CN118099207A - 基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，属于半导体器件技术领域，自下而上依次包括衬底、缓冲层、GaN沟道层和势垒层，所述势垒层两侧GaN沟道层上方分别设置有源电极和漏电极，所述势垒层上方在源电极和漏电极之间依次设置有钝化层、栅电极和钝化层，所述栅电极下方与势垒层之间设置有In组分阶梯式变化的p‑InGaN栅极结构层。本发明将In组分阶梯式变化的材料应用于栅极结构，提高了栅下能带，降低了栅下二维电子气（2DEG）浓度，提高了器件的阈值电压，增强了器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，属于半导体器件技术领域。
背景技术
电力电子器件中，能效和功率密度是最为关键的两项指标。随着半导体技术的发展，传统的Si基器件的性能提升已经十分接近Si的物理极限，Si基器件的能效和功率密度已难以再有显著突破。而由于具有高禁带宽度、高电子迁移率、高输出功率密度、低开关功率损耗等优点，GaN材料以及GaN器件受到了广泛的关注。其中AlGaN/GaN HEMT器件在大功率和射频开关领域效果显著。
一个GaN HEMT器件，包括具有至少两个氮化物层的氮化物半导体。不同材料的氮化物接触会产生极化，可以在两层的交界处的异质结附近形成导电的二维电子气（2DEG）区域，特别是在具有较窄带隙的层中。2DEG存在于异质结之间，所以存在电流流动。为了实现常关器件，必须移除或耗尽2DEG的一部分。常规的GaN HEMT器件是常开型的，在栅偏压为0V时器件是开启状态，必须给栅极施加负偏压才能关断。为了将HEMT应用到大功率开关系统中，必须实现常关的增强型HEMT器件，以降低关断状态下的电能损耗、简化驱动电路并且避免出现安全问题，这些在大功率和高速开关电路中是必须的。
目前，实现增强型GaN HEMT的方法主要有p-GaN栅极、凹槽栅、氟离子注入以及共源共栅Cascode结构四种。其中，凹槽栅技术需要进行刻蚀，刻蚀面上会存在大量损伤和缺陷，阈值电压以及可控性不好；氟离子注入时离子注入损伤会降低沟道中电子输运能力，阈值电压会随时间衰退，工艺有待提高；共源共栅Cascode结构中Si器件与GaN HEMT级联增加了寄生电感，使得器件开关速度降低，同时也增加芯片面积；p-GaN栅极增强型HEMT工艺简单、性能良好、可靠性强，是目前已经商业化的主流增强型GaN HEMT结构之一，但Mg离子激活率较低，且实现高阈值电压需要较厚的p-GaN栅极，可靠性和稳定性仍需提高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，将In组分阶梯式变化的材料应用于栅极结构，提高了栅下能带，降低了栅下二维电子气（2DEG）浓度，提高了器件的阈值电压，增强了器件的可靠性。
本发明采用如下技术方案：
一种基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，自下而上依次包括衬底、缓冲层、GaN沟道层和势垒层，所述势垒层两侧GaN沟道层上方分别设置有源电极和漏电极，所述势垒层上方在源电极和漏电极之间依次设置有钝化层、栅电极和钝化层，所述栅电极下方与势垒层之间设置有In组分阶梯式变化的p-InGaN栅极结构层。
优选的，所述p-InGaN栅极结构层由1~3个p-InGaN组合层自下而上堆叠构成；
每一p-InGaN组合层中包括多个p-InGaN层，多个p-InGaN层中In组分自上而下由0每层阶梯式增大0.05至x，后由x每层阶梯式减小0.05至0。
优选的，x取值为0.1~0.25。
优选的，每一p-InGaN层的厚度为2nm~3nm。
本发明采用渐变式p-InGaN结构，x变化范围为0.1~0.25，其中In组分自下而上由0开始每层先增大0.05至x，后由x每层减小0.05至0，呈现阶梯式变化。相比于现有技术，本发明可有效将InGaN厚度提高到16nm以上，InGaN中的In组分可达到0.25，这有效地实现了高厚度、高组分的InGaN生长，且由于采用渐变结构，有效降低了InGaN生长过程中的晶格失配，从而提高了InGaN质量。
优选的，所述p-InGaN栅极结构层采用Mg掺杂，浓度为3×1019cm-3，激活率为1%。
优选的，所述p-InGaN栅极结构与漏极的横向距离为5μm～50μm。
进一步优选的，所述源电极、漏电极以及栅电极上均设置有互连金属。
进一步优选的，所述缓冲层的材料为GaN，采用Fe深能级掺杂，掺杂浓度为5×1017cm-3～5×1018cm-3；
所述缓冲层厚度为1μm～10μm。
