[發明專利]一種具有高閾值穩定性型氮化鎵功率半導體器件

有效

• 申請號: 202011234410.4
• 申請日: 2020-11-07
• 公開（公告）號: CN112331720B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 劉斯揚;張弛;辛樹軒;李勝;錢樂;葛晨;孫偉鋒;時龍興
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 秦秋星

本發明公開了一種具有高閾值穩定性型氮化鎵功率半導體器件，包括：襯底、成核層、漂移區、溝道層、勢壘層、第一p型氮化鎵帽層、金屬源電極、金屬漏電極，所述第一p型氮化鎵帽層上表面設有第二p型氮化鎵帽層與n型氮化鎵帽層、肖特基接觸型金屬柵電極，同時第二p型氮化鎵帽層與n型氮化鎵帽層上表面設有歐姆接觸型金屬柵電極，肖特基接觸型金屬柵電極與歐姆接觸型金屬柵電極側壁直接接觸。本發明在低柵壓下可以有效消除電荷存儲現象，保證了器件在重復開關工作條件下具有較高的閾值穩定性；在高柵壓下可以降低器件的柵漏電，保證器件在高柵壓下具有長期穩定的工作狀態。

技術領域

本發明主要涉及功率半導體器件領域，具體來說，是一種具有高閾值穩定性型氮化鎵功率半導體器件。

背景技術

氮化鎵(GaN)作為第三代半導體的代表，具有禁帶寬度大、電子飽和漂移速度高、臨界擊穿電場高、熱導率高和介電常數小等特點。寬禁帶以及高擊穿電場強度可以大幅度提高器件能夠承受的峰值電壓，提升器件的輸出功率；高電子飽和漂移速率使得器件能夠適應更高的工作頻率；高熱導率使得器件能夠承受更高的溫度，從而極大地提高系統的穩定性與可靠性。其中，鋁鎵氮/氮化鎵異質結處由極化效應產生的二維電子氣所制備的高電子遷移率晶體管(HEMT)是常用的平面結構氮化鎵基功率器件，兼具高耐壓、高功率密度、高工作速度等優勢。然而由于異質結界面處有二維電子氣存在，所以零柵壓下溝道中電子依然存在，因此器件通常為耗盡型器件。但是在功率系統運用中，增強型器件是電力開關的基礎，增強型器件可以減少系統在工作狀態下的關態損耗、增加系統穩定性，同時與目前電路系統中驅動模塊相兼容，所以實現氮化鎵基增強型器件，可以進一步拓寬氮化鎵基器件發展。

在實現氮化鎵基增強型器件的諸多方法中，技術最成熟、同時最具有市場前景的為使用P型柵帽層結構，即在柵下和鋁鎵氮勢壘層之間引入P型氮化鎵或P型鋁鎵氮層，通過P型摻雜提高能帶，從而實現氮化鎵基增強型器件。

結合參考圖1所示，在本發明提出之前，P型柵帽層氮化鎵器件常見的柵金屬接觸的形式有兩種：

傳統結構自下而上包括：襯底100、成核層110、漂移區120、溝道層130、勢壘層140、設置于所述勢壘層140上方的金屬源電極150、第一p型氮化鎵帽層170，以及設置于所述第一p型氮化鎵帽層170上表面的金屬柵電極180，所述金屬柵電極180為肖特基型金屬柵電極或歐姆型金屬柵電極的一種。兩種不同接觸類型的金屬所實現的增益效果如下：

采用肖特基型柵接觸。使用該技術手段可以利用肖特基金屬與P型氮化鎵形成肖特基結，在正柵壓工作條件下，肖特基結反偏，可以有效降低器件的柵電流，保證器件的柵可靠性，但是由于肖特基結的存在，使得P型氮化鎵層電位浮空，在多次開關或者續流工作后，短時間內存儲在P型氮化鎵層中的電荷不易釋放，即出現電荷存儲現象，導致器件閾值發生漂移的情況，極大程度上限制了器件在高頻開關下的使用。

采用歐姆型柵接觸。使用該技術手段可以利用P型氮化鎵或P型鋁鎵氮層與金屬柵之間良好的歐姆柵接觸，在多次開關或者續流工作后，存儲在P型氮化鎵或P型鋁鎵氮層中的電荷迅速被釋放，保證了器件的閾值穩定性，但是歐姆型柵接觸本質上僅存在由P型氮化鎵或P型鋁鎵氮層、鋁鎵氮勢壘層和氮化鎵溝道層構成的PiN二級管，因此在柵壓超過PiN二級管的開啟電壓后，柵電流會迅速增加，導致器件正常工作柵壓不超過3V,使得器件在系統運用中受到許多限制。

發明內容

針對上述現有技術存在的不足，本發明提供一種具有高閾值穩定性型氮化鎵功率半導體器件，可以保證器件穩定的柵壓工作狀態，具有較小的柵漏電，同時保證器件在關態時P型氮化鎵或P型鋁鎵氮層電位固定，具有較高閾值穩定性。