氮化镓基晶体管

技术领域

本公开的实施例涉及高功率和高速电路的技术领域，更具体地，涉及一种氮化镓基晶体管。

背景技术

由于氮化镓具有宽禁带、高击穿电场、高电子饱和速度等优良的物理特性，基于铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)异质结的高电子迁移率晶体管(High Electron MobilityTransistors，HEMT)被广泛运用于高功率和高速电路应用之中。然而面向更高压、高温、高频等复杂工作环境、及光电探测等新型应用时，无论是器件性能、功能还是稳定性都不完善。

目前，HEMT结构主要基于包含GaN沟道和AlGaN势垒的单一异质结，其Al成分、掺杂浓度和层厚相对固定。然而，由于其简单的器件结构以及固定的结构成分，这种单异质结HEMT器件的能带调制在很大程度上受到限制，同时，还限制了该类型器件的性能和应用探索，因此需要对HEMT的异质结能带进行进一步优化。

另外，AlGaN/GaN基HEMT具有高浓度高迁移率的二维电子气沟道，使其在高速大功率电子电力器件领域具有广泛的应用前景。但GaN在单一异质结结构会导致一部分二维电子气从沟道溢出到缓冲层，导致性能和可靠性降低。同时，加入AlGaN背势垒层会使在AlGaN/GaN缓冲界面产生不必要的寄生通道，而寄生通道会导致器件的击穿电压降低，并使器件的可靠性严重恶化，限制了器件的电学特性。

发明内容

为解决现有技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开实施例提供一种氮化镓基晶体管，通过使背势垒层的铝元素组分沿背势垒层的生长方向递减，可以改变氮化镓基晶体管的能带结构，进而提高氮化镓基晶体管的光电探测能力和高温稳定性。

本公开的实施例提供了一种氮化镓基晶体管，包括：底部结构；背势垒层，设置在上述底部结构上，上述背势垒层采用铝元素、镓元素、铟元素与氮元素组合的二元、三元或四元合金，上述背势垒层的铝元素组分沿上述背势垒层的生长方向递减，以改变氮化镓基晶体管沟道处的能带结构；沟道层，设置在上述背势垒层上，上述沟道层用于提供电流横向流通的通道；势垒层，设置在上述沟道层上，上述势垒层用于与上述沟道层形成异质结，通过极化效应在上述异质结的界面处形成二维电子气；其中，上述背势垒层用于限制电子在上述沟道层中传输，以抑制电流分散。

根据本公开的一些实施例，上述氮化镓基晶体管还包括：间隔层，设置在上述沟道层和上述势垒层之间，上述间隔层用于减少上述沟道层和上述势垒层的上述异质结处的合金散射作用。

根据本公开的一些实施例，上述氮化镓基晶体管还包括：帽层，设置在上述势垒层上；源极、漏极和栅极，上述源极、漏极和栅极设置在上述帽层上；其中，上述帽层用于提高上述氮化镓基晶体管的肖特基势垒高度以降低上述栅极的漏电。

根据本公开的一些实施例，上述氮化镓基晶体管还包括：钝化层，覆盖在上述帽层和上述源极、漏极和栅极的远离上述势垒层的表面上，上述钝化层用于抑制上述氮化镓基晶体管的表面态。

根据本公开的一些实施例，上述背势垒层的铝元素组分沿上述背势垒层的生长方向从0.2逐渐递减至0。

根据本公开的一些实施例，上述背势垒层厚度为1μm～10μm。

根据本公开的一些实施例，上述势垒层采用铝元素、镓元素、铟元素与氮元素组合的二元、三元或四元合金，其中，上述铝元素、镓元素、铟元素为固定组分。

根据本公开的一些实施例，上述势垒层采用铝元素、镓元素、铟元素与氮元素组合的二元、三元或四元合金，上述势垒层的铝元素组分沿上述势垒层的生长方向递增或递减。

根据本公开的一些实施例，上述底部结构包括：衬底；成核层，设置在上述衬底上；缓冲层，设置在上述成核层上，上述缓冲层用于降低上述背势垒层与上述衬底之间的晶格失配和热失配；其中，上述成核层为上述缓冲层的生长提供成核位点和应力调控。

根据本公开的一些实施例，上述缓冲层通过调控应力和位错的形成和湮灭的方式为上述氮化镓基晶体管结构的生长提供基础。

根据本公开实施例的氮化镓基晶体管通过使背势垒层的铝元素组分沿背势垒层的生长方向递减，可以改变氮化镓基晶体管的能带结构，进而提高氮化镓基晶体管的光电探测能力和高温稳定性，同时，在紫外光电探测领域对于光生载流子的收集和限制能力也有提升。

