[发明专利]一种具有背电极结构的氮化镓基异质结场效应晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，具体是指一种具有背电极结构的氮化镓（GaN）基异质结场效应晶体管。

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。

图1为现有技术普通GaN HFET结构示意图，主要包括衬底，氮化铝（AlN）成核层，氮化镓（GaN）缓冲层，氮化铝（AlN）插入层，铝镓氮（AIGaN）势垒层以及铝镓氮（AIGaN）势垒层上形成的源极、漏极和栅极，其中源极和漏极与铝镓氮（AIGaN）势垒层形成欧姆接触，栅极与铝镓氮（AIGaN）势垒层形成肖特基接触。但是对于普通GaN HFET而言，当器件承受耐压时，由于栅极和漏极之间沟道二维电子气不能够完全耗尽，使得沟道电场主要集中在栅极边缘（如图6中所示），导致器件在较低的漏极电压下便被击穿。同时从源极注入的电子可以经过GaN缓冲层到达漏极，形成漏电通道，过大的缓冲层泄漏电流同样会导致器件提前击穿，无法充分发挥GaN材料的高耐压优势，从而限制GaN HFET在高压方面的应用。

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：

使用场板技术[D.Visalli et al., “Limitations of Field Plate Effect Due to the Silicon Substrate in AlGaN/GaN/AlGaN DHFETs”,IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 57, No.12, p. 3333-3339 (3060)]。场板结构可以有效地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，从而达到提高击穿电压的目的。但场板结构依然无法完全耗尽栅极与漏极之间的沟道二维电子气，同时无法抑制缓冲层泄漏电流，不能充分发挥GaN材料的耐压优势，并且场板结构会引入额外的栅源或栅漏电容，降低器件频率特性。

在缓冲层内掺入碳、铁等杂质[Eldad Bahat-Treidel et al.，“AlGaN/GaN/GaN:C Back-Barrier HFETs With Breakdown Voltage of Over 1kV and Low R_ON×A”, Trans. on Electron Devices, Vol. 57, No.11, p. 3050-3058 (3060)]。碳、铁等杂质会在GaN缓冲层内引入深能级电子陷阱，俘获从源极注入的电子，增大缓冲层电阻，同时被电子占据的陷阱有助于耗尽沟道中二维电子气，使器件沟道电场分布更加均匀。但是该技术不能完全耗尽沟道中的二维电子气，无法充分发挥GaN材料的耐压优势，同时碳、铁等杂质引入的深能级陷阱会导致诸如导通电阻增大、输出电流下降、电流崩塌效应和反应速度下降等负面影响。

使用表面电场降低（RESURF）技术，在缓冲层内引入P型杂质 [S.Karmalkar et al., “RESURF AlGaN/GaN HFET for High Voltage Power Switching”, IEEE Electron Device Letters, Vol. 22, No. 8, p. 373-375 (2001).]。带有RESURF结构的GaN HFET结构如图2所示，主要包括衬底，氮化铝（AlN）成核层，P型氮化镓（GaN）缓冲层，氮化镓（GaN）沟道层，氮化铝（AlN）插入层，铝镓氮（AlGaN）势垒层以及铝镓氮（AlGaN）势垒层上形成的源极、漏极和栅极。缓冲层中引入P型杂质后，二维电子气沟道和P型缓冲层之间形成一个p-n结。当器件处于反向偏置承受耐压时，由于栅级与漏极之间的p-n结被反向偏置，二维电子气沟道与P型缓冲层将会相互耗尽，沟道中二维电子气耗尽区扩展，使得沟道电场分布更加均匀，从而提高器件击穿电压。同时耗尽的P型GaN缓冲层可以有效地抑制缓冲层泄漏电流，进一步提升器件击穿电压。但对于图2所示的普通RESURF GaN HFET，当器件处于反向偏置时，二维电子气沟道和P型缓冲层之间的反向偏置电压不足以使沟道二维电子气和P型缓冲层完全耗尽，从而无法达到GaN材料的耐压极限。

发明内容