CN104393040A - 一种具有荷电介质的hemt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种具有荷电介质的HEMT器件。本发明的HEMT器件，包括衬底1、位于衬底1上层的缓冲层2、位于缓冲层2上层的势垒层3和位于势垒层3上层的钝化层4，且所述缓冲层2与势垒层3形成异质结；所述势垒层3上表面两端分别设置有源电极6和漏电极7，在源电极和漏电极之间设置有栅电极8；其特征在于，所述栅电极8与漏电极7之间的钝化层中形成荷电介质区5，所述荷电介质区5中带有负电荷。本发明的有益效果为，可以调制器件表面电场，优化器件横向电场分布，提高器件的击穿电压，且不会引入寄生电容，不影响器件的频率特性，同时在提高器件击穿电压的同时对器件电流能力的影响很小。本发明尤其适用于HEMT器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及到一种采用荷电介质的高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)器件。
背景技术
宽禁带半导体氮化镓(GaN)具有高临界击穿电场(～3.3×106V/cm)、高电子迁移率(～2000cm2/V·s)等特性，且基于GaN材料的异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)还具有高浓度(～1013cm-2)的二维电子气(2DEG)沟道，使得GaN HEMT器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，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器件的击穿主要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。其中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，如图1所示，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。然而场板的引入会使器件寄生电容增大，影响器件的高频和开关特性。
氟(F)离子处理技术(F基等离子体处理)最开始被用作一种制作增强型HEMT的方法，文献(Yong Cai，et.al.“High-performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs usingfluoride-based plasma treatment”,IEEE Electron Device Lett,Vol.26,No.7,July 2005)采用氟离子处理技术实现了增强型HEMT器件，如图2所示，该器件通过在AlGaN/GaN HEMT栅下的AlGaN势垒层中注入氟离子，由于氟离子的强电负性，可以有效的耗尽沟道区的强二维电子气，从而实现增强型HEMT器件。但是栅下势垒层中全部注入氟离子，一方面大大减小了2DEG浓度和迁移率，使正向电流能力减小；另一方面，在较薄的半导体势垒层中注入氟离子的过程容易对势垒层材料造成损伤，从而影响沟道中载流子的迁移率和器件的可靠性。
借助于氟离子的强电负性，研究者们还将其用于提升GaN HEMT器件的反向耐压特性，获得了显著的效果。文献(Young-Shil Kim,et.al.“High Breakdown Voltage AlGaN/GaN HEMTby Employing Selective Fluoride Plasma Treatment”,Proc.ISPSD,San Diego,CA,May2011)在栅漏之间的势垒层中引入低浓度的氟离子，使势垒层荷电(具有负电荷)，如图3所示，带负电性的氟离子可有效调制器件表面电场，使器件横向电场分布更加均匀，从而提高器件的击穿电压，且不会引入附加寄生电容。但是在势垒层中注入氟离子，一方面会对势垒层材料造成损伤；另一方面，较薄的势垒层使得氟离子的分布难以控制，且位于势垒层的氟离子距离2DEG沟道很近，会减小沟道中电子的浓度和迁移率，最终都会较大的影响器件的电流能力，且会引起可靠性下降。
上述传统的氟离子处理技术的原理是在半导体中引入固定的负电荷，以实现提高器件阈值电压增强型或者提高器件击穿电压的目的，但是在半导体势垒层中引入负电荷会对半导体材料造成损伤，减小2DEG浓度和迁移率，从而影响器件正向电流能力，且对很薄的半导体势垒层进行工艺处理，器件的可靠性也会受到严重影响。
发明内容
