CN109004028B - 一种具有源极相连P埋层和漏场板的GaN场效应晶体管 - Google Patents
一种具有源极相连P埋层和漏场板的GaN场效应晶体管 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有源极相连P埋层和漏场板的GaN场效应晶体管,包括栅极、源区、栅介质层、钝化层、势垒层，沟道层，低浓度陷阱掺杂缓冲层，高浓度陷阱掺杂缓冲层，与源极相连P型埋层，漏场板；所述源极相连P型埋层位于低浓度陷阱掺杂缓冲层中，所述漏场板位于钝化层上并栅极延伸。本发明的晶体管工作于关态高压时，P型埋层与漏极相连可以充分耗尽沟道和缓冲层中的载流子，从而降低缓冲层中的泄漏电流，同时调制栅漏之间的电场分布。在P型埋层与漏极相连的基础上，漏场板可以进一步调制漏端的电场，最终使该结构器件相对于传统的纯栅场板AlGaN/GaN绝缘栅场效应晶体管，耐压特性上有明显的改善。
Description
技术领域
本发明涉及半导体高耐压用功率器件，具体涉及一种具有源极相连P型埋层和漏场板的耐压AlGaN/GaN绝缘栅场效应晶体管。
背景技术
随着世界经济的不断发展，能源消耗不断增加，不可再生能源石油存储量越来越少，各国的环保危机意识逐渐增强，为了减少电力电子系统的电力转换和控制方面电能的浪费，提高利用能量的效率，电力电子系统中的核心部件，增强型功率晶体管的能量转换效率一直倍受关注。然而现在在各国的电力电子系统中，所用到的增强型功率开关器件仍然主要是基于Si的MOSFET以及IGBT等。经过多年的发展之后，这些器件已经接近材料的理论物理极限，能量损耗仍然高达5～15％，提高空间有限。为了节约有限的能源，提高能源的利用效率，迫切需要在新材料体系下寻找新的方案，发展新型功率开关器件，提高能量转换效率。
一般把禁带宽度大于2eV的半导体材料定义为宽禁带材料，诸如AlN，SiC和GaN等。理论上，宽禁带材料相比低禁带的材料，宽的禁带的材料在电学特性，热性能等特性上可以获得更好的性能，GaN材料可与AlGaN材料形成AlGaN/GaN异质结，异质结界面下方具有高浓度和高迁移率的二维电子气沟道，采用AlGaN/GaN异质结制作的GaN功率器件，相比Si材料制作的器件，能获得的能量转换效率更高。近年来，各国的研究机构已经展开了可用于取代传统的Si功率开关器件的GaN功率开关器件的研究。
GaN功率开关器件的可靠性，性能和效率很大程度上取决于GaN和相关外延层的生长质量。宽禁带GaN材料和Si衬底之间的物理性质差异巨大，比如晶格常数和热膨胀系数不匹配，使得硅晶片上GaN缓冲层的异质外延生长时，不可避免地产生晶格失配和位错，同时结构中的晶格常数和热膨胀系数不匹配而引起的应力也会损害器件的可靠性，最终在GaN缓冲层中可产生高达1010cm-3的缺陷。由于掺杂杂质和点缺陷，导致生长出来的GaN基本为n型掺杂，背景泄漏电流比较大，容易导致器件的性能恶化，使得器件有可能发生过早的击穿。故需要在结构上对GaN功率器件进行重新设计，进一步提升GaN功率器件的耐压。
发明内容
本发明针对常规GaN功率器件存在的问题，提出了一种新的器件结构，这里我们称该结构为具有源极相连P型埋层和漏场板的耐压AlGaN/GaN绝缘栅场效应晶体管。
实现本发明采用技术方案如下：
