阅读说明：本技术 一种局部凹槽结构的AlGaN/GaN HEMT器件 (AlGaN/GaN HEMT device with local groove structure ) 是由 刘静 王琳倩 黄忠孝 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种局部凹槽结构的AlGaN/GaN HEMT器件,包括自下而上依次设置的衬底、缓冲层、势垒层和钝化层,势垒层上表面且位于钝化层左右两端分别设置有源极和漏极,势垒层上表面且位于钝化层中部设置有栅极；势垒层上设置有凹槽结构。缓冲层由厚度为2μm的GaN组成,摻杂浓度为1×10<Sup>15</Sup>cm<Sup>-3</Sup>。势垒层由厚度为0.02μm的AlGaN组成,摻杂浓度为1×10<Sup>17</Sup>cm<Sup>-3</Sup>。钝化层由厚度为0.05μm的Si<Sub>3</Sub>N<Sub>4</Sub>组成。栅极、源极及漏极的长度均为0.5μm。凹槽结构由厚度为50nm的Si<Sub>3</Sub>N<Sub>4</Sub>组成,长度L为1.0μm,高度H为0.010μm,使得电流变化量减小,电流崩塌得以改善。(The invention discloses an AlGaN/GaN HEMT device with a local groove structure, which comprises a substrate, a buffer layer, a barrier layer and a passivation layer which are sequentially arranged from bottom to top, wherein the upper surface of the barrier layer and the left and right ends of the passivation layer are respectively provided with a source electrode and a drain electrode, and the upper surface of the barrier layer and the middle part of the passivation layer are provided with a grid electrode; the barrier layer is provided with a groove structure. The buffer layer is composed of GaN with a thickness of 2 μm and is doped with the GaN with a doping concentration of 1 × 10 15 cm ‑3 . The barrier layer is composed of AlGaN with a thickness of 0.02 μm and doped with dopant at a concentration of 1 × 10 17 cm ‑3 . The passivation layer is made of Si with the thickness of 0.05 mu m 3 N 4 And (4) forming. The lengths of the gate, source and drain are all 0.5 μm. The groove structure is made of Si with the thickness of 50nm 3 N 4 The length L of the composition is 1.0 μm, and the height H of the composition is 0.010 μm, so that the current variation is reducedSmall, current collapse is improved.)

一种局部凹槽结构的AlGaN/GaN HEMT器件

技术领域

本发明属于高电子迁移率晶体管技术领域，涉及一种局部凹槽结构的AlGaN/GaNHEMT器件。

背景技术

在各种电子材料和器件技术中，GaN材料具有宽禁带、高电子迁移率、高饱和速度和高击穿电场等优异的材料特性，GaN高电子迁移率晶体管(High Electron MobilityTransistors，HEMT)在高频高压高温领域取得了重大进展。虽然GaN HEMT器件表现出非常优越的性能，但在稳定性和可靠性等方面的问题仍限制着GaN基器件的广泛应用，其中由陷阱效应导致的电流崩塌对器件性能影响较为严重。电流崩塌效应产生的原因，一般认为有两个因素：其一是表面陷阱在器件工作过程中俘获电子，在表面形成一定的电势，影响沟道中的耗尽层，从而导致漏极电流的减小，即所谓的“虚栅”效应；另一个因素是由于缓冲层陷阱俘获沟道热电子导致的。

对于表面陷阱的影响，采用表面钝化技术或场板结构可以使其有效降低，而对于缓冲层陷阱，尤其是缓冲层深能级陷阱对电流崩塌的影响仍得不到很好的解决，因为这些陷阱可以抑制缓冲层泄漏电流以及短沟道效应，它是器件正常工作所必需的。因此，进一步研究缓冲层陷阱对电流崩塌的影响机理，提出改善电流崩塌效应的方法是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种局部凹槽结构的AlGaN/GaN HEMT器件，解决了现有技术中存在的AlGaN/GaN HEMT器件由于栅边缘漏侧高峰值电场容易引起电流崩塌效应的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种局部凹槽结构的AlGaN/GaN HEMT器件，包括自下而上依次设置的衬底、缓冲层、势垒层和钝化层，势垒层上表面且位于钝化层左右两端分别设置有源极和漏极，势垒层上表面且位于钝化层中部设置有栅极；势垒层上且位于栅极和漏极之间设置有凹槽结构。

