CN104201201A - 一种用于GaN基HEMT器件的自适应偏置场板 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体涉及到一种用于GaN基HEMT器件的自适应偏置场板。本发明的方案采用带偏置电压的金属场板，阻断状态，场板的偏置电压取自于同一衬底材料上的辅助二极管的耗尽的漂移区，二极管的阳极和阴极分别与HEMT的源极和漏极电气相连。反向阻断时，漏端高压，二极管的耗尽区较宽，从耗尽区的不同位置引出不等的电压作为HEMT场板的偏置电压，所以偏置电压的大小可通过调控场板电极在漂移区的位置而改变；HEMT正向导通时，由于漏压较低，二极管的大部分漂移区未耗尽，偏置场板相当于处于浮空状态。采用本发明能大大提高器件的击穿电压，在相同的栅漏距离下，导通电阻基本保持不变。本发明尤其适用于GaN基HEMT器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及到一种用于GaN基HEMT(High Electron MobilityTransistor，高电子迁移率晶体管)器件的自适应偏置场板。
背景技术
基于GaN材料的高电子迁移率晶体管(HEMT)，由于高的电子饱和速度、二维电子气(2DEG)沟道中高浓度电子以及较高的临界击穿电场，使得其在大电流、低功耗、高压开关器件应用领域具有巨大的应用前景。
功率开关器件的关键是实现高击穿电压、低导通电阻和高可靠性。HEMT器件的击穿是由于栅肖特基结的泄漏电流和通过缓冲层的泄漏电流引起的。要提高器件耐压，纵向上需要增加缓冲层的厚度和质量，这主要由工艺技术水平决定；横向上需要漂移区长度增加，这不仅使器件(或电路)的芯片面积增加、成本增大，更为严重的是，器件的导通电阻增大，进而导致功耗急剧增加，且器件开关速度也随之降低。
为了充分利用GaN材料的高临界击穿电场等优异特性，提高器件耐压，业内研究者进行了许多研究。借助于Si基器件中成熟的结终端技术，研究者将其应用到HEMT中，极大的改善了器件的性能。场板技术是一种用来改善器件耐压的常用终端技术，文献(J.Li,et.al.【High breakdown voltage GaN HFET with field plate】IEEE Electron Lett.,vol.37,no.3,pp.196–197,February.2001.)采用了与栅短接的场板，称为栅场板，如图1所示；图2是常规的场板与源短接，称为源场板。场板的引入可以降低主结的曲率效应和电场尖峰，从而提高耐压，同时场板的制作工艺十分简单。然而在场板边缘处引入新的电场峰值，击穿易发生在表面处；同时，与栅和源电极连接的金属场板会使器件寄生电容增大，影响器件的高频和开关特性。针对金属场板会在场板末端产生高电场这一缺点，文献(X.Huili,et.al.【High breakdown voltage AlGaN/GaN HEMTs achieved by multiple field plates】IEEE Electron Device Lett.,vol.25,no.4,pp.161–163,Apr.2004.)采用多层场板，如图3所示。多层场板的提出获得了比单个场板更高的耐压，然而其工艺实现难度较大，且大大增加了器件的栅漏电容。为此，文献(Eldad Bahat-Treidel,et.al.【AlGaN/GaN/AlGaNDH-HEMTs Breakdown Voltage Enhancement Using Multiple Grating Field Plates(MGFPs)】IEEE Transactions on Electron Devices,vol.57,no.6,pp.1208-1216,June 2010)提出了并排的多个场板，如图4所示，场板与栅电气相连或者浮空，但是当场板与栅相连时，器件的寄生电容同样会增大，且场板与栅、源、漏或其他固定电位电气连接时，场板上的偏置电压被限定，不能充分发挥场板优化电场、提高击穿电压的功能。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述问题，提供一种用于GaN基HEMT器件的自适应偏置场板。
