[發(fā)明專利]分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件及其制作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710198228.X
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN107170796B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 毛維;叢冠宇;杜鳴;郝躍;張金風(fēng);林志宇
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/20;H01L29/40;H01L29/778;H01L21/335
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華

本發(fā)明公開了一種分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件，其自下而上包括：漏極(11)、襯底(1)、漂移層(2)、孔徑層(3)、兩個對稱的二級階梯形的電流阻擋層(4)、溝道層(6)、勢壘層(7)和柵極(10)，勢壘層(7)上的兩側(cè)淀積有兩個源極(9)，兩個源極(9)下方通過離子注入形成兩個注入?yún)^(qū)(8)，除漏極底部以外的所有區(qū)域覆蓋有鈍化層(13)，兩側(cè)的鈍化層內(nèi)分別制作有分段柵場板(12)，該分段柵場板是由多個相互獨立的浮空場板和一個柵場板構(gòu)成，柵場板與柵極電氣連接，兩個電流阻擋層(4)之間形成孔徑(5)。本發(fā)明擊穿電壓高、工藝簡單、導(dǎo)通電阻小、成品率高，可用于電力電子系統(tǒng)。

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，特別是分段柵場板垂直型電流孔徑功率器件，可用于電力電子系統(tǒng)。

技術(shù)背景

功率半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)的核心元件，隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，研發(fā)新型高性能、低損耗功率器件就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。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。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)第一代Si半導(dǎo)體和第二代GaAs半導(dǎo)體功率器件性能已接近其材料本身決定的理論極限。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GaN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，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)的橫向高電子遷移率晶體管，即橫向GaN基高電子遷移率晶體管HEMT器件，更是因其低導(dǎo)通電阻、高擊穿電壓、高工作頻率等特性，成為了國內(nèi)外研究和應(yīng)用的熱點、焦點。

然而，在橫向GaN基HEMT器件中，為了獲得更高的擊穿電壓，需要增加?xùn)怕╅g距，這會增大器件尺寸和導(dǎo)通電阻，減小單位芯片面積上的有效電流密度和芯片性能，從而導(dǎo)致芯片面積和研制成本的增加。此外，在橫向GaN基HEMT器件中，由高電場和表面態(tài)所引起的電流崩塌問題較為嚴(yán)重，盡管當(dāng)前已有眾多抑制措施，但電流崩塌問題依然沒有得到徹底解決。為了解決上述問題，研究者們提出了垂直型GaN基電流孔徑異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)器件，也是一種電流孔徑功率器件，參見AlGaN/GaN current aperture vertical electrontransistors,IEEE Device Research Conference,pp.31-32,2002。GaN基電流孔徑異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)器件可通過增加漂移層厚度提高擊穿電壓，避免了犧牲器件尺寸和導(dǎo)通電阻的問題，因此可以實現(xiàn)高功率密度芯片。而且在GaN基電流孔徑異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)器件中，高電場區(qū)域位于半導(dǎo)體材料體內(nèi)，這可以徹底地消除電流崩塌問題。2004年，Ilan Ben-Yaacov等人利用刻蝕后MOCVD再生長溝道技術(shù)研制出AlGaN/GaN電流孔徑異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)器件，該器件未采用鈍化層，最大輸出電流為750mA/mm，跨導(dǎo)為120mS/mm，兩端柵擊穿電壓為65V，且電流崩塌效應(yīng)得到顯著抑制，參見AlGaN/GaN current aperture vertical electrontransistors with regrown channels,Journal of Applied Physics,Vol.95,No.4,pp.2073-2078,2004。2012年，Srabanti Chowdhury等人利用Mg離子注入電流阻擋層結(jié)合等離子輔助MBE再生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的技術(shù)，研制出基于GaN襯底的電流孔徑異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)器件，該器件采用3μm漂移層，最大輸出電流為4kA·cm^-2，導(dǎo)通電阻為2.2mΩ·cm²，擊穿電壓為250V，且抑制電流崩塌效果好，參見CAVET on Bulk GaN Substrates AchievedWith MBE-Regrown AlGaN/GaN Layers to Suppress Dispersion,IEEE Electron DeviceLetters,Vol.33,No.1,pp.41-43,2012。同年，由Masahiro Sugimoto等人提出的一種增強型GaN基電流孔徑異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)器件，參見Transistor,US8188514B2,2012。此外，2014年，Hui Nie等人基于GaN襯底研制出一種增強型GaN基電流孔徑異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)器件，該器件閾值電壓為0.5V，飽和電流大于2.3A，擊穿電壓為1.5kV，導(dǎo)通電阻為2.2mΩ·cm²，參見1.5-kV and 2.2-mΩ-cm²Vertical GaN Transistors on Bulk-GaN Substrates,IEEEElectron Device Letters,Vol.35,No.9,pp.939-941,2014。