可改善电流崩塌效应的GaN HEMT

摘要

本发明公开一种可改善电流崩塌效应的GaN HEMT，有沟道层（3）及势垒层（4），在有源区内设有源电极（5）、漏电极（6）及栅电极（7），所述漏电极（6）的宽度为W，所述源电极（5）与栅电极（7）之间的间距为Ls，所述栅电极（7）与漏电极（6）之间的间距为Ld，其特征在于：在栅电极（7）与漏电极（6）之间的势垒层（4）上设有可阻挡部分栅电极电子通过施主能级向漏电极迁移的阻挡区（9），使800V下归一化后的动态导通电阻趋于1。

权利要求

1.一种可改善电流崩塌效应的GaN HEMT，有沟道层（3）及势垒（4），在有源区（10）内设有源电极（5）、漏电极（6）及栅电极（7），所述漏电极（6）的宽度为W，所述源电极（5）与栅电极（7）之间的间距为Ls，所述栅电极（7）与漏电极（6）之间的间距为Ld，其特征在于：在栅电极（7）与漏电极（6）之间的势垒层（4）上设有可阻挡部分栅电极电子通过施主能级向漏电极迁移的阻挡区（9）；所述阻挡区（9）为n个，在宽度上沿栅电极（7）分布排列，所述阻挡区（9）与栅电极（7）之间的间距为a，n个阻挡区（9）的总宽度为b，阻挡区（9）的长度为c，当n = 1时：

1/20 ≤ a/Ld ≤ 1/10，0.3 ≤ b/W ≤ 0.9，c/Ld ≤ 1/15；当n至少为2时：a = 0，0.3≤ b/W ≤ 0.9，c/Ld ≤ 1/15。

说明书

可改善电流崩塌效应的GaN HEMT

技术领域

[0001] 本发明涉及一种GaN HEMT（氮化镓高电子迁移率晶体管），尤其是一种可改善电流崩塌效应的GaN HEMT。

背景技术

[0002] 目前，GaN HEMT已应用于微波通讯和电力电子转换等领域。现有的GaN HEMT的结构是以硅、蓝宝石或碳化硅为衬底，在衬底上依次有AlxGa1-xN缓冲层、GaN或InGaN沟道层及InxAlyGa1-x-yN势垒层（可有GaN或SiN帽层覆盖其上），在InxAlyGa1-x-yN势垒层上的有源区内设有源电极、栅电极及漏电极，在栅电极上表面依次有介质钝化层及栅电极场板或源电极场板。制作方法包括如下步骤：

[0003] 1. 通过干法刻蚀或者离子注入的方式在外延材料上形成器件有源区：干法刻蚀通常以光刻胶或介质层为掩膜版，用BCl3、Cl2、Ar或其中任意两者的混合气在RIE或ICP中以等离子体的形态刻蚀至GaN沟道层，刻蚀深度在30  1000nm；离子注入的方式通常在几万至~几十万电子伏特的能量下将一定剂量的Ar、N、O、B或Al等离子注入至半导体，将半导体晶格破坏、达到隔离的效果；

[0004] 2. 源漏电极制备：通常使用Ti、Al、Ni、Au或其中两种或三种金属的组合，每层金属的厚度在1 500 nm之间，通过电子束蒸发后剥离或磁控溅射后刻蚀的方法形成电极后，~在氮气、氢气、氩气或混合气氛围中进行快速热退火形成欧姆接触，退火温度为500 1000~
度；

[0005] 3. 栅电极制备：通常使用Ni/Au、Pt/Au、TiN、Ti/Al或Cu等金属通过电子束蒸发后剥离或磁控溅射后刻蚀的方法形成栅电极；

[0006] 4. 器件表面钝化：在栅电极形成后，在栅电极表面通过PECVD或ALD的方法生长SiN、Al2O3或其他高k介质钝化层；

[0007] 5. 借助于钝化层形成栅电极场板或源电极场板。

[0008] 由于三族氮化物InxAlyGa1-x-yN（0 < x, y < 1，x+y ≤ 1）材料体系具有很强的极化效应且其极化系数随着Al组分的升高而增大，InxAlyGa1-x-yN/GaN界面沟道中的二维电子气（2DEG）浓度也随Al组分的升高而增大。极化效应的强度或2DEG的浓度以及器件的长、宽度决定了GaN HEMT的静态导通电阻，理想状态下GaN HEMT在实际工作（即开关过程）中的导通电阻（又称动态导通电阻）应等于静态导通电阻，即归一化后的动态导通电阻等于一。

