CN112382661A - 一种耐高击穿电压的GaN HEMT器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高击穿电压的GaN HEMT器件，属于GaN HEMT器件技术领域，包括从下至上依次设置有衬底二、GaN缓冲层二、GaN沟道层二、AlGaN势垒层二、栅介质层二和SiO2钝化层二，在GaN缓冲层二上方的两端分别设置有源电极二和漏电极二，在靠近源电极二的栅介质层二上设置有栅电极二，栅介质层二内设置有栅下极化层，且栅下极化层直接与下方的AlGaN势垒层二接触，SiO2钝化层二内设置有第一栅分段场板和第二栅分段场板，可有效解决使用传统栅场板技术的GaN HEMT器件耐击穿电压低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及GaN HEMT器件技术领域，具体涉及到一种耐高击穿电压的GaN HEMT器件。
背景技术
GaN(氮化镓)作为第三代半导体材料，具有很高的临界击穿电场(约3.3MV/cm)，理论上GaN基器件具有很高的击穿电压，但实际用GaN材料制作的GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)器件的击穿电压远低于其理论值。GaN HEMT器件发生提前击穿的原因主要如下：1)栅电极电场集中效应。GaN HEMT器件关态时，沟道耗尽区会向漏电极扩展，从耗尽区内正电荷发出的电力线会集中指向栅电极边缘，在该处形成了较强的电场峰值，如图4所示，电场分布很不均匀，在较小的漏极电压下器件即发生了雪崩电离而击穿，这是制约GaN HEMT器件击穿电压提高的主要因素；2)缓冲层泄漏电流。在截止状态下，存在高浓度背景载流子的缓冲层会形成漏电通道，从源电极注入的电子可以经过GaN缓冲层到达漏电极，过大的缓冲层泄漏电流同样会造成器件提前击穿；3)栅电极泄漏电流。栅电极附近的强电场所导致的肖特基栅极泄漏电流，也是限制器件击穿电压的原因之一。
近年来，各学者和科研机构主要是从解决栅电极电场集中效应问题来提高击穿电压。解决栅电极电场集中效应最简单的方法是使用栅场板技术，图1为传统的使用栅场板技术的GaN HEMT结构示意图，其结构从底部到顶部依次为：衬底一、GaN缓冲层一、GaN沟道层一、AlGaN势垒层一、源电极一、漏电极一、栅介质层一、SiO2钝化层一、栅电极一和栅场板，其中，源电极一和漏电极一直接与GaN缓冲层一接触构成欧姆接触，所述的栅电极一与栅介质层一接触构成金属-绝缘体-半导体(MIS)栅结构。在该结构中，由于在截止状态下栅场板与栅电极一同电位且均为负电位，可以吸引沟道耗尽后正电荷发出的电力线，进而降低栅电极一边缘的电场峰值，提升器件沟道电场分布的均匀性。对电场的积分就是电压，电场线所包围的面积就是击穿电压值，因此可以提升器件的耐压能力。虽然栅场板技术能够提高GaN HEMT器件的击穿电压，但其能承受的击穿电压仍旧较低，远未达到GaN HEMT器件理论所能承受的极限值。鉴于此，提供一种能承受更高击穿电压的GaN HEMT器件也就显得十分的有意义。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种耐高击穿电压的GaNHEMT器件，可有效解决使用传统栅场板技术的GaN HEMT器件耐击穿电压低的问题。
为达上述目的，本发明提供了一种耐高击穿电压的GaN HEMT器件，包括从下至上依次设置有衬底二、GaN缓冲层二、GaN沟道层二、AlGaN势垒层二、栅介质层二和SiO2钝化层二，在GaN缓冲层二上方的两端分别设置有源电极二和漏电极二，在靠近源电极二的栅介质层二上设置有栅电极二，栅介质层二内设置有栅下极化层，且直接与下方的AlGaN势垒层二接触，SiO2钝化层二内设置有第一栅分段场板和第二栅分段场板。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种耐高击穿电压的GaN HEMT器件，源电极二和漏电极二直接与GaN缓冲层二接触构成欧姆接触，栅电极二与栅介质层二接触构成金属-绝缘体-半导体(MIS)栅结构，不同于图1所示传统的使用栅场板技术的GaN HEMT器件，本发明提供的GaN HEMT器件结构中设置了第一栅分段场板和第二栅分段场板，第一栅分段场板和第二栅分段场板可以在栅电极二和漏电极二之间的沟道中引入新的电场峰值，可提高GaN HEMT器件的击穿电压；同时，本发明提供的GaN HEMT器件结构中在栅介质层二内设置有栅下极化层，可在原异质结的基础上设置附加异质结来调制表面电场，利用异质结界面束缚电荷的原理来调制栅电极二附近电场，可进一步提高GaN HEMT器件的击穿电压；另一方面，栅下极化层可以部分耗尽器件沟道中的二维电子气，使得异质结中的二维电子气减少，从而增大了GaN HEMT器件的阈值电压。
