CN118099207A - 基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,属于半导体器件技术领域,自下而上依次包括衬底、缓冲层、GaN沟道层和势垒层,所述势垒层两侧GaN沟道层上方分别设置有源电极和漏电极,所述势垒层上方在源电极和漏电极之间依次设置有钝化层、栅电极和钝化层,所述栅电极下方与势垒层之间设置有In组分阶梯式变化的p‑InGaN栅极结构层。本发明将In组分阶梯式变化的材料应用于栅极结构,提高了栅下能带,降低了栅下二维电子气(2DEG)浓度,提高了器件的阈值电压,增强了器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,属于半导体器件技术领域。
背景技术
电力电子器件中,能效和功率密度是最为关键的两项指标。随着半导体技术的发展,传统的Si基器件的性能提升已经十分接近Si的物理极限,Si基器件的能效和功率密度已难以再有显著突破。而由于具有高禁带宽度、高电子迁移率、高输出功率密度、低开关功率损耗等优点,GaN材料以及GaN器件受到了广泛的关注。其中AlGaN/GaN HEMT器件在大功率和射频开关领域效果显著。
一个GaN HEMT器件,包括具有至少两个氮化物层的氮化物半导体。不同材料的氮化物接触会产生极化,可以在两层的交界处的异质结附近形成导电的二维电子气(2DEG)区域,特别是在具有较窄带隙的层中。2DEG存在于异质结之间,所以存在电流流动。为了实现常关器件,必须移除或耗尽2DEG的一部分。常规的GaN HEMT器件是常开型的,在栅偏压为0V时器件是开启状态,必须给栅极施加负偏压才能关断。为了将HEMT应用到大功率开关***中,必须实现常关的增强型HEMT器件,以降低关断状态下的电能损耗、简化驱动电路并且避免出现安全问题,这些在大功率和高速开关电路中是必须的。
目前,实现增强型GaN HEMT的方法主要有p-GaN栅极、凹槽栅、氟离子注入以及共源共栅Cascode结构四种。其中,凹槽栅技术需要进行刻蚀,刻蚀面上会存在大量损伤和缺陷,阈值电压以及可控性不好;氟离子注入时离子注入损伤会降低沟道中电子输运能力,阈值电压会随时间衰退,工艺有待提高;共源共栅Cascode结构中Si器件与GaN HEMT级联增加了寄生电感,使得器件开关速度降低,同时也增加芯片面积;p-GaN栅极增强型HEMT工艺简单、性能良好、可靠性强,是目前已经商业化的主流增强型GaN HEMT结构之一,但Mg离子激活率较低,且实现高阈值电压需要较厚的p-GaN栅极,可靠性和稳定性仍需提高。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,将In组分阶梯式变化的材料应用于栅极结构,提高了栅下能带,降低了栅下二维电子气(2DEG)浓度,提高了器件的阈值电压,增强了器件的可靠性。
本发明采用如下技术方案:
一种基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,自下而上依次包括衬底、缓冲层、GaN沟道层和势垒层,所述势垒层两侧GaN沟道层上方分别设置有源电极和漏电极,所述势垒层上方在源电极和漏电极之间依次设置有钝化层、栅电极和钝化层,所述栅电极下方与势垒层之间设置有In组分阶梯式变化的p-InGaN栅极结构层。
优选的,所述p-InGaN栅极结构层由1~3个p-InGaN组合层自下而上堆叠构成;
每一p-InGaN组合层中包括多个p-InGaN层,多个p-InGaN层中In组分自上而下由0每层阶梯式增大0.05至x,后由x每层阶梯式减小0.05至0。
优选的,x取值为0.1~0.25。
优选的,每一p-InGaN层的厚度为2nm~3nm。
本发明采用渐变式p-InGaN结构,x变化范围为0.1~0.25,其中In组分自下而上由0开始每层先增大0.05至x,后由x每层减小0.05至0,呈现阶梯式变化。相比于现有技术,本发明可有效将InGaN厚度提高到16nm以上,InGaN中的In组分可达到0.25,这有效地实现了高厚度、高组分的InGaN生长,且由于采用渐变结构,有效降低了InGaN生长过程中的晶格失配,从而提高了InGaN质量。
优选的,所述p-InGaN栅极结构层采用Mg掺杂,浓度为3×1019cm-3,激活率为1%。
优选的,所述p-InGaN栅极结构与漏极的横向距离为5μm~50μm。
进一步优选的,所述源电极、漏电极以及栅电极上均设置有互连金属。
进一步优选的,所述缓冲层的材料为GaN,采用Fe深能级掺杂,掺杂浓度为5×1017cm-3~5×1018cm-3;
