CN109326641A - 一种基于hemt器件的开关结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于HEMT器件的开关结构，包括衬底层、缓冲层、势垒层、漏电极、源电极、栅电极以及悬臂电极，其中，所述衬底层、所述缓冲层和所述势垒层自下而上依次设置；所述漏电极和所述源电极均设置在所述缓冲层上，所述势垒层设置在所述缓冲层上未被所述漏电极和所述源电极覆盖的区域；所述栅电极设置在所述势垒层上且位于所述漏电极与所述源电极之间；所述悬臂电极的固定端设置在所述势垒层上，悬臂端位于所述漏电极和源电极上方，并且能够与所述漏电极或源电极接触。该基于HEMT器件的开关结构能够满足在高频、高压、高温等领域的应用，且开关反应极快，在没有导通的情况下不存在电流泄漏，极大地减小了功率损耗。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于HEMT器件的开关结构。
背景技术
目前，在电力电子领域中普遍采用的开关为硅基功率器件，比如金属-半导体场效应晶体管(MESFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，这些器件开关普遍具有击穿电压低、功率容量小、开关时间长以及直流功耗大等缺点。随着电力电子技术的快速发展，硅材料本身的局限性日益凸显，基于硅材料的电力电子器件已经无法满足电力系统在高频、高温、高压等方面的迫切需求。
高电子迁移率晶体管，又称调制掺杂场效应管(HEMT)，作为一种电力电子器件，具有其它晶体管无法相比的高电子迁移率，随着宽禁带半导体材料的出现及研究的深入，更多的研究者开始致力于基于宽禁带半导体材料的HEMT器件研究。
宽禁带半导体材料易于形成异质结结构，为器件提供导电沟道，异质结中所存在的二维电子气(2DEG)具有高电子迁移率以及高电子饱和速度，基于该结构的HEMT器件开关具有击穿电压高、特征通态电阻低和开关速度快等特点。但是，该类器件通常为耗尽型器件，并且在关态下具有较大的泄露电流，使其存在较大的静态功耗，因此需要设计一种不存在泄露电流，功率损耗小，可以满足器件在高频、高压、高温等领域应用的高性能功率开关。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于HEMT器件的开关结构。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种基于HEMT器件的开关结构，包括衬底层、缓冲层、势垒层、漏电极、源电极、栅电极以及悬臂电极，其中，
所述衬底层、所述缓冲层和所述势垒层自下而上依次设置；
所述漏电极和所述源电极均设置在缓冲层上，所述势垒层设置在缓冲层上未被所述漏电极和所述源电极覆盖的区域；
所述栅电极设置在所述势垒层上且位于所述漏电极与所述源电极之间；
所述悬臂电极的固定端设置在所述势垒层上，悬臂端位于所述漏电极和源电极上方，并且能够与所述漏电极或源电极接触。
本发明的一个实施例中，所述势垒层上还包括钝化层，所述钝化层覆盖在所述漏电极与所述栅电极之间以及所述源电极与所述栅电极之间的所述势垒层上。
本发明的一个实施例中，在所述衬底层与所述缓冲层之间还包括成核层。
本发明的一个实施例中，所述钝化层的材料是Al2O3、Si3N4、SiO2或TiN。
本发明的一个实施例中，所述悬臂电极的悬臂端下表面设置有接触电极，用于接触所述漏电极或源电极。
本发明的一个实施例中，所述悬臂电极的材料为掺杂P的Si0.4Ge0.6。
本发明的一个实施例中，所述接触电极的材料为W。
本发明的一个实施例中，所述悬臂电极的厚度为0.8-1.2μm。
本发明的一个实施例中，所述悬臂电极的臂长为1～3.5μm。
本发明的一个实施例中，所述栅电极距离所述漏电极或所述源电极的距离为0.7～2.8μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的基于HEMT器件的开关结构，设置有悬臂电极，在栅电极未施加电压的情况下不与源电极或漏电极接触，而在栅电极施加电压达到开启电压时与源电极或漏电极接触导通，迅速产生大电流，使得开关导通，其一方面开关反应极快，另一方面在没有导通的情况下，不存在电流泄漏，极大的减小了功率损耗。
