[发明专利]具有衬底内复合介质层结构的氮化镓异质结场效应管

说明书

本发明公开了一种具有衬底内复合介质层结构的氮化镓异质结场效应管，涉及微电子领域。本发明基于现有典型氮化镓基异质结场效应管结构，在其背部衬底内设置由高介电常数介质区域和低介电常数介质区域构成的复合基质层，通过合理控制高介电常数介质区域和低介电常数介质区域形成复合交界面的参数以改善栅极和漏极之间二维电子气沟道电场分布的均匀性，进而实现提高器件耐压能力；本发明还能够克服现有技术采用表面场板结构限制器件的高频应用及开关特性的不足，减小了芯片面积与成本；同时，本发明所采用的复合介质层为电绝缘介质材料，能够有效地降低衬底与欧姆接触之间的泄露电流，从而进一步提高器件的击穿电压，以保证器件的安全性和稳定性。

技术领域

本发明涉及微电子领域，尤其涉及一种具有衬底内复合介质层结构的氮化镓异质结场效应管。

背景技术

氮化镓基异质结场效应管(GaN HFET)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、抗辐射和良好的化学稳定性等优异特性，同时氮化镓材料可以与氮化镓铝(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。

现有技术典型的氮化镓基异质结场效应管(GaN HFET)结构如图1所示，主要包括衬底，氮化镓(GaN)缓冲层，氮化镓(GaN)沟道层，铝镓氮(AlGaN)势垒层以及在铝镓氮(AlGaN)势垒层上形成的源极、漏极和栅极，其中：源极和漏极与铝镓氮(AlGaN)势垒层形成欧姆接触，栅极与铝镓氮(AlGaN)势垒层形成肖特基接触。对于普通氮化镓基异质结场效应管(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。故而，如何能够有效提高沟道电场分布的均匀性，进而提高器件的击穿电压，使得器件工作于高压环境下成为研究中所要解决的技术问题。此外，由于衬底低的击穿电场与禁带宽度，可能导致欧姆接触与衬底之间的泄漏电流增大，使得器件无法正常工作。因此，降低器件的泄露电流同样亟待解决。

现有技术通常采用表面场板结构对电场分布进行改善，比如D.Visalli发表的《Limitations of Field Plate Effect Due to the Silicon Substrate in AlGaN/GaN/AlGaN DHFETs》(《AlGaN/GaN/AlGaN双异质结场效应管中硅衬底造成的场板效应的局限性》)。基于场板结构能够有效耗尽二维电子气，进而扩展栅极与漏极之间的耗尽区域，从而使得栅极与漏极之间的电场分布更加均匀，以此达到提高击穿电压的目的，最终解决沟道电场主要集中在栅极漏边缘的问题。然而，场板结构不仅无法完全耗尽栅极与漏极之间的沟道二维电子气，而且并不能克服器件存在泄漏电流的不足，这样使得氮化镓材料的耐压优势不能充分发挥；此外，场板结构会引入额外的栅源或栅漏电容，限制了器件在高频领域的使用。

现有技术通常采用衬底去除技术来降低器件欧姆接触与衬底之间的泄漏电流，从而避免器件的提前击穿。Nicolas等人采用了硅衬底去除技术，将栅漏间距为15μm的氮化镓基异质结场效应管(GaN HFET)的击穿电压从750V提高到1900V。然而，采用衬底去除技术会使得器件热学特性下降，基于自热效应引起的迁移率降低导致跨导与饱和电流下降，导通电阻也随之增大。

综上所述，亟需一种具有高耐压、高可靠性的氮化镓基异质结场效应管。

发明内容

鉴于上文所述，为解决上述技术问题，本发明提出一种具有衬底内复合介质层结构的氮化镓异质结场效应管，耐压效果良好。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：