成欧姆接触，栅极107与铝铟镓氮(Al_xIn_yGa_zN)势垒层104形成肖特基接触。

但是对于上述传统的GaN HFET而言，当器件承受耐压时，由于栅极和漏极之间沟道二维电子气不能够完全耗尽，使得沟道电场主要集中在栅极边缘，导致器件在较低的漏极电压下便被击穿；同时，从源极注入的电子可以经过GaN缓冲层到达漏极，形成漏电通道，过大的缓冲层泄漏电流同样会导致器件提前击穿，无法充分发挥GaN材料的高耐压优势，从而限制GaN HFET在高压方面的应用。

传统技术为了使栅极与漏极之间电场分布更加均匀，抑制缓冲层泄漏电流，提高器件击穿电压，通常使用以下方法：

(1)使用表面场板技术[D.Vislalli et al.,“Limitations of Field Plate Effect Due to the Silicon Substrate in AlGaN/GaN/AlGaN DHFETs”,IEEE Trans.Electron Devices,Vol.57,No.12,p.3333-3339(3060)]。场板结构可以有效地耗尽其下的沟道二维电子气，扩展栅极与漏极之间的二维电子耗尽区域，使栅漏之间的电场分布更加均匀，从而达到提高击穿电压的目的。但场板结构依然无法完全耗尽栅极与漏极之间的沟道二维电子气，同时无法抑制缓冲层泄漏电流，不能充分发挥GaN材料的耐压优势，同时场板结构也会退化器件的频率特性。

(2)在缓冲层内掺入碳、铁等杂质[Eldad Bahat-Treidel et al.，“AlGaN/GaN/GaN:C Back-Barrier HFETs WithBreakdown Voltage of Over 1kV and LowRON×A”,Trans.on Electron Devices,Vol.57,No.11,p.3050-3058(3060)]。碳、铁等杂质会在GaN缓冲层内引入深能级电子陷阱，俘获从源极注入的电子，增大缓冲层电阻，同时被电子占据的陷阱有助于耗尽沟道中二维电子气，使器件沟道电场分布更加均匀。但是该技术不能完全耗尽沟道中的二维电子气，无法充分发挥GaN材料的耐压优势，同时碳、铁等杂质引入的深能级陷阱会导致诸如导通电阻增大、输出电流下降、电流崩塌效应和反应速度下降等负面影响。

在微波应用领域，氮化镓基异质结场效应晶体管器件研究的热点是提高器件的电流增益截止频率f_T，提高器件的f_T最常采用的方法是缩短栅长，然后随着栅长的缩短，会产生严重的短沟道效应，导致器件的最大直流跨导下降、阈值电压漂移、输出曲线不饱和以及频率栅长乘积下降，现有的缓解短沟道效应的方法具体如下：

(1)采用凹栅技术将栅下的势垒层刻蚀掉一部分[“Gate-Recessed InAlN/GaN HFETs on SiC Substrate With Al₂O₃ Passivation”,IEEE Electron Device Lett.,VOL.30,NO.9,Sep.2009.]，其用意是减小栅下势垒层的厚度，从而增大器件的纵横比((器件栅长与栅下势垒层厚度之比，L_g/t_bar)。但是势垒层厚度的减薄使二维电子气浓度减小，同时凹栅技术也会对器件造成机械损伤，对器件可靠性造成影响。