CN106920844A - 一种具有n型浮空埋层的resurf hemt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，涉及一种具有N型浮空埋层RESURF HEMT器件。本发明的技术方案，通过引入P型缓冲层及N型浮空埋层，P型缓冲层与沟道处2DEG形成RESURF效应，调制器件横向电场；N型浮空埋层与P型缓冲层形成PN结，阻断状态时，N型浮空埋层调制体内电场分布，并有效改善了漏电极端的电场集中效应，且不会引入附加寄生电容；同时，在N型浮空埋层左侧末端会引入一个新的电场尖峰，使得器件表面电场分布更加均匀，从而提高器件的击穿电压。本发明所公布的器件制备工艺与传统工艺兼容。
Description
技术领域
发明属于半导体技术领域，具体涉及到一种高电子迁移率晶体管(High ElectronMobility Transistor，HEMT)器件。
背景技术
基于GaN材料的高电子迁移率晶体管(HEMT)，由于高电子饱和速度、高密度二维电子气(2DEG)以及较高临界击穿电场，使得其在大电流、低功耗、高频和高压开关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，GaN材料临界击穿电场是Si的十倍，目前GaN功率器件的耐压远未达到其理论极限，其原因是栅极电场集中效应使器件提前击穿，此时漂移区并未完全耗尽。阻断状态下，沟道耗尽区内的正电荷发出电场线指向栅极边缘，在栅极靠近漏端一侧形成电场峰值导致器件提前击穿。过大的峰值电场使得器件电场分布很不均匀，器件容易在较低源漏电压下便被击穿，无法充分发挥GaN材料的高耐压优势。
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，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 voltageGaN 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。文献(Young-Shil Kim,et.al.“High Breakdown Voltage AlGaN/GaN HEMT byEmploying 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2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。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，降低沟道中电子的浓度和迁移率；另一方面，较薄的势垒层使得氟离子的分布难以控制，引起器件可靠性下降。文献(Akira Nakajima,et.al.“GaN-Based Super Heterojunction FieldEffect Transistors Using the Polarization Junction Concept”IEEE ElectronDevice Letters,vol.32,no.4,pp.542-544,2011)采用极化超结的思想，在漂移区部分的AlGaN势垒层上方生长一层顶层GaN，并在其界面形成二维空穴气(2DHG)，2DHG与其下方的2DEG形成天然的“超结”，在阻断耐压时，辅助耗尽漂移区，优化器件横向电场，从而达到提高耐压的目的，如图3所示。但是顶层GaN与栅电极形成了空穴的欧姆接触，在正向导通时，栅压较大时会产生栅极泄漏电流，限制了栅压摆幅。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种具有N型浮空埋层RESURF HEMT器件，在横向扩展器件耗尽区的同时改善漏端电场集中效应，提升器件击穿电压。
本发明的技术方案是：如图4所示，
一种具有N型浮空埋层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N型沟道层4、位于沟道层4上层的势垒层5和位于势垒层5上层的钝化层9；所述势垒层5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；所述源电极6和漏电极7为欧姆接触。其特征在于，所述缓冲层2为P型掺杂，所述P型缓冲层2中具有N型浮空埋层3，且N型浮空埋层3与沟道层4有间距；所述N型浮空埋层3从漏电极7下方水平延伸至栅电极8与漏电极7之间；所述沟道层4与势垒层5形成异质结。
具体的，所述N型浮空埋层3由多层在竖直方向上互相平行的N型浮空埋层构成。
具体的，所述N型浮空埋层3的掺杂方式为横向变掺杂，且右端掺杂浓度高于左端掺杂浓度。
具体的，所述栅电极8与势垒层5形成肖特基接触。
具体的，所述栅电极8与势垒层5之间具有绝缘栅介质10，且所述绝缘栅介质10与栅电极8形成绝缘栅极结构。
具体的，所述绝缘栅极结构为平面栅极结构。
具体的，所述绝缘栅极结构为凹槽绝缘栅极结构，且所述凹槽绝缘栅极结构为栅下势垒层全部刻蚀或栅下势垒层部分刻蚀。
具体的，所述绝缘栅介质10采用Al2O3或其他单层或多层绝缘介质材料。
具体的，所述P型缓冲层2、N型浮空埋层3、沟道层4及势垒层5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材料为蓝宝石、Si、SiC、AlN、GaN、AlGaN中的一种或几种的组合。
本发明的有益效果为：
通过引入P型缓冲层及位于P型缓冲层之中的N型浮空埋层，P型缓冲层与沟道处2DEG形成RESURF效应，降低栅极电场附近电场尖峰并横向扩展器件耗尽区；N型浮空埋层与P型缓冲层形成PN结，阻断状态时，N型浮空埋层调制体内电场分布，有效改善了漏电极端的电场集中效应，且不会引入附加寄生电容；同时，在N型浮空埋层左侧末端会引入一个新的电场尖峰，使得器件表面电场分布更加均匀，从而提高器件的击穿电压。与此同时，本发明所公布的器件制备工艺与传统工艺兼容，为GaN功率集成技术奠定了良好基础。
附图说明
图1是具有栅场板的HEMT器件结构；
图2是势垒层注氟离子的HEMT器件结构；
图3是极化超结HEMT器件结构；
图4是本发明提出的具有N型浮空埋层RESURF HEMT器件结构；
图5是本发明提出的具有多层N型浮空埋层RESURF HEMT器件结构；
图6是本发明提出的具有横向分段掺杂的N型浮空埋层RESURF HEMT器件结构；
图7是本发明提出的具有平面绝缘栅结构的N型浮空埋层RESURF HEMT器件结构；
图8是本发明提出的势垒层刻蚀的凹槽绝缘栅结构的N型浮空埋层RESURF HEMT器件结构；
图9是本发明提出的具有N型浮空埋层RESURF HEMT器件结构与传统HEMT结构及RESURF 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，详细描述本发明的技术方案：
实施例1
图4示出了一种具有N型浮空埋层RESURF HEMT器件。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N型沟道层4、位于沟道层4上层的势垒层5和位于势垒层5上层的钝化层9；所述势垒层5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；所述源电极6和漏电极7为欧姆接触。其特征在于，所述缓冲层2为P型掺杂，所述P型缓冲层2中具有N型浮空埋层3，且N型浮空埋层3与沟道层4有间距；所述N型浮空埋层3从漏电极7下方水平延伸至栅电极8与漏电极7之间；所述沟道层4与势垒层5形成异质结。
本发明提供的具有N型浮空埋层RESURF HEMT器件，P型缓冲层与沟道处2DEG形成RESURF效应，降低栅极电场附近电场尖峰并横向扩展器件耗尽区；N型浮空埋层与P型缓冲层形成PN结，阻断状态时，N型浮空埋层调制体内电场分布，有效改善了漏电极端的电场集中效应，且不会引入附加寄生电容；同时，在N型浮空埋层左侧末端会引入一个新的电场尖峰，使得器件表面电场分布更加均匀，从而提高器件的击穿电压。
实施例2
与实施例1相比，本例器件的N型浮空埋层为多层结构，其他结构与实施例1相同，如图5所示。由于多层N型浮空埋层与P型缓冲层形成了多个PN结，可以进一步扩大器件的纵向耗尽宽度，以此来进一步改善漏电极端的电场集中效应、优化器件的表面电场以提高击穿电压。
实施例3
与实施例1相比，本例器件的N型浮空埋层为横向分段掺杂，其他结构与实施例1相同，如图6所示。与实施例1相比，采用横向分段掺杂可以进一步优化体内电场分布，提高平均电场强度，进一步提高器件的关态击穿电压。
实施例4
