CN111403480A - 一种高压AlGaN/GaN HEMT器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压AlGaN/GaN HEMT器件及其制备方法。所述器件包括AlGaN/GaN外延，AlGaN/GaN外延上表面的两端分别连接源漏电极，所述源漏电极靠近源极侧设置p‑GaN层，在所述p‑GaN层由中心向两侧进行开槽，并在开槽处设置栅电极，形成T型栅。由于栅极两侧的p‑GaN层可以拉伸下方的AlGaN势垒层的能带，从而影响栅极边缘的电场分布，结合T型栅场板的作用，降低了靠近漏极侧栅极边缘的电场峰值，提高了器件的击穿电压。

Description

一种高压AlGaN/GaN HEMT器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体领域AlGaN/GaN HEMT器件，特别涉及一种高压AlGaN/GaN HEMT器件及其制备方法。
背景技术
GaN材料因具有高电子迁移率、低导通电阻、优异的散热能力以及高击穿等特性，广泛应用于高频功率放大器与高压功率开关等场合。特别是GaN高压器件，对于新能源汽车、轨道交通以及风力发电等重要应用领域显得尤为重要。目前大量的研究表明，器件的击穿短板往往在靠近漏极一侧的栅极边缘，在该处存在一个较高的电场峰值，容易导致器件提前击穿；同时高温退火后的源漏电极表面比较粗糙，也容易在边缘引入电场尖峰（W.Zhang, et al, IEEE J. Electron Devices Soc., 2018，6(99)）。
针对优化器件的击穿电压方面，主要包括场板技术、优化源漏电极结构和退火后形貌、优化钝化层及栅介质工艺以及生长高阻缓冲层等。这些方法都能有效地优化器件的击穿特性。P-GaN层在GaN基电子器件中一般是作为制备常闭型器件的一种方式。p-GaN层能够拉伸下方AlGaN势垒层的能带从而对异质结界面处的二维电子气起到耗尽作用，从而实现常闭型HEMT器件（L. Efthymiou, et al, IEEE Electron Device Lett., 2019，40(08)）。有学者（Yue Hao, et al, Phys. Status Solidi Appl. Mater. Sci., 2020，1900793）提出在栅极右侧对AlGaN势垒层进行p型掺杂以削弱栅极边缘的电场峰值，通过优化p型掺杂的密度和掺杂区域的尺寸，在器件（AlGaN沟道）中获得了2199V的击穿电压。
综上所述，引入p-GaN层有助于改变该层下方的2DEG密度，从而起到调节电场，提高器件击穿电压的作用。现有技术对AlGaN势垒层进行p型掺杂的工艺复杂且成本高；本发明基于传统的p-GaN层技术，提出了同时具有p-GaN层和栅场板结构的器件来实现高压性能，其中p-GaN层的刻蚀采用比较成熟的氧化湿法腐蚀方法；无需额外的步骤即可同时实现上述结构，工艺简单，重复性好。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种新的结构来实现高压HEMT器件。该器件利用栅极两侧的p-GaN层可以拉伸下方的AlGaN势垒层的能带，从而影响栅极边缘的电场分布，结合T型栅场板的作用，降低了靠近漏极侧栅极边缘的电场峰值，提高了器件的击穿电压；此外，通过优化p-GaN的厚度及掺杂浓度可以调节电场分布，并且不影响器件的直流特性。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现的。
本发明提供的一种高压AlGaN/GaN HEMT器件，包括AlGaN/GaN外延、p-GaN层、源漏电极及栅电极；所述AlGaN/GaN外延上表面的两端连接源漏电极；所述p-GaN层与AlGaN/GaN外延上表面连接；所述p-GaN层由中心向两侧进行开槽，并在开槽处设置栅电极，形成T型栅。
进一步地，所述p-GaN层到源极的距离小于p-GaN层到漏极的距离，即在所述源漏电极靠近源极侧设置p-GaN层。
进一步地，所述p-GaN层的厚度为10-30nm，以保证p-GaN层下方的沟道导通。
进一步地，所述p-GaN层长度为5-7μm，所述p-GaN层的宽度为50-200μm。
进一步地，所述p-GaN层的Mg掺杂浓度为3×1015 cm-3 - 3×1019 cm-3。
进一步地，所述栅电极的栅长为为1-3μm。
进一步地，所述栅电极两侧均有栅场板，所述栅场板向p-GaN层两侧延伸，且位于p-GaN层之上。
本发明提供一种制备所述的高压AlGaN/GaN HEMT器件的方法，包括如下步骤：
（1）在AlGaN/GaN外延上沉积一层p-GaN层；
（2）定义p-GaN层光刻窗口，并进行p-GaN层的刻蚀；
（3）定义源漏电极光刻窗口，制备源漏电极并进行退火形成欧姆接触；
（4）定义栅电极光刻窗口，进行p-GaN层的刻蚀并制备T型栅电极，得到所述高压AlGaN/GaN HEMT器件。
