CN102945859A - 一种GaN异质结HEMT器件 - Google Patents
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Abstract
一种GaN异质结HEMT器件，属于半导体器件技术领域。包括衬底、位于衬底表面的InAlN/GaN异质结，InAlN层表面具有栅、源和漏电极，其中漏电极与InAlN层表面形成欧姆接触，而源电极与InAlN层表面形成肖特基接触。本发明源极采用肖特基接触，其良好的形貌特性使得源极下面GaN中的电场均匀分布，有效地抑制了源极电子注入，减少了GaN泄漏电流及其导致的碰撞电离及栅极泄漏电流，从而提高了器件的关态击穿电压；而漏极仍采用欧姆接触，尽可能降低器件的正向导通电阻，保证器件具有较好的正向电流驱动能力；另外，本发明与传统工艺兼容，同时栅极和源极之间的距离可以很小，占用晶圆面积较小，从而保证器件成本较低。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，涉及GaN异质结搞电子迁移率晶体管（HEMT）。
背景技术
氮化镓（GaN）是第三代宽禁带半导体材料的代表之一，具有优良的特性：高的临界击穿电场（~3.3×106V/cm）、高电子迁移率（~2000cm2/V·s）、高的二维电子气（2DEG）浓度（~1013cm-2）、良好的高温工作能力。基于GaN材料的高电子迁移率晶体管（HEMT）在半导体领域已经得到应用，尤其是在射频/微波领域已应用于无线通信、卫星通信等。另外，针对功率电子应用该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，因此可以满足系统对半导体器件更大功率、更低损耗、更高效率、更高频率、更小体积和更恶劣工作环境(如高温)的要求。而基于InAlN/GaN新型异质结构的HEMT更是具有比传统AlGaN/GaN异质结的HEMT更高的沟道电荷密度、更大的驱动电流密度、更低的导通电阻以及更好的高温耐受性而成为未来功率电子器件的极佳选择。另外，由于InAlN势垒层与GaN缓冲层是晶格匹配的。因此在InAlN/GaN异质结中没有应力，这与传统的AlGaN/GaN异质结中由于晶格失配带来的应力完全不同。这种无应力特性使得InAlN/GaN异质结的HEMT具有更好的器件可靠性，特别适合于工作状态为大电压、大电流的功率电子应用。
对于常规InAlN/GaN异质结的HEMT器件而言，其关态击穿电压通常受到栅极泄漏电流及缓冲层泄漏电流的限制，如何提高器件的关态击穿电压是研究者们极其关注的问题。文献J.Kuzmik,et.al.,“Off-state breakdown in InAlN/AlN/GaN high electron mobility transistors,”Physica Status Solidi C,vol.6,no.s2,pp.S925-S928,2009报道了通过增加栅漏间距提高InAlN/GaN异质结HEMT的关态击穿电压的技术方案。文献Q.Fareed,et.al.，“High voltageoperation of field-plated AlInN HEMTs,”Physica Status Solidi C,vol.8,no.7-8,pp.2454-2456,Mar.2011报道了采用场板结构结合绝缘AlN帽层提高InAlN/GaN异质结HEMT的关态击穿电压的技术方案。文献B.Lu,et.al.，“Schottky-Drain Technology for AlGaN/GaN High-ElectronMobility Transistors,”IEEE Electron Device Letters,vol.31,no.4,pp.302-304,Apr.2010报道了采用漏极肖特基接触实现AlGaN/GaN异质结HEMT关态击穿电压的提高。