具有反向续流能力的集成二极管的GaNHEMT纵向器件制造技术

本发明专利技术属于功率半导体技术领域，涉及一种具有反向续流能力的集成二极管的GaN HEMT纵向器件。本发明专利技术电流沉降层、重掺杂的GaN或AlGaN势垒层和GaN沟道层之间的高浓度二维电子气浓度通过电流沉降层将电流转为纵向，改变了传统由栅漏之间的距离的横向耐压机理，同时集成了由电流沉降层和N

【技术实现步骤摘要】
具有反向续流能力的集成二极管的GaN HEMT纵向器件


[0001]本专利技术属于功率半导体
，具体涉及一种具有反向续流能力的集成二极管的GaNHEMT纵向器件。

技术介绍

[0002]氮化镓(GaN)是宽禁带半导体材料，禁带宽度达3.4eV。与传统的半导体材料硅(Si)、砷化镓(GaAs)相比，具有更高的临界电场、电子饱和漂移速度、以及良好的化学稳定性等特点。基于GaN材料的AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)结构具有更高的电子迁移率高于1800cm2/vs和二维电子气(2
‑
DEG)面密度为10
13
cm
‑2，使得基于GaN材料的器件在射频领域和电力电子领域都具有非常明显的优势。
[0003]对于传统的GaN HEMT器件始终面临的是：击穿电压(BV)与栅极到漏极的间距成比例分布，所以需要较大的横向面积来提高电压，导致集成度下降。同时横向器件还受到表面横阱态和高电场的严重影响，导致电流崩溃等可靠性问题。由于GaN本身不具有体二极管，在应用电路中需要并联一个二极管，导致损耗增加，效率下降。且GaN器件的高频应用场景特性，使得在应用场景下开关速度过快过冲电流只能储存在栅电感中，增加了其振荡的风险，自身集成了续流二极管能使得GaN器件具备泄放电流的通道。具有更高的抗di/dt和dv/dt的能力。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种具有反向续流能力的集成二极管的GaN HEMT器件。通过电流沉降层(Sinker层)，将二维电子气的区域高浓度的电子引入体区优化了表面电场的分布，同时集成了反向续流二极管，降低系统功耗和制造成本。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种具有反向续流能力的集成二极管的GaN HEMT纵向器件，包括AlN成核层1、位于成核层1上的重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2、位于所述重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2上的轻掺杂GaN沟道层3、位于所述轻掺杂GaN沟道层3上的AlGaN势垒层4；
[0007]还包括位于所述AlN成核层1、重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2、轻掺杂GaN沟道层3、 AlGaN势垒层4侧面的GaN电流沉降层8，位于所述GaN电流沉降层8上方的N
+
重掺杂的 GaN层12，位于所述GaN的电流沉降层8下方的P型掺杂的Si衬底10，位于所述P型掺杂的Si衬底10之下的金属化源级11；
[0008]还包括位于所述AlGaN势垒层4上的Mg掺杂的P
‑
GaN盖帽层6；位于所述Mg掺杂的 P
‑
GaN盖帽层6上的肖特基接触栅极5；位于所述肖特基接触栅极5右侧的金属化漏级7；位于肖特基接触栅极5和金属化漏极7之间且AlGaN势垒层4之上的Si3N4钝化层9；位于所述Si3N4钝化层9之上的N
+
掺杂的GaN层12；所述金属化漏极7和轻掺杂GaN沟道层3形成欧姆接触；
[0009]栅源电压大于阈值电压时使得沟道二维电子气开启，漏源电压大于0时所述金属
化漏极7、轻掺杂GaN沟道层3、GaN的电流沉降层8、金属化源极11能够实现半导体器件的正向导通；所述金属化源极11、GaN电流沉降层8、N
+
掺杂的GaN层12能形成一个PN结，此 PN结在反向时能实现反向续流。
[0010]本专利技术还提供第二种具有反向续流能力的集成二极管的GaN HEMT纵向器件，包括AlN 成核层1、位于成核层1上的重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2、位于所述重掺杂AlGaN或GaN 缓冲层2上的轻掺杂GaN沟道层3、位于所述轻掺杂GaN沟道层3上的AlGaN势垒层4；
[0011]还包括位于所述AlN成核层1、重掺杂AlGaN或GaN缓冲层2、轻掺杂GaN沟道层3 侧面的GaN电流沉降层8，位于所述GaN电流沉降层8上的N
+
掺杂的GaN层12，位于AlN 成核层1下的P型掺杂的Si衬底10，位于所述P型掺杂的Si衬底10+之下的金属化源极11；
