CN107195673A - 一种非均匀栅长GaNHEMT栅极结构及器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了本发明中的GaN HEMT器件叉指栅极结构，器件单元由单栅极或者多栅叉指结构构成，栅条的栅长为非均匀栅长结构，以有效调节器件栅极中心区域的电流密度，使得中心区域的电流密度较低，从而自热效应产生的热量也较低，利于整个器件有源区域的热平衡。减轻和防止器件中心区域的热集中效应导致栅极中心区域的高温提前失效。有助于大功率器件的失效和高温可靠性的增长。
Description
技术领域
本发明属于H01L 27/00类半导体器件技术领域，涉及一种新型非均匀栅长GaN器件栅极结构。
背景技术
GaN HEMT器件具有的高频、高功率密度以及高工作温度的优点使其成为微波大功率器件以及电力电子器件发展的新方向。基于新型材料GaN研发的功率器件及其功率放大器被广泛地应用于军事、民用商业以及消费等领域，特别是对于即将在2020年实现商用的5G技术而言，GaN功放管必将占据重要地位。在军事领域，毫米波和微波功率放大器应用于雷达、通信以及智能武器系统之中，而在商业领域中，主要将功率放大器用于高速率的通信系统之中以及汽车防撞雷达等。GaN材料的德拜温度高达700℃以上，远高于Si和GaAs 材料，从而保证了器件在较高的温度下具有较低的背景载流子浓度，使得器件具有更高的可工作温度。但就目前而言由于器件设计或者工艺问题，GaN H EMT功率器件一直没有能够突破其高温可靠性问题，因而在一定程度上严重阻碍了其发展和普及。散热问题制约着GaNHEMT功率器件的性能，如功率密度以及效率等。特别是对于大功率GaN HEMT器件，自热效应会导致热量在器件有源区中心迅速积聚，引起器件性能恶化失效，其高温失效原理可参阅文献Manju K C,Sanjiv T.Temperature and polarization dependent polynomialbased non-linear analytical model for gate capacitance of AlGaN/GaN和Jeong P,Moo W S,Chin C L,et al.Thermal modeling and measurement of AlGaN-GaN HFETsbuilt on sapphire and SiC substrates[J].以Si作为衬底的GaN HEMT 器件因为成本较低而备受关注，但是因为Si的热导率很低，导致GaN-On-Si HEMT 器件自热效应更加严重，束缚了其功率特性和应用。SiC材料具有良好的热导率，以SiC为衬底的GaN HEMT器件自热效应减轻，但在大功率应用下的高温可靠性仍然是严重的挑战。
GaN HEMT功率器件的热量通常都积聚在有源中心区域。研究表明，GaN H EMT处于工作状态时，其本身将会产生一定量的功率耗散，而这部分耗散功率将会在器件内部产生相应的热量使得器件的结温有一个非常明显的升高，而结温的提升不仅仅会影响器件的直流工作特性以及微波特性，同时对于GaN HEMT器件本身而言，其热可靠性也是一个较大的隐患。由器件自热效应引起的结温升高将会加速器件的失效。更为严重的自热效应可能会使栅极电极恶化甚至会烧毁芯片与封装之间的金属连线。当器件的尺寸变得越来越小，或者是器件的电流密度变得越来越大时，自热效应现象就会越明显。有报道显示，对于GaNHEMT器件，当其电流密度达到26W/mm时，沟道温度可达200℃，并且随着耗散功率的增加而升高。因此，要想使得器件更加可靠，就必须要在设计模拟阶段将器件的自热效应考虑进去。大功率GaN器件往往采用多栅极叉指结构，栅极为均匀宽度的线条，与源条及漏条交叉分布。叉指结构能有效平衡器件高频特性和大功率输出的矛盾，缓解热耗散问题，但器件有源区的热平衡问题仍然严重。在栅极中心区域热耗散难，往往是温度最高的区域，也是高温失效发生的起始点。如图1所示的大功率GaN HEMT器件栅极叉指结构，其热分布仿真结果如图2所示，靠近栅极中心区域的温度会比边缘高出接近20度以上；这对于器件大功率的实现和可靠性设计是极为不利的。
发明内容
定义：如图3所示(仅画出栅极)，HEMT器件的栅极指叉结构横向长度叫栅长；与此对应栅条的横向长度，即短边为栅条长度。栅极指叉结构纵向栅长度叫栅宽；与此对应栅条的纵向长度，即长边为栅条宽度。这和一般IC里面的栅宽定义不一样。
本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，提供一种优化的非均匀栅长的GaNHEMT器件栅极结构，以调节有源区域的电流分布，均衡整个器件的热耗散和热分布，降低器件栅极中心区域的热积聚效应，减轻和避免器件有源区域中心由自热效应引起的提前高温失效，增长器件的高温可靠性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种GaN HEMT器件的栅极结构，所述器件的栅极、源极和漏极采用叉指结构；所述叉指结构中不同位置栅条的长度不相等，通过栅条尺寸变化对2DEG电子气密度的控制和调节来实现电流密度和热分布的调控；使得整个器件有缘区域温度尽量均衡分布。
