[发明专利]一种GaN异质结纵向功率器件

说明书

本发明公开了一种GaN异质结纵向功率器件。本发明通过利用二维空穴气阻挡源极电子通过纵向栅控沟道注入到二维电子气沟道，实现器件增强型，且利用高迁移率的二维电子气沟道从而使纵向器件实现低导通电阻和大饱和电流；同时，浮空P型GaN埋层在GaN漂移区引入反偏PN结，该反偏PN结在承受反向耐压时其耗尽区不断扩展使该器件体内电场分布均匀，有效降低器件内部最大峰值电场。通过调节P‑GaN的掺杂浓度、厚度、长度使其与N型漂移区几乎同时耗尽，致使P‑GaN与N型漂移区反偏PN结之间的耗尽区扩展成一个更大的耗尽区来承受反向电压，充分发挥GaN体材料禁带宽度大耐压高的优势，提高了电力电子电路系统的可靠性和稳定性。

技术领域

本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种GaN异质结纵向功率器件。

背景技术

由于Si和GaAs为代表的前两代半导体材料的局限性，第三代宽禁带半导体材料因为其优异的性能得到了飞速发展。氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料的核心之一，相比Si，GaAs和碳化硅(SiC)特殊之处在于其所具有极化效应。AlGaN/GaN异质结由于极化效应在异质结界面靠近GaN侧产生了高浓度、高电子迁移率的二维电子气导电沟道，使得AlGaN/GaN HEMT器件具有导通电阻小、开关速度快、正向导通饱和电流密度大等特点，在器件应用中占据较大优势，因此得到广泛关注和研究。

场效应管在半导体领域占有极其重要的地位。近年来，基于GaN异质结材料的场效应管已经取得了较大发展。然而，传统的GaN异质结场效应管多为横向结构，其目前存在两大弊端：1)横向AlGaN/GaN异质结由于极化效应在异质结界面靠近GaN侧产生了高浓度、高电子迁移率的二维电子气导电沟道，因此，常规AlGaN/GaN HEMT器件为常开型器件。然而，器件实际应用中需要负压驱动，驱动电路设计难度大、成本增加，且负压驱动电路不具备失效保护功能，使得系统安全性降低。因此，对于基于GaN的场效应管而言，增强型器件比耗尽型(常开型)HEMT器件具有更多的优势，其实现技术是研究者们极其关注的问题；2)横向器件在关断状态下，电压主要由栅极与漏极之间的漂移区承受，由于电场在漂移区分布不均匀，电场峰值会出现在靠近漏端的栅极边缘，导致器件提前击穿，从而无法发挥GaN异质结器件所具有的高工作频率、低导通电阻与高耐压的优势。而且，在横向结构中，提高耐压不可避免地会增大栅漏间距，这会增大单位器件面积，提高单位器件成本，降低晶圆利用率。

GaN增强型功率器件的研究背景技术：

1.AlGaN/GaN异质结由于极化效应在异质结界面靠近GaN侧产生了高浓度、高电子迁移率的二维电子气导电沟道，因此，常规AlGaN/GaN HEMT器件为常开型器件。然而，器件实际应用中需要负压驱动，驱动电路设计难度大、成本增加，且负压驱动电路不具备失效保护功能，使得系统安全性降低。因此，对于AlGaN/GaN HEMT器件而言，增强型(常关型)HEMT器件比耗尽型(常开型)HEMT器件具有更多的优势，其实现技术是研究者们极其关注的问题。

2.近年来增强型GaN HEMT的研究工作已经取得了巨大的进步，但目前增强型GaNHEMT的阈值电压都比较低(大多小于1V)，性能要明显比耗尽型HEMT的差。通常器件阈值电压要求在2.5～4V以上，才能避免由于栅极驱动信号畸变或振铃等干扰而导致GaN器件误开启，满足功率开关在实际系统应用中安全、稳定、可靠的要求。

3.目前通常采用如下技术实现GaN增强型HEMT器件：

(1)降低Al组分或者生长薄的势垒层降低了沟道中2DEG浓度，但是增大了AlGaN/GaN HEMT的寄生电阻和开态电阻，因此Al组分和势垒层厚度只能够在有限的范围内降低，阈值电压都比较低。

(2)生长p-cap盖帽层实现增强型HEMT，但是盖帽层使栅极对于沟道的控制变弱，降低了器件的跨导，对于高频工作不利，同时P-cap技术会引入P-N结栅，器件工作时会有大量空穴注入到沟道从而会产生很大的栅电流，导致阈值电压发生回滞和可靠性降低等一系列问题。