[發明專利]一種具有P型GaN島的垂直氮化鎵基異質結場效應晶體管

有效

• 申請號: 201410433616.8
• 申請日: 2014-08-29
• 公開（公告）號: CN104167442B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: 杜江鋒;劉東;陳南庭;潘沛霖;于奇
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/06
• 代理公司: 成都君合集專利代理事務所(普通合伙)51228
• 代理人: 廖曾

技術領域

本發明涉及半導體高耐壓器件領域，具體是指一種具有P型GaN島的垂直氮化鎵基異質結場效應晶體管。

背景技術

氮化鎵基異質結場效應晶體管（GaN?Heterojunction?Fiele-Effect?Transistor，GaN?HFET）不但具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、電子飽和速度高、導熱性能好、抗輻射和良好的化學穩定性等優異特性，同時氮化鎵（GaN）材料可以與鋁鎵氮（AlGaN）等材料形成具有高濃度和高遷移率的二維電子氣異質結溝道，因此特別適用于高壓、大功率和高溫應用，是電力電子應用最具潛力的晶體管之一。

現有的高耐壓GaN?HFET結構主要為橫向器件，器件基本結構如圖1所示。器件主要包括襯底，GaN緩沖層，AlGaN勢壘層以及AlGaN勢壘層上形成的源極、漏極和柵極，其中源極和漏極與AlGaN勢壘層形成歐姆接觸，柵極與AlGaN勢壘層形成肖特基接觸。但是對于橫向GaN?HFET而言，在截止狀態下，從源極注入的電子可以經過GaN緩沖層到達漏極，形成漏電通道，過大的緩沖層泄漏電流會導致器件提前擊穿，無法充分發揮GaN材料的高耐壓優勢，從而限制GaN?HFET在高壓方面的應用。同時橫向GaN?HFET器件主要依靠柵極與漏極之間的有源區來承受耐壓，要獲得大的擊穿電壓，需設計很大的柵極與漏極間距，從而會增大芯片面積，不利于現代電力電子系統便攜化、小型化的發展趨勢。

與橫向GaN?HFET相比，垂直GaN異質結場效應晶體管（GaN?Vertical?Heterojunction?Fiele-Effect?Transistor，GaN?VHFET）結構可以有效地解決以上問題。常規GaN?VHFET結構如圖2所示，器件主要包括漏極、n⁺-GaN襯底、n-GaN緩沖層、p-GaN電流阻擋層、GaN溝道層、AlGaN勢壘層和AlGaN勢壘層上形成的柵極和源極，其中漏極與n⁺-GaN襯底形成歐姆接觸，源極與AlGaN勢壘層形成歐姆接觸，柵極與AlGaN勢壘層形成肖特基接觸。與橫向GaN?HFET相比，GaN?VHFET存在以下優勢：器件主要通過柵極與漏極之間的縱向間距，即n-GaN緩沖層來承受耐壓，器件橫向尺寸可以設計的非常小，有效節省芯片面積；同時p-GaN電流阻擋層與n-GaN緩沖層之間形成的p-n結可以有效阻擋從源極注入的電子，從而抑制器件緩沖層泄漏電流。除此之外，GaN?VHFET結構還具有便于封裝、低溝道溫度等多方面優點。

對于常規GaN?VHFET結構而言，器件主要依靠p-GaN電流阻擋層與n-GaN緩沖層之間形成的p-n結來承受耐壓，器件內峰值電場達到臨界電場或者泄漏電流達到閾值時，n-GaN緩沖層內耗盡區寬度的大小決定了器件的擊穿電壓，隨著n-GaN緩沖層厚度的增大，擊穿時n-GaN內的耗盡區寬度也隨之增大，但是當n-GaN緩沖層厚度超過一定值后，擊穿時n-GaN內的耗盡區寬度達到飽和，器件的擊穿電壓也達到飽和，不再隨著n-GaN緩沖層厚度的增大而增大，從而限制了GaN?VHFET的高耐壓應用。同時n-GaN緩沖層內的垂直電場強度會隨著遠離p-GaN電流阻擋層與n-GaN緩沖層之間的p-n結界面而逐漸降低，由于器件擊穿電壓等于n-GaN緩沖層內的垂直電場強度沿著y軸方向的積分，不斷降低的垂直電場強度使得器件的擊穿電壓無法達到GaN材料極限，不能充分發揮GaN基器件的高耐壓優勢。

在專利文獻1[中國專利申請公開號：CN?103151392A]中，提出了一種帶有p-GaN埋層結構的垂直氮化鎵基異質結場效應晶體管，通過在源極與漏極之間引入額外的p-n結，使得器件源漏間所加電壓由多個p-n結承擔，并改變了常規結構中電場隨著遠離電流阻擋層與緩沖層之間的p-n結面而降低的現象，提高了漏極附近的電場強度，從而實現了提高器件的擊穿電壓。但是，該結構源漏之間的電場呈現出鋸齒狀分布，每個p-n結界面處電場達到臨界電場時其余位置的電場卻仍低于臨界擊穿電場，耐壓仍有進一步提升的潛力。

發明內容

針對常規GaN?VHFET器件存在的問題，本發明提供了一種能將器件擊穿電壓提高接近極限的具有P型GaN島的垂直氮化鎵基異質結場效應晶體管。?