CN107591439A - 一种带有阶梯场板和阶梯钝化层的晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明属于微电子技术领域，涉及一种带有阶梯场板和阶梯钝化层的晶体管。本发明通过引入阶梯场板和阶梯钝化层，以阶梯场板降低了栅极漏侧的电场峰值，扩展沟道电场的区域；以阶梯钝化层有效分散栅极附近区域电场线，减小电应力对AlGaN势垒层表面的损伤，改善了器件的表面态，利于器件的稳定工作。最终优化了的器件电场分布和抑制表面态的不利影响，提升了器件的耐压性能和可靠性，实现了输出功率的增大。

Description

一种带有阶梯场板和阶梯钝化层的晶体管

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及到一种带有阶梯场板和阶梯钝化层的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管。

背景技术

氮化镓(GaN)二十世纪末开始有了重要发展，是一种具有诸多优良特性的半导体材料；氮化镓是第三代半导体(宽禁带半导体)，具有禁带宽度大、高电子迁移率、高临界击穿电场和高电子饱和速度等特性。GaN基的半导体器件具有耐高温、高压和抗辐照等特点，GaN电子器件以AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管为主；AlGaN/GaN异质结界面因极化效应形成的二维电子气(2DEG)具有很高的迁移率和电子面密度，再加之GaN的高临界击穿电场，因此AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管在高频大功率方面广泛应用。

为实现大的输出功率，提升器件耐压性能和可靠性尤为迫切，但AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管因电场集中现象而提前击穿；当其漏极加较高电压时，电力线会集中于栅边缘形成很高的电场峰，沟道电场的非均匀分布使得器件在较低漏极电压时发生击穿，严重影响了器件的大功率应用。针对这一问题，一些研究者在栅边缘加入场板以提升耐压，但是在发挥GaN材料的高临界击穿电场特性方面仍有很大空间，对器件耐压的改善和调控十分有限。器件表面加入钝化层可以有效隔绝外界杂质影响，同时还起到减少器件的表面态，有利于提高器件可靠性。

现有的AlGaN/GaN晶体管通过在势垒层上方外延制作一层厚度均匀的钝化层，以提高提高器件可靠性，但是这种厚度均匀的钝化层对器件栅极漏侧的电场分布会产生不利影响，使器件电场分布集中而导致器件的过早击穿，以至于效果不尽理想。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有AlGaN/GaN晶体管耐压性能差的问题，本发明提供了一种带有阶梯场板和阶梯钝化层的晶体管。

该带有阶梯场板和阶梯钝化层的晶体管，由下而上依次包括衬底、成核层、缓冲层、沟道层、势垒层和钝化层。

所述势垒层AlGaN，沟道层为GaN，两者形成异质结；势垒层上设置有栅极、漏极和源极；栅极金属采用自下而上依次为Ni/Au的二层金属，栅极金属和AlGaN势垒层形成肖特基接触；源极金属和漏极金属为多层金属Ti/Al/Pt/Au，与AlGaN势垒层形成欧姆接触。

所述钝化层包括源栅钝化层和栅极漏侧钝化层；源栅钝化层在栅极金属和源极金属之间；栅极漏侧钝化层位于栅极金属和漏极金属之间，包括阶梯钝化层和阶梯场板与漏极之间的钝化层，阶梯钝化层分为第一阶钝化层和第二阶钝化层，其阶梯钝化层部分与阶梯场板大小相适应，第一阶钝化层长度为1μm，厚度为100nm，第二阶钝化层与第一阶的长度比值为0.6-1.2，厚度比值为1.4-2.2。

所述阶梯场板位于阶梯钝化层上部，采用自下而上依次为Ni/Au的二层金属，由栅极向栅极漏侧钝化层上方外延形成，栅极与阶梯场板为一整体，阶梯场板的长度区间为栅漏间距的1/4-1/2。

本发明通过引入阶梯场板和阶梯钝化层，阶梯场板降低了栅极漏侧的电场峰值，扩展了沟道电场的区域，其击穿电压提升效果为96.9％，提升了高电子迁移率晶体管器件耐压性能；阶梯钝化层有效分散栅极附近区域电场线，减小电应力对AlGaN势垒层表面的损伤，改善了器件的表面态，有利于器件的稳定工作。因此，阶梯场板和阶梯钝化层优化了的器件电场分布和抑制表面态的不利影响，提升了器件的耐压性能和可靠性，实现了输出功率的增大。

综上所述，本发明相比传统的栅场板结构，提升了高电子迁移率晶体管器件耐压性能和器件可靠性。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例的阶梯场板和阶梯钝化层结构与传统栅场板击穿特性对比图；

图3为实施例的阶梯场板和阶梯钝化层结构与传统栅场板沟道横向电场图；

图4为实施例中不同阶梯场板和阶梯钝化层的长度与高度的击穿特性图；

图5为实施例中不同阶梯场板和阶梯钝化层长度对应的击穿电压图；

图6为实施例中不同阶梯场板和阶梯钝化层长度与击穿电压关系图；

图7为实施例中不同阶梯场板和阶梯钝化层长度对应的横向电场分布图；

图8为实施例中不同阶梯场板和阶梯钝化层高度对应的击穿电压图；

图9为实施例中不同阶梯场板和阶梯钝化层高度与击穿电压关系图；

图10为实施例中不同阶梯场板和阶梯钝化层高度对应的横向电场分布图；

附图标记：S-源极，G-栅极，D-漏极，L_FP1-阶梯场板和阶梯钝化层的第一阶长度，L_FP2-阶梯场板和阶梯钝化层的第二阶长度，H_FP1-阶梯场板和阶梯钝化层的第一阶高度，H_FP2-阶梯场板和阶梯钝化层的第二阶高度。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明为带有阶梯场板和阶梯钝化层的AlGaN/GaN晶体管，自下而上依次包含衬底、成核层、缓冲层、沟道层、势垒层和钝化层；势垒层上设置有栅极金属和源漏极金属，栅极金属往阶梯钝化层延伸形成阶梯场板金属，阶梯场板金属与阶梯钝化层的阶梯结构相适应，阶梯场板位于阶梯钝化层上方，阶梯场板的长度区间为栅漏间距的1/4到1/2。

