氮化镓功率器件结构制造技术

本实用新型专利技术涉及一种氮化镓功率器件结构，它包括衬底、成核层、第一GaN外沿层、插入层、第二GaN外沿层、AlGaN势垒层、栅极插入层、p型GaN栅极、保护层、散热层、源极金属、栅极金属与漏极金属，在AlGaN势垒层的上表面中部开设有势垒层凹陷，在栅极插入层的下表面设有栅极插入层凸起，栅极插入层凸起嵌入势垒层凹槽内并填满势垒层凹陷，在保护层的上表面开设有保护层凹陷，在散热层的下表面设有散热层凸起，散热层凸起嵌入保护层凹陷内并填满保护层凹陷。本实用新型专利技术有效地避免了电流崩塌效应，极大地增加了散热面积和通道，提升了器件的散热性能，因此器件的可靠性得到进一步提升。

【技术实现步骤摘要】
氮化镓功率器件结构
本技术涉及功率半导体器件
，本技术具体的说是一种氮化镓功率器件结构。
技术介绍
基于氮化镓材料的高电子迁移率晶体管（HEMT）具有击穿电压高、电子迁移率高、开关速度快、工艺步骤简单等优点，在功率半导体器件领域具有广泛的应用前景。然而，HEMT器件在工作状态下会承受高强度的电场应力，使得器件长期工作过程中会产生界面损伤，使器件的性能下降，甚至损坏。因此，通过设计提高器件的可靠性是器件设计人员关注的一个重要问题。在外延材料生长方面，由于异质衬底和GaN之间存在巨大的晶格失配和热膨胀系数失配，如：Si基GaN通常面临着在外延过程中和生长结束降温时由于张应力弛豫而导致的裂纹问题，因此外延生长高质量的Si基GaN材料具有较大的挑战性。Si衬底上外延GaN薄膜，其晶格失配高达17%，在生长过程中的晶格失配将引入大量位错。其次，Si衬底和GaN之间较大的热膨胀系数差异导致较大的热失配。Si的热膨胀系数为3.59×10-6K-1，而GaN的热膨胀系数为5.59×10-6K-1，二者相差很大，造成高温生长后的降温过程中外延层将承受很大的张应力，且由于外延层的厚度远小于衬底厚度，所以外延层会产生裂纹，所以如何实现高质量HEMT的外延材料是制约器件性能的关键因素之一。同时，现有研究表明，HEMT器件在工作时器件栅极末端存在较大的电场峰值，在器件工作状态下，栅极末端的强电场会导致该区域产生大量的界面态，导致器件性能下降，带来可靠性问题。同时，HEMT器件的热量通常都积聚在有源区域，为了提升HEMT器件的整体散热能力，选用高热导率材料来改善HEMT器件散热能力。而目前作为研究热点的石墨烯材料，则具有更加强大的散热能力，其热导率约为5000W/m·K。如此高散热率的材料，将极大地有助于解决HEMT器件热传导的问题，进一步提升HEMT器件工作的可靠性。
技术实现思路
本技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种漏电小且散热性能更好的氮化镓功率器件结构及其制造方法。按照本技术提供的技术方案，所述氮化镓功率器件结构，包括自下而上依次设置有衬底、成核层、第一GaN外延层、插入层、第二GaN外延层与AlGaN势垒层，在AlGaN势垒层的上表面中部开设有势垒层凹陷，在势垒层凹陷的正上方设有栅极插入层，在栅极插入层的下表面设有栅极插入层凸起，栅极插入层凸起嵌入势垒层凹槽内并填满势垒层凹陷，在栅极插入层的上表面设有P型GaN栅极，在AlGaN势垒层与P型GaN栅极的上表面设有保护层，在保护层的上表面设有散热层，在保护层的上表面开设有保护层凹陷，在散热层的下表面设有散热层凸起，散热层凸起嵌入保护层凹陷内并填满保护层凹陷；在保护层与散热层上开设有深至AlGaN势垒层上表面的源极金属窗口与漏极金属窗口，在源极金属窗口内设有与AlGaN势垒层相连的源极金属，在漏极金属窗口内设有与AlGaN势垒层相连的漏极金属，在保护层与散热层上还开设有深至P型GaN栅极上表面的栅极金属窗口，在栅极金属窗口内设有与P型GaN栅极相连的栅极金属。作为优选，所述势垒层凹陷的最大深度位于第二GaN外延层上表面之上；所述保护层凹陷结构的最大深度位于AlGaN势垒层的上表面之上。作为优选，所述插入层的材质为GaN、AlGaN、AlInN、AlInGaN中的任意一种，或者为GaN、AlN、InN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN任意组合构成的多周期超晶格结构材料中的任意一种或多种，当插入层为多周期超晶格结构时，周期数为1~5，且插入层的厚度为50nm~500nm。作为优选，所述栅极插入层的材质为单层AlN、AlGaN、AlInN、AlInGaN中的任意一种，或者为AlN、AlGaN、AlInN、AlInGaN任意组合构成的多周期超晶格结构材料中的任意一种或多种，当栅极插入层为多周期超晶格结构时，周期数为1~100，且栅极插入层的厚度为50nm~500nm。作为优选，所述保护层的材质为SiO2、Si3N4、SiC、TiO2、Al2O3、磷硅玻璃中的任意一种或多种，且保护层的厚度为500nm~3000nm。作为优选，所述栅极插入层为P型掺杂的，掺杂浓度为：1×1016cm-3~5×1021cm-3；所述P型GaN栅极的掺杂浓度为：1×1016cm-3~5×1021cm-3，厚度为20nm~200nm。作为优选，所述衬底的材质为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓、氮化铝、氮化硼、氧化镓、氧化锌、金刚石中的任意一种；所述成核层的材质为GaN、AlN、InN中的任意一种，且厚度为5nm~30nm；所述第一GaN外延层的厚度为500nm~3500nm；所述第二GaN外延层的厚度为800nm~3500nm；所述AlGaN势垒层的厚度为5nm~60nm；所述散热层的材质为石墨烯材料，且厚度为0.335nm~10nm；所述源极金属、栅极金属、漏极金属的材质均为钛、铝、金、镍、银、铜、铂中的任意一种或多种。作为优选，所述势垒层凹陷为倒三角锥形或者长方体形，且栅极插入层凸起为倒三角锥形或者长方体形。作为优选，所述保护层凹陷为半球形或者倒四面体形，且散热层凸起为半球形或者倒四面体形。本技术的器件在耐压状态下栅极末端处具有更小的峰值电场，具有更小的漏电，有效避免电流崩塌效应，同时采用石墨烯散热层设计，结合微结构设计，极大地增加了散热面积和通道，提升了器件的散热性能，因此器件的可靠性得到进一步提升。附图说明图1是本技术器件的剖视图。具体实施方式下面结合具体实施例对本技术作进一步说明。实施例1一种氮化镓功率器件结构，包括自下而上依次设置有硅衬底101、厚度为5nm的AlN成核层102、厚度为500nm的第一GaN外延层103、厚度为50nm的AlInGaN插入层104、厚度为800nm的第二GaN外延层105与厚度为5nm的AlGaN势垒层106，在AlGaN势垒层106的上表面中部开设有倒三角锥形且最大深度为25nm的势垒层凹陷，在势垒层凹陷的正上方设有P型掺杂浓度为1×1016cm-3、周期数为1且厚度为50nm的GaN/AlInGaN超晶格栅极插入层107，在栅极插入层107的下表面设有栅极插入层凸起，栅极插入层凸起嵌入势垒层凹槽内并填满势垒层凹陷，在栅极插入层107的上表面设有掺杂浓度为1×1016cm-3且厚度为20nm的P型GaN栅极108，在AlGaN势垒层106与P型GaN栅极108的上表面设有厚度为500nm的SiO2保护层109，在保护层109的上表面设有石墨烯材料且厚度为0.335nm的散热层110，在保护层109的上表面开设有半球形且最大深度为250nm的保护层凹陷，在散热层110的下表面设有散热层凸起，散热层凸起嵌入保护层凹陷内并填满保护层凹陷；在保护层109与散热层110上开设有深至AlGaN势垒层106上表面的源极金属窗口与漏极金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化镓功率器件结构，包括自下而上依次设置有衬底（101）、成核层（102）、第一GaN外延层（103）、插入层（104）、第二GaN外延层（105）与AlGaN势垒层（106），其特征是：在AlGaN势垒层（106）的上表面中部开设有势垒层凹陷，在势垒层凹陷的正上方设有栅极插入层（107），在栅极插入层（107）的下表面设有栅极插入层凸起，栅极插入层凸起嵌入势垒层凹槽内并填满势垒层凹陷，在栅极插入层（107）的上表面设有P型GaN栅极（108），在AlGaN势垒层（106）与P型GaN栅极（108）的上表面设有保护层（109），在保护层（109）的上表面设有散热层（110），在保护层（109）的上表面开设有保护层凹陷，在散热层（110）的下表面设有散热层凸起，散热层凸起嵌入保护层凹陷内并填满保护层凹陷；/n在保护层（109）与散热层（110）上开设有深至AlGaN势垒层（106）上表面的源极金属窗口与漏极金属窗口，在源极金属窗口内设有与AlGaN势垒层（106）相连的源极金属（111），在漏极金属窗口内设有与AlGaN势垒层（106）相连的漏极金属（113），在保护层（109）与散热层（110）上还开设有深至P型GaN栅极（108）上表面的栅极金属窗口，在栅极金属窗口内设有与P型GaN栅极（108）相连的栅极金属（112）。/n...