文献D.Song,et.al.,“Normally Off AlGaN/GaN Low-Density Drain HEMT(LDD-HEMT)With EnhancedBreakdown Voltage and Reduced Current Collapse,”IEEE Electron Device Letters,vol.28,no.3,pp.189-191,Mar.2007报道了通过在栅漏之间的区域引入带负电的氟离子，改变漏极附近的表面电场，进而提高AlGaN/GaN HEMTs器件的关态击穿电压。
虽然近年来提高InAlN/GaN异质结HEMT关态击穿电压的研究工作已经取得了巨大的进步，但目前InAlN/GaN异质结HEMT的击穿电压仍然比较低（目前报道的最高值为400V），远远低于文献报道的AlGaN/GaN异质结HEMT的击穿电压。虽然增加栅漏间距可以提高InAlN/GaN异质结HEMT的关态击穿电压，但从报道的结果来看提高幅度有限。该方案是以牺牲器件导通电阻为代价，还推升了单个器件所需要的晶圆面积最终导致器件成本的升高，并不符合寻求器件导通电阻与击穿电压最优值的理论。另一方面，场板结构可以有效的增加器件的关态击穿电压，但工艺步骤上较无场板器件更为复杂，而且场板结构效果的好坏与介质层材料的质量息息相关。因此，通过场板结构来提高器件关态击穿电压是一个较为复杂的问题。
发明内容
为了进一步提高InAlN/GaN异质结HEMT器件的关态击穿电压，同时保证其具有较小的导通电阻和较低的制造成本（不增加器件所需的晶圆面积），本发明提供一种新型结构的InAlN/GaN异质结HEMT器件。本发明提供的InAlN/GaN异质结HEMT器件不进具有高击穿电压、高漏极驱动电流、低导通电阻等优点，还与传统功率开关器件工艺兼容。
本发明技术方案如下：
一种GaN异质结HEMT器件，如图1所示，包括衬底3、位于衬底3表面的GaN层1和位于GaN层1表面的InAlN层2；其中GaN层1和InAlN层2构成InAlN/GaN异质结，在InAlN/GaN异质结界面处形成二维电子气（2DEG）导电沟道；在InAlN层2表面具有栅电极6、源电极5和漏电极4，其中源电极5和漏电极4分处于InAlN层2表面相对的两侧，而栅电极6处于源电极5和漏电极4之间；所述漏电极4与InAlN层2表面形成欧姆接触，所述源电极5与InAlN层2表面形成肖特基接触。
本发明提供的GaN异质结HEMT器件，与常规InAlN/GaN异质结HEMT器件（如图2所示，源漏电极与InAlN层2表面之间均为欧姆接触）不同的是，该HEMT器件中源极5与InAlN层2表面之间是肖特基势垒接触而不是常规结构中的欧姆接触，而漏极4与InAlN层2表面之间仍采用欧姆接触。该HEMT器件的工作原理是：常规HEMT器件由于源极欧姆接触必需的高温退火过程，其金属表面形貌较为不平整（如图3（a）所示），由于欧姆金属在高温退火过程中会发生向下的金属扩散，致使欧姆金属扩散到半导体材料内部并形成金属尖峰，而电场会聚集在这些金属尖峰附近产生局部高电场区域。在高电场的作用下电子从源极被注入到GaN缓冲层中，缓冲层泄漏电流增大，在电场作用下这些被注入的电子在GaN缓冲层中漂移到整个器件电场最强的区域(栅极边缘靠漏极一侧)并在那里被高电场加速到高能状态而诱发能带内或能带间的碰撞电离，使得栅泄漏电流增大，并最终导致器件击穿。而本发明提供的GaN异质结HEMT器件（由于其源极采用肖特基接触，故定义为肖特基源极GaN异质结HEMT器件）由于源极采用了肖特基接触，无需高温退火过程，在横向和纵向都有极佳的金属形貌（如图3（b）所示）。因此在肖特基源极下面GaN缓冲层中的电场分布较为均匀，避免了局部高电场区域的产生，有效抑制了电子被注入到GaN缓冲层中，所以器件的关态击穿电压得到大幅提高。另一方面，由于漏极采用欧姆接触保证了器件具有较小的导通电阻。
