DE112010001582T5 - Galliumnitrid-Transistor vom Anreicherungstyp mit verbessertern GATE-Eigenschaften - Google Patents

Galliumnitrid-Transistor vom Anreicherungstyp mit verbessertern GATE-Eigenschaften

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Abstract

Ein GaN-Transistor vom Anreicherungstyp mit einer pGaN-Gate-Struktur, die so dick ist, dass ein dielektrischer Ausfall ausgeschlossen werden kann. In einer Ausführung beträgt diese Dicke zwischen 400 Å und 900 Å. In einer bevorzugten Ausführung beträgt diese Dicke 600 Å.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die jüngste Entwicklung ist ein Galliumnitrid-Transistor (GaN) vom Anreicherungstyp. Bei einem GaN-Transistor wird ein P-dotiertes GaN-Gate (pGaN) auf der Oberfläche der Aluminium-Galliumnitrid-(AlGaN)/GaN-Struktur gewachsen, um eine positive Schwellenspannung zu erhalten. Bekannte pGaN-Gate-Strukturen weisen jedoch nicht die ideale Dicke auf, die entweder zu einem dielektrischen Ausfall, wenn die pGaN-Struktur zu dick ist, oder einer übermäßigen Stromleitfähigkeit führen können, wenn die pGaN-Gate-Struktur zu dünn ist.
  • 1 zeigt einen bekannten GaN-Transistor 1 in der Querschnittansicht. Der GaN-Transistor 1 weist eine AlGaN-Schicht 5 verteilt über die Oberfläche der undatierten GaN-Schicht 6 und einen 2DEG-Heteroübergang 9 zwischen diesen beiden Schichten auf. Oben auf der AlGaN-Schicht 5 befindet sich eine Source 2, ein Drain 3 und ein Gate 4. Zwischen dem Gate-Metall 4 und der AlGaN-Schicht 5 weist das Gate 4 eine pGaN-Struktur 7 auf. Ein Dielektrikum 8 bedeckt die freiliegende AlGaN-Schicht und die Seitenwände des Gates 4 und der pGaN-Struktur 7. Die pGaN-Struktur 7 weist eine Dicke t auf. Das Gate-Dielektrikum 7 wird durch die Seitenwände zwischen Gate 4 und AlGaN-Schicht 5 bestimmt. Der 2DEG-Heteroübergang 9 wird vom Gate 4 moduliert.
  • 2 zeigt ein Schaltbild des bekannten GaN-Transistors 1 aus 1. In 2 ist deutlich, dass das Dielektrikum 8 parallel zur Gate-Diode angeordnet ist. Es wird darauf hingewiesen, dass sich die Verweisnummern auf die 1 und 2 beziehen.
  • Aus 3 wird ersichtlich, wie die Transkonduktanz (Eingangsspannung vs. Ausgangsspannung) abhängig von der jeweiligen Dicke t der Gates mit pGaN-Strukturen schwankt. Mit zunehmender pGaN-Dicke t verringert sich die Transkonduktanz und Durchlassspannung der Gate-Diode nimmt zu. Vor allem 3 zeigt, dass ein Gate, dessen pGaN-Struktur eine Dicke t von 300 Å aufweist, eine höhere Transkonduktanz als ein Gate besitzt, dessen pGaN-Struktur eine Dicke t von 600 Å aufweist, bei dem die Transkonduktanz höher ist als bei einem Gate, dessen pGaN-Struktur eine Dicke t von 1000 Å aufweist. Um Transistoren mit einer dickeren pGaN-Struktur vollständig anzureichern, ist eine höhere Gate-Spannung erforderlich. Die Höchstleistung des Transistors lässt sich nicht erreichen, wenn das Gate-Dielektrikum ausfällt, bevor der Transistor vollständig angereichert wird.
  • Bekannte GaN-Transistoren vom Anreicherungstyp weisen alte Gates auf, bei denen die Dicke t ihrer pGaN-Strukturen mindestens 1000 Å beträgt. So lehrt beispielsweise X. Hu, et al., "Enhancement mode AlGaN/GaN HFET with selectively grown pn junction gate," 36 Electronic Letters, Ausgabe 8, auf den Seiten 753-54 (13. Apr. 2000) eine pGaN-Struktur mit 1000 Å. Des Weiteren lehrt die US-Patentveröffentlichung Nr. 2006/0273347 pGaN-Strukturen mit Dicken von 1000 Å. Wie jedoch zuvor erklärt, können pGaN-Dicken t von gleich oder mehr als 1000 Å zu einem dielektrischen Ausfall führen.
