CN104347701B - 一种具有复合钝化层结构的场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有复合钝化层的场效应晶体管，从下至上依次主要由衬底，氮化镓缓冲层，氮化镓沟道层，铝镓氮势垒层以及在势垒层上形成有源极、漏极，源极及漏极与势垒层形成欧姆接触，在器件表面覆盖有一层钝化层。在栅极与漏极之间的钝化层由具有较高介电常数的绝缘材料(高‑K介质)和具有较低介电常数的绝缘材料(低‑K介质)在横向上复合而成。由于高‑K和低‑K介质层组成的边界能改变周围的电场分布，从而在器件沟道中引入电场峰值，使得沟道电子气得以充分耗尽，以此提升器件的耐压能力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种具有复合钝化层结构的场效应晶体管。
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。
在本发明提出以前，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。如图1所示，场板结构110可以有效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，从而提高击穿电压。但场板结构110的引入使得器件寄生电容增加，导致器件截止频率的下降。
(2)钝化层采用高-K(高相对介电系数)介质。如图2所示，高-K介质(NumericalAnalysis of Breakdown Voltage Enhancement in AlGaN/GaN HEMTs With a High-KPassivation Layer,IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.61,NO.3,2014)具有较高介电常数的绝缘材料可以使电场变的更加平坦，而具有较低介电常数的绝缘材料可以是电场变得更加陡峭。在相同漏压下，当使用较高介电常数的材料做钝化层208、209，沟道电场峰值会降低，电场沿沟道的分布变得均匀，从而使得器件具有较高的击穿电压；但是该结构对器件耐压能力的提升比较有限，难以满足高耐压领域的应用。除此以外，某些高-K介质的能带结构的禁带宽度很低，导致栅极和漏极之间通过钝化层的泄漏电流比较大，使得器件发生提前击穿。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有复合钝化层的场效应晶体管。所述复合钝化层是由高-K介质和低-K介质在横向上交替排列而形成的，由于高-K和低-K介质的介电常数相差较大，故在两介质界面处存在电场强度的突变，该电场强度的突变在其附近的二维电子气沟道中引入一个电场峰值，拉低了栅边缘的电场强度，使沟道电场的分布变得更加均匀，从而提高了器件的耐压能力。
本发明采用如下技术方案：一种具有复合钝化层的场效应晶体管，其结构如图1所示，从下至上依次主要由衬底307、氮化镓(GaN)缓冲层306、氮化镓(GaN)沟道层305，铝镓氮(AlGaN)势垒层304组成，在势垒层上形成有源极301、漏极302和栅极303，源极301和漏极302均与势垒层304成欧姆接触，栅极303与势垒层304形成肖特基接触；在器件表面，具体而言，在栅极303与漏极302之间的势垒层304的上表面、以及在栅极303与源极302之间的势垒层304的上表面覆盖有一层钝化层308、309；位于栅极303与漏极302之间的钝化层309由具有较高介电常数的介质(高-K介质)309和一个以上具有较低介电常数的介质层(低-K介质)310、311、312在横向上复合而成，从结构上看，可以看作一个以上的低-K介质层嵌入到高-K钝化层309中；
对于所述的钝化层309中的一个以上的低-K介质层310、311、312，每个低-K介质区域在水平方向上的宽度小于栅极303与漏极302之间的距离，且所用低-K介质区域在水平方向上的宽度总和也小于栅漏之间的距离，每个低-K介质区域在垂直方向上的厚度均小于或等于钝化层309在垂直方向上的高度。
所述的高-K钝化层308、309应选择具有较高介电系数的材料，其相对介电系数范围为10至1000，可供选择的材料具体为HfO2、La2O3等具有较高相对介电系数的绝缘材料。所述的低-K介质层310、311、312所用材料的相对介电系数应均低于高-K介质309所选材料的相对介电系数，在满足以上的条件下，低-K介质层310可以从以下材料中进行选择：SiO2、HfO2、Al2O3、Si3N4及La2O3等绝缘材料。
本发明的有益效果是：
1)本发明可以大幅度提高器件的耐压能力而避免使用金属场板，提高了器件的可靠性，同时降低了器件的寄生电容以提升器件的工作频率和开关速度。
2)相对于单纯将钝化层使用高-K介质，本发明可以降低栅极和漏极之间的通过高-K介质的泄漏电流。
附图说明
图1是已有技术中带场板结构的GaN HEMT结构示意图。101-源极，102-漏极，103-栅极，104-铝镓氮(AlGaN)势垒层，105-氮化镓(GaN)沟道层，106-氮化镓(GaN)缓冲层，107-衬底，108、109-钝化层，110-金属场板。
