[发明专利]具有三明治结构的GaN-HEMT器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有三明治结构的GaN‑HEMT器件及其制备方法。所述GaN‑HEMT器件包括外延层和电极，所述外延层包括GaN沟道层和Al_yGa_1‑yN势垒层，并自上而下排布；所述电极包括栅电极、源电极、漏电极和场板电极，场板电极和栅电极分别制作于外延层的上表面和下表面，场板电极延伸超过外延层的区域与栅电极相连接形成三明治结构，源电极和漏电极分别位于所述外延层的两端。在保证导电沟道完整性的同时，使器件的导电沟道受到下栅极和上场板的场效应控制。具有三明治结构的GaN‑HEMT器件提高了器件的击穿电压和栅压摆幅，提高了器件的线性度和耐压性能。

技术领域

本发明涉及高电子迁移率晶体管（HEMT），特别涉及一种具有三明治结构的GaN-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，这就要求器件具有更低的导通电阻、更高的饱和电流和更优化的材料体系。目前，电力电子器件中普遍采用硅基的功率器件，如MOSFET和IGBT。但是硅基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。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GaN-HEMT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。

然而，无论是单指栅小电流GaN-HEMT器件还是多指栅大电流器件，目前大多数工艺均采用传统的源漏电极之间的单栅条结构和场板结构，这使得二维电子气只能在单个方向上受到场效应限制，从而限制了器件的击穿电压提升和线性度的进一步降低。针对这一问题，产业界和某些研究机构已经采取鳍式结构制作出了Fin-FET结构，具有该结构的GaN-HEMT器件虽然提高了器件的栅压摆幅和线性度，但是以牺牲栅下有效导电沟道层宽度为代价的，这种方法降低了击穿电压和功率密度，同时纳米级光刻增加了器件制备的操作难度。所以，开发一种简单、高效、稳定方法，同时提高GaN-HMET的击穿电压和栅压摆幅，增强器件的线性度和耐压性能，依然十分必要。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，进一步提高GaN-HMET器件的击穿电压和栅压摆幅，本发明的目的在于提供一种具有三明治结构的GaN-HEMT器件，实现GaN功率器件的高线性度和高击穿特性。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案。

本发明提供了一种具有三明治结构的GaN-HEMT器件，所述GaN-HEMT器件包括外延层和电极，所述外延层包括GaN沟道层和Al_yGa_1-yN势垒层，并自上而下排布；所述电极包括栅电极、源电极、漏电极和场板电极，场板电极和栅电极分别制作于外延层的上表面和下表面，场板电极延伸超过外延层的区域与栅电极相连接形成三明治结构，源电极和漏电极分别位于所述外延层的两端。

本发明还提供了一种如上所述具有三明治结构的GaN-HEMT器件的制备方法，包括如下步骤：