对本发明内容的场控导电沟道（如图1所示），以InxAl1-xN为例，其中x取值为0.17左右（此时第一Ⅲ-Ⅴ族氮化物和第二Ⅲ-Ⅴ族氮化物可以达到晶格匹配）。第一Ⅲ-Ⅴ族氮化物和第二Ⅲ-Ⅴ族氮化物构成的异质结界面形成2DEG，主要由于单位晶胞内正负电荷中心不重合而形成。此器件利用了InAlN/GaN异质结极强的自发极化实现了器件的2DEG导电沟道的存在。由于InAlN/GaN异质结中高浓度的2DEG和较薄的InAlN势垒层，使得束缚2DEG的有效势垒被降低，而且由于在肖特基源极运用了低功函数的金属使得该肖特基接触在InAlN/GaN异质结上具有远低于传统肖特基接触的方向耐压和较高的反向导通电流。因此本发明提出的肖特基源极InAlN/GaN异质结HEMT器件在开启状态下具有较大的导通电流和较小的导通电阻。图4是肖特基源极InAlN/GaN HEMTs的直流特性：其中图4（a）为输出特性曲线，图4（b）为转移特性曲线。
本发明的有益效果表现在：
1、通常器件由于采用源漏欧姆接触，造成关态击穿电压较小，而本发明中采用了源极肖特基接触和漏极欧姆接触，使得器件关态击穿电压大幅度显著提高，同时保证了器件具有较小的导通电阻。
2、由于本结构采用了具有合适功函数的材料，器件的导通电阻较小，漏极电流较大，正向特性得到优化。
3、本发明提供的肖特基源极InAlN/GaN异质结HEMT可以与传统工艺兼容，同时栅极和源极之间的距离可以很小，占用晶圆面积较小，从而保证器件成本较低。
附图说明
图1为本发明提供的肖特基源极InAlN/GaN异质结HEMT器件结构示意图。
图2常规InAlN/GaN异质结HEMT器件结构示意图。
图3扫描电子显微镜下的俯视图：（a）常规高温退火后的Ti/Al/Ni/Au欧姆接触；（b）Ti/Au肖特基接触。
图4本发明提供的肖特基源极InAlN/GaN异质结HEMT的直流特性：（a）输出特性曲线；（b）在VDS=10V时测得的转移特性曲线。其中肖特基源极InAlN/GaN异质结HEMT的器件尺寸LG/LGS/LGD/WG=2.5/0.25/15/10μm，传统InAlN/GaN异质结HEMT的器件尺寸LG/LGS/LGD/WG=2.5/0.75/15/10μm。
图5本发明提供的肖特基源极InAlN/GaN异质结HEMT器件的衍生结构示意图。
图6为LGD=15μm的肖特基源极InAlN/GaN异质结HEMT器件在关态击穿电压测试中栅极、漏极和源极漏电流（IG、ID和IS）与漏极偏压VDS的关系。栅极偏压VGS=-3.5V，沟道处于关断状态。
图7为肖特基源极InAlN/GaN异质结HEMT器件关态击穿电压与栅漏间距LGD的关系。栅极偏压VGS=-3.5V，沟道处于关断状态。插图为肖特基源极InAlN/GaN异质结HEMT器件和传统InAlN/GaN异质结HEMT器件中击穿电压与LGD的关系。
图8传统InAlN/GaN异质结HEMT器件和肖特基源极InAlN/GaN异质结HEMT器件的比导通电阻Rsp,on和击穿电压的关系
具体实施方式
本发明提供的肖特基源极高压InAlN/GaN HEMTs器件（如图1所示），包括衬底3、位于衬底3表面的GaN层1和位于GaN层1表面的InAlN层2；其中GaN层1和InAlN层2构成InAlN/GaN异质结，在InAlN/GaN异质结界面处形成二维电子气（2DEG）导电沟道；在InAlN层2表面具有栅电极6、源电极5和漏电极4，其中源电极5和漏电极4分处于InAlN层2表面相对的两侧，而栅电极6处于源电极5和漏电极4之间；所述漏电极4与InAlN层2表面形成欧姆接触，所述源电极5与InAlN层2表面形成肖特基接触。
