Способ увеличения управляющего напряжения на затворе GaN транзистора

Изобретение относится к технологии силовой электроники, а именно к технологии получения дискретных силовых транзисторов на основе нитрида галлия (GaN), работающих в режиме обогащения.

Транзисторы с высокой подвижностью электронов на основе эпитаксиальных гетероструктур AlGaN/GaN являются перспективной элементной базой для создания устройств силовой электроники следующего поколения. Это обусловлено, как высокой подвижностью носителей заряда в канале транзистора, так и высокой электрической прочностью материала, позволяющей достичь высоких напряжений пробоя. Возможность работы GaN транзисторов на более высоких частотах позволит повысить энергоэффективность преобразователя и упростить его миниатюризацию, а также уменьшить себестоимость производства.

Для применения в силовых коммутационных устройствах требуются нормально-закрытые GaN транзисторы, работающие в режиме обогащения. Для создания нормально-закрытых GaN транзисторов чаще всего используют подзатворную область на основе GaN р-типа, легированного магнием (р-GaN). Основным недостатком данных транзисторов является низкое значение порогового напряжения отпирания (U_пор<2 В). При этом максимально допустимое значение управляющего напряжения на затворе p-GaN транзистора составляет всего U_{зи max}=6 В, что делает их не совместимыми с работой стандартных драйверов управления кремниевыми транзисторами у которых уровень управляющего сигнала на выходе может достигать U_зи=15 В, и тем самым, ограничивает область их применения. Таким образом, актуальной является задача по увеличению максимально допустимого напряжения на затворе GaN транзисторов с подзатворной p-GaN областью.

Известен способ изготовления силового GaN транзистора (N.E. Posthuma, S. You, Н. Liang, N. Ronchi, X. Kang, D. Wellekens, Y.N, Saripalli, S. Decoutere. Impact of Mg Out-diffusion and Activation on the p-GaN Gate HEMT Device Performance // Proceedings of the 2016 28th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, June 12-16 2016 Prague, Czech Republic, pp. 95-98), в котором для увеличения управляющего напряжения на затворе GaN транзистора используется оптимизация толщины p-GaN слоя, а также технологического процесса его эпитаксиального роста, а именно, скорости роста, температуры процесса, а также режимов термической активации магния.

Использование оптимальных режимов роста p-GaN слоя толщиной 75 нм позволило увеличить величину управляющего напряжения на затворе GaN транзистора с U_зи=5 В до U_зи=8 В.

Основным недостатком данного способа является низкая производительность технологических процессов роста тонких эпитаксиальных слоев на основе p-GaN.

Известен способ увеличения управляющего напряжения на затворе GaN транзистора (FinellaLee, Liang-YuSu, Chih-HaoWang, Yuh-RehnWuandJianjangHuang. ImpactofGateMetalonthePerformanceofp-GaN/AlGaN/GaNHighElectronMobilityTransistors // IEEEElectronDeviceLetters, Vol. 36, No. 3, pp. 232-234, 2015) по своей сущности наиболее близкий к предлагаемому техническому решению и выбранный нами за прототип.

Способ заключается в использовании в качестве материала барьера Шоттки к подзатворной области на основе p-GaN металлов с низкой работой выхода электронов, таких как, молибден. Данный способ позволяет получать силовые гетероструктурные GaN транзисторы с большим диапазоном рабочих напряжений на затворе до U_зи=10 В.

Недостатком данного способа является несовместимость технологических процессов магнетронного распыления, а также плазмохимического травления тугоплавких пленок молибдена с базовыми технологиями изготовления силовых GaN транзисторов, как на стандартных кремниевых фабриках, так и на СВЧ фабриках по производству мощных GaN транзисторов и монолитных интегральных схем на их основе.

Основной технической задачей предлагаемого способа является увеличение напряжения управления на затворе GaN транзисторапри использовании пленок барьерных металлов к p-GaN подзатворной области с высокой работой выхода электронов, таких как, Ni, Pd и Ti.

Основная техническая задача достигается тем, что в способе увеличения управляющего напряжения на затворе GaN транзистора, включающего очистку поверхности кремниевой пластины с эпитаксиальной гетероструктурой типа p-GaN/AlGaN/GaN, осаждение методом электроннолучевого испарения в вакууме тонких пленок затворной металлизации, формирование методами плазмохимического травления подзатворной p-GaN меза-области и межприборной меза-изоляции, формирование омических контактов к областям стока и истока транзистора, пассивацию активных областей транзистора, отличающийся тем, перед напылением тонких пленок затворной металлизации на поверхность пластины плазмохимическим методами производится осаждение тонкой пленки диэлектрика на основе нитрида кремния толщиной от 1 до 50 нм.

