[發明專利]一種GaN異質結縱向功率器件

在審

• 申請號: 201810455931.9
• 申請日: 2018-05-14
• 公開（公告）號: CN108598163A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 周琦;魏東;鄧操;董長旭;黃芃;陳萬軍;張波
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/06
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰

本發明公開了一種GaN異質結縱向功率器件。本發明通過利用二維空穴氣阻擋源極電子通過縱向柵控溝道注入到二維電子氣溝道，實現器件增強型，且利用高遷移率的二維電子氣溝道從而使縱向器件實現低導通電阻和大飽和電流；同時，浮空P型GaN埋層在GaN漂移區引入反偏PN結，該反偏PN結在承受反向耐壓時其耗盡區不斷擴展使該器件體內電場分布均勻，有效降低器件內部最大峰值電場。通過調節P?GaN的摻雜濃度、厚度、長度使其與N型漂移區幾乎同時耗盡，致使P?GaN與N型漂移區反偏PN結之間的耗盡區擴展成一個更大的耗盡區來承受反向電壓，充分發揮GaN體材料禁帶寬度大耐壓高的優勢，提高了電力電子電路系統的可靠性和穩定性。

技術領域

本發明屬于功率半導體技術領域，涉及一種GaN異質結縱向功率器件。

背景技術

由于Si和GaAs為代表的前兩代半導體材料的局限性，第三代寬禁帶半導體材料因為其優異的性能得到了飛速發展。氮化鎵(GaN)材料作為第三代半導體材料的核心之一，相比Si，GaAs和碳化硅(SiC)特殊之處在于其所具有極化效應。AlGaN/GaN異質結由于極化效應在異質結界面靠近GaN側產生了高濃度、高電子遷移率的二維電子氣導電溝道，使得AlGaN/GaN HEMT器件具有導通電阻小、開關速度快、正向導通飽和電流密度大等特點，在器件應用中占據較大優勢，因此得到廣泛關注和研究。

場效應管在半導體領域占有極其重要的地位。近年來，基于GaN異質結材料的場效應管已經取得了較大發展。然而，傳統的GaN異質結場效應管多為橫向結構，其目前存在兩大弊端：1)橫向AlGaN/GaN異質結由于極化效應在異質結界面靠近GaN側產生了高濃度、高電子遷移率的二維電子氣導電溝道，因此，常規AlGaN/GaN HEMT器件為常開型器件。然而，器件實際應用中需要負壓驅動，驅動電路設計難度大、成本增加，且負壓驅動電路不具備失效保護功能，使得系統安全性降低。因此，對于基于GaN的場效應管而言，增強型器件比耗盡型(常開型)HEMT器件具有更多的優勢，其實現技術是研究者們極其關注的問題；2)橫向器件在關斷狀態下，電壓主要由柵極與漏極之間的漂移區承受，由于電場在漂移區分布不均勻，電場峰值會出現在靠近漏端的柵極邊緣，導致器件提前擊穿，從而無法發揮GaN異質結器件所具有的高工作頻率、低導通電阻與高耐壓的優勢。而且，在橫向結構中，提高耐壓不可避免地會增大柵漏間距，這會增大單位器件面積，提高單位器件成本，降低晶圓利用率。

GaN增強型功率器件的研究背景技術：

1.AlGaN/GaN異質結由于極化效應在異質結界面靠近GaN側產生了高濃度、高電子遷移率的二維電子氣導電溝道，因此，常規AlGaN/GaN HEMT器件為常開型器件。然而，器件實際應用中需要負壓驅動，驅動電路設計難度大、成本增加，且負壓驅動電路不具備失效保護功能，使得系統安全性降低。因此，對于AlGaN/GaN HEMT器件而言，增強型(常關型)HEMT器件比耗盡型(常開型)HEMT器件具有更多的優勢，其實現技術是研究者們極其關注的問題。

2.近年來增強型GaN HEMT的研究工作已經取得了巨大的進步，但目前增強型GaNHEMT的閾值電壓都比較低(大多小于1V)，性能要明顯比耗盡型HEMT的差。通常器件閾值電壓要求在2.5～4V以上，才能避免由于柵極驅動信號畸變或振鈴等干擾而導致GaN器件誤開啟，滿足功率開關在實際系統應用中安全、穩定、可靠的要求。

3.目前通常采用如下技術實現GaN增強型HEMT器件：

(1)降低Al組分或者生長薄的勢壘層降低了溝道中2DEG濃度，但是增大了AlGaN/GaN HEMT的寄生電阻和開態電阻，因此Al組分和勢壘層厚度只能夠在有限的范圍內降低，閾值電壓都比較低。

(2)生長p-cap蓋帽層實現增強型HEMT，但是蓋帽層使柵極對于溝道的控制變弱，降低了器件的跨導，對于高頻工作不利，同時P-cap技術會引入P-N結柵，器件工作時會有大量空穴注入到溝道從而會產生很大的柵電流，導致閾值電壓發生回滯和可靠性降低等一系列問題。