进一步优选的，GaN沟道层厚度为100nm~500nm，n型掺杂浓度为1×1016cm-3；
所述势垒层的材料为AlGaN，厚度为10～30nm；其中，Al的组分为0.15～0.30。
进一步优选的，所述钝化层材料为SiO2或Si3N4。
本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
本发明的有益效果为：
本发明在AlGaN势垒层上生长了In组分阶梯式变化的p-InGaN栅极结构，与常规的栅极材料为p-GaN的HEMT器件相比，InGaN的晶格常数与GaN以及AlGaN差距大，极化效果更强，提高栅下能带的作用更强。
本发明中p-InGaN栅极结构与势垒层中，InGaN与AlGaN极化形成二维空穴气，增加了空穴浓度，耗尽了栅下二维电子气(2DEG)，使栅下电子浓度更低。
本发明增强了栅极控制能力，提高了器件的阈值电压和器件可靠性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明某一实施例的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件结构示意图；
图2为本发明中某一实施例中p-InGaN栅极结构示意图；
图3为本发明中某一实施例中p-InGaN组合层中In组分变化示意图；
图4为本发明中某一实施例与对比例的栅下能带对比示意图；
图5为本发明中某一实施例与对比例的栅下电子浓度对比示意图；
图6为本发明中某一实施例与对比例线性坐标下转移特性对比示意图；
图7为本发明中某一实施例与对比例对数坐标下转移特性对比示意图。
其中，1-缓冲层，2-GaN沟道层，3-势垒层，4-源电极，5-漏电极，6-钝化层，7-栅电极，8-p-InGaN栅极结构层，9-2DEG。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本说明书中的技术方案，下面结合本说明书实施中的附图，对本发明书实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1
一种基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，如图1所示，自下而上依次包括衬底、缓冲层1、GaN沟道层2和势垒层3，势垒层3两侧GaN沟道层2上方分别设置有源电极4和漏电极5，势垒层3上方在源电极4和漏电极5之间依次设置有钝化层6、栅电极7和钝化层6，栅电极7下方与势垒层3之间设置有In组分阶梯式变化的p-InGaN栅极结构层8。
p-InGaN栅极结构层8由2个p-InGaN组合层自下而上堆叠构成，如图2、3所示；
每一p-InGaN组合层中包括多个p-InGaN层，多个p-InGaN层中In组分自上而下由0每层阶梯式增大0.05至0.2，后由0.2每层阶梯式减小0.05至0。
每一p-InGaN层的厚度为3nm。
p-InGaN栅极结构层采用Mg掺杂，浓度为3×1019cm-3，激活率为1%。
p-InGaN栅极结构与漏极的横向距离为15μ。
源电极、漏电极以及栅电极上均设置有互连金属。
缓冲层1的材料为GaN，采用Fe深能级掺杂，掺杂浓度为5×1017cm-3；
缓冲层1厚度为8μm。
GaN沟道层2厚度为300nm，n型掺杂浓度为1×1016cm-3；
势垒层3的材料为Al0.18Ga0.82N，厚度为20nm；其中，Al的组分为0.15～0.30。
钝化层6材料为SiO2。
对比例1
一种增强型GaN功率器件，结构如实施例1所述，所不同的是，栅电极7下方与势垒层3之间设置有常规的p-GaN栅极结构层，其他与实施例1相同。
为了验证本发明的有益效果，使用Sentaurus TCAD半导体器件仿真软件分别对对比例1常规的p-GaN HEMT器件以及本实施例1的In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件进行建模和仿真，对比其在栅极厚度相同的情况下栅下能带、栅下电子浓度以及转移特性。
与常规p-GaN HEMT相比，可以看出，本实施例1提供的In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，其栅下能带明显提高，栅下电子浓度明显降低，栅控能力明显增强。从转移特性可以看出，本实施例1提供的In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件的阈值电压比常规p-GaN HEMT提高了1.35V。
