[发明专利]一种具有结型场板的氮化镓高电子迁移率晶体管

说明书

本发明提出一种具有结型场板的氮化镓基高电子迁移率晶体管，在传统的氮化镓HEMT器件基础上，在其势垒层上方形成一个纵向的PN结作为耐压结构调制器件的表面电场，优化横向的电场分布，达到了提升击穿电压的目的。一方面，在栅极处于阻断状态时纵向的PN结二极管会辅助耗尽器件沟道的二维电子气，承受一部分漏极电压，减小栅极边缘漏极侧所承受的电压，减小该处峰值电场。在正向导通状态时，PN结耗尽区可以避免栅极产生过大的泄漏电流，保证器件的正向导通电流能力。与常规金属场板相比本发明使用PN结作场板不会引入附加的寄生电容，保证了器件的工作频率和开关速度，在提升击穿电压的同时提高了器件的可靠性。

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，具体是指一种具有PN结型场板的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其可以有效的提高器件的击穿电压。

背景技术

GaN基异质结场效应晶体管(GaN HEMT)利用在AlGaN/GaN异质结沟道中形成的高浓度和高电子迁移率2DEG工作。GaN材料具有禁带宽度大、临界击穿电场高(临界击穿电场高达3.4MV/cm，是Si材料的10倍)，导热性以及抗辐射性好等优良的物理化学性质。氮化镓基异质结场效应晶体管在高耐压、大功率的应用中能保持高的可靠性，同时因其电子饱和速度快，以及较高的载流子迁移率，高速开关领域也有广阔的应用空间。

目前常见的GaN HEMT为横向器件，其结构示意图如图1所示，主要包括自下而上依次生长的衬底210、GaN缓冲层201、氮化镓沟道层202、铝镓氮势垒层203以及分别设置在铝镓氮势垒层上表面的源极204、栅极205、漏极206，所述源极204和漏极206均与铝镓氮势垒层203形成欧姆接触；所述栅极205与铝镓氮势垒层203形成肖特基接触；所述源极204与所述漏极206之间的铝镓氮势垒层表面生长有钝化层209。

对于普通GaN HEMT而言，当在漏极施加电压时，在栅极和漏极之间的沟道2DEG不能完全耗尽，使得在栅极边缘靠近漏极端存在电场集中的现象。电场集中会使得在施加较低的漏极电压时器件出现提前击穿并产生漏电沟道，造成缓冲层泄漏，这样就不能充分发挥出GaN材料的优势，使得氮化镓基异质结高电子迁移率晶体管在高压方面的应用受到限制。

为了充分发挥GaN材料的高临界击穿电场特性，科研人员提出了诸多提升器件耐压能力的技术措施，其中具有代表性的措施主要包括：场板技术(如栅极场板、源极场板、漏极场板)、衬底转移技术、离子注入、缓冲层掺杂、超晶格缓冲层和背势垒技术等。

2001年，Li J等人在文献(Li J,Cai S J,Pan G Z,et al.High breakdownvoltage GaN HFET with field plate[J].Electronics Letters,2001,37(3):196-197.)中首次公开采用与栅极短接的场板，栅极场板的引入可以有效降低栅极边缘处的电场尖峰，扩展栅极和漏极之间的沟道2DEG耗尽区域，使栅漏之间的电场分布更加均匀，从而提高耐压。但是场板和沟道间形成了附加电容，会使得器件的频率特性和开关特性退化。

衬底转移技术的提出对GaN器件的击穿电压的提高提供更多的可能。传统的Si衬底器件由于衬底的禁带宽度较窄，其耐压明显不能满足日益增长的需求，而衬底转移技术可以有效的消除Si衬底耐压不足导致的提前击穿。2010年，Bin Liu等人在文献(Bin Lu,Tomás Palacios.High Breakdown(1500V)AlGaN/GaN HEMTs by Substrate-TransferTechnology[J].IEEE Electron Device Letters,2010,31(9):951-953)中关于衬底转移技术的报道实现了击穿电压大于1500V(栅漏间距为20μm)，而导通电阻仅为5.3mΩ·cm²。但是衬底转移技术的工艺还没有完全成熟，同时其成本相对于Si衬底而言大大增加。