CN113594235A - 一种抗单粒子烧毁的增强型氮化镓高电子迁移率晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗单粒子烧毁的增强型氮化镓高电子迁移率晶体管，主要解决现有同类器件抗单粒子烧毁能力低的问题，其自下而上包括：衬底(1)、缓冲层(2)、势垒层(3)、钝化层(5)，该钝化层的两端设有源极(6)和漏极(7)，源极的右侧设有与源极之间的间距为1～5μm的p‑GaN层(4)，该p‑GaN层上方设有栅极(8)，该栅极上连接有栅场板(9)，该漏极的左侧设有与漏极相连的阶梯型漏极场板(10)，该阶梯型漏极场板(10)由m个阶梯场板组成。本发明由于采用阶梯型的漏极场板结构，有效提高了p‑GaN增强型HEMT器件的抗单粒子烧毁能力，可用于工作在空间辐照环境中的航天电子系统。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种抗单粒子烧毁的增强型氮化镓高电子迁移率晶体管，可用于工作在空间辐照环境中的航天电子系统。
背景技术
氮化镓GaN材料具有禁带宽度大、临界击穿电场高和耐高温等特点，基于其制备的GaN高电子迁移率晶体管HEMT，因其异质结界面处存在高密度、高迁移率的二维电子气，使得其导通电阻小、工作频率高。采用p型GaN材料作为GaN HEMT器件的栅极，可以实现增强型GaN电力电子器件。在电源中采用p-GaN增强型GaN器件，能明显减少电源的开关损耗，提升器件工作频率，从而大大减小电源体积。基于上述优势，氮化镓器件可作为小体积、超快速的开关。
现有的p-GaN增强型HEMT结构，如图1所示。自下而上包括：衬底、缓冲层、势垒层、钝化层，钝化层两端设有源极和漏极，源极右侧设有p-GaN层，该p-GaN层与源极之间留有1～5μm的间距，p-GaN层上设有栅极，栅极上连接有栅场板，由于p-GaN层的作用，栅极下方沟道中的二维电子气被耗尽，从而实现了增强型器件。
近年来，研究发现在空间应用环境下，p-GaN增强型GaN器件面临严重的单粒子效应，具体表现为器件在远低于其额定工作电压下即发生烧毁，造成航天电子系统失效。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，对现有的p-GaN增强型HEMT结构进行改进，提出一种新的增强型氮化镓高电子迁移率晶体管，以避免器件在远低于其额定工作电压下发生烧毁所造成航天电子系统失效的事故，提高GaN器件的抗单粒子烧毁能力。
本发明的技术方案是这样实现的：
一.技术原理：
当重离子入射器件后，重离子在其入射路径上碰撞电离产生大量电子-空穴对，在电场的作用下，空穴向栅极和源极移动，电子向漏极移动。在这些载流子作用下沟道电场峰值从栅场板边缘附近移动到漏极附近。当漏极附近出现电场峰值时，阶梯型漏极场板可以抑制漏极附近电场增加，降低漏极附近因高电场导致的碰撞电离产生的电子-空穴对数目，有效减小重离子辐照后的瞬态电流，从而在不影响器件基本电学特性的同时提高了器件的抗单粒子烧毁能力。
二.技术方案
依据上述原理，本发明的抗单粒子烧毁的增强型氮化镓高电子迁移率晶体管，自下而上包括：衬底1、缓冲层2、势垒层3和钝化层5，钝化层5两端设有源极6和漏极7，源极6的右侧设有p-GaN层4，该p-GaN层4与源极6之间留有1～5μm的间距，p-GaN层4上设有栅极8，栅极8上连接有栅场板9，其特征在于：
所述漏极7的左侧设有与漏极7相连的阶梯型漏极场板10，以提高p-GaN增强型HEMT器件的抗单粒子烧毁能力。
所述阶梯型漏极场板10的阶梯数目m为1～10个，每个阶梯的宽度ti为0.1～1μm，每个阶梯的底边宽度为si，且si≤ti，1≤i≤m，每个阶梯的厚度为di，且满足关系di-di+1＝hi，其中第一个阶梯的厚度d1为50～400nm，第一个阶梯底边与势垒层3之间的间距h1为10～100nm，相邻两个阶梯的厚度差hi为10～100nm，每个阶梯左下角的角度ai为90°～170°。
进一步，所述衬底1采用蓝宝石、SiC、GaN或Si中的任意一种。
进一步，所述缓冲层2采用GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的任意一种，其厚度为1～10μm。
进一步，所述势垒层3采用GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的任意一种，其厚度为5～100nm。
