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CN111370471B - 氮化镓高电子移动率晶体管及其栅极结构 - Google Patents

氮化镓高电子移动率晶体管及其栅极结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构，包括一异质结构、一掺杂氮化镓层、一绝缘层、一未掺杂氮化镓层以及一栅极金属层。异质结构包括一信道层与位于所述信道层上的一阻障层。掺杂氮化镓层位于所述阻障层上，绝缘层则位于掺杂氮化镓层的顶部的两侧边，且未掺杂氮化镓层是位于掺杂氮化镓层与绝缘层之间。栅极金属层则位于掺杂氮化镓层上，并覆盖绝缘层与未掺杂氮化镓层。所述未掺杂氮化镓层能保护其下的掺杂氮化镓层，而绝缘层则具有防止栅极漏电的效果。

Description

氮化镓高电子移动率晶体管及其栅极结构
技术领域
本发明涉及一种高电子移动率晶体管的技术，尤其涉及一种氮化镓高电子移动率晶体管及其栅极结构。
背景技术
氮化镓高电子移动率晶体管(high electron mobility transistor，HEMT)是利用氮化铝镓(AlGaN)与氮化镓(GaN)的异质结构，于接面处会产生具有高平面电荷密度和高电子迁移率的二维电子气(two dimensional electron gas，2DEG)，因此适于高功率、高频率和高温度运作。
然而，具有高浓度2DEG的HEMT采用常关型(Normally-off)的电路设计，已发现这种氮化镓高电子移动率晶体管有栅极漏电的问题，导致晶体管的开关在不正常的操作下效能下降或是失效，使可靠度降低。
发明内容
本发明提供一种氮化镓高电子移动率晶体管及其栅极结构，能大幅降低栅极漏电。
本发明的氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构，包括一异质结构、一掺杂氮化镓层、一绝缘层、一未掺杂氮化镓层以及一栅极金属层。异质结构包括一信道层与位于所述信道层上的一阻障层(barrier layer)。掺杂氮化镓层位于所述阻障层上，绝缘层则位于掺杂氮化镓层的顶部的两侧边，且未掺杂氮化镓层是位于掺杂氮化镓层与绝缘层之间。栅极金属层则位于掺杂氮化镓层上，并覆盖绝缘层与未掺杂氮化镓层。
在本发明的一实施例中，上述未掺杂氮化镓层全面覆盖于所述掺杂氮化镓层上。
在本发明的另一实施例中，上述未掺杂氮化镓层覆盖部分所述掺杂氮化镓层，而使所述栅极金属层直接接触所述掺杂氮化镓层。
在本发明的一实施例中，上述掺杂氮化镓层可为p型氮化镓层或n型氮化镓层。
在本发明的一实施例中，上述绝缘层的材料例如氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)或氮化铝(AlN)。
在本发明的一实施例中，上述绝缘层的面积占所述掺杂氮化镓层的顶部的面积比例约在50％以下。
在本发明的一实施例中，上述掺杂氮化镓层的底部的面积可大于或等于所述顶部的面积。
在本发明的一实施例中，上述未掺杂氮化镓层的厚度例如小于200埃。
在本发明的一实施例中，上述栅极金属层的侧面可与上述绝缘层的侧面对齐。
在本发明的一实施例中，上述信道层的材料例如氮化镓(GaN)以及上述阻障层的材料例如氮化铝镓(AlGaN)。
本发明的氮化镓高电子移动率晶体管具有上述栅极结构。
基于上述，本发明通过设置于栅极金属层两侧底部的绝缘层，能阻隔栅极侧边的漏电流，并可于绝缘层与掺杂氮化镓层之间设置未掺杂氮化镓层，来保护掺杂氮化镓层，确保其功效。因此，本发明的栅极结构能提升氮化镓高电子移动率晶体管的可靠度。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A是依照本发明的第一实施例的一种氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构的剖面示意图；
图1B是第一实施例的另一种氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构的剖面示意图；
图2是依照本发明的第二实施例的一种氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构的剖面示意图；
图3是包括图1A的栅极结构的一种氮化镓高电子移动率晶体管的剖面示意图。
附图标号说明：
100：异质结构
102：信道层
103：二维电子气
104：阻障层
106、200：掺杂氮化镓层
106a、200a：顶部
106b、200b：底部
108：绝缘层
108a、112a、200c：侧面
110：未掺杂氮化镓层
112：栅极金属层
300：氮化镓高电子移动率晶体管
302：钝化层
304a：源极
304b：漏极
t：厚度
具体实施方式
以下实施例中所附的附图是为了能更完整地描述发明概念的示范实施例，但是，仍可使用许多不同的形式来实施本发明，且其不应该被视为受限于所记载的实施例。在附图中，为了清楚起见，膜层、区域和/或结构元件的相对厚度及位置可能缩小或放大。
图1A是依照本发明的第一实施例的一种氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构的剖面示意图。
请参照图1A，第一实施例的栅极结构包括具有信道层102与阻障层104的一异质结构100、一掺杂氮化镓层106、一绝缘层108、一未掺杂氮化镓层110以及一栅极金属层112。在异质结构100中，于信道层102与阻障层104之间的界面处可形成二维电子气(2DEG)103。掺杂氮化镓层106则位于阻障层104上、阻障层104位于信道层102上，其中信道层102的材料例如氮化镓(GaN)，阻障层104的材料例如氮化铝镓(AlGaN)，而作为栅极的掺杂氮化镓层106可以是p型氮化镓层或n型氮化镓层。掺杂氮化镓层106的底部106b的面积约等于(或大于)顶部106a的面积，但本发明并不限于此。绝缘层108则位于掺杂氮化镓层106的顶部106a的两侧边，其中绝缘层108的材料例如氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)或氮化铝(AlN)，但本发明并不限于此。在一实施例中，绝缘层108的面积占掺杂氮化镓层106的顶部106a的面积比例约在50％以下，例如在30％以下或者在20％以下。由于绝缘层108的效果在于利用其自身的高阻值(resistance)来断绝栅极金属层112的侧壁漏电，所以本发明的绝缘层108的位置设置在掺杂氮化镓层106的顶部106a的两侧边即可确保降低栅极漏电的效果，至于绝缘层108的面积占比则以不影响元件操作为准，故不限于上述范围。在一实施例中，栅极金属层112的侧面112a可与绝缘层108的侧面108a对齐；或者栅极金属层112的侧面112a也可略为内缩，而不与绝缘层108的侧面108a对齐。
请继续参照图1A，本实施例的未掺杂氮化镓层110是位于掺杂氮化镓层106与绝缘层108之间，并且仅覆盖部分掺杂氮化镓层106，所以位于掺杂氮化镓层106上的栅极金属层112可直接接触掺杂氮化镓层106，并覆盖绝缘层108与未掺杂氮化镓层110。未掺杂氮化镓层110能保其下方的掺杂氮化镓层106。另外，虽然图1A中并未绘出，但应知异质结构100一般可通过磊晶技术(如MBE或MOCVD)在基板(未示出)上依序成长，且若是基板为蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、硅(Si)、氧化镓(Ga2O3)等材料，还可在成长异质结构100之前，先在基板上成长用来减低基板与信道层102之间晶格不匹配问题的单层或多层的缓冲结构(未示出)。
图1B是第一实施例的另一种氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构的剖面示意图。
在图1B中，未掺杂氮化镓层110是全面覆盖于掺杂氮化镓层106上，其中未掺杂氮化镓层110的厚度t例如小于200埃。由于未掺杂氮化镓层110全面覆盖于掺杂氮化镓层106表面，因此能进一步保护掺杂氮化镓层106不受后续栅极金属制程的影响与破坏。
图2是依照本发明的第二实施例的一种氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构的剖面示意图，其中使用与图1A相同的元件符号来代表相同或相似的构件，且所省略的部分技术说明，如各层或区域的位置、尺寸、材料、掺杂与否、功能等均可参照图1A的内容，因此于下文不再赘述。
在图2中，掺杂氮化镓层200的底部200b的面积大于顶部200a的面积，所以与第一实施例相比，掺杂氮化镓层200的侧面200c可供漏电的路径变长，所以能进一步减少栅极漏电。此外，与第一实施例相比，掺杂氮化镓层200的顶部200a面积变小，则绝缘层108的面积占比可能会增加；或者，绝缘层108的面积变小。然而，本发明并不限于此。
图3是图1A的结构应用于一种氮化镓高电子移动率晶体管的剖面示意图，其中使用与图1A相同的元件符号来代表相同或相似的构件。
请参照图3，氮化镓高电子移动率晶体管300可包括第一实施例的栅极结构、源极304a、漏极304b以及覆盖异质结构100、掺杂氮化镓层106、绝缘层108、未掺杂氮化镓层110以及栅极金属层112的钝化层302。钝化层302可用以缓解应力，其材料例如氮化硅或氧化硅。而源极304a与漏极304b则分别形成于栅极金属层112的两侧，并与阻障层104直接接触；但本发明并不限于此，在另一实施例中，源极304a与漏极304b可穿过阻障层104而与信道层102直接接触。
综上所述，本发明在栅极金属层两侧底部设置绝缘层与未掺杂氮化镓层，不但能阻隔栅极侧边的漏电流，还能通过未掺杂氮化镓层保护作为栅极的掺杂氮化镓层，以确保其功效，进而提升氮化镓高电子移动率晶体管的可靠度。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (9)

