CN113594236B - 一种提高抗单粒子烧毁能力的增强型氮化镓高电子迁移率晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高抗单粒子烧毁能力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距离为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n型半导体漏极场板(10)，该n型半导体漏极场板与势垒层之间的距离为10～100nm。本发明有效提高了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，氮化镓器件可用于实现小体积、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层与源极之间的距离为s，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。虽然国际国内相关研究人员对此现象逐步开始关注，但是到目前为止尚无有效手段提升其抗单粒子烧毁能力。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种提高抗单粒子烧毁能力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，n型半导体漏极场板中的电子在电场作用下被漏极收集，n型半导体漏极场板中只留下带正电的施主电荷，这些正电荷会调制漏极附近的电场峰值，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，本发明的技术方案如下：
一种提高抗单粒子烧毁能力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、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之间的距离为s，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，漏极7的左侧设有与漏极7相连的n型半导体漏极场板10，以提高p-GaN增强型HEMT器件的抗单粒子烧毁能力，该n型半导体漏极场板10与势垒层3之间的距离为c，其中s为1～5μm，c为10～100nm。
进一步，所述n型半导体漏极场板10采用n型GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN、Si、SiC中的任意一种，其n型掺杂浓度为1×1016～1×1019cm-3，长度a不超过所述栅场板与所述漏极之间距离的一半，厚度b为90～400nm。
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n型半导体漏极场板结构，在不牺牲器件的基本电学特性的情况下，不仅可实现较复杂的漏极电场调制，而且可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n型半导体漏极场板结构，相比简单的漏极金属场板，n型半导体中带正电的施主电荷具有更好的电场调制能力。
3)本发明器件结构中n型半导体漏极场板制作工艺与传统工艺兼容。
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，该钝化层5的两端设有源极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之间的距离s为1～5μm，p-GaN层4上设有栅极8，栅极8上连接有栅场板9，该漏极7的左侧设有与漏极7相连的n型半导体漏极场板10，且该n型半导体漏极场板10与势垒层3之间的距离c为10～100nm，用以提高p-GaN增强型HEMT器件的抗单粒子烧毁能力。
所述n型半导体漏极场板10，采用n型GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN、Si、SiC中的任意一种，其n型掺杂浓度为1×1016～1×1019cm-3，长度a不超过所述栅场板与所述漏极之间距离的一半，厚度b为90～400nm；
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.本实例的增强型氮化镓高电子迁移率晶体管，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、n型半导体漏极场板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之间的距离s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n型半导体漏极场板10采用n型掺杂浓度为1×1018cm-3的n型AlGaN，且长度a为3μm，厚度b为110nm，其位于漏极7左侧并与漏极7相连，且与势垒层3之间的距离为c为10nm。
实施例2.本实施例的增强型氮化镓高电子迁移率晶体管结构与实施例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、n型半导体漏极场板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之间的距离s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n型半导体漏极场板10采用n型掺杂浓度为5×1018cm-3的n型GaN，且长度a为2μm，厚度b为150nm，其位于漏极7左侧并与漏极7相连，且与势垒层3之间的距离为c为50nm。
实施例3.本实施例的增强型氮化镓高电子迁移率晶体管结构与实施例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、n型半导体漏极场板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300nm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n型半导体漏极场板10采用n型掺杂浓度为1×1017cm-3的n型Si，且长度a为5μm，厚度b为200nm，其位于漏极7左侧并与漏极7相连，且与势垒层3之间的距离为c为100nm。
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＝840V，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500V，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三个具体实例，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或InAlN，所述势垒层3还可以采用GaN或InGaN，所述钝化层5还可以采用AlN或HfO2或ScO2或TiO2或ZrO2，所述n型半导体漏极场板10还可以采用n型AlN或InGaN或InAlN或SiC，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)
1.一种提高抗单粒子烧毁能力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)、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)之间的距离为s，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，漏极(7)的左侧设有与漏极(7)相连的n型半导体漏极场板(10)，以提高p-GaN增强型HEMT器件的抗单粒子烧毁能力，该n型半导体漏极场板(10)与势垒层(3)之间的距离为c，用以提高p-GaN增强型HEMT器件的抗单粒子烧毁能力，其中s为1～5μm，c为10～100nm；
所述n型半导体漏极场板(10)采用n型GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN、Si、SiC中的任意一种，其n型掺杂浓度为1×1016～1×1019cm-3，长度a不超过所述栅场板与所述漏极之间距离的一半，厚度b为90～400nm。
2.根据权利要求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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Non-Patent Citations (1)
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| AlGaN/GaN双异质结F注入增强型高电子迁移率晶体管;王冲等;物理学报;20151231;第65卷(第3期);第1-6页 * |
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