CN212010979U - 一种功率晶体管及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种功率晶体管及电子设备，其中功率晶体管至少包括衬底、缓冲层以及势垒层；以及位于所述势垒层以上的栅极、源极和漏极；其中，在所述栅极下方和所述源极、漏极之间的导电沟道中设有一个或多个绝缘的隔离结构。本申请还涉及包括该种功率晶体管的电子设备。本申请将隔离结构设置在功率晶体管的导电沟道中，通过减少散热较差部分导电路径，优化了导电路径，使得功率晶体管整体的温度分布更加均匀，减少热点产生的可能性，提高功率晶体管的工作稳定性。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，特别地涉及一种功率晶体管及电子设备。
背景技术
功率晶体管例如高电子迁移率晶体管(HEMT)被广泛的被应用在无线通信基站、雷达和汽车电子等高频大功率领域。氮化镓作为一种新兴的半导体材料，具有宽禁带、高电子迁移率等特点，特别适合于应用在如HEMT这样的功率半导体器件领域。氮化镓场效应晶体管显示出远远低于硅同类产品的导通电阻和电容。氮化镓场效应晶体管已经被验证可以使得功率转换系统的体积大大降低，工作频率提高，并且效率提升。
然而，在实际使用中，功率晶体管不可避免的存在导通电阻。即使基于氮化镓材料的功率晶体管的导通电阻比硅同类产品小，但是也不会为零。该导通电阻的存在导致电流经过时，功率晶体管会发热升温。而温度的升高又会反过来增大导通电阻。因此，当对功率晶体管的散热不够充分时，有可能进入到升温、升阻、再升温、再升阻，直到功率晶体管被烧毁的恶性循环。图1所示为氮化镓功率晶体管的导通电阻随温度升高的曲线。可以看出，当温度上升到摄氏55度以后，功率晶体管的导通电阻阻值以及变化率都显著升高。
现有技术中解决上述问题的方法是在电路中加入过热保护元件或者模组，如美国专利US20020171405A1所公开的，通过利用齐纳二极管和散热辐射器来达到保证功率晶体管导通较大电流的同时实现散热。
但是，功率晶体管通常面积较大，各个位置的温度不均，出现温度过高烧毁晶体管的情况中，往往并不是整个晶体管各个位置同时被烧毁，而是某几个点先形成热点并烧毁。这样的情况导致功率晶体管如HEMT的利用潜力受到限制。
实用新型内容
针对现有技术中存在的技术问题，本申请提出了一种功率晶体管，至少包括衬底、缓冲层以及势垒层；以及位于所述势垒层以上的栅极、源极和漏极；其中，在所述栅极下方和所述源极、漏极之间的导电沟道中设有一个或多个绝缘的隔离结构。
特别的，所述隔离结构形成在所述势垒层中，或者形成在所述势垒层及其下方的一层或多层结构中。
特别的，所述隔离结构包括经离子注入而形成的绝缘区域。
特别的，所述隔离结构包括经刻蚀形成的镂空区域。
特别的，所述隔离结构之间的间隔从所述功率晶体管中心向边缘逐渐增大。
特别的，形成所述隔离结构的离子注入材料为氢或者氦。
特别的，所述隔离结构的宽度等于所述栅极的宽度。
特别的，所述隔离结构的宽度大于或者小于所述栅极的宽度。
特别的，所述功率晶体管为HEMT。
本申请还提供了一种电子设备，其包括一个或多个如前任一所述的功率晶体管。
本申请将隔离结构设置在功率晶体管的导电沟道中，通过减少散热较差部分导电路径，优化了导电路径，使得功率晶体管整体的温度分布更加均匀，减少热点产生的可能性，提高功率晶体管的工作稳定性。
附图说明
下面，将结合附图对本申请的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
图1所示为常规氮化镓功率晶体管的电阻和温度关系曲线图；
图2所示为常规HEMT功率晶体管的截面图；
图3A所示为常规HEMT功率晶体管局部放大示意图；
图3B所示为常规HEMT功率晶体管示例性版图；
图4所示为根据本申请的一个实施例HEMT功率晶体管示意性版图；
图5所示为根据本申请的另一个实施例HEMT功率晶体管示意性版图；
图6A-6C所示为根据本申请的多个实施例HEMT功率晶体管局部示例性版图；
图7所示为根据本申请一个实施例的HEMT功率晶体管局部结构立体示意图；以及
图8所示为根据本申请另一个实施例的HEMT功率晶体管局部结构立体示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
以下以HEMT为例进行介绍和说明。图2所示为常规HEMT的截面示意图。如图所示，HEMT从下到上至少包括衬底110、缓冲层120和势垒层140。其中衬底材料可以是氮化镓、硅、蓝宝石、碳化硅、氮化铝、金刚石，缓冲层材料可以是氮化镓、铝镓氮、氮化铝以及它们的混合物，势垒层可以是铝镓氮、氮化铝等。根据一个实施例，在势垒层140上方还可以设有源极150、漏极170，以及位于源极和漏极之间的栅极160。其中，各电极材料可以是金属或者多晶硅。在HEMT异质结界面构成一个电子势阱，势阱中形成二维电子气，从而在缓冲层120和势垒层140之间形成使电子定向从源极迁移至漏极的导电沟道130。
图3A所示为常规HEMT功率晶体管局部放大图。如图3A所示，一个HEMT功率晶体管可以包括多条彼此相连的源极150，多条彼此相连的漏极170，以及多条分布在源极150和漏极170之间的栅极(未示出)。
图3B所示为常规HEMT功率晶体管示例性版图。在每组源极150和漏极170线之间都分布有相应的栅极(未示出)以及位于源极和漏极之间的沟道区域。图3B中的虚线之间的区域130代表的是栅极下方的导电沟道区域。在功率晶体管工作过程中，由于导通电阻的存在会导致沟道区域的温度升高。特别地，在距离晶体管边缘比较远的地方，由于散热不足，温度会更高。
图4所示为根据本申请的一个实施例HEMT功率晶体管示意性版图。如图所示，在源极150和漏极170之间的沟道区域中可以设置一个或多个绝缘的隔离结构180。在未形成隔离结构180的沟道区域仍然可以导电形成电流。在一些实施例中，多个隔离结构180可以均匀分布在沟道区域中，例如图4所示，在一组源极和漏极之间的沟道区域中的隔离结构180之间的距离可以相同。
图5所示为根据本申请的另一个实施例HEMT功率晶体管示意性版图。由于功率晶体管的往往具有一定的面积，温度较高的点往往位于晶体管的中心区域附近，而位于晶体管的边缘区域由于可以与环境有更加充分的热交换，因此相对来说温度比中心区域要低。有鉴于此，如图所示，在这个实施例中，隔离结构180之间的间隔可以从功率晶体管中心向边缘逐渐增大。在另一些实施例中，功率晶体管边缘位置可以不设置隔离结构180。
根据不同的实施例，隔离结构180之间的距离或者说隔离结构180的分布密度可以根据实际需要来进行设计和调整。
图6A-6C所示为根据本申请的多个实施例HEMT功率晶体管局部示例性版图。如图所示，虚线之间的130区域代表栅极下方的沟道区域其仅仅是位于源极和漏极之间的整个沟道区域的中间部分。由图6A所示，其中的隔离结构180的宽度可以与栅极下方的沟道区域或者说栅极宽度尺寸基本相同。如图6B所示，其中的隔离结构180的宽度可以小于栅极宽度。如图6C所示，隔离结构180的宽度可以大于栅极宽度，隔离结构180最宽的情况可以达到源极与漏极之间的尺寸。
图7所示为根据本申请一个实施例的HEMT功率晶体管局部结构立体示意图。根据一个实施例，隔离结构180可以是经离子注入而形成的绝缘区域。离子注入能够精确控制离子的浓度分布和注入深度，且离子横向扩散小，工艺条件容易控制。根据本申请的一个实施例，注入的离子可以为氢或者氦。根据一个实施例，隔离结构180的上表面即为势垒层140的上表面，隔离结构180的深度也就是注入的深度可以涉及势垒层的部分或者全部厚度，例如隔离结构在势垒层140的深度最深可以达到自势垒层140上表面向下延伸10-50nm。根据本申请的一个实施例，隔离结构180的深度除了涉及势垒层140外，注入还可以深入到缓冲层120的部分或者全部，例如隔离结构180在缓冲层120中的深度最深可以达到自势垒层140下表面向下延伸10-50nm。根据其他的实施例，在HEMT还可以包括其他的层结构，隔离结构180可以至少涉及或深入到势垒层140中的部分或全部，或者涉及或深入到势垒层140及其下方的一层或多层之中。
图8所示为根据本申请另一个实施例的HEMT功率晶体管局部结构立体示意图。如图所示，隔离结构180可以为经刻蚀形成的镂空区域，其中镂空的区域不导电。进行刻蚀的手段可以是干法刻蚀，也可以是湿法腐蚀，也可以两个方法相结合进行工作。
在一些实施例中，刻蚀形成的镂空区域宽度同样可以小于、等于或大于栅极的宽度。刻蚀的深度可以涉及势垒层140的部分或者全部，也可以涉及缓冲层120的部分或者全部，甚至涉及衬底110或其他层结构的部分或者全部。
