GaN基功率器件的栅极结构制造技术

本实用新型专利技术公开了一种GaN基功率器件的栅极结构。所述栅极结构包括依次设置的介质层、第一过渡层、第二过渡层和堆叠栅电极层，在第一过渡层和第二过渡层之间还设置有一层以上的功函数层，功函数层包括基础材料层，在基础材料层上设置有一个以上的窗口，窗口内填充有复合材料，复合材料至少由形成基础材料层的基础材料与功函数调节材料复合形成；基础材料选自金属化合物，功函数调节材料选自金属材料。本实用新型专利技术实施例提供的GaN基功率器件的栅极结构功函数层内的功函数调节材料元素分层分布和/或图形化分布控，能有效调制GaN基功率器件的栅极区域电流和电场密度分布，解决引入功函数层带来的不利影响，使器件达到热平衡以及能够提高器件的击穿电压。

GaN-based Power Device Gate Structure

【技术实现步骤摘要】
GaN基功率器件的栅极结构
本技术特别涉及一种GaN基功率器件的栅极结构，属于微电子

技术介绍
电力电子是人类工业生产活动中的核心，因此如何发展更高效率、更低损耗的电力电子技术，对于解决全球能源危机，建设绿色生态有着至关重要的意义。在目前的诸多电力电子能源转换/传输的解决方案中，采用具有优异性能的新型功率半导体器件，被认为是实现这一人类终极目标的良好解决方案。以氮化镓为代表的宽禁带化合物半导体材料，其远优于传统硅材料的器件特性，正获得越来越广泛的关注。氮化镓基AlGaN/GaNHEMTs(HighMobilityElectronTransistors)功率器件由于其易于实现的异质结构(Heterojunction)、高浓度的二维电子气(2DEG)、高的沟道电子迁移率、高的击穿电场及相对简单的制造工艺而成为宽禁带化合物半导体器件应用于高速、高频、高效的场合中具有里程碑意义的典型代表。在高压高性能的氮化镓基功率器件领域，器件的栅极往往会采用MOS结构且阈值电压需要能够更精确的控制，而传统的MOS结构栅极由介质层和堆叠栅电极层组成无法实现更好的调节阈值电压。引入功函数层的MOS栅极结构往往会给氮化镓基功率器件栅极区域的电场和电流分布带来不利影响，降低了栅极击穿电压和引起栅极区域的热失配，这对于追求高压大电流高频率的功率器件的影响是难以接受的。
技术实现思路
本技术的主要目的在于提供一种GaN基功率器件的栅极结构，使得在栅极的制作过程中，不仅能更精确的调节器件的阈值电压，而且可以有效调制GaN基功率器件的栅极区域电流和电场密度分布，从而使器件达到热平衡以及提高器件的击穿电压，以克服现有技术的不足。为实现前述技术目的，本技术采用的技术方案包括：本技术实施例提供了一种GaN基功率器件的栅极结构，包括依次设置的介质层、第一过渡层、第二过渡层和堆叠栅电极层，以及，在所述第一过渡层和第二过渡层之间还设置有一层以上的功函数层，所述功函数层包括基础材料层，在所述基础材料层上设置有一个以上的窗口，所述窗口内填充有复合材料，所述复合材料至少由形成基础材料层的基础材料与功函数调节材料复合形成；所述第一过渡层和第二过渡层的材质与所述基础材料层的材质相同，其中，所述基础材料选自金属化合物，所述功函数调节材料选自金属材料。本技术实施例还提供了一种GaN基功率器件栅极结构的制作方法，其包括：制作形成介质层的步骤；以及于所述介质层上依次制作形成第一过渡层、一层以上的功函数层、第二过渡层和堆叠栅电极层的步骤；所述功函数层包括基础材料层以及填充在所述基础材料层内的复合材料，所述复合材料至少由形成基础材料层的基础材料与功函数调节材料复合形成；所述第一过渡层和第二过渡层的材质与所述基础材料层采用相同的材料形成，其中，所述基础材料选自金属化合物，所述功函数调节材料选自金属材料。本技术实施例还提供了一种GaN基功率器件，其包括所述的GaN基功率器件的栅极结构，所述栅极结构设置在GaN基功率器件的衬底结构上。与现有技术相比，本技术实施例提供的GaN基功率器件的栅极结构及其制作方法，功函数层内的功函数调节材料元素分层分布和/或图形化分布控，能有效调制GaN基功率器件的栅极区域电流和电场密度分布，解决引入功函数层带来的不利影响，使器件达到热平衡以及能够提高器件的击穿电压；第一过渡层、第二过渡层采用与功函数层的基础材料层一致的金属化合物材料，并通过逐渐改变材料的元素配比，使第一过渡层、第二过渡层对功函数层起到了阻挡、保护和粘附的作用，将功函数层完好的置于介质层和堆叠栅电极层之间，又不互相干扰，增加了器件的可靠性。附图说明图1是本技术一典型实施案例中一种GaN基功率器件的结构示意图；图2是本技术实施例1中第一过渡层的结构示意图。图3是本技术实施例1中形成功函数层的基础材料层的器件结构示意图；图4是本技术实施例1功函数层的调节材料分层分布控制工艺的流程图；图5是本技术实施例1中功函数层的调节材料图形化分布控制工艺的流程图；图6是本技术实施例1中第二过渡层的结构示意图；图7是本技术实施例1中经过分层分布控制工艺处理前后形成的功函数层的热分布对比图；图8是本技术实施例1中经过图形化分布控制工艺处理前后形成的功函数层的电场密度对比图。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。本技术实施例提供了一种GaN基功率器件的栅极结构，包括依次设置的介质层、第一过渡层、第二过渡层和堆叠栅电极层，以及，在所述第一过渡层和第二过渡层之间还设置有一层以上的功函数层，所述功函数层包括基础材料层，在所述基础材料层上设置有一个以上的窗口，所述窗口内填充有复合材料，所述复合材料至少由形成基础材料层的基础材料与功函数调节材料复合形成；所述第一过渡层和第二过渡层的材质与所述基础材料层的材质相同，其中，所述基础材料选自金属化合物，所述功函数调节材料选自金属材料。在一些较为具体的实施方案中，所述窗口具有台阶状结构。在一些较为具体的实施方案中，所述基础材料层上设置有多个窗口，该多个窗口形成设定图形结构。进一步的，所述窗口的深度小于基础材料层的厚度。在一些较为具体的实施方案中，所述的GaN基功率器件的栅极结构包括：两层以上的功函数层，两层以上的功函数层依次叠层设置，且相邻两层功函数层的基础材料层上的窗口个数、形状和深度相同或不同。优选的，相邻两层功函数层的基础材料层上的窗口个数、形状和深度不同。在一些较为具体的实施方案中，所述第一过渡层和第二过渡层中任一者中的金属元素与非金属元素的含量比沿设定方向呈均匀梯度变化。进一步的，所述第一过渡层中金属元素与非金属元素的含量比沿远离功函数层的方向逐渐减小，且所述第一过渡层中金属元素与非金属元素的最大含量比与其相邻的基础材料层的金属元素与非金属元素的含量比一致；所述第二过渡层中金属元素与非金属元素的含量比沿远离功函数层的方向逐渐增大；且所述第二过渡层中金属元素与非金属元素的最小含量比与其相邻的基础材料层的金属元素与非金属元素的含量比一致。在一些较为具体的实施方案中，所述金属化合物包括TiN、TaN中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。优选的，所述金属材料包括Al，但不限于此。优选的，所述介质层的材质包括SiO2、SiNx、Al2O3、HfO2中的任意一种或两种以上组合，但不限于此。本技术实施例还提供了一种GaN基功率器件栅极结构的制作方法，其包括：制作形成介质层的步骤；以及于所述介质层上依次制作形成第一过渡层、一层以上的功函数层、第二过渡层和堆叠栅电极层的步骤；所述功函数层包括基础材料层以及填充在所述基础材料层内的复合材料，所述复合材料至少由形成基础材料层的基础材料与功函数调节材料复合形成；所述第一过渡层和第二过渡层的材质与所述基础材料层采用相同的材料形成，其中，所述基础材料选自金属化合物，所述功函数调节材料选自金属材料。在一些较为具体的实施方案中，所述功函数层的制作步骤包括：制作形成基础材料层，在所述基础材料层上加工形成一个以上的窗口，并在所述窗口内形成所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaN基功率器件的栅极结构，其特征在于包括依次设置的介质层、第一过渡层、第二过渡层和堆叠栅电极层，以及，在所述第一过渡层和第二过渡层之间还设置有一层以上的功函数层，所述功函数层包括基础材料层，在所述基础材料层上设置有一个以上的窗口，所述窗口内填充有复合材料，所述复合材料至少由形成基础材料层的基础材料与功函数调节材料复合形成；所述第一过渡层和第二过渡层的材质与所述基础材料层的材质相同，其中，所述基础材料选自金属化合物，所述功函数调节材料选自金属材料。