本发明的技术方案：一种用于GaN基HEMT器件的自适应偏置场板，所述GaN基HEMT器件包括主器件HEMT区1、辅助二极管区2以及将主器件HEMT区1和辅助二极管区2横向隔离的隔离区3；其特征在于，所述自适应偏置场板4纵向连接主器件HEMT区1、辅助二极管区2和隔离区3；其中，
所述主器件HEMT区1包括衬底5、位于衬底5上层的缓冲层6、位于缓冲层6上层的势垒层7和位于势垒层7上层的钝化层8；所述势垒层7上表面两端分别设置有源电极和漏电极，在源电极和漏电极之间设置有栅电极；所述自适应偏置场板4位于主器件HEMT区1的部分设置在栅电极和漏电极之间的钝化层8的上表面；
所述辅助二极管区2包括衬底51、位于衬底51上层的缓冲层61、位于缓冲层61上层的势垒层71和位于势垒层71上层的钝化层81；所述势垒层71上表面的两端分别设置有阳极和阴极；所述阳极与源电极的位置相对应并建立电气连接，所述阴极与漏电极的位置相对应并建立电气连接；所述自适应偏置场板4位于辅助二极管区2的部分嵌入在钝化层81中并与势垒层71的上表面连接。
本发明总的技术方案，为了充分利用GaN材料的高临界击穿电场，并克服与固定电位连接的场板(与栅、源或漏相连接或者外加偏置电压的场板)在HEMT器件存在的缺陷，同时结合较高电压偏置场板有利于降低电场峰值而提高耐压的优势，本发明提出具有自偏置场板(Self-Biased Field Plate,SBFP)的HEMT器件，本发明的方案采用带偏置电压的金属场板，阻断状态，场板的偏置电压取自于同一衬底材料上的辅助二极管的耗尽的漂移区，二极管的阳极和阴极分别与HEMT的源极和漏极电气相连。反向阻断时，漏端高压，二极管的耗尽区较宽，从耗尽区的不同位置引出不等的电压作为HEMT场板的偏置电压，所以偏置电压的大小可通过调控场板电极在漂移区的位置而改变；HEMT正向导通时，由于漏压较低，二极管的大部分漂移区未耗尽，偏置场板相当于处于浮空状态。采用本发明，一方面能大大提高器件的击穿电压，在相同的栅漏距离下，导通电阻基本保持不变。另一方面，与常规金属场板相比，自偏置场板不与栅极或源极相连，有效地避免了引入更多的寄生电容；与外加偏置场板相比，自偏置场板HEMT不需要额外的外部电压源，从而更易于器件的集成。此外，本发明所公布的器件制备工艺与传统工艺兼容。
具体的，所述自适应偏置场板4为m个，每个自适应偏置场板之间相互独立，其中m为正整数。
具体的，所述m个自适应偏置场板中有n个与源电极建立电气连接，i个与漏电极建立电气连接，j个与栅电极建立电气连接，k个浮空；其中，n、i、k、j为自然数，且n+i+k+j＜m，n≥0，i≥0，j≥0，k≥0。
具体的，所述辅助二极管区2为肖特基二极管或PN结二极管。
具体的，所述栅电极与势垒层表面接触形成肖特基结构。
具体的，所述栅电极与势垒层之间由绝缘介质隔开形成MIS结构。
本发明的有益效果为，本发明提出的自偏置场板HEMT采用新型自偏置场板技术，在不降低器件其他性能的前提下，显著地提高了器件击穿电压：多个偏置场板调制HEMT的横向电势分布，降低栅靠漏端的电场尖峰，改善器件的电场分布以提高器件耐压；偏置场板的偏置电压来源于反偏二极管的耗尽的漂移区，无需额外的外部电压源，更易于集成，且偏置电压随器件的外加电压自适应变化；器件正向导通时，由于二极管反向偏置电压低，因而漂移区大部分并未耗尽，同时自偏置场板不与栅电极或源电极相连，故自偏置场板上无电压，因而不会引入附加寄生电容，不影响器件电流能力与频率特性；辅助二极管区与主器件区采用相同的工艺，器件制备工艺与传统工艺兼容。
附图说明
图1是常规栅连接场板HEMT器件结构；
图2是源连接场板的HEMT器件结构；
图3是具有多层场板的HEMT器件结构；
图4是具有多个并排场板的HEMT器件结构；
图5是本发明提出的具有自偏置场板的HEMT器件结构的俯视图；
图6是图5中沿虚线MM’方向的剖面图；
图7是图5中沿虚线NN’方向的剖面图；
图8是本发明提出的具有多个自偏置场板的HEMT器件结构的剖面图；
图9是具有面对称结构的自偏置场板HEMT器件版图布局图；
图10是一部分偏置场板与栅电极短接的自偏置场板HEMT器件结构示意图；