  • 5 zeigt die I-V-Gate-Eigenschaften für eine pGaN-Struktur mit einer Dicke t von 1000 Å. Aus den Angaben gemäß 5 ergibt sich, dass die pGaN-Struktur des Gates mit einer Dicke t von 1000 Å ausfällt, wenn eine Spannung zwischen 8 V und 12 V an das Gate angelegt wird. Somit ist eine Dicke t von 1000 Å zu groß für eine pGaN-Struktur, da das Gate wie ein Dielektrikum agiert. Ein dielektrischer Ausfall ist katastrophal und kann verursacht werden, bevor der 2DEG-Heteroübergang vollständig angereichert ist oder infolge einer Gate-Überschwingung (siehe unten) während eines schnellen Umschaltens.
  • 6 zeigt die I-V-Gate-Eigenschaften für eine pGaN-Struktur mit einer Dicke t von 1000 Å. Aus dem Diagramm in 3 wird ersichtlich, dass ein Gate, deren pGaN-Struktur eine Dicke t von 1000 Å aufweist, bei 6 Volt nicht vollständig eingeschaltet ist, wodurch sich das Risiko eines dielektrischen Ausfalls erhöht.
  • 7 zeigt die mit einem Gate verbundene Überschwingung. Aus dem Diagramm wird ersichtlich, dass Spannungsschwankungen bei schnellem Umschalten extrem sein können. Wenn die Schwellenspannung am Gate dicht an der Stoßspannung des Dielektrikums liegt, wird es infolge einer die Stoßspannung übersteigenden Gate-Überschwingung wahrscheinlich zum Ausfall des Dielektrikums kommen. Gates mit pGaN-Strukturen, deren Dicken t deutlich unter der Stoßspannung liegen, werden durch eine Gate-Überschwingung wahrscheinlich weniger beeinträchtigt sein, weil die angelegte Spannung zur Aktivierung des Gates nicht so dicht an der Stoßspannung liegt. Das bedeutet, dass die Gate-Überschwingung nur unwahrscheinlich mit Stoßspannung zusammenfällt oder diese übersteigt.
  • Aus den vorstehenden Ausführungen wird deutlich, dass eine Dicke von 1000 Å für eine pGaN-Gate-Struktur in einem GaN-Transistor vom Anreicherungstyp zu groß ist. Es wäre daher wünschenswert, einen GaN-Transistor mit einem pGaN-Gate bereitzustellen, das dünn genug ist, um das Risiko eines dielektrischen Ausfalls auszuschließen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen GaN-Transistor vom Anreicherungstyp mit einer pGaN-Gate-Struktur, die dünn genug ist, um einen dielektrischen Ausfall auszuschließen. In einer Ausführung für Spannungsanwendungen von 5 V am Gate liegt der Wert für die Dicke zwischen 400 Å und 900 Å. In einer bevorzugten Ausführung beträgt die Dicke 600 Å. Da diese Dicken so groß sind, wird eine übermäßige Stromleitfähigkeit verhindert
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt einen GaN-Transistor vom Anreicherungstyp in der Querschnittansicht.
  • 2 zeigt das Schaltbild eines GaN-Transistors vom Anreicherungstyp.
  • 3 ist ein Diagramm, in dem die jeweilige Transkonduktanz für unterschiedliche Gate-Dicken dargestellt wird.
  • 4 ist ein Diagramm, in dem die I-V-Eigenschaften des P-N-Übergangs für Transistoren mit Gates verschiedener Dicken veranschaulicht werden.
  • 5 zeigt die I-V-Gate-Eigenschaften des P-N-Übergangs, das eine pGaN-Struktur mit einer Dicke t von 1000 Å aufweist.
