CN104282735A - 一种具有负离子注入钝化层的场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有负离子注入钝化层的场效应晶体管，从下至上依次主要由衬底，氮化镓缓冲层，氮化镓沟道层，铝镓氮势垒层以及钝化层组成，在势垒层上形成与势垒层成欧姆接触的源极、漏极以及与势垒层成肖特基接触的栅极。本发明在栅极漏端的钝化层内引入负离子注入区域，负离子注入区域中的负离子会排斥部分二维电子气沟道电子，形成LDD(Low-Densit Drain)结构，在不牺牲器件可靠性的基础上调制了沟道电场分布使其更加均匀，提升了器件的耐压。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种在钝化层具有负离子注入区域的氮化镓基异质结场效应管。
背景技术
氮化镓(GaN)基异质结场效应晶体管具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度高、导热性能好、抗辐射和良好的化学稳定性等优异特性，同时氮化镓(GaN)材料可以与铝镓氮(AlGaN)等材料形成具有高浓度和高迁移率的二维电子气异质结沟道，因此特别适用于高压、大功率和高温应用，是电力电子应用最具潜力的晶体管之一。
图1为基于现有技术的传统GaN HFET结构示意图，主要包括：衬底101，氮化镓(GaN)缓冲层102，氮化镓(GaN)沟道层103，铝镓氮(AlGaN)势垒层104以及钝化层105、106，以及铝镓氮(AlGaN)势垒层104上表面设置的源极107、漏极108和栅极109，其中源极107和漏极108均与铝镓氮(AlGaN)势垒层104形成欧姆接触，栅极109与铝镓氮(AlGaN)势垒层104形成肖特基接触。但是对于上述传统的GaN HFET而言，当器件承受耐压时，由于栅极和漏极之间沟道二维电子气不能够完全耗尽，使得沟道电场主要集中在栅极边缘，导致器件在较低的漏极电压下便被击穿；同时，从源极注入的电子可以经过GaN缓冲层到达漏极，形成漏电通道，过大的缓冲层泄漏电流同样会导致器件提前击穿，无法充分发挥GaN材料的高耐压优势，从而限制GaN HFET在高压方面的应用。
在本发明提出以前，为了使栅极与漏极之间电场分布更加均匀，抑制缓冲层泄漏电流，提高器件击穿电压，通常使用以下方法：
(1)在器件的电学结构中引入负离子注入区域[D.Song et al.,“Normally Off AlGaN/GaNLow-Density Drain HEMT(LDD-HEMT)With Enhanced Breakdown Voltage and ReducedCurrent Collapse”,IEEE Electron Device Letters,Vol.27,No.3,pp.189-191,Mar 2007]。在势垒层注入负离子可以排斥沟道中的二维电子气，形成LDD(Low-Densit Drain)结构，能够使沟道电场更加均匀达到提升耐压的作用，但在器件的电学结构中注入负离子，会对器件的高压和高温可靠性造成明显影响。
(2)在缓冲层内掺入碳、铁等杂质[Eldad Bahat-Treidel et al.，“AlGaN/GaN/GaN:CBack-Barrier HFETs WithBreakdown Voltage of Over 1kV and LowRON×A”,Trans.on ElectronDevices,Vol.57,No.11,p.3050-3058(3060)]。碳、铁等杂质会在GaN缓冲层内引入深能级电子陷阱，俘获从源极注入的电子，增大缓冲层电阻，同时被电子占据的陷阱有助于耗尽沟道中二维电子气，使器件沟道电场分布更加均匀。但是该技术不能完全耗尽沟道中的二维电子气，无法充分发挥GaN材料的耐压优势，同时碳、铁等杂质引入的深能级陷阱会导致诸如导通电阻增大、输出电流下降、电流崩塌效应和反应速度下降等负面影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有耐压能力的氮化镓基异质结场效应管。
本发明采用如下述技术方案：一种具有负离子注入钝化层的场效应晶体管，其结构如图1所示，由下至上依次主要由衬底101、氮化镓(GaN)缓冲层102、氮化镓(GaN)沟道层103、铝镓氮(AlGaN)势垒层104以及钝化层105、106组成，在铝镓氮(AlGaN)势垒层104上表面设有源极107、漏极108和栅极109，源极107和漏极108均与势垒层104成欧姆接触，栅极109与势垒层104成肖特基接触，在栅极109与漏极108之间的钝化层106区域内还设有一个以上的负离子注入区域201，负离子注入区域201中的负离子会排斥部分二维电子气沟道电子，形成LDD(Low-Densit Drain)结构，达到调制沟道电场以实现提高耐压的目的。
所述的钝化层105、106由SiO2、Al2O3、Si3N4和ZnO组成的物质组中选择的一种绝缘物质制成。
所述的负离子注入区域201可通过注入CF4、SF4等离子气实现负离子的注入。
所述的负离子注入区域201的负离子浓度为NF，满足1015cm-3≤NF≤1020cm-3。
所述的负离子注入区域201与钝化层106上表面的距离(注入深度)为TPF，且满足0≤TPF＜TP，其中TP为钝化层的厚度。
进一步的，所述的负离子注入区域201的厚度为TF，满足0＜TF≤(TP－TPF)，其中TP为钝化层的厚度。
本发明的有益效果是：
本发明在GaN HFET栅极漏端的钝化层引入负离子注入区域，通过耗尽部分漏端沟道的二维电子气形成LDD结构，达到通过调制沟道的电场来提升器件耐压的目的。相比现有技术，本发明实现工艺简单，在栅极与漏极之间的钝化层中引入的负离子注入区域对栅电容的影响很小，对器件的频率特性的影响很小，能做到在不牺牲器件可靠性的基础上提高耐压能力。
附图说明
图1是已有技术中常规GaN HFET的结构示意图。
图2是本发明提供的具有负离子注入钝化层的GaN HFET结构示意图。
图3是本发明提供的具有负离子注入钝化层的带栅漏端场板的GaN HFET结构示意图。
