[發明專利]一種基于PP異質結的結型柵增強型GaN器件

在審

• 申請號: 202210697338.1
• 申請日: 2022-06-20
• 公開（公告）號: CN115172451A
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 易波
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/423
• 分類號: H01L29/423;H01L29/45;H01L29/06;H01L21/335;H01L29/778
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 甘茂

本發明屬于功率半導體技術領域，具體提供一種基于PP異質結的結型柵增強型GaN器件，用于解決現有器件存在的柵壓擺幅窄、柵極漏電大、工藝要求高、成本高等諸多問題。本發明利用P型寬禁帶半導體層耗盡其下方的高濃度二維電子氣，獲得增強型器件；同時，在P型寬禁帶半導體層上設置P型多晶硅層，二者形成的PP異質結能夠阻止柵極向P型寬禁帶半導體層注入電流，從而獲得極低的柵極漏電；并且，該新型結型柵能夠避免p?GaNHEMT的柵極肖特基熱電不穩定性、以及MIS結構中介質層和半導體層界面電荷或陷阱對閾值電壓可靠性和穩定性的影響；最終，本發明具有柵壓擺幅大、柵極漏電低、溝道比導通電阻小、閾值電壓一致性高、穩定性高等優點。

技術領域

本發明屬于功率半導體技術領域，涉及高壓縱向/橫向半導體器件，具體提供一種基于PP異質結的結型柵增強型GaN器件。

背景技術

GaN器件作為三代半導體器件，其固有的物理性質使其非常適合高頻、高功率等應用；增強型GaN器件在電力電子應用中可以省掉保護電路、提高系統可靠性等，所以一直是研究的重點。

傳統的增強型橫向GaN器件主要包括p-GaN柵或者p-AlGaN柵增強型HEMT器件，Recess-gate HEMT以及采用氟離子注入的HEMT。p-GaN柵或者p-AlGaN柵增強型HEMT器件是利用p-GaN或者p-AlGaN來耗盡溝道處的二維電子氣，如文獻“Y.Uemotoet al.,“Gateinjection transistor(GIT)—A normally-off AlGaN/GaN power transistor usingconductivity modulation,”IEEETrans.Electron Devices,vol.54,no.12,pp.3393–3399,Dec.2007.”中所述，其結構如圖1所示；但是，p-GaN或者p-AlGaN與勢壘層形成的PN二極管在柵壓～3V時將導通，從而引入很大的柵電流，增加驅動損耗，此特性限制了柵壓擺幅，一般不超過5V，從而增加了驅動電路設計難度；并且，p-GaN柵和金屬柵電極一般形成反偏肖特基接觸以降低柵電流，而肖特基接觸可靠性、穩定性較低，進而使得柵極漏電的可靠性、穩定性較低。Recessed-gate HEMT是通過將柵介質下面的勢壘層刻蝕掉一部分(剩余厚度d)，如文獻“Y.Zhao,et al.,“Effects of recess depths on performance of AlGaN/GaN power MIS-HEMTs on the Si substrates and threshold voltage model ofdifferent recess depths for the using HfO2 gate insulator,”Solid-StateElectronics,2020,163:107649.”中所述，其結構如圖2所示，此結構可降低溝道處二維電子氣濃度，從而實現增強型器件，但是溝道極化強度的降低，增加了比導通電阻；此外，該器件的閾值電壓隨著溝道柵介質下保留的勢壘層的厚度的降低而增加，一般也在1V-2V左右，而且當保留的勢壘層減薄到幾nm時，隨著溝道的破壞，溝道內的電子遷移率極大地降低，導致比導通電阻成倍的增加；并且，通過刻蝕保留的厚度d精度非常難控制，顯著影響wafer上的器件的閾值電壓均一性。采用氟離子注入柵極溝道下方的MIS-HEMT結構也可以實現增強型器件，但是F離子引入的散射降低了電子遷移率，增大了器件電阻，同時還存在熱穩定性等問題，并且MIS柵結構的介質I和半導體S的界面電荷通常非常大，嚴重影響閾值電壓穩定性和可靠性。