RU209768U1 - Высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор нормально-закрытого типа - Google Patents
Высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор нормально-закрытого типа Download PDFInfo
- Publication number
- RU209768U1 RU209768U1 RU2021112396U RU2021112396U RU209768U1 RU 209768 U1 RU209768 U1 RU 209768U1 RU 2021112396 U RU2021112396 U RU 2021112396U RU 2021112396 U RU2021112396 U RU 2021112396U RU 209768 U1 RU209768 U1 RU 209768U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- gan
- gate
- algan
- aln
- Prior art date
Links
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 title claims description 30
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 5
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 20
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 7
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910016569 AlF 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 nitride compound Chemical class 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к высоковольтным транзисторам нормально-закрытого типа. Прибор изготавливается на основе GaN/AlGaN-гетероструктуры. Обеспечивается пороговое напряжение 1 В и более. Это достигается тем, что в предлагаемой конструкции транзистора, включающей последовательные буферный слой GaN, спейсерный слой AlN, барьерный слой AlGaN, слой p-GaN под электродом затвора и контактные электроды, добавляется дополнительный стоп-слой AlN между барьерным слоем AlGaN и слоем р-GaN. Это обеспечивает точный контроль порогового напряжения и малые значения токов утечки в затвор.
Description
Настоящая полезная модель относится к высоковольтным транзисторам нормально-закрытого типа.
AlGaN/GaN-транзисторы с высокой подвижностью электронов позиционируются как замена мощных кремниевых транзисторов в диапазоне рабочих напряжений до 650 В. В отличие от кремниевых предшественников AlGaN/GaN транзисторы обладают улучшенной скоростью переключения, меньшим сопротивлением в открытом состоянии и меньшими размерами.
В известном патенте обсуждается высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов, состоящий из кремниевой подложки, GaN буферного слоя, AlGaN барьерного слоя, покровной пленки из GaN и управляющих электродов [1]. Электроды стока и истока наносятся на барьерный слой, а электрод затвора - на покровный. Покровный слой закрывается пассивирующим слоем Si3N4. На подложке предварительно выращивается темплейтная структура толщиной 700-800 нм, состоящая из чередующихся слоев GaN/AlN толщиной не более 10 нм. Между буферным и барьерным слоями нанесен спейсерный слой AlN толщиной не более 1 нм. На пассивационный слой наносится полевая пластина, электрически соединенная с затвором, расстояние между затвором и стоком и длина полевой пластины - взаимосвязанные величины и подбираются исходя из требуемого значения напряжения пробоя.
Описанная транзисторная структура - это устройство с естественным режимом истощения (нормально открытый ключ). Ее основной недостаток, препятствующий широкому применению в схемах преобразования мощности, - инверсная логика управления. Чтобы предотвратить сквозной ток, например, в полумостовой схеме, необходимо перед подачей напряжения силовой шины предварительно выключить транзисторы, подав на их затворы отрицательные напряжения. Если этого не сделать, произойдет короткое замыкание и катастрофический отказ.
Нормально закрытые транзисторы лишены указанного недостатка. При нулевом напряжении на затворе они не проводят электрический ток и совместимы с используемыми в настоящее время силовыми MOSFET/IGBT на основе Si.
Также известна конструкция нормально закрытого транзистора, включающая низкотемпературный зародышевый слой GaN, непреднамеренно легированный буферный слой GaN и барьерный слой AlGaN с мольной долей Al 30% [2]. Для повышения пробивного напряжения барьерный AlGaN-слой обрабатывается во фторсодержащей плазме. Однако, в это случае пороговое напряжение может быть нестабильным и чувствительным к разбросу параметров технологических операций. Достигаемые пороговые напряжения могут быть очень малыми по абсолютной величине, а ток стока не равен нулю при нулевом напряжении на затворе.
В известном патенте описывается непланарная конструкция транзистора с затвором, заглубленным в буферный слой [3]. В подобных конструкциях канал возникает на границе раздела AlGaN/затворный диэлектрик вдоль вертикальной ступеньки в области затвора. Переход электронов из области двумерного электронного газа в подобный канал затруднен из-за барьера на границе GaN/AlGaN. Это внутреннее сопротивление приводит к неправильной передаточной характеристике с плохим контролем порогового напряжения и высоким током стока.