【技术特征摘要】
1.一种GaN基功率器件的栅极结构，其特征在于包括依次设置的介质层、第一过渡层、第二过渡层和堆叠栅电极层，以及，在所述第一过渡层和第二过渡层之间还设置有一层以上的功函数层，所述功函数层包括基础材料层，在所述基础材料层上设置有一个以上的窗口，所述窗口内填充有复合材料，所述复合材料至少由形成基础材料层的基础材料与功函数调节材料复合形成；所述第一过渡层和第二过渡层的材质与所述基础材料层的材质相同，其中，所述基础材料选自金属化合物，所述功函数调节材料选自金属材料。2.根据权利要求1所述的GaN基功率器件的栅极结构，其特征在于：所述窗口具有台阶状结构。3.根据权利要求1所述的GaN基功率器件的栅极结构，其特征在于：所述基础材料层上设置有多个窗口，该多个窗口形成设定图形结构。4.根据权利要求1-3中任一项所述的GaN基功率器件的栅极结构，其特征在于：所述窗口的深度小于基础材料层的厚度。5.根据权利要求1-3中任一项所述的GaN基功率器件的栅极结构，其特征在于包括：两层以上的功函数层，两层以上的功函数层依次叠层设置，且相邻两层功函数层...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，范亚明，朱璞成，熊其平，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所南昌研究院，
类型：新型
国别省市：江西,36