[发明专利]浮空型漏场板电流孔径器件及其制作方法

说明书

本发明公开了一种浮空型漏场板电流孔径器件，其自下而上包括：肖特基漏极(11)、GaN衬底(1)、GaN漂移层(2)、孔径层(3)、两个对称的电流阻挡层(4)、沟道层(6)、势垒层(7)和栅极(10)，势垒层(7)上的两侧刻有两个源槽(8)，两个源槽处淀积有两个源极(9)，除肖特基漏极底部以外的所有区域完全覆盖有钝化层(13)，两侧的钝化层内制作有浮空型漏场板(12)，该浮空型漏场板是由多个相互独立的浮空场板和一个与肖特基漏极电气连接的第一场板构成，两个电流阻挡层(4)之间形成孔径(5)。本发明击穿电压高、工艺简单、导通电阻小、成品率高，可用于电力电子系统。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，特别是浮空型漏场板电流孔径器件，可用于电力电子系统。

技术背景

功率半导体器件是电力电子技术的核心元件，随着能源和环境问题的日益突出，研发新型高性能、低损耗功率器件就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。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。随着微电子技术的发展，传统第一代Si半导体和第二代GaAs半导体功率器件性能已接近其材料本身决定的理论极限。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GaN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基异质结结构的横向高电子迁移率晶体管，即横向GaN基高电子迁移率晶体管HEMT器件，更是因其低导通电阻、高击穿电压、高工作频率等特性，成为了国内外研究和应用的热点、焦点。

然而，在横向GaN基HEMT器件中，为了获得更高的击穿电压，需要增加栅漏间距，这会增大器件尺寸和导通电阻，减小单位芯片面积上的有效电流密度和芯片性能，从而导致芯片面积和研制成本的增加。此外，在横向GaN基HEMT器件中，由高电场和表面态所引起的电流崩塌问题较为严重，尽管当前已有众多抑制措施，但电流崩塌问题依然没有得到彻底解决。为了解决上述问题，研究者们提出了垂直型GaN基电流孔径异质结场效应器件，也是一种电流孔径器件，参见AlGaN/GaN current aperture vertical electrontransistors,IEEE Device Research Conference,pp.31-32,2002。GaN基电流孔径异质结场效应器件可通过增加漂移层厚度提高击穿电压，避免了牺牲器件尺寸和导通电阻的问题，因此可以实现高功率密度芯片。而且在GaN基电流孔径异质结场效应器件中，高电场区域位于半导体材料体内，这可以彻底地消除电流崩塌问题。2004年，Ilan Ben-Yaacov等人利用刻蚀后MOCVD再生长沟道技术研制出AlGaN/GaN电流孔径异质结场效应器件，该器件未采用钝化层，最大输出电流为750mA/mm，跨导为120mS/mm，两端栅击穿电压为65V，且电流崩塌效应得到显著抑制，参见AlGaN/GaN current aperture vertical electrontransistors with regrown channels,Journal of Applied Physics,Vol.95,No.4,pp.2073-2078,2004。2012年，Srabanti Chowdhury等人利用Mg离子注入电流阻挡层结合等离子辅助MBE再生长AlGaN/GaN异质结的技术，研制出基于GaN衬底的电流孔径异质结场效应器件，该器件采用3μm漂移层，最大输出电流为4kA·cm^-2，导通电阻为2.2mΩ·cm²，击穿电压为250V，且抑制电流崩塌效果好，参见CAVET on Bulk GaN Substrates AchievedWith MBE-Regrown AlGaN/GaN Layers to Suppress Dispersion,IEEE Electron DeviceLetters,Vol.33,No.1,pp.41-43,2012。同年，由Masahiro Sugimoto等人提出的一种增强型GaN基电流孔径异质结场效应器件，参见Transistor,US8188514B2,2012。此外，2014年，Hui Nie等人基于GaN衬底研制出一种增强型GaN基电流孔径异质结场效应器件，该器件阈值电压为0.5V，饱和电流大于2.3A，击穿电压为1.5kV，导通电阻为2.2mΩ·cm²，参见1.5-kV and 2.2-mΩ-cm²Vertical GaN Transistors on Bulk-GaN Substrates,IEEEElectron Device Letters,Vol.35,No.9,pp.939-941,2014。