[发明专利]具有背场板结构的HEMT器件及其制备方法

说明书

本发明公开了具有背场板结构的HEMT器件，由下至上依次包括硅衬底、GaN外延层、AlGaN势垒层、Si₃N₄钝化保护层；栅电极、源电极和漏电极设于AlGaN势垒层之上；所述硅衬底设有横截面为直角梯形的凹槽；所述凹槽开口向下，凹槽的顶部为GaN外延层的下表面；背场板结构设于硅衬底的部分下表面、凹槽的斜面、凹槽的部分顶部之上。本发明还公开了上述具有背场板结构的HEMT器件的制备方法。本发明利用衬底隔离及背场板技术，避免了器件的衬底击穿，提高了GaN HEMT器件的击穿电压，降低了栅极漏侧场强峰值，提高了器件的散热性能，对于实现高性能、高可靠性氮化镓基器件具有重要意义。

技术领域

本发明涉及高电子迁移率晶体管(HEMT)，特别涉及具有背场板结构的HEMT器件及其制备方法。

背景技术

电力电子器件广泛应用于家用电器、工业设备、汽车电源等众多领域。新一代电力电子器件要求具有更高的效率、更高的功率密度和高温工作环境下更高的可靠性。目前，电力电子器件中普遍采用硅基的功率器件，如MOSFET和IGBT。但是硅电子电力器件经过长期的发展，性能以及趋于其材料的理论极限，新一代电力电子器件的面临着高压、高频和小体积等巨大的挑战。第三代半导体材料GaN具有禁带宽度大、饱和电子迁移速度高、化学性质稳定等优点。因此，基于GaN材料的电力电子器件具有导通电阻小、开关速度快、耐压高、耐高温性能好等优点。另一方面，GaN可以生长在Si、SiC及蓝宝石上。GaN高电子迁移率晶体管是一种基于GaN材料的电力电子器件，通过外延形成AlGaN/GaN异质结，经过极化电场的调制作用，在异质界面处，即使在未人为掺杂的情况下，也能形成面密度达10¹³cm-2的二维电子气，由于材料没有掺杂，在二维平面内电子在GaN中的迁移率超过2000cm²/Vs。这使得GaNHEMT具有低导通电阻和高工作频率的特点。能够满足新一代电力电子器件对更大功率、更高频率、更小体积和高温工作条件的要求，可应用于AC/DC,DC/DC变换器，DC/AC电动机驱动器和光伏发电等。

由于Si衬底具有价格低廉、工艺成熟、直径大等优点，目前Si衬底上制备GaN HEMT成为研究热点。其中，HEMT器件研究的一大热点在于高压工作状态下的击穿问题。栅极漏侧边缘处由于存在最大的电场，高压和快速转换条件下容易导致电击穿和热击穿。此外，Si材料具有低的禁带宽度，Si衬底成为器件最薄弱的部位，容易被高压击穿，限制了Si衬底的GaN HEMT在高压下的应用。通常Si衬底GaN HEMT应用在1000V以下，限制了其工作功率。

目前已有的改进器件击穿电压的措施有设置场板结构降低栅极电场密度；补偿掺杂获得高阻Si衬底，这种方法不能从根本上改变Si材料窄禁带的本质；以及增加外延缓冲层厚度，提高关态电阻，这种方法外延生长时间长，极大地增加了生产成本，增加外延厚度，也对器件散热性能提出更高的挑战。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种具有背场板结构的HEMT器件，既解决现有Si衬底HEMT高压工作容易在硅衬底部位发生击穿的问题，又解决栅极漏侧发生电击穿和热击穿的问题，实现Si衬底HEMT的1kV电压下正常工作。

本发明的另一目的在于提供上述具有背场板结构的HEMT器件的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

具有背场板结构的HEMT器件，由下至上依次包括硅衬底、GaN外延层、AlGaN势垒层、Si₃N₄钝化保护层；栅电极、源电极和漏电极设于AlGaN势垒层之上；所述硅衬底设有横截面为直角梯形的凹槽；所述凹槽开口向下，凹槽的顶部为GaN外延层的下表面；背场板结构设于硅衬底的部分下表面、凹槽的斜面、凹槽的部分顶部之上。

所述背场板结构与GaN外延层的接触线宽为5～10μm。