具有改进栅极特性的增强型氮化镓晶体管
阅读：683发布：2020-07-14
专利汇可以提供具有改进栅极特性的增强型氮化镓晶体管专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种增强型GaN晶体管，具有避免 电介质 失效的厚度的栅极pGaN结构。在一个 实施例 中，该厚度在400埃到900埃的范围内。在一个优选实施例中，该厚度为600埃。，下面是具有改进栅极特性的增强型氮化镓晶体管专利的具体信息内容。
具有改进栅极特性的增强型氮化镓晶体管
背景技术
[0001] 近期研发了增强型氮化镓(GaN)晶体管。在GaN晶体管中，在铝镓氮(AlGaN)/GaN结构的顶部上生长P-型GaN(pGaN)栅极以便产生正的阈值电压。但是，已知的pGaN栅极结构不具有最佳的厚度，如果pGaN结构过厚则可导致电介质失效，或者如果pGaN栅极结构过薄则可导致电流的过电导(over-conductance)现象。
[0002] 图1示出已知GaN晶体管1的横断面。GaN晶体管1具有位于无掺杂的GaN层6顶部上的AlGaN层5，在这两层之间具有二维电子气(2DEG)异质结9。源极2、漏极3以及栅极4位于AlGaN层5上。栅极4具有在栅极金属4和AlGaN层5之间的pGaN结构7。电介质8覆盖被暴露的AlGaN层以及栅极4和pGaN结构7的侧壁。pGaN结构7具有厚度t。栅极电介质7由栅极4和AlGaN层5之间的侧壁确定。二维电子气异质结9由栅极4调制。
[0004] 图3示出栅极的跨导(输入电压对输出电流)随着具有不同厚度t的pGaN结构如何变化。当pGaN厚度t增加时，跨导降低并且栅极二级管的正向压降增加。具体的，图3示出具有厚度为300埃的pGaN结构的栅极跨导大于具有厚度为600埃的pGaN结构的栅极跨导，具有厚度为600埃的pGaN结构的栅极跨导大于具有厚度为1000埃的pGaN结构的栅极跨导。需要更高的栅极电压来充分增强具有较厚pGaN结构的器件。如果在器件充分增强之前，栅极电介质失效，则不能够获得器件的最佳性能。
[0005] 所有已知的增强型GaN晶体管包括具有厚度至少为1000埃的pGaN结构的栅极。例如，X.Hu等人的“具有选择生长的pn结栅极的增强型AIGaN/GaN异质结场效应晶体管(Enhancement mode AIGaN/GaN HFET with selectively grown pn junction gate)”，36电子学报(Electron ic Letters)，第8期，第753-54页(2000年4月13日)教导了1000埃的pGaN结构。此外，公开号为2006/0273347的美国专利申请教导了具有1000埃厚度的pGaN结构。但是，如下所述，pGaN厚度大于或等于1000埃会导致电介质失效。
[0006] 图5示出具有厚度t为1000埃的pGaN结构的栅极的I-V特性。图5中的数据示出当将8V-12V的电压施加到栅极时，具有厚度t为1000埃的pGaN结构的栅极失效。因为栅极的表现类似于电介质，因此对于pGaN结构而言，1000埃的厚度太厚。电介质失效是灾难性的，且可在二维电子气异质结充分增强之前发生或在快速开关切换的过程中由于栅极过冲(如下所示)而发生。
[0007] 图6示出具有厚度t为1000埃的pGaN结构的栅极的I-V特性。从图3中的曲线图可见，具有厚度t为1000埃的pGaN结构的栅极在6伏时不能被完全导通，这就增加了电介质失效的危险。
[0008] 图7示出与栅极相关联的过冲。从曲线图中可见，电压波动在所示最高开关切换速度下是最高的。如果栅极的阈值电压与电介质的耐受电压接近，则由于可超过耐受电压水平的栅极过冲，电介质将很可能被破坏。具有比耐受电压低很多的厚度t的pGaN结构的栅极不大可能受到栅极过冲的负面影响，因为施加以便激活栅极的电压将不接近耐受电压，也就意味着栅极过冲不太可能达到或超过耐受电压。
[0009] 从前述可以明了，1000埃对于增强型GaN晶体管中的pGaN栅极结构过厚。因此希望提供一种增强型GaN晶体管，具有足够薄以避免电介质失效的pGaN栅极。发明内容
[0010] 本发明涉及一种具有足够薄以避免电介质失效的pGaN栅极结构的增强型GaN晶体管。在一个实施例中，对于5V栅极电压的应用而言，该厚度在400埃到900埃的范围内。在优选实施例中，该厚度为600埃。这些厚度足够厚以避免电流的过电导(over-conductance)。
附图说明
[0011] 图1是增强型GaN晶体管的横断面视图。
[0012] 图2是增强型GaN晶体管的电路图。
[0013] 图3是示出对于栅极而言，跨导随着厚度变化而如何变化的曲线图。
[0014] 图4是示出具有不同厚度栅极的器件的栅极P-N结I-V特性的曲线图。
[0015] 图5示出具有厚度t为1000埃的pGaN结构的栅极的栅极P-N结I-V特性。
[0016] 图6是示出具有厚度t为1000埃的pGaN结构与具有厚度t为600埃的结构的栅极P-N结I-V特性的曲线图，该曲线图示出具有1000埃栅极的器件在6V时未被导通(从而允许电流流动)，这使得电介质失效的危险增加。
[0017] 图7是示出与现有技术栅极相关联的过冲的曲线图。
具体实施方式
[0018] 本发明涉及具有厚度在400埃至900埃范围内的pGaN结构的增强型GaN晶体管。该范围足够薄以避免电介质失效。如下所述，该范围也足够厚以避免与pGaN栅极过薄相关的问题。在优选实施例中，pGaN栅极厚度为600埃。
[0019] pGaN栅极结构是掺杂镁的并且激活成P-型导电性。在一个实施例中，所述pGaN栅极结构是掺杂镁的且用氢补偿的半绝缘GaN。
[0020] 如图4中所示，具有厚度为600埃的pGaN结构的栅极足够厚以便传导可测量的电流量。图4还示出在施加任意量的正压或负压的情况下，具有厚度t为300埃的pGaN结构的栅极传导不可测量的电流量。因此，300埃的厚度对于pGaN结构而言过薄。
[0021] 如图6中所示，具有厚度为600埃的pGaN结构的栅极在电介质发生失效之前被导通，因此避免了电介质失效。在具有厚度为600埃的pGaN结构的栅极的情况下，电介质失效不大可能，因为栅极在比电介质的耐受电压低很多的电压下导通，也就意味着栅极过冲不太可能使栅极电压接近耐受电压。
[0022] 上述栅极厚度和测量涉及在5V额定栅极电压下工作的器件。显然，在较低的额定栅极电压下，pGaN结构的厚度将相应减小。
[0023] 上述说明和附图仅仅被认为是实现本文所述特征和优势的本发明特定实例的示例性说明。可对具体的工艺条件进行改变和替换。因此，不应该认为本发明受到前述说明和附图的限制。
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