ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ НИТРИД-ГАЛЛИЕВЫЙ ТРАНЗИСТОР НОРМАЛЬНО-ЗАКРЫТОГО ТИПА

Настоящая полезная модель относится к высоковольтным транзисторам нормально-закрытого типа.
AlGaN/GaN-транзисторы с высокой подвижностью электронов позиционируются как замена мощных кремниевых транзисторов в диапазоне рабочих напряжений до 650 В. В отличие от кремниевых предшественников AlGaN/GaN транзисторы обладают улучшенной скоростью переключения, меньшим сопротивлением в открытом состоянии и меньшими размерами.
3
4
В известном патенте обсуждается высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов, состоящий из кремниевой подложки, GaN буферного слоя, AlGaN барьерного слоя, покровной пленки из GaN и управляющих электродов [1]. Электроды стока и истока наносятся на барьерный слой, а электрод затвора - на покровный. Покровный слой закрывается пассивирующим слоем SiN. На подложке предварительно выращивается темплейтная структура толщиной 700-800 нм, состоящая из чередующихся слоев GaN/AlN толщиной не более 10 нм. Между буферным и барьерным слоями нанесен спейсерный слой AlN толщиной не более 1 нм. На пассивационный слой наносится полевая пластина, электрически соединенная с затвором, расстояние между затвором и стоком и длина полевой пластины - взаимосвязанные величины и подбираются исходя из требуемого значения напряжения пробоя.
Описанная транзисторная структура - это устройство с естественным режимом истощения (нормально открытый ключ). Ее основной недостаток, препятствующий широкому применению в схемах преобразования мощности, - инверсная логика управления. Чтобы предотвратить сквозной ток, например, в полумостовой схеме, необходимо перед подачей напряжения силовой шины предварительно выключить транзисторы, подав на их затворы отрицательные напряжения. Если этого не сделать, произойдет короткое замыкание и катастрофический отказ.
Нормально закрытые транзисторы лишены указанного недостатка. При нулевом напряжении на затворе они не проводят электрический ток и совместимы с используемыми в настоящее время силовыми MOSFET/IGBT на основе Si.
Также известна конструкция нормально закрытого транзистора, включающая низкотемпературный зародышевый слой GaN, непреднамеренно легированный буферный слой GaN и барьерный слой AlGaN с мольной долей Al 30% [2]. Для повышения пробивного напряжения барьерный AlGaN-слой обрабатывается во фторсодержащей плазме. Однако, в это случае пороговое напряжение может быть нестабильным и чувствительным к разбросу параметров технологических операций. Достигаемые пороговые напряжения могут быть очень малыми по абсолютной величине, а ток стока не равен нулю при нулевом напряжении на затворе.
В известном патенте описывается непланарная конструкция транзистора с затвором, заглубленным в буферный слой [3]. В подобных конструкциях канал возникает на границе раздела AlGaN/затворный диэлектрик вдоль вертикальной ступеньки в области затвора. Переход электронов из области двумерного электронного газа в подобный канал затруднен из-за барьера на границе GaN/AlGaN. Это внутреннее сопротивление приводит к неправильной передаточной характеристике с плохим контролем порогового напряжения и высоким током стока.
В наиболее близком по сути патенте, принятом нами за прототип, описывается конструкция нормально-закрытого транзистора, включающая низкотемпературный зародышевый слой GaN, непреднамеренно легированный буферный слой GaN, спейсерный слой AlN, барьерный слой AlGaN с мольной долей алюминия Al 30% и контактные электроды [4]. Электрод затвора образует омический контакт с легированным слоем p-GaN. Электрод истока и электрод стока изготавливаются на барьерном слое AlGaN. Высокий барьер р-слоя уменьшает концентрацию электронов двумерном газе на гетерогранице AlGaN/GaN и, тем самым, увеличивает пороговое напряжение. Кроме того, изменение мольной доли алюминия (Al) и толщины слоя AlGaN регулирует пороговое напряжение в широком диапазоне. Затвор р-типа изготавливается методом селективного травления полупроводникового нитридного соединения р-типа вне области затвора. Основной недостаток предложенной конструкции заключается в том, что травление вызывает электрические повреждения в области канала. Когда область канала повреждена травлением, концентрация носителей в области канала между затвором и стоком уменьшается, вызывая уменьшение тока стока. Кроме того, захват электронов дефектами на поверхности области канала препятствуют операции быстрого переключения, то есть происходит так называемый коллапс тока.
