[發明專利]一種具有屏蔽柵電極的GaN異質結縱向半導體器件

在審

• 申請號: 202110252841.1
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN112864226A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 李茂林;趙起越;蒲小慶;董志文
• 申請（專利權）人: 英諾賽科（珠海）科技有限公司
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/40;H01L29/778
• 代理公司: 珠海智專專利商標代理有限公司 44262
• 代理人: 薛飛飛;黃國豪

本發明提供一種具有屏蔽柵電極的GaN異質結縱向半導體器件，縱向半導體器件包括半元胞結構，半元胞結構包括GaN N型重摻雜層、GaN N型漂移區層、勢壘層、漏極、源極和柵極，漏極、GaN N型重摻雜層、GaN N型漂移區層和勢壘層自下而上依次層疊設置，源極設在勢壘層的上方。源極的下方設有介質槽，介質槽在縱向上貫穿勢壘層并向下延伸至GaN N型漂移區層內，介質槽的底壁位于GaN N型漂移區層的上表面和下表面之間，介質槽內設置有隔離介質。半元胞結構還包括屏蔽柵電極，柵極與屏蔽柵電極均位于介質槽內并沿縱向間隔布置，屏蔽柵電極位于柵極的下方，柵極和屏蔽柵電極通過隔離介質隔離。該縱向半導體器件能夠減小器件開關損耗，提升器件耐壓能力。

技術領域

本發明涉及半導體器件技術領域，具體地說，是涉及一種具有屏蔽柵電極的GaN異質結縱向半導體器件。

背景技術

GaN HEMT器件具有導通電阻小，開關速度快，擊穿電場高，飽和電流密度大等特點，受到了研究人員廣泛關注。傳統的GaN HEMT為橫向器件，橫向器件由于界面態的存在導致器件電流崩塌，使器件導通電阻增加。并且GaN HEMT器件在關斷狀態下由柵極和漏極之間的漂移區承受耐壓。在耐壓過程中漂移區的電場分布不均勻，通常會在柵極靠近漏極側產生電場尖峰導致器件提前擊穿，從而無法完全發揮GaN材料的寬禁帶優勢。同時，GaN橫向器件的耐壓受到柵漏距離(L_GD)的限制，L_GD越長器件耐壓能力越強，但是通態電阻R_on會增大。而L_GD的增長會增大器件面積，降低晶圓利用率，增加器件成本。因此GaN HEMT器件在耐壓等級大于1200V將失去優勢，而GaN縱向結構器件能夠適用在更高的耐壓等級。

GaN縱向半導體器件依靠縱向漂移區耐壓，縱向半導體器件以體電子為載流子通過體電子來導電，因此可以從根源上解決橫向器件中電流崩塌的問題。另外，縱向半導體器件將電場峰值轉移到器件的體內，從而避免了橫向器件由于電場在柵附近處集中而引起器件過早擊穿的問題。縱向半導體器件能夠通過改變漂移區的厚度和漂移區的摻雜濃度來控制器件的擊穿電壓，因此可以解決橫向器件用面積來換取器件耐壓的問題，能夠很好的降低生產成本。

現有的GaN縱向半導體器件的柵極到漏極的寄生電容(C_gd)較大，C_gd較大會延長器件關斷時間導致器件開關損耗較高。并且現有的GaN縱向半導體器件主要依靠縱向漂移區耐壓，漂移區的摻雜濃度會影響器件導通電阻和擊穿電壓，漂移區的摻雜濃度高時，R_on會減小，但是器件耐壓能力會降低，漂移區的摻雜濃度低時，器件耐壓能力會提升，但是R_on會增大。

發明內容

本發明的目的是提供一種能夠減小器件開關損耗，同時提升器件耐壓能力的具有屏蔽柵電極的GaN異質結縱向半導體器件。

為實現上述目的，本發明提供一種具有屏蔽柵電極的GaN異質結縱向半導體器件，包括半元胞結構，半元胞結構包括GaN N型重摻雜層、GaN N型漂移區層、勢壘層、漏極、源極和柵極，漏極、GaN N型重摻雜層、GaN N型漂移區層和勢壘層自下而上依次層疊設置，源極設置在勢壘層的上方。源極的下方設置有介質槽，介質槽在縱向上貫穿勢壘層并向下延伸至GaN N型漂移區層內，介質槽的底壁位于GaN N型漂移區層的上表面和下表面之間，介質槽內設置有隔離介質。半元胞結構還包括屏蔽柵電極，柵極與屏蔽柵電極均位于介質槽內并沿縱向間隔布置，屏蔽柵電極位于柵極的下方，柵極和屏蔽柵電極通過隔離介質隔離。

由上述方案可見，GaN異質結縱向半導體器件在柵極下方引入屏蔽柵電極，柵極與屏蔽柵電極被隔離介質隔開。通過屏蔽柵電極的引入將現有的柵極到漏極的寄生電容C_gd變為柵極到屏蔽柵電極的寄生電容C_gs與屏蔽柵電極到漏極的寄生電容C_sd串聯的形式，串聯后柵極到漏極的寄生電容C_gd會降低，從而減小器件的開關損耗。同時屏蔽柵電極還可以起到場板作用，調節柵極區域以及漂移區電場，提升器件耐壓能力。