CN106328700B - 一种增强型绝缘埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管 - Google Patents
一种增强型绝缘埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管 Download PDFInfo
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Abstract
一种增强型绝缘埋层AlGaN‑GaN高电子迁移率晶体管，包括：Si基衬底，在Si基衬底上形成有AlN成核层，在AlN成核层上形成有本征GaN层，在本征GaN层上形成有AlGaN掺杂层，在AlGaN掺杂层上表面形成栅绝缘层，在栅绝缘层上形成栅极，在AlGaN掺杂层上部形成源极且所述源极位于栅极的一侧，栅极的另一侧形成漏极，所述源极和漏极始于AlGaN掺杂层上部并止于本征GaN层内部，贯穿AlGaN掺杂层，在栅极、源极和漏极上形成有钝化层，其特征在于，在本征GaN层的内部设有绝缘层，所述绝缘层位于栅极正下方且始于AlGaN掺杂层下表面并止于AlN成核层上表面。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种宽禁带材料功率半导体器件，特别是涉及一种应用于电力开关领域的高压增强型AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管。
背景技术
GaN材料具有良好的电学特性，如宽的禁带宽度、高击穿电场、高热导率、耐腐蚀等，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料，是制作高频、高压、高温、大功率电子器件和短波长、大功率光电子器件的理想材料。
AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管由于存在自发极化效应，在AlGaN-GaN界面的本征GaN层中出现了浓度很高的二维电子气(2DEG)。因为2DEG处于远离器件表面的本征GaN层，电子运动受界面态和杂质原子影响小，因此AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管具有较高的电子漂移速度。同时AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管还具有击穿电压高和抗辐射能力强等优势，其在高频、高温及大功率领域具有十分广泛的应用前景。在此之前，对于AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管的研究一直集中在微波器件领域，耐压多在200V以下。近几年，随着大尺寸Si基制作GaN器件成为可能，AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管在功率器件领域的研究成为了一个新热点。
对于早期的AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，由于AlGaN-GaN异质结的极化效应，会在异质结界面靠近本征GaN层一侧形成均匀分布的高浓度二维电子气(2DEG)，这导致器件在栅压为零时就有导电沟道的存在，所以AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管一般为耗尽型器件。近年来，增强型AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管开始逐渐成为研究主流。与常规耗尽型AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管相比，增强型AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管不需要负栅压的电源设计，这将会大大降低芯片的设计成本。另外，增强型AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管只有在栅极施加正向偏压时才有电流产生，可以大大拓展AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管在低功耗数字电路中的应用。如果将AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管运用在功率开关领域，那么增强型AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管的设计就成为关键，且为了整个系统能够安全工作，器件的阈值电压在3V左右为宜。然而现有的增强型AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管阈值电压多为1V左右，且难以实现阈值电压的进一步提升，限制了增强型AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管的进一步发展。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种新型的增强型绝缘埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，该器件结构保持关态击穿电压基本不变的基础上，能够有效提高阈值电压和降低输入电容。
本发明采用如下技术方案：一种增强型绝缘埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，包括：Si基衬底，在Si基衬底上形成有AlN成核层，在AlN成核层上形成有本征GaN层，在本征GaN层上形成有AlGaN掺杂层，在AlGaN掺杂层的上表面形成栅绝缘层，在栅绝缘层上形成栅极，在AlGaN掺杂层上部形成有源极且所述源极位于栅极的一侧，所述源极始于AlGaN掺杂层上部并止于本征GaN层内部，贯穿AlGaN掺杂层，在AlGaN掺杂层上部还形成有漏极且漏极位于栅极的另一侧，所述漏极始于AlGaN掺杂层上部并止于本征GaN层内部，贯穿AlGaN掺杂层，在栅极、源极和漏极上形成有钝化层，其特征在于，在本征GaN层的内部设有绝缘层，所述绝缘层位于所述栅极的正下方且始于AlGaN掺杂层下表面并止于AlN成核层上表面。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)、本发明器件在本征GaN层3内部设有绝缘层10结构，通过刻蚀栅极下方本征GaN层3，并填入绝缘材料氮化物，使得栅极下方的导电沟道被切断，从而获得高阈值电压的增强型AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管。
