CN214898452U - 一种GaN HEMT器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种GaN HEMT器件，器件包括：GaN HEMT，所述GaNHEMT包括源极、栅极及漏极，在源极和源极之间设置有栅保护结构，栅保护结构在栅极与源极间的正向电压大于允许的最大正向电压时或反向电压大于允许的最大反向电压时击穿并导通。集成栅极保护结构的GaN HEMT器件，利用在芯片上集成栅的保护结构，当器件的栅极电压超过最大允许电压时，栅保护结构击穿导通，栅源电压维持在设置的最大电压，实现了对栅介质的保护，提高器件应用的可靠性。

Description

一种GaN HEMT器件

技术领域

本实用新型属于半导体技术领域，更具体地，本实用新型涉及一种GaN HEMT器件。

背景技术

氮化镓(GaN)是宽禁带半导体材料，禁带宽度达3.4eV。与传统的半导体材料硅(Si)、砷化镓(GaAs)相比，具有更高的临界电场、电子饱和漂移速度、以及良好的化学稳定性等特点。基于GaN材料的AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)结构具有更高的电子迁移率(高于1800cm²V^-1s^-1)和二维电子气(2DEG)面密度(约10¹³cm^-2)，使得基于GaN材料的器件在射频领域和电力电子领域都具有非常明显的优势。

GaN HEMT器件有各种不同的结构，如MES HEMT、MOS沟道HEMT、 MIS HEMT、p-GaNHEMT等多种，根据阈值电压的不同，又可以分为增强型和耗尽型。以p-GaN HEMT器件结构为例，器件的截面示意图，如图1所示。材料由衬底，如蓝宝石、Si晶圆、SiC晶圆等，成核层AlN，GaN层，AlGaN势垒层，p型掺杂的p-GaN帽层等组成。因为自发极化和压电极化的原因，AlGaN与GaN层之间的界面会产生大量高迁移率的二维电子气，形成非常低电阻的导通沟道。当在AlGaN势垒层上淀积一定厚度的p-GaN层后，p-GaN层使势垒下方的二维电子气耗尽，关断导通沟道。在p-GaN层上淀积栅极，可以通过控制栅极的电压，耗尽或形成p-GaN下方AlGaN/GaN界面处的二维电子气，从而实现器件的关断或开通。

当栅源之间的电压达到一定值时，栅金属与GaN之间会发生载流子的注入和隧穿现象，栅源之间击穿。由于GaN材料的雪崩性能较弱，一定击穿电压和电流下容易发生烧毁。同时，p-GaN和AlGaN层都非常薄，因此击穿电压很低，栅电压的工作范围小。

然而，由于栅工作电压的范围相对比较小，如当前一般增强型GaN HEMT 器件的栅电压范围为-2V～10V之间，比Si和SiC功率器件要小的多，这在应用中容易发生可靠性问题。在实际工作电路中，往往会存在一些电流的扰动，如负载的突然开启关断、电路故障、外界电磁干扰等，这些都可能会在栅极引起电压的波动，使器件的栅发生击穿导致失效，从而发生电路故障。

实用新型内容

本实用新型提供了一种GaN HEMT器件，旨在改善上述问题。

为了实现上述目的，一种集GaN HEMT器件，所述器件包括：

GaN HEMT，所述GaN HEMT包括源极、栅极及漏极，在栅极和源极之间设置有在栅极与源极间的正向电压大于允许的最大正向电压时导通或反向电压绝对值大于允许的最大反向电压绝对值时导通的栅保护结构。

进一步的，所述栅保护结构由设于栅极与源极之间的一对或多对反向串联的多晶硅pn二极管组成。

进一步的，所述GaN HEMT为p-GaN HEMT。

进一步的，p-GaN HEMT从下至上依次包括：

衬底、缓冲层、GaN层、势垒层、p-GaN层及栅介质层；

栅介质层覆盖在p-GaN层上，在p-GaN层上的栅介质层上设置窗口，在窗口处设置有栅极，在栅极的两侧设置分别设置有漏极和源极，源极及漏极的底部与GaN层接触；

隔离介质层，隔离介质层位于栅极与栅介质层上，栅保护结构设置于栅极与源极之间的隔离介质层上。

进一步的，所述器件还包括：

设于栅保护结构上的若干介质层和互联金属层，每层介质层上下的互联金属层之间通过介质孔连接，且源极、栅极及漏极间的金属层之间相互隔离。

进一步的，所述栅极为T型。

集成栅极保护结构的GaN HEMT器件，利用在芯片上集成栅的保护结构，当器件的栅极电压超过最大允许电压时，栅保护结构击穿导通，栅源电压维持在设置的最大电压，实现了对栅介质的保护，提高器件应用的可靠性。

附图说明

图1为现有GaN HEMT器件的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的集成栅保护结构的GaN HEMT器件结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的GaN HEMT器件电路结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的栅保护结构形成后的GaN HEMT器件结构示意图；

1.衬底、2.缓冲层、3.GaN层、4.势垒层、5.p-GaN层、6.源极、7.漏极、8. 栅介质层、9.栅极、10.隔离介质层、11.栅保护结构。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本实用新型的实用新型构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本实用新型实施例提供的GaN HEMT器件包括：

GaN HEMT，GaN HEMT包括源极、栅极及漏极，在栅极和源极之间设置有栅保护结构，栅保护结构在栅极与源极间的正向电压大于允许的最大正向电压时或反向电压的绝对值大于允许的最大反向电压的绝对值时击穿并导通，使得栅源电压维持在设置的最大电压，实现了对栅介质的保护，提高器件应用的可靠性，该栅保护结构在安全电压不导通，不影响器件的正常工作，此处的安全电压是指位于允许的最大反向电压与允许的最大正向电压之间的电压值。

在本实用新型实施例中，栅保护结构由设于栅极与源极之间的多晶硅，及设于多晶硅上的一对或多对反向串联的pn二极管组成，如图4所示，即形成 ABA或者ABABA…型等一对或多对反向串联的多晶硅pn二极管，如npn，是 np二极管与pn二极管的反向串联结构。如ABAB结构，从左往右是两个反向的pn二极管AB串联而成，从右往左是一个反向二极管BA，两个方向的击穿电压是不一样的。因此可以通过设置二极管的分布实现不同的正向最大电压与反向最大电压绝对值。反向串联的二极管形成栅的保护结构，使得栅源之间在一定电压下不导通，当栅源之间的正向电压或反向电压大于一定值时，反偏的 pn结构发生击穿，使栅源之间的电压稳定在几个反向串联二极管的击穿电压之和。由于多晶硅二极管具有非常稳定的击穿电压，这样就限制了在栅极上施加的最大电压，防止栅源之间的GaN、AlGaN等因过高的电压击穿，保护了栅结构；图3为GaN HEMT器件的电路结构图。

栅保护结构形成后，在栅保护结构上会继续淀积介质层和互联金属层，可以淀积两层或两层以上的介质层和金属层，每层介质的上下金属层之间通过介质孔连接，栅、源和漏的金属之间相互隔离。最上面的金属层形成源极、漏极以及栅电极的金属压块。最后，最上面是钝化层和聚酰亚胺保护层。

本实用新型实施例中集成栅保护结构的GaN HEMT器件的结构不仅适用于 p-GaNHEMT，也可同样适用于如MES HEMT、MOS沟道HEMT、MIS HEMT 等多种，并且包括增强型与耗尽型。在本实用新型实施例中，以p-GaN HEMT 器件的结构为例，如图2所示，集成栅保护结构的p-GaN HEMT器件从下至上依次包括：