Задача, на решение которой направленно заявленное нами техническое решение, заключается в увеличении порогового напряжения полевого транзистора на основе нитрида галлия до 1В и более. Подобные значения порогового напряжения обеспечивают закрытое состояние транзистора с учетом подпороговой утечки и технологического разброса параметров.
Это достигается тем, что в предлагаемой конструкции транзистора, включающей последовательные буферный слой GaN, спейсерный слой AlN, барьерный слой AlGaN, слой p-GaN под электродом затвора и контактные электроды, добавляется дополнительный стоп-слой AlN между барьерным слоем AlGaN и слоем p-GaN. Это обеспечивает точный контроль порогового напряжения и малые значения токов утечки в затвор.
3
4
На фиг. 1 представлен высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор нормально-закрытого типа: 1 - Si подложка, 2 - буферный слой GaN, 3 - слой нелегированного GaN, 4 - спейсерный слой AlN, 5 - барьерный слой AlGaN, 6 - стоп-слой AlN, 7 - слой p-GaN, 8 - пассивирующий диэлектрик SiN, 9 - контакт к истоку, 10 - контакт к затвору, 11 -контакт к стоку.
3
6
3
4
3
x
4
Тестовые образцы транзисторов были изготовлены по следующему технологическому маршруту. Приборная структура выращивалась методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Низкоомные омические контакты к истоку и стоку изготавливаются с помощью последовательного напыления слоев титана, алюминия, никеля и золота и последующего термического отжига при температуре 870°С. Формирование затвора начинается с напыления металла, который в дальнейшем используется как маска для селективного плазменного травления p-GaN-слоя вне затвора. При таком подходе p-GaN-слой не подвергается термической обработке и не деградирует, что положительно сказывается на характеристиках затворной области. Во время травления тонкий барьерный слой AlN (6) выполняет функцию стоп-слоя. В процессе травления использовалась смесь газов, содержащая не только хлор, но и фтор (BCl+SF, BCl+CF и др.). В этом случае образуются соединения AlF и AlO, на которых и останавливается травление. Для удаления тонкого диэлектрического слоя образец обрабатывается в растворе HF/NHOH или в растворе соляной кислоты. Верхняя поверхность образца пассивировалась посредством осаждения тонкого слоя нитрида кремния.
18
-3
Оптимальные параметры для изготовления нормально-закрытого транзистора: толщина барьерного слоя AlGaN 12 нм и содержание Al в нем - 17%, толщин спейсера и стоп-слоя AlN - 0,5 нм, толщина p-GaN-слоя - 40 нм, а концентрация примеси Mg в нем - 5⋅10 см.
На фиг. 2 представлена вольт-амперная характеристика сформированного транзистора с длиной затвора 10 мкм и расстояниями сток-затвор и исток-затвор 1,4 мкм. Максимальный ток стока прибора в открытом состоянии 350 мА/мм при 4,5 В на затворе, пробивное напряжение около 550 В в закрытом состояние при 0 В на затворе. Из представленного графика видно, что пороговое напряжение изготовленных тестовых транзисторов больше 1 В. Это больше, чем 0,4-0,5 В в транзисторе прототипе. Подобные значения порогового напряжения обеспечивают закрытое состояние транзистора с учетом подпороговой утечки и технологического разброса параметров.
Величина порогового напряжения критически зависит от толщины барьерного слоя AlGaN. Применение дополнительного стоп-слоя позволяет точно остановить процесс травления, защитить барьерный слой от повреждений и тем самым лучше контролировать величину порогового напряжения. Этот слой также уменьшает токи утечки в затвор и вероятность возникновения коллапса тока. По сравнению с патентом-аналогом токи утечек в затвор уменьшились с сотен до единиц наноампер на миллиметр.
Источники информации
1. Патент РФ №2534002
2. Патент США №7932539
3. Патент США №8592868
4. Патент США №7728356 – прототип.