[0009] 极化效应在带来InxAlyGa1-x-yN/GaN界面沟道中2DEG的同时，使得势垒层上表面形成电荷密度与2DEG浓度相当的带正电荷的离化施主。当GaN HEMT工作在截止状态时，栅电极偏向漏电极一侧的电场强度达到最大，栅电极上的电子在电场力的作用下跃迁至势垒层表面，并在其表面施主能级间向漏电极的方向横向迁移，中和了表面的离化施主并耗尽沟道中的电子，形成“虚栅”（“虚栅”的长度与器件开关频率、漏电极电压、电应力时长、工作温度等因素相关）；当GaN HEMT器件的工作状态从截止转为导通时，势垒层表面从栅电极迁移来的电子会以缓慢的速率迁移回栅电极。但是当GaN HEMT器件以一定的频率开关时，势垒层表面的电子就不能及时迁移回栅电极，造成导通状态下的电阻升高，可能几倍于静态导通电阻，即电流崩塌。现有GaN HEMT随漏电极电压增加归一化后的动态导通电阻变化较大，部分GaN HEMT可从1升至1.65，在电力电子器件通常要求的650 V或以上的电压范围内归一化后的动态导通电阻均大于1.55。突变的归一化后的动态导通电阻使GaN HEMT器件性能指标随开关频率高低、漏电极电压大小、电应力时间长短等因素产生的漂移，可靠性降低；同时较高的电流崩塌在射频器件中体现为输出功率密度大大降低，在电力电子器件中体现为导通损耗增加从而影响电源转换效率。改善电流崩塌效应是亟待解决的技术难题。

发明内容

[0010] 本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种可改善电流崩塌效应的GaN HEMT。

[0011] 本发明的技术解决方案是：一种可改善电流崩塌效应的GaN HEMT，有沟道层及势垒层，在有源区内设有源电极、漏电极及栅电极，所述漏电极的宽度为W，所述源电极与栅电极之间的间距为Ls，所述栅电极与漏电极之间的间距为Ld，在栅电极与漏电极之间的势垒层上设有可阻挡部分栅电极电子通过施主能级向漏电极迁移的阻挡区，使800V下归一化后的动态导通电阻趋于1。

[0012] 本发明的最佳技术方案是所述阻挡区为n个，在宽度上沿栅电极分布排列，所述阻挡区与栅电极之间的间距为a，n个阻挡区的总宽度为b，阻挡区的长度为c，当n = 1时：1/20 ≤ a/Ld ≤ 1/10，0.3 ≤ b/W ≤ 0.9，c/Ld ≤ 1/15；

[0013] 当n至少为2时：a = 0，0.3 ≤ b/W ≤ 0.9，c/Ld ≤ 1/15。

[0014] 本发明设置了可阻挡部分栅电极电子通过施主能级向漏电极迁移的阻挡区，即缩小GaN HEMT关断时栅电极电子沿InxAlyGa1-x-yN势垒层表面向漏电极横向迁移的通路，同时小比例提升静态导通电阻，使归一化后的动态导通电阻稳定且800 V下更趋于1，减小GaN HEMT在实际工作过程中性能指标随开关频率高低、漏电极电压大小、电应力时间长短等因素产生的漂移，提高了器件的可靠性，同时避免因归一化后的动态导通电阻过高而产生的种种问题。

附图说明

[0015] 图1是本发明实施例1、2、3、4的结构示意图。

[0016] 图2是本发明实施例1、2阻挡区布置示意图。

[0017] 图3是本发明实施例3、4阻挡区布置示意图。

[0018] 图4是本发明实施例1、2与现有技术归一化后的动态导通电阻对比图。

[0019] 图5是本发明实施例3、4与现有技术归一化后的动态导通电阻对比图。

具体实施方式

[0020] 实施例1：

[0021] 如图1、2所示：基本结构同背景技术所提及的现有技术，有衬底1，在衬底1上依次有AlxGa1-xN缓冲层2、GaN或InGaN沟道层3及InxAlyGa1-x-yN势垒层4（可有GaN或SiN帽层覆盖其上），在InxAlyGa1-x-yN势垒层4上的有源区10内设有源电极5、栅电极7及漏电极6，在栅电极7上表面依次有介质钝化层21及栅电极场板或源电极场板22。其中源电极5与栅电极7之间的间距为Ls = 5μm，栅电极7与漏电极6之间的间距为Ld = 30μm，源电极5、栅电极7及漏电极6的宽度均为W = 500μm，栅长为2μm。与现有技术所不同的是在栅电极7与漏电极6之间的势垒层4上设有3个在宽度上沿栅电极7分布排列用于阻挡栅电极电子通过施主能级向漏电极迁移的阻挡区9，阻挡区9的深度以能够阻挡栅电极电子通过施主能级向漏电极迁移为准，阻挡区9与栅电极7之间的间距为a = 0，3个阻挡区9的总宽度为b = 0.4 W = 200μm，每个阻挡区9的宽度及间距可以相等或不等，阻挡区9的长度为c = Ld/15 = 2μm。