进一步地，第一栅分段场板和第二栅分段场板均位于栅电极二的靠近漏电极二的一侧，两者厚度均小于栅电极二的厚度，且两者顶端均与栅电极二的顶端平齐，第一栅分段场板直接与栅电极二接触，第二栅分段场板与第一栅分段场板在空间上互相分离，但在电学上通过导线互连，使两者具有相同的电位。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：GaN HEMT器件结构中采用上述设置的第一栅分段场板和第二栅分段场板，可以在栅电极二和漏电极二之间的沟道中引入新的电场峰值，有利于提高GaN HEMT器件的击穿电压。
进一步地，第一栅分段场板和第二栅分段场板的材质为导电性良好的导体，优选为金、银或铝材料，第二栅分段场板的个数至少为1个。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：导电性良好的导体电阻率低，电压损耗小，对沟道电场的调制效果更好；第二栅分段场板的个数至少为1个，才能保证在沟道中引入新的电场峰值，多个第二栅分段场板可以引入更多的电场峰值，可有利于提高GaN HEMT器件的击穿电压。
进一步地，栅下极化层的材质为具有极化效应的材料，优选AlGaN或InGaN，栅下极化层的Al摩尔含量小于AlGaN势垒层二的Al摩尔含量。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：因不同Al摩尔含量的AlGaN可产生不同的极化作用，使其两侧应具有不同的束缚电荷。因此，我们在外延生长势垒层时，让栅下极化层的Al摩尔含量小于AlGaN势垒层二的Al摩尔含量，可以使得栅下极化层的极化强度小于AlGaN势垒层二的极化强度，以此达到调节局部电场分布的目的。
进一步地，栅下极化层一侧起始端点在栅电极二一侧，另一侧终止端点位于栅电极二另一侧，其厚度不超过栅介质层二的三分之二。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：GaN HEMT器件结构中设置有栅下极化层，可在原异质结的基础上设置附加异质结来调制表面电场，利用异质结界面束缚电荷的原理来调制栅电极二附近电场。可以进一步降低栅电极二峰值电场同时提升沟道右侧电场以及使沟道电场整体更加均匀，保证GaN HEMT器件具有很高的击穿电压值；栅下极化层的厚度的改变可以对产生的极化效应产生影响，厚度太小调节作用不够明显；厚度太大会使得栅下介质层过薄，增大栅极泄露电流。
进一步地，栅下极化层的极化强度小于AlGaN势垒层二的极化强度。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：栅下极化层的极化强度小于AlGaN势垒层二，可以使得沟道电场整体更加平缓均匀。
相比于传统的使用栅场板的GaN HEMT器件，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的GaN HEMT器件显著提高了耐击穿电压。因为同时具有第一分段场板、第二栅分段场板和栅下极化层结构，因此GaN HEMT器件具有双重调制沟道电场的作用，第一分段场板和第二栅分段场板可以引入新的电场峰值，栅下极化层可以将栅分段场板引入的电场尖峰平坦化以及使沟道电场整体更加均匀，使得GaN HEMT器件具有很高的击穿电压值。
2、本发明提供的GaN HEMT器件显著提高了阈值电压。由于栅下极化层可以部分耗尽器件沟道中的二维电子气，使得异质结沟道中的二维电子气减少，从而增大了阈值电压。
附图说明
图1为传统的使用栅场板技术的GaN HEMT器件结构示意图；
图2为仅使用栅分段场板技术的GaN HEMT器件结构示意图；
图3为本发明具有栅分段场板和栅下极化层的GaN HEMT器件结构示意图；
图4为未使用栅场板技术的器件击穿时沟道电场沿水平方向的分布图；
图5为传统的使用栅场板技术的器件击穿时沟道电场沿水平方向的分布图；
图6为传统的使用栅场板技术与使用栅分段场板技术器件击穿时沟道电场沿水平方向的分布对比图；
