一种高栅极可靠性的增强型GaNHEMT器件

一种高栅极可靠性的增强型gan hemt器件
技术领域
1.本实用新型属于高电子迁移率晶体管(hemt)技术领域，涉及一种p
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gan栅增强型gan
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hemt器件，具体涉及一种高栅极可靠性的增强型gan hemt器件。


背景技术：

2.高电子迁移率晶体管(hemt)是一种异质结场效应晶体管，这种器件依靠半导体异质结中具有量子效应的二维电子气(2deg)形成导电沟道，评判器件的性能是由二维电子气的密度、迁移率的大小和饱和速度等因素共同决定的。hemt具有电子迁移率、电流大、击穿电压高等特点，广泛应用于高频大功率的场合。gan材料具有禁宽带、击穿电场强、电子饱和速度高、热导率高等特点，广泛应用于高温、高辐射领域半导体器件的制作，并能降低能耗。同时，gan材料具有很强的自发和压电极化效应，该特性能够提高hemt结构中二维电子气的密度和迁移率，因此基于gan材料的hemt成为目前高频功率器件和功率开关器件等领域的研究热点。
3.由于势垒层与沟道间极化引起的高浓度二维电子气(2deg)，gan基hemt器件都是天然常开型的。在gan hemt器件发展初期，能够很好的应用在功率放大器(pa)领域，常开型gan基器件的不足并没有显性现。但是随着gan材料生长和制备工艺越来越成熟，其应用领域也在不断拓展，这时候常开器件所受到的限制也逐渐被显现出来，人们逐渐把目光移向增强型的gan hemt器件。
4.如何实现增强型gan hemt一直是该领域研究的难点，目前主要用来制备增强型gan hem器件的方案包括：p型栅、凹槽栅、f处理和cascode结构。其中，p
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gan型栅的方案已经被很多著名的研究机构和公司采用。
5.p
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gan型栅结构利用pn结势垒耗尽栅下沟道处电子，实现从耗尽型到增强型的转变，是目前业界广泛应用的一种增强型gan hemt功率器件。在一定栅压下，p
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gan栅增强型gan hemt功率器件中栅极下方p
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gan层中空穴注入沟道，吸引沟道电子形成电导调制，具有较高的电流驱动能力。但是空穴的注入使得gan hemt器件的栅电流迅速增加，降低安全工作栅压，导致栅极退化，限制栅极可靠性。栅漏电的增加还会增加gan hemt器件在功率电路中的功耗，降低其功率转换效率。因此通过进一步优化其栅结构设计来提高增强型gan hemt具有必要性和紧迫性。