图11是一部分偏置场板与源电极短接的自偏置场板HEMT器件结构示意图；
图12是一部分偏置场板与漏电极短接的自偏置场板HEMT器件结构示意图；
图13是一部分偏置场板浮空的自偏置场板HEMT器件结构示意图；
图14是采用栅电极下方注入负电性离子的栅结构的自偏置场板HEMT器件结构示意图；
图15是采用绝缘栅结构的自偏置场板HEMT器件结构示意图；
图16是具有背阻挡层的自偏置场板HEMT器件结构示意图；
图17是与传统结构的反向阻断状态下的耐压比较示意图；
图18是与传统结构的反向阻断状态下的电场分布比较比较示意图；
图19是与传统结构的反向阻断状态下的电势分布比较比较示意图；
图20是与传统结构的反向阻断状态下正向导通时的输出特性比较示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述
实施例1
图5示出了一种采用自偏置场板的HEMT器件的半元胞结构俯视图。本例器件包括：
主器件HEMT区1和辅助二极管区2；所述主器件HEMT区1和辅助二极管区2之间有隔离区3；其特征在于，所述自适应偏置场板4纵向连接主器件HEMT区1、辅助二极管区2和隔离区3；其中，
所述主器件HEMT区1包括衬底5、位于衬底5上层的缓冲层6、位于缓冲层6上层的势垒层7和位于势垒层7上层的钝化层8；所述势垒层7上表面两端分别设置有源电极和漏电极，在源电极和漏电极之间设置有栅电极；所述自适应偏置场板4位于主器件HEMT区1的部分设置在栅电极和漏电极之间的钝化层8的上表面；
所述辅助二极管区2包括衬底51、位于衬底51上层的缓冲层61、位于缓冲层61上层的势垒层71和位于势垒层71上层的钝化层81；所述势垒层71上表面的两端分别设置有阳极和阴极；所述阳极与源电极的位置相对应并建立电气连接，所述阴极与漏电极的位置相对应并建立电气连接；所述自适应偏置场板4位于辅助二极管区2的部分嵌入在钝化层81中并与势垒层71的上表面连接。
图6示出了图5中沿MM’方向即主器件区1的剖面图。
图7示出了图5中沿NN’方向即辅助二极管区2的剖面图。
图8示出了包含多个自偏置场板的器件结构的俯视图。
图9示出了一种具有面对称结构的自偏置场板HEMT器件整个元胞版图布局图。在该版图布局上，图中漏电极D位于器件中心，源电极S位于器件最外侧以便实现集成电路中高、低压单元隔离。辅助二极管区2位于主器件区1一侧且左右关于OO’对称。图中栅电极G和源电极S采用了惯用的叉指状结构。
实施例2
图10-图13示出了该实施例的自偏置场板HEMT器件半个元胞结构示意图。与实施例1相比，本例器件在自偏置场板区进行了变形和组合，偏置场板区4a中的一部分偏置场板与栅电极G(如图10)、源电极S(如图11)、漏电极D(如图12)电气相连或者浮空(如图13)。自偏置场板与常规源场板、栅场板、漏场板或浮空金属环等终端技术组合运用，提高了器件设计的灵活性，有效优化器件表面电场分布以提高器件击穿电压。且这些组合应用不会增加器件工艺实现难度。其他结构与实施例1相同。
实施例3
与实施例1相比，本例器件在势垒层中栅电极的下方注入带负电性的离子11，例如氟离子，如图14所示。负电性的离子使栅下方的沟道中2DEG耗尽，使器件由常开型变为常关型，在集成电路中应用时，能大大降低电路的关态功耗。本例器件也可以通过其他方式使器件变为常关型，例如附加p型盖帽层、采用槽栅等结构。
实施例4
与实施例1相比，本例器件在栅电极下方引入了绝缘栅介质12，其他结构与实施例1相同，如图15所示。常规的HEMT栅电极采用肖特基接触，栅压较大时会产生较大的泄漏电流，对器件的可靠性造成影响。栅介质的引入使栅电极、栅介质、半导体一起形成MIS结构，能够有效的降低栅泄漏电流，提高器件的可靠性。
实施例5
与实施例1相比，本例器件在衬底5与缓冲层6之间加入背阻挡层13，其他结构与实施例1相同，如图16所示。由于HEMT器件缓冲层中一般存在较多陷阱，引起器件纵向的漏电，背阻挡层13与缓冲层形成能带差，使沟道中的2DEG限域性更好，从而降低缓冲层陷阱的俘获率，减小通过缓冲层的漏电流，调制衬底中电场分布，有利于器件纵向耐压的提高。
本发明的上述几种实施例所描述的自偏置场板HEMT器件，可以采用Si、SiC、蓝宝石或GaN等半导体材料作为衬底层5；可以采用GaN、AlGaN或InGaN等Ⅲ族氮化物半导体材料作为缓冲层6、势垒层7的材料制作器件或集成电路，这几种材料技术成熟，取材方便；而对于钝化层8，业界常用的材料为SiNx；欧姆接触的源电极S、漏电极D、阴极K一般采用金属合金，常用的有Ti/Al/Ni/Au或Mo/Al/Mo/Au等；肖特基接触的栅电极G、阳极A以及偏置场板和场板电极一般采用功函数较大的金属合金，例如Ni/Au或Ti/Au等；隔离区3采用常用的台阶隔离或者是注入离子隔离。
图17-图20是无场板结构、浮空场板结构和自偏置场板结构的反向阻断特性和正向输出特性的比较。图17为各结构的耐压比较；图18为各结构反向阻断时的电场分布；图19为各结构反向阻断时的电势分布；图20为各结构正向输出特性比较。三种结构在器件横向尺寸均为15μm，栅漏距离均为10μm的条件下，击穿电压分别为280V，552V，978V(偏置场板个数为两个，漏压加到最大时偏置场板上的电压分别为240V和500V)，且一定范围内，随着自偏置场板数量增加，耐压还可进一步提升。由于自偏置场板与常规浮空场板相比，自偏置场板减小了横向栅漏之间的电压差，使栅靠漏端的电场减小，多个场板使得器件表面的电场更加均匀，击穿电压提高。在相同横向和纵向的元胞尺寸下，本发明所提出的结构的击穿电压从常规浮空场板HEMT的552V提高到978V(击穿电压提高了77％)。而在正向导通时，自偏置场板上没有电压，相当于浮空场板，此时浮空场板结构的最大输出电流仅比无场板结构低1.3％(VGS＝5V,VDS＝10V)，电流能力基本不受影响。
Claims (6)
1.一种用于GaN基HEMT器件的自适应偏置场板，所述GaN基HEMT器件包括主器件HEMT区(1)、辅助二极管区(2)以及将主器件HEMT区(1)和辅助二极管区(2)横向隔离的隔离区(3)；其特征在于，所述自适应偏置场板(4)纵向连接主器件HEMT区(1)、辅助二极管区(2)和隔离区(3)；其中，
所述主器件HEMT区(1)包括衬底(5)、位于衬底(5)上层的缓冲层(6)、位于缓冲层(6)上层的势垒层(7)和位于势垒层(7)上层的钝化层(8)；所述势垒层(7)上表面两端分别设置有源电极和漏电极，在源电极和漏电极之间设置有栅电极；所述自适应偏置场板(4)位于主器件HEMT区(1)的部分设置在栅电极和漏电极之间的钝化层(8)的上表面；
所述辅助二极管区(2)包括衬底(51)、位于衬底(51)上层的缓冲层(61)、位于缓冲层(61)上层的势垒层(71)和位于势垒层(71)上层的钝化层(81)；所述势垒层(71)上表面的两端分别设置有阳极和阴极；所述阳极与源电极的位置相对应并建立电气连接，所述阴极与漏电极的位置相对应并建立电气连接；所述自适应偏置场板(4)位于辅助二极管区(2)的部分嵌入在钝化层(81)中并与势垒层(71)的上表面连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于GaN基HEMT器件的自适应偏置场板，其特征在于，所述自适应偏置场板(4)为m个，每个自适应偏置场板之间相互独立，其中m为正整数。
3.根据权利要求2所述的一种用于GaN基HEMT器件的自适应偏置场板，其特征在于，所述m个自适应偏置场板中有n个与源电极建立电气连接，i个与漏电极建立电气连接，j个与栅电极建立电气连接，k个浮空；其中，n、i、k、j为自然数，且n+i+k+j＜m，n≥0，i≥0，j≥0，k≥0。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种用于GaN基HEMT器件的自适应偏置场板，其特征在于，所述辅助二极管区(2)为肖特基二极管或PN结二极管。
5.根据权利要求4所述的一种用于GaN基HEMT器件的自适应偏置场板，其特征在于，所述栅电极与势垒层表面接触形成肖特基结构。
6.根据权利要求4所述的一种用于GaN基HEMT器件的自适应偏置场板，其特征在于，所述栅电极与势垒层之间由绝缘介质隔开形成MIS结构。
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