图7为传统的使用栅场板技术与使用栅分段场板和栅下极化层技术的器件击穿时沟道电场沿水平方向的分布对比图；
图8为传统的使用栅场板技术、栅分段场板技术、栅分段场板和栅下极化层技术的击穿电压对比图；
图9为仅使用栅下极化层技术的GaN HEMT器件击穿电压图；
图10为本实施例1-2GaN HEMT器件的击穿电压对比图；
图11为使用栅分段场板技术与栅分段场板和栅下极化层技术的阈值电压对比图；
其中，101：衬底一、102：GaN缓冲层一、103：GaN沟道层一、104：AlGaN势垒层一、105：栅介质层一、106：漏电极一、107：源电极一、108：栅电极一、109：SiO2钝化层一、110：栅场板、201：衬底二、202：GaN缓冲层二、203：GaN沟道层二、204：AlGaN势垒层二、205：栅介质层二、206：漏电极二、207：源电极二、208：栅电极二、209：SiO2钝化层二、210：第一栅分段场板、211：第二栅分段场板、212：栅下极化层。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对本发明作进一步描述，将有助于对本发明的理解，但并不能以此来限制本发明的权利范围，而本发明的权利范围应以权利要求书阐述的为准。
实施例1
本实施例1提供了一种具有栅分段场板和栅下极化层的GaN HEMT器件，其结构示意图如图3所示，包括从下至上依次设置有衬底二201、GaN缓冲层二202、GaN沟道层二203、AlGaN势垒层二204、栅介质层二205和SiO2钝化层二209，在GaN缓冲层二202上方的两端分别设置有源电极二207和漏电极二206，在靠近源电极二207的栅介质层二205上设置有栅电极二208，栅介质层二205内设置有栅下极化层212，且直接与下方的AlGaN势垒层二204接触，栅下极化层212一侧起始端点位于栅电极二208一侧，另一侧终止端点位于栅电极二208另一侧；本实施例1栅下极化层212的左端起始点在栅电极208左侧0.5μm处，另一侧终止端点位于栅电极二208右侧6μm处，栅下极化层212的总长度为8μm，其厚度为40nm，栅下极化层的材质为具有极化效应的材料，优选AlGaN或InGaN，栅下极化层212的极化强度小于AlGaN势垒层二204的极化强度。本实施例1栅下极化层212的材质选用AlGaN，且栅下极化层212中Al摩尔含量0.1，不同Al摩尔含量的AlGaN可产生不同的极化作用，进而具有不同的调节作用，栅下极化层212的Al摩尔含量应小于AlGaN势垒层二204的Al摩尔含量0.23才能起到良好的调制作用；SiO2钝化层二209内设置有一个第一栅分段场板210和一个第二栅分段场板211，第一栅分段场板210和第二栅分段场板211均位于栅电极二208的靠近所述漏电极二206的一侧且两者顶端均与栅电极二208的顶端平齐；第一栅分段场板210直接与栅电极二208接触，第二栅分段场板211与第一栅分段场板210在空间上互相分离，在电学上互连，具有相同的电位。第一栅分段场板210的长度为3μm，第二栅分段场板211的长度为1μm，第一栅分段场板与第二栅分段场板的间距为2.5μm，场板厚度为0.3μm；第一栅分段场板210和第二栅分段场板211的材质为导电性良好的导体，如金、银、铝材料，本实施例1选用金，GaN缓冲层二202中掺杂了碳，其掺杂浓度为1e18cm-3，可减少背景载流子的浓度，进而减少GaN缓冲层二202泄漏电流。实施例1的具体参数见表1。
表1实施例1GaN HEMT器件结构的详细参数
实施例2
本实施例2提供了一种具有栅分段场板和栅下极化层的GaN HEMT器件，本实施例2与实施例1的区别仅在于：栅下极化层212的左端起始点在栅电极208右侧0μm处，其他参数与实施例1相同。
对比例1
本对比例1提供了一种传统的使用栅场板技术GaN HEMT器件，其结构示意图如图1所示，包括从下至上依次设置有衬底一101、GaN缓冲层一102、GaN沟道层一103、AlGaN势垒层一104、栅介质层一105和SiO2钝化层一109，在GaN缓冲层一102上方的两端分别设置有源电极一107和漏电极一106，在靠近源电极一107的栅介质层一105上设置有栅电极一108，GaN缓冲层一102中掺杂了碳，其掺杂浓度为1e18cm-3。对比例1的具体参数见表2。
表2对比例1GaN HEMT器件结构的详细参数
对比例2
本对比例2提供了一种仅增加使用栅分段场板技术的GaN HEMT器件，其结构示意图如图2所示，包括从下至上依次设置有衬底二201、GaN缓冲层二202、GaN沟道层二203、AlGaN势垒层二204、栅介质层二205和SiO2钝化层二209，在GaN缓冲层二202上方的两端分别设置有源电极二207和漏电极二206，在靠近源电极二207的栅介质层二205上设置有栅电极二208，SiO2钝化层二209内设置有一个第一栅分段场板210和一个第二栅分段场板211，第一栅分段场板210和第二栅分段场板211均位于栅电极二208的靠近所述漏电极二206的一侧且两者顶端均与栅电极二208的顶端平齐，第一栅分段场板210直接与栅电极二208接触，第二栅分段场板211与第一栅分段场板210在空间上互相分离，在电学上通过导线互连，具有相同的电位，第一栅分段场板210和第二栅分段场板211的材质为金，GaN缓冲层二202掺杂了碳，其掺杂浓度为1e18cm-3。对比例2的具体参数见表3。
表3对比例2GaN HEMT器件结构的详细参数
对比例3
本对比例3提供了一种仅额外使用栅下极化层技术的GaN HEMT器件，本对比例3与实施例1的区别仅在于：GaN HEMT器件中未包括第一栅分段场板210和一个第二栅分段场板211，栅下极化层212的左端起始点在栅电极208右侧0μm处，其长度为6μm，其他参数与实施例1相同。
实验例1
通过仿真得到实施例1和对比例1、对比例1和2中GaN HEMT器件击穿时沟道电场沿水平方向的分布对比图和对比例1中GaN HEMT器件击穿时沟道电场沿水平方向的分布图，实验结果分别如图7、图6以及图5所示。
由图5传统的使用栅场板技术的器件击穿时沟道电场沿水平方向的分布图可知，使用栅场板后，在X＝5μm的栅电极一右侧边缘，沟道电场峰值为2.1MV/cm，低于GaN材料的临界击穿电场，沟道电场分布相对比较均匀，器件耐压值为1239V。另一方面，对比图4通过仿真所得的未使用栅场板技术的器件击穿时沟道电场沿水平方向的分布图可知，未使用栅场板时在X＝5μm的栅电极一右侧边缘，沟道电场附近出现了电场集中现象，电场峰值高达4.1MV/cm，超过了GaN材料的临界击穿电场3.3MV/cm，器件发生提前击穿，仿真表明其耐压仅为197V。所以在实际应用中GaN HEMT器件普遍会加入栅场板结构。
由图6传统的使用栅场板技术与使用栅分段场板技术器件击穿时沟道电场沿水平方向的分布对比图可知，使用了分段场板的对比例2相对于使用普通栅场板的对比例1，在X轴的8μm处的第二栅分段场板左端引入了一个新的电场峰值，这使得沟道电场所包围的面积增大，因为对电场的积分就是电压，所以器件的耐压值得以提升。
由图7传统的使用栅场板技术与使用栅分段场板和栅下极化层技术的器件击穿时沟道电场沿水平方向的分布对比图可知，栅下极化层的加入使得引入分段场板后的电场尖峰更加平缓，在10μm处的电场低谷也整体提升，从而使得沟道内的电场分布整体上升并且更加平缓均匀，器件的击穿电压得到进一步提升。
实验例2
为了说明本发明提供的GaN HEMT器件对于击穿电压的提升效果，对实施例1-2和对比例1-3中GaN HEMT器件进行了击穿电压仿真。通过给GaN HEMT器件的栅漏极加一个-20V的电压，使器件彻底关断。然后在漏源极之间施加扫描电压，扫描电压值从0V增加到4000V，期间如果器件的漏极电流超过一定值，则判定器件发生击穿，仿真结束，此时的扫描电压值即为器件的击穿电压值，测试结果如图8、图9和图10所示。
由图8传统的使用栅场板技术、栅分段场板技术、栅分段场板和栅下极化层技术的击穿电压对比图可知，对比例1只使用传统栅场板的GaN HEMT器件的击穿电压为1239V，对比例2使用分段场板的GaN HEMT器件的击穿电压为1316V，相比于对比例1提升击穿电压77V，提升比为6.2％；实施例1同时使用栅分段场板和栅下极化层技术的GaN HEMT器件的击穿电压为1576V，相比于对比例2又提升了击穿电压260V，提升比为19.8％；而实施例1同时使用栅分段场板和栅下极化层技术的GaN HEMT器件的击穿电压相比于对比例1提升击穿电压337V，提升比为27.2％，可见本发明对于GaN HEMT器件的击穿电压提升效果显著。
由图10可知，实施例2提供的GaN HEMT器件的耐击穿电压为1115V，本实施例1提供的GaN HEMT器件的耐击穿电压为1576V。由此可见，栅下极化层所处的位置能够影响本发明提供的GaN HEMT器件的耐击穿电压。