衬底、缓冲层、GaN层、势垒层、p-GaN层及栅介质层；

于栅介质层覆盖在p-GaN层上，在p-GaN层上的栅介质层上设置窗口，在窗口处设置有栅极，在栅极的两侧分别设置有漏极和源极，源极及漏极的底部与GaN层接触；

隔离介质层，隔离介质层位于栅极与栅介质层上，栅保护结构设置于栅极与源极之间的隔离介质层上。

衬底可以是各类衬底材料，如Al₂O₃、Si、SiC、GaN等；缓冲层主要是用于改善衬底材料的缺陷、及衬底与外延GaN层的晶格失配的影响，缓冲层由AlN 层和GaN层或AlN层和AlGaN两层或多层组成；沟道层为GaN层，厚度一般为几百nm；势垒层为AlGaN材料，或者由AlN/AlGaN组成，势垒层的厚度一般小于100nm，AlGaN中的Al组分影响二维电子气浓度，一般在30％以下。由于材料的自发极化和压电极化，势垒层与GaN层之间界面处会形成高浓度的二维电子气(2DEG)；p-GaN层为p型掺杂的GaN材料，可以进行Mg掺杂，掺杂浓度大于1E17cm^-3，由于电离能量较高，因此实际激发的载流子浓度会约低 1～2个数量级，通过与AlGaN形成pn结，耗尽下方二维电子气，厚度一般为几十～几百nm；栅介质层8的材料可为Si₃N₄；隔离介质为比较厚的介质，防止栅保护结构对势垒层的电影响，使其对器件的沟道不产生影响，如选用SiO₂，其厚度大于0.5um。

栅保护结构由设于栅极与源极之间的多晶硅，及设于多晶硅上的一对或多对反向串联的pn二极管组成，如图4所示，即形成ABA或者ABABA…型等一对或多对反向串联的多晶硅pn二极管，如npn，是np二极管与pn二极管的反向串联结构。如ABAB结构，从左往右是两个反向的pn二极管AB串联而成，从右往左是一个反向二极管BA，两个方向的击穿电压是不一样的。因此可以通过设置二极管的分布实现不同的正向最大电压与反向最大电压绝对值。反向串联的二极管形成栅的保护结构，使得栅源之间在一定电压下不导通，当栅源之间的正向电压或反向电压大于一定值时，反偏的pn结构发生击穿，使栅源之间的电压稳定在几个反向串联二极管的击穿电压之和。由于多晶硅二极管具有非常稳定的击穿电压，这样就限制了在栅极上施加的最大电压，防止栅源之间的 GaN、AlGaN等因过高的电压击穿，保护了栅结构。

有益技术效果：集成栅极保护结构的GaN HEMT器件，利用在芯片上集成栅的保护结构，当器件的栅极电压超过最大允许电压时，栅保护结构击穿导通，栅源电压维持在设置的最大电压，实现了对栅介质的保护，提高器件应用的可靠性。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种GaN HEMT器件，其特征在于，所述器件包括：

GaN HEMT，所述GaN HEMT包括源极、栅极及漏极，在栅极和源极之间设置有在栅极与源极间的正向电压大于允许的最大正向电压时导通或反向电压绝对值大于允许的最大反向电压绝对值时导通的栅保护结构。

2.如权利要求1所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述栅保护结构由设于栅极与源极之间的一对或多对反向串联的多晶硅pn二极管组成。

3.如权利要求1或2所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述GaN HEMT为p-GaN HEMT。

4.如权利要求3所述的GaN HEMT器件，其特征在于，p-GaN HEMT从下至上依次包括：

衬底、缓冲层、GaN层、势垒层、p-GaN层及栅介质层；

栅介质层覆盖在p-GaN层上，在p-GaN层上的栅介质层上设置窗口，在窗口处设置有栅极，在栅极的两侧设置分别设置有漏极和源极，源极及漏极的底部与GaN层接触；

隔离介质层，隔离介质层位于栅极与栅介质层上，栅保护结构设置于栅极与源极之间的隔离介质层上。

5.如权利要求1、2或4任一权利要求所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述器件还包括：

设于栅保护结构上的若干介质层和互联金属层，每层介质层上下的互联金属层之间通过介质孔连接，且源极、栅极及漏极间的金属层之间相互隔离。

6.如权利要求1至4任一权利要求所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述栅极为T型。

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