[发明专利]一种氮化镓功率场效应晶体管

说明书

技术领域

本发明公开了一种氮化镓（GaN）功率场效应晶体管的结构，属于功率半导体器件领域。

背景技术

基于硅材料的功率半导体器件经过多年发展，器件的性能已经趋近硅材料的理论极限。目前功率半导体器件正进入以氮化镓代表的第三代宽禁带半导体时代。在降低器件自身的电力损耗、提高开关频率和器件耐热性能等方面，与硅基功率半导体器件相比，氮化镓基功率半导体器件均具有非常大的优势。

GaN场效应晶体管的典型结构如图1所示，在铝镓氮（AlGaN）和氮化镓（GaN）之间，由于压电效应和自发极化，形成一层二维电子气。在AlGaN的表面沉积金属并进行高温退火，形成源极和漏极。在AlGaN的表面沉积金属，形成栅极。当漏极上施加相对源极固定的电压时，通过调节栅极相对于源极的电压，可以控制二维电子气的电子浓度，从而控制晶体管的导通状态。

为进一步提高氮化镓基功率半导体器件的性能，降低开关过程所带来的能量损耗，对于常开型GaN场效应晶体管，需要提高其阈值电压。

在现有技术中，通过降低二维电子气浓度的方法可以增加阈值电压，但是同时会增加常开型场效应晶体管的导通电阻，带来导通损耗升高的不良结果。为提高GaN场效应晶体管性能，在公开号为CN101414562的中国专利中公开了一种对材料进行特殊处理的方法，在公开号为CN101136432的中国专利中采用复杂的材料结构。采用以上方法将制作GaN场效应晶体管的工艺步骤增加，还存在重复性和可靠性差的技术问题，并且其中部分工艺流程与标准工艺流程不兼容，增加了实施难度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种GaN场效应晶体管的结构，方案如下：

一种氮化镓功率场效应晶体管的结构，包括衬底、缓冲层、外延在缓冲层上的GaN沟道层，外延在GaN上的AlGaN层、沉积于AlGaN表面的源极和漏极、位于源极和漏极之间的栅极，以及栅极与AlGaN之间的多晶硅层和绝缘层。

进一步，所述衬底的材料是硅、碳化硅、氮化镓和氧化铝中的一种。

进一步，所述缓冲层的材料是氮化铝。

进一步，所述GaN沟道层的厚度为500 nm ~ 2000 nm。

进一步，所述AlGaN层的厚度为2 nm ~ 20 nm。

进一步，所述源极和漏极的多层金属薄膜结构为Ti/Al/Ni/Au。

进一步，所述多晶硅层的厚度为0.2 nm ~ 2 nm。

进一步，所述绝缘层的材料可以为氮化铝、氮化硅、氧化硅和氧化铝中的一种。

进一步，所述绝缘层的厚度为0.1 nm ~ 5 nm。

进一步，所述绝缘层上的栅极金属层为Ni/Au。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：对于常开型GaN场效应晶体管，通过在栅极施加相对于源极的负电压，电子会从栅极金属隧穿到多晶硅层，在多晶硅层留下多余电子，因此会增加GaN场效应晶体管的开启电压，从而提高了GaN场效应晶体管的开关性能，并降低晶体管自身的功率损耗。

附图说明

图1是现有GaN场效应晶体管的截面示意图；

图2是本发明的实施例所提供的GaN场效应晶体管的截面示意图；

图3是基于本发明所提供的器件结构，常开型GaN场效应晶体管的工作原理示意图；

图4是漏极电流和栅极电压的关系图，表明在实施本发明前后阈值电压的改变。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图2是本发明实施例所提供的GaN场效应晶体管的截面示意图。

在本实施例中，衬底采用厚度为300微米的单晶硅；缓冲层的材料是氮化铝，缓冲层厚度为10纳米；GaN沟道层的厚度为2微米；AlGaN层的厚度为20 nm；源极和漏极的金属层结构为Ti/Al/Ni/Au；多晶硅层的厚度为1 nm；绝缘层的材料是氧化铝，厚度为0.2 nm；绝缘层上的栅极金属层为Ni/Au。

以图3为例，说明基于本发明所公开的器件结构，常开型GaN场效应晶体管的工作原理。

对于一般的常开型GaN场效应晶体管，在栅极施加相对于源极为负的电势的情况下，栅极之下的二维电子气被耗尽，当栅极电压低于阈值电压时，二维电子气被完全耗尽，晶体管处于关闭状态。