[0022] 制作方法也基本同现有技术，与现有技术不同的是需要制备阻挡区，可通过干法刻蚀及离子注入等方式使该阻挡区氮化物表面的离化施主消失，以阻挡栅电极电子通过施主能级向漏电极迁移，具体可按照如下方法制备：

[0023] 1）通过干法刻蚀将InxAlyGa1-x-yN势垒层去除、刻蚀至GaN沟道层，刻蚀后沟道被阻断，氮化物表面的离化施主消失，栅电极电子无法通过施主能级向漏电极迁移；

[0024] 2）通过离子注入的方式将InxAlyGa1-x-yN势垒层半导体晶格破坏，氮化物表面的离化施主亦消失，栅电极电子无法通过施主能级向漏电极迁移；

[0025] 3）采用含CF4或O2等气体的等离子体对InxAlyGa1-x-yN势垒层表面进行处理，电负性较强的F离子或O离子会与氮化物表面的离化施主紧密结合形成电中性，氮化物表面的离化施主消失，栅电极电子无法通过施主能级向漏电极迁移。

[0026] 可在器件隔离的同时或制备栅电极后再制备阻挡区，如有GaN或SiN帽层覆盖在势垒层上，则从帽层开始制备阻挡区。

[0027] 实施例2：

[0028] 如图1、2所示，结构及制备方法与实施例1基本相同，如阻挡区9与栅电极7之间的间距为a = 0，阻挡区9的长度为c = Ld/15 = 2μm，与实施例1所不同的是3个阻挡区9的总宽度为b = 0.8 W = 400μm 。

[0029] 实施例3：

[0030] 如图1、3所示，结构及制备方法与实施例1基本相同，与实施例1所不同的是源电极5、栅电极7的宽度为b，阻挡区9为一个（即n = 1），在宽度上平行于栅电极7且与栅电极7平齐设置，阻挡区9与栅电极7之间的间距为a = Ld/10 = 3μm，阻挡区9的长度为c = Ld/15 = 
2μm，阻挡区9的宽度为b = 0.4W = 200μm。

[0031] 实施例4：

[0032] 如图1、3所示，结构及制备方法与实施例3基本相同，如源电极5、栅电极7的宽度为b，阻挡区9为一个（即n = 1），在宽度上平行于栅电极7且与栅电极7平齐设置，阻挡区9的长度为c = Ld/15 = 2μm，与实施例3所不同的是阻挡区9与栅电极7之间的间距为a = Ld/20 = 1.5μm，阻挡区9的宽度为b = 0.8W = 400μm。

[0033] 设传统GaN HEMT的 “虚栅”长度为X，则“虚栅”面积为W * X，实施例1、2、3、4所减少的“虚栅”面积为b*（X – a），当a减为0且增加b时，可将“虚栅”面积压缩至最小，但是所设置的阻挡区同时将静态导通面积减小[b * c ]，因此合理设计a、b、c，在小比例提升静态导通电阻的同时可抑制电流崩塌效应。

[0034] 试验：

[0035] 实施例1、实施例2及背景技术所提及传统GaN HEMT的各试验参数一致。

[0036] 将实施例1、实施例2及背景技术所提及的传统GaN HEMT在不同漏电极电压下的归一化后的动态导通电阻进行对比，其结果如图4所示。图4表明，传统GaN HEMT的归一化动态导通电阻随漏电极电压变化明显，当漏电极电压从50 V增大至800 V时，其归一化后的动态导通电阻由1增加至1.65；在同样的漏电极电压变化范围下，实施例1归一化后的动态导通电阻的增幅相对较小由1.05增至1.45，实施例2归一化后的动态导通电阻增幅更小，由1.21增至1.35。电力电子器件通常要求工作范围在650 V或以上，在此条件下本发明实施例1、2归一化后的动态导通电阻相对稳定，优势明显。

[0037] 将实施例3、实施例4及背景技术所提及的传统GaN HEMT在不同漏电极电压下的归一化后的动态导通电阻进行对比，其结果如图5所示。图5表明，本发明实施例3、4归一化动态导通电阻相对平稳（实施例3为1.3 1.4，实施例4为1.4 1.5），尤其在漏电极电压达到200 ~ ~V以后基本不变。