[發明專利]集成柵保護結構的GaN HEMT器件及其制備方法

在審

• 申請號: 202110425872.2
• 申請日: 2021-04-20
• 公開（公告）號: CN113113484A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 倪煒江
• 申請（專利權）人: 安徽芯塔電子科技有限公司
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/423;H01L21/335
• 代理公司: 蕪湖安匯知識產權代理有限公司 34107
• 代理人: 鐘雪

本發明公開了一種集成柵保護結構的GaN HEMT器件，器件包括：GaNHEMT，所述GaN HEMT包括源極、柵極及漏極，在柵極和源極之間設置有柵保護結構，柵保護結構在柵極與源極間的正向電壓大于允許的最大正向電壓時或反向電壓的絕對值大于允許的最大反向電壓的絕對值時擊穿并導通。集成柵極保護結構的GaN HEMT器件，利用在芯片上集成柵的保護結構，當器件的柵極電壓超過最大允許電壓時，柵保護結構擊穿導通，柵源電壓維持在設置的最大電壓，實現了對柵介質的保護，提高器件應用的可靠性。

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，更具體地，本發明涉及一種集成柵保護結構的GaNHEMT器件及其制備方法。

背景技術

氮化鎵(GaN)是寬禁帶半導體材料，禁帶寬度達3.4eV。與傳統的半導體材料硅(Si)、砷化鎵(GaAs)相比，具有更高的臨界電場、電子飽和漂移速度、以及良好的化學穩定性等特點?；贕aN材料的AlGaN/GaN異質結高電子遷移率晶體管(HEMT)結構具有更高的電子遷移率(高于1800cm²V^-1s^-1)和二維電子氣(2DEG)面密度(約10¹³cm^-2)，使得基于GaN材料的器件在射頻領域和電力電子領域都具有非常明顯的優勢。

GaN HEMT器件有各種不同的結構，如MES HEMT、MOS溝道HEMT、MIS HEMT、p-GaNHEMT等多種，根據閾值電壓的不同，又可以分為增強型和耗盡型。以p-GaN HEMT器件結構為例，器件的截面示意圖，如圖1所示。材料由襯底，如藍寶石、Si晶圓、SiC晶圓等，成核層AlN，GaN層，AlGaN勢壘層，p型摻雜的p-GaN帽層等組成。因為自發極化和壓電極化的原因，AlGaN與GaN層之間的界面會產生大量高遷移率的二維電子氣，形成非常低電阻的導通溝道。當在AlGaN勢壘層上淀積一定厚度的p-GaN層后，p-GaN層使勢壘下方的二維電子氣耗盡，關斷導通溝道。在p-GaN層上淀積柵極，可以通過控制柵極的電壓，耗盡或形成p-GaN下方AlGaN/GaN界面處的二維電子氣，從而實現器件的關斷或開通。

當柵源之間的電壓達到一定值時，柵金屬與GaN之間會發生載流子的注入和隧穿現象，柵源之間擊穿。由于GaN材料的雪崩性能較弱，一定擊穿電壓和電流下容易發生燒毀。同時，p-GaN和AlGaN層都非常薄，因此擊穿電壓很低，柵電壓的工作范圍小。

然而，由于柵工作電壓的范圍相對比較小，如當前一般增強型GaN HEMT器件的柵電壓范圍為-2V～10V之間，比Si和SiC功率器件要小的多，這在應用中容易發生可靠性問題。在實際工作電路中，往往會存在一些電流的擾動，如負載的突然開啟關斷、電路故障、外界電磁干擾等，這些都可能會在柵極引起電壓的波動，使器件的柵發生擊穿導致失效，從而發生電路故障。

發明內容

本發明提供了一種集成柵保護結構的GaN HEMT器件，旨在改善上述問題。

為了實現上述目的，一種集成柵保護結構的GaN HEMT器件，所述器件包括：

GaN HEMT，所述GaN HEMT包括源極、柵極及漏極，在柵極和源極之間設置有柵保護結構，柵保護結構在柵極與源極間的正向電壓大于允許的最大正向電壓時或反向電壓的絕對值大于允許的最大反向電壓的絕對值時導通，以限制柵極與源極之間的電壓。

進一步的，所述柵保護結構由設于柵極與源極之間的一對或多對反向串聯的多晶硅pn二極管組成。

進一步的，所述GaN HEMT為p-GaN HEMT。

進一步的，p-GaN HEMT從下至上依次包括：

襯底、緩沖層、GaN層、勢壘層、p-GaN層及柵介質層；