[發明專利]介質調制復合交疊柵功率器件

有效

• 申請號: 201410658234.5
• 申請日: 2014-11-18
• 公開（公告）號: CN104393048A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 毛維;葛安奎;郝躍;邊照科;石朋毫;張進成;馬曉華;張金風;楊林安;曹艷榮
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/423;H01L21/336
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體器件，特別是介質調制復合交疊柵功率器件，可作為電力電子系統的基本器件。

技術背景

功率半導體器件是電力電子系統的重要元件，是進行電能處理的有效工具。近年來，隨著能源和環境問題的日益突出，研發新型高性能、低損耗功率器件已成為提高電能利用率、節約能源、緩解能源危機的有效途徑之一。然而，在功率器件研究中，高速、高壓與低導通電阻之間存在著嚴重的制約關系，合理、有效地改進這種制約關系是提高器件整體性能的關鍵。隨著市場不斷對功率系統提出更高效率、更小體積、更高頻率的要求，傳統Si基半導體功率器件性能已逼近其理論極限。為了能進一步減少芯片面積、提高工作頻率、提高工作溫度、降低導通電阻、提高擊穿電壓、降低整機體積、提高整機效率，以氮化鎵為代表的寬禁帶半導體材料，憑借其更大的禁帶寬度、更高的臨界擊穿電場和更高的電子飽和漂移速度，且化學性能穩定、耐高溫、抗輻射等突出優點，在制備高性能功率器件方面脫穎而出，應用潛力巨大。特別是采用GaN基異質結結構的高電子遷移率晶體管，即GaN基HEMT器件，更是因其低導通電阻、高工作頻率等特性，能滿足下一代電子裝備對功率器件更大功率、更高頻率、更小體積和更惡劣高溫工作的要求，在經濟和軍事領域具有廣闊和特殊的應用前景。

然而，常規GaN基HEMT器件結構上存在固有缺陷，會導致器件溝道電場強度呈畸形分布，尤其是在器件柵極靠近漏極附近存在極高電場峰值。導致實際的GaN基HEMT器件的擊穿電壓往往遠低于理論期望值，且存在電流崩塌、逆壓電效應等可靠性問題，嚴重制約了在電力電子領域中的應用和發展。為了解決以上問題，國內外研究者們提出了眾多方法，而場板結構是其中效果最為顯著、應用最為廣泛的一種。2000年美國UCSB的N.Q.Zhang等人首次將場板結構成功應用于GaN基HEMT功率器件中，研制出交疊柵器件，飽和輸出電流為500mA/mm，關態擊穿電壓可達570V，這是當時所報道擊穿電壓最高的GaN器件，參見High?breakdown?GaN?HEMT?with?overlapping?gate?structure,IEEE?Electron?Device?Letters,Vol.21,No.9,pp.421-423,2000。隨后，各國研究機構紛紛展開了相關的研究工作，而美國和日本是該領域中的主要領跑者。在美國，主要是UCSB、南卡大學、康奈爾大學以及著名的電力電子器件制造商IR公司等從事該項研究。日本相對起步較晚，但他們對這方面的工作非常重視，資金投入力度大，從事機構眾多，包括：東芝、古河、松下、豐田和富士等大公司。隨著研究的深入，研究者們發現相應地增加場板長度，可以提高器件擊穿電壓。但場板長度的增加會使場板效率，即擊穿電壓比場板長度，不斷減小，也就是場板提高器件擊穿電壓的能力隨著場板長度的增加逐漸趨于飽和，參見Enhancement?of?breakdown?voltage?in?AlGaN/GaN?high?electron?mobility?transistors?using?a?field?plate,IEEE?Transactions?on?Electron?Devices,Vol.48,No.8,pp.1515-1521,2001，以及Development?and?characteristic?analysis?of?a?field-plated?Al₂O₃/AlInN/GaN?MOS?HEMT,Chinese?Physics?B,Vol.20,No.1,pp.0172031-0172035,2011。因此，為了進一步提高器件擊穿電壓，同時兼顧場板效率，2008年日本東芝公司的Wataru?Saito等人采用柵場板和源場板的雙層場板結構研制出了雙層場板絕緣柵型GaN基HEMT器件，該器件擊穿電壓高達940V，最大輸出電流高達4.4A，參見A?130-W?Boost?Converter?Operation?Using?a?High-Voltage?GaN-HEMT,IEEE?Electron?Device?Letters,Vol.29,No.1,pp.8-10,2008。這種雙層場板結構已成為當前國際上用來改善GaN基功率器件擊穿特性，提高器件整體性能的主流場板技術。然而，GaN基雙層場板HEMT器件的結構和制造工藝過于復雜，制造成本高，每一層場板的制作都需要光刻、淀積金屬、淀積鈍化介質等工藝步驟。而且要優化各層場板下介質材料厚度以實現擊穿電壓最大化，必須進行繁瑣的工藝調試和優化，因此大大增加了器件制造的難度，降低了器件的成品率。

發明內容