CN220358098U - 一种凹栅mis双势垒层hemt器件 - Google Patents
一种凹栅mis双势垒层hemt器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN220358098U CN220358098U CN202320408529.1U CN202320408529U CN220358098U CN 220358098 U CN220358098 U CN 220358098U CN 202320408529 U CN202320408529 U CN 202320408529U CN 220358098 U CN220358098 U CN 220358098U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- barrier layer
- gate
- mis
- hemt
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 title claims abstract description 79
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 23
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims abstract description 6
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- INQLNSVYIFCUML-QZTLEVGFSA-N [[(2r,3s,4r,5r)-5-(6-aminopurin-9-yl)-3,4-dihydroxyoxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl] [(2r,3s,4r,5r)-5-(4-carbamoyl-1,3-thiazol-2-yl)-3,4-dihydroxyoxolan-2-yl]methyl hydrogen phosphate Chemical compound NC(=O)C1=CSC([C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OC[C@@H]3[C@H]([C@@H](O)[C@@H](O3)N3C4=NC=NC(N)=C4N=C3)O)O2)O)=N1 INQLNSVYIFCUML-QZTLEVGFSA-N 0.000 abstract 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种凹栅MIS双势垒层HEMT器件，器件包括：凹栅MIS双势垒层HEMT，所述凹栅MIS双势垒层HEMT包括蓝宝石衬底、3μm GaN缓冲层、400nm GaN沟道层、5nm Al0.18Ga0.82N薄势垒层、20nm Al0.28Ga0.72N势垒层、200nm Si3N4钝化层、源极、栅极及漏极，刻蚀掉20nm Al0.28Ga0.72N势垒层，栅极延伸下去，栅极周围淀积了一层1nm厚的Al2O3电介质层，起到减小栅极泄漏电流的作用。利用silvaco TCAD仿真凹栅MIS双势垒层HEMT，对比常规MIS HEMT、Al0.28Ga0.72N TBL(薄势垒层)MIS HEMT和Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT的直流特性，并且通过调节AlGaN势垒层刻蚀深度、栅长和电介质层Al2O3的厚度来调控器件的阈值电压，器件获得了+1V的阈值电压，实现了1.38A/mm的漏极饱和电流，498mS/mm的峰值跨导，表明优化后的器件获得了较好的直流特性，实现了从耗尽型到增强型的转变。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体器件领域，特别涉及一种凹栅MIS双势垒层HEMT器件。
背景技术
GaN半导体材料具有一系列的优良特性，如禁带宽度宽、击穿电场高、耐高电压、高的饱和电子速度、耐高温以及抗辐照特性好等，因此GaN材料是制备高频、高温、大功率和抗辐照电子元件的最佳材料。由于AlGaN和GaN之间存在自发极化和压电极化，GaN一侧会产生大量高迁移率的二维电子气(2DEG)。常规AlGaN/GaN HEMT器件在栅压为0V时处于导通状态，即是耗尽型器件。然而耗尽型器件需要额外的电路来保证器件处于关闭状态，这进一步增大了器件的尺寸，为了确保器件的可靠性，减少功率开关损耗，实现增强型器件是必须的。常用的实现增强型器件方法主要有：(1)薄势垒层；(2)凹栅结构；(3)p-GaN栅结构；(4)氟离子注入。虽然凹栅结构存在一定的缺点(存在刻蚀损伤)，但它具有高阈值电压、高击穿电压、高栅电压摆动的优点，被认为是最有潜力的增强型AlGaN/GaN功率器件的制备方法。凹栅MIS HEMT蚀刻部分势垒层，这降低了沟道层的2DEG密度，并随着刻蚀深度的增加，GaN一侧的导带底会移动到费米能级之上，从而不会形成2DEG，达到实现增强型HEMT器件的目的。
发明内容
本实用新型提供了一种凹栅MIS双势垒层HEMT器件，旨在通过凹栅结构实现增强型HEMT器件。