本领域技术人员知晓的是，上述结构不仅仅限于氮化镓或任何具体的材料。也不仅仅限于HEMT器件的具体结构。
本申请所提供的器件结构可以有效的缓解功率器件由于导通电阻而发热从而导致器件烧毁的情况。通过有效的调节隔离结构形状、分布密度，可以在保证功率器件电学性能的前提下，降低器件的发热问题，从而提高器件的实用寿命。
上述实施例仅供说明本申请之用，而并非是对本申请的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本申请公开的范畴。
Claims (10)
1.一种功率晶体管，其特征在于，至少包括：
衬底、缓冲层以及势垒层；以及
位于所述势垒层以上的栅极、源极和漏极；
其中，在所述栅极下方和所述源极、漏极之间的导电沟道中设有一个或多个绝缘的隔离结构。
2.根据权利要求1所述的功率晶体管，其特征在于，所述隔离结构形成在所述势垒层中，或者形成在所述势垒层及其下方的一层或多层结构中。
3.根据权利要求1或2所述的功率晶体管，其特征在于，所述隔离结构包括经离子注入而形成的绝缘区域。
4.根据权利要求1或2所述的功率晶体管，其特征在于，所述隔离结构包括经刻蚀形成的镂空区域。
5.根据权利要求1或2所述的功率晶体管，其特征在于，所述隔离结构之间的间隔从所述功率晶体管中心向边缘逐渐增大。
6.根据权利要求3所述的功率晶体管，其特征在于，形成所述隔离结构的离子注入材料为氢或者氦。
7.根据权利要求1或2所述的功率晶体管，其特征在于，所述隔离结构的宽度等于所述栅极的宽度。
8.根据权利要求1或2所述的功率晶体管，其特征在于，所述隔离结构的宽度大于或者小于所述栅极的宽度。
9.根据权利要求1所述的功率晶体管，其特征在于，所述功率晶体管为HEMT。
10.一种电子设备，其特征在于，其包括一个或多个如权利要求1-9中任一所述的功率晶体管。
Priority Applications (1)
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| CN202020388558.2U CN212010979U (zh) | 2020-03-24 | 2020-03-24 | 一种功率晶体管及电子设备 |
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| CN202020388558.2U CN212010979U (zh) | 2020-03-24 | 2020-03-24 | 一种功率晶体管及电子设备 |
Publications (1)
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| CN212010979U true CN212010979U (zh) | 2020-11-24 |
Family
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| CN202020388558.2U Active CN212010979U (zh) | 2020-03-24 | 2020-03-24 | 一种功率晶体管及电子设备 |
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| Country | Link |
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| CN (1) | CN212010979U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113451402A (zh) * | 2020-03-24 | 2021-09-28 | 顶诺微电子(北京)有限公司 | 一种功率晶体管 |
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2020
- 2020-03-24 CN CN202020388558.2U patent/CN212010979U/zh active Active
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Legal Events
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