[发明专利]一种提高击穿电压的阶梯状AlGaN外延新型AlGaN/GaN-HEMT设计方法

说明书

技术领域

本发明属于电子半导体器件技术领域，特别涉及一种提高击穿电压的阶梯状AlGaN外延新型AlGaN/GaN-HEMT设计方法。

背景技术

氮化镓(GaN)是第三代宽禁带半导体材料的代表, 在大功率开关方面的品质因子BFOM 是硅材料的39倍, 所以GaN宽禁带半导体材料在高频、高温、大功率和抗辐照环境条件下具有超强的优势，制备的功率半导体器件是下一代高性能功率系统的核心。目前,由于材料质量和器件制备工艺技术的提高, GaN基功率微波器件的功率密度可以高达GaAs基器件的5—10倍，高的功率密度可以简化微波功率集成电路的设计和制备。AlGaN/GaN-HEMTs器件的研究主要包括通过电场优化提高击穿电压、通过结构设计缓解电流崩塌以及提高器件可靠性。

随着外延材料质量的不断提高，器件工艺的不断完善，AlGaN/GaN-HEMT器件的发展十分迅速。近年来，器件的特性指标飞速发展，尤其是AlGaN基HEMT器件的微波功率特性，器件的输出功率和功率密度都得到大幅度提高。AlGaN/GaN-HEMT器件的发展主要沿着三个不同的路径：直流（DC）特性的发展，主要体现在栅长的变化、电流密度的增加、跨导的增加等；射频（RF）小信号特性的发展，主要表现在栅长的减小、截止频率（ft）和最大振荡频率（fmax）的增加等；射频大信号特性的发展，表现在功率密度和输出功率的提高、增益的提高、功率附加效益（PAE）的提高等。

实现一定功率密度和满足特定电压转换的功率器件, 击穿电压是一个非常重要的参数,研究者在硅功率器件中已经设计了很多提高功率器件击穿电压的方法和技术。但是,AlGaN/GaN-HEMTs器件的特殊耐压机理使得设计优化高击穿电压的硅技术不能直接移植。

发明内容

本发明在于提供一种提高击穿电压的阶梯状AlGaN外延新型AlGaN/GaN-HEMT设计方法，通过优化栅边缘的高峰电场, 利用沟道2DEG（二维电子气）浓度随AlGaN异质外延层厚度的变化规律,设计了一种具有阶梯AlGaN外延层的新型AlGaN/GaN-HEMTs器件，提高击穿电压。解决现有技术中传统的AlGaN/GaN-HEMT器件的击穿电压不高，在器件反向工作时击穿器件概率大的问题；以及缓解了因二维电子气浓度降低而导致的器件沟道电阻大幅度增加的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种提高击穿电压的阶梯状AlGaN外延新型AlGaN/GaN-HEMT设计方法，其新结构包括：50mm蓝宝石衬底， 200nm厚的AlN插入层，3µm的GaN缓冲层，25nm厚的Al_0.25Ga_0.75N外延层；栅极与源极之间的距离为1µm，栅极与漏极之间的距离为5µm，栅长为1.5µm。

所述的阶梯状AlGaN外延新型AlGaN/GaN-HEMT新结构，其蓝宝石衬底上生长插入AlN插入层，AlN插入层上生长GaN缓冲层，Al_0.25Ga_0.75N外延层则位于GaN缓冲层上；栅极，源极，漏极位于Al_0.25Ga_0.75N外延层上，在Al_0.25Ga_0.75N外延层中位于栅极旁边刻蚀了深度H为10nm,长度D为3µm的Al_0.25Ga_0.75N外延层沟槽，与Al_0.25Ga_0.75N外延层形成阶梯状AlGaN外延层。

所述的阶梯状AlGaN外延新型AlGaN/GaN-HEMT新结构，其GaN缓冲层引入受主型缺陷，受主缺陷的浓度为1×10¹⁶/cm³，能级为距离导带1.8eV, 使得当器件反向偏置时，减少GaN缓冲层的泄漏电流从而提高击穿电压。

本发明提供的一种提高击穿电压的优化设计方法:

通过设计一定厚度和长度的阶梯状Al_0.25Ga_0.75N外延层，可以使AlGaN/GaN-HEMTs器件高阻区扩展并完全耗尽，高阻区的扩展降低了栅边缘的高峰电场，将传统的AlGaN/GaN-HEMTs器件的击穿电压从466V提高到新结构的640V。