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CN117810253B - 双栅hemt器件 - Google Patents

双栅hemt器件 Download PDF

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Abstract

一种双栅HEMT器件，包括：由下至上依次层叠设置的衬底、缓冲层、沟道层和第一势垒层；依次间隔设置在所述第一势垒层上的源极结构、第一栅极结构、第二栅极结构和漏极结构；所述第一栅极结构与所述源极结构电连接。通过在第二栅极结构与源极结构之间设置一个与源极结构电连接的第一栅极结构，可以在双栅HEMT器件处于关断状态的时候，在第一栅极结构的下方的沟道层中会积累电子，一旦双栅HEMT器件导通，在第一栅极结构下方的沟道层中积累的电子将迅速移动到第二栅极结构下方的沟道层中的耗尽区，缓解电流坍塌。

Description

双栅HEMT器件
技术领域
本申请属于半导体技术领域，尤其涉及一种双栅HEMT器件。
背景技术
高电子迁移率晶体管（High electron mobility transistor；HEMT），也称调制掺杂场效应管，是场效应晶体管的一种。目前，以氮化镓（GaN）为核心材料的HEMT器件正逐渐成为主流的HEMT器件，相比于Si和SiC功率器件，采用AlGaN/GaN异质结结构的功率器件可在同等的击穿电压条件下获得更低的比导通电阻。
传统的GaN HEMT器件在开关过程中容易发生动态导通电阻下降的情况，称为电流坍塌，影响器件性能。
发明内容
本申请的目的在于提供一种双栅HEMT器件，旨在解决传统的GaN HEMT器件在开关过程中的电流坍塌的问题。
本申请实施例的第一方面提了一种双栅HEMT器件，包括：由下至上依次层叠设置的衬底、缓冲层、沟道层和第一势垒层；依次间隔设置在所述第一势垒层上的源极结构、第一栅极结构、第二栅极结构和漏极结构；所述第一栅极结构与所述源极结构电连接。
其中一实施例中，所述第一栅极结构包括第一栅极金属层，所述第一栅极金属层设置在所述第一势垒层上，所述第一栅极金属层通过导线与所述源极结构电连接。
其中一实施例中，所述第二栅极结构包括多个第二栅极金属层，各个所述第二栅极金属层沿从源极结构到所述漏极结构的方向依次排列在所述势垒层上，相邻的两个所述第二栅极金属层相互接触，各个所述第二栅极金属层的材料的功函数互不同。
其中一实施例中，所述第二栅极金属层与所述漏极结构之间的距离越小，所述第二栅极金属层的材料的功函数越小。
其中一实施例中，所述第二栅极结构包括两个所述第二栅极金属层。
其中一实施例中，所述双栅HEMT器件还包括第二势垒层，所述第二势垒层设置在所述缓冲层与所述沟道层之间。
其中一实施例中，所述沟道层的材料为GaN，所述第一势垒层和所述第二势垒层的材料均为AlGaN。
其中一实施例中，所述第一势垒层中的铝原子的浓度大于所述第二势垒层中的铝原子的浓度，所述第一势垒层中的镓原子的浓度小于所述第二势垒层中的镓原子的浓度。
其中一实施例中，所述双栅HEMT器件还包括钝化层，所述钝化层覆盖在所述第一势垒层的表面。
其中一实施例中，所述双栅HEMT器件还包括成核层，所述成核层设置在所述缓冲层和所述衬底之间。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过在第二栅极结构与源极结构之间设置一个与源极结构电连接的第一栅极结构，可以在双栅HEMT器件处于关断状态的时候，在第一栅极结构的下方的沟道层中会积累电子，一旦双栅HEMT器件导通，在第一栅极结构下方的沟道层中积累的电子将迅速移动到第二栅极结构下方的沟道层中的耗尽区，缓解电流坍塌。
将第一栅极结构与源极结构电连接之后，该器件仍为一个三端器件，降低了相关电路的设计难度，无需额外设计特殊的电路。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的双栅HEMT器件的结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的双栅HEMT器件的另一结构示意图；
图3为本申请一实施例提供的双栅HEMT器件的又一结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
图1示出了本申请一实施例提供的双栅HEMT器件的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
一种双栅HEMT器件，包括：衬底100、缓冲层200、沟道层300、第一势垒层410、源极结构500、第一栅极结构600、第二栅极结构700和漏极结构800。
衬底100、缓冲层200、沟道层300和第一势垒层410由下至上依次层叠设置。
源极结构500、第一栅极结构600、第二栅极结构700和漏极结构800依次间隔设置在第一势垒层410上。
第一栅极结构600与源极结构500电连接。
需要说明的是，沟道层300与第一势垒层410接触后会形成二维电子气(2DEG)，源极结构500和漏极结构800可以通过由二维电子气形成的电流路径传输电能，源极结构500可以接地也可以接入负电压。
通过控制施加在第二栅极结构700上的电压可以控制双栅HEMT器件的导通与关断，但在没有第一栅极结构600的情况下，若仅通过第二栅极结构700控制双栅HEMT器件的导通与关断，器件在开关时容易出现电流坍塌的情况。
通过在第二栅极结构700与源极结构500之间设置一个与源极结构500电连接的第一栅极结构600，可以在双栅HEMT器件处于关断状态的时候，在第一栅极结构600的下方的沟道层300中积累电子，第二栅极结构700会耗尽第二栅极结构700下方的沟道层300中的电子，一旦双栅HEMT器件导通，且漏极结构800被施加正电压时，在第一栅极结构600下方的沟道层300中积累的电子将迅速移动到第二栅极结构700下方的沟道层300的耗尽区，缓解电流坍塌。
将第一栅极结构600与源极结构500电连接之后，该器件仍为一个三端器件，降低了相关电路的设计难度，无需额外设计特殊的电路。
在一些实施例中，源极结构500和漏极结构800均包括设置在势垒层400上的Ti/Al/Ni/Au的金属叠层。
在一实施例中，第一栅极结构600包括第一栅极金属层，第一栅极金属层设置在第一势垒层410上，第一栅极金属层通过导线与源极结构500电连接。
需要说明的是，在双栅HEMT器件关断的情况下，第一栅极金属层与第一势垒层410接触时，会在第一栅极金属层下方的沟道层300中积累电子。当需要双栅HEMT器件导通，且漏极结构800被施加正电压时，第一栅极金属层下方沟道层300中的电子会在漏极结构800与源极结构500之间形成的电场的影响下移动到第二栅极结构700下方的沟道层300中的耗尽区，缓解电流坍塌。
在一实施例中，如图1所示，第二栅极结构700包括多个第二栅极金属层710，各个第二栅极金属层710沿从源极结构500到漏极结构800的方向依次排列在势垒层上，相邻的两个第二栅极金属层710相互接触，各个第二栅极金属层710的材料的功函数互不同。
需要说明的是，设置了两个栅极会导致双栅HEMT器件的导通电压下降，而由于功函数不同的材料接触界面电场会发生突变，有利于提高沟道载流子的移动速度，因此，通过设置材料的功函数互不同的多个第二金属层，使电子更快的移动到第二栅极结构700下方的沟道层300中，进而可以提高导通电流。
在一实施例中，第二栅极金属层710与漏极结构800之间的距离越小，第二栅极金属层710的材料的功函数越小。
可以理解的是，由于不同的第二栅极金属层710可以使用不同的材料，当越接近漏极结构800的第二栅极金属层710的材料的功函数越小，越有利于提高沟道载流子的移动速度。
在一些实施例中，各个第二栅极金属层710的形状、大小均相同。
在一些实施例中，各个第二栅极金属层710的材料也可以相同。
在一实施例中，如图1所示，第二栅极结构700包括两个第二栅极金属层710。
其中一个第二栅极金属层710更接近源极结构500，另一个更接近漏极结构800，更接近源极结构500的第二栅极金属层710的材料的功函数大于更接近漏极结构800的第二栅极金属层710的材料的功函数。
示例性的，第一金属层和更接近源极结构500的第二栅极金属层710均包括TiSi2/Cu的金属叠层，更接近漏极结构800的第二栅极金属层710包括Ni/Au的金属叠层。
可以理解的是，源极结构500和漏极结构800均包括设置在第一势垒层410上的金属层。
在一些实施例中，在从源极结构500到漏极结构800的方向上，第一栅极金属层的宽度和第二栅极金属层710的宽度均为1μm，第一栅极结构600与源极结构500之间的间距为5μm，第一栅极结构600与第二栅极结构700之间的间距为4μm，第二栅极结构700与漏极结构800之间的间距为8μm。
在一实施例中，如图2所示，双栅HEMT器件还包括第二势垒层420，第二势垒层420设置在缓冲层200与沟道层300之间。
通过第一势垒层410、沟道层300和第二势垒层420可以形成双沟道结构，可以进一步提高导通电流。
在一实施例中，沟道层300的材料为GaN（氮化镓），第一势垒层410和第二势垒层420的材料均为AlGaN（氮化铝镓）。
在一些实施例中，衬底100的材料为Si（硅），缓冲层200的材料均为GaN（氮化镓）。
在一实施例中，第一势垒层410中的铝原子的浓度大于第二势垒层420中的铝原子的浓度，第一势垒层410中的镓原子的浓度小于第二势垒层420中的镓原子的浓度。具体地，第一势垒层410的材料为Al0.3Ga0.7N，第二势垒层420的材料为Al0.16Ga0.84N。
