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公開番号2025165851
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-11-05
出願番号2024150321
出願日2024-08-30
発明の名称櫛歯状耐照射性GaN HEMTデバイス構造
出願人南京大学
代理人TRY国際弁理士法人
主分類H10D 30/47 20250101AFI20251028BHJP()
要約【課題】デバイスの耐照射性が大幅に向上させ、全体的な電気的性能と照射性能を向上させ、誘導電荷抽出能力を向上させ、良好な性能を維持する櫛歯状耐照射性GaN HEMTデバイス構造をを提供する。
【解決手段】デバイス構造は、ゲート金属層4.2のドレイン側に、バリア層3に直接接触するセグメント間隔で交互に配置された第1ショットキー金属層10.1と第2ショットキー金属層10.2が設けられることに反映され、ソース上の相互接続金属層7が第1ショットキー金属層に接続されて横方向の櫛歯状構造7.1を形成し、この設計により、すべてのショットキー金属層が第2上部金属層9に接続される場合、ソース上の相互接続金属フィールドプレートが短かすぎるため、デバイスのブレイクダウン能力に影響を与えるという問題を最大限に回避することができる。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項１】
下から上に順次設けられた基板層、窒化ガリウム層、バリア層、ゲート構造及び第２誘電体層を含む多層構造であり、多層構造の厚さ方向がｚ方向とされ、前記ゲート構造が前記バリア層の上面に設けられた第１誘電体層と、前記第１誘電体層の上面に設けられたゲート金属層とを含み、前記バリア層には、ソース及びドレインが埋め込まれ、前記ゲート金属層（４．２）が前記ソースと前記ドレインの間に挟まれており、かつ三者が互いに平行であり、平行方向がｙ方向とされ、ｙ方向とｚ方向の両方に垂直な方向がｘ方向とされ、前記ソースと前記ドレインの両方が下から上に順次設けられたオーミック金属層、相互接続金属層及び第１上部金属層を含み、前記ゲート金属層と前記ドレインとの間には、前記バリア層に直接接触するショットキー金属層が設けられ、前記ショットキー金属層の上面には、第２上部金属層が設けられ、前記ショットキー金属層がｙ方向に沿って間隔をあけて交互に配置された第１ショットキー金属層及び第２ショットキー金属層で構成され、前記ソース上の相互接続金属層がドレインに延びてｘ方向に沿った櫛歯状構造１を形成し、前記第１ショットキー金属層の上面が前記櫛歯状構造１上の櫛歯Ｉのみに接続され、前記第２上部金属層には、ｚ方向に沿った櫛歯状構造２があり、前記第２ショットキー金属層の上面が前記櫛歯状構造２上の櫛歯ＩＩのみに接続される、ことを特徴とする櫛歯状耐照射性ＧａＮＨＥＭＴデバイス構造。
続きを表示（約 2,300 文字）【請求項２】
前記第１ショットキー金属層の数がaであり、前記第２ショットキー金属層の数がbであり、a-1≦b≦a+1、前記第１ショットキー金属層のｙ方向の長さがl
1a
であり、10μｍ≦l
1a
≦300μｍ、前記第２ショットキー金属層のｙ方向の長さがl
2b
であり、10μｍ≦l
2b
≦300μｍ、前記第１ショットキー金属層、前記第２ショットキー金属層のｘ方向の幅が等しく、いずれもwであり、0.5μｍ≦w≦3μｍ、前記第１ショットキー金属層、前記第２ショットキー金属層のｚ方向の厚さが等しく、いずれもt
1
であり、0.5μｍ≦t
1
≦1μｍ、前記第１ショットキー金属層と前記第２ショットキー金属層との間隔がd
n
であり、1μｍ≦d
n
≦20μｍ、n=a+b-1、nが正整数であり、前記ゲート構造のｙ方向の幅がW
g=
Σd
n
+ Σl
1a
+ Σl
2b
であり、ここで、ゲート構造の長手方向がｘ方向であり、ゲート構造の幅方向がｙ方向であり、ゲート構造の幅方向がｚ方向である、ことを特徴とする請求項１に記載の櫛歯状耐照射性ＧａＮＨＥＭＴデバイス構造。
【請求項３】
前記櫛歯Ｉのｚ方向の厚さがt
2
であり、0.5μｍ≦t
2
≦3μｍ、前記櫛歯Ｉと前記第１ショットキー金属層との接触面のｙ方向の長さが第１ショットキー金属層のｙ方向の長さ以下であり、前記櫛歯Ｉと前記第１ショットキー金属層との接触面のｘ方向の幅が前記第１ショットキー金属層のｘ方向の幅以下であり、前記櫛歯Ｉと前記第１ショットキー金属層との接触面が前記第１ショットキー金属層の上部の中央領域に位置し、隣接する櫛歯Ｉ間の間隔がその下にある２つの隣接する第１ショットキー金属層間の間隔以上である、ことを特徴とする請求項１に記載の櫛歯状耐照射性ＧａＮＨＥＭＴデバイス構造。
【請求項４】
前記ゲート金属層と前記第１ショットキー金属層との間のｘ方向の距離がc
1
であり、1μｍ≦c
1
≦5μｍ、前記櫛歯Ｉのドレインに面する端部と前記第１ショットキー金属層のドレインに面する側との間のｘ方向の距離がc
2
であり、2μｍ≦c
2
≦15μｍ、前記櫛歯Ｉのドレインに面する端部と前記ドレイン上の相互接続金属層との間のｘ方向の距離がc
3
であり、3μｍ≦c
3
≦8μｍ、前記ゲート金属層と前記ドレインとの間のｘ方向の距離がL
gd
= c
1
+
w
+ c
2
+
c
3
であり、wが第１ショットキー金属層のｘ方向の幅である、ことを特徴とする請求項１に記載の櫛歯状耐照射性ＧａＮＨＥＭＴデバイス構造。
【請求項５】
前記櫛歯ＩＩのｚ方向の長さがl
z
であり、3μｍ≦l
z
≦10μｍ、前記櫛歯ＩＩのｙ方向の幅及びｘ方向の厚さの両方がその下にある前記第２ショットキー金属層のｙ方向の長さ及びｘ方向の幅以下であり、かつ前記櫛歯ＩＩと前記第２ショットキー金属層との接触面が前記第２ショットキー金属層の上部の中央領域に位置し、隣接する櫛歯ＩＩ間の間隔がその下にある２つの隣接する第２ショットキー金属層間の間隔以上であり、前記第２上部金属層の上部には、ｙ方向に沿って延びるストリップ状の金属ブロックがあり、前記金属ブロックは、ｚ方向の厚さがt
s
=l
z
であり、ｘ方向の幅が櫛歯ＩＩのｘ方向の厚さであり、ｙ方向の長さがゲート構造のｙ方向の幅に等しい、ことを特徴とする請求項１に記載の櫛歯状耐照射性ＧａＮＨＥＭＴデバイス構造。
【請求項６】
前記櫛歯状構造１と前記櫛歯状構造２が接触せず、前記櫛歯Ｉと前記櫛歯ＩＩとの間のｙ方向の間隔が前記第１ショットキー金属層と前記第２ショットキー金属層との間隔以上であり、前記櫛歯Ｉと前記櫛歯ＩＩとの間のｘ方向の間隔が０．５～３μｍであり、前記櫛歯Ｉと前記櫛歯ＩＩとの間のｚ方向の間隔がl
z
-t
2
であり、1μｍ≦l
z
-t
2
≦5μｍ、前記櫛歯状構造１と前記ゲート金属層が接触せず、両者のｚ方向の間隔が０．５～２μｍである、ことを特徴とする請求項１に記載の櫛歯状耐照射性ＧａＮＨＥＭＴデバイス構造。
【請求項７】
前記櫛歯Ｉの数と前記第１ショットキー金属層の数が同じで、いずれもaであり、前記櫛歯ＩＩの数と前記第２ショットキー金属層の数が同じで、いずれもbであり、かつa-1≦b≦a+1である、ことを特徴とする請求項１に記載の櫛歯状耐照射性ＧａＮＨＥＭＴデバイス構造。
【請求項８】
前記ゲート金属層とソースとの間隔が１～４μｍであり、前記ゲート金属層とドレインとの間隔が５～２５μｍであり、前記第１誘電体層の厚さが５０～１５０ｎｍである、ことを特徴とする請求項１に記載の櫛歯状耐照射性ＧａＮＨＥＭＴデバイス構造。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の技術分野に属し、具体的には、櫛歯状耐照射性ＧａＮＨＥＭＴデバイス構造に関する。
続きを表示（約 3,400 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、窒化ガリウムパワーエレクトロニクスデバイスは、高いブレークダウン電圧、高い熱伝導率、高い電力品質因子及び優れた耐照射性などの利点を備えているため、航空宇宙、核探知、特殊な軍事装備などの分野で幅広い応用の可能性がある。しかしながら、宇宙ステーションなどの極限環境で動作するデバイスは、宇宙の重イオン、陽子、中性子、ｘ線、γ線などによって誘発される照射効果の影響を受け、照射効果により容易に励起されて大量の電子－正孔対を生成し、これらのキャリアは、デバイスから適時に抽出される必要があり、そうでなければ、デバイス本体内に蓄積されて照射損傷を容易に引き起こし、デバイスの通常の動作に影響を与え、深刻な場合にはシステム全体の安全な動作が脅かされる。電力システムの安全かつ確実な動作を確保するために、デバイスは、耐照射性を備え、照射によって誘導された電子／正孔を安全に放出できる必要がある。しかしながら、現在の主流の商用窒化ガリウム高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）では、ゲートは、金属（Ｍ）－誘電体層（Ｉ）－半導体（Ｓ）構造を採用することが多く、キャリアは、絶縁誘電体層を通過してデバイスの外部に放出されることができず、したがって、デバイスの耐照射性は、ゲート構造によって厳しく制約される。
【０００３】
既存の窒化ガリウムＭＩＳ高電子移動度トランジスタは図１に示されており、トランジスタが動作する場合、ドレインには、通常、正のバイアスが印加される。トランジスタがある照射効果を受けて電子－正孔対を生成する場合、電子は、ドレインの正電圧に引き寄せられ、ドレインからデバイスの外部に放出されるが、正孔は、誘電体層を通過できないため、ゲートの近くの領域に蓄積され、トランジスタの通常の動作に影響を与え、深刻な場合には、トランジスタへの照射損傷、さらには完全な焼損につながる。
【０００４】
したがって、窒化ガリウムＭＩＳ高電子移動度トランジスタの将来の技術開発のために、このタイプのデバイスの照射後のゲート領域での正孔の蓄積の問題を解決することが急務となり、これにより、照射によって誘導された電子／正孔がトランジスタの外に効率的に抽出されることが可能となり、デバイスの耐照射性と信頼性が向上する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術における上記の欠点に対して、本発明は、照射による誘導電荷の蓄積に起因する照射損傷の問題を効果的に解決する、櫛歯状耐照射性ＧａＮＨＥＭＴデバイス構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明で採用される技術的解決手段は、次のとおりである。
櫛歯状耐照射性ＧａＮＨＥＭＴデバイス構造は、下から上に順次設けられた基板層、窒化ガリウム層、バリア層、ゲート構造及び第２誘電体層を含む多層構造であり、多層構造の厚さ方向がｚ方向とされ、前記ゲート構造が前記バリア層の上面に設けられた第１誘電体層と、前記第１誘電体層の上面に設けられたゲート金属層とを含み、前記バリア層には、ソース及びドレインが埋め込まれ、前記ゲート金属層（４．２）が前記ソースと前記ドレインの間に挟まれており、かつ三者が互いに平行であり、平行方向がｙ方向とされ、ｙ方向とｚ方向の両方に垂直な方向がｘ方向とされ、前記ソースと前記ドレインの両方が下から上に順次設けられたオーミック金属層、相互接続金属層及び第１上部金属層を含み、前記ゲート金属層と前記ドレインとの間には、前記バリア層に直接接触するショットキー金属層が設けられ、前記ショットキー金属層の上面には、第２上部金属層が設けられ、前記ショットキー金属層がｙ方向に沿って間隔をあけて交互に配置された第１ショットキー金属層及び第２ショットキー金属層で構成され、前記ソース上の相互接続金属層がドレインに延びてｘ方向に沿った櫛歯状構造１を形成し、前記第１ショットキー金属層の上面が前記櫛歯状構造１上の櫛歯Ｉのみに接続され、前記第２上部金属層には、ｚ方向に沿った櫛歯状構造２があり、前記第２ショットキー金属層の上面が前記櫛歯状構造２上の櫛歯ＩＩのみに接続される。
【０００７】
好ましくは、前記第１ショットキー金属層の数がaであり、前記第２ショットキー金属層の数がbであり、a-1 ≦ b ≦a+1、前記第１ショットキー金属層のｙ方向の長さがl
1a
であり、10μｍ≦l
1a
≦300μｍ、前記第２ショットキー金属層のｙ方向の長さがl
2b
であり、10μｍ≦l
2b
≦300μｍ、前記第１ショットキー金属層、前記第２ショットキー金属層のｘ方向の幅が等しく、いずれもwであり、0.5μｍ≦w≦3μｍ、前記第１ショットキー金属層、前記第２ショットキー金属層のｚ方向の厚さが等しく、いずれもt
1
であり、0.5μｍ≦t
1
≦1μｍ、前記第１ショットキー金属層と前記第２ショットキー金属層との間隔がd
n
であり、1μｍ≦d
n
≦20μｍ、n=a+b-1、nが正整数であり、前記ゲート構造のｙ方向の幅がW
g=
Σd
n
+
Σl
1a
+ Σl
2b
であり、ここで、ゲート構造の長手方向がｘ方向であり、ゲート構造の幅方向がｙ方向であり、ゲート構造の幅方向がｚ方向である。
【０００８】
好ましくは、前記櫛歯Ｉのｚ方向の厚さがt
2
であり、0.5μｍ≦t
2
≦3μｍ、前記櫛歯Ｉと前記第１ショットキー金属層との接触面のｙ方向の長さが第１ショットキー金属層のｙ方向の長さ以下であり、前記櫛歯Ｉと前記第１ショットキー金属層との接触面のｘ方向の幅が前記第１ショットキー金属層のｘ方向の幅以下であり、前記櫛歯Ｉと前記第１ショットキー金属層との接触面が前記第１ショットキー金属層の上部の中央領域に位置し、隣接する櫛歯Ｉ間の間隔がその下にある２つの隣接する第１ショットキー金属層間の間隔以上である。
【０００９】
好ましくは、前記ゲート金属層と前記第１ショットキー金属層との間のｘ方向の距離がc
1
であり、1μｍ≦c
1
≦5μｍ、前記櫛歯Ｉのドレインに面する端部と前記第１ショットキー金属層のドレインに面する側との間のｘ方向の距離がc
2
であり、2μｍ≦c
2
≦15μｍ、前記櫛歯Ｉのドレインに面する端部と前記ドレイン上の相互接続金属層との間のｘ方向の距離がc
3
であり、3μｍ≦c
3
≦8μｍ、前記ゲート金属層と前記ドレインとの間のｘ方向の距離がL
gd
= c
1
+
w
+ c
2
+
c
3
であり、wが第１ショットキー金属層のｘ方向の幅である。
【００１０】
好ましくは、前記櫛歯ＩＩのｚ方向の長さがl
z
であり、3μｍ≦l
z
≦10μｍ、前記櫛歯ＩＩのｙ方向の幅及びｘ方向の厚さの両方がその下にある前記第２ショットキー金属層のｙ方向の長さ及びｘ方向の幅以下であり、かつ前記櫛歯ＩＩと前記第２ショットキー金属層との接触面が前記第２ショットキー金属層の上部の中央領域に位置し、隣接する櫛歯ＩＩ間の間隔がその下にある２つの隣接する第２ショットキー金属層間の間隔以上であり、前記第２上部金属層の上部には、ｙ方向に沿って延びるストリップ状の金属ブロックがあり、前記金属ブロックは、ｚ方向の厚さがt
s
=l
z
であり、ｘ方向の幅が櫛歯ＩＩのｘ方向の厚さであり、ｙ方向の長さがゲート構造のｙ方向の幅に等しい。
（【００１１】以降は省略されています）

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