2、本发明所提出的悬臂式开关结构是基于HEMT器件结构的，因此，能够满足器件开关在高频、高压、高温等领域的要求。
附图说明
图1是本发明实施例的一种基于HEMT器件的开关结构示意图；
图2是本发明实施例的一种基于HEMT器件的开关结构俯视图；
图3是本发明实施例的一种基于HEMT器件的开关结构的栅电极电压(Vgs)与源电极流向漏电极的电流(Ids)的关系示意图；
图4是传统HMET器件开关的栅电极电压(Vgs)与源电极流向漏电极的电流(Ids)的关系示意图。
附图标记说明：
1-衬底层；2-成核层；3-缓冲层；4-势垒层；5-钝化层；6-漏电极；7-源电极；8-栅电极；9-悬臂电极；10-接触电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明内容做进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。
请参见图1，图1是本发明实施例的一种基于HEMT器件的开关结构示意图。如图所示，本实施例的基于HEMT器件的开关结构，包括衬底层1、缓冲层3、势垒层4、钝化层5、漏电极6、源电极7、栅电极8，悬臂电极9以及接触电极10。
衬底层1、缓冲层3和势垒层4自下而上依次设置。具体地，衬底层1可以由Si、SiC或蓝宝石材料制成，缓冲层3可以由GaN或GaAs材料制成。进一步地，当缓冲层3为GaN材料制成时，在衬底层1与缓冲层3之间还包括成核层2，成核层2由AlN材料制成，成核层2有助于制备过程中GaN缓冲层的生长。势垒层4可以由AlGaN、AlInN、AlGaAs或InGaN材料制成。GaN缓冲层3与AlGaN势垒层4之间由于极化效应会产生具有高电子迁移率的2DEG。
漏电极6和源电极7均设置在缓冲层3上，势垒层4设置在缓冲层3上未被漏电极6和源电极7覆盖的区域；栅电极8设置在势垒层4上且位于漏电极6与源电极7之间。栅电极8距离漏电极6或源电极7的距离范围为0.7～2.8μm。漏电极6与缓冲层3之间形成欧姆接触，源电极7与缓冲层3之间也形成欧姆接触，栅电极8与势垒层4形成肖特基接触。具体地，在本实施例中，漏电极6位于缓冲层3上表面的一侧边缘，而源电极7位于缓冲层3上表面另一侧且与边缘的距离为1μm；栅电极8距源电极7与漏电极6的距离分别为1.4μm；栅电极8和漏电极6均采用W金属制成。
进一步地，势垒层4上还包括钝化层5，钝化层5设置在漏电极6与栅电极8之间以及源电极7与栅电极8之间的势垒层4上。钝化层5可以由Al2O3、Si3N4、SiO2或TiN制成。
请一并参见图1和图2，图2是本发明实施例的一种基于HEMT器件的开关结构俯视图。悬臂电极9的固定端设置在势垒层4上，悬臂端位于漏电极6和源电极7上方，并且能够在施加电压时与漏电极6或源电极7接触。悬臂电极9由掺杂有P元素的Si0.4Ge0.6材料制成。悬臂电极9的厚度可为0.8-1.2μm。在本实施例中，悬臂电极9的悬臂端平行于衬底层1，且臂长可为1～3.5μm。
进一步地，悬臂电极9的悬臂端下表面设置有接触电极10，以使悬臂电极9与漏电极6或源电极7接触。在本实施例中，接触电极10位于漏电极6的上方，且在栅电极8施加一定电压的条件下与漏电极6接触，使得作为另一漏电极的悬臂电极9与漏电极6接触，从而实现开关的导通。然而，应该理解的是，在其他的实施例中，接触电极10还可以位于源电极7的上方，且在栅电极8施加一定电压的条件下与源电极7接触，使得作为另一源电极的悬臂电极9与源电极7接触。在本实施例中，接触电极10由金属W制成。
本实施例中，悬臂电极9与接触电极10通过下述工艺制备：
1、在漏电极6、源电极7、栅电极8与钝化层5上分别淀积200nm厚的LTO(低温下沉积的氧化物)，并且在漏电极6位置的上方通过LTO形成一个凹槽，凹槽深度为100nm，该凹槽用于随后生长接触电极10；