1.一种氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构，其特征在于，包括：
异质结构，包括信道层与位于所述信道层上的阻障层；
掺杂氮化镓层，位于所述阻障层上；
绝缘层，位于所述掺杂氮化镓层的顶部的两侧边；
未掺杂氮化镓层，位于所述掺杂氮化镓层与所述绝缘层之间；以及
栅极金属层，位于所述掺杂氮化镓层上，并覆盖所述绝缘层与所述未掺杂氮化镓层，
其中所述未掺杂氮化镓层覆盖部分所述掺杂氮化镓层，而使所述栅极金属层直接接触所述掺杂氮化镓层。
2.根据权利要求1所述的氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构，其中所述掺杂氮化镓层为p型氮化镓层或n型氮化镓层。
3.根据权利要求1所述的氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构，其中所述绝缘层的材料包括氮化硅、氧化铝、氧化硅、氮化硼或氮化铝。
4.根据权利要求1所述的氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构，其中所述绝缘层的面积占所述掺杂氮化镓层的所述顶部的面积比例在50％以下。
5.根据权利要求1所述的氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构，其中所述掺杂氮化镓层的底部的面积大于或等于所述顶部的面积。
6.根据权利要求1所述的氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构，其中所述未掺杂氮化镓层的厚度小于200埃。
7.根据权利要求1所述的氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构，其中所述栅极金属层的侧面与所述绝缘层的侧面对齐。
8.根据权利要求1所述的氮化镓高电子移动率晶体管的栅极结构，其中所述信道层的材料包括氮化镓以及所述阻障层的材料包括氮化铝镓。
9.一种氮化镓高电子移动率晶体管，其特征在于，包括根据权利要求1～8中任一项所述的栅极结构。
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