附图说明

图1是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管的截面示意图；

图2是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管的HRXRD图和能带图；

图3是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管的电学特性图；

图4是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管与单异质结器件的高温转移特性对比图；

图5是根据本公开的一种示意性实施例的钝化的氮化镓基晶体管与单异质结钝化器件的高温肖特基特性对比图；

图6是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管作为紫外探测器的PC模式光电探测的转移曲线图；以及

图7是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管在零偏压即自供电模式下作为紫外探测器的静态和动态光探测行为的测试图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

根据本公开一个方面的发明构思，AlGaN/GaN基HEMT具有高浓度高迁移率的二维电子气沟道使其在高速大功率电子电力器件领域具有广泛的应用前景。但GaN在单一异质结结构中既是缓冲层又是沟道层会导致一部分二维电子气从沟道溢出到缓冲层，导致性能和可靠性降低。同时，加入AlGaN背势垒层会使在AlGaN/GaN缓冲界面产生不必要的寄生通道，而寄生通道会导致器件的击穿电压降低，并使器件的可靠性严重恶化，限制了器件的电学特性。因此，本公开的实施例采用使背势垒层的铝元素组分沿背势垒层的生长方向递减的方式，以改变氮化镓基晶体管的能带结构，进而实现提高氮化镓基晶体管的光电探测能力和高温稳定性，同时，在紫外光电探测领域对于光生载流子的收集和限制能力也有提升。

图1是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管的截面示意图。

根据本公开的实施例，如图1所示，一种氮化镓基晶体管包括底部结构、背势垒层、沟道层和势垒层。背势垒层设置在底部结构上，背势垒层采用铝元素、镓元素、铟元素与氮元素组合的二元、三元或四元合金，背势垒层的铝元素组分沿背势垒层的生长方向递减，以改变氮化镓基晶体管沟道处的能带结构。沟道层设置在背势垒层上，沟道层用于提供电流横向流通的通道。势垒层设置在沟道层上，势垒层用于与沟道层形成异质结，通过极化效应在异质结的界面处形成二维电子气。背势垒层用于限制电子在沟道层中传输，以抑制电流分散。

根据本公开的实施例，极化效应是指纤锌矿结构的三族氮化物在c轴方向上正负电荷的中心不重合而产生宏观极化作用，由于此极化效应是在III族氮化物没有应变的平衡条件下产生的，因此称为自发极化(Spontaneous polarization)。同时，材料内部的压力也能引起III族氮化物材料内部正负电荷中心的分离，其产生的极化效应称为压电极化(Piezoelectric polarization)，极化效应对III族氮化物材料和器件性能有着重要的影响。

根据本公开的实施例，由于上述极化效应，在AlGaN/GaN异质结构的界面处产生了高面密度的净束缚正电荷，就会吸引带负电的电荷，在异质结界面GaN一侧的三角形势阱中会形成高面密度的二维电子气(2DEG)，因此具有较大的输出电流。

根据本公开的实施例，沟道层可以选用铝元素、镓元素、铟元素与氮元素组合的二元、三元或四元合金，厚度为1nm～1000nm，优选为300nm，本公开的实施例对沟道层选用的材料的厚度不做限定。

根据本公开的实施例，势垒层可以选用铝元素、镓元素、铟元素与氮元素组合的二元、三元或四元合金，势垒层厚度为1nm～100nm，优选为25nm。本公开的实施例对势垒层选用的材料的厚度不做限定。

这样的实施方式中，背势垒层、沟道层和势垒层形成双异质结结构，在缓冲层上生长背势垒层以改变氮化镓基晶体管的能带结构，限制电子在沟道层中传输，增强了载流子约束，使得氮化镓基晶体管在高温下的电流分散效应得到有效抑制，进而实现提高氮化镓基晶体管的光电探测能力和高温稳定性。同时，GaN材料良好的紫外探测能力且GaN基HEMT具有较强的电流放大能力，因此基于AlGaN/GaN基HEMT结构具有较高的光响应度，双异质结结构的优化使AlGaN/GaN基HEMT结构在紫外光电探测领域对于光生载流子的收集和限制能力也有提升。

根据本公开的实施例，背势垒层的铝元素组分沿背势垒层的生长方向从0.2逐渐递减至0。

根据本公开的实施例，以AlGaN渐变背势垒层为例，沿背势垒层生长方向，由Al

根据本公开的实施例，以AlGaInN渐变背势垒层为例，沿背势垒层生长方向，由Al

根据本公开的实施例，为了外延生长渐变降低Al组分的AlGaN背势垒层，首先注入足量的Al源来生长20％Al组分的AlGaN合金，而后逐渐减少Al源气体，同步增加Ga源气体，从而获得背势垒层的Al组分沿背势垒层的生长方向递减的形貌。