进一步，所述栅极结构中从横向边缘到所述器件中心设置有长度不同的栅条。
进一步，所述栅极结构中从横向边缘到所述器件中心设置有长度从长到短变化的栅条。
进一步，所述栅极结构中沿栅极长度方向从纵向边缘到中心设置有长度不同的栅条。
进一步，所述栅极结构中沿栅极长度方向从纵向边缘到中心设置有长度从长到短变化的栅条。
本发明还公开了一种GaN HEMT器件，所述GaN HEMT器件的栅极结构采用上述的栅极结构。
本发明中的GaN HEMT器件叉指栅极结构，器件单元由单栅极或者多栅叉指结构构成，栅条的栅长为非均匀栅长结构，以有效调节器件栅极中心区域的电流密度，使得中心区域的电流密度较低，从而自热效应产生的热量也较低，利于整个器件有源区域的热平衡。减轻和防止器件中心区域的热集中效应导致栅极中心区域的高温提前失效。有助于大功率器件的失效和高温可靠性的增长。
附图说明
图1为现有技术中的栅极结构图；
图2为图1的热力分布仿真结果示意图；
图3为非均匀栅长叉指栅条优化示意图；
图4为本发明非均匀栅长GaN HEMT器件元胞结构示意图。
具体实施方式
下面利用实施例对本发明进行更全面的说明。本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。
如图4所示，本实施例中的GaN HEMT器件的栅极结构，器件的栅极、源极和漏极均采用叉指结构；这种栅极结构的特点是叉指结构中栅条的长度不相等。通过栅极尺寸变化对2DEG电子气密度的控制和调节来实现电流密度和热分布的调控；使得整个器件有缘区域温度尽量均衡分布。
栅极结构中，可以使从横向边缘到所述器件中心的各栅条长度不同，对2DEG 电子气密度的控制和调节来实现电流密度和热分布的调控；使得整个器件有缘区域温度尽量均衡分布。
通过热仿真，栅极结构中从横向边缘到所述器件中心的各栅条长度应从长到短变化。
栅极结构中，还可以设置为栅极沿长度方向从纵向边缘到中心宽度不同；通过热仿真发现，栅极长度沿长度方向从纵向边缘到中心应从长到短变化。栅条分布及优化示意图如图3所示。虽然各栅条宽度的略微变化会导致器件寄生参数如栅电容的微小变化，从而可能使得器件在高频段的频率响应略微受到影响，但经过优化设计和反复模拟，可以使器件在实际工作频段的影响降低到可忽略的程度。而由此带来的电流与温度均衡分布对GaN大功率管的高温可靠性增长是十分有利的。
本发明还公开了一种GaN HEMT器件，所述GaN HEMT器件的栅极结构采用上述的栅极结构。
制作实施例中的非均匀栅长的GaN HEMT器件的半导体材料为GaN外延片或单晶片，衬底可以是Si，SiC或者蓝宝石等。器件单元可以是单栅极结构；也可以是多栅叉指结构构成，栅条的栅长为非均匀栅长结构。
本发明通过将栅极结构设置为非均匀结构，以有效调节器件栅极中心区域的电流密度，使得中心区域的电流密度较低，从而自热效应产生的热量也较低，利于整个器件有源区域的热平衡。减轻和防止器件中心区域的热集中效应导致栅极中心区域的高温提前失效。有助于大功率器件的失效和高温可靠性的增长。值得注意的是，图4的栅极结构仅仅是原理示意图，栅条的具体栅长尺寸和形状可以根据实际器件设计和设计工具中热仿真(有专门的器件电流分布和热分析仿真工具，如ISE-TCAD和ANSYS等软件辅助设计和分析优化)工具的结果调整得到最优的参数，其原理是利用栅极对于沟道2DEG电子气密度的控制和调节来实现电流密度和热分布的调控。对于多栅极叉指结构的大功率器件，其栅条结构从横向边缘到器件中心各栅条长度可以不同；同时对于单个栅条本身，其栅长从纵向边缘到中心长度也可以不同，以使得整个器件有缘区域温度尽量均衡分布，避免个别中心区域由于自热效应和热耗散不均匀引起的高温区提前失效。
上述示例只是用于说明本发明，除此之外，还有多种不同的实施方式，而这些实施方式都是本领域技术人员在领悟本发明思想后能够想到的，故，在此不再一一列举。
Claims (6)
1.一种GaN HEMT器件的栅极结构，所述器件的栅极、源极和漏极采用叉指结构；其特征在于，所述叉指结构中不同位置栅极的长度不相等，通过栅极尺寸变化对2DEG电子气密度的控制和调节来实现电流密度和热分布的调控；使得整个器件有缘区域温度尽量均衡分布。
2.如权利要求1所述的栅极结构，其特征在于，所述栅极结构中栅条从横向边缘到所述器件中心设置有长度不同的栅条。
3.如权利要求2所述的栅极结构，其特征在于，所述栅极结构中从横向边缘到所述器件中心设置有长度从长到短变化的栅条。
4.如权利要求1所述的栅极结构，其特征在于，所述栅极结构中沿栅极长度方向从纵向边缘到中心设置有不等长的栅条。
5.如权利要求4所述的栅极结构，其特征在于，所述栅极结构中沿栅极长度方向从纵向边缘到中心设置有长度从长到短变化的栅条。
6.一种GaN HEMT器件，其特征在于，所述GaN HEMT器件的栅极结构采用如权利要求1至权利要求5中任一项所述的栅极结构。
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