[0012]还包括位于所述AlGaN势垒层4上的两个Mg掺杂的P
‑
GaN盖帽层6；位于所述Mg掺杂的P
‑
GaN盖帽层6上的肖特基接触栅极5；位于肖特基接触栅极5右侧的金属化漏级7，位于肖特基接触栅极5和金属化漏极7之间且AlGaN势垒层4之上的Si3N4钝化层9；金属化漏极7覆盖Si3N4钝化层9之上延伸至器件右侧并与N
+
掺杂的GaN层12形成欧姆接触；所述金属化漏极7和轻掺杂GaN沟道层3形成欧姆接触；
[0013]所述金属化漏极7、轻掺杂GaN沟道层3、GaN电流沉降层8、金属化源极11能够实现半导体器件的正向导通。
[0014]作为优选方式，轻掺杂的掺杂浓度在10
15
‑
10
16
cm
‑3量级，二维电子气浓度区域在GaNChannel层4nm
‑
5nm,重掺杂的掺杂浓度在10
18
‑
10
19
cm
‑3。
[0015]作为优选方式，P型掺杂的Si衬底10替换为SiC衬底、或GaN衬底、或蓝宝石衬底。
[0016]作为优选方式，所述半导体为GaN。
[0017]本专利技术的有益效果为：本专利技术GaN电流沉降层8，N
+
掺杂的GaN层12，势垒层4，轻掺杂GaN沟道层3借助高浓度的二维电子气浓度通过电流沉降层(Sinker层)将电流转为纵向，优化了表面电场的分布同时集成了由GaN电流沉降层(Sinker层)8和N
+
掺杂的GaN层12 组成的续流二极管，为GaN器件反向时提供电流流通路径。采用该结构可以减小系统面积，成本降低，有效解决了GaN器件应用于高频情况下，由于过大的di/dt和dv/dt产生的电流，续流二极管能为其提供泄放通道，增加GaN器件的抗di/dt和dv/dt的能力。
附图说明
[0018]图1为现有的GaN HEMT器件的剖面结构示意图；
[0019]图2为本专利技术实施例1的具有反向续流能力的集成二极管的GaN HEMT纵向器件结构示意图；
[0020]图3为本专利技术实施例1提供的GaN HEMT器件电路结构示意图；
[0021]图4
‑
图12为本专利技术实施例1的所实现工艺过程示意图；
[0022]图13为本专利技术实施例2的具有反向续流能力的集成二极管的GaN HEMT纵向器件结构示意图；
[0023]附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0024]其中1为AlN成核层，2为重掺杂AlGaN或GaN缓冲层，3为轻掺杂GaN沟道层，4 为AlGaN势垒层，5为肖特基接触栅极，6为Mg掺杂的P
‑
GaN盖帽层，7为金属本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有反向续流能力的集成二极管的GaN HEMT纵向器件，包括AlN成核层(1)、位于成核层(1)上的重掺杂AlGaN或GaN缓冲层(2)、位于所述重掺杂AlGaN或GaN缓冲层(2)上的轻掺杂GaN沟道层(3)、位于所述轻掺杂GaN沟道层(3)上的AlGaN势垒层(4)；还包括位于所述AlN成核层(1)、重掺杂AlGaN或GaN缓冲层(2)、轻掺杂GaN沟道层(3)、AlGaN势垒层(4)侧面的GaN电流沉降层(8)，位于所述GaN电流沉降层(8)上方的N
+
重掺杂的GaN层(12)，位于所述GaN的电流沉降层(8)下方的P型掺杂的Si衬底(10)，位于所述P型掺杂的Si衬底(10)之下的金属化源级(11)；还包括位于所述AlGaN势垒层(4)上的Mg掺杂的P
‑
GaN盖帽层(6)；位于所述Mg掺杂的P
‑
GaN盖帽层(6)上的肖特基接触栅极(5)；位于所述肖特基接触栅极(5)右侧的金属化漏级(7)；位于肖特基接触栅极(5)和金属化漏极(7)之间且AlGaN势垒层(4)之上的Si3N4钝化层(9)；位于所述Si3N4钝化层(9)之上的N
+
掺杂的GaN层(12)；所述金属化漏极(7)和轻掺杂GaN沟道层(3)形成欧姆接触；其特征在于：栅源电压大于阈值电压时使得沟道二维电子气开启，漏源电压大于0时所述金属化漏极(7)、轻掺杂GaN沟道层(3)、GaN的电流沉降层(8)、金属化源极(11)能够实现半导体器件的正向导通；所述金属化源极(11)、GaN电流沉降层(8)、N
+
掺杂的GaN层(12)能形成一个PN结，此PN结在反向时能实现反向续流。2.一种具有反向续流能力的集成二极管的GaN HEMT纵向器件，包括AlN成核层(1)、位于成核层(1)上的重掺杂AlGaN或GaN缓冲层(2)、位于所述重掺杂AlGaN或GaN缓冲层(2)上的轻掺杂GaN沟道层...

【专利技术属性】
技术研发人员：李泽宏，叶钰麒，赵一尚，任敏，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：