进一步，所述钝化层5采用SiNx、Al2O3、AlN、SiO2、HfO2、ScO2、TiO2、ZrO2中的任意一种，其厚度为100～500nm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明由于采用阶梯型漏极场板结构，可在不牺牲器件的基本电学特性的情况下，不仅能实现较复杂的漏极电场调制，而且能避免局部电场集中造成的器件单粒子烧毁，提高了p-GaN增强型HEMT器件的抗单粒子烧毁能力。
2)本发明由于采用阶梯型漏极场板结构，相比简单的漏极金属场板，阶梯型漏极场板具有更好的电场调制能力。
3)本发明器件结构中阶梯型漏极场板制作工艺可与传统工艺兼容。
附图说明
图1是现有p-GaN增强型HEMT器件结构示意图。
图2是本发明器件的结构示意图。
图3是分别用传统器件及本发明器件仿真在LET＝0.6pC/μm的重离子在器件辐照敏感位置入射后的瞬态电流随时间变化曲线图。
具体实施方式
参见图2，本发明的抗单粒子烧毁的增强型氮化镓高电子迁移率晶体管，自下而上包括：衬底1、缓冲层2、势垒层3和钝化层5，钝化层5两端设有源极6和漏极7，源极6的右侧设有p-GaN层4，该p-GaN层4与源极6之间留有1～5μm的间距，p-GaN层4上设有栅极8，栅极8上连接有栅场板9，漏极7的左侧设有与漏极7相连的阶梯型漏极场板10，以提高p-GaN增强型HEMT器件的抗单粒子烧毁能力。该阶梯型漏极场板10的阶梯数目m为1～10个，每个阶梯的宽度ti为0.1～1μm，每个阶梯的底边宽度为si，且si≤ti，1≤i≤m，每个阶梯的厚度为di，且满足关系di-di+1＝hi，其中第一个阶梯的厚度d1为50～400nm，第一个阶梯底边与势垒层3之间的间距h1为10～100nm，相邻两个阶梯的厚度差hi为10～100nm，每个阶梯左下角的角度ai为90°～170°。
所述衬底1采用蓝宝石、SiC、GaN或Si中的任意一种；
所述缓冲层2采用GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的任意一种，其厚度为1～10μm；
所述势垒层3采用GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的任意一种，其厚度为5～100nm；
所述钝化层5采用SiNx、Al2O3、AlN、SiO2、HfO2、ScO2、TiO2、ZrO2中的任意一种，其厚度为100～500nm。
实施例1.阶梯型漏极场板10的阶梯数目m为2个的抗单粒子烧毁的增强型氮化镓高电子迁移率晶体管。
本实例包括：衬底1、缓冲层2、势垒层3、p-GaN层4、钝化层5、源极6、漏极7、栅极8、栅场板9、阶梯型漏极场板10。该衬底1采用SiC；该缓冲层2采用厚度为3μm的GaN，其位于衬底1之上；该势垒层3采用厚度为15nm的AlGaN，其位于缓冲层2之上；该钝化层5采用厚度为120nm的Al2O3，其位于势垒层3之上；该源极6和漏极7分别位于钝化层5的两端；该p-GaN层4位于源极6的右侧，其与源极6之间的间距为3μm；该栅极8位于p-GaN层4之上；该栅场板9与栅极8相连，其位于钝化层5之上；该阶梯型漏极场板10的阶梯数目m为2个，第一个阶梯的宽度t1为1μm，第二个阶梯的宽度t2为0.8μm，第一个阶梯的底边宽度s1为0.5μm，第二个阶梯的底边宽度s2为0.4μm，第一个阶梯的厚度d1为80nm，第二个阶梯的厚度d2为40nm，第一个阶梯底边与势垒层3之间的间距h1为40nm，第一个阶梯与第二个阶梯的厚度差h2为40nm，第一个阶梯左下角的角度a1为160°，第二个阶梯左下角的角度a2为150°。
实施例2.阶梯型漏极场板10的阶梯数目m为3个的抗单粒子烧毁的增强型氮化镓高电子迁移率晶体管
本实例结构与实施例1相同，即包括：衬底1、缓冲层2、势垒层3、p-GaN层4、钝化层5、源极6、漏极7、栅极8、栅场板9、阶梯型漏极场板10，其参数和材料变化如下：
所述衬底1采用Si；
所述缓冲层2采用厚度为5μm的AlGaN，其位于衬底1之上；
所述势垒层3采用厚度为25nm的AlN，其位于缓冲层2之上；
所述钝化层5采用厚度为200nm的SiNx，其位于势垒层3之上；
所述源极6和漏极7分别位于钝化层5的两端；
所述p-GaN层4位于源极6的右侧，其与源极6之间的间距为1μm；
所述栅极8位于p-GaN层4之上；
所述栅场板9与栅极8相连，其位于钝化层5之上；
