[發明專利]一種具有P型柵的增強型GaN器件

在審

• 申請號: 202211249361.0
• 申請日: 2022-10-12
• 公開（公告）號: CN115548106A
• 公開（公告）日: 2022-12-30
• 發明（設計）人: 易波;徐藝;張芷寧
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/49
• 分類號: H01L29/49;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，提供一種具有P型柵的增強型GaN器件，用于解決現有器件存在的如柵壓擺幅窄、柵極漏電大、工藝要求高、比導通電阻高、成本高、電熱穩定性差等諸多問題。本發明采用絕緣柵介質層、P型寬禁帶半導體層與金屬柵極由下往上依次層疊構成的新型MIS柵極部，利用高的功函數差耗盡其下方的高濃度二維電子氣，在厚勢壘層設計下獲得增強型器件；并且，P型寬禁帶半導體層與勢壘層之間設置柵介質層，阻止P型寬禁帶半導體層向勢壘層注入空穴，從而獲得極低的柵極漏電；最終本發明的增強型GaN器件具有柵壓擺幅大、柵極漏電低、溝道比導通電阻小、閾值電壓一致性高、工藝簡單、成本低、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，涉及高壓半導體器件，具體提供一種具有P型柵的增強型GaN器件。

背景技術

GaN器件作為第三代半導體器件，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；其中，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.,“Gate injection transistor(GIT)—A normally-off AlGaN/GaN power transistorusing conductivity 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，上述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的難度；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，但是肖特基接觸可靠性、穩定性較低，使得柵極漏電的可靠性、穩定性較低。Recessed-gate HEMT是通過刻蝕柵介質下面一部分勢壘層(剩余厚度d)，如文獻“Y.Zhao,et al.,“Effects of recess depths on performance ofAlGaN/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納米時，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。

為克服上述問題，申請人曾在申請號為：202210146339.7、名稱為一種增強型MIS-GaN器件的專利文獻中公開了一種具有MIS柵極部的結構；但是，該結構的P型寬禁帶半導體層處于浮空狀態，可能影響閾值電壓穩定性和可靠性；并且，P型寬禁帶半導體層摻雜向勢壘層和溝道層的擴散形式嚴重影響器件閾值電壓和比導通電阻。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有增強型GaN器件存在的如閾值電壓一致性差、穩定性可靠性差、溝道損壞、二維電子氣濃度低、溝道電阻高、柵壓擺幅窄、柵極漏電大、工藝難度高、驅動設計復雜等諸多問題，提供一種具有P型柵的增強型GaN器件；本發明具有柵壓擺幅大、柵極漏電低、溝道電阻小、閾值電壓一致性高、電熱穩定性高、可靠性高、工藝簡單等優點。