以AlGaN渐变背势垒层为例，沿背势垒层生长方向，由Al

在一种示意性的实施例中，背势垒层采用铝元素、镓元素、铟元素与氮元素组合的二元合金渐变时，由Al

在一种示意性的实施例，背势垒层采用铝元素、镓元素、铟元素与氮元素组合的四元合金渐变时，由Al

这样的实施方式中，铝元素组分沿背势垒层的生长方向递减一方面能够通过避免形成寄生沟道从而抑制缓冲层中的电子浓度，另一方面可以调节外延层的内部应变。同时，铝元素组分沿背势垒层的生长方向递减使氮化镓基晶体管具有更大的开态电流，更小的开态电阻，更大的反向击穿电场和更小的高温下电流退化。

根据本公开的实施例，背势垒层厚度为1μm～10μm。

根据本公开的实施例，背势垒层优选厚度为1μm，但本公开的实施例对背势垒层选用的材料的厚度不做限定。

根据本公开的实施例，氮化镓基晶体管还包括间隔层，设置在沟道层和势垒层之间，间隔层用于减少沟道层和势垒层的异质结处的合金散射作用。

根据本公开的实施例，间隔层可以选用AlN材料，厚度为0.1nm～5nm，优选为1nm，本公开的实施例对间隔层选用的材料的厚度不做限定。

这样的实施方式中，设置间隔层能够提升氮化镓基晶体管的迁移率。

根据本公开的实施例，氮化镓基晶体管还包括帽层、源极、漏极和栅极。帽层设置在势垒层上。源极、漏极和栅极设置在帽层上。帽层用于提高氮化镓基晶体管的肖特基势垒高度以降低栅极的漏电。

根据本公开的实施例，帽层采用铝元素、镓元素、铟元素与氮元素组合的二元、三元或四元合金，厚度为0.1nm～5nm，优选为2nm，但本公开的实施例对帽层选用的材料的厚度不做限定。

这样的实施方式中，帽层形成于势垒层上，能够实现提高氮化镓基晶体管的肖特基势垒高度以降低栅极的漏电。

根据本公开的实施例，源极和漏极选用Ti/Al/Ni/Au金属堆叠层，但本公开的实施例对源极和漏极的具体形状、面积和金属厚度不做限定。栅极选用Ni/Au金属堆叠层，但本公开的实施例对栅极的材料、形态和厚度不做限定。同时，本公开的实施例对漏极和栅极之间的间距不做限定。

在一种示意性的实施例中，源极和漏极选用矩形，长和宽范围为0.5μm～1000μm，优选为150μm；栅极长度为0.5μm～100μm，优选为4μm，宽度为0.5μm～1000μm，优选为100μm。源极和漏极间距为1μm～50μm，优选为12μm。

根据本公开的实施例，氮化镓基晶体管还包括钝化层，覆盖在帽层和源极、漏极和栅极的远离势垒层的表面上，钝化层用于抑制氮化镓基晶体管的表面态。

根据本公开的实施例，钝化层采用Si

这样的实施方式中，钝化层能够抑制氮化镓基晶体管的表面态，同时，保护氮化镓基晶体管不受外界环境的沾污、水分等损害。得益于SiN

根据本公开的实施例，势垒层采用铝元素、镓元素、铟元素与氮元素组合的二元、三元或四元合金，其中，铝元素、镓元素、铟元素为固定组分。

根据本公开的实施例，势垒层合金可以为三族元素固定组分，例如Al组分30％的AlGaN合金(写作Al

根据本公开的实施例，势垒层采用铝元素、镓元素、铟元素与氮元素组合的二元、三元或四元合金，势垒层的铝元素组分沿势垒层的生长方向递增或递减。

根据本公开的实施例，势垒层可以选用三族元素组分渐变的势垒层，以AlGaN渐变势垒层为例，其Al组分在k1到k2之间沿势垒层生长方向渐变，其中0≤k1≤1，0≤k2≤1，k1与k2大小不做限制，即势垒层中的Al组分可沿生长方向递增或递减。

根据本公开的实施例，以AlGaN渐变势垒层为例，沿势垒层生长方向递减，例如，由Al

根据本公开的另一种实施例，仍以AlGaN渐变势垒层为例，沿势垒层生长方向递增，例如，由Al

根据本公开的实施例，底部结构包括衬底、成核层和缓冲层。成核层设置在衬底上。缓冲层设置在成核层上，缓冲层用于降低背势垒层与衬底之间的晶格失配和热失配。其中，成核层为缓冲层的生长提供成核位点和应力调控。