【技术特征摘要】
1.一种氮化镓功率器件结构，包括自下而上依次设置有衬底（101）、成核层（102）、第一GaN外延层（103）、插入层（104）、第二GaN外延层（105）与AlGaN势垒层（106），其特征是：在AlGaN势垒层（106）的上表面中部开设有势垒层凹陷，在势垒层凹陷的正上方设有栅极插入层（107），在栅极插入层（107）的下表面设有栅极插入层凸起，栅极插入层凸起嵌入势垒层凹槽内并填满势垒层凹陷，在栅极插入层（107）的上表面设有P型GaN栅极（108），在AlGaN势垒层（106）与P型GaN栅极（108）的上表面设有保护层（109），在保护层（109）的上表面设有散热层（110），在保护层（109）的上表面开设有保护层凹陷，在散热层（110）的下表面设有散热层凸起，散热层凸起嵌入保护层凹陷内并填满保护层凹陷；
在保护层（109）与散热层（110）上开设有深至AlGaN势垒层（106）上表面的源极金属窗口与漏极金属窗口，在源极金属窗口内设有与AlGaN势垒层（106）相连的源极金属（111），在漏极金属窗口内设有与AlGaN势垒层（106）相连的漏极金属（113），在保护层（109）与散热层（110）上还开设有深至P型GaN栅极（108）上表面的栅极金属窗口，在栅极金属窗口内设有与P型GaN栅极（108）相连的栅极金属（112）。


2.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件结构，其特征是：所述势垒层凹陷的最大深度位于第二GaN外延层（105）上表面之上；所述保护层凹陷结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺洁，王书昶，黄飞明，励晔，
申请(专利权)人：无锡硅动力微电子股份有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏;32