阅读说明：本技术 一种抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件 (P-GaN HEMT device for inhibiting short channel effect ) 是由 郑崇芝 信亚杰 段力冬 王方洲 孙瑞泽 张波 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明属于半导体器件及集成电路技术领域,具体的说是涉及一种抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件。与常规的p-GN HEMT器件不同的是,本发明的位于AlGaN势垒层上方的p-GaN层不仅包括厚度较大的、使器件实现增强型器件功能的p-GaN层,还包括厚度较小的经过凹槽刻蚀的p-GaN。当器件漏极的电压较高时,凹槽刻蚀的p-GaN层下方的2DEG耗尽,能够承受漏极电压,从而使厚度较大的p-GaN层一侧的电位钳位,从而降低短沟道效应。本发明的器件能降低处在高漏偏压时阈值电压的减小量,同时能够提升击穿电压。另外,本发明工艺与传统p-GaN HEMT器件制备工艺完全兼容。(The invention belongs to the technical field of semiconductor devices and integrated circuits, and particularly relates to a p-GaN HEMT device for inhibiting a short channel effect. Different from the conventional p-GN HEMT device, the p-GaN layer positioned above the AlGaN barrier layer not only comprises a p-GaN layer with larger thickness and enabling the device to realize the function of an enhancement device, but also comprises p-GaN with smaller thickness and subjected to groove etching. When the voltage of the drain electrode of the device is high, the 2DEG below the p-GaN layer etched by the groove is exhausted and can bear the voltage of the drain electrode, so that the potential on one side of the p-GaN layer with the larger thickness is clamped, and the short channel effect is reduced. The device can reduce the reduction of threshold voltage when in high leakage bias voltage, and can improve breakdown voltage at the same time. In addition, the process of the invention is completely compatible with the preparation process of the traditional p-GaN HEMT device.)

一种抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件

技术领域

本发明属于半导体器件及集成电路技术领域，具体涉及一种抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件。

背景技术

氮化镓(GaN)是第三代宽禁带半导体材料代表，受到各国研究人员的广泛关注。GaN 材料具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小及良好的化学稳定性等特点，因此， GaN基HEMT器件与Si基器件相比，具有较低的导通电阻、较小寄生电容、较高的击穿电压等优良性能，可以满足下一代系统对半导体器件更大功率、更小体积、更高频率的应用需求。

然而，传统的基于AlGaN/GaN异质结器件由于存在自发极化和压电极化效应形成天然的 二维电子气导电沟道，为耗尽型器件。但是由于耗尽型器件会增大应用时驱动电路设计的复 杂性和可靠性，因此需要增强型的GaN器件来满足应用需求。目前几种常用的增强型技术中， p-GaN增强型器件已经实现商业化。p-GaN HEMT器件的实现方法为在栅极区域外延一层p 型GaN层，p-GaN与AlGaN/GaN异质结形成类PiN结构，类二极管结构中内建电场能够抵 消AlGaN/GaN异质结中自发极化和压电极化产生的电场作用，从而能够耗尽栅极下方的二维 电子气，从而使得器件具有常关型特性。由于p-GaN HEMTs器件特有的Metal/p-GaN/AlGaN 栅极结构限制了栅极工作电压范围，当前常见的p-GaN HEMTs器件栅极的工作电压范围约为 -4～6V。同时，在器件设计中，为了降低器件工作时的导通电阻，会降低器件栅极的长度来 降低导通电阻。但是，当器件栅极栅极沟道长度很小时，会出现短沟道效应，也即漏致势垒 减低效应(DIBL)，导致阈值电压、和击穿电压降低。

根据前期研究结果表明，当p-GaN HEMT器件处于高漏偏压时，阈值电压相对于低漏偏 压时会降低0.3V左右，会导致器件在使用中极易出现误触发的现象。因此急需一种具备能 够抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件，来提升p-GaN HEMT器件在实际使用时的可靠性和 稳定性。

发明内容

本发明在于克服传统短沟道p-GaN HEMT器件出现的阈值电压、击穿电压降低的问题， 提供抑制短沟道效应的器件。实现不影响器件的正常工作，阈值电压更加稳定，击穿电压更 高，与传统制备工艺完全兼容的p-GaN HEMT器件。

本发明的技术方案为：

一种抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件，包括从下层至上依次层叠设置的衬底层1、 缓冲层2、GaN沟道层3、Al(In)GaN层势垒层4、p-GaN层5、钝化层7；所述GaN层3 和Al(In)GaN层4形成异质结；所述Al(In)GaN层4上层的一端具有第一金属电极10， 另一端具有第二金属电极9，第一金属电极10和第二金属电极9与Al(In)GaN层4之间均 是欧姆接触；所述p-GaN层5呈中部凸起的凸起结构(通过部分凹槽刻蚀形成)，将p-GaN 层5中部凸起结构两侧的部分靠近第一金属电极10的一侧定义为源极侧p-GaN层12，靠近 第二金属电极9的一侧定义为漏极侧p-GaN层11；所述p-GaN层5的上表面覆盖有第三金 属电极6，第三金属电极6与p-GaN层5之间是肖特基接触或欧姆接触；所述第三金属电极 6作为器件的栅极；在Al(In)GaN层势垒层4与第三金属电极6上表面覆盖有钝化层7； 所述第一金属电极10沿钝化层7上表面延伸至靠近第二金属电极9，第一金属电极10作为 器件的源极；所述第二金属电极9沿钝化层7上表面向靠近第一金属电极10的一侧延伸，在 第一金属电极10和第二金属电极9之间具有隔离层8，第二金属电极9作为器件的漏极。

进一步的，所述漏极侧p-GaN层11的长度为大于等于0μm。

进一步的，所述衬底1采用的材料为Si、SiC、蓝宝石中的一种。

进一步的，所述缓冲层2采用的材料为包含一种或几种由GaN、AlGaN、AlN组成的材料。

进一步的，所述钝化层7采用的材料为氮化物、氧化铝、AlN中的一种。

进一步的，所述隔离层8采用的材料为氧化物或氮化物。

本发明的有益效果为：本发明的位于AlGaN势垒层上方的p-GaN层不仅包括厚度较大的、 使器件实现增强型器件功能的p-GaN层，还包括厚度较小的经过凹槽刻蚀的p-GaN。当器件 漏极的电压较高时，凹槽刻蚀的p-GaN层下方的2DEG耗尽，能够承受漏极电压，从而使厚 度较大的p-GaN层一侧的电位钳位，从而降低短沟道效应。本发明的器件能降低处在高漏偏 压时阈值电压的减小量，同时能够提升击穿电压。另外，本发明工艺与传统p-GaNHEMT器 件制备工艺完全兼容。

附图说明

图1(a)为传统p-GaN HEMT器件的结构原理图；(b)为本发明提出的抑制短沟道效应 的p-GaN HEMT器件的结构原理图。

图2(a)为本发明的器件的等效模型，(b)为本发明器件的电位V_C随漏源电压变化而 变化的情况。

图3(d)为本发明的具有不同厚度T_p2的凹槽刻蚀的p-GaN层器件阈值电压随漏极电压 变化而变化的情况，(e)击穿电压和DIBL参数随厚度变化而变化的情况。

图4为本发明的具有不同长度G_r的凹槽刻蚀的p-GaN层器件阈值电压随漏极电压变化而 变化的情况，(b)击穿电压和DIBL参数随长度G_r变化而变化的情况。

图5为本发明的具有不同沟道长度L_g的p-GaN层器件阈值电压随漏极电压变化而变化的 情况，(b)击穿电压和DIBL参数随沟道长度L_g变化而变化的情况。

图6(a)传统p-GaN HEMT器件和本发明的器件的转移特性曲线，(b)统p-GaN HEMT器件和本发明的器件的阈值电压随漏极电压变化的情况，(c)传统p-GaN HEMT器件的指数范围变化的转移特性曲线，(d)本发明的p-GaN HEMT器件的指数范围变化的转移特性曲线。

图7为本发明的静态I-V特性与传统p-GaN HEMT器件的对比；(a)输出特性曲线；(b) 击穿特性曲线；(c)沟道处导带能级沿x方向的变化情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

如图1所示，相比于传统p-GaN HEMT器件，本发明的位于AlGaN势垒层上方的p-GaN层不仅包括厚度较大的、使器件实现增强型器件功能的p-GaN层5，还包括厚度较小的经过凹槽刻蚀的p-GaN11和12。当器件漏极的电压较高时，凹槽刻蚀的p-GaN层下方的2DEG 耗尽，能够承受漏极电压，从而使厚度较大的p-GaN层一侧的电位钳位，从而降低短沟道效应。

该发明所述的一种抑制短沟道效应的p-GaN HEMT器件的工作原理为：

本发明的器件等效模型如图2(a)所示，包含一个高阈值电压的器件HEMT1和一个低 阈值电压的HEMT2。HEMT1漏极和HEMT2的阈值连接在一起(该连接处的电位定义为V_C)，HEMT1的栅极和HEMT2的栅极连接在一起。由于HEMT1器件的阈值电压V_TH1大于HEMT 器件2的阈值电压V_TH2，当栅极电压达到HEMT1的阈值电压时，HEMT1器件已经开启。器 件的阈值电压主要取决于HEMT1器件的阈值电压，即V_TH≈V_TH1。

当0<V_C<V_GS-V_TH2(即V_GS-V_C>V_TH2)时，HEMT2开启。此时，V_C随着V_DS的增大 而增大。

当V_C>V_GS-V_TH2时，HEMT2处于关断状态，也即是厚度较小的p-GaN层11下方的二 维电子气沟道耗尽，能够承担漏极电压V_DS。因此，V_C随着V_DS的增大而保持不变，如图2 (b)所示。

如图3所示，仿真了不同厚度p-GaN层11和12的阈值电压和击穿电压。可以看出，随着厚度的增加阈值电压略微增加，而击穿电压基本保持不变。为了表示高漏压下抑制短沟道 效应的能力，定义了DIBL参数，该参数为DIBL参数数值越大，表示抑制短沟道效应(也即DIBL)能力越弱。从图2可以看出，随着p-GaN层厚度的增加，DIBL数值增加，表示抑制短沟道效应的能力变弱。

如图4所示，仿真了不同长度的p-GaN层11的阈值电压和击穿电压。可以看出，随着长度的增加，击穿电压先增加后降低，而抑制短沟道效应的能力逐渐变强。

如图5所示，仿真了不同沟道长度的p-GaN层5的阈值电压和击穿电压。可以看出，随 着沟道长度的增加，击穿电压逐渐增加，而抑制短沟道效应的能力也逐渐变强。

如图6所示，仿真了本发明的器件与传统p-GaN HEMT器件的转移特性曲线和阈值电压 的对比。可以看出，传统p-GaN HEMT器件的阈值电压随漏极电压增加而大幅降低，而本发 明的器件阈值电压比较稳定，表明本发明的器件能够有效地抑制短沟道效应。

最后，将本发明的器件的I-V特性与传统的器件进行了对比，如图7所示。可以看出， 对于输出特性，本发明的器件与传统的p-GaN HEMT器件完全一致；对于击穿特性，本发明 的击穿电压能够提升87％。图7(c)为不同漏极电压时沟道处导带能级沿x方向的变化情况， 可以看出，当处于高漏极电压时，V_C处电位能够钳位，从而表示能够抑制短沟道效应。