CN103337517A - 基于iii族氮化物材料含多层背势垒的器件结构 - Google Patents

基于iii族氮化物材料含多层背势垒的器件结构 Download PDF

Info

Publication number
CN103337517A
CN103337517A CN201310229994XA CN201310229994A CN103337517A CN 103337517 A CN103337517 A CN 103337517A CN 201310229994X A CN201310229994X A CN 201310229994XA CN 201310229994 A CN201310229994 A CN 201310229994A CN 103337517 A CN103337517 A CN 103337517A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
barrier
potential barrier
component
body potential
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201310229994XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN103337517B (zh
Inventor
王元刚
冯志红
敦少博
吕元杰
房玉龙
徐鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CETC 13 Research Institute
Original Assignee
CETC 13 Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CETC 13 Research Institute filed Critical CETC 13 Research Institute
Priority to CN201310229994.XA priority Critical patent/CN103337517B/zh
Publication of CN103337517A publication Critical patent/CN103337517A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103337517B publication Critical patent/CN103337517B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于III族氮化物材料含多层背势垒的器件结构，属于半导体器件领域。本发明自下而上包括衬底层、背势垒结构层和沟道层；所述背势垒结构层由两层及以上不同Al组份的AlxGaN（0＜x＜1）背势垒组成，所述背势垒结构层的Al组份沿从沟道层到衬底层方向递增，但同一背势垒中Al组份不变。背势垒结构层降低了沟道电场峰值，有效的调节了沟道电场，提高了器件的击穿电压；相较于场板技术，多层背势垒结构不增加栅电容，对器件的频率特性影响较小；相较于单层背势垒结构，多层背势垒结构在不引入高浓度的2DHG的前提下，用多层低组份背势垒共同调节沟道电场，从而在保持高的器件饱和电流基础上，有效的增加器件耐压。

