CN113675269A - 一种抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件及集成电路技术领域，具体的说是涉及一种抑制短沟道效应的p‑GaN HEMT器件。与常规的p‑GN HEMT器件不同的是，本发明的位于AlGaN势垒层上方的p‑GaN层不仅包括厚度较大的、使器件实现增强型器件功能的p‑GaN层，还包括厚度较小的经过凹槽刻蚀的p‑GaN。当器件漏极的电压较高时，凹槽刻蚀的p‑GaN层下方的2DEG耗尽，能够承受漏极电压，从而使厚度较大的p‑GaN层一侧的电位钳位，从而降低短沟道效应。本发明的器件能降低处在高漏偏压时阈值电压的减小量，同时能够提升击穿电压。另外，本发明工艺与传统p‑GaN HEMT器件制备工艺完全兼容。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件及集成电路技术领域，具体涉及一种抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件。
背景技术
氮化镓(GaN)是第三代宽禁带半导体材料代表，受到各国研究人员的广泛关注。GaN 材料具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小及良好的化学稳定性等特点，因此， GaN基HEMT器件与Si基器件相比，具有较低的导通电阻、较小寄生电容、较高的击穿电压等优良性能，可以满足下一代系统对半导体器件更大功率、更小体积、更高频率的应用需求。
然而，传统的基于AlGaN/GaN异质结器件由于存在自发极化和压电极化效应形成天然的 二维电子气导电沟道，为耗尽型器件。但是由于耗尽型器件会增大应用时驱动电路设计的复 杂性和可靠性，因此需要增强型的GaN器件来满足应用需求。目前几种常用的增强型技术中， p-GaN增强型器件已经实现商业化。p-GaN HEMT器件的实现方法为在栅极区域外延一层p 型GaN层，p-GaN与AlGaN/GaN异质结形成类PiN结构，类二极管结构中内建电场能够抵 消AlGaN/GaN异质结中自发极化和压电极化产生的电场作用，从而能够耗尽栅极下方的二维 电子气，从而使得器件具有常关型特性。由于p-GaN HEMTs器件特有的Metal/p-GaN/AlGaN 栅极结构限制了栅极工作电压范围，当前常见的p-GaN HEMTs器件栅极的工作电压范围约为 -4～6V。同时，在器件设计中，为了降低器件工作时的导通电阻，会降低器件栅极的长度来 降低导通电阻。但是，当器件栅极栅极沟道长度很小时，会出现短沟道效应，也即漏致势垒 减低效应(DIBL)，导致阈值电压、和击穿电压降低。
根据前期研究结果表明，当p-GaN HEMT器件处于高漏偏压时，阈值电压相对于低漏偏 压时会降低0.3V左右，会导致器件在使用中极易出现误触发的现象。因此急需一种具备能 够抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件，来提升p-GaN HEMT器件在实际使用时的可靠性和 稳定性。
发明内容
本发明在于克服传统短沟道p-GaN HEMT器件出现的阈值电压、击穿电压降低的问题， 提供抑制短沟道效应的器件。实现不影响器件的正常工作，阈值电压更加稳定，击穿电压更 高，与传统制备工艺完全兼容的p-GaN HEMT器件。
本发明的技术方案为：
一种抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件，包括从下层至上依次层叠设置的衬底层1、 缓冲层2、GaN沟道层3、Al(In)GaN层势垒层4、p-GaN层5、钝化层7；所述GaN层3 和Al(In)GaN层4形成异质结；所述Al(In)GaN层4上层的一端具有第一金属电极10， 另一端具有第二金属电极9，第一金属电极10和第二金属电极9与Al(In)GaN层4之间均 是欧姆接触；所述p-GaN层5呈中部凸起的凸起结构(通过部分凹槽刻蚀形成)，将p-GaN 层5中部凸起结构两侧的部分靠近第一金属电极10的一侧定义为源极侧p-GaN层12，靠近 第二金属电极9的一侧定义为漏极侧p-GaN层11；所述p-GaN层5的上表面覆盖有第三金 属电极6，第三金属电极6与p-GaN层5之间是肖特基接触或欧姆接触；所述第三金属电极 6作为器件的栅极；在Al(In)GaN层势垒层4与第三金属电极6上表面覆盖有钝化层7； 所述第一金属电极10沿钝化层7上表面延伸至靠近第二金属电极9，第一金属电极10作为 器件的源极；所述第二金属电极9沿钝化层7上表面向靠近第一金属电极10的一侧延伸，在 第一金属电极10和第二金属电极9之间具有隔离层8，第二金属电极9作为器件的漏极。
