[发明专利]氮化镓基双异质结场效应晶体管结构及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是指一种使用双氮化铝插入层的氮化镓基双异质结场效应晶体管结构及其制作方法，可以显著改善材料二维电子气的输运性能，有效限制沟道电子向势垒层和缓冲层泄漏，抑制电流崩塌效应和提高沟道二维电子气迁移率。

背景技术

氮化镓作为第三代宽禁带半导体的典型代表，具有优良的热稳定性及化学稳定性、高击穿电压、高电子饱和漂移速度及优良的抗辐射性能，特别适合制备具有高温、高频、大功率和抗辐照特性的异质结场效应晶体管。氮化镓基异质结场效应晶体管在无线通讯、航天航空、雷达、高温辐射环境、石油勘探、自动化控制、汽车电子等领域具有广阔的应用前景。

氮化镓基异质结场效应晶体管的工作原理：由于组成异质结的两种材料禁带宽度不同，在氮化镓和铝(铟)镓氮异质结界面处形成了势阱和势垒，由于极化效应或调制掺杂产生的自由电子，积累在非掺杂的氮化镓层靠近界面的三角形势阱中，形成二维电子气，由于使势阱中的这些电子与势垒中的电离杂质空间分离，大大降低了库仑散射，从而显著提高了材料的迁移率。研制成器件后，通过栅电极可控制异质结界面处的二维电子气浓度，在一定的直流偏压下，可对高频微波信号进行放大。

铟镓氮或氮化镓沟道双异质结场效应晶体管结构是一种极具应用前景的新型异质结场效应晶体管结构，将AlGaN/GaN单异质结构的三角势阱变为AlGaN/(In)GaN/AlGaN或AlGaN/InGaN/GaN结构的方型势阱，增大了势垒与沟道间的导带差，提高了势阱深度，可显著提高结构对二维电子气的限制作用，降低了二维电子气从沟道向势垒层和缓冲层泄漏，可减少异质结场效应晶体管功率器件的低频噪声，抑制电流崩塌效应，提高异质结场效应晶体管的稳定性和可靠性。

在本发明以前，为了提高缓冲层的势垒高度，(铟)镓氮沟道双异质结场效应晶体管结构通常将沟道层生长在铝镓氮缓冲层上面，与氮化镓缓冲层相比，铝镓氮与衬底(蓝宝石，碳化硅，硅)之间存在着更大的晶格失配，很难直接在衬底上直接外延出高质量的铝稼氮缓冲层，因此需要在铝稼氮层下方首先生长厚的氮化镓缓冲层作为过渡层，导致在铝镓氮缓冲层和厚的氮化镓层的界面容易形成附加导电沟道，影响器件的性能；同时铝镓氮为三元合金，晶体质量较差，界面合金无序和粗糙度散射会对沟道二维电子气的输运性能产生不利影响。因此，目前已有双异质场效应晶体管结构，通过铝镓氮缓冲层的引入，虽然提高了缓冲层一侧的势垒高度，增强了缓冲层对沟道二维电子气的限制作用，但同时导致外延生长更加困难，在目前工艺条件下，很难得到高质量(铟)镓氮沟道双异质结场效应晶体管结构材料，这是导致目前双异质结场效应晶体管结构未能充分发挥该结构优势的重要原因，需要进一步采取措施对双异质结场效应晶体管结构进行进一步优化设计。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种氮化镓基双异质结场效应晶体管，具有更低的缺陷密度和更高的晶体质量。

本发明的第二个目的是提供一种氮化镓基双异质结场效应晶体管，可更加有效限制沟道电子向缓冲层、势垒层和表面泄漏。

本发明的第三个目的是提供一种氮化镓基双异质结场效应晶体管，具有更高的二维电子气输运性能。

本发明的第四个目的是该结构还可以有效抑制电流崩塌效应，提高器件的稳定性和可靠性；

本发明的第五个目的是提供一种氮化镓基双异质结场效应晶体管及制作方法，具有工艺合理、成品率高的优点。

为达到上述目的，本发明提供一种氮化镓基双异质结场效应晶体管结构，其特征在于，其中包括：

一衬底；

一低温氮化镓或高温氮化铝层，该低温氮化镓或高温氮化铝层制作在衬底的上面；

一非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层，该非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层制作在低温氮化镓或高温氮化铝成核层的上面；

一氮化铝第一插入薄层，该氮化铝第一插入薄层制作在非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的上面；

一非有意掺杂氮化镓基沟道层，该非有意掺杂氮化镓基沟道层制作在氮化铝第一插入薄层的上面；

一氮化铝第二插入薄层，该氮化铝第二插入薄层制作在非有意掺杂氮化镓基沟道层的上面；

一非有意掺杂或n型掺杂Al_xIn_yGa_zN层，该Al_xIn_yGa_zN层制作在氮化铝第二插入薄层的上面。

其中所述的衬底为蓝宝石衬底或碳化硅或硅衬底。