[发明专利]AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管

说明书

技术领域

本发明属于场效应晶体管，特别涉及利用氟离子注入来提高AlGaN/GaN高迁移率晶体管的击穿电压及相关材料，器件结构和方法。 

背景技术

高电子迁移率晶体管(HEMT)，又称为异质结场效应晶体管(HFET)或调制掺杂场效应晶体管(MODFET)一般利用两种不同禁带宽度的材料所形成的结，例如异质结替代掺杂区作为沟道。高电子迁移率晶体管得益于异质结构，利用异质结产生的高迁移率电子，该异质结由比如高掺杂宽禁带n型施主层或非故意掺杂的AlGaN宽禁带层和具有很少或没有故意掺杂物的非掺杂的窄禁带层(例如，GaN层)形成。 

例如，由于异质结是由在异质结的非掺杂侧的导带中形成电子势阱的禁带宽度不同的材料形成的，所以n型施主层中离化产生的电子容易转移到异质结处的禁带宽度稍窄的非掺杂沟道中，从而产生薄的耗尽的n型施主层和禁带稍窄的导电沟道。在AlGaN/GaN体系中，由于极强的自发极化和压电极化效应，不掺杂也可以形成高浓度的电子沟道。例如，内部极化诱导产生的电场可以把AlGaN表面施主能级中电子转移到GaN层中。在这种情况下，由于沟道中没有施主杂质导致的散射，电子可以高速移动，获得很高的电子迁移率。最终结果是异质结构中产生了一高浓度高迁移率的电子薄层，从而导致很低的沟道电阻率。这就是通称的二维电子气(2DEG)。在场效应晶体管(FET)中，通过在栅电极上施加偏压来改变这一层的电导，从而完成晶体管的工作。 

GaN HEMT体系中AlGaN/GaN HEMT是最常见的异质结高迁移 率晶体管。通常，利用MOCVD或者MBE在衬底材料(比如蓝宝石、硅(111)、碳化硅)上外延生长GaN以及AlGaN及其相关结构来提供AlGaN/GaN HEMT制备所需的材料。 

由于内在的高密度二维电子气具有高的电子浓度和电子迁移率以及极高的临界击穿电场，AlGaN/GaN HEMT具有极高的输出功率密度，从而成为目前国际上的研究热点。因此，宽禁带AlGaN/GaNHEMT正成为下一代射频(RF)和微波功率放大器的理想替代者。HEMT的一个重要工作和设计参数就是击穿电压(BV_off)，它往往决定了A类工作模式下器件的最大输出功率。 

然而，目前报道的器件的击穿电压还远远小于GaN基材料的理论极限。比如，最近发现由于GaN缓冲层中存在n型背景掺杂(主要是内在的氮空位以及氧杂质)，从源极注入到漏极的电流导致的击穿是限制实用器件击穿电压的一个重要因素。由于GaN缓冲层中的势垒较低，导致GaN缓冲层中的漏致势垒降低(DIBL)效应随着离2DEG沟道深度的增加而加重。因此，在高的漏极偏压下，电子就可能通过GaN缓冲层从源极注入到高场区，在沟道中引起碰撞电离，从而在器件的栅击穿之前导致三端击穿。 

虽然人们曾尝试过减少GaN缓冲层中的n型背景掺杂，但是这种努力通常被证实为很困难和没有商业价值的。另外，比如在GaN层中掺入碳或者Fe形成深的受主能级，然而这些受主能级容易导致器件的电流坍塌以及电流电压(I-V)输出特性的滞后，故意引入的杂质还可能导致生长系统的永久污染。另外，这些受主杂质还可能导致器件的不稳定，特别是漏极工作电压较高时。因此，期望在器件工艺级别来提高实用器件的击穿特性。 

发明内容

下面通过简单的概括来说明本发明的基本特点，以便基本理解本发明的一些方面。本概述不是本发明的具体表述，省略了细节说明和关键部分的阐述，以及本发明的实施例和权利要求。其目的只是简单的描述本发明，作为后面详细表述的引子。 

在各种实施例中，提供了增强背势垒(EBB)结构和器件，该结构和器件通过在2DEG沟道下的非故意掺杂的GaN缓冲层中产生较高的能量势垒来提高III族氮化物HEMT(尤其是AlGaN/GaNHEMT)的关态击穿和阻挡特性。同时给出了利用在GaN缓冲层中形成背势垒来提高AlGaN/GaN HEMT击穿特性的多种结构和器件类型。 

在一个非限制性实施例中，HEMT结构包括Schottky栅极控制的2DEG沟道、源极欧姆接触和漏极欧姆接触。有利的是，根据一个方面，氟离子可以在栅极光刻之后，溅射金属之前注入。因此，形成和栅极金属自对准的增强背势垒。 

在其他实施例中，提出了工艺层面制备增强背势垒HEMT的方法。可以根据具体的外延结构在相关区域选择性地注入氟离子来实现相关结构和器件。有利的是，氟离子注入可以利用目前商用的离子注入设备。