本发明提供的GaN异质结HEMT器件，与常规InAlN/GaN异质结HEMT器件（如图2所示，源漏电极与InAlN层2表面之间均为欧姆接触）不同的是，该HEMT器件中源极5与InAlN层2表面之间是肖特基势垒接触而不是常规结构中的欧姆接触，而漏极4与InAlN层2表面之间仍采用欧姆接触。该HEMT器件的工作原理是：常规HEMT器件由于源极欧姆接触必需的高温退火过程，其金属表面形貌较为不平整（如图3（a）所示），由于欧姆金属在高温退火过程中会发生向下的金属扩散，致使欧姆金属扩散到半导体材料内部并形成金属尖峰，而电场会聚集在这些金属尖峰附近产生局部高电场区域。在高电场的作用下电子从源极被注入到GaN缓冲层中，缓冲层泄漏电流增大，在电场作用下这些被注入的电子在GaN缓冲层中漂移到整个器件电场最强的区域(栅极边缘靠漏极一侧)并在那里被高电场加速到高能状态而诱发能带内或能带间的碰撞电离，使得栅泄漏电流增大，并最终导致器件击穿。而本发明提供的GaN异质结HEMT器件（由于其源极采用肖特基接触，故定义为肖特基源极GaN异质结HEMT器件）由于源极采用了肖特基接触，无需高温退火过程，在横向和纵向都有极佳的金属形貌（如图3（b）所示）。因此在肖特基源极下面GaN缓冲层中的电场分布较为均匀，避免了局部高电场区域的产生，有效抑制了电子被注入到GaN缓冲层中，所以器件的关态击穿电压得到大幅提高。另一方面，由于漏极采用欧姆接触保证了器件具有较小的导通电阻。
对本发明内容的场控导电沟道（如图1所示），以InxAl1-xN为例，其中x取值为0.17左右（此时第一Ⅲ-Ⅴ族氮化物和第二Ⅲ-Ⅴ族氮化物可以达到晶格匹配）。第一Ⅲ-Ⅴ族氮化物和第二Ⅲ-Ⅴ族氮化物构成的异质结界面形成2DEG，主要由于单位晶胞内正负电荷中心不重合而形成。此器件利用了InAlN/GaN异质结极强的自发极化实现了器件的2DEG导电沟道的存在。由于InAlN/GaN异质结中高浓度的2DEG和较薄的InAlN势垒层，使得束缚2DEG的有效势垒被降低，而且由于在肖特基源极运用了低功函数的金属使得该肖特基接触在InAlN/GaN异质结上具有远低于传统肖特基接触的方向耐压和较高的反向导通电流。因此本发明提出的肖特基源极InAlN/GaN异质结HEMT器件在开启状态下具有较大的导通电流和较小的导通电阻。图4是肖特基源极InAlN/GaN HEMTs的直流特性：其中图4（a）为输出特性曲线，图4（b）为转移特性曲线。
本发明提供的肖特基源极GaN异质结HEMT器件，还可具有如图5所示的衍生结构：在栅电极6与InAlN层2之间增加一层绝缘阻挡层材料7，绝缘阻挡层材料7可采用Al2O3或其他单层或多层介质材料作为绝缘阻挡层同时也可以作为器件的钝化层。此衍生结构由于绝缘阻挡层材料7的存在，减少了栅极泄漏电流，可以进一步提高器件的关态击穿电压。
本发明提供的肖特基源极GaN异质结HEMT器件，其源电极金属可以采用具有不同功函数的金属材料，但较低功函数的源极金属可以使器件有较好的正向特性以及较低的导通电阻。较高功函数的金属会使器件具有较高的关态击穿电压。另外，本发明提供的肖特基源极GaN异质结HEMT器件，其栅极和源极之间的距离可以很小，而这在常规器件中是达不到的，因为常规器件中欧姆接触由于高温退火会导致横向金属扩散，如果栅极与源极间距过小可能导致栅源极短路。更小的栅源极间距有利于减小栅源极之间的电阻，进而使得器件整体导通电阻较小，降低了导通损耗更适宜功率开关器件。
本发明提供的肖特基源极GaN异质结HEMT器件，其漏电极材料可以采用肖特基金属，而衬底材料可以是蓝宝石，也可以是碳化硅或硅。
