[发明专利]一种高击穿电压氮化镓基高电子迁移率晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种高击穿电压氮化镓基高电子迁移率晶体管。

背景技术

氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMT)不但具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度高、导热性能好、抗辐射和良好化学稳定性等优异特性，同时氮化镓(GaN)材料还可以与铝镓氮(AlGaN)等材料形成具有高浓度和高迁移率的二维电子气(2DEG)异质结沟道。因此，氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管特别适用于高压、大功率和高温应用领域，是电力电子应用最具潜力的晶体管之一。

但目前已制作GaN器件的击穿电压实际值与理论耐压极限相比仍然有较大的差距。其主要原因是GaN基高电子迁移率晶体管存在的栅极电场集中效应的问题难以从根本上得到有效解决。当GaN HEMT在高漏极电压下时，沟道电力线集中指向栅极边缘，在栅极边缘形成电场峰值，沟道电场的不均匀分布使器件在较低漏压下便发生雪崩击穿，无法充分发挥GaN材料的高耐压优势。

2011年，Nakajima等人(GaN-based super heterojunction field effect transistors using the polarization junction concept.IEEE Electron Device Letters,2011,32(4):542-544)提出了一种超级异质结AlGaN/GaN HEMT器件来解决栅极电场集中效应。该HEMT器件结构如图1所示，从下至上依次为衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层，以及AlGaN势垒层上形成的栅极、漏极和源极，器件在栅极与漏极之间的AlGaN势垒层上生长了一层GaN层和p型GaN层。由于GaN/AlGaN界面极化电荷的不平衡，在GaN/AlGaN界面会形成二维空穴气(2DHG)，2DHG主要来源于p型GaN层内的杂质电离。当器件承受耐压时，2DHG与沟道内2DEG相互耗尽，扩展沟道电场区域，平滑沟道电场分布，从而提升器件击穿电压。

对于GaN材料，通常采用镁(Mg)掺杂来实现p型GaN材料，已知GaN材料p型杂质中，Mg杂质具有最低的激活能(约为200meV)，但仍远高于室温下的热电势(26meV)。过高的杂质激活能导致室温下p型杂质的激活率非常低(仅为1％左右)，并会随着温度的降低而急剧降低，即产生“冻析效应”。因此，采用p-GaN制备超结GaN HEMT器件，不但很难保证器件电荷平衡，同时会影响器件热稳定性，限制了GaN器件的耐压能力与应用范围。

由于2DEG来源于AlGaN势垒层表面陷阱放电，2DEG和2DHG来源不同，同时由于P型GaN材料存在“冻析效应”，2DEG和2DHG之间很难做到电荷平衡，而超结中的电荷不平衡问题，会导致击穿电压随栅漏间距的增加而趋于饱和，无法充分发挥GaN材料的高耐压特性。此外，P型GaN材料中的“冻析效应”还会影响器件的热稳定性。GaN层和AlGaN势垒层之间由于应力而产生的界面陷阱会导致电流崩塌效应，降低器件的可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种既能够避免出现电荷不平衡和热稳定性差的问题，又能提升自身击穿电压的高击穿电压氮化镓基高电子迁移率晶体管。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种高击穿电压氮化镓基高电子迁移率晶体管，从下至上依次主要由衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层以及在AlGaN势垒层上形成的源极、漏极和栅极组成，其特征在于，还包括位于AlGaN势垒层之上、栅极与漏极之间的Al组分渐变的Al_xGa_1-xN极化掺杂层。

进一步地，所述Al_xGa_1-xN极化掺杂层的厚度位于50nm～500nm之间。

进一步地，所述Al_xGa_1-xN极化掺杂层的上表面Al组分为0，Al_xGa_1-xN极化掺杂层的下表面Al组分与AlGaN势垒层组分相同，从上至下线性增大。