[实用新型]一种石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET的元胞结构

说明书

本实用新型公开了一种石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构，该元胞结构从下至上包括衬底、AlN隔离层、石墨烯掩埋散热层、AlN成核层，GaN缓冲层，n型重掺杂GaN层，n型GaN层，p型GaN电子阻挡层、非掺杂GaN层以及AlGaN势垒层；元胞结构的栅槽孔由元胞结构的顶部一直延伸至所述n型GaN层，所述栅槽孔的侧壁及底部均设置有栅介质层。本申请解决了现有常关型GaN MISFET器件不能同时兼具均匀而稳定的大阈值电压、低的器件导通电阻和高开关速率的技术问题，针对GaN基III‑V族材料功率器件中的常关型类别，提出一种具有纵向栅极结构的常关型GaN MISFET器件元胞结构及其制备方法，以实现GaN MISFET器件稳定大阈值电压常关型操作的同时有效降低器件的开启导通电阻。

技术领域

本实用新型属于半导体器件领域，具体涉及一种石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构。

背景技术

功率开关器件作为DC/AC、AC/DC、DC/DC以及AC/AC等电能变换器的核心部件，在现代电子设备中具有重要应用需求，是实现相关系统集成控制和保证系统安全性、可靠性、稳定性和高效性的关键核心器件。GaN作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，与传统的半导体材料Si相比，具有禁带宽度宽、击穿电场大、电子饱和漂移速度高、介电常数小以及良好的化学稳定性等特点。 GaN材料异质结构(典型如AlGaN/GaN)界面存在大密度的界面极化电荷，可以诱导出高密度的二维电子气(2DEG)(＞1013cm-2)。由于沟道材料无故意掺杂，电子在沟道内能够保持很高的迁移率(＞1000cm2V-1s-1)。因此，GaN材料适合制作高电子迁移率晶体管(HEMT)，它的导通电阻只有SiC器件的1/2～1/3，比Si器件低三个数量级以上，因此具有更低的开关损耗和更优的频率特性，非常适于研制更高耐压、更大电流、更高频率、更小体积和更恶劣环境的应用，在通讯电源、航空航天、船舶舰载电源等领域具有十分广阔的应用前景。

以GaN为代表的III-V族材料异质结构(典型如AlGaN/GaN)界面由于存在高密度带正电的极化电荷，通过极化电场可以诱导材料中的电子并使之束缚在异质结构界面处，形成在二维平面运动的2DEG导电沟道。为了实现GaN材料 HEMT器件的常关型操作，目前常规的方法都是基于削弱或者抵消异质结构界面处极化电荷所形成强电场的原理，主要有栅极势垒层刻蚀形成凹槽栅、氟离子注入势垒层形成氟化栅、以及栅极生长p型盖帽层三种方案。

如图1所示，凹槽栅方案器件结构包括衬底1、AlN成核层2、非掺杂GaN 层3、AlGaN势垒4、栅介质层5、源极6、栅极以及漏极8；其通过切断2DEG 沟道而达到常关型操作，方法直接简单，但是对于大面积器件栅极刻蚀深度均匀性难以保证，另外具有刻蚀损伤表面的区域尺寸较大(2～3μm)，器件的导通电阻一般较大。

如图2所示，氟离子注入势垒层形成氟化栅结构包括衬底1、AlN成核层2、非掺杂GaN层3、AlGaN势垒4、栅介质层5、源极6、栅极以及漏极8；常关型 GaN基HEMT器件结构，在栅极区域AlGaN势垒层4内通过注入的方式注入氟离子9而带负电，从而排斥AlGaN/GaN界面处的2DEG，可以使器件实现常关型操作，引入氟离子杂质的AlGaN/GaN界面沟道将作为器件开启的导电沟道。氟离子注入势垒层方案不破坏2DEG沟道界面，但是由于氟离子的热稳定性问题，器件在使用过程的可靠性是潜在隐患，另外对于大面积器件，其阈值电压均匀性不好。

如图3所示，栅极势垒层上方生长p型GaN(或者InGaN)盖帽层常关型器件结构包括衬底1、AlN成核层2、非掺杂GaN层3、AlGaN势垒4、栅介质层5、源极6、栅极以及漏极8；该结构则利用内建电场来耗尽2DEG沟道电子，器件沟道导电性能较好，但高浓度p型掺杂10较难控制，外延片各个位置的浓度均匀性不完全一致，因此器件阈值电压较小且均匀性同样不好。另外由于栅电极距离2DEG沟道过远，器件的开关速率受到影响。以上三种设计方案的栅极结构通过常规光学光刻来实现，栅极长度较大，一般在2～3μm范围，其典型特征是栅极横向电流沟道开关控制。

实用新型内容