本发明的目的，就是为了解决上述传统技术中存在的问题，提出一种通过在介质材料中引入负电荷，达到提高器件击穿电压或者阈值电压的HEMT器件。
本发明的技术方案：如图4所示，一种具有荷电介质的HEMT器件，所述GaN基HEMT器件包括衬底1、位于衬底1上层的缓冲层2、位于缓冲层2上层的势垒层3和位于势垒层3上层的钝化层4，且所述缓冲层2与势垒层3形成异质结；所述势垒层3上表面两端分别设置有源电极6和漏电极7，在源电极和漏电极之间设置有栅电极8；其特征在于，所述栅电极8与漏电极7之间的钝化层中形成荷电介质区5，所述荷电介质区5中带有负电荷。
本发明总的技术方案，为了充分利用GaN基材料的高临界击穿电场和高电子饱和速度等特性，优化器件表面电场以提升耐压，本发明提出一种荷电介质HEMT器件。本发明的方案采用在栅漏之间的钝化层介质中引入负电荷，形成荷电介质，介质中的电荷优化器件表面电场，减小栅靠漏端的电场峰值，从而获得耐压的提升。采用本发明，一方面，介质中的电荷用于优化器件表面电场，在没有场板的情况下较大的提高了器件的击穿电压，且不会引入附加的寄生电容；另一方面，介质中的电荷浓度较低，介质层较厚，介质层荷电的过程避免了对势垒层的损伤，从而对沟道中2DEG的浓度和迁移率影响很小，保证了器件具有很好的正向电流能力。此外，介质的材料和厚度可选择性大，实现介质荷电的工艺容差较大，与在较薄的势垒层中引入电荷相比，较厚的钝化层中引入电荷更易实现，且可靠性更好。本发明所公布的器件制备工艺与传统工艺兼容。
具体的，所述栅电极8与势垒层3之间具有绝缘栅介质9，所述绝缘栅介质9采用Al2O3或其他单层或多层绝缘介质材料。
具体的，所述绝缘栅介质9带有负电荷，形成荷电栅介质区10。
具体的，所述栅电极8下方局部或全部势垒层中带有负电荷，形成栅下势垒层荷电区11。
具体的，所述缓冲层2材料为GaN、AlN、AlGaN中的一种或几种的组合。
具体的，所述势垒层3材料为GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合。
具体的，所述衬底1材料包括蓝宝石，硅，碳化硅SiC，氮化铝AlN或氮化镓GaN中的一种或几种的组合。
本发明的有益效果为：一方面，栅漏之间的荷电介质可以调制器件表面电场，优化器件横向电场分布，提高器件的击穿电压，且不会引入寄生电容，不影响器件的频率特性；另一方面，介质荷电的过程对势垒层的损伤小，对沟道中电子的浓度和迁移率影响小，因此在提高器件击穿电压的同时对器件电流能力的影响很小；此外，介质的材料和厚度可选择性大，实现介质荷电的工艺容差较大，与在较薄的势垒层中引入电荷相比，在较厚的钝化层中引入电荷更易实现，可靠性更好。
附图说明
图1是具有场板的HEMT器件结构。
图2是氟离子处理增强型HEMT器件结构。
图3是栅漏之间的势垒层进行低浓度氟离子处理的HEMT器件结构。
图4是本发明提出的荷电介质HEMT器件结构。
图5是本发明提出的荷电介质MIS-HEMT器件结构。
图6是本发明提出的栅介质中带有负电荷的荷电介质MIS-HEMT器件结构。
图7是本发明提出的栅下势垒层中带有负电荷的荷电介质HEMT器件结构。
图8是本发明提出的荷电介质HEMT器件结构与传统HEMT结构的反向耐压比较图。
图9是本发明提出的荷电介质HEMT器件结构与传统HEMT结构的反向耐压时电场分布比较图。
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4示出了一种荷电介质HEMT器件的半元胞结构示意图。本例器件包括：
衬底1、位于衬底1上层的缓冲层2、位于缓冲层2上层的势垒层3和位于势垒层3上层的钝化层4，且所述缓冲层2与势垒层3形成异质结；所述势垒层3上表面两端分别设置有源电极6和漏电极7，在源电极和漏电极之间设置有栅电极8；其特征在于，所述栅电极8与漏电极7之间的钝化层中形成荷电介质区5，所述荷电介质区5中带有负电荷。
所述荷电介质区5中的钝化层介质采用氮化物或其他单层或多层绝缘介质材料，介质中的电荷通过离子注入或其他方式引入，荷电介质中的负电荷可以是具有负电性的离子(如氟离子)。
本发明提供的荷电介质HEMT器件与传统的HEMT器件不同的是：首先，本发明提出了一种新的提高器件击穿电压的方法，通过使栅漏之间的钝化层介质荷电，缓解栅靠漏端的曲率效应、降低电场尖峰、优化表面电场以提高器件耐压；与传统的具有场板的HEMT器件相比，场板的引入会增加器件的寄生电容，而荷电介质HEMT在提高耐压的同时不会引入寄生电容，不影响器件的频率和开关特性；与在栅漏间的势垒层中离子注入氟离子以提高器件耐压的HEMT相比，在势垒层中进行离子注入会对势垒层材料造成损伤，使异质结极化效应减小并引入界面态和其他的不可靠性，而荷电介质是在钝化层介质中引入负电荷，避免了对异质结的损伤，对沟道中2DEG的浓度和迁移率影响更小，且介质的材料和厚度可选择性大，实现介质荷电的工艺容差较大，与在较薄的势垒层中引入电荷相比，在较厚的钝化层中引入电荷更易实现，且可靠性更好。
