CN211980621U - 一种提高高电子迁移率晶体管功率输出的器件结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种提高高电子迁移率晶体管功率输出的器件结构，提供了一种新的结构来提高高电子迁移率晶体管的功率输出，本实用新型包括Si衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、SiN钝化层、栅极、源极和漏极，所述Si衬底上外延生长有GaN缓冲层，所述GaN缓冲层上外延生长有AlGaN势垒层，栅极、源极及漏极分别位于AlGaN势垒层上，栅极与源极之间及栅极与漏极之间设置有SiN钝化层，所述SiN钝化层沉积在所述AlGaN势垒层上，所述SiN钝化层中具有张应力。本实用新型具有2DEG密度高，功率输出大等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及高电子迁移率晶体管技术领域，具体涉及一种提高高电子迁移率晶体管功率输出的器件结构。
背景技术
在GaN和其合金AlGaN这两种材料形成的异质结界面处会产生较高的自发和压电极化电荷密度，导致在靠近界面处的GaN沟道中形成高密度的二维电子气(2DEG)。基于此异质结可制备出场效应晶体管，通常称为AlGaN/GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)。由于GaN属于宽禁带半导体材料(3.4eV)，该器件具有输出功率高、击穿电压高、开关速度快、开关损耗小、耐高温、抗辐射能力强等优势，在5G基站、风力发电、高铁、雷达等军民领域中均有较大的应用潜力。
AlGaN/GaN HEMT中的2DEG密度在很大程度上决定着器件的功率输出。由于异质结界面处存在着高密度的缺陷，导致在实际制备器件中的2DEG密度要远小于理论值。因此，通过提高2DEG密度是提高器件功率输出及其性能表现的重要手段之一。目前主要采用的手段包括：1)不断改进外延生长的技术从而提高晶体质量以降低缺陷密度；2)优化AlGaN势垒层的厚度和Al的摩尔分数；3)生长其它类型的势垒层，如AlN、InAlN、InGaN等；4)生长不同的势垒层结构，如增加帽层GaN、增加插入层AlN、增加钝化层Al2O3等。
虽然有不同的手段来提高功率输出，但是开发新的手段来进一步提高功率输出仍然是本领域技术人员需要继续努力解决的问题。
实用新型内容
本实用新型基于GaN具有较高的压电极化系数，提供一种新的器件结构，即利用SiN层中的内在应力增加AlGaN/GaN界面处的压电极化电荷，进而提高2DEG密度以增强AlGaN/GaN HEMT的功率输出。
本实用新型通过下述技术方案实现：
一种提高高电子迁移率晶体管功率输出的器件结构，包括Si衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、SiN钝化层、栅极、源极和漏极，所述Si衬底上外延生长有GaN缓冲层，所述GaN缓冲层上外延生长有AlGaN势垒层，栅极、源极及漏极分别位于AlGaN势垒层上，栅极与源极之间及栅极与漏极之间设置有SiN钝化层，所述SiN钝化层沉积在所述AlGaN势垒层上，所述SiN钝化层中具有张应力。
本实用新型优选一种提高高电子迁移率晶体管功率输出的器件结构，所述Si衬底和GaN缓冲层被刻蚀掉形成圆孔，所述圆孔中沉积SiN层，所述SiN层中具有张应力。
本实用新型中的SiN钝化层和圆孔中SiN层中的应力共同作用于AlGaN/GaN界面处，导致在该处产生有额外的张应力，由于压电极化效应，导致额外的压电极化电荷，进而感应出更高的2DEG密度，增加了器件的漏电流及功率输出。
本实用新型优选一种提高高电子迁移率晶体管功率输出的器件结构，所述Si衬底的厚度为100μm，GaN缓冲层的厚度为2μm，AlGaN势垒层的厚度为25nm，SiN钝化层的厚度为100nm。
本实用新型优选一种提高高电子迁移率晶体管功率输出的器件结构，所述源极与所述栅极之间的距离为4μm，所述漏极与所述栅极之间的距离为4μm。
本实用新型优选一种提高高电子迁移率晶体管功率输出的器件结构，所述圆孔的深度为101μm。
圆孔在该尺寸下时，能使得SiN层中的张应力更好地作用于AlGaN/GaN界面处，进而感应出更高的2DEG密度，增加了器件的漏电流及功率输出。
本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本实用新型在AlGaN势垒层上沉积具有张应力的SiN钝化层，张应力作用于AlGaN/GaN界面处，导致在该处产生有额外的张应力，由于压电极化效应，导致额外的压电极化电荷，进而感应出更高的2DEG密度，增加了器件的功率输出。
2、本实用新型在Si衬底和GaN缓冲层被刻蚀掉形成圆孔，所述圆孔中沉积具有张应力的SiN层，SiN钝化层和圆孔中SiN层中的应力共同作用于AlGaN/GaN界面处，导致在该处产生有更大的额外的张应力，进而感应出更高的2DEG密度，增加了器件的漏电流及功率输出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
图1为本实用新型实施例1的高电子迁移率晶体管的结构示意图。
图2为本实用新型实施例1的高电子迁移率晶体管在SiN钝化层中有应力和无张应力时2DEG密度沿着AlGaN/GaN界面分布的仿真图。
图3为本实用新型实施例1的高电子迁移率晶体管在SiN钝化层中有张应力和无张应力时漏电流的变化仿真图。
图4为为本实用新型实施例2的高电子迁移率晶体管的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
实施例1
如图1至图3所示，一种提高高电子迁移率晶体管功率输出的器件结构，包括Si衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、SiN钝化层、栅极、源极和漏极，所述Si衬底上外延生长有GaN缓冲层，所述GaN缓冲层上外延生长有AlGaN势垒层，栅极、源极及漏极分别位于AlGaN势垒层上，栅极与源极之间及栅极与漏极之间设置有SiN钝化层，所述SiN钝化层沉积在所述AlGaN势垒层上，所述SiN钝化层中具有张应力。
所述Si衬底的厚度为100μm，GaN缓冲层的厚度为2μm，AlGaN势垒层的厚度为25nm，SiN钝化层的厚度为100nm。
所述源极与所述栅极之间的距离为4μm，所述漏极与所述栅极之间的距离为4μm。
在该实施例中，为了对比SiN钝化层中张应力的作用，做了SiN中无张应力和有张应力的仿真对比，如图2和图3所示。
从图2中可以看出，SiN钝化层中有张应力时，在栅极下面会引起额外的张应力和增加压电极化电荷，从而导致2DEG密度的显著增加，另一方面，在接入区下面区域会引起额外的压应力和减少压电极化电荷，从而降低了2DEG密度。特别是在栅极边缘处，由于栅极金属的不连续性而导致该处应力较大，使该处2DEG密度增加比较明显。
从图3中可以看出，当SiN钝化层中有张应力时，由于增加的2DEG密度，在I-V曲线的饱和区中漏电流会有明显的增加，例如，当漏电压等于10V时，漏电流提高了8.5％，从而明显提高了器件的功率输出。
实施例2
如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，所述Si衬底和GaN缓冲层被刻蚀掉形成圆孔，所述圆孔的深度为101μm，所述圆孔中沉积SiN层，所述SiN层中具有张应力。
本实用新型中的SiN钝化层和圆孔中SiN层中的应力共同作用于AlGaN/GaN界面处，导致在该处产生有额外的张应力，由于压电极化效应，导致额外的压电极化电荷，进而感应出更高的2DEG密度，增加了器件的漏电流及功率输出。
本实用新型中HEMT表示“高电子迁移率晶体管”。
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种提高高电子迁移率晶体管功率输出的器件结构，其特征在于，包括Si衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、SiN钝化层、栅极、源极和漏极，所述Si衬底上外延生长有GaN缓冲层，所述GaN缓冲层上外延生长有AlGaN势垒层，栅极、源极及漏极分别位于AlGaN势垒层上，栅极与源极之间及栅极与漏极之间设置有SiN钝化层，所述SiN钝化层沉积在所述AlGaN势垒层上，所述SiN钝化层中具有张应力。
2.根据权利要求1所述的一种提高高电子迁移率晶体管功率输出的器件结构，其特征在于，所述Si衬底和GaN缓冲层被刻蚀掉形成圆孔，所述圆孔中沉积SiN层。
3.根据权利要求2所述的一种提高高电子迁移率晶体管功率输出的器件结构，其特征在于，所述Si衬底的厚度为100μm，GaN缓冲层的厚度为2μm，AlGaN势垒层的厚度为25nm，SiN钝化层的厚度为100nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种提高高电子迁移率晶体管功率输出的器件结构，其特征在于，所述源极与所述栅极之间的距离为4μm，所述漏极与所述栅极之间的距离为4μm。
5.根据权利要求3所述的一种提高高电子迁移率晶体管功率输出的器件结构，其特征在于，所述圆孔的深度为101μm。
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