进一步的，所述漏极侧p-GaN层11的长度为大于等于0μm。
进一步的，所述衬底1采用的材料为Si、SiC、蓝宝石中的一种。
进一步的，所述缓冲层2采用的材料为包含一种或几种由GaN、AlGaN、AlN组成的材料。
进一步的，所述钝化层7采用的材料为氮化物、氧化铝、AlN中的一种。
进一步的，所述隔离层8采用的材料为氧化物或氮化物。
本发明的有益效果为：本发明的位于AlGaN势垒层上方的p-GaN层不仅包括厚度较大的、 使器件实现增强型器件功能的p-GaN层，还包括厚度较小的经过凹槽刻蚀的p-GaN。当器件 漏极的电压较高时，凹槽刻蚀的p-GaN层下方的2DEG耗尽，能够承受漏极电压，从而使厚 度较大的p-GaN层一侧的电位钳位，从而降低短沟道效应。本发明的器件能降低处在高漏偏 压时阈值电压的减小量，同时能够提升击穿电压。另外，本发明工艺与传统p-GaNHEMT器 件制备工艺完全兼容。
附图说明
图1(a)为传统p-GaN HEMT器件的结构原理图；(b)为本发明提出的抑制短沟道效应 的p-GaN HEMT器件的结构原理图。
图2(a)为本发明的器件的等效模型，(b)为本发明器件的电位VC随漏源电压变化而 变化的情况。
图3(d)为本发明的具有不同厚度Tp2的凹槽刻蚀的p-GaN层器件阈值电压随漏极电压 变化而变化的情况，(e)击穿电压和DIBL参数随厚度变化而变化的情况。
图4为本发明的具有不同长度Gr的凹槽刻蚀的p-GaN层器件阈值电压随漏极电压变化而 变化的情况，(b)击穿电压和DIBL参数随长度Gr变化而变化的情况。
图5为本发明的具有不同沟道长度Lg的p-GaN层器件阈值电压随漏极电压变化而变化的 情况，(b)击穿电压和DIBL参数随沟道长度Lg变化而变化的情况。
图6(a)传统p-GaN HEMT器件和本发明的器件的转移特性曲线，(b)统p-GaN HEMT器件和本发明的器件的阈值电压随漏极电压变化的情况，(c)传统p-GaN HEMT器件的指数范围变化的转移特性曲线，(d)本发明的p-GaN HEMT器件的指数范围变化的转移特性曲线。
图7为本发明的静态I-V特性与传统p-GaN HEMT器件的对比；(a)输出特性曲线；(b) 击穿特性曲线；(c)沟道处导带能级沿x方向的变化情况。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
如图1所示，相比于传统p-GaN HEMT器件，本发明的位于AlGaN势垒层上方的p-GaN层不仅包括厚度较大的、使器件实现增强型器件功能的p-GaN层5，还包括厚度较小的经过凹槽刻蚀的p-GaN11和12。当器件漏极的电压较高时，凹槽刻蚀的p-GaN层下方的2DEG 耗尽，能够承受漏极电压，从而使厚度较大的p-GaN层一侧的电位钳位，从而降低短沟道效应。
该发明所述的一种抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件的工作原理为：
本发明的器件等效模型如图2(a)所示，包含一个高阈值电压的器件HEMT1和一个低 阈值电压的HEMT2。HEMT1漏极和HEMT2的阈值连接在一起(该连接处的电位定义为VC)，HEMT1的栅极和HEMT2的栅极连接在一起。由于HEMT1器件的阈值电压VTH1大于HEMT 器件2的阈值电压VTH2，当栅极电压达到HEMT1的阈值电压时，HEMT1器件已经开启。器 件的阈值电压主要取决于HEMT1器件的阈值电压，即VTH≈VTH1。
当0<VC<VGS-VTH2(即VGS-VC>VTH2)时，HEMT2开启。此时，VC随着VDS的增大 而增大。
当VC>VGS-VTH2时，HEMT2处于关断状态，也即是厚度较小的p-GaN层11下方的二 维电子气沟道耗尽，能够承担漏极电压VDS。因此，VC随着VDS的增大而保持不变，如图2 (b)所示。