所述阶梯型漏极场板10的阶梯数目m为3个，第一个阶梯的宽度t1为0.8μm，第二个阶梯的宽度t2为0.7μm，第三个阶梯的宽度t3为0.6μm，第一个阶梯的底边宽度s1为0.4μm，第二个阶梯的底边宽度s2为0.3μm，第三个阶梯的底边宽度s3为0.2μm，第一个阶梯的厚度d1为150nm，第二个阶梯的厚度d2为80nm，第三个阶梯的厚度d3为50nm，第一个阶梯底边与势垒层3之间的间距h1为50nm，第一个阶梯与第二个阶梯的厚度差h2为70nm，第二个阶梯与第三个阶梯的厚度差h3为30nm，第一个阶梯左下角的角度a1为150°，第二个阶梯左下角的角度a2为130°，第二个阶梯左下角的角度a3为120°。
实施例3.阶梯型漏极场板10的阶梯数目m为5个的抗单粒子烧毁的增强型氮化镓高电子迁移率晶体管
本实例结构与实施例1相同，即包括：衬底1、缓冲层2、势垒层3、p-GaN层4、钝化层5、源极6、漏极7、栅极8、栅场板9和阶梯型漏极场板10，其参数和材料变化如下：
所述衬底1采用蓝宝石；
所述缓冲层2采用厚度为10μm的InGaN，其位于衬底1之上；
所述势垒层3采用厚度为30nm的InAlN，其位于缓冲层2之上；
所述钝化层5采用厚度为500nm的SiO2，其位于势垒层3之上；
所述源极6和漏极7分别位于钝化层5的两端；
所述p-GaN层4位于源极6的右侧，其与源极6之间的距离s为5μm；
所述栅极8位于p-GaN层4之上；
所述栅场板9与栅极8相连，其位于钝化层5之上；
所述阶梯型漏极场板10的阶梯数目m为5个，第一个阶梯的宽度t1为1μm，第二个阶梯的宽度t2为0.8μm，第三个阶梯的宽度t3为0.6μm，第四个阶梯的宽度t4为0.4μm，第五个阶梯的宽度t5为0.2μm，第一个阶梯的底边宽度s1为0.8μm，第二个阶梯的底边宽度s2为0.6μm，第三个阶梯的底边宽度s3为0.4μm，第四个阶梯的底边宽度s4为0.2μm，第五个阶梯的底边宽度s5为0.1μm，第一个阶梯的厚度d1为400nm，第二个阶梯的厚度d2为390nm，第三个阶梯的厚度d3为370nm，第四个阶梯的厚度d4为340nm，第五个阶梯的厚度d5为300nm，第一个阶梯底边与势垒层3之间的间距h1为100nm，第一个阶梯与第二个阶梯的厚度差h2为10nm，第二个阶梯与第三个阶梯的厚度差h3为20nm，第三个阶梯与第四个阶梯的厚度差h4为30nm，第四个阶梯与第五个阶梯的厚度差h5为40nm，第一个阶梯左下角的角度a1为150°，第二个阶梯左下角的角度a2为140°，第三个阶梯左下角的角度a3为130°，第四个阶梯左下角的角度a4为120°，第五个阶梯左下角的角度a5为110°。
实施例4.阶梯型漏极场板10的阶梯数目m为10个的抗单粒子烧毁的增强型氮化镓高电子迁移率晶体管
本实例结构与实施例1相同，即包括：衬底1、缓冲层2、势垒层3、p-GaN层4、钝化层5、源极6、漏极7、栅极8、栅场板9和阶梯型漏极场板10，其参数和材料变化如下：
所述衬底1采用蓝宝石；
所述缓冲层2采用厚度为8μm的InAlN，其位于衬底1之上；
所述势垒层3采用厚度为20nm的InGaN，其位于缓冲层2之上；
所述钝化层5采用厚度为500nm的HfO2，其位于势垒层3之上；
所述源极6和漏极7分别位于钝化层5的两端；
所述p-GaN层4位于源极6的右侧，其与源极6之间的距离s为5μm；
所述栅极8位于p-GaN层4之上；
所述栅场板9与栅极8相连，其位于钝化层5之上；
所述阶梯型漏极场板10的阶梯数目m为10个，第一个阶梯的宽度t1为1μm，第二个阶梯的宽度t2为0.8μm，第三个阶梯的宽度t3为0.6μm，第四个阶梯的宽度t4为0.4μm，第五个阶梯的宽度t5为0.2μm，第六个阶梯的宽度t6为1μm，第七个阶梯的宽度t7为0.8μm，第八个阶梯的宽度t8为0.6μm，第九个阶梯的宽度t9为0.4μm，第十个阶梯的宽度t10为0.2μm，第一个阶梯的底边宽度s1为0.8μm，第二个阶梯的底边宽度s2为0.6μm，第三个阶梯的底边宽度s3为0.4μm，第四个阶梯的底边宽度s4为0.2μm，第五个阶梯的底边宽度s5为0.1μm，第六个阶梯的底边宽度s6为0.8μm，第七个阶梯的底边宽度s7为0.6μm，第八个阶梯的底边宽度s8为0.4μm，第九个阶梯的底边宽度s9为0.2μm，第十个阶梯的底边宽度s10为0.1μm，第一个阶梯的厚度d1为400nm，第二个阶梯的厚度d2为395nm，第三个阶梯的厚度d3为385nm，第四个阶梯的厚度d4为370nm，第五个阶梯的厚度d5为350nm，第六个阶梯的厚度d6为325nm，第七阶梯的厚度d7为295nm，第八个阶梯的厚度d8为260nm，第九个阶梯的厚度d9为220nm，第十个阶梯的厚度d10为175nm，第一个阶梯底边与势垒层3之间的间距h1为100nm，第一个阶梯与第二个阶梯的厚度差h2为5nm，第二个阶梯与第三个阶梯