所述缓冲层厚度为1μm~10μm。
进一步优选的,GaN沟道层厚度为100nm~500nm,n型掺杂浓度为1×1016cm-3;
所述势垒层的材料为AlGaN,厚度为10~30nm;其中,Al的组分为0.15~0.30。
进一步优选的,所述钝化层材料为SiO2或Si3N4。
本发明未详尽之处,均可参见现有技术。
本发明的有益效果为:
本发明在AlGaN势垒层上生长了In组分阶梯式变化的p-InGaN栅极结构,与常规的栅极材料为p-GaN的HEMT器件相比,InGaN的晶格常数与GaN以及AlGaN差距大,极化效果更强,提高栅下能带的作用更强。
本发明中p-InGaN栅极结构与势垒层中,InGaN与AlGaN极化形成二维空穴气,增加了空穴浓度,耗尽了栅下二维电子气(2DEG),使栅下电子浓度更低。
本发明增强了栅极控制能力,提高了器件的阈值电压和器件可靠性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明某一实施例的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件结构示意图;
图2为本发明中某一实施例中p-InGaN栅极结构示意图;
图3为本发明中某一实施例中p-InGaN组合层中In组分变化示意图;
图4为本发明中某一实施例与对比例的栅下能带对比示意图;
图5为本发明中某一实施例与对比例的栅下电子浓度对比示意图;
图6为本发明中某一实施例与对比例线性坐标下转移特性对比示意图;
图7为本发明中某一实施例与对比例对数坐标下转移特性对比示意图。
其中,1-缓冲层,2-GaN沟道层,3-势垒层,4-源电极,5-漏电极,6-钝化层,7-栅电极,8-p-InGaN栅极结构层,9-2DEG。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本说明书中的技术方案,下面结合本说明书实施中的附图,对本发明书实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,但不仅限于此,本发明未详尽说明的,均按本领域常规技术。
实施例1
一种基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,如图1所示,自下而上依次包括衬底、缓冲层1、GaN沟道层2和势垒层3,势垒层3两侧GaN沟道层2上方分别设置有源电极4和漏电极5,势垒层3上方在源电极4和漏电极5之间依次设置有钝化层6、栅电极7和钝化层6,栅电极7下方与势垒层3之间设置有In组分阶梯式变化的p-InGaN栅极结构层8。
p-InGaN栅极结构层8由2个p-InGaN组合层自下而上堆叠构成,如图2、3所示;
每一p-InGaN组合层中包括多个p-InGaN层,多个p-InGaN层中In组分自上而下由0每层阶梯式增大0.05至0.2,后由0.2每层阶梯式减小0.05至0。
每一p-InGaN层的厚度为3nm。
p-InGaN栅极结构层采用Mg掺杂,浓度为3×1019cm-3,激活率为1%。
p-InGaN栅极结构与漏极的横向距离为15μ。
源电极、漏电极以及栅电极上均设置有互连金属。
缓冲层1的材料为GaN,采用Fe深能级掺杂,掺杂浓度为5×1017cm-3;
缓冲层1厚度为8μm。
GaN沟道层2厚度为300nm,n型掺杂浓度为1×1016cm-3;
势垒层3的材料为Al0.18Ga0.82N,厚度为20nm;其中,Al的组分为0.15~0.30。
钝化层6材料为SiO2。
对比例1
一种增强型GaN功率器件,结构如实施例1所述,所不同的是,栅电极7下方与势垒层3之间设置有常规的p-GaN栅极结构层,其他与实施例1相同。
为了验证本发明的有益效果,使用Sentaurus TCAD半导体器件仿真软件分别对对比例1常规的p-GaN HEMT器件以及本实施例1的In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件进行建模和仿真,对比其在栅极厚度相同的情况下栅下能带、栅下电子浓度以及转移特性。
与常规p-GaN HEMT相比,可以看出,本实施例1提供的In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,其栅下能带明显提高,栅下电子浓度明显降低,栅控能力明显增强。从转移特性可以看出,本实施例1提供的In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件的阈值电压比常规p-GaN HEMT提高了1.35V。
