CN207925478U

CN207925478U - 具有背场板结构的hemt器件

Info

Publication number: CN207925478U
Application number: CN201820294232.6U
Authority: CN
Inventors: 李国强; 陈丁波; 刘智崑; 万利军
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2018-09-28
Anticipated expiration: 2028-03-02

Abstract

本实用新型公开了具有背场板结构的HEMT器件，由下至上依次包括硅衬底、GaN外延层、AlGaN势垒层、Si₃N₄钝化保护层；栅电极、源电极和漏电极设于AlGaN势垒层之上；所述硅衬底设有横截面为直角梯形的凹槽；所述凹槽开口向下，凹槽的顶部为GaN外延层的下表面；背场板结构设于硅衬底的部分下表面、凹槽的斜面、凹槽的部分顶部之上。本实用新型利用衬底隔离及背场板技术，避免了器件的衬底击穿，提高了GaN HEMT器件的击穿电压，降低了栅极漏侧场强峰值，提高了器件的散热性能，对于实现高性能、高可靠性氮化镓基器件具有重要意义。

Description

具有背场板结构的HEMT器件

技术领域

本实用新型涉及高电子迁移率晶体管(HEMT)，特别涉及具有背场板结构的HEMT器件。

背景技术

电力电子器件广泛应用于家用电器、工业设备、汽车电源等众多领域。新一代电力电子器件要求具有更高的效率、更高的功率密度和高温工作环境下更高的可靠性。目前，电力电子器件中普遍采用硅基的功率器件，如MOSFET和IGBT。但是硅电子电力器件经过长期的发展，性能以及趋于其材料的理论极限，新一代电力电子器件的面临着高压、高频和小体积等巨大的挑战。第三代半导体材料GaN具有禁带宽度大、饱和电子迁移速度高、化学性质稳定等优点。因此，基于GaN材料的电力电子器件具有导通电阻小、开关速度快、耐压高、耐高温性能好等优点。另一方面，GaN可以生长在Si、SiC及蓝宝石上。GaN高电子迁移率晶体管是一种基于GaN材料的电力电子器件，通过外延形成AlGaN/GaN异质结，经过极化电场的调制作用，在异质界面处，即使在未人为掺杂的情况下，也能形成面密度达10¹³cm-2的二维电子气，由于材料没有掺杂，在二维平面内电子在GaN中的迁移率超过2000cm²/Vs。这使得GaNHEMT具有低导通电阻和高工作频率的特点。能够满足新一代电力电子器件对更大功率、更高频率、更小体积和高温工作条件的要求，可应用于AC/DC,DC/DC变换器，DC/AC电动机驱动器和光伏发电等。

由于Si衬底具有价格低廉、工艺成熟、直径大等优点，目前Si衬底上制备GaN HEMT成为研究热点。其中，HEMT器件研究的一大热点在于高压工作状态下的击穿问题。栅极漏侧边缘处由于存在最大的电场，高压和快速转换条件下容易导致电击穿和热击穿。此外，Si材料具有低的禁带宽度，Si衬底成为器件最薄弱的部位，容易被高压击穿，限制了Si衬底的GaN HEMT在高压下的应用。通常Si衬底GaN HEMT应用在1000V以下，限制了其工作功率。

目前已有的改进器件击穿电压的措施有设置场板结构降低栅极电场密度；补偿掺杂获得高阻Si衬底，这种方法不能从根本上改变Si材料窄禁带的本质；以及增加外延缓冲层厚度，提高关态电阻，这种方法外延生长时间长，极大地增加了生产成本，增加外延厚度，也对器件散热性能提出更高的挑战。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种具有背场板结构的HEMT器件，既解决现有Si衬底HEMT高压工作容易在硅衬底部位发生击穿的问题，又解决栅极漏侧发生电击穿和热击穿的问题，实现Si衬底HEMT的1kV电压下正常工作。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

具有背场板结构的HEMT器件，由下至上依次包括硅衬底、GaN外延层、AlGaN势垒层、Si₃N₄钝化保护层；栅电极、源电极和漏电极设于AlGaN势垒层之上；所述硅衬底设有横截面为直角梯形的凹槽；所述凹槽开口向下，凹槽的顶部为GaN外延层的下表面；背场板结构设于硅衬底的部分下表面、凹槽的斜面、凹槽的部分顶部之上。

