TWI733468B - 提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構 - Google Patents

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Abstract

一種提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構，用以解決習知高電子移動率電晶體在高電壓狀態下喪失功能的問題。係包含：一基板；一導通層，位於該基板上，導通層之上半部係一電子供應層，且下半部係一電子通道層；一閘極絕緣層，疊層於該電子供應層上；及一電場分散層，疊層於該閘極絕緣層上，該電場分散層的介電常數小於該閘極絕緣層的介電常數，一閘極位於該電場分散層與該閘極絕緣層之間，一源極及一汲極分別電連接該電場分散層、該閘極絕緣層、該導通層之該電子供應層及該電子通道層。

Description

提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構
本發明係關於一種電子元件，尤其是一種高耐用性且使用安全的提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構。
對於電子元件的規格需求隨科技產品的研發速度而增加，例如：電動車、5G通訊等產業，需要以高頻及高壓操作且在高溫環境下正常運作的功率元件，因此，用於高頻且高溫的寬能隙功率元件，例如：高電子移動率電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)，還必須提升元件對於高電壓的耐性，以避免功率元件在使用過程中遭受瞬間高電壓擊穿，而發生介電崩潰（Electrical Breakdown）使元件的部份絕緣體成為導體，係導致崩潰的功率元件喪失功能。
上述習知的高電子移動率電晶體具有一崩潰電壓（Breakdown Voltage），該崩潰電壓係該電晶體遭擊穿的最低臨界電壓，當該電晶體之結構承受的電壓大於該崩潰電壓時，該電晶體之絕緣層喪失電絕緣能力而成為良導電狀態，原本通過該電晶體的微小電流急遽增加，將導致電連接至該電晶體的其他電子零件同樣受到高電流影響而過載失效甚至損毀，又，一般電子迴路在開關切換的瞬間產生突波，而突波的電壓值係數倍於迴路平常時的工作電壓值，為了使突波的瞬間電壓值不超過該崩潰電壓而造成介電崩潰，該電晶體所適用的工作電壓必須遠小於該崩潰電壓，或是將該電晶體電連接數個保護元件以隔絕突波影響，因此，習知的偏低崩潰電壓的高電子移動率電晶體係具有適用範圍小、增加安裝成本及操作安全性等問題。
有鑑於此，習知的高電子移動率電晶體確實仍有加以改善之必要。
為解決上述問題，本發明的目的是提供一種提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構，係可以分散電晶體各層的電場強度，而提升整體的崩潰電壓。
本發明的次一目的是提供一種提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構，係可以操作於高頻率及高溫的工作條件。
本發明全文所述方向性或其近似用語，例如「前」、「後」、「左」、「右」、「上（頂）」、「下（底）」、「內」、「外」、「側面」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性或其近似用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。
本發明全文所記載的元件及構件使用「一」或「一個」之量詞，僅是為了方便使用且提供本發明範圍的通常意義；於本發明中應被解讀為包括一個或至少一個，且單一的概念也包括複數的情況，除非其明顯意指其他意思。
本發明的提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構，包含：一基板；一導通層，位於該基板上，導通層之上半部係一電子供應層，且下半部係一電子通道層；一閘極絕緣層，疊層於該電子供應層上；及一電場分散層，疊層於該閘極絕緣層上，該電場分散層的介電常數小於該閘極絕緣層的介電常數，一閘極位於該電場分散層與該閘極絕緣層之間，一源極及一汲極分別電連接該電場分散層、該閘極絕緣層、該導通層之該電子供應層及該電子通道層。
據此，本發明的提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構，藉由使用介電常數低於閘極絕緣層的電場分散層，可以有效分散各分層的電場強度，而提升電晶體元件的崩潰電壓，係能夠增加高電子移動率電晶體可以維持正常運作的電壓範圍，同時具有可高頻操作及耐高溫的特性，且不需變更元件製程，可以避免額外的製造成本。
其中，該基板之上表面具有一緩衝層，該導通層位於該緩衝層上。如此，該導通層之電晶體功率元件可以成型於該緩衝層，係具有改善電晶體之異質結構的晶體品質及電子特性的功效。
其中，該電子供應層是氮化鋁鎵，該電子通道層是氮化鎵。如此，在該電子供應層與該電子通道層的異質結構界面可以形成二維電子氣，以提供電子快速移動的通道，係具有提升元件的高頻操作性的功效。
其中，該閘極絕緣層之材料的介電常數大於250，該閘極絕緣層之材料是鈦酸鍶。如此，該閘極絕緣層可以具有高介性及熱穩定性，係具有防止電子流失、調整電場及耐高溫的功效。
其中，該電場分散層之材料的介電常數大於1且小於250，該電場分散層之材料是二氧化矽摻碳、二氧化矽摻氟、氮化硼或鐵氟龍。如此，該電場分散層之介電常數相對較小而承受較大的電場強度，係具有降低該閘極絕緣層及該電子供應層的電場強度的功效。
本發明另包含至少一保護層，該保護層疊層於該電場分散層上。如此，該保護層可以保護其下各層的電性功能不受到環境影響，係具有提升提升產品可靠度的功效。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參照第1圖所示，其係本發明提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構的第一實施例，係包含一基板1、一導通層2、一閘極絕緣層3及一電場分散層4，該導通2位於該基板1上，該閘極絕緣層3及該電場分散層4依序疊層於該導通層2上。
該基板1係用於承載電晶體，藉由將金屬、絕緣體及半導體等電晶體材料成型於該基板1上，可以減少電子流失且防止有害的電氣效應，該基板1的材料較佳為矽（Silicon），該基板1之上表面還可以具有一緩衝層B，使各電晶體元件可以成型於該緩衝層B上，以改善該高電子移動率電晶體之異質結構的晶體品質及電子特性，在本實施例中，該緩衝層B的材料是氮化鋁鎵（AlGaN）及氮化鎵（GaN）。
該導通層2之上半部係一電子供應層21，且下半部係一電子通道層22，該電子供應層21及該電子通道層22係不同能隙的材料，在該電子供應層21與該電子通道層22的異質結構界面形成二維電子氣（Two Dimensional Electron Gas, 2DEG），係可以提供電子快速移動的通道，使該高電子移動率電晶體具有良好的高頻特性，在本實施例中，該電子供應層21是氮化鋁鎵及該電子通道層22是氮化鎵。
該閘極絕緣層3疊層於該導通層2之該電子供應層21上，該閘極絕緣層3相對於該導通層2的另一表面具有該高電子移動率電晶體的閘極G，該閘極G透過該閘極絕緣層3將電場作用於該導通層2，並藉由改變電場的大小進行該導通層2的開關切換及電子流量控制，因此，該閘極絕緣層3較佳具有低導電率及高介電常數，係可以防止電子流失及調整工作電場值，在本實施例中，該閘極絕緣層3的材料是鈦酸鍶（SrTiO），其介電常數大於250。
該電場分散層4疊層於該閘極絕緣層3上，該閘極G位於該電場分散層4與該閘極絕緣層3之間，該電場分散層4的介電常數小於該閘極絕緣層3的介電常數，依據高斯定律（Gauss’s Law），當產生電場來源的電荷量固定時，該高電子移動率電晶體各層之電場大小的比例等於各層之介電常數的倒數比，即介電常數相對較小之分層將分擔較大的電場強度，因此，該電場分散層4承受相較於該閘極絕緣層3更大的電場強度，係可以達到分散電場的作用。在本實施例中，該電場分散層4的介電常數大於1且小於250，該電場分散層4的材料可以是二氧化矽摻碳（SiO 2：C）、二氧化矽摻氟（SiO 2：F）、氮化硼（BN）或鐵氟龍（Teflon）等材料。
另外，該高電子移動率電晶體具有一源極S及一汲極D，該源極S及該汲極D分別電連接該電場分散層4、該閘極絕緣層3、該導通層2之該電子供應層21及該電子通道層22，使該源極S與該汲極D之間的電子有效率地移動於該導通層2中，還可以透過該閘極G至該基板1之間的電場大小調整該汲極D的輸出電流。
請參照第2圖所示，其係本發明提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構的各層電場強度分佈圖，藉由標記沿第1圖之A-A’線的各點位置所對應的電場值，顯示依序由該電場分散層4、該閘極絕緣層3、該電子供應層21至該電子通道層22的電場值變化關係，其中，該閘極絕緣層3選用一第一介電常數P1之材料，該電場分散層4選用一第二介電常數P2之材料，當該第一介電常數P1等於該第二介電常數P2時，該電場分散層4的電場強度是0.42~0.50百萬伏特/公分，該閘極絕緣層3的電場強度是0.50~0.52百萬伏特/公分，該電子供應層21的電場強度是0.44百萬伏特/公分；當該第一介電常數P1大於該第二介電常數P2時，該電場分散層4的電場強度是0.42~0.52百萬伏特/公分，該閘極絕緣層3的電場強度是0.30百萬伏特/公分，該電子供應層21的電場強度是0.26百萬伏特/公分，相較之下，選用較小的第二介電常數P2，可以有效地降低該閘極絕緣層3及該電子供應層21的電場強度，係可以達到分散電場的作用。
請參照第2及3圖所示，作用於該高電子移動率電晶體的工作電壓增加，係等比例提高該電場分散層4、該閘極絕緣層3、該電子供應層21及該電子通道層22的電場強度，當提升的電場強度足以破壞該高電子移動率電晶體結構的絕緣特性時，係導致通過該高電子移動率電晶體的電流急遽增加，此時的工作電壓為該高電子移動率電晶體的崩潰電壓，如第3圖所示，當該高電子移動率電晶體的該第一介電常數P1等於該第二介電常數P2時，崩潰電壓約為600伏特；當該高電子移動率電晶體的該第一介電常數P1大於該第二介電常數P2時，由於該電場分散層4具有分散電場的作用，該閘極絕緣層3及該電子供應層21需要施加以更高的工作電壓，才能夠達到足以造成崩潰的電場強度，此時的崩潰電壓提升至1000伏特。
請參照第4圖所示，其係本發明提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構的第二實施例，該高電子移動率電晶體還可以具有至少一保護層5，該保護層5疊層於該電場分散層4上，該保護層5用於保護其下各層的電性功能不受到環境影響，係具有提升產品可靠度的作用，該保覆層5未與該閘極G、該源極S及該汲極D電性連接，該保覆層5可以是任意介電常數。
綜上所述，本發明的提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構，藉由使用介電常數低於閘極絕緣層的電場分散層，可以有效分散各分層的電場強度，而提升電晶體元件的崩潰電壓，係能夠增加高電子移動率電晶體可以維持正常運作的電壓範圍，同時具有可高頻操作及耐高溫的特性，且不需變更元件製程，係可以避免額外的製造成本。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1:基板 2:導通層 21:電子供應層 22:電子通道層 3:閘極絕緣層 4:電場分散層 5:保護層 B:緩衝層 G:閘極 S:源極 D:汲極 P1:第一介電常數 P2:第二介電常數
［第1圖］  本發明第一實施例的疊層剖面圖。 ［第2圖］  本發明第一實施例的逐層電場強度分佈圖。 ［第3圖］  本發明第一實施例的的崩潰電壓比較圖。 ［第4圖］  本發明第二實施例的疊層剖面圖。
1:基板
2:導通層
21:電子供應層
22:電子通道層
3:閘極絕緣層
4:電場分散層
B:緩衝層
G:閘極
S:源極
D:汲極