本例器件栅极结构为平面绝缘栅结构，栅电极8与势垒层5之间具有绝缘栅介质10，其他结构与实施例1相同，如图7所示。常规的HEMT栅电极采用肖特基接触，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，可以显著降低栅泄漏电流，提升器件的栅压摆幅及可靠性。
实施例5
本例器件栅极结构为凹槽绝缘栅结构，凹槽绝缘栅结构将栅下势垒层刻蚀，实现增强型器件，其他结构与实施例4相同，如图8所示。凹栅刻蚀能够有效地耗尽栅极下方2DEG浓度，极大地提高阈值电压。
本发明的上述几种实施例所描述的具有N型浮空埋层RESURF HEMT器件，可以采用蓝宝石、Si、SiC、AlN、GaN、AlGaN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、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合作为P型缓冲层2、N型浮空埋层3、沟道层4、势垒层5的材料；对于钝化层9，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9是本发明提出的具有N型浮空埋层RESURF HEMT结构与传统HEMT结构及RESURFHEMT结构的反向耐压时电场分布比较图。采用Sentaurus TCAD软件进行仿真，三种结构在器件横向尺寸均为10.5μm，栅长均为1.5μm，栅漏距离均为5μm的条件下，本发明所提出的结构的击穿电压从传统HEMT的157V，RESURF HEMT的427V提高到689V，击穿电压分别提高339％和61％。
Claims (10)
1.一种具有N型浮空埋层的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N型沟道层(4)、位于沟道层(4)上层的势垒层(5)和位于势垒层(5)上层的钝化层(9)；所述势垒层(5)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)；所述源电极(6)和漏电极(7)为欧姆接触。
其特征在于，所述缓冲层(2)为P型掺杂，所述P型缓冲层(2)中具有N型浮空埋层(3)，且N型浮空埋层(3)与沟道层(4)有间距；所述N型浮空埋层(3)从漏电极(7)正下方水平延伸至栅电极(8)与漏电极(7)之间；所述沟道层(4)与势垒层(5)形成异质结。
2.根据权利要求1所述的一种具有N型浮空埋层的RESURF HEMT器件，其特征在于，所述N型浮空埋层(3)由多层在竖直方向上互相平行的N型浮空埋层构成。
3.利要求1或2所述的一种具有N型浮空埋层的RESURF HEMT器件，其特征在于，所述N型浮空埋层(3)的掺杂方式为横向变掺杂，且右端掺杂浓度高于左端掺杂浓度。
4.根据权利要求3所述的一种具有N型浮空埋层的RESURF HEMT器件，其特征在于，所述栅电极(8)与势垒层(5)形成肖特基接触。
5.根据权利要求3所述的一种具有N型浮空埋层的RESURF HEMT器件，其特征在于，所述栅电极(8)与势垒层(5)之间具有绝缘栅介质(10)，且所述绝缘栅介质(10)与栅电极(8)形成绝缘栅极结构。
6.根据权利要求5所述的一种具有N型浮空埋层的RESURF HEMT器件，所述绝缘栅介质(10)采用Al2O3或其他单层或多层绝缘介质材料。
7.根据权利要求5或6所述的一种具有的N型浮空埋层RESURF HEMT器件，其特征在于，所述绝缘栅极结构为平面栅极结构。
8.根据权利要求5或6所述的一种具有N型浮空埋层的RESURF HEMT器件，其特征在于，所述绝缘栅极结构为凹槽绝缘栅极结构，且所述凹槽绝缘栅极结构为栅下势垒层全部刻蚀或栅下势垒层部分刻蚀。
9.根据权利要求1-2、4-6任意一项所述的一种具有N型浮空埋层的RESURF HEMT器件，其特征在于，所述P型缓冲层(2)、N型浮空埋层(3)、沟道层(4)及势垒层(5)材料为GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合。
10.根据权利要求9所述的一种具有N型浮空埋层的RESURF HEMT器件，其特征在于，所述衬底(1)材料为蓝宝石、Si、SiC、AlN、GaN、AlGaN中的一种或几种的组合。
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