图4是本发明提供的在钝化层设有2个负离子注入区域的GaN HFET结构示意图。
图5是图2所示的本发明提供的GaN HFET与常规结构GaN HFET在器件栅极处于关态情况下漏极电流与漏极偏压的关系比较图。
图6是图2所示的本发明提供的GaN HFET图2与常规结构GaN HFET在器件栅极处于关态情况下沿沟道的电场分布的比较图。
图中标记对应的零部件名称为：
101-衬底，102-氮化镓(GaN)缓冲层，103-氮化镓(GaN)沟道层，104-铝镓氮(AlGaN)势垒层，105、106-钝化层，107-源极，108-漏极，109-栅极，201、202-负离子注入区域，301-漏场板。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
最易于说明本发明意图和优点的例子是本发明提供的图2所示结构的GaN HFET与常规结构GaN HFET(图1)的性能对比；上述两个器件的具体实例的结构参数由表1给出。
表1 器件仿真结构参数
基于本发明提供的如图2所示的GaN HFET结构，本实施例提供的GaN HFET的主要的工艺步骤如下：首先，在衬底上用MOCVD依次生长氮化镓(GaN)缓冲层102，氮化镓(GaN)沟道层103和铝镓氮(AlGaN)势垒层104，钝化层105、106；接着，在势垒层104上形成与其成欧姆接触的源极107和漏极108，以及与势垒层104成肖特基接触的栅极109，接着在栅极漏端钝化层进行负离子注入，形成负离子注入区域201。
图5为常规GaN HFET和本发明提供的带负离子注入区域的GaN HFET的击穿特性对比，击穿电压定义为电流达到1mA/mm时的源漏电压。可见常规GaN HFET结构的击穿电压为500V，本发明提供的带负离子注入区域的GaN HFET结构的击穿电压达到620V，提高了24％。图6为两个结构击穿时的沟道横向电场分布图，可见本发明提供的带负离子注入区域的GaNHFET的栅漏边沿的电场峰值相对普通GaN HFET下降，同时分布整体右移，说明负离子注入钝化层实现了调制沟道电场，提高击穿电压的作用。
实施例2
图3是本发明提供的具有负离子注入区域的带栅漏端场板的GaN HFET结构示意图，除了栅极带有漏场板301外，其余结构均与图2相同，此时负离子注入区域在场板调制沟道电场的基础上进一步调制漏端场板边沿的电场，达到提高耐压的作用。
实施例3
图4是本发明提供的在钝化层106区域中有两个负离子注入区域的GaN HFET结构示意图，除了具有两个负离子注入区域外，其余结构均与图2所示结构相同，两个负离子注入区域一个靠近栅极109，一个靠近漏极108。靠近栅极的负离子注入区域起到调制栅极附近沟道电场的作用，靠近漏极的负离子注入区域，起到调制漏极附近电场的作用，使器件耐压相较实施例1所提供如图2所示结构的性能有进一步提高。
Claims (5)
1.一种具有负离子注入钝化层的场效应晶体管，由下至上依次主要由衬底(101)、氮化镓(GaN)缓冲层(102)、氮化镓(GaN)沟道层(103)、铝镓氮(AlGaN)势垒层(104)以及钝化层(105、106)组成，在铝镓氮(AlGaN)势垒层(104)上表面设有源极(107)、漏极(108)和栅极(109)，所述源极(107)和漏极(108)均与铝镓氮(AlGaN)势垒层(104)成欧姆接触，栅极(109)与铝镓氮(AlGaN)势垒层(104)成肖特基接触，其特征在于，在栅极(109)与漏极(108)之间的钝化层(106)区域内还设有一个以上的负离子注入区域(201)，负离子注入区域(201)中的负离子会排斥部分二维电子气沟道电子，形成LDD(Low-Densit Drain)结构，达到调制沟道电场以实现提高耐压的目的。
2.根据权利要求1所述的一种具有负离子注入钝化层的场效应晶体管，其特征在于，所述钝化层(105、106)由SiO2、Al2O3、Si3N4和ZnO组成的物质组中选择的一种绝缘物质制成。
3.根据权利要求1所述的一种具有负离子注入钝化层的场效应晶体管，其特征在于，所述的负离子注入区域(201)中注入的负离子气为CF4或SF4。
4.根据权利要求3所述的一种具有负离子注入钝化层的场效应晶体管，其特征在于，所述的负离子注入区域(201)的负离子浓度为NF(个数/cm-3)，且满足1015cm-3≤NF≤1020cm-3。
5.根据权利要求1所述的一种具有负离子注入钝化层的场效应晶体管，其特征在于，所述的负离子注入区域(201)与钝化层(106)上表面的距离(注入深度)为TPF，满足0≤TPF＜TP，其中TP为钝化层(106)的厚度；所述的负离子注入区域(201)的厚度为TF，满足0＜TF≤(TP－TPF)，其中TP为钝化层(106)的厚度。
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|---|---|
| CN (1) | CN104282735A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105895685A (zh) * | 2015-12-25 | 2016-08-24 | 苏州捷芯威半导体有限公司 | 功率半导体器件及其制造方法 |
| CN110676316A (zh) * | 2019-09-20 | 2020-01-10 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 增强型场效应晶体管 |
| CN113540229A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-10-22 | 中兴通讯股份有限公司 | 半导体器件及其制作方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070114569A1 (en) * | 2005-09-07 | 2007-05-24 | Cree, Inc. | Robust transistors with fluorine treatment |