所述背场板结构与GaN外延层的接触线宽为5～10μm。

所述凹槽顶部未被背场板结构覆盖部分的横向宽度为5～10μm。

所述背场板结构为电子束蒸发沉积的得到金属薄膜，厚度为50nm～2μm。

本实用新型的原理如下：

本实用新型的具有背场板结构的HEMT器件，首先通过将衬底刻蚀隔离，使源漏之间由于存在空气作为电介质而无法通过Si衬底导通，器件难以在窄禁带Si衬底处发生击穿，因而能够承受极高的电压。其次，底部蒸镀金属作为背场板，与源极和封装材料相连不仅可以起到削弱栅极漏侧边缘电场峰值，提高击穿电压的作用，还可以作为传热介质，将器件产生的热量及时传导出去，降低器件的工作温度，提高使用寿命。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

(1)本实用新型将HEMT器件的衬底从栅极下方完全隔离成两部分，源漏之间相当于以空气作为电介质，能够有效避免衬底击穿，提高击穿电压。

(2)本实用新型采用了底部沉积金属的方式形成背场板结构，能够有效缓解栅极漏侧电场峰值，同时能够增加散热，有效降低器件工作温度。

附图说明

图1为本实用新型的具有背场板结构的HEMT器件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实用新型的具有背场板结构的HEMT器件，由下至上依次包括硅衬底2、GaN外延层3、AlGaN势垒层4、Si₃N₄钝化保护层5；栅电极6、源电极7和漏电极8设于AlGaN势垒层4之上；所述硅衬底设有横截面为直角梯形的凹槽9；所述凹槽开口向下，凹槽的顶部为GaN外延层的下表面；背场板结构1设于硅衬底的部分下表面、凹槽的斜面、凹槽的部分顶部之上。所述背场板结构与GaN外延层的接触线宽10为5～10μm。所述凹槽顶部未被背场板结构覆盖部分11的横向宽度为5～10μm。所述背场板结构为金属片，厚度为50nm～2μm。

具有背场板结构的HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：

(1)在HEMT器件利用双面对准光刻技术，在Si衬底(厚度为300～1000um)背面栅极下方制备刻蚀窗口区域，窗口区域源漏方向上的线宽为5～10μm；

(2)利用深硅刻蚀的方法，将窗口区域刻蚀至GaN外延层，刻蚀期间，经历两次再光刻过程，每次均将窗口向源极方向扩大10～50μm，最终得到横截面为直角梯形的凹槽；

(3)利用双面对准光刻技术，在刻蚀有凹槽的硅衬底底面制备背场板金属沉积窗口；

(4)采用电子束蒸发的方式，在硅衬底的部分下表面、凹槽的斜面、凹槽的部分顶部表面沉积Ti/Au金属，形成背场板结构。

本实施例制备的Si衬底GaN HEMT，器件封装后将背场板接地，通过功率测试仪测试击穿电压可达2000V以上，器件老化分析显示，具有背场板的HEMT器件平均寿命提高20％。

本实用新型采用隔离衬底和背场板结构，避免了窄禁带Si衬底的高压击穿，有效缓解了栅极漏侧场强峰值，底部金属加强了散热，器件温度明显降低。该结构提高了HEMT器件击穿电压和散热性能。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.具有背场板结构的HEMT器件，其特征在于，由下至上依次包括硅衬底、GaN外延层、AlGaN势垒层、Si₃N₄钝化保护层；栅电极、源电极和漏电极设于AlGaN势垒层之上；所述硅衬底设有横截面为直角梯形的凹槽；所述凹槽开口向下，凹槽的顶部为GaN外延层的下表面；背场板结构设于硅衬底的部分下表面、凹槽的斜面、凹槽的部分顶部之上。

2.根据权利要求1所述的具有背场板结构的HEMT器件，其特征在于，所述背场板结构与GaN外延层的接触线宽为5～10μm。

3.根据权利要求1所述的具有背场板结构的HEMT器件，其特征在于，所述凹槽顶部未被背场板结构覆盖部分的横向宽度为5～10μm。

4.根据权利要求1所述的具有背场板结构的HEMT器件，其特征在于，所述背场板结构为电子束蒸发沉积的得到的金属薄膜，厚度为50nm～2μm。