  • 6 ist ein Diagramm, das die I-V-Gate-Eigenschaften eines P-N-Übergangs für eine pGaN-Struktur mit einer Dicke t von 1000 Å und einer Struktur mit einer Dicke t von 600 Å gegenüberstellt. Aus dieser Figur geht hervor, dass ein Transistor mit einem Gate von 1000 Å bei 6 Volt nicht eingeschaltet ist (und damit stromleitend) wird, was das Risiko eines dielektrischen Ausfalls erhöht.
  • 7 ist ein Diagramm, dass die Überschwingung bei Gates im bisherigen Stand der Technik darstellt.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen GaN-Transistor vom Anreicherungstyp mit einem pGaN-Gate, dessen Dicke in einem Bereich von 400 Å und 900 Å liegt. Dieser Bereich ist so dünn, dass ein dielektrischer Ausfall ausgeschlossen wird. Wie nachstehend beschrieben, ist diese Dicke auch groß genug, um Probleme mit zu dünnen pGaN-Gates auszuschließen. In einer bevorzugten Ausführung beträgt die Dicke des pGaN-Gates 600 Å.
  • Die pGaN-Gate-Struktur wird Mg-dotiert und zur p-dotierten Leitfähigkeit aktiviert. In einer Ausführung ist die pGaN-Gate-Struktur eine halbisolierende GaN, die mit Mg dotiert und mit Wasserstoff kompensiert ist.
  • Wie in 4 dargestellt, ist ein Gate mit einer 600 Å dicken pGaN-Struktur ausreichend, um noch eine gut messbare Strommenge leiten zu können. Aus 4 wird ebenfalls ersichtlich, dass eine pGaN-Struktur mit einer Dicke t von 300 Å eine nicht messbare Strommenge bei jeder beliebig angelegten positiven oder negativen Spannung leitet. Entsprechend ist eine Dicke von 300 Å zu gering für eine pGaN-Struktur.
  • 6 zeigt ein Gate mit einer 600 Å dicken pGaN-Struktur, das eingeschaltet wird, noch bevor es zu einem dielektrischen Ausfall kommt, der damit auf diese Weise ausgeschlossen wird. Ein dielektrischer Ausschluss ist außerdem weniger wahrscheinlich bei einem Gate mit einer 600 Å dicken pGaN-Struktur, weil das Gate bei einer Spannung einschaltet, die deutlich unter der Stoßspannung des Dielektrikums liegt. Das bedeutet, dass eine Gate-Überschwingung nur unwahrscheinlich den Anschub der Gate-Spannung an die Stoßspannung zur Folge haben wird.
  • Die oben angegebenen Gate-Dicken- und Maße beziehen sich auf einen Transistor mit einer Gate-Nennspannung von 5 V. Bei geringeren Nennspannungen am Gate würde die Dicke der GaN-Struktur selbstverständlich entsprechend verringert werden.
  • Die vorstehenden Beschreibungen und Zeichnungen sind lediglich erläuternd auf die zugehörigen spezifischen Ausführungen bezogen, mit denen sich die hierin erwähnten Eigenschaften und Vorteile erzielen lassen. Änderungen oder Zusätze spezieller Prozessbedingungen sind möglich. Entsprechend sind die Ausführungen der vorliegenden Erfindung nicht auf die vorgenannten Beschreibungen und Zeichnungen beschränkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2006/0273347 [0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • X. Hu, et al., ”Enhancement mode AlGaN/GaN HFET with selectively grown pn junction gate,” 36 Electronic Letters, Ausgabe 8, auf den Seiten 753-54 (13. Apr. 2000) [0005]

Claims (3)

  1. Ein GaN-Transistor vom Anreicherungstyp mit einer pGaN-Gate-Struktur, deren Dicke zwischen 400 Å und 900 Å beträgt.
  2. Der GaN-Transistor vom Anreicherungstyp nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pGaN-Gate-Dicke 600 Å beträgt.
  3. Der GaN-Transistor vom Anreicherungstyp mit einer pGaN-Gate-Struktur, die eine Dicke von Faktor A × (400 Å bis 900 Å) aufweist, wobei der Faktor A dem Verhältnis der Gate-Nennspannung/5 V entspricht.
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