CN108847422A - 带有耦合场板的高电子迁移率晶体管 - Google Patents

带有耦合场板的高电子迁移率晶体管 Download PDF

Info

Publication number
CN108847422A
CN108847422A CN201810620591.0A CN201810620591A CN108847422A CN 108847422 A CN108847422 A CN 108847422A CN 201810620591 A CN201810620591 A CN 201810620591A CN 108847422 A CN108847422 A CN 108847422A
Authority
CN
China
Prior art keywords
coupling
field plate
electrode
barrier layer
drain electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810620591.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108847422B (zh
Inventor
张春伟
李阳
岳文静
李志明
付小倩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jinan Banyi Electronics Co., Ltd
Original Assignee
University of Jinan
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Jinan filed Critical University of Jinan
Priority to CN201810620591.0A priority Critical patent/CN108847422B/zh
Priority to PCT/CN2018/112150 priority patent/WO2019085835A1/zh
Publication of CN108847422A publication Critical patent/CN108847422A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108847422B publication Critical patent/CN108847422B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/778Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/402Field plates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66409Unipolar field-effect transistors
    • H01L29/66446Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET]
    • H01L29/66462Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET] with a heterojunction interface channel or gate, e.g. HFET, HIGFET, SISFET, HJFET, HEMT

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

本发明提出了一种带有耦合场板的高电子迁移率晶体管,包括:衬底;衬底上方设有缓冲层;缓冲层上方设有沟道层;沟道层上方设有源电极、漏电极和势垒层,且源电极和漏电极位于势垒层的两端,势垒层位于源电极和漏电极的中间;势垒层上方设有介质层和栅电极;其特征在于,在所述栅电极与漏电极之间的介质层表面设置有若干耦合场板,每一个耦合场板上方设有一个耦合电极,所有耦合电极通过金属互连线与源电极相互连接。该结构可以通过耦合电极以及耦合场板的尺寸设计改变耦合场板的耦合电位,进而改变耦合场板对横向电场的调节作用,优化器件的横向电场分布,提高器件的横向耐压能力。

Description

带有耦合场板的高电子迁移率晶体管
技术领域
本发明涉及功率半导体器件领域,更具体的说,是涉及一种适用于高压应用的带有耦合场板的高电子迁移率晶体管。
背景技术
具有异质结构(特别是由氮化镓和氮化镓铝制成的异质结构)的高电子迁移率晶体管(HEMT)具有电子迁移率高和临界电场大的特点,因而具有击穿电压高、导通电阻小和开关速度快的优点,可以提高电源管理系统的效率,降低电源管理系统的体积,在功率半导体领域有广阔的应用前景。
由于异质结构的高电子迁移率晶体管中形成P型掺杂区域的技术难度大、成本高,功率半导体领域中的超级结技术和埋层技术无法应用于HEMT器件,因此,场板技术成为优化HEMT器件电场分布,提高HEMT器件击穿电压的主要技术。采用传统源极场板技术的高电子迁移率晶体管结构如图1所示,由于传统源极场板采用源电极形成,其电位为固定的源极电位,导致源极场板末端存在较大的横向电场锋值,栅电极与漏电极之间的势垒层中横向电场分布很不均匀,使得器件的横向耐压能力低,器件的击穿电压远小于理论值。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题,提出了带有耦合场板的高电子迁移率晶体管,该器件中的耦合场板可以调节栅电极与漏电极之间势垒层中的横向电场分布,提高器件的横向耐压能力。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明公开了一种带有耦合场板的高电子迁移率晶体管,包括:衬底;衬底上方设有缓冲层;缓冲层上方设有沟道层;沟道层上方设有源电极、漏电极和势垒层,且源电极和漏电极位于势垒层的两端,势垒层位于源电极和漏电极的中间;势垒层上方设有介质层和栅电极;其特征在于,在所述栅电极和漏电极之间的介质层表面设有若干耦合场板,相邻两个耦合场板之间间隔设定距离;每一个耦合场板上方设有一个耦合电极,所有耦合电极通过金属互连线与源电极相互连接;通过设置耦合电极与相应耦合场板之间的覆盖面积,能够改变耦合电极对相应耦合场板的耦合作用大小,从而改变相应耦合场板的耦合电位,进而调节相应耦合场板下方垫垒层中的横向电场,最终优化器件栅电极与漏电极之间的横向电场分布,提高器件的横向耐压能力。
进一步地,在源电极到漏电极的方向上,所述耦合电极与相应耦合场板之间相互覆盖的面积依次递减。
进一步地,所述耦合电极之间的金属互连线以及耦合电极与源电极之间的金属互连线在宽度方向上相互间隔设定距离,防止金属互连线带来的场板效应在长度方向上相互叠加,从而避免金属互连线降低器件的横向耐压能力。
进一步地,所述源电极和漏电极之间的空隙采用绝缘介质填充。
本发明进一步公开了一种电源管理芯片,采用上述的带有耦合场板的高电子迁移率晶体管。
本发明进一步公开了一种应用于电脑或手机的电源适配器,采用上述的带有耦合场板的高电子迁移率晶体管。
本发明进一步公开了一种存储器芯片,采用上述的带有耦合场板的高电子迁移率晶体管。
本发明有益效果:
(1)采用源极场板的传统器件结构处于关断耐压状态时,源极场板的电位固定为源电极电位,而器件势垒层中的电位沿着栅电极到漏电极的方向不断增加,因此,源极场板上的感应电荷沿着栅电极到漏电极的方向不断增加,源极场板对势垒层中的电场影响也不断增加,导致器件栅电极与漏电极之间的势垒层中横向电场分布不均匀,使得采用源极场板的传统器件横向耐压能力低。而本发明结构的器件处于耐压状态时,各耦合场板的电位由相应耦合电极的耦合作用决定,因此,通过各耦合电极的尺寸设计可以改变相应耦合场板的耦合电位,进而改变相应耦合场板的电场调节能力,使得各耦合场板下方势垒层中的横向电场大小相同、分布均匀,最终在器件栅电极与漏电极之间的势垒层中获得均匀的横向电场分布,所以,本发明结构器件相比采用源极场板的传统器件具有更强的横向耐压能力。
(2)本发明结构可以通过耦合电极的尺寸设计改变耦合场板的作用,从而改变器件势垒层中的电场分布,因此,本发明结构可以通过耦合电极的设计降低器件栅电极末端的电场强度,从而有效缓解器件的电流崩塌效应。
(3)相比于传统结构,本发明结构中的耦合电极通过金属互连线与源电极相连接,栅电极上方覆盖的金属面积大大减小,因此,本发明结构器件的栅电极寄生电容较小。所以,本发明结构器件的开关速度比传统结构器件快。
(4)本发明结构与传统工艺完全兼容,只需要传统制备工艺上进行版图的改动即可实现,不需要增加额外的工艺步骤,不会带来工艺成本的增加。
说明书附图
图1是采用源极场板的传统高电子迁移率晶体管结构的三维示意图;
图2是本发明提供的带有耦合场板的高电子迁移率晶体管结构的三维示意图;
其中,1. 衬底,2. 缓冲层,3. 沟道层,4. 势垒层,5. 介质层,6. 源电极,7. 漏电极,8. 栅电极,91. 第一耦合场板,92. 第二耦合场板,93. 第三耦合场板,101. 第一耦合电极,102. 第二耦合电极,103. 第三耦合电极,111. 第一金属互连线,112. 第二金属互连线,113. 第三金属互连线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍。
本发明公开了一种带有耦合场板的高电子迁移率晶体管,包括:衬底1;衬底1上方设有缓冲层2;缓冲层2上方设有沟道层3;沟道层3上方设有源电极6、漏电极7和势垒层4,且源电极6和漏电极7位于势垒层4的两端,势垒层4位于源电极6和漏电极7的中间;势垒层4上方设有介质层5和栅电极8;其特征在于,在所述栅电极8和漏电极7之间的介质层5表面设置若干耦合场板,所有耦合场板在宽度方向上与栅电极8平行设置,相邻两个耦合场板在长度方向上间隔设定距离。
需要说明的是,本发明中耦合场板的数量根据实际需要进行设置。