本发明提供的肖特基源极InAlN/GaN异质结HEMT器件，可采用MOCVD设备制备衬底材料。采用MOCVD方法具有介质材料成膜状态致密、厚度控制精准、易于形成混合膜和多层膜重复性好等优点，特别是对界面态控制的可控空间较大。器件制造始于台面隔离，使用等离子刻蚀。通过淀积金属并高温退火后形成漏极欧姆接触。采用电子束蒸发方法淀积源漏肖特基电极。采用原子层淀积（ALD）制备Al2O3,SiO2,HfO2等栅介质材料。ALD所生长的薄膜是自限制的，能精确地控制薄膜的厚度和化学组分，而且淀积的薄膜具有很好的均匀性和保形性。也可采用PECVD设备制备SiNx，SiO2等栅介质材料。采用光刻、电子束蒸发以及剥离方法制作栅电极。
欧姆接触材料均采用Ti/Al/Ni/Au，欧姆接触电阻为0.6Ω·mm，肖特基源极接触材料采用Ti/Au，栅极金属材料采用Ni/Au。设定以漏极泄漏电流ID,leakage达到1mA/mm时的漏端电压为击穿电压BV。图4显示了肖特基源极高压InAlN/GaN异质结HEMT器件的直流特性，由图可知，肖特基源极高压InAlN/GaN异质结HEMT器件具有高驱动电流能力，最高跨导Gm，peak为158mS/mm，最大漏极电流密度ID,max为302mA/mm。导通电阻Ron为17Ω·mm。图6显示了LGD=15μm的肖特基源极InAlN/GaN异质结HEMT器件在关态击穿电压测试中栅极、漏极和源极泄漏电流（IG、ID和IS）与漏极偏压VDS的关系，器件的击穿电压BV高达650V，比常规器件提高了253%。由图6可知，导致肖特基源极InAlN/GaN异质结HEMT器件击穿的主要原因是栅极泄漏电流。图7显示了肖特基源极InAlN/GaN异质结HEMT器件关态击穿电压与栅漏间距LGD的关系，常规器件击穿电压在180V左右达到饱和，而肖特基源极高压InAlN/GaN异质结HEMT器件击穿电压随LGD增长呈线性增长，在LGD=15μm时达到最大值650V。图8为三种器件的比导通电阻Rsp,on和关态击穿电压的关系，可见肖特基源极高压InAlN/GaN异质结HEMT器件在提高击穿电压的同时保持了较小的比导通电阻，击穿电压最大时Rsp,on为3.4mΩ·cm2。
Claims (5)
1.一种GaN异质结HEMT器件，包括衬底（3）、位于衬底（3）表面的GaN层（1）和位于GaN层（1）表面的InAlN层（2）；其中GaN层（1）和InAlN层（2）构成InAlN/GaN异质结，在InAlN/GaN异质结界面处形成二维电子气导电沟道；在InAlN层（2）表面具有栅电极（6）、源电极（5）和漏电极（4），其中源电极（5）和漏电极（4）分处于InAlN层（2）表面相对的两侧，而栅电极（6）处于源电极（5）和漏电极（4）之间；所述漏电极（4）与InAlN层（2）表面形成欧姆接触，所述源电极（5）与InAlN层（2）表面形成肖特基接触。
2.根据权利要求1所述的GaN异质结HEMT器件，其特征在于，所述栅电极（6）与InAlN层（2）之间还具有一层绝缘阻挡层材料（7），所述绝缘阻挡层材料（7）采用Al2O3或其他单层或多层介质材料作为绝缘阻挡层同时也作为器件的钝化层。
3.根据权利要求1或2所述的GaN异质结HEMT器件，其特征在于，所述源电极（5）材料可采用具有不同功函数的金属材料。
4.根据权利要求1或2所述的GaN异质结HEMT器件，其特征在于，所述漏电极（4）材料可采用肖特基金属。
5.根据权利要求1或2所述的GaN异质结HEMT器件，其特征在于，所述衬底（3）材料是蓝宝石、碳化硅或硅。
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