的厚度差h3为10nm，第三个阶梯与第四个阶梯的厚度差h4为15nm，第四个阶梯与第五个阶梯的厚度差h5为20nm，第五个阶梯与第六个阶梯的厚度差h6为25nm，第六个阶梯与第七个阶梯的厚度差h7为30nm，第七个阶梯与第八个阶梯的厚度差h8为35nm，第八个阶梯与第九个阶梯的厚度差h9为40nm，第九个阶梯与第十个阶梯的厚度差h10为45nm，第一个阶梯左下角的角度a1为150°，第二个阶梯左下角的角度a2为145°，第三个阶梯左下角的角度a3为140°，第四个阶梯左下角的角度a4为135°，第五个阶梯左下角的角度a5为130°，第六个阶梯左下角的角度a6为125°，第七个阶梯左下角的角度a7为120°，第八个阶梯左下角的角度a8为115°，第九个阶梯左下角的角度a9为110°，第十个阶梯左下角的角度a10为105°。本发明的效果可以通过以下仿真实验进一步说明：
用LET＝0.6pC/μm的重离子分别辐照传统器件及本发明的第一实施例器件，仿真其得到瞬态电流随时间变化曲线图，结果如图3所示。
如图3可见，传统器件在LET＝0.6pC/μm的重离子辐照时单粒子烧毁阈值电压为VSEB＝350V，本发明器件在LET＝0.6pC/μm的重离子辐照时单粒子烧毁阈值电压为VSEB＝620V，相比传统器件，本发明器件的单粒子烧毁阈值电压提高了近300V，说明本发明器件能有效提高器件的单粒子烧毁阈值电压和抗单粒子烧毁能力。
以上描述仅是本发明的四个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，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，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，例如所述缓冲层2还可以采用AlN，所述势垒层3还可以采用GaN，所述钝化层5还可以采用AlN或ScO2或TiO2或ZrO2，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种抗单粒子烧毁的增强型氮化镓高电子迁移率晶体管，自下而上包括：衬底(1)、缓冲层(2)、势垒层(3)和钝化层(5)，钝化层(5)两端设有源极(6)和漏极(7)，源极(6)的右侧设有p-GaN层(4)，该p-GaN层(4)与源极(6)之间留有1～5μm的间距，p-GaN层(4)上设有栅极(8)，栅极(8)上连接有栅场板(9)，其特征在于：
所述漏极(7)的左侧设有与漏极(7)相连的阶梯型漏极场板(10)，以提高p-GaN增强型HEMT器件的抗单粒子烧毁能力；
所述阶梯型漏极场板(10)的阶梯数目m为1～10个，每个阶梯的宽度ti为0.1～1μm，每个阶梯的底边宽度为si，且si≤ti，1≤i≤m，每个阶梯的厚度为di，且满足关系di-di+1＝hi，其中第一个阶梯的厚度d1为50～400nm，第一个阶梯底边与势垒层(3)之间的间距h1为10～100nm，相邻两个阶梯的厚度差hi为10～100nm，每个阶梯左下角的角度ai为90°～170°。
2.根据权利要求书1所述的晶体管，其特征在于：衬底(1)采用蓝宝石、SiC、GaN或Si中的任意一种。
3.根据权利要求书1所述的晶体管，其特征在于：缓冲层(2)采用GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的任意一种，其厚度为1～10μm。
4.根据权利要求书1所述的晶体管，其特征在于：势垒层(3)采用GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的任意一种，其厚度为5～100nm。
5.根据权利要求书1所述的晶体管，其特征在于：钝化层(5)采用SiNx、Al2O3、AlN、SiO2、HfO2、ScO2、TiO2、ZrO2中的任意一种，其厚度为100～500nm。
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| US20210217884A1 (en) * | 2018-12-07 | 2021-07-15 | Gan Systems Inc. | GaN HEMT DEVICE STRUCTURE AND METHOD OF FABRICATION |
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2021
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