CN105140302B - 电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管，该器件特别之处在于还包括位于势垒层、沟道层、电流阻挡层及n‑GaN缓冲层外侧的电荷补偿绝缘层，并且在电荷补偿绝缘层与势垒层、沟道层、电流阻挡层及n‑GaN缓冲层界面处存在高密度的固定电荷；电荷补偿绝缘层由绝缘电介质构成。由于电荷补偿绝缘层与n‑GaN缓冲层界面处存在高密度的固定电荷，耐压时该界面负电荷可使得靠近的n‑GaN缓冲层反型，形成的p+柱将消耗n‑GaN缓冲层中的电子，使得缓冲层形成p+n超结结构并被完全耗尽，充分优化后缓冲层中的电场在垂直方向可保持3MV/cm基本不变，器件击穿电压达到GaN材料耐压极限。
Description
技术领域
本发明涉及半导体高耐压器件领域，具体是指电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管。
背景技术
氮化镓基异质结场效应晶体管（GaN Heterojunction Field-EffectTransistor，GaN HFET）不但具有禁带宽度大、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。
现有的高耐压GaN HFET结构主要为横向器件，器件基本结构如图1所示。器件主要包括衬底，GaN缓冲层，AlGaN势垒层以及AlGaN势垒层上形成的源极、漏极和栅极，其中源极和漏极与AlGaN势垒层形成欧姆接触，栅极与AlGaN势垒层形成肖特基接触。但是对于横向GaN HFET而言，在截止状态下，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。同时横向GaN HFET器件主要依靠栅极与漏极之间的有源区来承受耐压，要获得大的击穿电压，需设计很大的栅极与漏极间距，从而会增大芯片面积，不利于现代电力电子系统便携化、小型化的发展趋势。
与横向GaN HFET相比，垂直GaN异质结场效应晶体管（GaN VerticalHeterojunction Field-Effect Transistor，GaN VHFET）结构可以有效地解决以上问题。常规GaN VHFET结构如图2所示，器件主要包括漏极、n+-GaN衬底、n-GaN缓冲层、p-GaN电流阻挡层、GaN沟道层、AlGaN势垒层和AlGaN势垒层上形成的栅极和源极，其中漏极与n+-GaN衬底形成欧姆接触，源极与AlGaN势垒层形成欧姆接触，栅极与AlGaN势垒层形成肖特基接触。与横向GaN HFET相比，GaN VHFET存在以下优势：器件主要通过栅极与漏极之间的纵向间距，即n-GaN缓冲层来承受耐压，器件横向尺寸可以设计的非常小，有效节省芯片面积；同时p-GaN电流阻挡层与n-GaN缓冲层之间形成的p-n结可以有效阻挡从源极注入的电子，从而抑制器件缓冲层泄漏电流。除此之外，GaN VHFET结构还具有便于封装、低沟道温度等多方面优点。
对于常规GaN VHFET结构而言，器件主要依靠p-GaN电流阻挡层与n-GaN缓冲层之间形成的p-n结来承受耐压，器件内峰值电场达到临界电场或者泄漏电流达到阈值时，n-GaN缓冲层内耗尽区宽度的大小决定了器件的击穿电压，随着n-GaN缓冲层厚度的增大，击穿时n-GaN内的耗尽区宽度也随之增大，但是当n-GaN缓冲层厚度超过一定值后，击穿时n-GaN内的耗尽区宽度达到饱和，器件的击穿电压也达到饱和，不再随着n-GaN缓冲层厚度的增大而增大，从而限制了GaN VHFET的高耐压应用。同时n-GaN缓冲层内的垂直电场强度会随着远离p-GaN电流阻挡层与n-GaN缓冲层之间的p-n结界面而逐渐降低，由于器件击穿电压等于n-GaN缓冲层内的垂直电场强度沿着垂直方向的积分，不断降低的垂直电场强度使得器件的击穿电压无法达到GaN材料极限，不能充分发挥GaN基器件的高耐压优势。
发明内容
针对常规GaN VHFET器件存在的问题，本发明提供了一种能将器件击穿电压提高接近极限的具有电荷补偿的高耐压垂直氮化镓基异质结场效应晶体管。
本发明通过下述技术方案实现：电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管，包括势垒层，所述势垒层上部设有源极和栅极，下部依次为沟道层、电流阻挡层、n-GaN缓冲层、n+-GaN衬底、漏极；所述电流阻挡层中心设有宽度为LAP的孔径，且嵌套在n-GaN缓冲层上部；该器件还包括位于势垒层、沟道层、电流阻挡层及n-GaN缓冲层外侧的电荷补偿绝缘层，并且在电荷补偿绝缘层与势垒层、沟道层、电流阻挡层及n-GaN缓冲层界面处存在高密度的固定电荷；电荷补偿绝缘层由绝缘电介质构成。
由于氧缺陷、氮缺陷以及极化效应等多种因素共同作用，电荷补偿绝缘层与n-GaN缓冲层界面处存在高密度的固定电荷，耐压时该界面负电荷可使得靠近电荷补偿绝缘层一侧的n-GaN缓冲层反型，形成的p+柱将消耗n-GaN缓冲层中的电子，使得缓冲层形成p+n超结并完全耗尽，充分优化后缓冲层中的电场在垂直方向可保持3MV/cm基本不变，这使得本发明的器件击穿电压达到GaN材料耐压极限。同时，常规的超结中p+柱不可避免的将耗尽一部分n柱，因此本发明器件的导通电阻将比超结的导通电阻小。
在电荷补偿绝缘层与电流阻挡层界面处，由于电流阻挡层外侧固定电荷的存在，器件达到雪崩击穿之前该位置处都不会反型，避免因反型导通而使得器件提前击穿。
本发明在制作电荷补偿绝缘层时，一般采用挖槽再淀积绝缘材料，进一步地为了方便制作，所述的电荷补偿绝缘层从上向下贯通于源极与n+-GaN衬底之间。所述的电荷补偿绝缘层上表面与源极相连，下表面与n+-GaN衬底表面相连或位于n+-GaN衬底体内，并分为两部分，沿着水平方向分别位于器件两侧。
为更好地实现本发明，进一步地，所述固定电荷为负电荷。
为更好地实现本发明，进一步地，所述固定电荷分为两部分，沿着水平方向分别位于器件两侧并且沿n-GaN缓冲层的垂直中心线对称设置，该垂直中心线O-O’也是器件的垂直中心线。
为更好地实现本发明，进一步地，所述固定电荷的密度为Qn，满足Qn=Nd×W，其中Nd为n-GaN缓冲层掺杂浓度，W为n-GaN缓冲层下半部分水平方向宽度，Qn取值范围为1×105cm-2 ≤ Qn ≤ 1×1020cm-2。
为更好地实现本发明，进一步地，所述电荷补偿绝缘层为由单一材料构成的绝缘电介质，其介电常数为K1，其中K1满足1<K1≤500。
为更好地实现本发明，进一步地，所述电荷补偿绝缘层为由不同介电常数的电介质材料组成的复合绝缘电介质，该复合绝缘电介质从上到下共分为n层，第i层电介质的介电常数为Ki，其中介电常数满足关系：Ki－1≥Ki，1≤i≤n≤100。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
由于电荷补偿绝缘层与n-GaN缓冲层界面处存在高密度的固定电荷，耐压时该界面负电荷可使得靠近电荷补偿绝缘层一侧的n-GaN缓冲层反型，形成的p+柱将消耗n-GaN缓冲层中的电子，使得缓冲层形成p+n超结并被完全耗尽，充分优化后缓冲层中的电场在垂直方向可保持3MV/cm基本不变，这使得本发明的器件击穿电压达到GaN材料耐压极限。同时，由于常规超结中p+柱不可避免的将耗尽一部分n柱，本发明器件的导通电阻将比超结的导通电阻还小。此外，本结构器件不存在制作超结的p型柱的困难，工艺实现可行性较高。
附图说明
图1为现有技术横向GaN HFET横截面结构示意图；
图2为现有技术GaN VHFET横截面结构示意图；
图3为本发明结构器件横截面结构示意图；
图4为本发明提供的电荷补偿场效应管与常规GaN VHFET击穿时A—A’截面处垂直电场分布比较；
图5为本发明提供的电荷补偿场效应管与常规GaN VHFET截止状态下击穿特性比较。
其中：101－源极，102－栅极，103－势垒层，104－沟道层， 105－n-GaN缓冲层，201—电流阻挡层，202－n+-GaN衬底，203－漏极，301—电荷补偿绝缘层，302－固定电荷。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
图1是己有技术横向GaN HFET结构示意图，从下至上主要包括衬底，氮化镓（GaN）缓冲层，氮化镓（GaN）沟道层，铝镓氮（AlGaN）势垒层以及铝镓氮（AlGaN）势垒层上形成的源极、漏极和栅极，其中源极和漏极与铝镓氮（AlGaN）势垒层形成欧姆接触，栅极与铝镓氮（AlGaN）势垒层形成肖特基接触。
图2是常规GaN VHFET结构示意图，从下至上主要包括漏极，n+-GaN衬底，n-GaN缓冲层，p-GaN电流阻挡层，GaN沟道层，AlGaN势垒层以及AlGaN势垒层上形成的源极和栅极，其中源极和漏极均为欧姆接触，栅极为肖特基接触。
实施例1：
本实施例主要结构，如图3所示，包括势垒层103，所述势垒层103上部设有源极101和栅极102，源极101位于器件两侧，栅极102位于中间部位；下部依次为沟道层104、电流阻挡层201、n-GaN缓冲层105、n+-GaN衬底202、漏极203；所述电流阻挡层201中心设有宽度为LAP的孔径，且嵌套在n-GaN缓冲层105上部；所述势垒层103、沟道层104、电流阻挡层201及n-GaN缓冲层105外侧设有电荷补偿绝缘层301，电荷补偿绝缘层301从上向下贯通于源极101与n+-GaN衬底202之间；其上表面与源极101相连，下表面与n+-GaN衬底202表面相连或下表面位于n+-GaN衬底202体内，并分为两部分，沿着水平方向分别位于器件两侧。
所述电荷补偿绝缘层301由绝缘电介质构成，所述电荷补偿绝缘层301与势垒层103、沟道层104、电流阻挡层201及n-GaN缓冲层105界面处存在高密度的固定电荷302，固定电荷302为负电荷；固定电荷302密度为Qn，满足Qn=Nd×W，其中Nd为n-GaN缓冲层105掺杂浓度，W为n-GaN缓冲层105下半部分（即较宽部分）水平方向宽度，Qn取值范围为1×105cm-2 ≤Qn ≤ 1×1020cm-2。
固定电荷302分为两部分，沿着水平方向分别位于器件两侧并且关于垂直中心线O-O’对称，该垂直中心线也是n-GaN缓冲层105的垂直中心线。
电荷补偿绝缘层301为绝缘电介质Al2O3或SiO2或ZrO2，其介电常数分别为9，3.9和24.3，表1结构一电荷补偿绝缘层301采用介电常数为3.9的SiO2。
或者，电荷补偿绝缘层301为不同介电常数的电介质材料组成的复合绝缘电介质，该复合绝缘电介质从上到下共分为3层，第1层电介质采用介电常数为24.3的ZrO2，该层厚度为10μm；第2层电介质采用介电常数为9的Al2O3，该层厚度为5μm；第3层电介质采用介电常数为3.9的SiO2，该层厚度为5μm。表1结构二电荷补偿绝缘层301采用上述结构。
在本发明的GaN HFET中，最易于说明本发明意图的例子是图3所示的本发明结构与图2所示的常规GaN VHFET器件特性对比。器件结构参数由表1给出。
表1 器件结构参数
图4是本发明提供的器件结构与常规GaN VHFET击穿时A-A’处截面垂直电场强度比较。从图中可以看出，对于常规GaN VHFET，击穿时n-GaN缓冲层105内垂直电场仅延伸至离沟道5μm处附近，说明器件击穿时n-GaN缓冲层105没有完全耗尽，部分n-GaN缓冲层105不能承受耐压；同时垂直电场强度随着远离电流阻挡层201与n-GaN缓冲层105之间的p-n结界面不断减小，最终导致器件击穿电压较低，仅为596V，不能充分发挥GaN基器件高耐压的优势。但是对于本发明提供的器件结构一，由于电荷补偿绝缘层301的使用，在n-GaN缓冲层105两侧通过反型引入了p+柱，击穿时整个n-GaN缓冲层垂直电场强度几乎保持不变，此时整个n-GaN缓冲层105都可以承受耐压，从而使器件击穿电压得到提升，最终器件击穿电压为5700V。目前GaN器件技术最高平均击穿电场为210V/μm。本设计的平均击穿电场高达285V/μm，极其接近GaN材料的耐压理论极限300 V/μm，充分表现了本发明器件的高耐压特性。在结构一的基础上，结构二采用复合绝缘层，由于不同介电常数的材料界面处产生的高电场，可以进一步调制n-GaN缓冲层中电场分布，因此器件耐压进一步提高了280V。
为了验证本发明提供的电荷补偿绝缘层301对器件击穿电压的提升作用，对本发明提供的器件结构与常规GaN VHFET的击穿特性进行了仿真，器件参数采用表1中的结构一，结果如图5所示。器件击穿电压定义为截止状态下器件漏极电流达到1mA/mm时，漏极203所施加的偏置电压。从图中可以看出，与常规GaN VHFET相比，本发明结构有效地提升了器件的击穿电压，在器件其他参数完全相同的情况下，器件击穿电压从596V增大至5700V，增大了超过5000V。同时，器件的导通电阻对比常规阻挡层结构的器件基本不变。
应当理解本结构的任意变化，或和已有结构的任意组合，都可以有效的作为本发明的实施方案。本发明不限于上面所描述的实施方案，并且当然包含符合本发明原理的多种实施方案。例如，用作上述实施方案中的势垒层103的材料AlGaN仅是材料分子式AlxInyGazN中y=0时的特殊情况，且使用的GaN沟道材料可以是具有小于势垒层103的带隙的任何其他Ⅲ族氮化物半导体。描述为未掺杂的沟道层104可以包含掺杂到其一部分或者整个部分中的n型杂质，例如Si。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管，包括势垒层（103），所述势垒层（103）上部设有源极（101）和栅极（102），下部依次为沟道层（104）、p+ GaN电流阻挡层（201）、n-GaN缓冲层（105）、n+-GaN衬底（202）、漏极（203）；所述p+ GaN电流阻挡层（201）中心设有宽度为LAP的孔径，且嵌套在n-GaN缓冲层（105）上部；其特征在于：还包括位于势垒层（103）、沟道层（104）、p+ GaN电流阻挡层（201）及n-GaN缓冲层（105）外侧的电荷补偿绝缘层（301），并且在电荷补偿绝缘层（301）与势垒层（103）、沟道层（104）、p+ GaN电流阻挡层（201）及n-GaN缓冲层（105）界面处存在高密度的固定电荷（302）；电荷补偿绝缘层（301）由绝缘电介质构成。
2.根据权利要求1所述的电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管，其特征在于：所述的电荷补偿绝缘层（301）从上向下贯通于源极（101）与n+-GaN衬底（202）之间。
3.根据权利要求2所述的电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管，其特征在于：所述的电荷补偿绝缘层（301）上表面与源极（101）相连，下表面与n+-GaN衬底（202）表面相连或位于n+-GaN衬底（202）体内，并分为两部分，沿着水平方向分别位于器件两侧。
4.根据权利要求3所述的电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管，其特征在于：所述固定电荷（302）为负电荷。
5.根据权利要求4所述的电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管，其特征在于：所述固定电荷（302）分为两部分，沿着水平方向分别位于器件两侧并且沿n-GaN缓冲层（105）的垂直中心线对称设置。
6.根据权利要求1-5任一项所述的电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管，其特征在于：所述固定电荷（302）的密度为Qn，满足Qn=Nd×W，其中Nd为n-GaN缓冲层（105）掺杂浓度，W为n-GaN缓冲层（105）下半部分水平方向宽度， Qn取值范围为1×105cm-2 ≤ Qn ≤1×1020cm-2。
7.根据权利要求1-5任一项所述的电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管，其特征在于：所述电荷补偿绝缘层（301）为由单一材料构成的绝缘电介质，其介电常数为K1，其中K1满足1<K1≤500。
8.根据权利要求1-5任一项所述的电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管，其特征在于：所述电荷补偿绝缘层（301）为由不同介电常数的电介质材料组成的复合绝缘电介质，该复合绝缘电介质从上到下共分为n层，第i层电介质的介电常数为Ki，其中介电常数满足关系：Ki－1≥Ki，1≤i≤n≤100。
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