为了实现上述目的，一种凹栅MIS双势垒层HEMT器件，所述器件从下至上依次包括：蓝宝石衬底、3μm GaN缓冲层、400nm GaN沟道层、5nm Al0.18Ga0.82N薄势垒层、20nmAl0.28Ga0.72N势垒层、200nm Si3N4钝化层、源极、栅极及漏极，金属栅极正下方刻蚀掉20nmAl0.28Ga0.72N势垒层，栅极延伸下去，栅极周围淀积了一层1nm厚的Al2O3电介质层，起到减小栅极泄漏电流的作用。
进一步的，所述Al2O3电介质层厚度为1nm，起到防止栅极泄漏电流的作用。
进一步的，所述器件的栅极源极距离Lgs＝1μm，栅极漏极距离Lgd＝10μm，栅极长度Lg＝6μm。
进一步的，所述器件的AlGaN势垒层刻蚀深度为20nm时，器件实现了增强型工作模式。
进一步的，所述器件的AlGaN势垒层由5nm Al0.18Ga0.82N薄势垒层和20nmAl0.28Ga0.72N势垒层组成，所以称为双势垒层。
附图说明
图1为凹栅MIS双势垒层HEMT器件的结构示意图；
图2为常规MIS HEMT、Al0.28Ga0.72N TBL MIS HEMT和Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT三种器件的转移特性曲线；
图3是常规MIS HEMT、Al0.28Ga0.72N TBL MIS HEMT和Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT三种器件的跨导-栅压图；
图4是常规MIS HEMT、Al0.28Ga0.72N TBL MIS HEMT和Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT三种器件在栅极电压为4V时的输出特性曲线；
图5为三种不同刻蚀深度的Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT器件转移特性曲线；
图6为三种不同刻蚀深度的Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT器件的跨导-栅压图；
图7为三种不同刻蚀深度的Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT器件在栅极电压为4V时的输出特性曲线；
图8为不同栅极长度Lg(Lg＝2μm，4μm，6μm)的Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT器件转移特性曲线；
图9为不同电介质层Al2O3厚度的Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT器件转移特性曲线；
图10为不同电介质层Al2O3厚度的Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT器件在栅极电压为4V时的输出特性曲线；
1.蓝宝石衬底、2.GaN缓冲层、3.GaN沟道层、4. 5nm Al0.18Ga0.82N势垒层、5.20nmAl0.28Ga0.72N势垒层、6.源极、7.漏极、8.栅极、9.Al2O3电介质层、10.Si3N4钝化层。1.蓝宝石衬底、2.GaN缓冲层、3.GaN沟道层、4. 5nm Al0.18Ga0.82N势垒层、5. 20nmAl0.28Ga0.72N势垒层、6.源极、7.漏极、8.栅极、9.Al2O3电介质层、10.Si3N4钝化层。
具体实施方式
下面对照附图，通过对附图的描述，对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。
请参照图1，本实用新型提供了一种凹栅MIS双势垒层HEMT器件，包括蓝宝石衬底、3μm GaN缓冲层、400nm GaN沟道层、5nm Al0.18Ga0.82N薄势垒层、20nm Al0.28Ga0.72N势垒层、200nm Si3N4钝化层、源极、栅极及漏极，金属栅极正下方刻蚀掉20nm Al0.28Ga0.72N势垒层，栅极延伸下去，栅极周围淀积了一层1nm厚的Al2O3电介质层，起到减小栅极泄漏电流的作用；
所述器件的Al2O3电介质层厚度为1nm，起到防止栅极泄漏电流的作用，栅极源极距离Lgs＝1μm，栅极漏极距离Lgd＝10μm，栅极长度Lg＝6μm，AlGaN势垒层由5nm Al0.18Ga0.82N薄势垒层和20nm Al0.28Ga0.72N势垒层组成，所以称为双势垒层；
请参照图2，图2是常规MIS HEMT、Al0.28Ga0.72N TBL MIS HEMT和Al0.18Ga0.82N TBLMIS双势垒层HEMT三种器件的转移特性曲线，从图2中可以得到，常规MIS HEMT的阈值电压为-2.1V，Al0.28Ga0.72N TBL MIS HEMT的阈值电压为+0.55V，而Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT获得了+1V的阈值电压，实现了增强型HEMT器件。
请参照图3，图3是常规MIS HEMT、Al0.28Ga0.72N MIS HEMT和Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT三种器件的跨导-栅压图，如图3所示，可以知道常规MIS HEMT的峰值跨导为221mS/mm，而刻蚀了20nm势垒层的Al0.28Ga0.72N MIS HEMT和Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT器件的峰值跨导十分接近，Al0.28Ga0.72N MIS HEMT的峰值跨导为483mS/mm，Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT的峰值跨导为498mS/mm。所以，我们可以知道，刻蚀20nm势垒层会使得峰值跨导明显增大，增大约2.25倍。峰值跨导代表着器件栅极控制能力，峰值跨导越大，栅极控制能力越强，所以刻蚀20nm势垒层后的器件栅极控制能力为常规型器件的2.25倍。
请参照图4，图4是常规MIS HEMT、Al0.28Ga0.72N TBL MIS HEMT和Al0.18Ga0.82N TBLMIS双势垒层HEMT三种器件在栅极电压为4V时的输出特性曲线，从图4中可以看出，Al0.28Ga0.72N TBL MIS HEMT器件的漏极饱和电流最大(Idmax为1500mA/mm)，其次是Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT器件的(Idmax为1380mA/mm)，而常规MIS HEMT器件的漏极饱和电流最小(Idmax为1260mA/mm)。从而可以得出这样一个结论，势垒层Al组分越大，沟道的2DEG浓度越高，漏极饱和电流越大。所以，我们可以知道，Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT实现了最高的正阈值电压，相比于常规MIS HEMT器件，阈值电压提高了3.1V。峰值跨导为常规MIS HEMT的2.5倍，即栅极控制能力提高了2.5倍。相比于常规MIS HEMT器件，Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT器件的漏极饱和电流提高了约12.7％。
请参照图5，图5是基于Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT器件进行不同深度的刻蚀得到的。从图5中可以看出，刻蚀10nm的HEMT阈值电压为-1V，刻蚀15nm的HEMT阈值电压为-0.5V，而刻蚀20nm的HEMT获得了+1V的阈值电压，实现了增强型HEMT器件。从而可以得出结论：随着刻蚀深度的增加，阈值电压增大。
请参照图6，图6是不同刻蚀深度的Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT器件跨导-栅压图，如图6所示，可以知道刻蚀10nm后的峰值跨导为356mS/mm，刻蚀15nm后的峰值跨导为396mS/mm，刻蚀20nm后的峰值跨导为498mS/mm。从而可以得出结论：刻蚀深度越深，峰值跨导越大，这是因为刻蚀掉栅极正下方的AlGaN势垒层，导致栅极越靠近沟道层，从而增强了栅极的控制能力。
请参照图7，图7是不同刻蚀深度的Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT器件在栅极电压为4V时的输出特性曲线，可以知道刻蚀10nm后器件的漏极饱和电流和刻蚀15nm后的几乎相等，刻蚀10nm后器件的漏极饱和电流为1270mA/mm，刻蚀15nm后器件漏极饱和电流为1260mA/mm。刻蚀20nm后器件的漏极饱和电流为1380mA/mm。刻蚀20nm后的器件既实现了高的正阈值电压，且峰值跨导和漏极饱和电流也是三种不同刻蚀深度的器件中最大的。
请参照图8，图8是不同栅极长度刻蚀20nm后的Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT器件的转移特性曲线，对比了三种不同栅长的器件的转移特性，即栅长分别为2μm，4μm和6μm时，Lgd分别对应为14μm，12μm和10μm。从图8中可以看出，栅极长度为2μm时，获得了+0.45V的阈值电压，栅极长度为4μm时，获得了+0.79V的阈值电压，栅极长度为6μm时，获得了+1V的阈值电压。所以栅极长度设置为6μm且Lgd为10μm时，器件实现了最大的阈值电压。
请参照图9，图9是不同电介质层Al2O3厚度的转移特性曲线，可以看出，1nm厚的Al2O3，3nm厚的Al2O3和5nm厚的Al2O3的阈值电压几乎相等，但是从图10中可以看出，1mm厚的Al2O3的漏极饱和电流为1380mA/mm，3nm厚的Al2O3的漏极饱和电流为1084mA/mm，5nm厚的Al2O3的漏极饱和电流为971mA/mm。所以选用1nm厚的Al2O3作为电介质层材料，使得器件获得更大的漏极饱和电流。
综上所述，本实用新型提供的一种Al0.18Ga0.82N TBL MIS双势垒层HEMT器件，通过结构优化，刻蚀深度设置为20nm，栅极长度设置为6μm且Lgd为10μm，电介质层Al2O3的厚度设置为1nm。优化后的器件实现了+1V的阈值电压，在栅压为4V时实现了1.38A/mm的漏极饱和电流，498mS/mm的峰值跨导，表明优化后的器件获得了较好的直流特性，实现了从耗尽型到增强型的工作模式的转变。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种凹栅MIS双势垒层HEMT器件，其特征在于，所述器件包括：凹栅MIS双势垒层HEMT，所述凹栅MIS双势垒层HEMT包括蓝宝石衬底、3μm GaN缓冲层、400nm GaN沟道层、5nmAl0.18Ga0.82N薄势垒层、20nm Al0.28Ga0.72N势垒层、200nm Si3N4钝化层、源极、栅极及漏极，金属栅极正下方刻蚀掉20nm Al0.28Ga0.72N势垒层，栅极延伸下去，栅极周围淀积了一层1nm厚的Al2O3电介质层，起到减小栅极泄漏电流的作用。
