CN206322705U - 一种GaN HEMT器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种GaN HEMT器件，包括由下至上依次形成的衬底、SiN/AlN成核层、GaN缓冲层、AlN/GaN空间隔离层、GaN掺杂层、GaN沟道层、AlN隔离层、AlN势垒层、GaN帽层、锆钛酸铅介质钝化层，形成于锆钛酸铅介质钝化层上的源极、漏极、栅极，源极和漏极分别形成于锆钛酸铅介质钝化层的两端侧，栅极形成于锆钛酸铅介质钝化层上且位于源极和漏极之间，栅极到达源极的距离小于栅极到达漏极的距离，在源极和漏极之间形成有AlGaN结构层，并覆盖栅极，使得栅极、锆钛酸铅介质钝化层以及AlGaN结构层形成绝缘栅极，在AlGaN结构层上且位于栅极与漏极之间设置有一个或多个U型浮空场板，提高了器件的击穿电压。

Description

一种GaN HEMT器件

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种GaN HEMT器件。

背景技术

半导体电力电子器件，也就是半导体功率器件，主要用在电子系统的功率转换和控制电路中，是半导体器件的重要组成部分，广泛应用于国防工业、商业民用、工业控制等众多领域。随着半导体行业的发展，半导体材料已经历了三代，分别是以 Si 为代表的第一代、以GaAs和InP为代表的第二代和以GaN和SiC为代表的第三代半导体材料，随着器件性能的不断提高，传统的 Si 基、GaAs基器件性能已逐渐接近其理论极限，虽然超节结构在一定程度上可以打破原有的极限，但受材料本身性能的限制，进一步提高器件的耐压能力等性能的空间十分有限，且开发成本迅速增加。GaN材料及其器件的研究应用，能弥补第一代、二代半导体材料不能胜任的某些领域，满足了功率器件对更高转换效率和更高耐压的要求。GaN成为了目前半导体领域的关键基础材料，因此研究GaN半导体材料和GaN器件结构成为目前研究的热点。

GaN 功率半导体器件主要分为两类，一类是 GaN射频功率器件，一类是 GaN功率开关器件，前者主要关注器件的频率、输出功率等，后者主要关注器件的开态电阻和击穿电压等。为了GaN电力电子的应用，人们围绕如何提高器件的击穿电压、降低器件的开态电阻等方面，提出了许多优化器件的新技术来提高器件的性能。

目前在上提高 AlGaN/GaN HEMT 耐压上的研究现状，针对AlGaN/GaN HEMT 存在的缓冲层漏电、栅极泄漏电流、栅极电场过于集中等制约器件击穿电压提高的因素，世界各国提出了许多不同的终端和器件结构来提升器件的击穿电压。但目前从国内外的研究成果中可以看出，虽然 AlGaN/GaN HEMT 的耐压可以达到和很高的值，但仍距 GaN 材料本身的耐压极限 300V/μm 还有很大的距离，因此进一步研究器件耐压的原理、提出新的器件结构很有必要。目前，场板（FP）是一种有效的在相同的临界电场下，允许较高的漏极电压，从而提高击穿电场的方法。场板是指与器件电极相连的金属板，场板可通过改变器件的电场分布，提高器件耐压能力、改善器件的自热效应、降低器件节温，对器件的整体性能有很大提高。

场板能够很好的抑制电流崩塌，但是场板与栅极同电位，扩展了栅漏间 AlGaN耗尽层的宽度，所以增大了器件的有效栅长，使得栅漏电容增大，因此降低器件的电流增益截止频率和最大振荡频率，对器件的频率特性造成不利影响，从而极大的限制了GaN高功率器件在更高频段的应用。

实用新型内容

本实用新型实施例通过提供一种GaN HEMT器件，进而能够提高器件的击穿电压。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种GaN HEMT器件，包括：由下至上依次设置的衬底、SiN/AlN成核层、GaN缓冲层、AlN/GaN空间隔离层、GaN掺杂层、GaN沟道层、AlN势垒层、GaN 帽层、锆钛酸铅介质钝化层，还包括形成于锆钛酸铅介质钝化层上的源极、漏极、栅极，源极和漏极分别形成于锆钛酸铅介质钝化层的两端侧，栅极形成于锆钛酸铅介质钝化层上且位于源极和漏极之间，所述栅极到达源极的距离小于栅极到达漏极的距离，在源极和漏极之间设置AlGaN结构层，并覆盖栅极，使得栅极、锆钛酸铅介质钝化层以及AlGaN结构层形成绝缘栅极，在所述AlGaN结构层上且位于栅极与漏极之间设置有一个或多个U型浮空场板。

采用本实用新型中的一个或者多个技术方案，具有如下有益效果：

1、本实用新型采用U型浮空长板的结构器件，源极和漏极中间设置一个或多个场板都处于浮空状态，这样形成一个耦合电容，这个耦合电容使电压逐渐下降，且浮空的场板能够减小两端板末端的电厂强度，因此，多段浮空长板能够补偿表面电场，从而提高器件击穿电压。

2、本实用新型提供了U型浮空场板结构器件，浮空复合型场板结构的器件由于没有与电极直接相连，因此，其引入的寄生电容相对较小，从而对器件的频率特性影响应该不会太大。

3、本实用新型采用锆钛酸铅（PZT）做为器件绝缘栅极，可以有效地抑制中子辐照感生表面态电荷, 从而屏蔽了绝大部分的中子辐照影响。

4、由于本实用新型采用U型结构场板，与常规场板采用平板型结构不同，利于后期剥离工艺，且容易在大规模生产中推广。

附图说明

图1为本实用新型实施例中GaN HEMT器件的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中多个U型浮空场板的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型实施例提供了一种GaN HEMT器件，进而能够提高器件的击穿电压。

为了解决上述技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本实用新型的技术方案进行详细的说明。

本实用新型实施例提供了一种GaN HEMT器件，如图1所示，包括由下至上依次设置的衬底10、SiN/AlN成核层20、GaN缓冲层30、AlN/GaN空间隔离层40、GaN掺杂层50、GaN沟道层60、AlN隔离层70、AlN势垒层80、GaN 帽层90、锆钛酸铅介质钝化层100，还包括形成于锆钛酸铅介质钝化层100上的源极S、漏极D、栅极G，源极S和漏极D分别形成于锆钛酸铅介质钝化层100的两端上，栅极G形成于锆钛酸铅介质钝化层100上且位于源极S和漏极D之间，该栅极G到达源极S的距离小于栅极G到达漏极D的距离，在源极S和漏极D之间设置AlGaN结构层110，并覆盖栅极G，使得栅极G、锆钛酸铅介质钝化层100以及AlGaN结构层110形成绝缘栅极，在AlGaN结构层110上且位于栅极G与漏极D之间设置有一个或多个U型浮空场板。

在具体的实施方式中，该衬底具体为Si、SiC、GaN、蓝宝石、Diamond中的任意一种支撑材料，接着，在衬底10上形成SiN/AlN成核层20，主要采用SiN/AlN结构，不掺杂，厚度为400~800nm，用于吸收衬底10与后续外延层之间因为晶格失配产生的应力，避免产生晶格驰豫。在该SiN/AlN成核层20上形成GaN缓冲层30，不掺杂，可用于吸收衬底与后续外延之间因为晶格失配产生的应力，厚度为1 um~2um。在该GaN缓冲层30上形成AlN/GaN空间隔离层40，在该AlN/GaN空间隔离层40中插入一层束缚层，主要用来对GaN缓冲层30的应力进行调节，避免晶格驰豫。AlN/GaN空间隔离层40上形成GaN掺杂层50，该GaN掺杂层50中掺杂Mg。在该GaN掺杂层50上形成GaN沟道层60，该GaN沟道层60采用MOCVD生长，用于低场下为二维电子气提供导电沟道。该AlN隔离层70采用MOCVD外延方法在GaN沟道层60上生长，不掺杂，厚度为10~30nm，用于将施主杂质电离中心和2DEG空间隔离，减小电离散射作用，保证沟道内2DEG的高电子迁移率。

接着，该AlN势垒层80采用MOCVD方法生长，厚度为1.5nm，用于和栅极G形成肖特基接触。在该AlN势垒层80上采用MOCVD方法生长GaN 帽层90，不掺杂，厚度为1nm~3nm。

接在，在该GaN 帽层90上形成锆钛酸铅（PZT）介质钝化层100，在该锆钛酸铅介质钝化层100上左右两端上设置源极S和漏极D，在左右两端之间设置有栅极G，该栅极G到达源极S的距离小于栅极G到达漏极D的距离，也就是说，该栅极位于靠近源极S的位置处。然后，在源极S和漏极D之间设置AlGaN结构层110，该AlGaN结构层110覆盖栅极G，使得栅极G、锆钛酸铅介质钝化层以及AlGaN结构层形成绝缘栅极，在该AlGaN结构层110上且位于栅极G和漏极D之间设置有一个或多个U型浮空场板。

如图2为AlGaN结构层110上形成的多个U型浮空场板FFP1、FFP2、FFP3、FFP4。

上述采用的GaN HEMT器件采用AlN/GaN/AlN异质结构形成。

该U型浮空场板可以为一个或多个，最靠近栅极G的浮空场板称为第一浮空场板FFP1，其余各浮空场板从栅极G到漏极D依次为FFP2、FFP3、FFP4....等，场板的加入改变了器件势垒层中的电势分布，降低了栅极G边缘的电场峰值，改善了器件的击穿特性。

而且，采用该FFP-HEMT器件的优势是可以通过增加U型浮空场板个数实现器件击穿电压的持续提高，并且由于是浮空结构的原因，没有与电极直接相连，所以不会显著增加栅漏电容。该器件中采用锆钛酸铅（PZT）介质钝化层，可以有效抑制中子辐照感生表面态电荷，从而屏蔽了绝大部分的中子辐照影响。各个U型浮空场板之间最优间距有个临界值，超过临界值后就会降低效果，而且，采用U型浮空场板，利于剥离工艺。

本实用新型中带有U型复合浮空场板（U Floating Field Plate，UFFP）的GaNHEMT器件。相比常规板状场板结构 GaN FP-HEMT 器件，这类带有高K值绝缘栅UFFP结构的GaN HEMT器件的优势是可以通过增加浮空场板个数来实现器件击穿电压的持续提高，并且由于是浮空的原因，没有与电极直接相连，所以不会显著增加栅漏电容，对提高器件工作频率有非常大的帮助；且制造工艺简单，U型场版利于剥离，与传统单层场板 FP-HEMT 器件工艺完全兼容。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种GaN HEMT器件，其特征在于，包括由下至上依次形成的衬底、SiN/AlN成核层、GaN缓冲层、AlN/GaN空间隔离层、GaN掺杂层、GaN沟道层、AlN隔离层、AlN势垒层、GaN 帽层、锆钛酸铅介质钝化层，还包括形成于锆钛酸铅介质钝化层上的源极、漏极、栅极，所述源极和漏极分别形成于锆钛酸铅介质钝化层的两端侧，栅极形成于锆钛酸铅介质钝化层上且位于源极和漏极之间，所述栅极到达源极的距离小于栅极到达漏极的距离，在源极和漏极之间形成有AlGaN结构层，并覆盖栅极，使得栅极、锆钛酸铅介质钝化层以及AlGaN结构层形成绝缘栅极，在所述AlGaN结构层上且位于栅极与漏极之间设置有一个或多个U型浮空场板。

2.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述衬底具体为Si、SiC、GaN、蓝宝石、Diamond中任意一种支撑材料。

3.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述SiN/AlN成核层的厚度为400~800nm。

4.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述GaN缓冲层的厚度为1um~2um。

5.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述AlN隔离层生长于GaN沟道层上，不掺杂，厚度为10~30nm。

6.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述AlN势垒层的厚度为1.5nm。

7.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述GaN帽层厚度为1nm~3nm。

8.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述源极和漏极采用Ti、Al、Ni、Au中的任意一种金属。

9.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述栅极采用Pt或Au。

10.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述U型浮空场板采用Ti、Pt、Au中的任意一种金属。