Description

基于III族氮化物材料含多层背势垒的器件结构
技术领域
本发明涉及半导体器件领域。
背景技术
GaN半导体材料具有更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和电子饱和漂移速度等优异的性能，受到研究者们的广泛关注。虽然GaN材料的临界击穿电场远高于其他半导体材料，但是由于GaN器件局域曲率效应，器件内部存在一个峰值电场，使得器件提前击穿。因此如何降低峰值电场、缓解局域曲率效应、提高器件击穿电压始终是国内外研究热点之一。
场板技术是提高器件耐压最为简单有效的方法。Mishra小组报道了国际上首个高压电力开关器件AlGaN/GaN HEMT就带有场板；紧接Mishra小组又报道了带三层场板的器件（Mishra, U. K.. Status of AlGaN/GaN HEMT technology-A UCSB perspective. InGallium Arsenide and Other Semiconductor Application Symposium, EGAAS 2005, European, pp. 21-27），击穿电压达到900V，代表着当时的最高水平；东芝公司的Wataru Saito研究小组于2008年用源、栅双场板结构制备出了击穿电压达940V、峰值电流4.4A，特征通态电阻仅3.6 mW*cm2(约为Si器件的1/44) 的器件。场板技术虽然提高了器件耐压，但是其致命缺点是增大电容，使得频率特性变差。
背势垒结构可以有效的增加二维电子气（2DEG）的沟道限域性，从而降低漏电提高击穿电压。Micovic等人在AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）中引入Al0.04GaN背势垒，利用背势垒结构将沟道处GaN的势垒提高了1-2eV，提高了2DEG的沟道限域性，提高了器件的击穿电压，从而提高了AlGaN/GaN HEMT的功率密度，在10GHz频率下，漏压的工作电压高达40V，输出功率密度到达10.5W/mm。
单层背势垒结构提高击穿电压的效果是有限的，首先背势垒的组份不易太高，否则会引入高浓度的二维空穴气（2DHG），增加缓冲层漏电，击穿电压反而下降；但是低的背势垒组份增加沟道限域性的作用很有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于III族氮化物材料含多层背势垒的器件结构，该结构使得基于III族氮化物材料的器件在保持高频率特性和大饱和电流的基础上，提高器件的击穿电压，缓解其频率、饱和电流和击穿电压的矛盾关系，克服了单层背势垒的缺点，在不引入高浓度的2DHG的前提下，有效的增加器件耐压。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于III族氮化物材料含多层背势垒的器件结构，自下而上包括衬底层、背势垒结构层和沟道层；所述背势垒结构层由两层及以上不同Al组份的AlxGaN（0＜x＜1）背势垒组成。
所述背势垒结构层中的Al组份沿沟道层到衬底层方向递增，但同一背势垒中Al组份不变。
所述背势垒结构层的Al组份从沟道层到衬底层为线性增加或者非线性增加。
所述背势垒结构层中各背势垒的厚度相等。
采用上述技术方案取得的技术进步为：
1）由多层背势垒组成的背势垒结构层降低了沟道电场峰值，有效的调节了沟道电场，提高了器件的击穿电压；相较于场板技术，多层背势垒结构不增加栅电容，对器件的频率特性影响较小；
2）相较于单层背势垒结构，多层背势垒结构在不引入高浓度的2DHG的前提下，用多层低组份背势垒共同调节沟道电场，从而在保持高的器件饱和电流基础上，有效的增加器件耐压。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为本发明实施例3的结构示意图；
图4为本发明实施例4的结构示意图；
其中，1、衬底层，2、第一背势垒，3、第二背势垒，4、沟道层，5、势垒层，6、源金属，7、栅金属，8、漏金属，9、阴极金属，10、阳极金属，11、栅介质，12、第三背势垒。
具体实施方式
实施例1
由图1所示可知，实施例1为基于III族氮化物材料的多层背势垒高电子迁移率晶体管HEMT，自下而上包括衬底层1、背势垒结构层、沟道层4和势垒层5，在所述势垒层5上设有源金属6、栅金属7和漏金属8。所述背势垒结构层由第一背势垒2和第二背势垒3组成，第一背势垒2和第二背势垒3为AlxGaN（0＜x＜1），同一背势垒中Al组份不变。
所述衬底层1为Si或蓝宝石；所述沟道层4为GaN或者AlxGa1-xN（0＜x＜1）；所述势垒层5为InxAlyGa1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1）。
所述背势垒结构层的Al组份沿沟道层4到衬底层1方向逐渐线性增加，即第一背势垒2的Al组分大于第二背势垒3的Al组分，但是两种组分数值之间为线性关系；第二背势垒3的Al组份为4%，第一背势垒2的Al组份为8%。
第一背势垒2和第二背势垒3的厚度相等。
实施例2
由图2所示可知，实施例2为基于III族氮化物材料的多层背势垒肖特基二极管SBD，自下而上包括衬底层1、背势垒结构层、沟道层4和势垒层5，在所述势垒层5上设有阳极金属10，在所述沟道层4上设有阴极金属9。所述背势垒结构层由第一背势垒2和第二背势垒3组成。第一背势垒2和第二背势垒3为AlxGaN（0＜x＜1），同一背势垒中Al组份不变。
所述衬底1为或SiC或GaN或金刚石；所述沟道层4为GaN；所述势垒层5为InxAlyGa1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1）。
所述背势垒结构层的Al组份沿沟道层4到衬底层1方向逐渐非线性增加。即第一背势垒2的Al组分大于第二背势垒3的Al组分，但是两种组分数值之间为非线性关系；第二背势垒3的Al组份为3%；第一背势垒2的Al组分为5%。
第一背势垒2和第二背势垒3的厚度不相等，第二背势垒3的厚度大于第一背势垒2的厚度。
实施例3
由图3所示可知，实施例3为基于III族氮化物材料的多层背势垒肖特基势垒场效应晶体管MESFET，自下而上包括衬底层1、背势垒结构层、沟道层4，在所述沟道层4上设有源金属6、栅金属7和漏金属8。所述背势垒结构层由第一背势垒2、第二背势垒3和第三背势垒12组成，第一背势垒2、第二背势垒3和第三背势垒12为AlxGaN（0＜x＜1），同一背势垒中Al组份不变。
所述衬底层1为Si或蓝宝石或SiC或GaN或金刚石；所述沟道层4为GaN或者AlxGa1-xN（0＜x＜1）。
所述背势垒结构层的Al组份沿沟道层4到衬底层1方向逐渐非线性增加，即第三背势垒12的Al组分小于第二背势垒3的Al组分，第二背势垒3的Al组分小于第一背势垒2的Al组分，但是三种组分数值之间为非线性关系，第三背势垒12的Al组份为2%，第二背势垒3的Al组分为5%，第一背势垒2的Al组分为7%。
第一背势垒2、第二背势垒3和第三背势垒12的厚度相等。
实施例4
由图4所示可知，实施例4为基于III族氮化物材料的多层背势垒MISFET，自下而上包括衬底层1、背势垒结构层、沟道层4，在所述沟道层4上设有源金属6、栅金属7、漏金属8和栅介质11。所述背势垒结构层由第一背势垒2、第二背势垒3和第三背势垒12组成，第一背势垒2、第二背势垒3和第三背势垒12为AlxGaN（0＜x＜1），同一背势垒中Al组份不变。
所述衬底层1为Si或蓝宝石或SiC或GaN或金刚石；所述沟道层4为GaN或者AlxGa1-xN（0＜x＜1）。
所述背势垒结构层的Al组份沿沟道层4到衬底层1方向逐渐线性增加，即第三背势垒12的Al组分小于第二背势垒3的Al组分，第二背势垒3的Al组分小于第一背势垒2的Al组分，但是三种组分数值之间为线性关系，第三背势垒12的Al组份为3%，第二背势垒3的Al组份为5%，第一背势垒2的Al组份为7%。
第一背势垒2、第二背势垒3和第三背势垒12的厚度不相等，自第三背势垒12开始，各背势垒的厚度逐渐减小。
本发明最优方案，距沟道层4最近的背势垒的Al组份大于等于2%，并且小于等于8%，相邻背势垒之间Al组分的差值大于等于2%，并且小于等于8%。
本发明采用了由多层背势垒组成的背势垒结构层，该结构降低了沟道电场峰值，有效的调节了沟道电场，提高了器件的击穿电压；相较于场板技术，多层背势垒结构不增加栅电容，对器件的频率特性影响较小；相较于单层背势垒结构，多层背势垒结构在不引入高浓度的2DHG的前提下，用多层低组份背势垒共同调节沟道电场，从而在保持高的器件饱和电流基础上，有效的增加器件耐压。 

Claims (4)

1.一种基于III族氮化物材料含多层背势垒的器件结构，其特征在于自下而上包括衬底层（1）、背势垒结构层和沟道层（4）；所述背势垒结构层由两层及以上不同Al组份的AlxGaN（0＜x＜1）背势垒组成。
2.根据权利要求1所述的基于III族氮化物材料含多层背势垒的器件结构，其特征在于所述背势垒结构层中的Al组份沿沟道层（4）到衬底层（1）方向递增，但同一背势垒中Al组份不变。
3.根据权利要求2所述的基于III族氮化物材料含多层背势垒的器件结构，其特征在于所述背势垒结构层的Al组份从沟道层（4）到衬底层（1）为线性增加或者非线性增加。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于III族氮化物材料含多层背势垒的器件结构，其特征在于所述背势垒结构层中各背势垒的厚度相等。
CN201310229994.XA 2013-06-09 2013-06-09 基于iii族氮化物材料含多层背势垒的器件结构 Active CN103337517B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310229994.XA CN103337517B (zh) 2013-06-09 2013-06-09 基于iii族氮化物材料含多层背势垒的器件结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310229994.XA CN103337517B (zh) 2013-06-09 2013-06-09 基于iii族氮化物材料含多层背势垒的器件结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103337517A true CN103337517A (zh) 2013-10-02
CN103337517B CN103337517B (zh) 2016-05-18