绝缘埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管阈值电压的提高是因为其本征GaN层3被切断，其主要电流路径发生了变化。对于绝缘埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，在有本征GaN层3的地方，电子依然是从本征GaN层3中通过，而在AlGaN掺杂层4下的绝缘层10处，由于本征GaN层3被绝缘层10切断，电子主要从其上方的AlGaN掺杂层4中通过，与传统增强型AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管相比，增强型绝缘埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管的主要电流路径发生了根本变化。这一过程中，电子要翻越AlGaN-GaN异质结之间形成的三角势垒，就需要在栅极6上加载更大的正向电压，增强型绝缘埋层AlGaN-GaN高迁移率晶体管的阈值电压因此得到提升。
图3为本发明与常规器件的转移特性对比曲线图，可以发现本发明器件与常规器件相比，阈值电压得到了提高。
(2)、本发明器件的好处在于在提高了器件阈值电压的基础上，栅极开态泄漏电流基本保持不变。绝缘层10结构切断本征GaN层3，使得器件的电流路径发生了变化。当器件处于导通状态时，栅极下方的电流从A1GaN掺杂层中通过，如果仍然和常规增强型器件一样在栅极与A1GaN掺杂层之间形成p型GaN层5.1(如图1所示)，器件将会产生很大的栅极开态泄漏电流，使得器件特性出现退化。因此本发明器件在栅极和AlGaN掺杂层之间生长氮化物栅绝缘层5.2替代p型GaN层5.1，将栅极与AlGaN掺杂层用绝缘介质隔离开，使得本发明器件的栅极开态泄漏电流与常规增强型器件的栅极开态泄漏电流相比基本保持不变。
(3)、本发明器件的好处在于在提高了器件的阈值电压的基础上，关态击穿电压基本保持不变。这是由于栅漏间距离和栅漏间2DEG浓度是影响器件击穿电压的两个主要因素，而与常规器件相比，本发明器件改变的区域仅限于栅极正下方，因而上述两个因素并没有发生变化，所以器件关态击穿电压基本保持不变。
图4为本发明器件与常规器件的关态击穿电压对比图，可以发现本发明器件与常规器件相比，器件的关态击穿电压基本保持不变。
(4)、本发明器件的好处在于可通过形成不同厚度的栅绝缘层5.2来调节阈值电压大小。这是由于栅极和AlGaN掺杂层之间栅绝缘层厚度的增加使得栅极到沟道的垂直距离增加，若要在沟道中感应出相同数量的电子，就必须增加栅极电压，所以栅绝缘层5.2的厚度增加可使得器件的阈值电压增大。
图5为不同厚度的栅绝缘层对应的器件阈值电压大小的曲线图，可以发现随着栅绝缘层厚度的增加，器件的阈值电压增加。
(5)、本发明器件的好处在于在提高了器件的阈值电压的基础上，器件的输入电容大幅度降低。对于增强型绝缘埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管来说，因为栅极中栅绝缘层的加入，使得栅极与栅绝缘层组成的肖特基电容显著减小，从而使得器件的输入电容Ciss也随之显著减小。
图6为本发明器件与常规器件的电容特性对比图，可以发现本发明器件与常规器件相比，器件的输入电容降低了。
附图说明
图1是常规的增强型AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管的结构剖面图。
图2是本发明的增强型绝缘埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管的结构剖面图。
图3是本发明器件与常规器件的转移特性比较图。可以看出本发明器件使得阈值电压得到了明显的提高。
图4是本发明器件与常规器件的关态击穿电压比较图。可以看出本发明器件与常规器件相比，关态击穿电压基本保持不变。
图5是本发明器件不同的栅绝缘层厚度对应的阈值电压大小的曲线图。可以看出随着栅绝缘层厚度的增加，器件的阈值电压增加。
图6是本发明器件与常规器件的电容特性比较图。可以看出本发明器件与常规器件相比，输入电容得到了明显的降低。
具体实施方式
一种增强型绝缘埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，包括：Si基衬底1，在Si基衬底1上形成有AlN成核层2，在AlN成核层2上形成有本征GaN层3，在本征GaN层3上形成有AlGaN掺杂层4，在AlGaN掺杂层4的上表面形成栅绝缘层5.2，在栅绝缘层5.2上形成栅极6，在AlGaN掺杂层4上部形成有源极7且所述源极7位于栅极6的一侧，所述源极7始于AlGaN掺杂层4上部并止于本征GaN层3内部，贯穿AlGaN掺杂层4，在AlGaN掺杂层4上部还形成有漏极8且漏极8位于栅极6的另一侧，所述漏极8始于AlGaN掺杂层4上部并止于本征GaN层3内部，贯穿AlGaN掺杂层4，在栅极6、源极7和漏极8上形成有钝化层9，其特征在于，在本征GaN层3的内部设有绝缘层10，所述绝缘层10位于所述栅极6的正下方且始于AlGaN掺杂层4下表面并止于AlN成核层2上表面。所述栅绝缘层5.2，材料为氮化物，厚度为80-120nm。所述绝缘层10，材料为氮化物，厚度为80-120nm。所述栅绝缘层5.2和绝缘层10的长度与栅极6长度一致，为1.2-1.8μm。
Claims (5)
1.一种增强型绝缘埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，包括：Si基衬底(1)，在Si基衬底(1)上形成有A1N成核层(2)，在A1N成核层(2)上形成有本征GaN层(3)，在本征GaN层(3)上形成有AlGaN掺杂层(4)，在AlGaN掺杂层(4)的上表面形成栅绝缘层(5.2)，在栅绝缘层(5.2)上形成栅极(6)，在AlGaN掺杂层(4)上部形成有源极(7)且所述源极(7)位于栅极(6)的一侧，所述源极(7)始于AlGaN掺杂层(4)上部并止于本征GaN层(3)内部，贯穿AlGaN掺杂层(4)，在AlGaN掺杂层(4)上部还形成有漏极(8)且漏极(8)位于栅极(6)的另一侧，所述漏极(8)始于AlGaN掺杂层(4)上部并止于本征GaN层(3)内部，贯穿AlGaN掺杂层(4)，在栅极(6)、源极(7)和漏极(8)上形成有钝化层(9)，其特征在于，在本征GaN层(3)的内部设有绝缘埋层(10)，所述绝缘埋层(10)位于所述栅极(6)的正下方且始于AlGaN掺杂层(4)下表面并止于AlN成核层(2)上表面。
2.根据权利要求1所述的增强型绝缘埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述栅绝缘层(5.2)的厚度为80-120nm。
3.根据权利要求1所述的增强型绝缘埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述绝缘埋层(10)的厚度为80-120nm。
4.根据权利要求1所述的增强型绝缘埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述栅绝缘层(5.2)和绝缘埋层(10)的长度与栅极(6)长度一致，为1.2-1.8μm。
5.根据权利要求1所述的增强型绝缘埋层AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述栅绝缘层(5.2)和绝缘埋层(10)的材料为氮化物。
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