通过控制两个势垒层中的铝原子浓度，可以进一步提高导通电流。
图3示出了本申请一实施例提供的双栅HEMT器件的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
一种双栅HEMT器件，包括：衬底100、成核层910、缓冲层200、第二势垒层420、沟道层300、第一势垒层410、源极结构500、第一栅极结构600、第二栅极结构700和漏极结构800。
衬底100、成核层910、缓冲层200、第二势垒层420、沟道层300和第一势垒层410由下至上依次层叠设置。
源极结构500、第一栅极结构600、第二栅极结构700和漏极结构800依次间隔设置在第一势垒层410上。
第一栅极结构600与源极结构500电连接。
与上述实施例不同的是，双栅HEMT器件还包括成核层910，成核层910设置在缓冲层200和衬底100之间。
具体地，成核层910的材料为AlN（氮化铝）。通过设置成核层910在衬底100和缓冲层200之间可以在一定程度上缓解晶格失配。
需要说明的是，沟道层300与第一势垒层410接触后会形成二维电子气(2DEG)，源极结构500和漏极结构800可以通过由二维电子气形成的电流路径传输电能。
通过控制施加在第二栅极结构700上的电压可以控制双栅HEMT器件的导通与关断，但若仅通过第二栅极结构700控制双栅HEMT器件的导通与关断，器件在开关时容易出现电流坍塌的情况。
通过在第二栅极结构700与源极结构500之间设置一个与源极结构500电连接的第一栅极结构600，可以在双栅HEMT器件处于关断状态的时候，在第一栅极结构600的下方会积累电子，一旦双栅HEMT器件导通，在第一栅极结构600下方积累的电子将迅速移动到第二栅极结构700与漏极结构800之间，缓解电流坍塌。
在一实施例中，如图3所示，双栅HEMT器件还包括钝化层920，钝化层920覆盖在第一势垒层410的表面。
具体地，钝化层920的材料为SiN（氮化硅），可以理解的是，钝化层920的材料也可以采用其他材料，例如，可以采用高阻GaN或者AlON（氢氧化铝）等材料。
钝化层920也可以抑制电流坍塌，减少漏电。
在一些实施例中，第二栅极结构700还包括P-GaN盖帽层，P-GaN盖帽层设置在第二栅极金属层710与势垒层400之间，可以理解的是，当未设置P-GaN盖帽层时，本实施例的器件为耗尽型HEMT，当设置有P-GaN盖帽层时，本实施例的器件为增强型HEMT。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双栅HEMT器件，其特征在于，包括：
由下至上依次层叠设置的衬底、缓冲层、沟道层和第一势垒层；
依次间隔设置在所述第一势垒层上的源极结构、第一栅极结构、第二栅极结构和漏极结构；
所述第一栅极结构与所述源极结构电连接，所述第一栅极结构用于在所述双栅HEMT器件关断的情况下积累电子并在所述双栅HEMT器件由关断变为导通的情况下释放电子；
所述第二栅极结构包括多个第二栅极金属层，各个所述第二栅极金属层沿从源极结构到所述漏极结构的方向依次排列在所述势垒层上，相邻的两个所述第二栅极金属层相互接触，各个所述第二栅极金属层的材料的功函数互不同。
2.如权利要求1所述的双栅HEMT器件，其特征在于，所述第一栅极结构包括第一栅极金属层，所述第一栅极金属层设置在所述第一势垒层上，所述第一栅极金属层通过导线与所述源极结构电连接。
3.如权利要求1所述的双栅HEMT器件，其特征在于，所述第二栅极金属层与所述漏极结构之间的距离越小，所述第二栅极金属层的材料的功函数越小。
4.如权利要求2所述的双栅HEMT器件，其特征在于，所述第二栅极结构包括两个所述第二栅极金属层。
5.如权利要求1-4任一项所述的双栅HEMT器件，其特征在于，所述双栅HEMT器件还包括第二势垒层，所述第二势垒层设置在所述缓冲层与所述沟道层之间。
6.如权利要求5所述的双栅HEMT器件，其特征在于，所述沟道层的材料为GaN，所述第一势垒层和所述第二势垒层的材料均为AlGaN。
7.如权利要求6所述的双栅HEMT器件，其特征在于，所述第一势垒层中的铝原子的浓度大于所述第二势垒层中的铝原子的浓度，所述第一势垒层中的镓原子的浓度小于所述第二势垒层中的镓原子的浓度。
8.如权利要求1-4任一项所述的双栅HEMT器件，其特征在于，所述双栅HEMT器件还包括钝化层，所述钝化层覆盖在所述第一势垒层的表面。
9.如权利要求1-4任一项所述的双栅HEMT器件，其特征在于，所述双栅HEMT器件还包括成核层，所述成核层设置在所述缓冲层和所述衬底之间。
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