技术实现要素：

6.针对现有技术中p
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gan栅增强型gan hemt器件栅电流过高引起器件应用限制及栅极退化问题，本实用新型的目的是提供一种高栅极可靠性的增强型gan hemt器件，通过在传统的p型栅增强型gan hemt器件的栅电极和p
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gan层之间插入aln高势垒层，以aln高势垒层作为势垒阻挡层抬高肖特基栅极的势垒高度，抑制栅电极中空穴向p
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gan层空穴注入，从而降低正常工作中栅电流，提高安全工作栅压范围。
7.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种高栅极可靠性的增强型gan hemt器
件，包括依次层叠的衬底层、异质结层、p
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gan层、aln高势垒层以及金属电极，所述异质结层包括设于衬底上的gan缓冲层及设于gan缓冲层上的algan势垒层，所述金属电极包括设于异质结层上的源极和漏极以及设于aln高势垒层上且位于源极和漏极之间的栅极。
8.该高栅极可靠性的增强型gan hemt器件，其创新点在于：在传统的p型栅增强型gan hemt器件的栅电极和p
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gan层之间插入薄层aln高势垒层，由于aln材料具有较低电子亲和势(2.1ev)和较高的禁带宽度(6.2ev)，而gan材料的电子亲和势和禁带宽度均为3.4，因此aln层作为势垒阻挡层能够抬高肖特基栅极的势垒高度，抑制栅金属中空穴向p
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gan层空穴注入，从而降低正常工作中栅电流，提高安全工作栅压范围。
9.上述高栅极可靠性的增强型gan hemt器件，基于该gan hemt器件的创新点所在，由衬底层、异质结层、p
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gan层以及金属电极所组成的传统的p型栅增强型gan hemt，其具体结构及相应尺寸均可以采用现有常规设计。在本实用新型中，所述源极和漏极优选设置于algan势垒层上，并与algan势垒层形成欧姆接触。
10.上述高栅极可靠性的增强型gan hemt器件，所述gan缓冲层厚度为1～3μm；所述algan势垒层厚度为5～15nm；所述p
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gan层厚度为30～120nm；所述aln高势垒层厚度为1～2nm；所述栅极厚度为50～200nm；所述源极和漏极厚度相等，厚度为200～500nm。
11.上述高栅极可靠性的增强型gan hemt器件，所述aln高势垒层优选位于栅下区域，栅下区域是指栅极在异质结上正投影所覆盖的区域。所述p
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gan层优选位于栅下区域，栅下区域为栅极在异质结上正投影所覆盖的区域。
12.与现有技术相比，本实用新型提供的高栅极可靠性的增强型gan hemt器件的有益效果是：在传统的p型栅增强型gan hemt器件的栅电极和p
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gan层之间插入薄层aln高势垒层，由于aln材料具有较低电子亲和势(2.1ev)和较高的禁带宽度(6.2ev)，而gan材料的电子亲和势和禁带宽度均为3.4，因此aln层作为势垒阻挡层能够抬高肖特基栅极的势垒高度，抑制栅金属中空穴向p
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gan层注入，从而降低正常工作中栅电流，提高安全工作栅压范围，对提高增强型gan hemt器件的栅极可靠性具有重要意义。
附图说明
13.图1是本实用新型高栅极可靠性的增强型gan hemt器件结构示意图；
14.附图标记说明：1、衬底层；2、gan缓冲层；3、algan势垒层；4、p
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gan层；5、aln高势垒层；6、源极；7、漏极；8、栅极。
15.图2是本实用新型实施例中高栅极可靠性的增强型gan hemt器件的能带图。
具体实施方式
16.以将结合附图对本实用新型各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本实用新型。
17.本实施例提供的高栅极可靠性的增强型gan hemt器件，如图1所示，包括衬底层1、异质结层、p
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gan层4、aln高势垒层5以及金属电极。异质结层包括gan缓冲层2和algan势垒层3，金属电极包括源极6、漏极7以及栅极8。
18.gan缓冲层2、algan势垒层3、p
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gan层4以及aln高势垒层5从下至上依次层叠在衬底层1上。gan缓冲层2和algan势垒层3的异质结处形成二维电子气(2deg)，栅极下方形成aln/p
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gan/algan/gan的p
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i
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n结势垒耗尽栅极下方沟道处二维电子气(2deg)，使器件在零栅压下处于关断状态。源极6、漏极7设置于algan势垒层3上两侧。栅极8设置于aln高势垒层5上且位于源极6和漏极7之间。p
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gan层4和aln高势垒层5位于栅下区域，此处栅下区域是指栅极8在异质结上正投影所覆盖的区域。
19.gan缓冲层厚度为1～3μm；algan势垒层厚度为5～15nm；p
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gan层厚度为30～120nm；aln高势垒层厚度为1～2nm；栅极厚度为50～200nm；源极和漏极厚度相等，厚度为200～500nm。
20.以下对本实施例提供的高栅极可靠性的增强型gan hemt器件进行性能分析。
21.本实施例以满足如下尺寸要求的高栅极可靠性的增强型gan hemt器件为例，对其进行了仿真分析。该增强型gan hemt器件具体尺寸如下：gan缓冲层厚度为3μm；algan势垒层厚度为15nm；p
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gan层厚度为60nm；aln高势垒层厚度为1nm；栅极厚度为150nm；源极和漏极厚度相等，厚度为300nm。
22.对该增强型gan hemt器件，通过仿真分析在零栅压下aln/p
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gan/algan/gan异质结结构能带，分析结果如图2所示。从图中可以看出，aln价带能量高度低于栅金属和p
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gan层，够抬高肖特基栅极的势垒高度，形成空穴阻挡层，抑制空穴从栅极向p
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gan层，从而降低正常工作中栅电流，提高安全工作栅压。
23.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。