[发明专利]源阶梯场板垂直型功率晶体管

说明书

本发明公开了一种源阶梯场板垂直型功率晶体管，其包括：衬底(1)、漂移层(2)、孔径层(3)、三级台阶形的阻挡层(4)、沟道层(6)、势垒层(7)和钝化层(12)，势垒层上两侧淀积有源极(9)，源极之间的势垒层上淀积有栅极(10)，衬底下淀积有漏极(11)，钝化层(12)包裹除漏极底部以外的所有区域，钝化层两边刻有阶梯，阶梯上淀积有金属，形成阶梯场板(13)，该阶梯场板与源极电气连接。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，特别是源阶梯场板垂直型功率晶体管，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GaN基垂直型功率晶体管，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获得授权，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-cm² Vertical GaN Transistors on Bulk-GaN Substrates,IEEEElectron Device Letters,Vol.35,No.9,pp.939-941,2014。