实施例2
与实施例1相比，本例器件在栅电极8和势垒层3之间引入了绝缘栅介质9，其他结构与实施例1相同，如图5所示。常规的HEMT栅电极采用肖特基接触，栅压较大时肖特基结容易正向开启，产生较大的泄漏电流，对器件的可靠性造成影响。绝缘栅介质9的引入使栅电极、绝缘栅介质、半导体势垒层一起形成MIS结构，能够有效的降低栅泄漏电流，提高器件的可靠性。绝缘栅介质9可采用Al2O3或其他单层或多层绝缘介质材料。
实施例3
本例器件在实施案例2的基础上，在绝缘栅介质9中引入负电荷形成荷电栅介质区10，其他结构与实施例2相同，如图6所示。实施例1与实施案例2中的HEMT器件，异质结势阱中高浓度2DEG使得其为耗尽型，而在电力电子应用领域需要具有误开启自保护功能的增强型器件。实施案例3通过使绝缘栅介质9荷电，耗尽栅下方的2DEG使器件实现增强型。在栅介质中引入电荷，相对于通过在势垒层进行离子注入实现增强型，避免了对栅下方的势垒层造成损伤，对栅下方沟道中2DEG的浓度和迁移率影响较小。同时，荷电的栅介质和钝化层介质可采用相同介质，介质荷电可同时形成，工艺更简单。
实施例4
本例器件在栅电极8下方的局部或全部势垒层中引入负电荷形成栅下势垒层荷电区11，其他结构与实施例1相同，如图7所示。实施例1中的HEMT器件，异质结势阱中高浓度2DEG使得其为耗尽型，而在电力电子应用领域需要具有误开启自保护功能的增强型器件。实施案例4通过在栅下方的势垒层中引入负电荷(常见的实现方式是采用氟基等离子处理)，耗尽栅下方的2DEG使器件实现增强型。在栅电极下方的局部势垒层中引入负电荷实现增强型器件会比栅下势垒层全部荷电的器件具有更好的正向电流能力，因为未经荷电处理的势垒层下方沟道中仍具有高浓度2DEG。与实施案例3中实现增强型的方式相比，实施案例4可以采用氟基等离子处理技术实现，其理论研究和工艺技术已较为成熟。
本发明的上述几种实施例所描述的荷电介质HEMT器件，可以采用蓝宝石，硅，碳化硅(SiC)，氮化铝(AlN)或氮化镓(GaN)中的一种或几种的组合作为衬底层1的材料；可以采用GaN、AlN、AlGaN中的一种或几种的组合作为缓冲层2的材料；可以采用GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合作为势垒层3的材料；对于钝化层4，业界常用的材料为SiNx，也可采用Al2O3，AlN等介质材料，绝缘栅介质9可采用与钝化层相同的材料；源电极6、漏电极7一般采用金属合金，常用的有Ti/Al/Ni/Au或Mo/Al/Mo/Au等；栅电极8一般采用功函数较大的金属合金，例如Ni/Au或Ti/Au等。
图8、图9分别是本发明提出的荷电介质HEMT器件结构与传统HEMT结构的反向耐压比较图、反向耐压时电场分布比较图。采用Sentaurus TCAD软件进行仿真，两种结构在器件横向尺寸均为8μm，栅长均为2μm，栅漏距离均为3μm的条件下，本发明所提出的结构的击穿电压从传统HEMT的272V提高到397V，击穿电压提高46％。
Claims (4)
1.一种具有荷电介质的HEMT器件，包括衬底(1)、位于衬底(1)上层的缓冲层(2)、位于缓冲层(2)上层的势垒层(3)和位于势垒层(3)上层的钝化层(4)，所述缓冲层(2)与势垒层(3)形成异质结；所述势垒层(3)上表面两端分别设置有源电极(6)和漏电极(7)，在源电极(6)和漏电极(7)之间设置有栅电极(8)；其特征在于，所述栅电极(8)与漏电极(7)之间的钝化层中设置有荷电介质区(5)，所述荷电介质区(5)带有负电荷。
2.根据权利要求1所述的一种具有荷电介质的HEMT器件，其特征在于，所述栅电极(8)与势垒层(3)之间设置有绝缘栅介质(9)，所述绝缘栅介质(9)为绝缘介质材料。
3.根据权利要求2所述的一种具有荷电介质的HEMT器件，其特征在于，所述绝缘栅介质(9)带有负电荷，形成荷电栅介质区(10)。
4.根据权利要求1所述的一种具有荷电介质的HEMT器件，其特征在于，所述栅电极(8)下表面的势垒层(3)中带有负电荷，形成栅下势垒层荷电区(11)。
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