| US20070224710A1 (en) * | 2005-11-15 | 2007-09-27 | The Regents Of The University Of California | Methods to shape the electric field in electron devices, passivate dislocations and point defects, and enhance the luminescence efficiency of optical devices |
| CN101336482A (zh) * | 2005-11-29 | 2008-12-31 | 香港科技大学 | 低密度漏极hemt |
| CN101714574A (zh) * | 2008-10-03 | 2010-05-26 | 香港科技大学 | AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管 |
| US8263449B2 (en) * | 2010-02-26 | 2012-09-11 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of manufacturing high electron mobility transistor |
| CN103811541A (zh) * | 2012-11-08 | 2014-05-21 | Lg伊诺特有限公司 | 功率半导体器件 |
| CN104009076A (zh) * | 2014-05-29 | 2014-08-27 | 西安电子科技大学 | 一种AlGaN/GaN异质结场效应晶体管 |
| CN104037217A (zh) * | 2014-07-02 | 2014-09-10 | 西安电子科技大学 | 一种基于复合偶极层的AlGaN/GaN HEMT开关器件结构及制作方法 |
-
2014
- 2014-09-17 CN CN201410473240.3A patent/CN104282735A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070114569A1 (en) * | 2005-09-07 | 2007-05-24 | Cree, Inc. | Robust transistors with fluorine treatment |
| US20070224710A1 (en) * | 2005-11-15 | 2007-09-27 | The Regents Of The University Of California | Methods to shape the electric field in electron devices, passivate dislocations and point defects, and enhance the luminescence efficiency of optical devices |
| CN101336482A (zh) * | 2005-11-29 | 2008-12-31 | 香港科技大学 | 低密度漏极hemt |
| CN101714574A (zh) * | 2008-10-03 | 2010-05-26 | 香港科技大学 | AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管 |
| US8263449B2 (en) * | 2010-02-26 | 2012-09-11 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of manufacturing high electron mobility transistor |
| CN103811541A (zh) * | 2012-11-08 | 2014-05-21 | Lg伊诺特有限公司 | 功率半导体器件 |
| CN104009076A (zh) * | 2014-05-29 | 2014-08-27 | 西安电子科技大学 | 一种AlGaN/GaN异质结场效应晶体管 |
| CN104037217A (zh) * | 2014-07-02 | 2014-09-10 | 西安电子科技大学 | 一种基于复合偶极层的AlGaN/GaN HEMT开关器件结构及制作方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 段宝兴，杨银堂: "新型Si3N4层部分固定正电荷AlGaN/GaN HEMTs器件耐压分析", 《物理学报》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105895685A (zh) * | 2015-12-25 | 2016-08-24 | 苏州捷芯威半导体有限公司 | 功率半导体器件及其制造方法 |
| CN105895685B (zh) * | 2015-12-25 | 2019-01-01 | 苏州捷芯威半导体有限公司 | 功率半导体器件及其制造方法 |
| CN110676316A (zh) * | 2019-09-20 | 2020-01-10 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 增强型场效应晶体管 |
| CN110676316B (zh) * | 2019-09-20 | 2023-04-11 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 增强型场效应晶体管 |
| CN113540229A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-10-22 | 中兴通讯股份有限公司 | 半导体器件及其制作方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150114 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |