TWI764475B - Ｐ型摻雜層電極偏移之增強型氮化鎵元件 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種P型摻雜層電極偏移之增強型氮化鎵元件包括：一氮化鋁鎵層，及一P型氮化鎵摻雜層，係形成於該氮化鋁鎵層上；以及一閘極金屬，係對該P型氮化鎵摻雜層做平行位移，使部分的該閘極金屬鍍在該P型氮化鎵摻雜層上，部分的該閘極金屬鍍在該氮化鋁鎵層上，達到降低閘極漏流以及提高輸出電流之效果。

Description

P型摻雜層電極偏移之增強型氮化鎵元件

本發明係關於一種P型摻雜層電極偏移之增強型氮化鎵元件，特別是關於使部分的閘極鍍在摻雜層、部分閘極鍍在氮化鋁鎵層上之P型摻雜層電極偏移之增強型氮化鎵元件。

氮化鋁鎵/氮化鎵增強型高電子遷移率電晶體近幾年來廣受注目。大量應用於高電壓高電子元件及高效率電源轉換系統，其異質接面所產生的大量二維電子氣提供元件大電流、低阻抗之元件特性，與其優越的材料特性，還有較高的崩潰電壓，讓電晶體滿足在高頻與高功率的操作需求。然而，在考量元件的可靠度與簡化電路設計的需求後，增強型氮化鎵元件是目前逐漸取代空乏型元件，為了達成臨界電壓大於零的需求，有許多方法已被實現，包括閘極注入電晶體(gate injection transistor)，在能障層上方長一層鎂離子摻雜的P型摻雜層，這一層摻雜層會將閘極下方通道區的能帶提升至費米能階以上，導致通道區域無法被電子佔據而形成常關式的狀態，為了解決電流崩潰(current collapse)的問題，在汲極旁邊再加入一層P型摻雜層並且與汲極導通，如第二圖 所示，成功將電流崩潰電壓提升至850V。

另一種達成增強型元件的方法為將能障層蝕刻一部份，簡化極化效應使二維電子氣濃度減弱，達成增強型元件，並為了減低閘極漏流的影響，在閘極下方增加一層介電層，如第三圖所示。

其他增強型元件製作方法，像是氟離子摻雜或是利用N₂O電漿選擇性地將能障層氧化等方法，都已被提出。

習知技術利用在能障層上方成長一層鎂離子摻雜的P型氮化鎵，形成增強型氮化鎵元件，雖然可以成功達成臨界電壓大於零的指標，但因為其原理為空乏掉P型氮化鎵下方的電子氣濃度，因此會造成輸出電流大幅下降，對於功率元件來說會造成輸出功率下降。此外，在高功率元件的應用上仍有閘極漏流過大的問題，正向閘極漏流會降低閘極電壓擺幅及造成驅動損失，同時，閘極與p型氮化鎵摻雜層之間的蕭特基接面，在閘極施加正偏壓時，會形成逆偏的狀態，因此逆向閘極漏流會造成關閉時的能量損耗，也會降低崩潰電壓。

一般利用P型摻雜層作為增強型氮化鎵元件的結構大多為只在閘極下方殘留P型摻雜層，如第四圖所示，P型摻雜層與氮化鋁鎵接面可視為兩個p對p連接的p-i-n二極體，在開啟元件時，若給予閘極過大的偏壓，接面的空乏區會縮減並產生閘極漏流，降低電流輸出效益，另外，P型摻雜 層造成的二維電子氣被過度空乏，輸出電流下降之問題。

緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構及缺失予以研究改良，提供一種P型摻雜層電極偏移之增強型氮化鎵元件，以期達到更佳實用價值性之目的者。

鑒於上述悉知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種P型摻雜層電極偏移之增強型氮化鎵元件，此氮化鎵元件為一個新的結構，可以有效降低閘極漏流以及提高輸出電流，提升輸出功率效率、高功率放大器的線性度以及降低雜訊。。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種P型摻雜層電極偏移之增強型氮化鎵元件，其包括：一氮化鋁鎵層、一P型氮化鎵摻雜層及一閘極金屬，其中P型氮化鎵摻雜層，係形成於該氮化鋁鎵層上；以及閘極金屬，係對該P型氮化鎵摻雜層做平行位移，使部分的該閘極金屬鍍在該P型氮化鎵摻雜層上，部分的該閘極金屬鍍在該氮化鋁鎵層上。

較佳地，該閘極金屬與該P型氮化鎵摻雜層之間可加入一介電層。

較佳地，該閘極金屬可直接與該氮化鋁鎵層接 觸。

較佳地，該閘極金屬係可透過光罩設計來對該P型氮化鎵摻雜層做平行位移。

較佳地，該閘極金屬係50%的部分鍍在該P型氮化鎵摻雜層上，以及該閘極金屬係50%的部分鍍在該氮化鋁鎵層上。

較佳地，該P型氮化鎵摻雜層係可摻雜鎂離子。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

1:氮化鎵層

2:二維電子氣

3:氮化鋁鎵層

4:P型氮化鎵摻雜層

5:源極

6:汲極

7:閘極

8:介電層

第一圖係為本發明之P型摻雜層電極偏移之增強型氮化鎵元件結構示意圖。

第二圖係為習知混和汲極閘極注入電晶體示意圖。

第三圖係為習知氮化鎵增強型元件示意圖。

第四圖係為習知增強型氮化鎵元件結構示意圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地 了解本創作之優點及功效。

請參閱第一圖，本發明之P型摻雜層電極偏移之增強型氮化鎵元件結構示意圖，本發明在於提供一種P型摻雜層偏移之增強型氮化鎵元件設計，其包括：氮化鎵層1(GaN)、二維電子氣2(2DEG)、氮化鋁鎵層3(AlGaN)、P型氮化鎵摻雜層4(P-GaN)、源極5(S)、汲極6(D)、閘極金屬7(G)及介電層8，其中二維電子氣2係形成於氮化鎵層1上，氮化鋁鎵層3係形成於二維電子氣2上，而源極5、汲極6及P型氮化鎵摻雜層4係形成於氮化鋁鎵層3上，本發明之P型氮化鎵摻雜層4係摻雜鎂離子，以及閘極金屬7係對P型氮化鎵摻雜層4做平行位移，使部分的閘極金屬7鍍在P型氮化鎵摻雜層4上，部分的閘極金屬7鍍在氮化鋁鎵層3上。

以上，相較於傳統p型氮化鎵增強型元件，都將閘極金屬7全部設計在P型氮化鎵摻雜層4上，本發明係設計將閘極金屬7對P型氮化鎵摻雜層4做平行位移，使部分的閘極金屬7在P型氮化鎵摻雜層4，部分閘極金屬7鍍在氮化鋁鎵層3上，以減少p-i-n接面造成的閘極漏電流路徑，有效減低閘極漏流造成的能量損耗之功效。

在本實施方式中，閘極金屬7與P型氮化鎵摻雜層4之間可加入介電層8，以減少閘極漏流。

在本實施方式中，閘極金屬7直接與氮化鋁鎵層3接觸，使閘極金屬7可以直接控制通道，具有產生更大的電 流之功效。

在本實施方式中，閘極金屬7係透過光罩設計來對P型氮化鎵摻雜層4做平行位移。

在本實施方式中，閘極金屬7係50%的部分鍍在P型氮化鎵摻雜層4上，以及閘極金屬7係50%的部分鍍在氮化鋁鎵層4上，可同時保有控制元件開關的特性，以及減少閘極漏流之功效。

綜上所述，氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率場效電晶體因具高電流密度、高崩潰電壓等優勢，大量應用在車用電子、電源供應器、軍用通訊系統，以及在未來5G行動通訊、互聯網時代更會扮演重要角色。本發明提出之氮化鎵優化結構，可以有效降低閘極漏流以及提高輸出電流，提升輸出功率效率、高功率放大器的線性度以及降低雜訊之功效。

近年來由於高科技快速發展，在高頻通訊、高功率元件等領域的規格與需求皆大幅地提升。其中以氮化鎵為材料的高電子遷移率電晶體更是因為其優異的材料性能，被視為下一代取代金屬氧化物半導體的角色。但應用在高功率元件的氮化鎵電晶體，輸出電流的大小勢必是一個指標，同時，閘極漏流也是一個必須克服的因素，閘極漏流會影響元件的表現及可靠度。本發明利用偏移閘極金屬7位置及加入介電層8，有效改善閘極漏流與增加輸出電流密度，對於高功率元件的應用，除了可以減少在元件關閉時的能量損耗，同 時也可以提高閘極電壓擺幅，進而增加功率的承受能力。閘極漏流的大小是對於功率元件好壞很重要的一個指標，與輸出功率效率、高功率放大器的線性度以及降低雜訊的能力都高度相關。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

1:氮化鎵層

2:二維電子氣

3:氮化鋁鎵層

4:P型氮化鎵摻雜層

5:源極

6:汲極

7:閘極

8:介電層

Claims (5)

1. 一種P型摻雜層電極偏移之增強型氮化鎵元件，其包括：一氮化鋁鎵層；一P型氮化鎵摻雜層，係形成於該氮化鋁鎵層上；以及一閘極金屬，係對該P型氮化鎵摻雜層做平行位移，使部分的該閘極金屬鍍在該P型氮化鎵摻雜層上，部分的該閘極金屬鍍在該氮化鋁鎵層上，其中該閘極金屬係50%的部分鍍在該P型氮化鎵摻雜層上，以及該閘極金屬係50%的部分鍍在該氮化鋁鎵層上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之P型摻雜層電極偏移之增強型氮化鎵元件，其中該閘極金屬與該P型氮化鎵摻雜層之間加入一介電層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之P型摻雜層電極偏移之增強型氮化鎵元件，其中該閘極金屬直接與該氮化鋁鎵層接觸。
4. 如申請專利範圍第1項所述之P型摻雜層電極偏移之增強型氮化鎵元件，其中該閘極金屬係透過光罩設計來對該P型氮化鎵摻雜層做平行位移。
5. 如申請專利範圍第1項所述之P型摻雜層電極偏移之增強型氮化鎵元件，其中該P型氮化鎵摻雜層係摻雜鎂離子。

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