本发明一种具有源极相连P埋层和漏场板的GaN场效应晶体管，包括源极、漏极、漏场板、栅极、栅介质层、钝化层、势垒层、沟道层、低浓度陷阱掺杂缓冲层、P型埋层、高浓度陷阱掺杂缓冲层；从上到下依次为钝化层、势垒层、沟道层、低浓度陷阱掺杂缓冲层和高浓度陷阱掺杂缓冲层；所述的源极与钝化层、势垒层、沟道层、P型埋层连接，漏极与钝化层、势垒层、沟道层连接，栅介质层底部与低浓度陷阱掺杂缓冲层接触，侧部与钝化层、势垒层、沟道层接触，栅极金属置于栅介质层上，所述P型埋层位于低浓度陷阱掺杂缓冲层中，厚度为TPBL，长度为Ld，距离沟道层与低浓度陷阱掺杂缓冲层之间的界面的距离为TS；所述漏场板位于钝化层上并向栅极方向延伸，且与漏极连接，长度为Ldfp；所述低浓度陷阱掺杂缓冲层掺杂杂质为C或Fe，掺杂浓度为范围为1×1016—2×1017cm-3，厚度为Tb；所述高浓度陷阱掺杂缓冲层，位于低浓度陷阱掺杂缓冲层下方，掺杂杂质为C或Fe，掺杂浓度为范围为5×1017—1×1019cm-3，长度为Lsd；所述漏极与栅极距离为Lgd，范围0—20μm；P型埋层长度范围为0μm<Ld≤Lsd，厚度范围为0μm<TPBL<Tb，距离沟道层与低浓度陷阱掺杂缓冲层之间界面的距离范围为0μm<Ts<Tb-TPBL；所述漏场板长度范围为0μm<Ldfp<3μm。
作为优选，P型埋层掺杂浓度范围为1×1016—1×1019cm-3。
本发明与现有技术相比，具有以下优点与有益效果：P型埋层与源极相连，可以充分对缓冲层中的载流子耗尽，降低了泄漏电流，同时高压下进一步对沟道中的载流子进行耗尽，从而使沟道层和低掺杂缓冲层更近似于本征半导体，可以承受更大的耐压，有效地调节了漏源之间的电场分布，在P型埋层与源极相连的基础上，漏极场板可以进一步调节漏端的电场分布，从而使得器件的耐压获得极大的改善。
附图说明
图1是传统的栅场板绝缘栅AlGaN/GaN场效应晶体管结构示意图；
图2是只具有源极相连P型埋层的绝缘栅AlGaN/GaN场效应晶体管结构示意图；
图3是具有源极相连P型埋层和漏场板的耐压AlGaN/GaN绝缘栅场效应晶体管结构示意图；
图4是以上三种晶体管击穿时沟道横向电场分布曲线对比图；
图5是以上三种晶体管击穿时漏电流击穿曲线对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明进行具体阐述。
本发明为一种具有源极相连P型埋层和漏场板的耐压AlGaN/GaN绝缘栅场效应晶体管，如图3所示，包含源极302、漏极303，漏场板304、栅极305、栅介质层306、钝化层307、势垒层308、沟道层309、低浓度陷阱掺杂缓冲层310、与源极相连P型埋层311、高浓度陷阱掺杂缓冲层312。
如图1所示为传统的栅场板绝缘栅AlGaN/GaN场效应晶体管结构示意图，可作为本发明的对比器件之一，其包含：源极101、漏极103，栅极105、栅介质层106、钝化层107、势垒层108、沟道层109、低浓度陷阱掺杂缓冲层110、高浓度陷阱掺杂缓冲层112。可以看出，相比本发明，其不包括与源极相连P型埋层和漏场板结构。
如图2所示为只具有源极相连P型埋层的绝缘栅AlGaN/GaN场效应晶体管结构示意图，可作为本发明的对比器件之二，其包含：源极202、漏极203，栅极205、栅介质层206、钝化层207、势垒层208、沟道层209、低浓度陷阱掺杂缓冲层210、与源极相连P型埋层211、高浓度陷阱掺杂缓冲层212。可以看出，相比本发明所提出的结构，其不包括漏场板，而与图1中传统的栅场板绝缘栅AlGaN/GaN场效应晶体管结构对比，可以看出，其多了一个源极相连P型埋层211，并且源极202变化为往下延伸，直到与P型埋层相接触。
图3为本发明，即一种具有源极相连P型埋层和漏场板的耐压AlGaN/GaN绝缘栅场效应晶体管的结构示意图，包含源极302、漏极303，漏场板304、栅极305、栅介质层306、钝化层307、势垒层308、沟道层309、低浓度陷阱掺杂缓冲层310、与源极相连P型埋层311、高浓度陷阱掺杂缓冲层312。相比图1，多一个源极相连P型埋层311和一个漏极场板304，相比图2，多一个漏极场板304。