Family

ID=49245652

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310229994.XA Active CN103337517B (zh) 2013-06-09 2013-06-09 基于iii族氮化物材料含多层背势垒的器件结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103337517B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103779208A (zh) * 2014-01-02 2014-05-07 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种低噪声GaN HEMT器件的制备方法
CN104409492A (zh) * 2014-11-05 2015-03-11 中国电子科技集团公司第十三研究所 氮极性GaN晶体管
CN104600108A (zh) * 2014-12-31 2015-05-06 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种氮化物高电子迁移率晶体管外延结构及其制备方法
CN107346785A (zh) * 2017-05-22 2017-11-14 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080258135A1 (en) * 2007-04-19 2008-10-23 Hoke William E Semiconductor structure having plural back-barrier layers for improved carrier confinement
CN101390201A (zh) * 2005-12-28 2009-03-18 日本电气株式会社 场效应晶体管和用于制备场效应晶体管的多层外延膜
CN102299170A (zh) * 2011-08-08 2011-12-28 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种砷化镓赝配高电子迁移率晶体管外延材料
CN202564376U (zh) * 2010-11-16 2012-11-28 罗姆股份有限公司 氮化物半导体元件及氮化物半导体封装

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101390201A (zh) * 2005-12-28 2009-03-18 日本电气株式会社 场效应晶体管和用于制备场效应晶体管的多层外延膜
US20080258135A1 (en) * 2007-04-19 2008-10-23 Hoke William E Semiconductor structure having plural back-barrier layers for improved carrier confinement
CN202564376U (zh) * 2010-11-16 2012-11-28 罗姆股份有限公司 氮化物半导体元件及氮化物半导体封装
CN102299170A (zh) * 2011-08-08 2011-12-28 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种砷化镓赝配高电子迁移率晶体管外延材料

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103779208A (zh) * 2014-01-02 2014-05-07 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种低噪声GaN HEMT器件的制备方法
CN103779208B (zh) * 2014-01-02 2016-04-06 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种低噪声GaN HEMT器件的制备方法
CN104409492A (zh) * 2014-11-05 2015-03-11 中国电子科技集团公司第十三研究所 氮极性GaN晶体管
CN104600108A (zh) * 2014-12-31 2015-05-06 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种氮化物高电子迁移率晶体管外延结构及其制备方法
CN104600108B (zh) * 2014-12-31 2017-11-07 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种氮化物高电子迁移率晶体管外延结构及其制备方法
CN107346785A (zh) * 2017-05-22 2017-11-14 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管
CN107346785B (zh) * 2017-05-22 2019-11-26 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种N极性AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管

Also Published As

Publication number Publication date
CN103337517B (zh) 2016-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Baliga Gallium nitride devices for power electronic applications
Kaminski et al. SiC and GaN devices–wide bandgap is not all the same
Wei et al. Proposal of a GaN/SiC hybrid field-effect transistor for power switching applications
JP5907582B2 (ja) 半導体装置
TWI427787B (zh) 常態關閉的氮化鎵場效電晶體
US10211304B2 (en) Semiconductor device having gate trench in JFET region
US11171203B2 (en) High electron mobility transistors with charge compensation
EP1965433A2 (en) High voltage GaN transistors
CN104538440B (zh) 一种缓冲层荷电resurf hemt器件
Hilt et al. High-voltage normally OFF GaN power transistors on SiC and Si substrates
CN103337517B (zh) 基于iii族氮化物材料含多层背势垒的器件结构
Zhang et al. Current-collapse suppression of high-performance lateral AlGaN/GaN Schottky barrier diodes by a thick GaN cap layer
US8519442B2 (en) High electron mobility transistor having a high speed switching function
CN103594508A (zh) 一种栅单场板的氮化镓高电子迁移率晶体管
Baliga SiC power devices: From conception to social impact
Park et al. Schottky barrier diode embedded AlGaN/GaN switching transistor
CN113690311A (zh) 一种集成续流二极管的GaN HEMT器件
Duan et al. 1.7-kV vertical GaN pn diode with triple-zone graded junction termination extension formed by ion-implantation
CN107393954A (zh) 一种GaN异质结纵向场效应管
Liang et al. Power microelectronics: device and process technologies
Wei et al. Proposal of a novel GaN/SiC hybrid FET (HyFET) with enhanced performance for high-voltage switching applications
Jaiswal et al. A comparative analysis and an optimized structure of vertical GaN floating gate trench MOSFET for high-frequency FOM
CN203536443U (zh) 基于iii族氮化物材料含多层背势垒的器件结构
Jaiswal et al. An optimized vertical GaN parallel split gate trench MOSFET device structure for improved switching performance
Jaiswal et al. Vertical GaN split gate trench MOSFET with improved high frequency FOM

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant