[发明专利]复合渐变层氮化镓功率晶体管

说明书

本发明公开了一种复合渐变层氮化镓功率晶体管及其制作方法，主要解决现有的功率开关器件双向导通特性差，导致其所用系统的成本高，功率效率低的问题。其自下而上包括：漏极、衬底层、漂移层、沟道层、Nsupgt;+/supgt;型层和源极，该沟道层的两侧的漂移层内设有第一渐变层，其间距小于沟道层宽度，且其上部设有栅极，漂移层上部中央设有调制岛极，调制岛极下方的漂移层内设有等间隔的n块第二渐变层，该第一渐变层由第一渐变P型层和第一渐变N型层组成，第二渐变层由第二渐变P型层和第二渐变N型层组成。本发明降低了反向导通开启压降、增大了导通电流，其阻断时泄漏电小耐压高，具有良好的双向导通特性，可作为功率开关器件。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种复合渐变层氮化镓功率晶体管，可作为电力电子系统的基本器件。

技术背景

当前，大力研发高性能、高可靠性的功率开关器件，以显著提升电力电子系统的效率和整体性能，是助力节能减排和绿色发展战略实施的有效途径之一。传统的硅基功率开关器件由于受到硅材料本身的限制，其性能已趋近理论极限，不能满足下一代电力电子系统对高温、高压、高频、高效和高功率密度的要求。而氮化镓基功率开关器件，特别是氮化镓基结型场效应管，凭借氮化镓材料的大禁带宽度、高饱和电子漂移速度、强击穿电场、化学性质稳定等特点，可实现更低导通电阻、更快开关速度、更高击穿电压等特性，从而显著提升电力电子系统的性能和可靠性。因此，高性能、高可靠性GaN基垂直功率器件在国民经济与军事领域具有非常广阔和特殊的应用前景。

在目前绝大部分的功率开关电源中，需要功率半导体器件能实现正向导通和反向导通的双向导通特性。然而，在传统结型垂直场效应晶体管中，器件只可实现良好的正向导通特性，即栅极与源极之间施加的偏置电压为大于阈值电压时，漏极与源极之间施加电压，电流从漏极流向源极；当栅极与源极之间施加的偏置电压为零伏或小于阈值电压时，器件处于关断状态，由于器件沟道关断，要使源极与漏极之间导通，即电流从源极流向漏极，需要克服较大的开启压降，退化反向导通特性，且导致较大功率损耗。

现有的旁置续流二极管的结型垂直场效应晶体管基于同质外延结构，其包括：衬底层1、漂移层2、N型GaN沟道层3、P型GaN层4、源极5、漏极6、栅极7和肖特基极8；衬底层1上淀积有漂移层2；漂移层2的上部左边设有肖特基极8；漂移层2上部中间部分设置有N型GaN沟道层3；漂移层2的上部，N型GaN沟道层3的左、右两侧分别淀积有P型GaN层4；N型GaN沟道层3上淀积有源极5；左、右两侧的P型GaN层4上部分别淀积有栅极7；衬底层1下部淀积有漏极6，如图1所示。

为了满足功率开关电源的实际需要，现有的方案通常在传统的统结型垂直场效应晶体管旁，额外制作的一个开启压降小的续流二极管，如图1所示。参见A novel GaNvertical junction field-effect transistor with intrinsic reverse conductioncapability and kilo-volt breakdown voltage，IOP，2022，但该方案会产生较大的寄生电感和电容，产生较大的功率损耗，同时，该方案的泄漏电流大、耐压能力差，因此，研发具有优异双向导通特性、阻断特性的氮化镓垂直功率器件是当前高性能功率电子系统的急需。

发明内容

本发明的目的提供一种复合渐变层氮化镓功率晶体管，以解决上述现有技术带来的关态泄漏电流大，击穿电压低，开启压降高和导通电阻大，导致功率效率低和能耗大的问题，进而提升器件性能和电力电子系统的功率效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

1.一种复合渐变层氮化镓功率晶体管，自下而上包括：漏极12、衬底层1和漂移层2，漂移层2上依次设有沟道层3、N⁺型层4和源极11，沟道层3的两侧设有栅极13，其特征在于：

所述栅极13下方的漂移层2内部，设有第一渐变层5，以控制电流沟道的导通与关断；