根据本公开的实施例，衬底可以选用硅、蓝宝石、碳化硅、氮化镓，斜切角为0°～10°之间。本公开的实施例对衬底选用的材料和斜切角不做限定。

根据本公开的实施例，成核层可以选用AlN材料，通过磁控溅射手段生长，厚度为10nm～1000nm。本公开的实施例对成核层选用的材料的厚度不做限定。

根据本公开的实施例，缓冲层一般包括高Al组分的AlGaN缓冲层，厚度为1μm～10μm，本公开的实施例对缓冲层选用的材料的厚度和Al组分不做限定。

这样的实施方式中，在衬底上生长成核层能够为后续生长缓冲层提供成核位点和应力调控。

根据本公开的实施例，缓冲层通过调控应力和位错的形成和湮灭的方式为氮化镓基晶体管结构的生长提供基础。

根据本公开的实施例，在衬底上生长缓冲层能够缓解后续生长的GaN材料与衬底之间的晶格失配和热失配，通过调控应力和位错的形成和湮灭，实现高质量的外延薄膜，为后续氮化镓基晶体管结构的生长提供基础。

图2是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管的HRXRD图和能带图。

根据本公开的实施例，(a)图为氮化镓基晶体管的HRXRD图，(b)图为氮化镓基晶体管的能带图。如图2所示，通过HRXRD的峰值位置可以发现加入低Al组分的沿背势垒层的生长方向递减的背势垒层后，HRXRD图展现出一系列低Al组分成分，证明了背势垒层结构的存在。Al组分沿背势垒层的生长方向递减能够有效提升缓冲层侧的能带，从而进一步增强对于2DEG导电沟道的载流子限域性，促进载流子在沟道层处的收集。

图3是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管的电学特性图。

根据本公开的实施例，(a)图和(b)图中灰色虚线表征为单异质结未钝化器件，灰色实线表征为单异质结钝化器件，黑色虚线表征为本公开的未钝化氮化镓基晶体管，黑色实线表征为本公开的钝化后氮化镓基晶体管。如图3所示，背势垒层的Al组分沿背势垒层的生长方向递减使得氮化镓基晶体管具有更大的输出电流密度、更小的开态电阻。一方面能够起到电子约束能力，另外一方面还能避免产生寄生沟道。同时，对氮化镓基晶体管表面进行PECVD-Si

图4是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管与单异质结器件的高温转移特性对比图。

根据本公开的实施例，(a)图表征为单异质结未钝化器件的高温转移特性图。(b)图表征为本公开的未钝化的氮化镓基晶体管的高温转移特性图。(c)图表征为单异质结钝化器件的高温转移特性图。(d)图表征为本公开的钝化的氮化镓基晶体管的高温转移特性图。如图4所示，在25℃至150℃的温度范围内，背势垒层的Al组分沿背势垒层的生长方向递减能够有效的抑制高温电流分散效应，而后对本公开的氮化镓基晶体管进行钝化后进一步发现，钝化的氮化镓基晶体管的高温电流分散效应基本完全抑制。可以看出Al组分沿背势垒层的生长方向递减的氮化镓基晶体管具有较好的高温稳定性。

图5是根据本公开的一种示意性实施例的钝化的氮化镓基晶体管与单异质结钝化器件的高温肖特基特性对比图。

根据本公开的实施例，(a)图表征为单异质结钝化器件的高温肖特基特性图，(b)图表征为本公开的钝化的氮化镓基晶体管的高温肖特基特性图。如图5所示，在25℃至150℃的温度范围内，背势垒层的Al组分沿背势垒层的生长方向递减，一方面高温电流分散效应几乎完全抑制，另一方面在0V～1V左右由于肖特基接触退化导致的双势垒(双峰)效应得到有效的抑制，本公开实施例的钝化的氮化镓基晶体管在较宽的温度范围内都具有更好的肖特基特性。

图6是根据本公开实施例的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管作为紫外探测器的PC模式光电探测的转移曲线图。

根据本公开的实施例，如图6所示，通过分析波长为337nm和254nm紫外光照射下该紫外探测器的转移曲线，可以看出在光源光强为5μW/cm

图7是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管在零偏压即自供电模式下作为紫外探测器的静态和动态光探测行为的测试图。

根据本公开的实施例，如图7所示，(a)图和(b)图为波长为337nm的氮化镓基晶体管在零偏压即自供电模式下作为紫外探测器的静态和动态光探测行为的测试图，(c)图和(d)图为波长为254nm的氮化镓基晶体管在零偏压即自供电模式下作为紫外探测器的静态和动态光探测行为的测试图。自供电的本公开的氮化镓基晶体管作为紫外探测器由于能带的倾斜，能够实现在波长为337nm和254nm的光探测中分别可以实现128/128A/W(5μW/cm

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。