[发明专利]一种折叠栅氧化镓基场效应晶体管

说明书

本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种折叠栅氧化镓基场效应晶体管。本发明针对氧化镓材料P型掺杂困难且增强型器件难以兼顾低导通电阻的问题，提出一种兼具高阈值电压和低导通电阻的横向增强型氧化镓场效应晶体管。利用金属与氧化镓的功函数差将鳍型导电沟道夹断，从而实现关断和高耐压，获得低泄漏电流及硬雪崩击穿特性；当栅压高于阈值电压，鳍型导电沟道侧壁形成电子积累层且折叠栅结构增加沟道密度，导通电阻大大降低。本发明的有益效果为，本发明的器件兼具高阈值电压和低导通电阻的优点且易于集成。

技术领域

本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种折叠栅氧化镓基场效应晶体管。

背景技术

氧化镓材料具有超宽禁带(E_g＝4.5-4.9eV)和高击穿电场(8MV/cm)，氧化镓基功率器件的Baliga优值为GaN的4倍、SiC的10倍以及Si的3444倍。因此，氧化镓有望成为高压、大功率、低损耗功率器件的优选材料，满足高功率密度、高转换效率及小型轻量化的电源系统需求。

具有误开启自保护功能的增强型器件是电力电子系统中的器件首要标配特性，也是器件实现低功率损耗的必要条件。由于氧化镓尚未实现有效的P型掺杂，氧化镓增强型MOSFET器件研制面临挑战。目前，横向增强型氧化镓MOSFET的实现主要是通过凹槽栅结构(参见文献Kelson D.Chabak,et al.,Recessed-Gate Enhancement-Modeβ-Ga₂O₃ MOSFETs,IEEE Electron Device Letters,vol.39,no.1,pp.67-70,2018)，该结构使氧化镓MOSFET的阈值电压达到4V，其基本思想是降低沟道有效载流子浓度，但使导通电阻大幅提高，难以实现低功率损耗的目的。为了在实现增强型的同时改善沟道电阻，有研究者提出具有鳍栅结构的垂直增强型氧化镓MOSFET(Zongyang Hu,et al.,1.6kV Vertical Ga₂O₃ FinFETsWith Source Connected Field Plates and Normally-off Operation,IEEE ISPSD2019,pp.483-486)，通过利用鳍栅两侧MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)结构的耗尽作用夹断沟道，实现高达4V的阈值电压，当器件导通时，鳍栅侧壁形成电子积累层，构成低阻通道，有助于实现较低的导通电阻。然而，相较于横向功率器件，纵向功率器件与工艺的兼容性较差，不易于集成。因此，如何同时实现横向增强型氧化镓MOSFET的高阈值电压和低导通电阻成为目前亟待解决的关键问题之一。

发明内容

本发明针对上述存在的问题，提出一种折叠栅氧化镓基场效应晶体管，不但兼具高阈值电压和低导通电阻，而且作为横向器件，易于集成且不大幅增加工艺复杂度。

本发明的技术方案为：

一种折叠栅氧化镓基场效应晶体管，包括衬底层1、位于衬底层1上表面的缓冲层2、位于缓冲层2上表面的外延层3；沿器件横向方向，所述外延层3上部的一端具有源区4，另一端具有漏区5，所述源区4上表面部分覆盖源极金属6，所述漏区5上表面部分覆盖漏极金属7；所述源区4和漏区5之间的外延层3中具有栅区，所述栅区不与源区4和漏区5相接触，其特征在于，沿器件纵向方向，所述栅区由两个或两个以上深度相同且等间距排列的槽型区构成，所述槽型区的槽壁、槽底和槽型区之间的外延层3上表面覆盖有栅介质层9，所述栅介质层9上表面覆盖栅极金属8且栅极金属8填充所述槽型区；所述栅极金属8和源极金属6之间、漏极金属7之间具有钝化介质层10；器件纵向方向是指同时垂直于器件横向方向和器件水平方向的第三维度方向。

进一步的，所述源极金属6顶部向漏极金属7方向延伸，部分覆盖钝化介质层10并终止于栅极金属8和漏极金属7之间的钝化介质层10上表面，且不与栅极金属8和漏极金属7接触。