图2是已有技术中具有高-K介质钝化层的GaN HEMT结构示意图。201-源极，202-漏极，203-栅极，204-铝镓氮(AlGaN)势垒层，205-氮化镓(GaN)沟道层，206-氮化镓(GaN)缓冲层，207-衬底，208、209-高-K钝化层。
图3是本发明提供的GaN HEMT结构示意图，由高-K介质和低-K介质共同构成钝化层。301-源极，302-漏极，303-栅极，304-铝镓氮(AlGaN)势垒层，305-氮化镓(GaN)沟道层，306-氮化镓(GaN)缓冲层，307-衬底，308、309-高-K介质层，310、311、312-低-K介质层。
图4是本发明的一个实施案例，高-K介质层中嵌入三个低-K介质层。401-源极，402-漏极，403-栅极，404-铝镓氮(AlGaN)势垒层，405-氮化镓(GaN)沟道层，406-氮化镓(GaN)缓冲层，407-衬底，408、409-高-K介质，410-第一个低-K介质层区域，411-第二个低-K介质层区域，412-第三个低-K介质层区域。
图5是通过二维数值仿真所得器件耐压曲线图。实线是普通的具有高-K钝化层的GaNHEMT器件的关态漏极电流曲线，栅压等于-5V；短划线是由本发明给出的一个具有复合钝化层的GaN HEMT器件实施案例在截止态的漏极电流曲线。
图6是通过二维数值仿真所的器件在击穿偏置点沟道电场沿水平方向的分布图。实线对应的是具有高-K钝化层的GaN HEMT器件；短划线对应的是由本发明给出的一个具有复合钝化层的GaN HEMT器件实施案例。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
图4是本发明提供的实例的结构示意图，主要包括衬底407，氮化镓(GaN)缓冲层406，氮化镓(GaN)沟道层405，铝镓氮(AlxGa1-xN)势垒层404以及势垒层404上形成的源极401、漏极402和栅极403，其中源极401和漏极402均与AlxGa1-xN势垒层404成欧姆接触，栅极403与AlxGa1-xN势垒层404成肖特基接触。
本实施例在器件表面先淀积一层高-K介质(HfO2)钝化层408、409，接着在栅极403和漏极402之间的高-K钝化层409上刻蚀出三个大小深度均不一致的矩形区域，在这三个区域内淀积低-K介质(SiO2)，生成如图4所示的低-K介质区域410、411、412。
图4所示实施案例的器件结构参数见下表1。
为突出本发明的优点，本实施例在仿真过程中选择了已有技术中的高-K钝化层结构作为对比，该器件结构除了没有引入低-K介质层外，其它参数与图4所示的实施例完全一致。
表1器件仿真结构参数
图5、图6所示本实施例的仿真结果充分体现了本发明的优点：从仿真结果图5可以看出，本发明的实施案例器件具有击穿电压值1354V，而普通带高-K介质钝化层的器件具有击穿电压值890V，由此说明本发明可大幅度提升击穿电压；本发明原理体现于仿真结果图6中，高-K介质和低-K介质的界面使得沟道电场存在多个峰值，沟道电子气得以充分耗尽，以此提升了器件的击穿电压。
Claims (5)
1.一种具有复合钝化层的场效应晶体管，从下至上依次主要由衬底(307)、氮化镓(GaN)缓冲层(306)、氮化镓(GaN)沟道层(305)、铝镓氮(AlGaN)势垒层(304)组成，在势垒层(304)上形成有源极(301)、漏极(302)和栅极(303)，源极(301)和漏极(302)均与势垒层(304)成欧姆接触，栅极(303)与势垒层(304)形成肖特基接触，在所述栅极(303)与漏极(302)之间的势垒层(304)的上表面、以及在栅极(303)与源极(302)之间的势垒层(304)的上表面覆盖有一层钝化层(308、309)，其特征在于，在所述的位于栅极(303)与漏极(302)之间的钝化层(309)区域中，还设有一个以上的所用材料相对介电系数均低于钝化层(309)(称为高-K介质层)所用材料相对介电系数的低-K介质层(310、311、312)，低-K介质层(310、311、312)位于钝化层(309)内部且不与栅极(303)接触，由于高-K和低-K介质层的接触能改变界面周围的电场分布，从而在器件沟道(305)中引入电场峰值，使沟道电子气得以充分耗尽，以此提升器件的耐压能力。
2.根据权利要求1所述的一种具有复合钝化层的场效应晶体管，其特征在于，所述的钝化层(309)中的所有低-K介质层(310、311、312)在水平方向上的宽度之和小于栅极(303)与漏极(302)之间的距离，且每个低-K介质层(310、311、312)在垂直方向上的厚度均小于钝化层(309)在垂直方向上的高度。
3.根据权利要求1所述的一种具有复合钝化层的场效应晶体管，其特征在于，栅极(303)与源极(301)之间的钝化层(308)和栅极(303)与漏极(302)之间的钝化层(309)采用相同的绝缘材料构成，且所述绝缘材料的相对介电系数范围是10至1000。
4.根据权利要求3所述的一种具有复合钝化层的场效应晶体管，其特征在于，所述的绝缘材料为HfO2或La2O3。
5.根据权利要求1所述的一种具有复合钝化层的场效应晶体管，其特征在于，所述的低-K介质层(310、311、312)所用材料为SiO2、Al2O3或Si3N4中的一种。
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