Силовой транзистор на основе AlN/GaN гетероструктуры с 2D электронным газом Российский патент 2024 года по МПК H01L29/76 H01L29/768 H01L29/772 

Изобретение относится к приборам твердотельной электроники, и в частности, к конструкции силового транзистора на основе нитридов металлов III группы.

Электронная компонентная база на основе широкозонных материалов представляет большой интерес для мощной и силовой электроники. Гетероструктуры нитридов III группы занимают в ней особое место, поскольку такие приборы обладают большими напряжениями пробоя при фиксированных значениях сопротивления в открытом состоянии по сравнению, например, с карбидом кремния. Силовые устройства на основе гетероструктур A^IIIN вводятся в гражданский оборот такими крупными компаниями, как Transform, ЕРС, Panasonic, Infineon, GaN Systems, Dialog u Navitas.

Для силовой электроники обычно используются структуры вертикального типа, когда области контактов расположены на разных плоскостях полупроводниковой пластины. Известна конструкция высоковольтного GaN транзистора (патент US 20150206768 А1), в которой области затвора и стока находятся на противоположных гранях пластины. Однако для увеличения напряжения пробоя в таких устройствах приходится увеличивать обедненную носителями заряда область, что приводит к значительному увеличению сопротивления в открытом состоянии. Поэтому для силовой электроники, предназначенной для использования в аппаратуре до 700 В, применение планарной конструкции транзистора является перспективным решением.

Например, известна конструкция прибора, представленная в патенте US 9299822 В2. На гетерогранице формируется двумерный электронный газ (2DEG). Проводимость такого канала обусловлена транспортными свойствами 2DEG, поэтому быстродействие значительно выше, чем в устройствах вертикального типа. Однако в представленной авторами US 9299822 В2. структуре подзатворный слой дополнительно легирован примесью p-типа проводимости, что не всегда возможно реализовать в едином технологическом цикле формирования гетероструктуры. Такой прием несколько усложняет и удорожает технологию.

Ближайшим к заявленному техническим решением является конструкция высоковольтного GaN НЕМТ, представленная в патенте RU 2534002. Напряжение пробоя здесь зависит от расстояния между затвором и стоком, длины полевой пластины, а величина тока - от толщины спейсерного слоя AlN. При этом для достижения требуемых электрофизических параметров 2DEG необходимо наличие барьерного слоя AlGaN (около 30 нм). Недостатком предложенной конструкции является использование традиционной гетероструктуры AlGaN/GaN, не позволяющей достичь высоких плотностей тока стока.

В настоящее время известно много вариантов AIIIN гетероэпитаксиальных структур (ГС) с 2DEG. Наиболее распространенными и изученными являются ГС с барьерным слоем на основе тройных соединений. Альтернативу им ввиду ряда фундаментальных преимуществ могут составить ГС с ультратонким барьером AlN. Рекордные значения слоевого сопротивления полной ГС (ρ_s=120÷130 Ом/□) получены авторами [1, 2] именно для таких структур. Однако низкое ρ_s - это не единственное достоинство AlN/GaN ГС применительно к НЕМТ технологии. Здесь следует отметить и высокое аспектное соотношение L_g/d (где L_g - длина затвора изготавливаемого транзистора, d - толщина барьера), которое в разы больше данного параметра, реализуемого в классических AlGaN/GaN гетерокомпозициях.

Технический результат изобретения заключается получении силового транзистора на основе III-нитридной ГС, характеризующейся величиной слоевого сопротивления менее 250 Ом/□, с топологией, обеспечивающей напряжение пробоя более 100 В.

Технический результат достигается применением новой конструкции полевого транзистора с высокой подвижностью электронов, состоящего из подложки, буферного слоя GaN, нанесенного на подложку, ультратонкого барьерного слоя AlN, нанесенного на буферный слой, защитного «сар»-слоя GaN, нанесенного на барьерный слой, электродов истока, затвора и стока, нанесенных на защитный слой и пространственно отделенных друг от друга, пассивирующего слоя Si₃N₄, нанесенного на защитный слой между электродами, а также металлизации «field plate», нанесенной на пассивирующий слой и электрически соединенной с затвором, отличающегося тем, что применяется ультратонкий (не более 7 нм) барьерный слой AlN. При этом расстояние между затвором и стоком, а также длина полевой пластины - взаимосвязанные величины, подобранные исходя из требуемого значения напряжения пробоя.

На Фиг. 1. представлен пример реализации предложенного силового AlN/GaN транзистора с высокой подвижностью электронов, где 1 - подложка, 2 - буферный слой GaN, 3 - ультратонкий барьерный слой AlN, 4 - защитный «сар»-слой GaN, 5 - электрический контакт «исток», 6 - электрический контакт «затвор», 7 - электрический контакт «сток», 8 - пассивирующий слой Si₃N₄, 9 - металлизация «field plate». При этом в частном случае в качестве подложки может использоваться карбид кремния или кремний.

