CN112864243B - 一种具有钝化层渐变氟离子终端的GaN HMET器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种具有钝化层渐变氟离子终端的GaN HMET器件。本发明主要特征在于：在器件栅极和漏级之间引入氟离子注入终端结构，且氟离子注入区域面积由靠近栅极一侧向漏极一侧逐渐减小，有效降低栅极边缘电场尖峰，并在漂移区中部引入新的电场尖峰，调制器件横向电场；氟离子注入终端结构位于厚钝化层中，可避免离子注入对AlGaN材料的物理损伤和对2DEG迁移率的影响，改善器件特性并抑制电流崩塌。本发明的有益效果为，该结构能实现更高的耐压以及更小的比导通电阻。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，具体的说是涉及一种具有钝化层渐变氟离子终端的GaN HMET器件。
背景技术
基于GaN材料的HEMT在大电流、低功耗、高压开关器件应用领域具有广阔的应用前景。对于AlGaN/GaN HEMT器件而言，由于栅边缘存在电场尖锋、泄漏电流过大等原因导致器件提前击穿，其耐压远未达到GaN材料的理论极限。氟离子注入终端可降低栅边缘电场尖峰并引入新的电场尖峰，有效提升器件耐压。特别的，渐变掺杂的氟离子注入终端更能有效的改善器件表面场。但氟离子注入不稳定，且受限于工艺。
在具有氟离子注入终端的常规HEMT结构中，氟离子注入到较薄的AlGaN势垒层中会影响2DEG的输运特性，导致器件性能退化。氟离子注入到较厚的钝化层中可以保证离子注入区域远离2DEG沟道，避免离子注入对AlGaN材料的物理损伤和对2DEG迁移率的影响，最终改善器件的动态特性并抑制电流崩塌。
发明内容
本发明基于HEMT器件应用的需要，提出一种具有钝化层渐变氟离子终端的GaNHMET器件。通过引入渐变氟离子注入终端来提高器件的耐压，同时采用在厚钝化层中注入，避免了离子注入对AlGaN材料的物理损伤和对2DEG迁移率的影响。
本发明的技术方案是：
一种具有钝化层渐变氟离子终端的GaN HMET器件，包括沿器件垂直方向自下而上依次层叠设置的衬底层1、GaN缓冲层2、沟道层3、势垒层4、顶部GaN层5以及钝化层6；沿器件横向方向，器件表面从一侧到另一侧依次具有源极结构、栅极结构、在钝化层中的氟离子注入终端10以及漏级结构，源极结构和漏极结构位于器件上表面的两端；
所述源极结构沿器件垂直方向贯穿钝化层6和顶部GaN层5延伸至势垒层4中，源极结构由第一导电材料7构成；所述第一导电材料7上表面引出源极；所述源极结构为欧姆接触；
所述漏极结构沿器件垂直方向贯穿钝化层6和顶部GaN层5延伸至势垒层4中，漏极结构由第二导电材料9构成；所述第二导电材料9上表面引出源极；所述漏极结构为欧姆接触；
所述栅极结构沿器件垂直方向贯穿钝化层6后与顶部GaN层5上表面接触，栅极结构由第三导电材料8构成；所述第三导电材料8上表面引出栅极；所述栅极结构为肖特基接触；
所述栅极结构和源极结构、栅极结构和漏极结构之间的顶部GaN层5上表面为钝化层6；
所述氟离子注入终端10嵌入设置在栅极结构与漏极结构之间的钝化层6中，且氟离子注入终端10底部不与顶部GaN层5接触；沿器件纵向方向，氟离子注入终端10分为多个形状相同但是不连续的区域，每个区域中，沿栅极结构到漏极结构的方向，氟离子注入区域的面积逐渐递减；
所述器件纵向方向为同时与器件横向方向和器件垂直方向均垂直的第三维度方向；
本发明总的技术方案，基于氟离子注入终端技术，在器件横向方向栅漏之间引入区域面积渐变的氟离子注入终端，相较于普通氟离子注入终端能更有效平整器件表面场提升器件耐压，同时终端结构在工艺上可通过一张板一次氟离子注入完成，工艺要求简单；同时在厚钝化层进行氟离子注入可以保证离子注入区域远离2DEG沟道，避免离子注入对AlGaN材料的物理损伤和对2DEG迁移率的影响，最终改善器件的耐压特性并抑制电流崩塌。
进一步的，所述第一导电材料7、第三导电材料8和第二导电材料9为Ti、Al、Ni、Au中的一种或多种的组合。
进一步的，所述衬底1采用的材料为蓝宝石、Si、SiC、AlN、GaN、AlGaN中的一种或几种的组合。
进一步的，所述沟道层3及势垒层4采用的材料为GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合。
进一步的，所述厚钝化层6材料为SiNx、SiO2、AlN中的一种或几种。
本发明的有益效果是，相对于传统氟离子注入终端结构，本发明具有更高的耐压，更低的正向导通电阻，更弱的电流崩塌效应以及更高的可靠性。
附图说明
图1是实施例1的三维结构示意图；
图2是实施例1结构的俯视图；
图3是实施例2的三维结构示意图；
图4是实施例2结构的俯视图；
图5是实施例3结构的俯视图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
实施例1
如图1所示，本例的HEMT器件，包括沿器件垂直方向自下而上依次层叠设置的衬底层1、GaN缓冲层2、沟道层3、势垒层4、顶部GaN层5以及钝化层6；沿器件横向方向，器件表面从一侧到另一侧依次具有源极结构、栅极结构、在钝化层中的氟离子注入终端10以及漏级结构，源极结构和漏极结构位于器件上表面的两端；
所述源极结构沿器件垂直方向贯穿钝化层6和顶部GaN层5延伸至势垒层4中，源极结构由第一导电材料7构成；所述第一导电材料7上表面引出源极；所述源极结构为欧姆接触；
所述漏极结构沿器件垂直方向贯穿钝化层6和顶部GaN层5延伸至势垒层4中，漏极结构由第二导电材料9构成；所述第二导电材料9上表面引出源极；所述漏极结构为欧姆接触；
所述栅极结构沿器件垂直方向贯穿钝化层6后与顶部GaN层5上表面接触，栅极结构由第三导电材料8构成；所述第三导电材料8上表面引出栅极；所述栅极结构为肖特基接触；
所述氟离子注入终端10嵌入设置在栅极结构与漏极结构之间的钝化层6中，且氟离子注入终端10底部不与顶部GaN层5接触；沿器件纵向方向，氟离子注入终端10分为多个形状相同但是不连续的梯形区域，每个区域中，沿栅极结构到漏极结构的方向，氟离子注入区域的面积逐渐递减；
本发明提供的具有钝化层渐变氟离子终端HEMT器件，能有效降低栅极电场附近的电场尖峰并在终端右侧末端引入新的电场尖峰；氟离子终端区域面积由栅极一侧至漏级一侧逐渐减小，可使得器件表面电场分布更加均匀，从而提高器件的击穿电压，同时工艺过程中可通过一张板一次氟离子注入完成；在厚的钝化层中进行氟离子注入，可保证离子注入区域远离2DEG沟道，避免离子注入对AlGaN材料的物理损伤和对2DEG迁移率的影响。
实施例2
本例与实施例1的区别是，本例中所述的一种具有钝化层渐变氟离子终端的GaNHMET器件，沿器件纵向方向，所述氟离子注入终端10分为多个形状相同但是不连续的梯形区域，沿器件横向方向，每个区域又包括多个平行且间断分隔的长方形氟离子注入条，且沿栅极结构到漏极结构的方向，长方形氟离子注入条的面积依次递减。相比于实施案例1，本例的优点是氟离子注入总面积减小，对沟道电子耗尽作用减少，但依然对器件表面电场有明显的调控作用。
实施例3
本例与实施例1的区别是，本例中所述的一种具有钝化层渐变氟离子终端的GaNHMET器件，沿器件纵向方向，所述氟离子注入终端10分为多个形状相同但是不连续的梯形区域，沿栅极结构到漏极结构的方向，每个区域为随着氟离子注入面积等间距递减而形成的呈阶梯状分布的不规则区域。
Claims (8)
1.一种具有钝化层渐变氟离子终端的GaN HMET器件，包括沿器件垂直方向自下而上依次层叠设置的衬底层(1)、GaN缓冲层(2)、沟道层(3)、势垒层(4)、顶部GaN层(5)以及钝化层(6)；沿器件横向方向，器件表面从一侧到另一侧依次具有源极结构、栅极结构、在钝化层中的氟离子注入终端(10)以及漏级结构，源极结构和漏极结构分别位于器件上表面的两端；
所述源极结构沿器件垂直方向贯穿钝化层(6)和顶部GaN层(5)延伸至势垒层(4)中，源极结构由第一导电材料(7)构成；所述第一导电材料(7)上表面引出源极；所述源极结构为欧姆接触；
所述漏极结构沿器件垂直方向贯穿钝化层(6)和顶部GaN层(5)延伸至势垒层(4)中，漏极结构由第二导电材料(9)构成；所述第二导电材料(9)上表面引出源极；所述漏极结构为欧姆接触；
所述栅极结构沿器件垂直方向贯穿钝化层(6)后与顶部GaN层(5)上表面接触，栅极结构由第三导电材料(8)构成；所述第三导电材料(8)上表面引出栅极；所述栅极结构为肖特基接触；
所述栅极结构和源极结构、栅极结构和漏极结构之间的顶部GaN层(5)上表面为钝化层(6)；
所述氟离子注入终端(10)嵌入设置在栅极结构与漏极结构之间的钝化层(6)中，且氟离子注入终端(10)底部不与顶部GaN层(5)接触；沿器件纵向方向，氟离子注入终端(10)分为多个形状相同但是不连续的区域，每个区域中，沿栅极结构到漏极结构的方向，氟离子注入区域的面积逐渐递减；
所述器件纵向方向为同时与器件横向方向和器件垂直方向均垂直的第三维度方向。
2.根据权利要求1所述的一种具有钝化层渐变氟离子终端的GaN HMET器件，其特征在于，沿器件纵向方向，所述氟离子注入终端(10)分为多个形状相同但是不连续的梯形区域。
3.根据权利要求1所述的一种具有钝化层渐变氟离子终端的GaN HMET器件，其特征在于，沿器件纵向方向，所述氟离子注入终端(10)分为多个形状相同但是不连续的区域，沿器件横向方向，每个区域又包括多个平行且间断分布的长方形氟离子注入条，且沿栅极结构到漏极结构的方向，长方形氟离子注入条的面积依次递减。
4.根据权利要求1所述的一种具有钝化层渐变氟离子终端的GaN HMET器件，其特征在于，沿器件纵向方向，所述氟离子注入终端(10)分为多个形状相同但是不连续的区域，沿栅极结构到漏极结构的方向，每个区域为随着氟离子注入面积等间距递减而形成的呈阶梯状分布的不规则区域。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种具有钝化层渐变氟离子终端的GaN HMET器件，其特征在于，所述第一导电材料(7)、第三导电材料(8)和第二导电材料(9)为Ti、Al、Ni、Au中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求5所述的一种具有钝化层渐变氟离子终端的GaN HMET器件，其特征在于，所述衬底层(1)采用的材料为蓝宝石、Si、SiC、AlN、GaN、AlGaN中的一种或几种的组合。
7.根据权利要求6所述的一种具有钝化层渐变氟离子终端的GaN HMET器件，其特征在于，所述沟道层(3)及势垒层(4)采用的材料为GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合。
8.根据权利要求7所述的一种具有钝化层渐变氟离子终端的GaN HMET器件，其特征在于，所述钝化层(6)采用的材料为SiNx、SiO2、AlN中的一种或几种。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104009076A (zh) * | 2014-05-29 | 2014-08-27 | 西安电子科技大学 | 一种AlGaN/GaN异质结场效应晶体管 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104009076A (zh) * | 2014-05-29 | 2014-08-27 | 西安电子科技大学 | 一种AlGaN/GaN异质结场效应晶体管 |
| CN104377241A (zh) * | 2014-09-30 | 2015-02-25 | 苏州捷芯威半导体有限公司 | 功率半导体器件及其制造方法 |
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