[發明專利]一種氮化鎵基異質結耐擊穿場效應晶體管結構

在審

• 申請號: 201610907440.4
• 申請日: 2016-10-17
• 公開（公告）號: CN107958931A
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 黃升暉
• 申請（專利權）人: 南京勵盛半導體科技有限公司
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/40
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種氮化鎵基異質結場效應晶體管結構，更具體地說是涉及一種氮化鎵基異質結的高電子遷移率耐擊穿場效應晶體管半導體器件結構。

背景技術

碳化硅和氮化鎵被譽為第三代半導體，它們將為半導體帶來技術性的革命。之前，這些寬禁帶半導體已被研發了數拾年，一直至2002年左右，英飛凌公司推出600V的肖特基二極管，宣布碳化硅正式開始提供有實用價值的產品。之后，柵控場效應碳化硅晶體管也開始投放市場，從事碳化硅功率器件有關的生產廠家也愈來愈多，就產品技術方面來看，當時期的碳化硅是比氮化鎵成熟，然而氮化鎵沒有停下研發步伐，於2008年左右，一些公司如美國的IR，美國的Transform，日本的東芝也開始相繼提供氮化鎵功率器件的樣品。之后，美國的EPC，日本的富士通，松下，Rohm，接著有ST，Onsemi和Ti等公司也相繼推出他們的氮化鎵產品。在這些公司的推動下，整個氮化鎵功率器件的生態環境大為改善，從氮化鎵的外延，工藝制作，封裝，驅動集成電路和應用等方面都日趨成熟。一般認為，從現在的情況來看，擊穿電壓在1200伏或以下的寬禁帶半導體器件市場，將會是GaN HEMT為主導，大于1200伏的則是碳化硅的天下。

氮化鎵(GaN)是寬禁帶半導體材料，比硅有更大的擊穿電場特性，也有高的電子飽和漂移速度，總的來說，GaN是可以用來制造高頻和高壓大功率半導體器件的優良材料。

氮化鎵(GaN)基異質結材料是延續了GaN材料的高擊穿電場、高電子飽和漂移速度等優點。AlGaN/GaN是GaN基異質結材料中的主要結構代表，其中AlGaN為寬禁帶材料，GaN為窄帶材料，兩者形成I型異質結，二維電子氣(2DEG)位于異質結界面的GaN一側，是目前氮化鎵半導體材料和器件研究領域中的熱點。

由于氮化鎵(GaN)單晶襯底過于昂貴和不成熟，一般(GaN)基器件是不使用垂直結構，而是使用橫向結構的。用氮化鎵(GaN)制造的高壓橫向器件的結構一般如圖1所示，由于氮化鎵的摻雜工藝未成熟，尤其是P型摻雜，不容易控制，一直至今，圖1的結構仍未有商業化的產品，相比之下，用AlGaN/GaN半導體材料形式成異質結，從而形成高電子遷移率晶體管(HEMT)器件，其基本結構如圖2所示，與其它半導體材料，如AlGaAs/GaAs相比，AlGaN/GaN材料制造出的HEMT器件有更好的電學性能，因為用於制造器件的纖鋅礦結構GaN為III族氮化物的六方晶體結構，是一種帶隙寬并具有強壓電、鐵電性的半導體材料，這晶體結構缺少反演對稱性，呈現很強的極化效應，包括自發極化和壓電極化，壓電系數比其它III-V族、II-VI族半導體材料大1個數量級以上，自發極化強度也很大，由于III族氮化物材料能隙相差懸殊，異質結構界面導帶存在巨大能帶偏移，形成深量子阱。基于強極化誘導作用和巨大能帶偏移，III族氮化物異質結構界面可形成一強量子局域化的高濃度二維電子氣系統。如典型的AlGaN/GaN異質結構，其AlGaN勢壘層中壓電極化強度為傳統AlGaAs/GaAs異質結構中的5倍之多，高性能二維電子氣具有極其重要的技術應用價值。AlGaN/GaN體系作為一典型的GaN基異質結構，在微波功率，高溫電子器件和軍事領域等具有極為重要的應用價值。

功率器件一般可以承受高的反偏置電壓和大的正向導通電流，不同的功率器件有不同的規格，其所能承受的反偏置電壓和正向電流是不同的。縱向功率器件在區域結構上可分為有源區和終端區，終端區一般是在外圍緊接著有源區的邊緣。橫向功率器件沒有終端區，只有有源區，有源區為電流從高電壓電極流至低電壓電極的流動區域，所以，當橫向器件處于反偏置時，有源區(即從高電壓電極至低電壓電極之間的區域)需要用來承受從高電壓電極至低電壓電極之間的反偏置電壓，有顧及此，橫向器件在設計上除了減少導通電阻，減少寄生電容等等，還要兼顧擊穿電壓的要求，在反偏置時，從高電壓電極至低電壓電極之間需要形成耗盡區來承受反偏置的電壓，要承受相當的反偏置電壓便要相當寬度的耗盡區，在耗盡區域中，半導體材料間的電荷要平衡，在耗盡時要求幾乎沒有凈電荷殘留，否則耗盡區便無法擴展開來承受施加其上的反偏置的電壓。