通过仿真这图1中结构，图2中结构和本发明的结构的击穿特性进行对比，可以明显看出本发明能够获得的优点和效果。图4为三种晶体管都采用相同的参数时，击穿时沟道横向电场分布曲线对比图，可以看出，加入源极相连P型埋层211后，只具有源极相连P型埋层的绝缘栅AlGaN/GaN场效应晶体管相比传统的栅场板绝缘栅AlGaN/GaN场效应晶体管，电场峰值点从靠近栅端区域，转移到了漏极一端，扩大了电场的分布区域。本发明，即具有源极相连P型埋层和漏场板的耐压AlGaN/GaN绝缘栅场效应晶体管，与只具有源极相连P型埋层的绝缘栅AlGaN/GaN场效应晶体管对比，可以看出，漏端的电场得到了进一步的优化，同时栅漏之间的电场，得到了有效的提升，并重新分布，使得GaN材料的耐高场的特性得到了充分的发挥。
获得耐压效果的改善可以从图5中看到，传统的栅场板绝缘栅AlGaN/GaN场效应晶体管的击穿电压只有524.7V，只具有源极相连P型埋层的绝缘栅AlGaN/GaN场效应晶体管提升到了774.9V，而本发明提出的具有源极相连P型埋层和漏场板的耐压AlGaN/GaN绝缘栅场效应晶体管的耐压，得到了明显的增强，为1043V。同时，从漏源电流对比亦可看出，在300V时，只具有源极相连P型埋层的绝缘栅AlGaN/GaN场效应晶体管，以及发明的晶体管，比传统的栅场板绝缘栅AlGaN/GaN场效应晶体管，泄漏电流低一到二个数量级。说明本发明提出的具有源极相连P型埋层和漏场板的耐压AlGaN/GaN绝缘栅场效应晶体管能够有效改善耐压，并降低缓冲层泄漏电流。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (2)
1.一种具有源极相连P埋层和漏场板的GaN场效应晶体管，包括源极、漏极，漏场板、栅极、栅介质层、钝化层、势垒层、沟道层、低浓度陷阱掺杂缓冲层、P型埋层、高浓度陷阱掺杂缓冲层；其特征在于：从上到下依次为钝化层、势垒层、沟道层、低浓度陷阱掺杂缓冲层和高浓度陷阱掺杂缓冲层；所述的源极与钝化层、势垒层、沟道层、P型埋层连接，漏极与钝化层、势垒层、沟道层连接，栅介质层底部与低浓度陷阱掺杂缓冲层接触，侧部与钝化层、势垒层、沟道层接触，栅极置于栅介质层上，所述P型埋层位于低浓度陷阱掺杂缓冲层中，厚度为T PBL，长度为L d，距离沟道层与低浓度陷阱掺杂缓冲层之间的界面的距离为T S；所述漏场板位于钝化层上并向栅极方向延伸，且与漏极连接，长度为L dfp；所述低浓度陷阱掺杂缓冲层掺杂杂质为C或Fe，掺杂浓度范围为1×1016—2×1017 cm-3，厚度为T b；所述高浓度陷阱掺杂缓冲层，位于低浓度陷阱掺杂缓冲层下方，掺杂杂质为C或Fe，掺杂浓度范围为5×1017—1×1019 cm-3，长度为L ds；所述漏极与栅极距离为L gd，范围0—20 μm；P型埋层长度范围为0 μm<L d≤L ds，厚度范围为0 μm <T PBL<T b，距离沟道层与低浓度陷阱掺杂缓冲层之间界面的距离范围为0 μm <T s<T b- T PBL；所述漏场板长度范围为0 μm < L dfp <3μm。
2.根据权利要求1所述一种具有源极相连P埋层和漏场板的GaN场效应晶体管，特征在于：P型埋层掺杂浓度范围为1×1016—1×1019 cm-3。
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