CN115425077A - 一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功率半导体技术领域，具体为一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件。本发明在确保一定P‑GaN层厚度、将二维电子耗尽实现GaN变成增强型的基础上，在P‑GaN层和金属化栅极之间映入n型掺杂的GaN，p型掺杂的GaN。改变了传统结构上GaN本征电容和边缘电容。采用该结构可以有效的提高栅电阻，同时在栅源和栅漏侧有效的增加边缘电容，形成一个内置的RC吸收器，可以有效解决了GaN目前外加RC电路带来的损耗和效率下降的问题。同时使得GaN器件自身具有一定的抗EMI特性。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，具体涉及一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件。
背景技术
氮化镓(GaN)是宽禁带半导体材料，禁带宽度达3.4eV。与传统的半导体材料硅(Si)、砷化镓(GaAs)相比，具有更高的临界电场、电子饱和漂移速度、以及良好的化学稳定性等特点。基于GaN材料的AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)结构具有更高的电子迁移率高于1800cm2/vs和二维电子气(2-DEG)面密度为1013cm2，使得基于GaN材料的器件在射频领域和电力电子领域都具有非常明显的优势。
对于GaN器件始终面临的是由于固有的高频特性决定GaN应用场景下GaN开关速度快，导致di/dt，dv/dt大，使得GaN器件在开关瞬态容易激发严重的高频振荡，高频震荡会造成严重的电磁干扰，还会引起电流电流过冲，直通，开关损耗增加等问题甚至器件损坏等可靠性问题。目前在电路层面增加RC回路，会增大系统损耗，降低效率。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件。通过提高栅电阻来减少GaN HEMT器件在高频工作下由于较大的di/dt，dv/dt斜率从而抑制振荡，同时在金属化栅极5和金属化源级10之间增加了寄生电容，在金属化栅极5和金属化漏级10之间增加了寄生电容。实现了内置RC snubber(RC缓冲器)减小EMI振荡。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件，包括AlN成核层1、位于AlN成核层1上的重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2、位于所述重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2上的轻掺杂GaN沟道层3、位于所述轻掺杂GaN沟道层3上的AlGaN势垒层4；位于所述AlN成核层1下的P型掺杂Si衬底11；
还包括：位于所述AlGaN势垒层4上的Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层6；位于Mg掺杂的p-GaN盖帽层6上的第二p-GaN层8，位于两个所述第二p-GaN层8之间的n-GaN层7，位于所述n-GaN层7和第二p-GaN层8上的金属化栅极5，位于所述AlGaN势垒层4左侧的金属化源级9；位于所述AlGaN势垒层4右侧的金属化漏级10；所述金属化漏极10和轻掺杂GaN沟道层3形成欧姆接触；所述金属化源级9和轻掺杂GaN沟道层3形成欧姆接触；所述金属化栅极5和n-GaN层7、第二p-GaN层8形成肖特基接触；
作为优选方式，所述n-GaN层7、第二p-GaN层8用于增大器件的栅电阻，同时在金属化栅极5和金属化源级9之间增加了寄生电容，在金属化栅极5和金属化漏级10之间增加了寄生电容。由于GaN通常工作在高频应用下，会产生较大的电流变化率(di/dt)，电压变化率(dv/dt)。较大的电流变化率、电压变化率会带来一定的过冲，使得器件误开启造成不必要的损耗。内置的RC缓冲器可以减小EMI振荡，实现了内置RC snubber(RC缓冲器)减小EMI振荡。
本发明还提供第二种内置RC回路的GaN HEMT功率器件，包括AlN成核层1、位于AlN成核层1上的重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2、位于所述重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2上的轻掺杂GaN沟道层3、位于所述轻掺杂GaN沟道层3上的AlGaN势垒层4；位于所述AlN成核层1下的P型掺杂Si衬底11；
还包括位于所述AlGaN势垒层4之上的Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层6、位于所述的Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层6上的第二p-GaN层8和n-GaN层7，n-GaN层7位于所述第二p-GaN层8的右侧，位于所述第二p-GaN层8和n-GaN层7之上的金属化栅极5；
