[发明专利]一种具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件

说明书

本发明公开了一种具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件，包括：衬底、成核层、漂移区、沟道层、势垒层、第一p型氮化镓帽层、金属源电极、金属漏电极，所述第一p型氮化镓帽层上表面设有第二p型氮化镓帽层与n型氮化镓帽层、肖特基接触型金属栅电极，同时第二p型氮化镓帽层与n型氮化镓帽层上表面设有欧姆接触型金属栅电极，肖特基接触型金属栅电极与欧姆接触型金属栅电极侧壁直接接触。本发明在低栅压下可以有效消除电荷存储现象，保证了器件在重复开关工作条件下具有较高的阈值稳定性；在高栅压下可以降低器件的栅漏电，保证器件在高栅压下具有长期稳定的工作状态。

技术领域

本发明主要涉及功率半导体器件领域，具体来说，是一种具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件。

背景技术

氮化镓(GaN)作为第三代半导体的代表，具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿电场高、热导率高和介电常数小等特点。宽禁带以及高击穿电场强度可以大幅度提高器件能够承受的峰值电压，提升器件的输出功率；高电子饱和漂移速率使得器件能够适应更高的工作频率；高热导率使得器件能够承受更高的温度，从而极大地提高系统的稳定性与可靠性。其中，铝镓氮/氮化镓异质结处由极化效应产生的二维电子气所制备的高电子迁移率晶体管(HEMT)是常用的平面结构氮化镓基功率器件，兼具高耐压、高功率密度、高工作速度等优势。然而由于异质结界面处有二维电子气存在，所以零栅压下沟道中电子依然存在，因此器件通常为耗尽型器件。但是在功率系统运用中，增强型器件是电力开关的基础，增强型器件可以减少系统在工作状态下的关态损耗、增加系统稳定性，同时与目前电路系统中驱动模块相兼容，所以实现氮化镓基增强型器件，可以进一步拓宽氮化镓基器件发展。

在实现氮化镓基增强型器件的诸多方法中，技术最成熟、同时最具有市场前景的为使用P型栅帽层结构，即在栅下和铝镓氮势垒层之间引入P型氮化镓或P型铝镓氮层，通过P型掺杂提高能带，从而实现氮化镓基增强型器件。

结合参考图1所示，在本发明提出之前，P型栅帽层氮化镓器件常见的栅金属接触的形式有两种：

传统结构自下而上包括：衬底100、成核层110、漂移区120、沟道层130、势垒层140、设置于所述势垒层140上方的金属源电极150、第一p型氮化镓帽层170，以及设置于所述第一p型氮化镓帽层170上表面的金属栅电极180，所述金属栅电极180为肖特基型金属栅电极或欧姆型金属栅电极的一种。两种不同接触类型的金属所实现的增益效果如下：

采用肖特基型栅接触。使用该技术手段可以利用肖特基金属与P型氮化镓形成肖特基结，在正栅压工作条件下，肖特基结反偏，可以有效降低器件的栅电流，保证器件的栅可靠性，但是由于肖特基结的存在，使得P型氮化镓层电位浮空，在多次开关或者续流工作后，短时间内存储在P型氮化镓层中的电荷不易释放，即出现电荷存储现象，导致器件阈值发生漂移的情况，极大程度上限制了器件在高频开关下的使用。

采用欧姆型栅接触。使用该技术手段可以利用P型氮化镓或P型铝镓氮层与金属栅之间良好的欧姆栅接触，在多次开关或者续流工作后，存储在P型氮化镓或P型铝镓氮层中的电荷迅速被释放，保证了器件的阈值稳定性，但是欧姆型栅接触本质上仅存在由P型氮化镓或P型铝镓氮层、铝镓氮势垒层和氮化镓沟道层构成的PiN二级管，因此在栅压超过PiN二级管的开启电压后，栅电流会迅速增加，导致器件正常工作栅压不超过3V,使得器件在系统运用中受到许多限制。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件，可以保证器件稳定的栅压工作状态，具有较小的栅漏电，同时保证器件在关态时P型氮化镓或P型铝镓氮层电位固定，具有较高阈值稳定性。