[发明专利]一种GaN纵向逆导结场效应管

说明书

本发明属于功率半导体技术领域，涉及GaN纵向逆导结场效应管。本发明利用器件顶层两个背靠背的PN结形成JFET结构来控制沟道的开启和关断。肖特基金属和欧姆金属分别淀积在相邻两个JFET区上形成源极，利用源极肖特基金属形成逆导二极管的阳极，漏极金属为逆导二极管的阴极。通过适当的控制欧姆接触JFET区的沟道宽度和PN结的掺杂浓度可以实现对器件阈值电压的控制。本发明的有益效果为，在正向开关工作状态下，具有阈值电压可调，导通电阻低、饱和电流大、关态耐压高和低功耗等优点；在逆导工作状态下，具有开启电压低、导通电阻低，反向耐压大和低功耗等优点。

技术领域

本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种GaN纵向逆导结场效应管。

背景技术

GaN作为第三代宽禁带半导体材料的代表，由于其优异于第一代(Si)和第二代(GaAs)半导体材料的材料特性，使其在当今社会的应用越来越广泛。由于GaN材料的禁带宽度大，具备高的功率密度，使其在5G通信方面有着重要地位；AlGaN/GaN异质结界面处由于材料极化效应而引起的2DEG具有高浓度、高迁移率的特点，因此器件可以实现高开关频率和低导通损耗，因此该类GaN器件被广泛的无人驾驶技术和电动汽车上。与SiC材料相比，同样属于第三代半导体材料GaN具备更大优势。一方面，GaN-on-Si的发展使得GaN器件的成本显著下降，这对于GaN器件的应用是具有里程碑意义的。另一方面，由于GaN器件属于平面器件，与现有的Si半导体工艺兼容性强，这使其更容易与其他半导体器件集成。正因如此，对于GaN材料的研究也越来越受到人们的关注。

GaN器件发展30几年来，对于横向AlGaN/GaN HEMT器件的研究相对比较成熟，因此横向器件的缺点也越来越被大家熟知。1)传统横向GaN HEMT器件会导致电流崩塌等一系列可靠性问题。电流崩塌是由于器件沟道内电场分布不均匀而引起的沟道电子被AlGaN势垒层缺陷所俘获，俘获后的缺陷反过来耗尽2DEG沟道，而导致的器件电流能力下降和导通电阻升高等问题。这一现象在横向器件中是普遍存在的，且备受研究者关注。2)由于横向器件利用高速高迁移率的2DEG沟道进行导电，因此器件一般是表面器件，表面器件通常易发生过早击穿的问题。在反向耐压状态下，器件沟道内电场分布不均匀，一般在栅极靠近漏端处电场相对比较集中。过于集中的电场不仅会引起如上述所述的电流崩塌的问题，同样会造成器件表面电场过高而引起的过早击穿问题，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。3)对于横向器件为了提高器件的击穿电压，通常需要通过增大器件栅漏间距的方法实现，这会导致器件尺寸增大，从而增大生产成本。这与GaN器件的发展趋势和市场定位是相悖的。

针对横向器件所具有的缺点，研究者们也给出了相应的解决方法。1)对于横向器件的电流崩塌问题，研究者提出采用钝化层的方法来缓解电流崩塌引起的器件性能的退化，常见的钝化层由SiN、AlN、SiO2等。钝化层的引入，一方面能减少AlGaN势垒层中的缺陷，另一方面能缓解电场分布集中的问题，因此能有效的降低因电流崩塌而造成的器件性能退化。然而，钝化层的引入同样也会引起其他方面的问题，如钝化层与AlGaN势垒层的界面问题，钝化层引入的额外的漏电通道问题等。这些问题同样可能引起器件可靠性问题，因此目前的手段只能缓解这一现象而不能从根源上解决这个问题。2)对于反向耐压下，沟道电场分布不均匀而引起的器件过早击穿的问题，研究者提出通过场板技术方案来解决这一问题。场板是与电极相连接的金属层，根据连接的电极，一般分为栅场板和源场板两种。场板的引入很好的解决了栅极靠漏端电场集中而引起的器件过早击穿的问题，大大提升了横向器件的击穿电压，也是目前应用比较广泛的一项用于提升器件击穿电压的手段。同样，场板的引入不可避免的引入了额外的寄生电容和寄生电感等，这大大影响了器件的开关频率和开关速度，同时增加了额外的功耗问题。因此对于横向器件而言，需要在这两者之间进行折中考虑。3)对于横向器件通过牺牲器件面积来换取器件的高耐压问题，目前的解决方法还是通过结合场板等多项技术尽可能在牺牲最小器件面积的情况下提升器件的击穿电压。但目前对于600V级别的器件来说器件的面积还是要大很多。基于上述分析，研究者们非常渴望能够从根源上解决横向AlGaN/GaN HEMT器件所面临的这些问题。