[發(fā)明專(zhuān)利]一種具有P型柵的增強(qiáng)型GaN器件

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211249361.0
• 申請(qǐng)日: 2022-10-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115548106A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-12-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 易波;徐藝;張芷寧
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01L29/49
• 分類(lèi)號(hào): H01L29/49;H01L29/778
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專(zhuān)利中心 51203
• 代理人: 甘茂

本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，提供一種具有P型柵的增強(qiáng)型GaN器件，用于解決現(xiàn)有器件存在的如柵壓擺幅窄、柵極漏電大、工藝要求高、比導(dǎo)通電阻高、成本高、電熱穩(wěn)定性差等諸多問(wèn)題。本發(fā)明采用絕緣柵介質(zhì)層、P型寬禁帶半導(dǎo)體層與金屬柵極由下往上依次層疊構(gòu)成的新型MIS柵極部，利用高的功函數(shù)差耗盡其下方的高濃度二維電子氣，在厚勢(shì)壘層設(shè)計(jì)下獲得增強(qiáng)型器件；并且，P型寬禁帶半導(dǎo)體層與勢(shì)壘層之間設(shè)置柵介質(zhì)層，阻止P型寬禁帶半導(dǎo)體層向勢(shì)壘層注入空穴，從而獲得極低的柵極漏電；最終本發(fā)明的增強(qiáng)型GaN器件具有柵壓擺幅大、柵極漏電低、溝道比導(dǎo)通電阻小、閾值電壓一致性高、工藝簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及高壓半導(dǎo)體器件，具體提供一種具有P型柵的增強(qiáng)型GaN器件。

背景技術(shù)

GaN器件作為第三代半導(dǎo)體器件，其固有的物理性質(zhì)使其非常適合高頻、高功率等應(yīng)用；增強(qiáng)型GaN器件在電力電子應(yīng)用中可以省掉保護(hù)電路、提高系統(tǒng)可靠性等，所以一直是研究的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的增強(qiáng)型橫向GaN器件主要包括p-GaN柵或者p-AlGaN柵增強(qiáng)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(qiáng)型HEMT器件是利用p-GaN或者p-AlGaN來(lái)耗盡溝道處的二維電子氣，如文獻(xiàn)“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(jié)構(gòu)如圖1所示；但是p-GaN或者p-AlGaN與勢(shì)壘層形成的PN二極管在柵壓～3V時(shí)將導(dǎo)通，從而引入很大的柵電流，增加驅(qū)動(dòng)損耗，上述特性限制了柵壓擺幅，一般不超過(guò)5V，從而增加了驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)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(wěn)定性較低，使得柵極漏電的可靠性、穩(wěn)定性較低。Recessed-gate HEMT是通過(guò)刻蝕柵介質(zhì)下面一部分勢(shì)壘層(剩余厚度d)，如文獻(xiàn)“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(jié)構(gòu)如圖2所示，此結(jié)構(gòu)可降低溝道處二維電子氣濃度，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件，但是溝道極化強(qiáng)度的降低，增加了比導(dǎo)通電阻；此外，該器件的閾值電壓隨著溝道柵介質(zhì)下保留的勢(shì)壘層厚度的降低而增加，一般也在1V-2V左右，而且當(dāng)保留的勢(shì)壘層減薄到幾納米時(shí)，隨著溝道的破壞，溝道內(nèi)的電子遷移率極大地降低，導(dǎo)致比導(dǎo)通電阻成倍的增加；并且，通過(guò)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(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)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(shí)還存在熱穩(wěn)定性等問(wèn)題。

為克服上述問(wèn)題，申請(qǐng)人曾在申請(qǐng)?zhí)枮椋?02210146339.7、名稱(chēng)為一種增強(qiáng)型MIS-GaN器件的專(zhuān)利文獻(xiàn)中公開(kāi)了一種具有MIS柵極部的結(jié)構(gòu)；但是，該結(jié)構(gòu)的P型寬禁帶半導(dǎo)體層處于浮空狀態(tài)，可能影響閾值電壓穩(wěn)定性和可靠性；并且，P型寬禁帶半導(dǎo)體層摻雜向勢(shì)壘層和溝道層的擴(kuò)散形式嚴(yán)重影響器件閾值電壓和比導(dǎo)通電阻。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有增強(qiáng)型GaN器件存在的如閾值電壓一致性差、穩(wěn)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(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)復(fù)雜等諸多問(wèn)題，提供一種具有P型柵的增強(qiáng)型GaN器件；本發(fā)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(wěn)定性高、可靠性高、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。