Claims (6)

  1. 一種提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構，包含： 一基板； 一導通層，位於該基板上，導通層之上半部係一電子供應層，且下半部係一電子通道層； 一閘極絕緣層，疊層於該電子供應層上；及 一電場分散層，疊層於該閘極絕緣層上，該電場分散層的介電常數小於該閘極絕緣層的介電常數，一閘極位於該電場分散層與該閘極絕緣層之間，一源極及一汲極分別電連接該電場分散層、該閘極絕緣層、該導通層之該電子供應層及該電子通道層。
  2. 如請求項1之提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構，其中，該基板之上表面具有一緩衝層，該導通層位於該緩衝層上。
  3. 如請求項1之提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構，其中，該電子供應層是氮化鋁鎵，該電子通道層是氮化鎵。
  4. 如請求項1之提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構，其中，該閘極絕緣層之材料的介電常數大於250，該閘極絕緣層之材料是鈦酸鍶。
  5. 如請求項4之提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構，其中，該電場分散層之材料的介電常數大於1且小於250，該電場分散層之材料是二氧化矽摻碳、二氧化矽摻氟、氮化硼或鐵氟龍。
  6. 如請求項1至5中任一項之提升高電子移動率電晶體的崩潰電壓之結構，另包含至少一保護層，該保護層疊層於該電場分散層上。
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