[發明專利]一種減小GaN功率開關器件電流坍塌的器件結構

有效

• 申請號: 201610117877.8
• 申請日: 2016-03-03
• 公開（公告）號: CN107154427B
• 公開（公告）日: 2019-12-13
• 發明（設計）人: 王茂俊;劉少飛;陶明;郝一龍
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/06
• 代理公司: 11360 北京萬象新悅知識產權代理有限公司
• 代理人: 賈曉玲

本發明提供了一種減小GaN功率開關器件電流坍塌的器件結構。所述結構包括Si襯底、GaN緩沖層、GaN溝道層、本征AlGaN層、掩膜介質層、絕緣柵介質層、源、漏、柵金屬層以及源極下方的Mg注入層。該結構在襯底上外延生長AlGaN/GaN異質結構形成二維電子氣導電溝道，通過刻蝕掉柵極區域下方的鈍化層和本征AlGaN層來實現增強型GaNMOS。本發明通過注入Mg離子，在源端形成的P型層與GaN緩沖層相連，該P型層可以在短時間內向GaN緩沖層提供大量空穴，縮短器件由關態到開態時GaN緩沖層的恢復時間，由此導通電阻大大減小。本發明有效地減小了GaN緩沖層缺陷所引起的電流坍塌，提高了器件開關速度，顯著優化GaN功率器件的電學性能。

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，涉及GaN基功率電子器件結構與制作工藝

背景技術

GaN作為第三代半導體的代表，具有禁帶寬度大，高飽和漂移速度，高臨界擊穿場強，高熱導率等優點，特別是GaN異質結構不摻雜時通過強自發極化效應可以產生高濃度的二維電子氣，優越的性能使其在電力電子、射頻微波等領域有著廣泛的應用。

以電流坍塌為代表的可靠性問題是GaN基功率開關器件最終走向實用化的最嚴峻問題之一。電流坍塌導致器件動態電阻減小，增加了功率開關器件的動態響應時間，使得器件可靠性大大降低。表面及勢壘層陷阱，高阻的GaN緩沖層都被認為是產生電流坍塌現象的重要因素，其中高阻的GaN緩沖層在漏端應力作用下所造成的電流坍塌是人們研究的重點之一。Si基GaN功率開關器件的緩沖層往往摻C，導致溝道和緩沖層之間形成pn結，器件關閉時，在高的漏極電壓下pn結是耗盡的。器件打開后，由于緩沖層內的空穴恢復需要一定的時間，溝道電子也不能立刻恢復，從而導致電流坍塌現象的發生。

GaN功率器件中的電流坍塌極大的降低了器件的工作特性，為了解決這一問題，許多研究工作者一直在探索減小電流坍塌的方法，目前，減小電流坍塌的主要方法有：1.表面鈍化技術，在器件表面淀積Si₃N₄等鈍化層，減小表面缺陷對溝道電子的影響；2.場板技術，主要是采用與柵極或者源極相連的場板設計，調控溝道中的二位電子氣，從而減小電流坍塌；3.能帶工程，通過插入不同的材料，改變異質結的能帶結構，進而提高溝道電子濃度，減小電流坍塌。

目前，減小GaN功率器件電流坍塌的方法主要通過削弱表面或勢壘層陷阱對溝道電子的影響來實現，而廣泛使用的GaN功率器件中，GaN緩沖層往往摻雜一定濃度的C、Fe等元素提高器件的耐壓水平，但這往往會在GaN緩沖層中引入相當數量的缺陷，這些缺陷也會在一定程度上造成電流坍塌，而GaN緩沖層造成的電流坍塌并沒有很好的解決措施。

發明內容

本發明主要是為了更好地解決GaN功率開關器件中的電流坍塌問題，提出了一種改進的器件結構，增加了高摻雜的P型區，作為空穴源，它可以為C摻雜的GaN緩沖層提供空穴的注入，縮短緩沖層在關態應力消失后從空穴耗盡恢復到平衡狀態所需要的時間，進而加快溝道電子的恢復，減小電流坍塌的影響。

本發明的技術思路是：提出一種改進的器件結構，在GaN基功率開關器件的源端，通過注入Mg離子形成較高摻雜的P型區，該P型區與GaN緩沖層相連。器件從關閉到導通的過程中，該P型區可以為緩沖層提供足夠的空穴，使得器件緩沖層中空穴的恢復時間變短，相應的溝道電子的恢復時間也變短，從而抑制了器件的電流坍塌。

根據上述設計思路，一種減小GaN功率開關器件電流坍塌的器件結構包括襯底，GaN緩沖層，GaN溝道層、本征AlGaN勢壘層、掩膜介質層、絕緣柵介質層、源、漏、柵金屬層以及源極下方的Mg注入層；Mg注入層將源極和緩沖層連接，源極面積大于Mg注入層面積，使得部分AlGaN勢壘層仍與源極相連；在襯底上外延生長AlGaN/GaN異質結材料，并在該結構上形成源極和漏極；在晶元表面定義Mg注入區域以及柵極區域，柵極區域下方掩膜介質層和AlGaN層被刻蝕掉。

所述的GaN功率開關器件為Si基GaN HEMT、GaN MOSFET或者MIS-HEMT。