2、在凹槽处淀积金属W形成接触电极10；
3、在LTO材料、接触电极10与未被材料LTO覆盖的AlGaN势垒层4上方淀积掺杂P的Si0.4Ge0.6制作悬臂电极9，该悬臂的厚度是1μm；
4、使用49％的蒸汽氢氟酸在27℃下对LTO材料进行定时各向同性氧化物蚀刻，最终得到悬臂电极9及位于悬臂电极9悬臂端下表面的接触电极10。其中，所述悬臂电极9距离栅电极8的垂直距离为200nm，所述接触电极10与漏电极6的垂直距离为100nm。
本发明的基于HEMT器件的开关结构的工作原理为：悬臂电极9作为另一个漏电极，由于异质结处的极化作用，在缓冲层3和势垒层4界面处会天然形成一层2DEG，其成为连接源电极7与漏电极6的导电沟道。
在源电极7与悬臂电极9之间施加一个5V的工作电压。
当在栅电极8上未施加电压时，悬臂电极9与漏电极6未连接，因此开关电路未导通，源电极7与悬臂电极9之间不存在电流。
当在栅电极8上施加正向电压时，处于栅电极8上方的悬臂电极9由于静电力作用而被吸引下来，接触电极10与漏电极6之间的距离减小。
当达到开启电压时，接触电极10与漏电极6之间的距离减小为0，两电极之间接触导通，此时，源电极7与悬臂电极9之间会形成通路并迅速产生大电流，开关导通。
当栅压下降到关断电压时，由于栅电极8的静电力不足，悬臂电极9会在弹性力的作用下向上浮起，使得漏电极6与接触电极10断开，开关关断，在源电极7与悬臂电极9之间的电流瞬间减小为0。
然而，应该理解的是，在其他的实施例中，接触电极10还可以位于源电极7的上方，悬臂电极9作为另一源电极，在漏电极6与悬臂电极9之间施加一个5V的工作电压。
当在栅电极8上未施加电压时，悬臂电极9与源电极7未连接，因此开关电路未导通，漏电极6与悬臂电极9之间不存在电流。
当在栅电极8上施加正向电压时，处于栅电极8上方的悬臂电极9由于静电力作用而被吸引下来，接触电极10与源电极7之间的距离减小。
当达到开启电压时，接触电极10与源电极7之间的距离减小为0，两电极之间接触导通，此时，漏电极6与悬臂电极9之间会形成通路并迅速产生大电流，开关导通。
当栅压下降到关断电压时，由于栅电极8的静电力不足，悬臂电极9会在弹性力的作用下向上浮起，使得源电极7与接触电极10断开，开关关断，在漏电极6与悬臂电极9之间的电流瞬间减小为0。
请参见图3，图3是本发明实施例的一种基于HEMT器件的开关结构的栅电极电压(Vgs)与源电极流向漏电极的电流(Ids)的关系示意图。如图所示，开关打开时，Vgs与Ids关系从曲线1变化到曲线2，开关速度极快，并会随着栅压的增大而继续变大，当开关从开启状态转换为关断状态时，会出现滞后切换行为，因此关断电压会比开启电压略小，变化过程从曲线2到3再到4。
请参见图4，图4是传统HMET器件开关的栅电极电压(Vgs)与源电极流向漏电极的电流(Ids)的关系示意图。如图所示，由于天然存在的2DEG，传统HMET器件在栅压为0V的情况下无法关断，即使在负栅压下达到关断状态，也会存在亚阈值漏电。从源漏电流随栅压的变化趋势来看，相比于本发明，传统结构的HEMT器件的开关速度很慢。
由图3与图4的比较中可以清楚地看出，本发明实例中当栅压达到该开关电路的开启电压时，源漏电流会迅速上升到一定的数值，并不会像图4中传统结构的HEMT器件那样成曲线状的缓慢上升；在栅压为0V的情况下，开关处于关断状态，不存在任何的泄漏电流，功率损耗极低；由于缓冲层3为宽禁带材料，因此本发明器件开关的击穿电压很高，使其具有很大的功率容量。
本实施例的基于HEMT器件的开关结构，设置有悬臂电极，在栅电极未施加电压的情况下不与源极或漏极接触，而在栅电极施加电压时与源极或漏极接触导通，迅速产生大电流，使得开关导通，其一方面开关反应极快，另一方面在没有导通的情况下，不存在电流泄漏，极大的减小了功率损耗。另外，本实施例所提出的悬臂式开关结构是基于HEMT器件结构的，因此，能够满足器件开关在高频、高压、高温等领域的要求。