2.如权利要求1所述的凹栅MIS双势垒层HEMT器件，其特征在于，所述Al2O3电介质层厚度为1nm。
3.如权利要求1所述的凹栅MIS双势垒层HEMT器件，其特征在于，所述器件的栅极源极距离Lgs＝1μm，栅极漏极距离Lgd＝10μm，栅极长度Lg＝6μm。
4.如权利要求1所述的凹栅MIS双势垒层HEMT器件，其特征在于，所述器件的AlGaN势垒层刻蚀深度为20nm时，器件实现了增强型工作模式。
5.如权利要求1所述的凹栅MIS双势垒层HEMT器件，其特征在于，所述器件的AlGaN势垒层由5nm Al0.18Ga0.82N薄势垒层和20nm Al0.28Ga0.72N势垒层组成，所以称为双势垒层。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202320408529.1U CN220358098U (zh) | 2023-03-02 | 2023-03-02 | 一种凹栅mis双势垒层hemt器件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202320408529.1U CN220358098U (zh) | 2023-03-02 | 2023-03-02 | 一种凹栅mis双势垒层hemt器件 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN220358098U true CN220358098U (zh) | 2024-01-16 |
Family
ID=89501628
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202320408529.1U Active CN220358098U (zh) | 2023-03-02 | 2023-03-02 | 一种凹栅mis双势垒层hemt器件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN220358098U (zh) |
-
2023
- 2023-03-02 CN CN202320408529.1U patent/CN220358098U/zh active Active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107093628B (zh) | 一种极化掺杂增强型hemt器件 | |
| JP5534661B2 (ja) | 半導体装置 | |
| US10651303B2 (en) | High-electron-mobility transistor devices | |
| CN106298911B (zh) | 一种双结型栅氮化镓异质结场效应管 | |
| CN104916633A (zh) | 半导体装置 | |
| WO2023236523A1 (zh) | 一种增强型N沟道和P沟道GaN器件集成结构 | |
| CN102194819A (zh) | 一种基于MOS控制的增强型GaN异质结场效应晶体管 | |
| CN110310981A (zh) | 氮面增强型复合势垒层氮化镓基异质结场效应管 | |
| CN105304707A (zh) | 一种增强型hemt器件 | |
| CN117374114A (zh) | 一种新型双复合GaN HEMT器件 | |
| CN210897283U (zh) | 一种半导体器件 | |
| CN218274610U (zh) | 一种混合栅型GaN基的高电子迁移率晶体管 | |
| CN220358098U (zh) | 一种凹栅mis双势垒层hemt器件 | |
| CN116093132A (zh) | 一种氮化镓高电子迁移率晶体管 | |
| CN115548106A (zh) | 一种具有P型栅的增强型GaN器件 | |
| Zhou et al. | Threshold voltage modulation by interface charge engineering for high performance normally-off GaN MOSFETs with high faulty turn-on immunity | |
| CN112382631B (zh) | 基于栅极保护的级联电路及级联器件 | |
| CN114520262A (zh) | 一种增强型MIS-GaN器件 | |
| CN109817711B (zh) | 具有AlGaN/GaN异质结的氮化镓横向晶体管及其制作方法 | |
| CN112614778A (zh) | 一种在GaN HEMT器件中形成多功能p-GaN电极的方法及器件 | |
| CN220358096U (zh) | 一种薄势垒层GaN基HEMT器件 | |
| TWI784460B (zh) | 常閉式電晶體與其製造方法 | |
| WO2022028225A1 (zh) | 一种有栅源桥P-GaN增强型HEMT器件及其制备方法 | |
| CN113410297B (zh) | MIS分裂栅GaN基高电子迁移率晶体管及其制备方法 | |
| CN111863948B (zh) | 一种带栅源桥的GaN基P-GaN增强型HEMT器件及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |