一种具有侧壁场板的凸型栅增强型GaN基HEMT器件结构制造技术

本申请提供一种具有侧壁场板的凸型栅增强型GaN基HEMT器件，包括衬底，衬底上依次设有缓冲层、沟道层，沟道层为凸台型，凸台的顶部和下部平面上设有势垒层，凸台的外侧和势垒层的上部设有栅介质层，凸台顶部的栅介质层和凸台外侧的栅介质层的外侧设有栅电极，凸台下部平面两侧设有源漏电极与势垒层相连；本实用新型专利技术利用沟道层材料体系的非极性面实现2DEG沟道的阻断，实现了常关型操作，且器件阈值电压具有较好的重复性和均匀性；采用半绝缘GaN作为沟道层，当HEMT处于关断状态时，漏电流极小且可承受较大的电压而不击穿；本实用新型专利技术可操作性强，成本低，工艺简单可靠，适于工业上的推广使用。使用。使用。

【技术实现步骤摘要】
一种具有侧壁场板的凸型栅增强型GaN基HEMT器件结构


[0001]本申请涉及电力电子
，具体涉及一种具有侧壁场板的凸型栅增强型GaN基HEMT器件结构。

技术介绍

[0002]电力电子器件是电力电子技术的核心，目前已经被广泛应用于工业生产和社会生活中的诸多领域；随着全球环境和能源问题的日益突出，研究下一代高性能低损耗的功率开关器件是提高电能利用率、缓解全球能源危机的有效途径之一。
[0003]下一代功率开关器件要求器件具有好的稳定性、低的导通电阻、高的开关速率，并且从安全节能和简化电路设计方面考虑要求具备常关型(增强型)操作特点；下一代技术成熟的常关型功率开关器件将被广泛应用在电动汽车电机驱动、太阳能和风力发电的逆变器系统、轨道交通的功率变换等民用领域以及雷达发射接收装置和军舰上的大功率电力传输和变换装置等军用领域。
[0004]在电力电子器件领域，传统的硅(Si)基功率器件性能已经接近材料的理论极限，以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的下一代宽禁带半导体材料具有大带隙、高临界击穿电场、高饱和漂移速率等特点，极为适合制作高性能的新型电力电子器件；其中GaN材料具有突出的特点，它的异质结结构(如AlGaN/GaN)界面存在高密度的极化电荷，可诱导出高密度的二维电子气(2DEG)(>10
13
cm
‑1)；由于沟道材料无故意掺杂，降低了电子在材料中受到杂质散射的概率，电子沟道中可以保持很高的电子迁移率(>1500cm2·
Vr/>‑1·
s
‑1)；因此，GaN材料适合制作高电子迁移率晶体管(HEMT)，它的导通电阻只有SiC器件的1/2～1/3，比Si器件低三个数量级以上，因此具有更低的开关损耗和更优的频率特性。
[0005]为了实现GaN材料HEMT器件的常关型操作，目前常规的方法都是基于削弱或者抵消异质结界面处极化电荷所形成强电场的原理，主要有氟离子注入势垒层形成氟化栅以及栅极生长p型盖帽层等方案。将氟离子注入到势垒层中，使AlGaN势垒层带负电从而排斥AlGaN/GaN界面处的2DEG，实现沟道的阻断，因此该方案可以实现常关型操作，然而由于氟离子的热稳定性问题，器件在使用过程中的可靠性不足且对于大面积器件，其阈值电压均匀性不理想；栅极生长p型盖帽层方案是利用pn结的内建电场耗尽沟道中电子而实现的，器件沟道导电性能较好，但是高浓度的p型掺杂较难控制，外延片各位置浓度均匀性不完全一致，并且器件可承受的栅工作电压较小，较大的栅极工作电压易发生栅极漏电。
[0006]因此，需要提供一种新的技术方案来解决上述技术问题。

技术实现思路

[0007]本申请所要解决的技术问题是：提供一种具有侧壁场板的凸型栅增强型GaN基HEMT器件，该器件结构通过沟道层与势垒层形成凸型栅结构，利用沟道层材料的非极性面，在势垒层/沟道层纵向接触面没有带正电的极化电荷诱导形成2DEG，使得平衡态下器件沟道局部阻断而实现了常关型操作，并且可以获得均匀而稳定的阈值电压。
[0008]本技术包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、沟道层，所述沟道层为凸台型，凸台的顶部和下部平面上设有势垒层，所述凸台的外侧和势垒层的上部设有栅介质层，所述凸台顶部的栅介质层和凸台外侧的栅介质层的外侧设有栅电极，所述凸台下部的势垒层上设有源漏电极。
[0009]作为一种优选方案，所述凸台的高度为0.5—1μm。
[0010]作为一种优选方案，所述衬底的材质为蓝宝石、Si、SiC或GaN。
[0011]作为一种优选方案，所述缓冲层的材质为AlN。
[0012]作为一种优选方案，所述缓冲层的厚度为10—50nm。
[0013]作为一种优选方案，所述沟道层的材质为半绝缘GaN，所述半绝缘GaN电子浓度为10
15
cm
‑3以下。
[0014]作为一种优选方案，所述沟道层的厚度为1—3μm。
[0015]作为一种优选方案，所述势垒层的材质为Al
x
Ga1‑
x
N，式中元素组分x介于0和1之间。
[0016]作为一种优选方案，所述势垒层的厚度为30—100nm；
[0017]作为一种优选方案，所述栅介质层的材质为SiO2、Si3N4、Al2O3或HfO2。
[0018]作为一种优选方案，所述栅介质层的厚度为10—300nm。
[0019]作为一种优选方案，所述源漏电极的材质为Ti/Al/Ni/Au；
[0020]作为一种优选方案，所述栅电极的材质为Ni/Au。
[0021]本技术包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、沟道层，所述沟道层为凸台型，沟道层的外侧依次设有势垒层、栅介质层，所述凸台外侧的栅介质层的外侧设有栅电极，所述凸台下部平面的势垒层上设有源漏电极。
[0022]作为一种优选方案，所述凸台的高度为0.5—1μm。
[0023]作为一种优选方案，所述衬底的材质为蓝宝石、Si、SiC或GaN。
[0024]作为一种优选方案，所述缓冲层的材质为AlN。
[0025]作为一种优选方案，所述缓冲层的厚度为10—50nm。
[0026]作为一种优选方案，所述沟道层的材质为半绝缘GaN，所述半绝缘GaN电子浓度为10
15
cm
‑3以下。
[0027]作为一种优选方案，所述沟道层的厚度为1—3μm。
[0028]作为一种优选方案，所述势垒层的材质为Al
x
Ga1‑
x
N，式中元素组分x介于0和1之间。
[0029]作为一种优选方案，所述势垒层的厚度为30—100nm；
[0030]作为一种优选方案，所述栅介质层的材质为SiO2、Si3N4、Al2O3或HfO2。
[0031]作为一种优选方案，所述栅介质层的厚度为10—300nm。
[0032]作为一种优选方案，所述源漏电极的材质为Ti/Al/Ni/Au；
[0033]作为一种优选方案，所述栅电极的材质为Ni/Au。
[0034]本技术与现有技术相比，具有实质性特点和显著进步：技术利用沟道层材料体系的非极性面实现2DEG沟道的阻断，实现了常关型操作，且器件阈值电压具有较好的重复性和均匀性；本专利技术采用半绝缘GaN作为沟道层，故当HEMT处于关断状态时，漏电流极小且可承受较大的电压而不击穿；本技术可操作性强，成本低，工艺简单可靠，适于
工业上的推广使用。
附图说明
[0035]图1为实施例3中，一种具有侧壁场板的凸型栅增强型GaN基HEMT器件结构示意图。
[0036]图2为实施案例1中，另一种具有侧壁场板的凸型栅增强型GaN基HEMT器件结构示意图。
[0037]图3为普通HEMT器件在不同栅压下的正向工作I
‑
V特性曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有侧壁场板的凸型栅增强型GaN基HEMT器件，包括衬底(101)，所述衬底(101)上依次设有缓冲层(102)、沟道层(103)，其特征在于，所述沟道层(103)为凸台型，凸台的顶部和下部平面上设有势垒层(104)，所述凸台的侧壁和势垒层(104)的上部设有栅介质层(105)，所述凸台顶部的栅介质层(105)和凸台侧壁的栅介质层(105)的外侧设有栅电极(106)，所述凸台下部平面上的势垒层(104)上设有源漏电极(107)。2.根据权利要求1所述的一种具有侧壁场板的凸型栅增强型GaN基HEMT器件，其特征在于，所述凸台的高度为0.5—1μm。3.根据权利要求1所述的一种具有侧壁场板的凸型栅增强型GaN基HEMT器件，其特征在于，所述衬底(101)的材质为蓝宝石、Si、SiC或GaN。4.根据权利要求1所述的一种具有侧壁场板的凸型栅增强型GaN基HEMT器件，其特征在于，所述沟道层(103)的材质为半绝缘GaN，所述半绝缘GaN电子浓度为10
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【专利技术属性】
技术研发人员：田康凯，贾兴宇，刘亚津，
申请(专利权)人：天津赛米卡尔科技有限公司，
类型：新型
国别省市：