一种具有鳍状结构的GaNHMET器件

一种具有鳍状结构的gan hmet器件
技术领域
1.本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种具有鳍状结构的gan hmet器件。


背景技术：

2.与第一代半导体材料si相比，第三代宽禁带半导体材料gan具有更为优秀的材料物理特性，其禁带宽度、电子迁移率、电子饱和速率、临界击穿电场、热导率和高/低频baliga优值等物理参数均远高于si材料。gan hemt(高电子迁移率晶体管)器件在大电流、低功耗、高压开关器件应用领域具有广阔的应用前景。
3.由于algan/gan异质结中存在着较强的自发极化和压电极化作用，异质结界面自发形成高浓度的二维电子气(2deg)，故常规的gan hemt是耗尽型器件。然而，在实际电路应用中，耗尽型器件需要一个负压电源将器件关闭，这不仅增加了电路误开启的危险，也增加了整个电路的功耗和驱动电路的设计难度。所以，增强型gan hemt器件更适用于电力电子电路。目前实现增强型的典型方式包括：凹槽栅技术、p
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gan技术、cascode级联技术、氟离子注入技术和薄势垒技术等。
4.另外，虽然gan材料具有高临界击穿电场的优势，但对于algan/gan hemt器件而言，由于栅边缘存在电场尖锋、泄漏电流过大等原因，会使得器件提前击穿，其耐压远未达到gan材料的理论极限。为此，多种技术手段被用来提高器件的击穿电压，主要包括：场板技术、氟离子注入、终端技术、极化超结技术和补偿掺杂技术等。


技术实现要素：

5.本发明基于hemt器件应用的需要，提出一种具有鳍状结构的gan hmet器件。
6.本发明的技术方案是：
7.一种具有鳍状结构的gan hmet器件，包括沿器件垂直方向自下而上依次层叠设置的衬底层1、gan缓冲层2、gan沟道层3、势垒层4以及钝化层5；沿器件横向方向，器件一端为沿器件垂直方向贯穿钝化层5的源栅结构，另一端为沿器件垂直方向贯穿钝化层5的第一导电材料6；
8.所述第一导电材料6沿器件垂直方向与势垒层4上表面接触，其接触为欧姆接触，上表面引出漏极；
9.其特征是，所述源栅结构由沿器件纵向方向多个间断分布的鳍状gan层7、源极以及绝缘栅极结构构成；所述鳍状gan层7沿器件垂直方向位于势垒层4的上方，且与势垒层4上表面接触；所述源极由第二导电材料8构成，与鳍状gan层7的上表面接触，其接触为欧姆接触；所述绝缘栅极结构由绝缘栅介质9和第三导电材料10构成，所述绝缘栅介质9沿器件垂直方向位于势垒层4的上方，与势垒层4上表面接触，且覆盖于鳍状gan层7与第二导电材料8的侧壁；第三导电材料10侧壁和底部与绝缘栅介质9上表面接触，且不与第二导电材料8接触；所述第三导电材料10上表面引出栅极；
10.进一步的，所述势垒层4采用的材料为aln、algan、ingan、inaln中的一种或几种的
组合。
11.本发明提供的具有多鳍状结构的gan hmet器件，在器件导通时，沿器件垂直方向，多个间断分布的鳍状gan层四周均有电子积累层，沿器件横向方向，gan沟道层与势垒层异质界面存在高浓度与高迁移率的二维电子气(2deg)，二者均有利于提高器件的导通电流，降低导通电阻；通过鳍状gan层与势垒层形成的异质结构引入二维空穴气(2dhg)，切断了源极与二维电子气之间垂直方向的导电路径，实现了增强型gan hmet器件；区别于传统gan hmet中栅源之间大的横向距离，源极位于鳍状gan顶部，减小了器件面积；位于源栅结构一侧的终端区域可降低栅边缘电场尖峰并引入新的电场尖峰，有利于提高器件耐压。
附图说明
12.图1是实施例1的三维结构示意图；
13.图2是实施例1结构沿aa’的截面剖面图；
14.图3是实施例2的三维结构示意图；
15.图4是实施例3的三维结构示意图；
16.图5是实施例4的三维结构示意图；
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
18.实施例1
19.如图1所示，本例的hemt器件，包括沿器件垂直方向自下而上依次层叠设置的衬底层1、gan缓冲层2、gan沟道层3、势垒层4以及钝化层5；沿器件横向方向，器件一端为沿器件垂直方向贯穿钝化层5的源栅结构，另一端为沿器件垂直方向贯穿钝化层5的第一导电材料6；
20.所述第一导电材料6沿器件垂直方向与势垒层4上表面接触，其接触为欧姆接触，上表面引出漏极；
21.其特征是，所述源栅结构由沿器件纵向方向多个间断分布的鳍状gan层7、源极以及绝缘栅极结构构成；所述鳍状gan层7沿器件垂直方向位于势垒层4的上方，且与势垒层4上表面接触；所述源极由第二导电材料8构成，与鳍状gan层7的上表面接触，其接触为欧姆接触；所述绝缘栅极结构由绝缘栅介质9和第三导电材料10构成，所述绝缘栅介质9沿器件垂直方向位于势垒层4的上方，与势垒层4上表面接触，且覆盖于鳍状gan层7与第二导电材料8的侧壁；第三导电材料10侧壁和底部与绝缘栅介质9上表面接触，且不与第二导电材料8接触；所述第三导电材料10上表面引出栅极；
22.本发明的有益效果是，相对于传统gan hmet器件，本发明具有导通电流大、击穿电压高、相同耐压级别下器件面积更小等优势。
23.实施例2
24.本例与实施例1的区别是，本例中第三导电材料10沿器件横向方向，向第一导电材料6一侧延伸且覆盖于钝化层5，形成栅极场板11，且栅极场板11与第一导电材料6具有间距；相比于实施例1，本例的优点是栅极场板11进一步优化了器件在耐压时的电场分布，提升了器件的击穿电压。
25.实施例3
26.本例与实施例1的区别是，本例中钝化层5中嵌入设置有氟离子注入终端12，且氟离子注入终端12沿器件垂直方向不与势垒层4接触；沿器件横向方向，与第一导电材料6具有间距；相比于实施例2，本例的优点是氟离子注入终端12能够提高器件耐压，且不会引入附加的寄生电容，进而导致器件的动态性能发生退化。
27.实施例4
28.本例与实施例1的区别是，本例中沿器件横向方向，位于源栅结构与第一导电材料6之间的势垒层4有凹槽，且不与势垒层4下表面接触，覆盖于势垒层4上的钝化层5也形成凹槽，构成凹槽终端，所述凹槽终端与第一导电材料6和源栅结构沿器件横向方向具有间距；相比于实施例3，本例的优点是凹槽终端13的实现工艺简单，成本较低且不存在任何高温过程。


