[發(fā)明專利]T形漏場(chǎng)板異質(zhì)結(jié)功率器件及其制作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410660029.2
• 申請(qǐng)日: 2014-11-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104393042A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 毛維;楊翠;張延濤;范舉勝;張進(jìn)成;郝躍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L29/778
• 分類號(hào): H01L29/778;H01L21/335;H01L21/28;H01L29/41
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體器件，特別是T形漏場(chǎng)板異質(zhì)結(jié)功率器件，可作為電力電子系統(tǒng)的基本器件。

技術(shù)背景

功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)的重要元件，是進(jìn)行電能處理的有效工具。近年來(lái)，隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，研發(fā)新型高性能、低損耗功率器件已成為提高電能利用率、節(jié)約能源、緩解能源危機(jī)的有效途徑之一。然而，在功率器件研究中，高速、高壓與低導(dǎo)通電阻之間存在著嚴(yán)重的制約關(guān)系，合理、有效地改進(jìn)這種制約關(guān)系是提高器件整體性能的關(guān)鍵。隨著市場(chǎng)不斷對(duì)功率系統(tǒng)提出更高效率、更小體積、更高頻率的要求，傳統(tǒng)Si基半導(dǎo)體功率器件性能已逼近其理論極限。為了能進(jìn)一步減少芯片面積、提高工作頻率、提高工作溫度、降低導(dǎo)通電阻、提高擊穿電壓、降低整機(jī)體積、提高整機(jī)效率，以氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，憑借其更大的禁帶寬度、更高的臨界擊穿電場(chǎng)和更高的電子飽和漂移速度，且化學(xué)性能穩(wěn)定、耐高溫、抗輻射等突出優(yōu)點(diǎn)，在制備高性能功率器件方面脫穎而出，應(yīng)用潛力巨大。特別是采用GaN基異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的高電子遷移率晶體管，即GaN基HEMT器件，更是因其低導(dǎo)通電阻、高工作頻率等特性，能滿足下一代電子裝備對(duì)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(jīng)濟(jì)和軍事領(lǐng)域具有廣闊和特殊的應(yīng)用前景。

然而，常規(guī)GaN基HEMT器件結(jié)構(gòu)上存在固有缺陷，會(huì)導(dǎo)致器件溝道電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)峰值。這導(dǎo)致實(shí)際的GaN基HEMT器件在施加正漏極電壓情況下，即正向關(guān)態(tài)，的正向擊穿電壓往往遠(yuǎn)低于理論期望值，且存在電流崩塌、逆壓電效應(yīng)等可靠性問(wèn)題，嚴(yán)重制約了在電力電子領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展。為了解決以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究者們提出了眾多方法，而場(chǎng)板結(jié)構(gòu)是其中效果最為顯著、應(yīng)用最為廣泛的一種。2000年美國(guó)UCSB的N.Q.Zhang等人首次將場(chǎng)板結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用于GaN基HEMT功率器件中，研制出交疊柵功率器件，飽和輸出電流為500mA/mm，關(guān)態(tài)擊穿電壓可達(dá)570V，這是當(dāng)時(shí)所報(bào)道擊穿電壓最高的GaN器件，參見(jiàn)High?breakdown?GaN?HEMT?with?overlapping?gate?structure,IEEE?Electron?Device?Letters,Vol.21,No.9,pp.421-423,2000。隨后，各國(guó)研究機(jī)構(gòu)紛紛展開(kāi)了相關(guān)的研究工作，而美國(guó)和日本是該領(lǐng)域中的主要領(lǐng)跑者。在美國(guó)，主要是UCSB、南卡大學(xué)、康奈爾大學(xué)以及著名的電力電子器件制造商IR公司等從事該項(xiàng)研究。日本相對(duì)起步較晚，但他們對(duì)這方面的工作非常重視，資金投入力度大，從事機(jī)構(gòu)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(fā)現(xiàn)相應(yīng)地增加場(chǎng)板長(zhǎng)度，可以提高器件擊穿電壓。但場(chǎng)板長(zhǎng)度的增加會(huì)使場(chǎng)板效率，即擊穿電壓比場(chǎng)板長(zhǎng)度，不斷減小，也就是場(chǎng)板提高器件擊穿電壓的能力隨著場(chǎng)板長(zhǎng)度的增加逐漸趨于飽和，參見(jiàn)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(jìn)一步提高器件擊穿電壓，同時(shí)兼顧場(chǎng)板效率，2004年UCSB的H.L.Xing等人提出了一種雙層場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，他們研制的雙層?xùn)艌?chǎng)板GaN基HEMT器件可獲得高達(dá)900V的擊穿電壓，最大輸出電流700mA/mm，參見(jiàn)High?breakdown?voltage?AlGaN-GaN?HEMTs?achieved?by?multiple?field?plates,IEEE?Electron?Device?Letters,Vol.25,No.4,pp.161-163,2004。而且這種雙層場(chǎng)板結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)前國(guó)際上用來(lái)改善GaN基功率器件擊穿特性，提高器件整體性能的主流場(chǎng)板技術(shù)。