[發明專利]復合源場板電流孔徑異質結場效應晶體管

有效

• 申請號: 201710198229.4
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN107170804B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 毛維;楊翠;馬佩軍;郝躍
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L29/40
• 分類號: H01L29/40;H01L29/778;H01L29/06;H01L21/335
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華

本發明公開了一種復合源場板電流孔徑異質結場效應晶體管，其自下而上包括：漏極(13)、GaN襯底(1)、GaN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)、帽層(8)和柵極(12)，溝道層和勢壘層的兩側刻有源槽(10)，源槽中淀積有兩個源極(11)，帽層兩側刻有兩個臺階(9)，除漏極底部以外所有區域覆蓋鈍化層(14)，兩側的鈍化層內制作有復合源場板(15)，該復合源場板是由多個相互獨立的浮空場板和一個源場板構成，源場板與源極電氣連接，兩個電流阻擋層(4)之間形成孔徑(5)。本發明擊穿電壓高、工藝簡單、導通電阻小、成品率高，可用于電力電子系統。

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體器件，特別是復合源場板電流孔徑異質結場效應晶體管，可用于電力電子系統。

技術背景

功率半導體器件是電力電子技術的核心元件，隨著能源和環境問題的日益突出，研發新型高性能、低損耗功率器件就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。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。隨著微電子技術的發展，傳統第一代Si半導體和第二代GaAs半導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GaN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，更是因其低導通電阻、高擊穿電壓、高工作頻率等特性，成為了國內外研究和應用的熱點、焦點。

然而，在橫向GaN基HEMT器件中，為了獲得更高的擊穿電壓，需要增加柵漏間距，這會增大器件尺寸和導通電阻，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，由高電場和表面態所引起的電流崩塌問題較為嚴重，盡管當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基電流孔徑異質結場效應器件，也是一種電流孔徑異質結場效應晶體管，參見AlGaN/GaN current aperture verticalelectron transistors,IEEE Device Research Conference,pp.31-32,2002。GaN基電流孔徑異質結場效應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通電阻的問題，因此可以實現高功率密度芯片。而且在GaN基電流孔徑異質結場效應器件中，高電場區域位于半導體材料體內，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再生長溝道技術研制出AlGaN/GaN電流孔徑異質結場效應器件，該器件未采用鈍化層，最大輸出電流為750mA/mm，跨導為120mS/mm，兩端柵擊穿電壓為65V，且電流崩塌效應得到顯著抑制，參見AlGaN/GaN current aperture verticalelectron transistors 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合等離子輔助MBE再生長AlGaN/GaN異質結的技術，研制出基于GaN襯底的電流孔徑異質結場效應器件，該器件采用3μm漂移層，最大輸出電流為4kA·cm^-2，導通電阻為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 SubstratesAchieved With MBE-Regrown AlGaN/GaN Layers to Suppress Dispersion,IEEEElectron Device Letters,Vol.33,No.1,pp.41-43,2012。同年，由Masahiro Sugimoto等人提出的一種增強型GaN基電流孔徑異質結場效應器件獲得授權，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基電流孔徑異質結場效應器件，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，導通電阻為2.2mΩ·cm²，參見1.5-kV and 2.2-mΩ-cm²Vertical GaN Transistors onBulk-GaN Substrates,IEEE Electron Device Letters,Vol.35,No.9,pp.939-941,2014。