技术特征：
1.一种具有鳍状结构的gan hmet器件，包括沿器件垂直方向自下而上依次层叠设置的衬底层(1)、gan缓冲层(2)、gan沟道层(3)、势垒层(4)以及钝化层(5)；沿器件横向方向，器件一端为沿器件垂直方向贯穿钝化层(5)的源栅结构，另一端为沿器件垂直方向贯穿钝化层(5)的第一导电材料(6)；所述第一导电材料(6)沿器件垂直方向与势垒层(4)上表面接触，其接触为欧姆接触，上表面引出漏极；其特征是，所述源栅结构由沿器件纵向方向多个间断分布的鳍状gan层(7)、源极以及绝缘栅极结构构成；所述鳍状gan层(7)沿器件垂直方向位于势垒层(4)的上方，且与势垒层(4)上表面接触；所述源极由第二导电材料(8)构成，与鳍状gan层(7)的上表面接触，其接触为欧姆接触；所述绝缘栅极结构由绝缘栅介质(9)和第三导电材料(10)构成，所述绝缘栅介质(9)沿器件垂直方向位于势垒层(4)的上方，与势垒层(4)上表面接触，且覆盖于鳍状gan层(7)与第二导电材料(8)的侧壁；第三导电材料(10)侧壁和底部与绝缘栅介质(9)上表面接触，且不与第二导电材料(8)接触；所述第三导电材料(10)上表面引出栅极；所述器件纵向方向为同时与器件横向方向和器件垂直方向均垂直的第三维度方向。2.根据权利要求1所述的一种具有鳍状结构的gan hmet器件，其特征在于，第三导电材料(10)沿器件横向方向，向第一导电材料(6)一侧延伸且覆盖于钝化层(5)，形成栅极场板(11)，且栅极场板(11)与第一导电材料(6)具有间距。3.根据权利要求1所述的一种具有鳍状结构的gan hmet器件，其特征在于，钝化层(5)中嵌入设置有氟离子注入终端(12)，且氟离子注入终端(12)沿器件垂直方向不与势垒层(4)接触；沿器件横向方向，与第一导电材料(6)具有间距。4.根据权利要求1所述的一种具有鳍状结构的gan hmet器件，其特征在于，沿器件横向方向，位于源栅结构与第一导电材料(6)之间的势垒层(4)有凹槽，且不与势垒层(4)下表面接触，覆盖于势垒层(4)上的钝化层(5)也形成凹槽，构成凹槽终端，所述凹槽终端与第一导电材料(6)和源栅结构沿器件横向方向具有间距。5.根据权利要求1
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4任意一项所述的一种具有鳍状结构的gan hmet器件，其特征在于，所述势垒层(4)采用的材料为aln、algan、ingan、inaln中的一种或几种的组合。

技术总结
本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种具有多鳍状结构的GaN HMET(高电子迁移率晶体管)器件。本发明主要特征在于：在器件导通时，沿器件垂直方向，多个间断分布的鳍状GaN层四周均有电子积累层，沿器件横向方向，GaN沟道层与势垒层异质界面存在高浓度与高迁移率的二维电子气(2DEG)，二者均有利于提高器件的导通电流，降低导通电阻；通过鳍状GaN层与势垒层形成的异质结构引入二维空穴气(2DHG)，切断了源极与二维电子气之间垂直方向的导电路径，实现了增强型GaN HMET器件；区别于传统GaN HMET中栅源之间大的横向距离，源极位于鳍状GaN顶部，减小了器件面积；位于源栅结构一侧的终端区域可降低栅边缘电场尖峰并引入新的电场尖峰，有利于提高器件耐压。利于提高器件耐压。利于提高器件耐压。


技术研发人员：罗小蓉 邓思宇 廖德尊 魏杰 贾艳江 张成 孙涛 郗路凡
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2021.08.02
技术公布日：2021/11/4