一种基于Ga2O3/GaN异质结的HEMT器件

本发明涉及半导体器件技术领域，具体讲是一种基于ga2o3/gan异质结的hemt器件。

背景技术：

随着半导体技术的快速发展，第一代半导体如si以及第二代半导体gaas等等已经逐渐到达了材料固有性质所决定的物理极限。得益于基本物理参数的优越性以及材料生长技术的重大突破，以gan和sic为首的第三代半导体逐渐成为半导体领域新兴的领跑者。相比于si和gaas，gan和sic有着禁带宽度大、击穿场强高、介电常数低、电子饱和速度高和导通电阻低等优势，因此在电子、光电子器件中具有重大应用价值。

高电子迁移率晶体管（hemt）是一种控制电流导通和关断的基本元器件，广泛应用于电力电子器件以及射频器件领域。不同于si基与gaas基hemt的掺杂诱导2维电子气（2deg），在氮化物基hemt中，由于材料的自发极化和压电极化可以实现非掺杂的高浓度2维电子气（2deg）。现有hemt器件主要基于alxga1-xn/gan异质结，由于algan的自发极化与压电极化较大，极化电场较强，可以在未掺杂的algan/gan异质结中gan一侧诱导形成高电子浓度和高电子迁移率的2deg。其2deg面密度，电子迁移率分别高达10e¹³/cm-2，2000cm²/v.s。

如图1所示，传统氮化物hemt主要由衬底（1），缓冲层（2），沟道层（3），以及势垒层（4）组成，2deg（5）位于沟道层顶端，一般衬底为蓝宝石、硅或碳化硅；缓冲层通常由高阻值gan构成，降低器件体漏电流；沟道层是2deg传输的通道，由gan构成；势垒层禁带宽度较大，由algan构成。hemt器件是三端器件，需要沉积源极（6），漏极（8）和栅极（7）。一般源极和漏极是采用低功函金属作为接触层，如ti/al/ni/au金属栈结构，形成低电阻的欧姆接触，栅极采用高功函金属作为接触层，如ni/au电极形成肖特基接触，调制沟道2edg，对器件进行开启和关断。

除此之外，为了进一步提高器件的输出性能，需要解决电流崩塌效应。电流崩塌效应是指相比于直流工作电压，在脉冲工作电压下，器件的输出电流大大减小，这也是目前hemt器件亟需解决的重大问题。电流崩塌的主要原因是势垒层表面存在高密度的缺陷态，在器件工作的时候会捕获电子，由于电压脉冲时间常数小于陷阱中电子的释放时间常数，导致电流在脉冲工作模式下会大大减小，影响器件的输出性能。目前，常常在势垒层上沉积一层介质层（9）钝化器件表面，如氧化硅，氧化铝等等，形成较低缺陷态的界面。

由于氮化镓材料存在较多的穿透位错等材料缺陷，导致实际的临界击穿场强仅有1-2mv/cm，与理论临界击穿场强相差较大,这限制了氮化物hemt在更高工作电压下的进一步应用。因此如何通过设计新的器件的结构来提高hemt临界击穿场强是器件大规模商用的一个重大难题。现阶段较好的改善方法是采用场板结构。场板结构需要在漏电极一侧的栅电极上连接一层金属场板（10），改善电场的分布，减小峰值电场，增加临界击穿电压，提高器件的击穿性能。带有钝化结构和场板结构的hemt器件如图1所示，但是采用场板结构会增大工艺复杂程度。

传统的氮化物hemt是基于alxga1-xn/gan异质结为核心的元器件。algan为三元化合物，其劣势有三个方面：一是相比于二元化合物较难调控生长高质量的单晶薄膜。二是三元化合物的无序合金势较大，会通过异质结界面渗入到gan沟道层，造成沟道层中2deg迁移率的下降。三是algan表面很容易形成高密度的缺陷态，会造成器件的电流崩塌效应。目前，主要采用在algan上沉积氧化硅，氧化铝等氧化物介质层来形成缺陷态密度更低的良好界面，抑制电流崩塌效应。但是，这种做法依然存在漏电流较大，大电压下钝化失效等问题。

技术实现要素：

针对器件实际临界击穿电场较低、algan三元化合物生长调控困难以及器件钝化效果较差等问题，本发明基于能带调控以及极化理论，提供一种新型的临界击穿电场较大、势垒层表面缺陷较少、能带调节较为容易的基于ga2o3/gan异质结的hemt器件。

本发明的技术解决方案如下：一种基于ga2o3/gan异质结的hemt器件，它包括衬底，缓冲层，沟道层，以及势垒层，沟道层顶端具有2deg，还设有源极，漏极和栅极；其中所述沟道层由gan构成，势垒层由ga2o3构成，2deg在异质结界面靠近gan一侧。

所述衬底为硅、蓝宝石、碳化硅中的一种。

所述沟道层gan的生长方法为mocvd、mbe中的一种。

所述势垒层ga2o3的生长方法为mocvd，mbe，磁控溅射，电子束蒸镀，pld中的一种。

所述gan厚度为10nm-3μm。

所述ga2o3厚度为10-500nm。

ga2o3是ga元素的氧化物，具有各种晶型，其中β-ga2o3是热力学稳定相。ga2o3作为二元化合物，相比于algan三元化合物来说优势有以下几个方面：一是调控生长高质量的ga2o3薄膜较为容易。二是ga2o3作为势垒层，表面空位等各种缺陷态较少，在一定程度上可以抑制电流崩塌效应。三是ga2o3无序合金势较小，有助于电子迁移率的提高。四是ga2o3势垒较高，可以提高2deg的局域性，阻止高压条件下电子向势垒层扩散，造成2deg浓度下降的问题。五是ga2o3击穿电场更高。其高达4.9ev，理论临界击穿场强达到8mv/cm,实际临界击穿场强也有3.8mv/cm，所以ga2o3是下一代高压高功率器件材料的有力竞争者。将ga2o3引入hmet器件结构作为势垒层，会进一步提高器件的峰值击穿电压，改善器件在高压高功率下的击穿特性，使hemt器件在高压高功率下表现出更加优异的电学特性。

由于ga2o3是非极性半导体，即无自发极化电荷。所以与传统gaas基hemt类似，需要依靠掺杂形成高浓度的2deg。然而在本发明中，可以结合非极性ga2o3材料和极性gan材料各自的特点和优势，在界面gan一侧形成高浓度的2deg。未掺杂的gan自发极化以及压变极化产生的极化电场可以实现能带倾斜，为了使异质结费米能级平衡，多余的电子会从ga2o3处转移到异质结界面处未掺杂的gan一侧的势阱，形成具有高迁移率的2deg。虽然ga2o3与gan导带带阶较小，只有0.15ev，但是ga2o3很容易进行n型掺杂，因此可以对ga2o3进行n型掺杂来有效的调节ga2o3的费米能级，在ga2o3一侧形成较高的有效势垒。

如图4所示，基于ga2o3/gan异质结hemt由衬底（1），缓冲层（2），gan沟道层（3），氧化镓势垒层（4）以及源漏电极（6）（8）和栅电极（7）组成，2deg（5）存在于氮化镓层的顶部。源漏电极一般采用电子束蒸发或者热蒸发制备ti/al/ni/au金属栈结构，形成低电阻的欧姆接触。栅电极采用电子束或者热蒸发制备ni/au金属栈结构，形成肖特基接触。

本发明利用能带调控以及极化理论，提出了一种新型的基于ga2o3/gan异质结的hemt，具备以下有益效果：

1、器件结构简单。在gan外延薄膜上可以直接沉积ga2o3势垒层。由于ga2o3是二元化合物，无序合金势带来的散射效应较小，因此无需aln插入层，使得基于ga2o3/gan异质结的hemt结构较为简单。

2、电流崩塌效应较小。ga2o3作为势垒层，由于其为二元化合物，生长调控较为简单，表面空位等各种缺陷态相对较少，因此降低了器件工作时陷阱捕获电子的概率，有望实现势垒层自钝化的效果，来减少电流崩塌效应。

3、实际临界击穿电场较高。由于ga2o3禁带宽度高达4.9ev，材料的理论临界击穿场强达到8mv/cm，实际临界击穿场强也有3.8mv/cm，这将改善hemt器件的击穿电压，大大提高了hemt器件在高压高功率工作条件下的稳定性，图3为ga2o3/gan异质结在接触前（a）和接触后（b）的能带示意图。

4、能带调节较为容易。利用n型掺杂可以较为容易的调节ga2o3的费米能级，通过异质结两侧费米平衡条件，实现电子从费米能级较高的ga2o3一侧向费米能级较低的无掺杂gan一侧迁移。由于氮化镓自身极化效应产生极化电场，使2deg在极化电场的作用下聚集在gan势阱，形成高电子迁移率晶体管。

附图说明

图1为具有钝化层和场板结构的氮化物基hemt结构示意图。

图2为氮化镓和氧化镓材料的能带对比示意图。

图3为ga2o3/gan异质结在接触前（a）和接触后（b）的能带示意图。

图4为本发明基于ga2o3/gan异质结hemt结构示意图。

图5中(a)ga2o3/ganhemt输出特性(b)ga2o3/ganhemt的源漏电流-栅电压(ids-vg)特性和（c）ga2o3/gan异质结能带结构及对应的费米能示意图。

具体实施方式

下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。

实施例

结合图4所示：

1）在蓝宝石衬底上基于磁控溅射技术生长20nm缓冲层衬底，衬底温度在500摄氏度，压强0.8pa。

2）将衬底放入mocvd设备中，60mbar条件下通入三乙基镓和氨气外延生长100nmgan层，外延温度为900摄氏度。在850摄氏度，压强5mbar条件下通入三乙基镓，氧气分子和三乙基锗，沉积n-ga2o3，形成n-ga2o3/gan异质结。

3）沉积ti/al/ni/au源、漏电极，厚度分别设置为20nm/100nm/20nm/50nm。衬底温度为室温，沉积速率为30nm/min。

4）沉积ni/au栅电极，厚度为30nm/100nm。衬底温度为室温，沉积速率为30nm/min。ga2o3/ganhemt输出特性及ga2o3/ganhemt的源漏电流-栅电压(ids-vg)特性和（c）ga2o3/gan异质结能带结构及对应的费米能如图5所示。

以上仅是本发明的特征实施范例，对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等交换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。