钝化层包括源栅钝化层和阶梯钝化层；源栅钝化层在栅极金属和源极金属之间，阶梯钝化层在栅极漏侧。

首先，在厚度为15nm碳化硅衬底上，低温外延厚度为10nm的GaN成核层；接着在成核层上外延厚度为2.5μm的GaN缓冲层，使GaN缓冲层的背景载流子浓度控制在1×10¹⁶cm^-3，形成高阻GaN缓冲层，从而减小缓冲层泄漏电流；

然后，在GaN缓冲层上外延厚度为20nm的GaN作为沟道层，再在GaN沟道层上异质外延AlGaN势垒层，其厚度为20nm，Al组分为0.26(在本实施例中，所外延的GaN和AlGaN均为Ga面极性)。在AlGaN势垒层上加入栅极金属和源漏极金属，栅极金属采用Ni/Au，形成肖特基接触，源漏极金属采用4层金属Ti/Al/Pt/Au(依次由下而上)，并对源漏电极进行激活而形成欧姆接触。栅源金属之间为厚度200nm、长度2μm的钝化层，栅极漏侧为厚度100nm和200nm、长度2μm的阶梯钝化层，以及厚度200nm、长度3μm的阶梯场板与漏极之间的钝化层。

阶梯场板金属位于阶梯钝化层上部，第一阶钝化层上部的阶梯场板长度和高度分别为1μm、100nm，第二阶钝化层上部的阶梯场板长度和高度分别为1μm、200nm，阶梯场板金属采用Ni/Au与栅极金属为一整体。

本发明所涉器件与传统栅场板器件对比，结果表明该发明器件的耐压性能显著提升。本发明带有阶梯场板和阶梯钝化层的器件与传统栅场板的击穿特性如图2和图3所示(在实施例中，取漏极电流达到1mA时的漏极电压即为击穿电压)，可以看出阶梯场板和阶梯钝化层器件的击穿电压值高于传统栅场板器件，而且阶梯场板和阶梯钝化层器件的横向电场分布区域更加宽广，扩展承受电压的范围。相比传统栅场板，阶梯场板和阶梯钝化层对击穿电压的提升效果为96.9％，并且可以通过对阶梯场板和钝化层的长度和厚度优化耐压性能。

进一步，对该发明中阶梯场板和阶梯钝化层进行优化，分别设定阶梯场板和阶梯钝化层的第二阶长度L_FP2为0.6μm、0.8μm、1.0μm、1.2μm及高度H_FP2为0.16μm、0.18μm、0.20μm、0.22μm，得到该发明器件的击穿特性随L_FP2和H_FP2的变化情况，具体结果如图4所示，从图中可以看出，阶梯场板和阶梯钝化层的长度、高度等参数与器件耐压性能紧密相关，存在明显的规律性。为深入展现该发明所涉器件的特性，故对阶梯场板和阶梯钝化层的长度、高度进行分析和归纳，如图5、图6和图7所示，该发明器件的击穿电压值随着L_FP2的增加而变大，对应的器件沟道横向电场分布表明高电场转移到阶梯场板和阶梯钝化层的边缘处，随着L_FP2的增大，电场分布区域越大，阶梯边缘的电场峰升高，电场分布均匀性的增加可以减小因电场集中而导致的表面态和缺陷，减轻电应力退化的影响，利于器件的稳定输出，提升器件可靠性；类似地，如图8、图9和图10，该发明器件的击穿电压值随H_FP2的增大而减小，电场分布区域也随着H_FP2的增大而扩展，使得器件的电场分布更加均匀，从而提升了击穿电压和可靠性。

通过上述的分析与说明，本发明器件实现了耐压性能和可靠性的提升，有利于增大器件的输出功率。

Claims (2)

1.一种带有阶梯场板和阶梯钝化层的晶体管，由下而上依次包括衬底、成核层、缓冲层、沟道层、势垒层和钝化层，其特征在于：

所述势垒层AlGaN，沟道层为GaN，两者形成异质结；势垒层上设置有栅极、漏极和源极；栅极金属采用自下而上依次为Ni/Au的二层金属，栅极金属和AlGaN势垒层形成肖特基接触；源极金属和漏极金属为多层金属Ti/Al/Pt/Au，与AlGaN势垒层形成欧姆接触；

所述钝化层包括源栅钝化层和栅极漏侧钝化层；源栅钝化层在栅极金属和源极金属之间；栅极漏侧钝化层位于栅极金属和漏极金属之间，包括阶梯钝化层和阶梯场板与漏极之间的钝化层，阶梯钝化层分为第一阶钝化层和第二阶钝化层，其阶梯钝化层部分与阶梯场板大小相适应，第一阶钝化层长度为1μm，厚度为100nm，第二阶钝化层与第一阶的长度比值为0.6-1.2，厚度比值为1.4-2.2；

所述阶梯场板位于阶梯钝化层上部，采用自下而上依次为Ni/Au的二层金属，由栅极向栅极漏侧钝化层上方外延形成，栅极与阶梯场板为一整体，阶梯场板的长度区间为栅漏间距的1/4-1/2。

2.如权利要求1所述带有阶梯场板和阶梯钝化层的晶体管，其特征在于：所述第二阶钝化层长度为1.2μm，厚度为0.14μm。