值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然，对于本领域的专业人员来说，在了解本发明的内容和原理后，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，例如，所述缓冲层的材质包括GaN或GaAs，但不限于此；所述势垒层的材质包括AlGaN、AlInN、AlGaAs或InGaN，但不限于此；所述衬底的材质可为Si、SiC、蓝宝石的任意一种；钝化层的材质包括Al2O3、Si3N4、SiO2、TiN中的任意一种，但不限于此；此外，在GaN缓冲层与AlGaN势垒层之间还可以生长一层极薄的AlN或InGaN插入层；还可以调整悬臂电极9的位置或调整接触电极10的位置；还可以将悬臂电极9制作成另一个源电极，通过悬臂电极9与源电极7的接触实现开关的导通，这些技术特征均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于HEMT器件的开关结构，其特征在于，包括衬底层(1)、缓冲层(3)、势垒层(4)、漏电极(6)、源电极(7)、栅电极(8)以及悬臂电极(9)，其中，
所述衬底层(1)、所述缓冲层(3)和所述势垒层(4)自下而上依次设置；
所述漏电极(6)和所述源电极(7)均设置在所述缓冲层(3)上，所述势垒层(4)设置在所述缓冲层(3)上未被所述漏电极(6)和所述源电极(7)覆盖的区域；
所述栅电极(8)设置在所述势垒层(4)上且位于所述漏电极(6)与所述源电极(7)之间；
所述悬臂电极(9)的固定端设置在所述势垒层(4)上，悬臂端位于所述漏电极(6)和源电极(7)上方，并且能够与所述漏电极(6)或源电极(7)接触。
2.根据权利要求1所述的基于HEMT器件的开关结构，其特征在于，所述势垒层(4)上还包括钝化层(5)，所述钝化层(5)覆盖在所述漏电极(6)与所述栅电极(8)之间以及所述源电极(7)与所述栅电极(8)之间的所述势垒层(4)上。
3.根据权利要求1所述的基于HEMT器件的开关结构，其特征在于，所述衬底层(1)和缓冲层(3)之间还包括成核层(2)。
4.根据权利要求2所述的基于HEMT器件的开关结构，其特征在于，所述钝化层(5)的材料是Al2O3、Si3N4、SiO2或TiN。
5.根据权利要求1所述的基于HEMT器件的开关结构，其特征在于，所述悬臂电极(9)的所述悬臂端的下表面设置有接触电极(10)，用于接触所述漏电极(6)或源电极(7)。
6.根据权利要求5所述的基于HEMT器件的开关结构，其特征在于，所述悬臂电极(9)的材料为掺杂P的Si0.4Ge0.6。
7.根据权利要求5所述的基于HEMT器件的开关结构，其特征在于，所述接触电极(10)的材料为W。
8.根据权利要求1所述的基于HEMT器件的开关结构，其特征在于，所述悬臂电极(9)的厚度为0.8～1.2μm。
9.根据权利要求1所述的基于HEMT器件的开关结构，其特征在于，所述悬臂电极(9)的臂长为1～3.5μm。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的基于HEMT器件的开关结构，其特征在于，所述栅电极(8)距离所述漏电极(6)或所述源电极(7)的距离为0.7～2.8μm。
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Citations (4)
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| CN2566285Y (zh) * | 2002-07-31 | 2003-08-13 | 清华大学 | 集成铁电微镜式光开关 |
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2018
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Patent Citations (4)
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