В частном случае в качестве материала осаждаемого диэлектрика могут использовать пленки оксида кремния, диоксида кремния, оксида алюминия, оксида гафния.

В частном случае осаждение тонких пленок диэлектрика может производиться методами атомно-слоевого осаждения.

В частном случае в качестве материала подложки для роста эпитаксиальной гетероструктуры может быть использован карбид кремния и/или сапфир.

В частном случае в качестве затворной металлизации могут быть использованы пленки тугоплавких металлов и их соединений (Та, W, TaN, TiN, WN, WSi), формируемые методами магнетронного распыления.

В частном случае термическая обработка затворной металлизации производится при температуре Т=300-600°С в течение t=0.5-30 мин в инертной среде и/или вакууме.

Результаты поиска известных решений в данной и в смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявляемого изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение указанного технического результата.

На фиг. 1 представлены значения максимального управляющего напряжения на затворе U_зиGaN транзистора с подзатворной p-GaN областью, полученных по способу прототипу (1) и предлагаемому способу при использовании подзатворной диэлектрика на основе нитрида кремния с толщинами 5 нм (2), 10 нм (3) и 15 нм (4).

Предлагаемый способ заключается в следующем. На поверхность полупроводниковой пластины с эпитаксиальной гетероструктрурой типа р-GaN/AlGaN/GaN плазмохимическими методами производится осаждение тонкой пленки диэлектрика на основе нитрида кремния толщиной от 1 до 50 нм. Далее для формирования барьерного контакта (затвора) GaN транзистора на поверхности диэлектрика формируется двухслойная резистивная маска. Для очистки поверхности в окнах маски пластина обрабатывается в водном растворе H₂SO₄ или HCl с последующей ее промывкой в деионизованной воде и сушкой в потоке очищенного азота. Затем пластина загружается в установку напыления тонких пленок в вакууме, где методами электроннолучевого, магнетронного и/или термического испарения в вакууме при остаточном давлении менее р=5×10^-6 торр производится осаждение пленок на основе палладия толщиной 10-500 нм. Далее производится извлечение пластины из вакуумной камеры с последующим удалением резистивной маски. Далее методом селективного плазмохимического травления по твердой маске затворов формируется подзатворная p-GaN меза-область, а также межприборная меза-изоляция с последующим формированием омических контактов к областям сток и истока GaN транзистора.

В частном случае в качестве материала осаждаемого диэлектрика могут использовать пленки диоксида кремния, оксида кремния, оксида алюминия, оксида гафния.

В частном случае осаждение тонких пленок диэлектрика может производиться методами атомно-слоевого осаждения.

В качестве материала подложки для роста эпитаксиальной гетероструктуры может быть использован карбид кремния и/или сапфир.

В качестве затворной металлизации могут быть пленки тугоплавких металлов и их соединений (Та, W, TaN, TiN, WN, WSi), формируемые методами магнетронного распыления.

Термическая обработка затворной металлизации может производиться при температуре Т=300-600°С в течение t=0.5-30 мин в инертной среде и/или вакууме.

Минимальное значение толщины пленки подзатворного диэлектрика определяется тем, что при меньших значениях не достигается технический результат изобретения. Максимальное значение толщины пленки подзатворного диэлектрика определяется требуемыми значениями максимального допустимого управляющего напряжения на затворе GaN транзистора для их совместимости с работой стандартных микросхем драйверов управления кремниевыми транзисторами.

Пример.

Пример демонстрирует технический результат, достигаемый по предлагаемому способу, относительно способа прототипа, а также возможность достижения технического результата в широком диапазоне толщины пленки подзатворного диэлектрика.

В экспериментах использовались эпитаксиальные гетероструктуры типа p-GaN/AlGaN/GaN выращенные методом металл-органической газофазовой эпитаксии на подложках кремния Si диаметром 100 мм. Гетероструктура включала в себя буферный слой на основе легированного железом GaN, толщиной 2 мкм, канальный слой GaN, барьерный слой Al_0.25Ga_0.75N, толщиной 10 нм и p-GaN слой, легированный магнием. Толщина p-GaN слоя составляла 50 нм, концентрация атомов магния определялась вторичной ионной масс спектроскопией и составляла 5×10¹⁹ см^-3.

