[发明专利]介质调制复合交叠栅功率器件

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，特别是介质调制复合交叠栅功率器件，可作为电力电子系统的基本器件。

技术背景

功率半导体器件是电力电子系统的重要元件，是进行电能处理的有效工具。近年来，随着能源和环境问题的日益突出，研发新型高性能、低损耗功率器件已成为提高电能利用率、节约能源、缓解能源危机的有效途径之一。然而，在功率器件研究中，高速、高压与低导通电阻之间存在着严重的制约关系，合理、有效地改进这种制约关系是提高器件整体性能的关键。随着市场不断对功率系统提出更高效率、更小体积、更高频率的要求，传统Si基半导体功率器件性能已逼近其理论极限。为了能进一步减少芯片面积、提高工作频率、提高工作温度、降低导通电阻、提高击穿电压、降低整机体积、提高整机效率，以氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，凭借其更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和更高的电子饱和漂移速度，且化学性能稳定、耐高温、抗辐射等突出优点，在制备高性能功率器件方面脱颖而出，应用潜力巨大。特别是采用GaN基异质结结构的高电子迁移率晶体管，即GaN基HEMT器件，更是因其低导通电阻、高工作频率等特性，能满足下一代电子装备对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣高温工作的要求，在经济和军事领域具有广阔和特殊的应用前景。

然而，常规GaN基HEMT器件结构上存在固有缺陷，会导致器件沟道电场强度呈畸形分布，尤其是在器件栅极靠近漏极附近存在极高电场峰值。导致实际的GaN基HEMT器件的击穿电压往往远低于理论期望值，且存在电流崩塌、逆压电效应等可靠性问题，严重制约了在电力电子领域中的应用和发展。为了解决以上问题，国内外研究者们提出了众多方法，而场板结构是其中效果最为显著、应用最为广泛的一种。2000年美国UCSB的N.Q.Zhang等人首次将场板结构成功应用于GaN基HEMT功率器件中，研制出交叠栅器件，饱和输出电流为500mA/mm，关态击穿电压可达570V，这是当时所报道击穿电压最高的GaN器件，参见High breakdown GaN HEMT with overlapping gate structure,IEEE Electron Device Letters,Vol.21,No.9,pp.421-423,2000。随后，各国研究机构纷纷展开了相关的研究工作，而美国和日本是该领域中的主要领跑者。在美国，主要是UCSB、南卡大学、康奈尔大学以及著名的电力电子器件制造商IR公司等从事该项研究。日本相对起步较晚，但他们对这方面的工作非常重视，资金投入力度大，从事机构众多，包括：东芝、古河、松下、丰田和富士等大公司。随着研究的深入，研究者们发现相应地增加场板长度，可以提高器件击穿电压。但场板长度的增加会使场板效率，即击穿电压比场板长度，不断减小，也就是场板提高器件击穿电压的能力随着场板长度的增加逐渐趋于饱和，参见Enhancement of breakdown voltage in AlGaN/GaN high electron mobility transistors using a field plate,IEEE Transactions on Electron Devices,Vol.48,No.8,pp.1515-1521,2001，以及Development and characteristic analysis of a field-plated Al₂O₃/AlInN/GaN MOS HEMT,Chinese Physics B,Vol.20,No.1,pp.0172031-0172035,2011。因此，为了进一步提高器件击穿电压，同时兼顾场板效率，2008年日本东芝公司的Wataru Saito等人采用栅场板和源场板的双层场板结构研制出了双层场板绝缘栅型GaN基HEMT器件，该器件击穿电压高达940V，最大输出电流高达4.4A，参见A 130-W Boost Converter Operation Using a High-Voltage GaN-HEMT,IEEE Electron Device Letters,Vol.29,No.1,pp.8-10,2008。这种双层场板结构已成为当前国际上用来改善GaN基功率器件击穿特性，提高器件整体性能的主流场板技术。然而，GaN基双层场板HEMT器件的结构和制造工艺过于复杂，制造成本高，每一层场板的制作都需要光刻、淀积金属、淀积钝化介质等工艺步骤。而且要优化各层场板下介质材料厚度以实现击穿电压最大化，必须进行繁琐的工艺调试和优化，因此大大增加了器件制造的难度，降低了器件的成品率。

发明内容