本实施例1在AlGaN势垒层上生长了In组分阶梯式变化的p-InGaN栅极结构，与对比例1常规的栅极材料为p-GaN的HEMT器件相比，InGaN的晶格常数与GaN以及AlGaN差距大，极化效果更强，提高栅下能带的作用更强，如图4所示；
图4至图7中，p-InGaN栅极表示实施例1中In组分阶梯式变化的p-InGaN栅极结构，p-GaN表示对比例1中p-GaN栅极结构；
图4中费米能级描述了在0K时，半导体中电子占据的最高能级。这个能级上的电子占据概率为1/2，即半满状态。如果导带在费米能级之下表示半导体存在较高浓度的电子。
本实施例1中p-InGaN栅极结构与势垒层中，InGaN与AlGaN极化形成二维空穴气，增加了空穴浓度，耗尽了栅下二维电子气，即图1的2DEG 9，使栅下电子浓度更低，如图5所示。
常规p-GaN HEMT器件栅极p-GaN材料厚度需要达到60nm以上才能获得良好的增强型HEMT，而本实施例1在p-InGaN厚度为50nm左右就可以达到较高的阈值电压，如图6、图7所示。本发明增强了栅极控制能力，提高了器件的阈值电压和器件可靠性。
InGaN的晶格常数与GaN以及AlGaN差距大，极化效果更强，提高栅下能带的作用更强，使栅下电子浓度更低。由于InGaN与GaN之间晶格失配较大，工艺上很难一次性在GaN上生长高质量、高组分、大厚度的InGaN材料，本发明采用特定的渐变InGaN结构，可以降低InGaN与GaN之间的晶格失配，实现高In组分、大厚度、高质量的InGaN结构生长。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，其特征在于，自下而上依次包括衬底、缓冲层、GaN沟道层和势垒层，所述势垒层两侧GaN沟道层上方分别设置有源电极和漏电极，所述势垒层上方在源电极和漏电极之间依次设置有钝化层、栅电极和钝化层，所述栅电极下方与势垒层之间设置有In组分阶梯式变化的p-InGaN栅极结构层。
2.根据权利要求1所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，其特征在于，所述p-InGaN栅极结构层由1~3个p-InGaN组合层自下而上堆叠构成；
每一p-InGaN组合层中包括多个p-InGaN层，多个p-InGaN层中In组分自上而下由0每层阶梯式增大0.05至x，后由x每层阶梯式减小0.05至0。
3.根据权利要求1所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，其特征在于，x取值为0.1~0.25。
4.根据权利要求3所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，其特征在于，每一p-InGaN层的厚度为2nm~3nm。
5.根据权利要求4所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，其特征在于，所述p-InGaN栅极结构层采用Mg掺杂，浓度为3×1019cm-3，激活率为1%。
6.根据权利要求5所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，其特征在于，所述p-InGaN栅极结构与漏极的横向距离为5μm～50μm。
7.根据权利要求6所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，其特征在于，所述源电极、漏电极以及栅电极上均设置有互连金属。
8.根据权利要求7所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，其特征在于，所述缓冲层的材料为GaN，采用Fe深能级掺杂，掺杂浓度为5×1017cm-3～5×1018cm-3；
所述缓冲层厚度为1μm～10μm。
9.根据权利要求8所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，其特征在于，所述GaN沟道层厚度为100nm~500nm，n型掺杂浓度为1×1016cm-3；
所述势垒层的材料为AlGaN，厚度为10～30nm；其中，Al的组分为0.15～0.30。
10.根据权利要求9所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件，其特征在于，所述钝化层材料为SiO2或Si3N4。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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