本实施例1在AlGaN势垒层上生长了In组分阶梯式变化的p-InGaN栅极结构,与对比例1常规的栅极材料为p-GaN的HEMT器件相比,InGaN的晶格常数与GaN以及AlGaN差距大,极化效果更强,提高栅下能带的作用更强,如图4所示;
图4至图7中,p-InGaN栅极表示实施例1中In组分阶梯式变化的p-InGaN栅极结构,p-GaN表示对比例1中p-GaN栅极结构;
图4中费米能级描述了在0K时,半导体中电子占据的最高能级。这个能级上的电子占据概率为1/2,即半满状态。如果导带在费米能级之下表示半导体存在较高浓度的电子。
本实施例1中p-InGaN栅极结构与势垒层中,InGaN与AlGaN极化形成二维空穴气,增加了空穴浓度,耗尽了栅下二维电子气,即图1的2DEG 9,使栅下电子浓度更低,如图5所示。
常规p-GaN HEMT器件栅极p-GaN材料厚度需要达到60nm以上才能获得良好的增强型HEMT,而本实施例1在p-InGaN厚度为50nm左右就可以达到较高的阈值电压,如图6、图7所示。本发明增强了栅极控制能力,提高了器件的阈值电压和器件可靠性。
InGaN的晶格常数与GaN以及AlGaN差距大,极化效果更强,提高栅下能带的作用更强,使栅下电子浓度更低。由于InGaN与GaN之间晶格失配较大,工艺上很难一次性在GaN上生长高质量、高组分、大厚度的InGaN材料,本发明采用特定的渐变InGaN结构,可以降低InGaN与GaN之间的晶格失配,实现高In组分、大厚度、高质量的InGaN结构生长。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,其特征在于,自下而上依次包括衬底、缓冲层、GaN沟道层和势垒层,所述势垒层两侧GaN沟道层上方分别设置有源电极和漏电极,所述势垒层上方在源电极和漏电极之间依次设置有钝化层、栅电极和钝化层,所述栅电极下方与势垒层之间设置有In组分阶梯式变化的p-InGaN栅极结构层。
2.根据权利要求1所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,其特征在于,所述p-InGaN栅极结构层由1~3个p-InGaN组合层自下而上堆叠构成;
每一p-InGaN组合层中包括多个p-InGaN层,多个p-InGaN层中In组分自上而下由0每层阶梯式增大0.05至x,后由x每层阶梯式减小0.05至0。
3.根据权利要求1所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,其特征在于,x取值为0.1~0.25。
4.根据权利要求3所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,其特征在于,每一p-InGaN层的厚度为2nm~3nm。
5.根据权利要求4所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,其特征在于,所述p-InGaN栅极结构层采用Mg掺杂,浓度为3×1019cm-3,激活率为1%。
6.根据权利要求5所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,其特征在于,所述p-InGaN栅极结构与漏极的横向距离为5μm~50μm。
7.根据权利要求6所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,其特征在于,所述源电极、漏电极以及栅电极上均设置有互连金属。
8.根据权利要求7所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,其特征在于,所述缓冲层的材料为GaN,采用Fe深能级掺杂,掺杂浓度为5×1017cm-3~5×1018cm-3;
所述缓冲层厚度为1μm~10μm。
9.根据权利要求8所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,其特征在于,所述GaN沟道层厚度为100nm~500nm,n型掺杂浓度为1×1016cm-3;
所述势垒层的材料为AlGaN,厚度为10~30nm;其中,Al的组分为0.15~0.30。
10.根据权利要求9所述的基于In组分调控InGaN的增强型GaN功率器件,其特征在于,所述钝化层材料为SiO2或Si3N4。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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