本实施例中,耦合场板的数量为三个,如图2所示,分别为:第一耦合场板91、第二耦合场板92和第三耦合场板93;
第一耦合场板91上方设有第一耦合电极101,第二耦合场板92上方设有第二耦合电极102,第三耦合场板93上方设有第三耦合电极103,第一耦合电极101通过第一金属互连线111与源电极6相连,第二耦合电极102通过第二金属互连线112与第一耦合电极101相连,第三耦合电极103通过第三金属互连线113与第二耦合电极102相连。
作为优选的方案,第二耦合电极102与第二耦合场板92之间相互覆盖的面积小于第一耦合电极101与第一耦合场板91之间相互覆盖的面积,第三耦合电极103与第三耦合场板93之间相互覆盖的面积小于第二耦合电极102与第二耦合场板92之间相互覆盖的面积。
作为一种实施方式,本发明的第一金属互连线111、第二金属互连线112和第三金属互连线113在宽度方向上相互间隔设定距离。通过上述方式可以避免第一金属互连线111、第二金属互连线112和第三金属互连线113带来的场板效应出现在同一个宽度位置上而相互叠加,从而缓解金属互连线的引入对器件横向耐压能力的影响。
作为一种实施方式,本发明的带有耦合场板的高电子迁移率晶体管器件源电极6与漏电极7之间的空隙中可以填充绝缘介质。
本发明结构中,第一耦合场板91与势垒层4之间具有寄生电容,命名为C91,第一耦合电极101与第一耦合场板91之间具有寄生电容,命名为C101,由于寄生电容C91和C101为串联关系,当器件处于关断耐压状态时,第一耦合场板91的电位将由寄生电容C91和C101的大小共同决定。
因此,通过第一耦合场板91和第一耦合电极101的设计可以调节寄生电容C91和C101的大小,进而调节第一耦合场板91的耦合电位,改变第一耦合场板91对其下方势垒层4中横向电场的作用大小,使第一耦合场板91下方的势垒层4中具有均匀的横向电场分布。
同理,通过第二耦合场板92和第二耦合电极102的设计可以调节第二耦合场板92的耦合电位,进而使第二耦合场板92下方势垒层4中的横向电场均匀分布,通过第三耦合场板93和第三耦合电极103的设计可以调节第三耦合场板93的耦合电位,进而使第三耦合场板93下方势垒层4中的横向电场均匀分布。
同时,各耦合场板可以通过边缘效应使耦合场板之间的缝隙下方的势垒层4获得均匀的横向电场分布。所以,本发明结构器件的栅电极8与漏电极7之间的势垒层4中具有均匀的横向电场分布,使得本发明结构器件具有接近理想的横向耐压能力。
本发明进一步公开了一种电源管理芯片,该芯片采用了本发明的带有耦合场板的高电子迁移率晶体管。
本发明进一步公开了一种应用于电脑或手机的电源适配器,该适配器采用了本发明的带有耦合场板的高电子迁移率晶体管。
本发明进一步公开了一种存储器芯片,该芯片采用了本发明的带有耦合场板的高电子迁移率晶体管。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.带有耦合场板的高电子迁移率晶体管,包括:衬底;衬底上方设有缓冲层;缓冲层上方设有沟道层;沟道层上方设有源电极、漏电极和势垒层,且源电极和漏电极位于势垒层的两端,势垒层位于源电极和漏电极的中间;势垒层上方设有介质层和栅电极;其特征在于,在所述栅电极和漏电极之间的介质层表面设有若干耦合场板,相邻两个耦合场板之间间隔设定距离;每一个耦合场板上方设有一个耦合电极,所有耦合电极通过金属互连线与源电极相互连接;通过设置耦合电极与相应耦合场板之间的覆盖面积,能够改变耦合电极对相应耦合场板的耦合作用大小,从而改变相应耦合场板的耦合电位,进而调节相应耦合场板下方势垒层中的横向电场,最终优化器件栅电极与漏电极之间的横向电场分布,提高器件的横向耐压能力。
2.如权利要求1所述的带有耦合场板的高电子迁移率晶体管,其特征在于,在源电极到漏电极的方向上,所述耦合电极与相应耦合场板之间相互覆盖的面积依次递减。
3.如权利要求1所述的带有耦合场板的高电子迁移率晶体管,其特征在于,所述耦合电极之间的金属互连线以及耦合电极与源电极之间的金属互连线在宽度方向上相互间隔设定距离,防止金属互连线带来的场板效应在长度方向上相互叠加,从而避免金属互连线降低器件的横向耐压能力。
4.如权利要求1所述的带有耦合场板的高电子迁移率晶体管,其特征在于,所述源电极和漏电极之间的空隙采用绝缘介质填充。
5.一种电源管理芯片,其特征在于,采用权利要求1-4所述的任一种带有耦合场板的高电子迁移率晶体管。
6.一种应用于电脑或手机的电源适配器,其特征在于,采用权利要求1-4所述的任一种带有耦合场板的高电子迁移率晶体管。
7.一种存储器芯片,其特征在于,采用权利要求1-4所述的任一种带有耦合场板的高电子迁移率晶体管。
CN201810620591.0A 2017-10-30 2018-06-15 带有耦合场板的高电子迁移率晶体管 Active CN108847422B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810620591.0A CN108847422B (zh) 2018-06-15 2018-06-15 带有耦合场板的高电子迁移率晶体管
PCT/CN2018/112150 WO2019085835A1 (zh) 2017-10-30 2018-10-26 一种适用于功率半导体器件的超级场板结构及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810620591.0A CN108847422B (zh) 2018-06-15 2018-06-15 带有耦合场板的高电子迁移率晶体管