还包括位于所述AlGaN势垒层4左侧的为金属化源级9；位于所述AlGaN势垒层4右侧的金属化漏级10；所述金属化源极9和轻掺杂GaN沟道层3形成欧姆接触；所述金属化漏极10和轻掺杂GaN沟道层3形成欧姆接触；所述金属化栅极5和第二p-GaN层8、n-GaN层7形成肖特基接触。
所述n-GaN层7、第二p-GaN层8用于增大器件的栅电阻，同时在金属化栅极5和金属化源级9之间增加了寄生电容，在金属化栅极5和金属化漏级10之间增加了寄生电容。由于GaN通常工作在高频应用下，会产生较大的电流变化率(di/dt)，电压变化率(dv/dt)。较大的电流变化率、电压变化率会带来一定的过冲，使得器件误开启造成不必要的损耗。内置的RC缓冲器可以减小EMI振荡，实现了内置RC snubber(RC缓冲器)减小EMI振荡。
作为优选方式，所述P型掺杂Si衬底11替换为SiC衬底、或GaN衬底，或蓝宝石衬底。
作为优选方式，所述n-GaN层7、第二p-GaN层8掺杂浓度在1014-1015cm-3，二维电子气浓度区域在GaN Channel层4nm-5nm。
作为优选方式，AlGaN的势垒层4的掺杂浓度大于1e18，轻掺杂GaN沟道层3的掺杂浓度小于1e15；Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层6的掺杂浓度大于1e16；重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2的掺杂浓度大于1e18。
本发明的有益效果为：本发明在原有Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层6和金属化栅极5插入第二p-GaN层8，n-GaN层7，在保证Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层6厚度能够抬高二维电子气处的能带，使得D-mode GaN能变成E-mode GaN,同时横向耗尽p-GaN层，n-GaN层，n-GaN层交错排列能增加栅电阻，以减少GaN HEMT器件在开关瞬态过程中的di/dt，dv/dt从而抑制EMI振荡，同时在金属化源级和金属化栅极之间引入电容，电容和栅电阻进一步组成RC回路，进一步的抑制EMI特性。
附图说明
图1为现有的GaN HEMT器件的结构示意图；
图2为本发明实施例1的一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件结构示意图；
图3-图8为本发明实施例1的一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件的制备方法结构示意图；
图9为本发明实施例2的一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件结构示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
其中1为AlN成核层，2为重掺杂AlGaN或GaN缓冲层，3为轻掺杂GaN沟道层，4为AlGaN势垒层，5为金属化栅极，6为Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层，7为n-GaN层，8为第二p-GaN层，9为金属化源级，10为金属化漏极，11为P型掺杂Si衬底。
具体实施方式
为了使本发明的内容以及原理更加清楚，下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细描述。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件，包括AlN成核层1、位于AlN成核层1上的重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2、位于所述重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2上的轻掺杂GaN沟道层3、位于所述轻掺杂GaN沟道层3上的AlGaN势垒层4；位于所述AlN成核层1下的P型掺杂Si衬底11；
还包括：位于所述AlGaN势垒层4上的Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层6；位于Mg掺杂的p-GaN盖帽层6上的第二p-GaN层8，位于两个所述第二p-GaN层8之间的n-GaN层7，位于所述n-GaN层7和第二p-GaN层8上的金属化栅极5，位于所述AlGaN势垒层4左侧的金属化源级9；位于所述AlGaN势垒层4右侧的金属化漏级10；所述金属化漏极10和轻掺杂GaN沟道层3形成欧姆接触；所述金属化源级9和轻掺杂GaN沟道层3形成欧姆接触；所述金属化栅极5和n-GaN层7、第二p-GaN层8形成肖特基接触。
所述P型掺杂Si衬底11替换为SiC衬底、或GaN衬底，或蓝宝石衬底。
所述n-GaN层7、第一n-GaN层8掺杂浓度在1014-1015cm-3，二维电子气浓度区域在GaN Channel层4nm-5nm。
AlGaN的势垒层4的掺杂浓度大于1e18，轻掺杂GaN沟道层3的掺杂浓度小于1e15；Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层6的掺杂浓度大于1e16；重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2的掺杂浓度大于1e18。