本发明的特点还在于：

缓冲层由厚度为2μm的GaN组成，摻杂浓度为1×10¹⁵cm^-3。

势垒层由厚度为0.02μm的AlGaN组成，摻杂浓度为1×10¹⁷cm^-3。

钝化层由厚度为0.05μm的Si₃N₄组成。

栅极、源极及漏极的长度均为0.5μm。

栅极和源极之间的栅源距离为1.0μm，栅极和漏极之间的栅漏距离为2.0μm。

凹槽结构由厚度为50nm的Si₃N₄组成，长度L为1.0μm，高度H为0.010μm。

本发明的有益效果是：通过在传统AlGaN/GaN HEMT器件势垒层中引入局部凹槽结构，减小了AlGaN/GaN HEMT器件栅缘漏侧的电场峰值，同时电场分布向漏极方向扩展，电场分布更加均匀，从而导致势垒层局部凹槽结构的电流变化量减小，电流崩塌得以有效改善。

附图说明

图1(a)是本发明一种局部凹槽结构的AlGaN/GaN HEMT器件的结构示意图；

图1(b)是传统AlGaN/GaN HEMT器件的结构示意图；

图2是本发明一种局部凹槽结构的AlGaN/GaN HEMT器件双脉冲下的电压偏置图；

图3是传统AlGaN/GaN HEMT器件双脉冲下的电流崩塌效应图；

图4是传统AlGaN/GaN HEMT器件在t＝1×10^-6s、t＝1×10^-3s及t＝0.1s三个时间点上陷阱被电子占据状态图；

图5是传统AlGaN/GaN HEMT器件在t＝0.5×10^-7s、t＝1.05×10^-7s、t＝1.1×10^-7s和t＝1×10^-6s四个时间点电子占据陷阱的浓度分布状态图；

图6是传统AlGaN/GaN HEMT器件在t＝0.5×10^-7s、t＝1.05×10^-7s、t＝1.1×10^{- 7}s、t＝1×10^-6s、t＝1×10^-3s及t＝0.1s六个时刻，栅边缘漏侧电场峰值的变化情况图；

图7是本发明一种局部凹槽结构的AlGaN/GaN HEMT器件与传统AlGaN/GaN HEMT器件的沟道电场分布对比图；

图8是本发明一种局部凹槽结构的AlGaN/GaN HEMT器件与传统AlGaN/GaN HEMT器件的电流崩塌效应对比图；

图9是本发明一种局部凹槽结构的AlGaN/GaN HEMT器件与传统AlGaN/GaN HEMT器件在t＝1×10^-6s、t＝1×10^-3s及t＝0.1s时刻的沟道电场分布对比图。

图中，1.衬底，2.缓冲层，3.势垒层，4.钝化层，5.栅极，6.源极，7.漏极，8.凹槽结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种局部凹槽结构的AlGaN/GaN HEMT器件，如图1(a)所示，包括自下而上依次设置的衬底1、缓冲层2、势垒层3和钝化层4，势垒层3上表面且位于钝化层4左右两端分别设置有源极6和漏极7，势垒层3上表面且位于钝化层4中部设置有栅极5；势垒层3上且位于栅极5和漏极7之间设置有凹槽结构8。传统AlGaN/GaN HEMT器件结构如图1(b)所示，从下到上依次为衬底1、缓冲层2、势垒层3和钝化层4。

缓冲层2由厚度为2μm的GaN组成，摻杂浓度为1×10¹⁵cm^-3。

势垒层3由厚度为0.02μm的AlGaN组成，摻杂浓度为1×10¹⁷cm^-3。

钝化层4由厚度为0.05μm的Si₃N₄组成。

栅极5、源极6及漏极7的长度均为0.5μm。

栅极5和源极6之间的栅源距离为1.0μm，栅极5和漏极7之间的栅漏距离为2.0μm。

凹槽结构8由厚度为50nm的Si₃N₄组成，长度L为1.0μm，高度H为0.010μm。

采用双脉冲技术来研究器件的电流崩塌效应，脉冲波形及相关参数设置如图2所示，静态偏置(V_gQ，V_dQ)为(-5V，20V)，测试偏置(V_g，V_d)为(0V，5V)。

图3显示了传统AlGaN/GaN HEMT器件电流崩塌变化曲线，由图3可以看出，在t＝1.1×10^-7s时，器件进入测试偏置阶段,但输出电流未能直接达到稳定值，而是保持在一个初始值持续一段时间(从t＝1.1×10^-7s至t＝10^-4s)后才逐渐增大到稳定值，图3所示结果表明AlGaN/GaN HEMT器件具有显著的电流崩塌效应。为深入分析电流崩塌产生的机理，将测试偏置阶段分为三个部分，t＝1.1×10^-7s至10^-4s输出电流基本保持不变，称为电流保持阶段；t＝10^-4s至2×10^-2s电流随时间增大，称为电流上升阶段；t＝2×10^-2s之后，输出电流几乎保持不变，称为电流稳定阶段。在电流保持、上升和稳定这三个阶段里分别取t＝1×10^-6s、t＝1×10^-3s和t＝0.1s三个时间点陷阱被电子占据情况如图4所示，可以看出随着时间的增加缓冲层陷阱被电子占据的概率逐渐降低，对应了陷阱释放电子的过程。

图5为在t＝0.5×10^-7s、t＝1.05×10^-7s、t＝1.1×10^-7s和t＝1×10^-6s四个时间点所对应的器件在靠近漏极的栅极边缘附近缓冲层陷阱被电子占据的概率分布情况。如图5所示，测试偏置阶段之前，器件处于缓冲层陷阱俘获电子的过程。在刚进入测试偏置阶段时，陷阱俘获电子的浓度达到最大。由测试偏置阶段中陷阱释放电子的过程可知，测试偏置阶段中在靠近漏极的栅极边缘附近，缓冲层陷阱释放的电子来自于静态偏置阶段及静态偏置阶段向测试偏置阶段的过渡状态中陷阱俘获的电子。

图6为t＝0.5×10^-7s、t＝1.05×10^-7s、t＝1.1×10^-7s和t＝1×10^-6s四个时间点栅边缘漏侧电场峰值情况。如图6所示，电场峰值随时间推移而逐渐减小，在t＝1.0×10^-7s之前，器件处于静态偏置阶段，电场峰值最大，栅缘漏侧的沟道电子在这一高电场作用下发生跃迁进入缓冲层，并被缓冲层中的受主陷阱俘获。由于栅极下方的沟道耗尽，栅边缘漏侧的沟道电子在被陷阱俘获后无法获得补偿，导致该处沟道电子耗尽。随着时间的推移，器件进入静态偏置与测试偏置之间的过渡状态，此时器件处于半导通状态，栅极下方的沟道中已经开始产生电子，并向栅边缘漏侧的沟道中进行电子补偿，但由于栅漏间电势差仍较大，在电场峰值作用下该处的电子会继续跃迁并被缓冲层中的陷阱俘获。在测试偏置阶段，栅下沟道已完全打开，栅漏间电势差较小，电场峰值也小到不足以使沟道电子发生跃迁，为了维持平衡,缓冲层陷阱开始释放电子，导致栅边缘漏侧的沟道电子浓度逐渐增加，沟道中电子浓度的分布趋于均匀，沟道电场分布也随之趋于均匀，最终电子浓度达到稳定状态。由于输出电流的大小和沟道中2DEG密度有关，所以输出电流也随着时间的变化发生变化，形成了瞬态条件下的电流崩塌效应。

栅边缘漏侧的电场峰值是导致电流崩塌效应的关键因素，提出的AlGaN/GaN HEMT势垒层3局部凹槽结构8可以显著降低栅边缘漏侧的电场峰值，改善器件工作过程中的电流崩塌效应.

图7为势垒层局部凹槽结构与传统结构刚进入测试偏置阶段的横向沟道电场强度的分布。如图7所示，相比于传统结构，凹槽结构8在栅缘漏侧处的电场峰值要比传统结构低，同时电场分布向漏极方向扩展，电场分布更加均匀。

图8为凹槽的长L为1.0μm，高H为0.010μm时，AlGaN/GaN HEMT势垒层局部凹槽结构与传统器件的输出电流随时间的变化曲线。如图8所示，凹槽结构8相比传统结构电流崩塌量从13.59％降低到了10.56％，性能提升了22.30％。

为进一步分析凹槽结构改善电流崩塌效应的有效性，图9给出了在t＝1×10^-6s、t＝1×10^-3s和t＝0.1s三个典型时间两种器件结构沟道内电场分布情况。如图9所示，从t＝1×10^-6s到t＝0.1s的时间里，势垒层局部凹槽结构的电场峰值变化量要远小于传统AlGaN/GaN HEMT器件。电场变化量小是由于电子浓度变化量较小，从而导致图8中势垒层局部凹槽结构的电流变化量减小，电流崩塌得以改善。

本发明一种局部凹槽结构的AlGaN/GaN HEMT器件，其有益效果在于：本发明通过在栅极5边缘引入凹槽结构8降低栅边缘漏侧的电场峰值，使得电场分布向漏极方向扩展，分布更加均匀，从而导致势垒层3上的局部凹槽结构8的电流变化量减小，电流崩塌得以改善。