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108847422A true CN108847422A (zh) 2018-11-20
CN108847422B CN108847422B (zh) 2021-08-06

Family

ID=64203135

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810620591.0A Active CN108847422B (zh) 2017-10-30 2018-06-15 带有耦合场板的高电子迁移率晶体管

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108847422B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5904544A (en) * 1995-01-17 1999-05-18 Ixys Corporation Method of making a stable high voltage semiconductor device structure
CN1937249A (zh) * 2006-10-16 2007-03-28 中国电子科技集团公司第五十五研究所 铝镓氮化物/氮化镓高电子迁移率晶体管及制造方法
US20080203496A1 (en) * 2007-02-28 2008-08-28 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor device
CN103367403A (zh) * 2013-08-01 2013-10-23 苏州能讯高能半导体有限公司 半导体器件及其制造方法
CN103515438A (zh) * 2012-06-20 2014-01-15 株式会社东芝 半导体装置
CN106653830A (zh) * 2015-10-28 2017-05-10 无锡华润上华半导体有限公司 半导体器件耐压结构
US9887268B2 (en) * 2015-07-17 2018-02-06 Cambridge Electronics, Inc. Capacitively-coupled field-plate structures for semiconductor devices
CN107863381A (zh) * 2017-12-11 2018-03-30 四川九鼎智远知识产权运营有限公司 一种耐压半导体元件
CN107871778A (zh) * 2017-10-30 2018-04-03 济南大学 带有电位浮动型场板的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5904544A (en) * 1995-01-17 1999-05-18 Ixys Corporation Method of making a stable high voltage semiconductor device structure
CN1937249A (zh) * 2006-10-16 2007-03-28 中国电子科技集团公司第五十五研究所 铝镓氮化物/氮化镓高电子迁移率晶体管及制造方法
US20080203496A1 (en) * 2007-02-28 2008-08-28 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor device
CN103515438A (zh) * 2012-06-20 2014-01-15 株式会社东芝 半导体装置
CN103367403A (zh) * 2013-08-01 2013-10-23 苏州能讯高能半导体有限公司 半导体器件及其制造方法
US9887268B2 (en) * 2015-07-17 2018-02-06 Cambridge Electronics, Inc. Capacitively-coupled field-plate structures for semiconductor devices
CN106653830A (zh) * 2015-10-28 2017-05-10 无锡华润上华半导体有限公司 半导体器件耐压结构
CN107871778A (zh) * 2017-10-30 2018-04-03 济南大学 带有电位浮动型场板的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管
CN107863381A (zh) * 2017-12-11 2018-03-30 四川九鼎智远知识产权运营有限公司 一种耐压半导体元件

Also Published As

Publication number Publication date
CN108847422B (zh) 2021-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102299174B (zh) 用于高功率的、基于GaN的FET的布图设计
CN103258847B (zh) 一种双面场截止带埋层的rb-igbt器件
CN104617092B (zh) 一种半导体器件及其制作方法
US11652461B2 (en) Transistor level input and output harmonic terminations
CN109461774A (zh) 一种含高介电系数介质块的hemt器件
CN105140302A (zh) 电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管
CN102130150A (zh) 半导体器件结终端结构
WO2022088925A1 (zh) 一种npn三明治栅结构的沟槽mosfet器件
CN105914192B (zh) 基于级联电路的半导体封装结构
CN105762147A (zh) 一种半导体功率器件版图
CN207183281U (zh) 一种可调节开关速度的沟槽栅超结半导体器件
CN106684143A (zh) 基于垂直沟道的异质结场效应管器件及其制备方法
CN108847422A (zh) 带有耦合场板的高电子迁移率晶体管
CN204118076U (zh) 一种具有异质埋层的rf ldmos器件
CN106129116A (zh) 一种具有变k介质折叠横向双扩散金属氧化物半导体场效应管
CN102361035A (zh) 一种无外延层的rf-ldmos器件结构
CN107256857B (zh) 一种栅金属汇流条芯片结构设计及其制作方法
CN206388707U (zh) 用于兼顾igbt短路能力与开关速度的版图结构
CN202307903U (zh) 一种无外延层的rf-ldmos器件结构
CN102760771A (zh) 用于rf-ldmos器件的新型栅结构
CN207052609U (zh) 一种氮化镓高电子迁移率晶体管
CN107359193B (zh) 一种ldmos器件
CN205984993U (zh) 一种垂直型半导体器件的双面终端结构
CN103956383A (zh) 一种基于多顶栅结构的晶体管
CN206877996U (zh) 超结金属栅场效应晶体管

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20211115

Address after: 250101 Room 101, building 15, strategic emerging industry base, Jinan hi tech Zone, No. 2966, Chunhui Road, Jinan hi tech Zone, Shandong Province

Patentee after: Jinan Banyi Electronics Co., Ltd

Address before: 250002 No. 336, nanxinzhuang West Road, Jinan City, Shandong Province

Patentee before: Jinan University

TR01 Transfer of patent right