进一步地，步骤（1）所述p-GaN层是由金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）或分子束外延（MBE）制备得到的。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果和优点：
本发明提供的高压AlGaN/GaN HEMT器件是同时具有p-GaN层和栅场板结构的器件，具有高压性能；无需额外的步骤即可同时实现上述结构，工艺简单，重复性好；采用上述结构有效地调制了电场，降低了此处的电场峰值，有效地将击穿电压从610V提高到了1252V。
附图说明
图1为实施例的在AlGaN/GaN外延上沉积完p-GaN层后的示意图；
图2为实施例的刻蚀完部分p-GaN后的器件结构示意图；
图3为实施例的形成源漏电极后的器件结构示意图；
图4为实施例的形成T型栅后的器件结构示意图；
图5为实施例制备的有无p-GaN层结构的器件的击穿电压曲线图；
图中，AlGaN/GaN外延1， p-GaN层2，源漏电极3，栅电极4。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
实施例
本实施例提供了一种高压AlGaN/GaN HEMT器件，其结构示意图如图4所示，所述器件包括AlGaN/GaN外延1，AlGaN/GaN外延上表面的两端分别连接源漏电极3，所述源漏电极靠近源极侧设置p-GaN层2，在所述p-GaN层正中间进行开槽，并在开槽处设置栅电极4，形成T型栅。
本实施例还提供了一种制备高压AlGaN/GaN HEMT器件的方法，包括以下步骤：
（1）在AlGaN/GaN1外延上沉积一层p-GaN层2，其厚度为30nm，掺杂浓度为3×1016 cm-3，如图1所示；
（2）定义p-GaN层光刻窗口，并进行p-GaN层的刻蚀，p-GaN正中间刻蚀的宽度为3μm，p-GaN层长度为7μm，宽度为200μm，如图2所示；
（3）定义源漏电极光刻窗口，制备源漏电极3并进行退火形成欧姆接触，如图3所示；
（4）定义栅电极光刻窗口，制备T型栅电极4，栅长为3μm，如图4所示，得到所述高压AlGaN/GaN HEMT器件。
图5为本实施例提供的有无p-GaN层结构的器件的击穿电压的对比图，其中实线代表着无p-GaN层结构的器件对应的击穿电压曲线，虚线代表着有p-GaN层结构的器件对应的击穿电压曲线，两者的栅源电压均设置为-5V以保证器件完全关断。从图5可以看出，在器件关断初期，两者的源漏电流比较接近，当源漏电压继续增大时（610V），实线对应的器件发生了局部击穿，源漏电流突然增大，这与局部电场峰值过高有关；虚线对应的器件在1252V才发生器件穿通现象，击穿电压提高了105%；这说明有p-GaN层结构的器件的电场峰值得到了抑制。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高压AlGaN/GaN HEMT器件,其特征在于，包括AlGaN/GaN外延、p-GaN层、源漏电极及栅电极；所述AlGaN/GaN外延上表面的两端连接源漏电极；所述p-GaN层与AlGaN/GaN外延上表面连接；所述p-GaN层由中心向两侧进行开槽，并在开槽处设置栅电极，形成T型栅。
2.根据权利要求1所述的高压AlGaN/GaN HEMT器件,其特征在于，所述p-GaN层到源极的距离小于p-GaN层到漏极的距离。
3.根据权利要求1所述的高压AlGaN/GaN HEMT器件,其特征在于，所述p-GaN层的厚度为10-30nm。
4.根据权利要求1所述的高压AlGaN/GaN HEMT器件,其特征在于，所述p-GaN层长度为5-7μm，所述p-GaN层的宽度为50-200μm。
5.根据权利要求1所述的高压AlGaN/GaN HEMT器件,其特征在于，所述p-GaN层的Mg掺杂浓度为3×1015 cm-3 - 3×1019 cm-3。
6.根据权利要求1所述的高压AlGaN/GaN HEMT器件,其特征在于，所述栅电极的栅长为为1-3μm。
7.根据权利要求1所述的高压AlGaN/GaN HEMT器件,其特征在于，所述栅电极两侧均有栅场板，所述栅场板向p-GaN层两侧延伸，且位于p-GaN层之上。
8.一种制备权利要求1-7任一项所述的高压AlGaN/GaN HEMT器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在AlGaN/GaN外延上沉积一层p-GaN层；
（2）定义p-GaN层光刻窗口，并进行p-GaN层的刻蚀；
（3）定义源漏电极光刻窗口，制备源漏电极并进行退火形成欧姆接触；
（4）定义栅电极光刻窗口，进行p-GaN层的刻蚀并制备T型栅电极，得到所述高压AlGaN/GaN HEMT器件。
9.根据权利要求8所述的高压AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述p-GaN层是由金属有机化合物化学气相沉淀或分子束外延制备得到的。
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