В наиболее близком по сути патенте, принятом нами за прототип, описывается конструкция нормально-закрытого транзистора, включающая низкотемпературный зародышевый слой GaN, непреднамеренно легированный буферный слой GaN, спейсерный слой AlN, барьерный слой AlGaN с мольной долей алюминия Al 30% и контактные электроды [4]. Электрод затвора образует омический контакт с легированным слоем p-GaN. Электрод истока и электрод стока изготавливаются на барьерном слое AlGaN. Высокий барьер р-слоя уменьшает концентрацию электронов двумерном газе на гетерогранице AlGaN/GaN и, тем самым, увеличивает пороговое напряжение. Кроме того, изменение мольной доли алюминия (Al) и толщины слоя AlGaN регулирует пороговое напряжение в широком диапазоне. Затвор р-типа изготавливается методом селективного травления полупроводникового нитридного соединения р-типа вне области затвора. Основной недостаток предложенной конструкции заключается в том, что травление вызывает электрические повреждения в области канала. Когда область канала повреждена травлением, концентрация носителей в области канала между затвором и стоком уменьшается, вызывая уменьшение тока стока. Кроме того, захват электронов дефектами на поверхности области канала препятствуют операции быстрого переключения, то есть происходит так называемый коллапс тока.
Задача, на решение которой направленно заявленное нами техническое решение, заключается в увеличении порогового напряжения полевого транзистора на основе нитрида галлия до 1В и более. Подобные значения порогового напряжения обеспечивают закрытое состояние транзистора с учетом подпороговой утечки и технологического разброса параметров.
Это достигается тем, что в предлагаемой конструкции транзистора, включающей последовательные буферный слой GaN, спейсерный слой AlN, барьерный слой AlGaN, слой p-GaN под электродом затвора и контактные электроды, добавляется дополнительный стоп-слой AlN между барьерным слоем AlGaN и слоем p-GaN. Это обеспечивает точный контроль порогового напряжения и малые значения токов утечки в затвор.
На фиг. 1 представлен высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор нормально-закрытого типа: 1 - Si подложка, 2 - буферный слой GaN, 3 - слой нелегированного GaN, 4 - спейсерный слой AlN, 5 - барьерный слой AlGaN, 6 - стоп-слой AlN, 7 - слой p-GaN, 8 - пассивирующий диэлектрик Si3N4, 9 - контакт к истоку, 10 - контакт к затвору, 11 -контакт к стоку.
Тестовые образцы транзисторов были изготовлены по следующему технологическому маршруту. Приборная структура выращивалась методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Низкоомные омические контакты к истоку и стоку изготавливаются с помощью последовательного напыления слоев титана, алюминия, никеля и золота и последующего термического отжига при температуре 870°С. Формирование затвора начинается с напыления металла, который в дальнейшем используется как маска для селективного плазменного травления p-GaN-слоя вне затвора. При таком подходе p-GaN-слой не подвергается термической обработке и не деградирует, что положительно сказывается на характеристиках затворной области. Во время травления тонкий барьерный слой AlN (6) выполняет функцию стоп-слоя. В процессе травления использовалась смесь газов, содержащая не только хлор, но и фтор (BCl3+SF6, BCl3+CF4 и др.). В этом случае образуются соединения AlF3 и AlOx, на которых и останавливается травление. Для удаления тонкого диэлектрического слоя образец обрабатывается в растворе HF/NH4OH или в растворе соляной кислоты. Верхняя поверхность образца пассивировалась посредством осаждения тонкого слоя нитрида кремния.
Оптимальные параметры для изготовления нормально-закрытого транзистора: толщина барьерного слоя AlGaN 12 нм и содержание Al в нем - 17%, толщин спейсера и стоп-слоя AlN - 0,5 нм, толщина p-GaN-слоя - 40 нм, а концентрация примеси Mg в нем - 5⋅1018 см-3.
На фиг. 2 представлена вольт-амперная характеристика сформированного транзистора с длиной затвора 10 мкм и расстояниями сток-затвор и исток-затвор 1,4 мкм. Максимальный ток стока прибора в открытом состоянии 350 мА/мм при 4,5 В на затворе, пробивное напряжение около 550 В в закрытом состояние при 0 В на затворе. Из представленного графика видно, что пороговое напряжение изготовленных тестовых транзисторов больше 1 В. Это больше, чем 0,4-0,5 В в транзисторе прототипе. Подобные значения порогового напряжения обеспечивают закрытое состояние транзистора с учетом подпороговой утечки и технологического разброса параметров.
Величина порогового напряжения критически зависит от толщины барьерного слоя AlGaN. Применение дополнительного стоп-слоя позволяет точно остановить процесс травления, защитить барьерный слой от повреждений и тем самым лучше контролировать величину порогового напряжения. Этот слой также уменьшает токи утечки в затвор и вероятность возникновения коллапса тока. По сравнению с патентом-аналогом токи утечек в затвор уменьшились с сотен до единиц наноампер на миллиметр.
Источники информации
1. Патент РФ №2534002
2. Патент США №7932539
3. Патент США №8592868
4. Патент США №7728356 – прототип.
Claims (1)
- Высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор нормально-закрытого типа, состоящий из подложки и последовательно расположенных на ней буферного слоя GaN, нелегированного слоя GaN, спейсерного слоя AlN, барьерного слоя AlGaN, слоя p-GaN под электродом затвора, пространственно разделенных электродов истока, затвора и стока, отличающийся наличием дополнительного стоп-слоя AlN толщиной 0,5 нм между барьерным слоем AlGaN и слоем p-GaN под электродом затвора.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021112396U RU209768U1 (ru) | 2021-04-29 | 2021-04-29 | Высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор нормально-закрытого типа |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021112396U RU209768U1 (ru) | 2021-04-29 | 2021-04-29 | Высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор нормально-закрытого типа |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU209768U1 true RU209768U1 (ru) | 2022-03-22 |
Family
ID=80820390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021112396U RU209768U1 (ru) | 2021-04-29 | 2021-04-29 | Высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор нормально-закрытого типа |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU209768U1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU83655U1 (ru) * | 2008-06-26 | 2009-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Эпи-Тех" | Светодиодная гетероструктура с множественными ingan/gan квантовыми ямами |
| RU2534002C1 (ru) * | 2013-06-18 | 2014-11-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов |
| RU2642495C1 (ru) * | 2016-10-12 | 2018-01-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОТПИРАНИЯ GaN ТРАНЗИСТОРА |
| CN110754001A (zh) * | 2017-06-15 | 2020-02-04 | 宜普电源转换公司 | 用以改善氮化镓间隔件厚度的均匀度的具有选择性和非选择性蚀刻层的增强型氮化镓晶体管 |
-
2021
- 2021-04-29 RU RU2021112396U patent/RU209768U1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU83655U1 (ru) * | 2008-06-26 | 2009-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Эпи-Тех" | Светодиодная гетероструктура с множественными ingan/gan квантовыми ямами |
| RU2534002C1 (ru) * | 2013-06-18 | 2014-11-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов |
| RU2642495C1 (ru) * | 2016-10-12 | 2018-01-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОТПИРАНИЯ GaN ТРАНЗИСТОРА |
| CN110754001A (zh) * | 2017-06-15 | 2020-02-04 | 宜普电源转换公司 | 用以改善氮化镓间隔件厚度的均匀度的具有选择性和非选择性蚀刻层的增强型氮化镓晶体管 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10535763B2 (en) | Enhancement-mode III-nitride devices | |
| US7939391B2 (en) | III-Nitride devices with recessed gates | |
| US9520491B2 (en) | Electrodes for semiconductor devices and methods of forming the same | |
| US7102179B2 (en) | Power semiconductor device used for power control | |
| CN113169228A (zh) | 包括垂直栅极模块的横向iii族氮化物器件 | |
| US20230299190A1 (en) | Iii-nitride devices including a depleting layer | |
| CN108305834B (zh) | 一种增强型氮化镓场效应器件的制备方法 | |
| WO2009039041A2 (en) | Enhancement mode gallium nitride power devices | |
| JP5731687B2 (ja) | 窒化物半導体素子及びその製造方法 | |
| CN108365008B (zh) | 具有p型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法 | |
| Ma et al. | 702.3 A· cm⁻ ²/10.4 mΩ· cm² β-Ga₂O₃ U-Shape Trench Gate MOSFET With N-Ion Implantation | |
| CN108807500B (zh) | 一种具有高阈值电压的增强型高电子迁移率晶体管 | |
| Lu et al. | GaN power electronics | |
| RU209768U1 (ru) | Высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор нормально-закрытого типа | |
| CN116110942A (zh) | 一种具有p型掺杂结构的半导体异质结场效应管 | |
| US20220399460A1 (en) | Gan vertical trench mosfets and methods of manufacturing the same | |
| KR102067596B1 (ko) | 질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법 | |
| CN113658862A (zh) | 一种阈值电压稳定的p-GaN栅增强型HEMTs器件的制备方法 | |
| US8421182B2 (en) | Field effect transistor having MOS structure made of nitride compound semiconductor | |
| CN113410297B (zh) | MIS分裂栅GaN基高电子迁移率晶体管及其制备方法 | |
| US20090140293A1 (en) | Heterostructure device and associated method | |
| KR102125386B1 (ko) | 전력 반도체 소자 및 그 제조방법 | |
| Ha et al. | Hot-carrier-stress-induced degradation of 1 kV AlGaN/GaN HEMTs by employing SiO2 passivation | |
| Mi et al. | The improvement of breakdown voltage in AlGaN/GaN HEMT by using high-k dielectric La 2 O 3 passivation |