Увеличение напряжения пробоя достигается за счет увеличения межэлектродного расстояния согласно выражению:

где Е - напряженность электрического поля, х - расстояние на котором производится анализ напряженности электрического поля.

На Фиг. 2 представлена зависимость напряжения пробоя силового транзистора от расстояния затвор-сток, рассчитанная в соответствии с выражением (1).

Уменьшение слоевого сопротивления исходной пластины достигается за счет применения НЕМТ ГС с ультратонким барьерным слоем AlN. В качестве метода получения ГС может быть использована молекулярно-лучевая эпитаксия с плазменной активацией азота. Рост ГС начинается с зарождения AlN в азот-обогащенных условиях. В качестве буферного используется слой GaN толщиной более 1,5 мкм, выращиваемый в азот-стабилизированных условиях. После завершения роста GaN буфера на поверхности ГС формируется ультратонкий барьер AlN. С целью определения основных электрофизических параметров ГС (подвижность, концентрация носителей заряда в канале, слоевое сопротивление полной ГС) могут быть выполнены измерения эффекта Холла. Контакты при этом наносятся на предварительно вырезанные квадратные куски пластины путем подпаивания индия.

На Фиг. 3 представлены результаты холловских измерений таких пластин. Предлагаемая конструкция ГС обладает уникальным сочетанием высокой плотности 2DEG и относительно высокой подвижности за счет использования ультратонкого слоя AlN, что позволяет достигать низких значений слоевого сопротивления полной ГС (ρ_s).

На Фиг. 4 представлен фрагмент тестового модуля со сформированной топологией силовых транзисторов на стадии металлизации первого уровня. Расстояния между затвором и стоком составляют от 5 до 20 мкм с шагом 5 мкм.

Указанные изменения, внесенные в конструкцию прототипа, в совокупности позволяют создавать силовые GaN транзисторы с напряжениями пробоя более 100 В, и при этом приводят к снижению сопротивления в открытом состоянии (повышению энергоэффективности прибора).

Список использованных источников:

1. Y. Сао, K. Wang, G. Li, Т. Kosel, Н. Xing, D. Jena, МВБ growth of high conductivity single and multiple AlN/GaN heterojunctions // Journal of Crystal Growth. - 2011. - V. 323. - I. 1. - pp. 529-533.

2. C.Y. Chang et al. Very low sheet resistance AlN/GaN high electron mobility transistors // Proc. CS MANTECH Conference. - 2009. - pp. 18-21.

Изобретение относится к приборам твердотельной электроники, и в частности к конструкции силового транзистора на основе соединений нитридов III группы. Силовой транзистор на основе AlN/GaN гетероструктуры с 2D электронным газом состоит из подложки, буферного слоя GaN, нанесенного на подложку, ультратонкого барьерного слоя AlN ультратонкий не более 7, нанесенного на буферный слой, защитного верхнего слоя GaN, нанесенного на барьерный слой, электродов истока, затвора и стока, нанесенных на защитный слой и пространственно отделенных друг от друга, пассивирующего слоя Si₃N₄, нанесенного на защитный слой между электродами, а также металлизации полевой пластины, нанесенной на пассивирующий слой и электрически соединенной с затвором, при этом расстояние между затвором и стоком, а также длина полевой пластины - взаимосвязанные величины, подобранные исходя из требуемого значения напряжения пробоя. Изобретение обеспечивает получение силового транзистора на основе III-нитридной гетероструктуры, характеризующейся величиной слоевого сопротивления менее 250 Ом/□, с топологией, обеспечивающей напряжение пробоя более 100 В. 4 ил.

Силовой транзистор на основе AlN/GaN гетероструктуры с 2D электронным газом, состоящий из подложки, буферного слоя GaN, нанесенного на подложку, ультратонкого барьерного слоя AlN, нанесенного на буферный слой, защитного верхнего слоя GaN, нанесенного на барьерный слой, электродов истока, затвора и стока, нанесенных на защитный слой и пространственно отделенных друг от друга, пассивирующего слоя Si₃N₄, нанесенного на защитный слой между электродами, а также металлизации полевой платы, нанесенной на пассивирующий слой и электрически соединенной с затвором, отличающийся тем, что в его конструкции применяется ультратонкий не более 7 нм барьерный слой AlN, при этом расстояние между затвором и стоком, а также длина полевой пластины - взаимосвязанные величины, подобранные исходя из требуемого значения напряжения пробоя.