На начальной стадии на поверхность пластин методом плазмохимического осаждения производилось осаждение тонких пленок диэлектрика на основе нитрида кремния (Si₃N₄) с толщинами 0, 5, 10 и 15 нм. Далее литографическими методами производилось формирование рисунка затворной металлизации с последующим осаждением пленок палладия (Pd) толщиной 100 нм методом электронно-лучевого испарения в вакууме. Методом плазмохимического травления производилось удаление пленки SiN с поверхности пластин при использовании твердой маски на основе пленки палладия. Далее по Pd маске производилось селективное плазмохимическое травление p-GaN слоя в плазме состава BCl₃/SF₆ с целью формирования самосовмещенной подзатворной p-GaN области. После формирования межприборной изоляции на пластине производилось формирование низкотемпературных (550°С) омических контактов на основе композиции Та/Al к областям стока и стока транзистора. Далее на поверхность пластин производилось плазмохимическое осаждение защитного диэлектрика на основе пленок нитрида кремния толщиной 170 нм.

Длина и ширина затвора GaN транзистора составляла 1 и 100 мкм, соответственно. Расстояние затвор-исток и затвор-сток составляли 1 и 6 мкм.

Электрические параметры GaN транзисторов по постоянному току исследовались с помощью измерителя характеристик полупроводниковых приборов НР4156А.

Из фиг. 1, на котором представлены значения управляющего напряжения на затворе GaN транзисторов с подзатворной p-GaN областью, полученных по способу прототипу (1) и предлагаемому способу при использовании подзатворного диэлектрика на основе нитрида кремния, видно, что использование предлагаемого способа при толщине диэлектрика 5 нм позволяет в 2 раза увеличить величину управляющего напряжения на затворе GaN транзистора. При этом в отличие от способа прототипа качестве материала барьера Шоттки к p-GaN области вместо вольфрама может быть использован металл с высокой работой выхода электронов и низкой температурой плавления (например, Ni, Pd, Ti), формируемый методами электронно-лучевого напыления в вакууме, что делает предлагаемый способ привлекательным с промышленной точки зрения.

На фиг. 2 представлены стоковые передаточные характеристики (I_си-V_зи) изготовленного по предлагаемому способу мощного GaN транзистора с подзатворным диэлектриком на основе нитрида кремния. Транзистор, изготовленный по способу прототипу с затвором на основе барьера Шоттки демонстрирует нормально-закрытый режим работы со значением порогового напряжения отпирания U_пор=1.5 В и начального тока стока I_си0=3 мкА/мм при U_зи=0 В. Величина максимального тока стока транзистора составляет I_си=0.52 А/мм при U_зи=15 В. Из результатов, представленных на фиг. 2, видно, что GaN транзисторы с подзатворным диэлектриком толщиной 5, 10 и 15 нм демонстрируют значения порогового напряжения U_пор=1.7 В, 3.8 В и 6.8 В, соответственно. При этом увеличение толщины подзатворного диэлектрика приводит к снижению начального тока стока транзистора в закрытом состоянии, что может быть обусловлено снижением плотности поверхностных состояний на границе раздела SiN/p-GaN в результате процесса пассивации. Следует отметить, что GaN транзисторы с толщиной подзатворного диэлектрика 15 нм демонстрируют меньшую величину максимального тока стока транзистора I_си=0.25 А/мм при U_зи=15 В.

На фиг. 3 представлены затворные передаточные характеристики (I_зи-U_зи) изготовленного по предлагаемому способу мощного GaN транзистора с подзатворным диэлектриком на основе нитрида кремния. Транзистор, изготовленный по способу прототипу с затвором на основе барьера Шоттки характеризуется большой величиной затворного тока I_зи=20 мкА/мм при U_зи=6 В. Из результатов, представленных на фиг. 3, видно, что осаждение пленки нитрида кремния толщиной 5 нм на подзатворную p-GaN область транзистора приводит к значительному снижению затворного тока транзистора в открытом состоянии, а также увеличению диапазона максимального рабочего напряжения затвор-исток до U_зи=12-15 В. При этом увеличение толщины пленки подзатворного диэлектрика до 15 нм приводит к дальнейшему уменьшению тока затвор-исток до уровня I_зи=0.1 мкА/мм при U_зи=15 В.

Наблюдаемые эффекты объясняет следующий механизм. Известно, что слой p-GaN, легированный магнием на поверхности барьерного слоя на основе AlGaN, а также канальный слой i-GaN транзистора представляют собой pin-диод, который открывается подаче положительного смещения на затвор. Барьер Шоттки на поверхности p-GaN является обратно смещенным по отношению к pin-диоду на основе p-GaN/AlGaN/GaN. Ток стока транзистора начинает протекать, когда напряжение на затворе транзистора (напряжение к емкости барьерного слоя AlGaN (C_AlGaN) будет выше, чем величина порогового напряжения отпирания GaN транзистора. Введение подзатворного диэлектрика приводит к увеличению суммарной последовательной емкости, что приводит к увеличению порогового напряжения транзистора, а также максимального значения управляющего напряжения на затворе GaN транзистора.