由图9、图10可知，对比例3提供的GaN HEMT器件的耐击穿电压为944V，实施例2提供的GaN HEMT器件的耐击穿电压为1115V，由此可见，当GaN HEMT器件中同时具有栅分段场板和栅下极化层时，器件的耐击穿电压会显著高于仅使用栅下极化层技术的GaN HEMT器件。
实验例3
为了说明本发明提供的GaN HEMT器件对于阈值电压的提升效果，对实施例1和对比例2中GaN HEMT器件进行了阈值电压仿真对比。具体测量方法为：使GaN HEMT器件的漏源电压Vds固定为10V，栅源电压Vgs从-25V逐渐递加扫描至0V。当栅源电压扫描结束后，读取器件的漏极电流Id值，在阈值电压附近，随着Vgs的递增，漏极电流Id也逐渐增大，当Id增加至1E-7A时我们认为器件导通，此时所对应的电压Vgs的值，即为阈值电压Vth。测试结果如图11所示，由于栅分段场板相对于栅场板来说未改变栅下结构，也未影响到沟道中二维电子气的分布，所以对比例1和对比例2的阈值电压是完全相同的。
由图11所示，本实施例1的GaN HEMT器件阈值电压为-13.2V，高于对比例2的阈值电压，相比于对比例2的-18.7V的阈值电压，提高了5.5V。
综上所述，本发明提供了一种耐高击穿电压的GaN HEMT器件，可有效解决使用传统栅场板技术的GaN HEMT器件耐击穿电压低的问题，且能显著提高GaN HEMT器件的耐击穿电压和阈值电压。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本领域的技术人员不经创造性劳动即对所描述的具体实施例做的修改或补充或采用类似的方式替代仍属本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种耐高击穿电压的GaN HEMT器件，其特征在于，包括从下至上依次设置有衬底二(201)、GaN缓冲层二(202)、GaN沟道层二(203)、AlGaN势垒层二(204)、栅介质层二(205)和SiO2钝化层二(209)，所述GaN缓冲层二(202)上方的两端分别设置有源电极二(207)和漏电极二(206)，在靠近所述源电极二(207)的所述栅介质层二(205)上设置有栅电极二(208)，所述栅介质层二(205)内设置有栅下极化层(212)，所述栅下极化层(212)与下方的所述AlGaN势垒层二(204)直接接触，所述SiO2钝化层二(209)内设置有第一栅分段场板(210)和第二栅分段场板(211)。
2.如权利要求1所述的耐高击穿电压的GaN HEMT器件，其特征在于，所述第一栅分段场板(210)和所述第二栅分段场板(211)均位于所述栅电极二(208)的靠近所述漏电极二(206)的一侧且两者顶端均与所述栅电极二(208)的顶端平齐，所述第一栅分段场板(210)与所述栅电极二(208)直接接触。
3.如权利要求1所述的耐高击穿电压的GaN HEMT器件，其特征在于，所述栅下极化层(212)一侧起始端点位于所述栅电极二(208)一侧，另一侧终止端点位于所述栅电极二(208)另一侧。
4.如权利要求1所述的耐高击穿电压的GaN HEMT器件，其特征在于，所述第二栅分段场板(211)的个数至少为1个。
5.如权利要求1所述的耐高击穿电压的GaN HEMT器件，其特征在于，所述第一栅分段场板(210)和所述第二栅分段场板(211)的厚度均小于所述栅电极二(208)的厚度。
6.如权利要求1所述的耐高击穿电压的GaN HEMT器件，其特征在于，所述栅下极化层(212)的厚度不超过所述栅介质层二(205)的三分之二。
7.如权利要求1所述的耐高击穿电压的GaN HEMT器件，其特征在于，所述栅下极化层(212)的极化强度小于所述AlGaN势垒层二(204)的极化强度。
8.如权利要求1所述的耐高击穿电压的GaN HEMT器件，其特征在于，所述栅下极化层(212)的Al摩尔含量小于所述AlGaN势垒层二(204)的Al摩尔含量。
9.如权利要求1所述的耐高击穿电压的GaN HEMT器件，其特征在于，所述第一栅分段场板(210)和所述第二栅分段场板(211)的材质为金、银或铝，所述栅下极化层(212)的材质为AlGaN或InGaN。
10.如权利要求1所述的耐高击穿电压的GaN HEMT器件，其特征在于，所述第一栅分段场板(210)和所述第二栅分段场板(211)互相分离，但具有相同的电位。
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