CN104538440A - 一种缓冲层荷电resurf hemt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功率半导体技术领域，特别涉及一种缓冲层荷电RESURF HEMT器件。本发明的技术方案，主要通过在较厚的缓冲层中引入负电荷，达到提高器件击穿电压或者阈值电压的目的，且不会引入附加寄生电容，同时与在较薄的势垒层中引入电荷相比，在较厚的缓冲层中引入电荷可靠性更好，工艺容差更大。另外，本发明在现在工艺技术的基础上就可实现。本发明尤其适用于HEMT器件。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，特别涉及一种缓冲层荷电RESURF 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。通常，常关型功率器件具有两个方面优点：一方面是关态时，减小电力电子系统中的漏电流，降低因漏电流通导致的功耗；另一方面是可以直接应用在简单的逆变电路中，如在常规电路中，常开型器件的次级电路通常需要一个常关型阻断器件，因此在实际功率系统中，为了减少器件数目和提高集成度，所以采用常关型器件，其可以有效减少系统功耗。然而常规的GaN HEMT是常开型的，所以，一直以来，关于GaN基HEMT的研究主要集中在如何实现增强型的理论和技术研究，GaN基HEMT并未充分发挥GaN高临界击穿电场的优势，仅有少量文章通过采用场板等技术提高GaN基HEMT的阻断电压。
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。
在缓冲层中引入P-GaN也被用作提高器件的关态击穿电压，文献(Shreepad Karmalkar， et.al.“RESURF AlGaN/GaN HEMT for High Voltage Power Switching”IEEE Electron Device Letters,VOL.22,NO.8,AUGUST 2001)通过引入P-GaN提高了器件耐压，如图2所示，P-GaN的引入可以提高器件的纵向耐压，避免器件过早击穿。但是P-GaN的激活率很低，改善耐压的效果有限。
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 using fluoride-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3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。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 HEMT by Employing Selective Fluoride Plasma Treatment”,Proc.ISPSD,San Diego,CA,May 2011)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4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。上述氟离子处理技术的原理是在半导体中引入固定的负电荷，耗尽或者部分耗尽HEMT器件异质结中的2DEG，以达到提高器件阈值电压或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，就是为了上述问题，提出一种缓冲层荷电RESURF HEMT器件。
本发明的技术方案：一种缓冲层荷电RESURF 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，所述缓冲层2中具有第一负荷电埋层5；所述第一负荷电埋层5位于栅电极8和漏电极7之间的钝化层下方。
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，本发明提出一种缓冲层荷电RESURF HEMT器件。本发 明的方案采用在栅-漏之间沟道下方的缓冲层介质中引入负电荷埋层，负电荷可优化器件表面电场，减小栅靠漏端的电场峰值，使表面电场分布更为均匀，从而获得耐压的提升。采用本发明，一方面，缓冲层中的负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，缓冲层中的电荷浓度较低，缓冲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，缓冲层厚度可选择性大，工艺容差较大，与在较薄的势垒层中引入电荷相比，较厚的缓冲层中引入电荷可靠性更好。本发明所公布的器件制备工艺与传统工艺兼容。
进一步的，所述第一负荷电埋层5的宽度等于栅电极8和漏电极7之间的钝化层宽度。
进一步的，所述第一负荷电埋层5的宽度小于栅电极8和漏电极7之间的钝化层宽度。
更进一步的，所述第一负荷电埋层5由多层在竖直方向上相互平行且大小相同的负荷电埋层构成。
更进一步的，所述缓冲层2中还具有第二负荷电层9；所述第二负荷电层9位于栅电极8下方；所述第一负荷电层5与第二负荷电层9相互独立。
更进一步的，所述栅电极8与势垒层3之间还具有绝缘栅介质10。
进一步的，所述绝缘栅介质10带有负电荷，形成荷电栅介质区11。
更进一步的，所述栅电极8与势垒层3形成肖特基接触。
再进一步的，所述第一负电荷埋层5的掺杂方式为均匀掺杂、横向分段阶梯掺杂和横向线性掺杂中的一种。
进一步的，所述缓冲层2采用的材料为GaN、AlN、AlGaN中的一种或几种的组合；所述势垒层3采用的材料为GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合；所述衬底1采用的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化铝、氮化镓中的一种或几种的组合。
本发明的有益效果为，本发明的器件，栅-漏之间的缓冲层荷电可以调制器件表面电场，优化横向电场分布，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；另外，缓冲层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，缓冲层厚度可选择性大，工艺容差较大，与在较薄的势垒层中引入电荷相比，在较厚的缓冲层中引入电荷可靠性更好。
附图说明
图1是具有场板的HEMT器件结构；
图2是具有P-GaN层的HEMT器件结构；
图3是氟离子处理增强型HEMT器件结构；
图4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5是实施例1的器件结构示意图；
图6是实施例2的器件结构示意图；
图7是实施例3的器件结构示意图；
图8是实施例4的器件结构示意图；
图9是实施例5的器件结构示意图；
图10是实施例6的器件结构示意图；
图11是实施例7的器件结构示意图；
图12是本发明提出的缓冲层荷电RESURF HEMT器件结构与传统HEMT结构的反向耐压比较图；
图13是本发明提出的缓冲层荷电RESURF 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
下面结合附图对本发明进行详细的描述
本发明的技术方案，主要通过在较厚的缓冲层中引入负电荷，达到提高器件击穿电压或者阈值电压的目的，且不会引入附加寄生电容，同时与在较薄的势垒层中引入电荷相比，在较厚的缓冲层中引入电荷可靠性更好，工艺容差更大。另外，本发明在现在工艺技术的基础上就可实现。
实施例1
本例为缓冲层全部荷电RESURF HEMT器件，如图5所示，为本例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；所述缓冲层2中具有第一负荷电埋层5；所述第一负荷电埋层5位于栅电极8和漏电极7之间的钝化层下方；所述第一负荷电埋层5的宽度等于栅电极8和漏电极7之间的钝化层宽度。
所述负电荷埋层5中的缓冲层介质采用GaN、AlN、AlGaN中的一种或几种的组合，介质中的电荷通过离子注入或其他方式引入，负电荷埋层中的负电荷是具有负电性的离子(如氟离子)。
本例的缓冲层荷电RESURF HEMT器件与传统的HEMT器件不同的是：本例通过在栅-漏之间沟道下方的缓冲层中引入负荷电埋层，缓解栅靠漏端的电场集中效应、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，而缓冲层荷电RESURF 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，而在缓冲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，且缓冲层厚度可选择性大，工艺容差较大；与在较薄的势垒层中引入电荷相比，在较厚的缓冲层中引入电荷可靠性更好。
实施例2
如图6所示，本例与实施例1不同的地方在于，本例在栅电极和漏电极之间沟道下方的局部缓冲层中引入负电荷，相比实施例1中栅电极和漏电极沟道下方缓冲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。
实施例3
本例的负电荷埋层5为双层结构，其他结构与实施例1相同，如图7所示。与实施例1相比，双负电荷埋层5通过进一步提供指向衬底的横向电场分量，以此来进一步削弱栅靠漏端的电场集中效应、降低电场尖峰、优化表面电场以提高器件耐压。同时由于负电荷埋层距离2DEG沟道较远，并不会影响器件的正向电流能力。
实施例4
本例器件在栅电极8沟道下方的局部或全部缓冲层中引入负电荷形成栅下缓冲层荷电区9，其他结构与实施例1相同，如图8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3通过在栅电极沟道下方的缓冲层中引入负电荷(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。在栅电极下方的缓冲层中引入负电荷可以提升缓冲层的导带，抑制DIBL效应，同时阻止源级的电子注入，进而提高器件耐压。在栅电极沟道下方的局部缓冲层中引入负电荷实现增强型器件会比栅电极沟道下方缓冲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。同时，栅漏之间的缓冲层介质和栅下方的缓冲层介质荷电可同时形成，工艺更简单。
实施例5
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10，其他结构与实施例1相同，如图9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10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10可采用Al2O3或其他单层或多层绝缘介质材料。
实施例6
本例器件在实施例5的基础上，在绝缘栅介质10中引入负电荷形成荷电栅介质区11，其他结构与实施例5相同，如图10所示。本例通过使绝缘栅介质10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。
实施例7
本例器件在栅电极8和漏电极7之间的负电荷埋层进行横向分段掺杂，其他结构与实施例1相同，如图11所示。与实施例1相比，采用横向分段掺杂可以优化阶梯掺杂分界面处的电场强度，提高平均电场强度，进一步提高器件的关态击穿电压。
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10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12、图13分别是本发明提出的缓冲层荷电RESURF 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10μm，栅长均为2μm，栅漏距离均为5μm的条件下，本发明所提出的结构(如图5)的击穿电压从传统HEMT的285V提高到646V，击穿电压提高127％。
Claims (10)
1.一种缓冲层荷电RESURF 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，所述缓冲层(2)中具有第一负荷电埋层(5)；所述第一负荷电埋层(5)位于栅电极(8)和漏电极(7)之间的钝化层下方。
2.根据权利要求1所述的一种缓冲层荷电RESURF HEMT器件，其特征在于，所述第一负荷电埋层(5)的宽度等于栅电极(8)和漏电极(7)之间的钝化层宽度。
3.根据权利要求1所述的一种缓冲层荷电RESURF HEMT器件，其特征在于，所述第一负荷电埋层(5)的宽度小于栅电极(8)和漏电极(7)之间的钝化层宽度。
4.根据权利要求2或3所述的一种缓冲层荷电RESURF HEMT器件，其特征在于，所述第一负荷电埋层(5)由多层在竖直方向上相互平行且大小相同的负荷电埋层构成。
5.根据权利要求2或3所述的一种缓冲层荷电RESURF HEMT器件，其特征在于，所述缓冲层(2)中还具有第二负荷电层(9)；所述第二负荷电层(9)位于栅电极(8)下方；所述第一负荷电层(5)与第二负荷电层(9)相互独立。
6.根据权利要求2或3所述的一种缓冲层荷电RESURF HEMT器件，其特征在于，所述栅电极(8)与势垒层(3)之间还具有绝缘栅介质(10)。
7.根据权利要求6所述的一种缓冲层荷电RESURF HEMT器件，其特征在于，所述绝缘栅介质(10)带有负电荷，形成荷电栅介质区(11)。
8.根据权利要求2或3所述的一种缓冲层荷电RESURF HEMT器件，其特征在于，所述栅电极(8)与势垒层(3)形成肖特基接触。
9.根据权利要求2或3或7所述的一种缓冲层荷电RESURF HEMT器件，其特征在于，所述第一负电荷埋层(5)的掺杂方式为均匀掺杂、横向分段阶梯掺杂和横向线性掺杂中的一种。
10.根据权利要求9所述的一种缓冲层荷电RESURF HEMT器件，其特征在于，所述缓冲层(2)采用的材料为GaN、AlN、AlGaN中的一种或几种的组合；所述势垒层(3)采用的材料为GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合；所述衬底(1)采用的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化铝、氮化镓中的一种或几种的组合。
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