如图3所示，仿真了不同厚度p-GaN层11和12的阈值电压和击穿电压。可以看出，随着厚度的增加阈值电压略微增加，而击穿电压基本保持不变。为了表示高漏压下抑制短沟道 效应的能力，定义了DIBL参数，该参数为
DIBL参数数值越大，表示抑制短沟道效应(也即DIBL)能力越弱。从图2可以看出，随着p-GaN层厚度的增加，DIBL数值增加，表示抑制短沟道效应的能力变弱。
如图4所示，仿真了不同长度的p-GaN层11的阈值电压和击穿电压。可以看出，随着长度的增加，击穿电压先增加后降低，而抑制短沟道效应的能力逐渐变强。
如图5所示，仿真了不同沟道长度的p-GaN层5的阈值电压和击穿电压。可以看出，随 着沟道长度的增加，击穿电压逐渐增加，而抑制短沟道效应的能力也逐渐变强。
如图6所示，仿真了本发明的器件与传统p-GaN HEMT器件的转移特性曲线和阈值电压 的对比。可以看出，传统p-GaN HEMT器件的阈值电压随漏极电压增加而大幅降低，而本发 明的器件阈值电压比较稳定，表明本发明的器件能够有效地抑制短沟道效应。
最后，将本发明的器件的I-V特性与传统的器件进行了对比，如图7所示。可以看出， 对于输出特性，本发明的器件与传统的p-GaN HEMT器件完全一致；对于击穿特性，本发明 的击穿电压能够提升87％。图7(c)为不同漏极电压时沟道处导带能级沿x方向的变化情况， 可以看出，当处于高漏极电压时，VC处电位能够钳位，从而表示能够抑制短沟道效应。
Claims (6)
1.一种抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件，包括从下层至上依次层叠设置的衬底层(1)、缓冲层(2)、GaN沟道层(3)、Al(In)GaN层势垒层(4)、p-GaN层(5)、钝化层(7)；所述GaN层(3)和Al(In)GaN层(4)形成异质结；所述Al(In)GaN层(4)上层的一端具有第一金属电极(10)，另一端具有第二金属电极(9)，第一金属电极(10)和第二金属电极(9)与Al(In)GaN层(4)之间均是欧姆接触；所述p-GaN层(5)呈中部凸起的凸起结构，将p-GaN层(5)中部凸起结构两侧的部分靠近第一金属电极(10)的一侧定义为源极侧p-GaN层(12)，靠近第二金属电极(9)的一侧定义为漏极侧p-GaN层(11)；所述p-GaN层(5)的上表面覆盖有第三金属电极(6)，第三金属电极(6)与p-GaN层(5)之间是肖特基接触或欧姆接触；所述第三金属电极(6)作为器件的栅极；在Al(In)GaN层势垒层(4)与第三金属电极(6)上表面覆盖有钝化层(7)；所述第一金属电极(10)沿钝化层(7)上表面延伸至靠近第二金属电极(9)，第一金属电极(10)作为器件的源极；所述第二金属电极(9)沿钝化层(7)上表面向靠近第一金属电极(10)的一侧延伸，在第一金属电极(10)和第二金属电极(9)之间具有隔离层(8)，第二金属电极(9)作为器件的漏极。
2.根据权利要求1所述的抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件，其特征在于，所述漏极侧p-GaN层(11)的长度为大于等于0μm。
3.根据权利要求1所述的抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件，其特征在于，所述衬底(1)采用的材料为Si、SiC、蓝宝石中的一种。
4.根据权利要求1所述的抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件，其特征在于，所述缓冲层(2)采用的材料为包含一种或几种由GaN、AlGaN、AlN组成的材料。
5.根据权利要求1所述的抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件，其特征在于，所述钝化层(7)采用的材料为氮化物、氧化铝、AlN中的一种。
6.根据权利要求1所述的抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件，其特征在于，所述隔离层(8)采用的材料为氧化物或氮化物。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211119 |
|
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