以图2为例，所述一种具有高耐压低漏电流的GaN HEMT纵向器件，说明本发明的增益效果：
本发明在原有的Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层6和金属化栅极5插入在p-GaN层之上的n-GaN层，n-GaN层，在保证p-GaN势垒层4厚度能够抬高二维电子气处的能带，使得D-modeGaN能变成E-mode GaN,同时横向耗尽p-GaN层，n-GaN层，n-GaN层交错排列能增加栅电阻，以减少GaN HEMT器件在开关瞬态过程中的di/dt，dv/dt从而抑制EMI振荡，同时在金属化源级和金属化栅极之间引入电容，电容和栅电阻进一步组成RC回路，进一步的抑制EMI特性。
本实施例还提供一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件，如图3-图8所示包括如下步骤：
步骤1：在衬底上生长GaN HEMT异质结结构，由下到上依次为衬底，成核层，缓冲层，沟道层，势垒层。如图3所示
具体而言，上述步骤所采用的生长方式包括MOCVD(金属有机物化学气相沉积)，MBE(分子束外延)和HVPE(氢化物气相外延)。
步骤2：如图4所示，对上述结构进行刻蚀。
步骤3：如图5所示，上述结构基础上生长p-GaN盖帽层，AlGaN势垒层，抬高下方异质结中二维电子气沟道至内部费米能级之上，至此完成外延结构生长，其中，所述GaN层为P型GaN外延，厚度为5-100nm；
步骤4：对上述外延生长的p-GaN盖帽层在顶部40nm的区域进行离子注入，注入形成的N/P/N的结构如图6所示。
步骤5：在上述区域进行淀积金属化栅极，如图7所示。
步骤6：在上述区域进行淀积金属化源极和金属化漏极，如图8所示。
实施例2
如图9所示，一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件，包括AlN成核层1、位于AlN成核层1上的重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2、位于所述重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2上的轻掺杂GaN沟道层3、位于所述轻掺杂GaN沟道层3上的AlGaN势垒层4；位于所述AlN成核层1下的P型掺杂Si衬底11；
还包括位于所述AlGaN势垒层4之上的Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层6、位于所述的Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层6上的第二p-GaN层8和n-GaN层7，n-GaN层7位于所述第二p-GaN层8的右侧，位于所述第二p-GaN层8和n-GaN层7之上的金属化栅极5；
还包括位于所述AlGaN势垒层4左侧的为金属化源级9；位于所述AlGaN势垒层4右侧的金属化漏级10；所述金属化源极9和轻掺杂GaN沟道层3形成欧姆接触；所述金属化漏极10和轻掺杂GaN沟道层3形成欧姆接触；所述金属化栅极5和第二p-GaN层8、n-GaN层7形成肖特基接触。
所述n-GaN层7、第二p-GaN层8用于增大器件的栅电阻，同时在金属化栅极5和金属化源级9之间增加了寄生电容，在金属化栅极5和金属化漏级10之间增加了寄生电容。由于GaN通常工作在高频应用下，会产生较大的电流变化率(di/dt)，电压变化率(dv/dt)。较大的电流变化率，电压变化率会带来一定的过冲，使得器件误开启造成不必要的损耗。内置的RC缓冲器可以减小EMI振荡，实现了内置RC snubber(RC缓冲器)减小EMI振荡。
优选的，所述P型掺杂Si衬底11替换为SiC衬底、或GaN衬底，或蓝宝石衬底。
所述n-GaN层7、第二p-GaN层8掺杂浓度在1e14-1e15 cm-3，二维电子气浓度区域在GaN Channel层4nm-5nm。
作为优选方式，AlGaN的势垒层4的掺杂浓度大于1e18，轻掺杂GaN沟道层3的掺杂浓度小于1e15；Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层6的掺杂浓度大于1e16；重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2的掺杂浓度大于1e18。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件，其特征在于包括AlN成核层(1)、位于AlN成核层(1)上的重掺杂AlGaN或GaN缓冲层(2)、位于所述重掺杂AlGaN或GaN缓冲层(2)上的轻掺杂GaN沟道层(3)、位于所述轻掺杂GaN沟道层(3)上的AlGaN势垒层(4)；位于所述AlN成核层(1)下的P型掺杂Si衬底(11)；
还包括：位于所述AlGaN势垒层(4)上的Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层(6)；位于Mg掺杂的p-GaN盖帽层(6)上的第二p-GaN层(8)，位于两个所述第二p-GaN层(8)之间的n-GaN层(7)，位于所述n-GaN层(7)和第二p-GaN层(8)上的金属化栅极(5)，位于所述AlGaN势垒层(4)左侧的金属化源级(9)；位于所述AlGaN势垒层(4)右侧的金属化漏级(10)；所述金属化漏极(10)和轻掺杂GaN沟道层(3)形成欧姆接触；所述金属化源级(9)和轻掺杂GaN沟道层(3)形成欧姆接触；所述金属化栅极(5)和n-GaN层(7)、第二p-GaN层(8)形成肖特基接触。
2.根据权利要求1所述的一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件，其特征在于：所述n-GaN层(7)、第二p-GaN层(8)用于增大器件的栅电阻，同时在金属化栅极(5)和金属化源级(9)之间增加了寄生电容，在金属化栅极(5)和金属化漏级(10)之间增加了寄生电容。
3.一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件，包括AlN成核层(1)、位于AlN成核层(1)上的重掺杂AlGaN或GaN缓冲层(2)、位于所述重掺杂AlGaN或GaN缓冲层(2)上的轻掺杂GaN沟道层(3)、位于所述轻掺杂GaN沟道层(3)上的AlGaN势垒层(4)；位于所述AlN成核层(1)下的P型掺杂Si衬底(11)；
还包括位于所述AlGaN势垒层(4)之上的Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层(6)、位于所述的Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层(6)上的第二p-GaN层(8)和n-GaN层(7)，n-GaN层(7)位于所述第二p-GaN层(8)的右侧，位于所述第二p-GaN层(8)和n-GaN层(7)之上的金属化栅极(5)；
还包括位于所述AlGaN势垒层(4)左侧的为金属化源级(9)；位于所述AlGaN势垒层(4)右侧的金属化漏级(10)；所述金属化源极(9)和轻掺杂GaN沟道层(3)形成欧姆接触；所述金属化漏极(10)和轻掺杂GaN沟道层(3)形成欧姆接触；所述金属化栅极(5)和第二p-GaN层(8)、n-GaN层(7)形成肖特基接触。
4.根据权利要求3所述的一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件，其特征在于：所述n-GaN层(7)、第二p-GaN层(8)用于增大器件的栅电阻，同时在金属化栅极(5)和金属化源级(9)之间增加了寄生电容，在金属化栅极(5)和金属化漏级(10)之间增加了寄生电容。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件，其特征在于：所述P型掺杂Si衬底(11)替换为SiC衬底、或GaN衬底，或蓝宝石衬底。
6.根据权利要求1至4任意一项所述的一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件，其特征在于：所述n-GaN层(7)、第二p-GaN层(8)掺杂浓度在1e14-1e15 cm-3，二维电子气浓度区域在GaN Channel层4nm-5nm。
7.根据权利要求1至4任意一项所述的一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件，其特征在于：AlGaN的势垒层(4)的掺杂浓度大于1e18，轻掺杂GaN沟道层(3)的掺杂浓度小于1e15；Mg掺杂的第一p-GaN盖帽层(6)的掺杂浓度大于1e16；重掺杂AlGaN或GaN缓冲层(2)的掺杂浓度大于1e18。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211032409.2A Pending CN115425077A (zh) | 2022-08-26 | 2022-08-26 | 一种内置RC回路的GaN HEMT功率器件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115425077A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116626460A (zh) * | 2023-04-18 | 2023-08-22 | 山东大学 | 一种确定GaN晶体管纳米尺寸栅长二维电子气面密度的方法 |
-
2022
- 2022-08-26 CN CN202211032409.2A patent/CN115425077A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116626460A (zh) * | 2023-04-18 | 2023-08-22 | 山东大学 | 一种确定GaN晶体管纳米尺寸栅长二维电子气面密度的方法 |
| CN116626460B (zh) * | 2023-04-18 | 2024-01-30 | 山东大学 | 一种确定GaN晶体管纳米尺寸栅长二维电子气面密度的方法 |
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