基于T形栅-漏复合场板的异质结器件及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于T形栅-漏复合场板的异质结器件及其制作方法，主要解决现有场板技术在实现高击穿电压时工艺复杂的问题。其包括：衬底(1)、过渡层(2)、势垒层(3)、源极(4)、肖特基漏极(5)、台面(6)、栅极(7)、钝化层(8)和保护层(13)。钝化层(8)内刻有栅槽(9)和漏槽(10)，钝化层(8)与保护层(13)之间淀积有T形栅场板(11)和T形漏场板(12)；T形栅场板(11)与栅极(7)电气连接，且下端完全填充在栅槽(9)内；T形漏场板(12)与肖特基漏极(5)电气连接，且下端完全填充在漏槽(10)内。本发明专利技术具有制作工艺简单、正向特性与反向特性好及成品率高的优点，可作为开关器件。

【技术实现步骤摘要】
基于T形栅-漏复合场板的异质结器件及其制作方法
本专利技术属于微电子
，涉及半导体器件，特别是基于T形栅-漏复合场板的异质结器件，可作为电力电子系统的基本器件。技术背景功率半导体器件是电力电子系统的重要元件，是进行电能处理的有效工具。近年来，随着能源和环境问题的日益突出，研发新型高性能、低损耗功率器件已成为提高电能利用率、节约能源、缓解能源危机的有效途径之一。然而，在功率器件研究中，高速、高压与低导通电阻之间存在着严重的制约关系，合理、有效地改进这种制约关系是提高器件整体性能的关键。随着市场不断对功率系统提出更高效率、更小体积、更高频率的要求，传统Si基半导体功率器件性能已逼近其理论极限。为了能进一步减少芯片面积、提高工作频率、提高工作温度、降低导通电阻、提高击穿电压、降低整机体积、提高整机效率，以氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，凭借其更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和更高的电子饱和漂移速度，且化学性能稳定、耐高温、抗辐射等突出优点，在制备高性能功率器件方面脱颖而出，应用潜力巨大。特别是采用GaN基异质结结构的高电子迁移率晶体管，即GaN基HEMT器件，更是因其低导通电阻、高工作频率等特性，能满足下一代电子装备对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣高温工作的要求，在经济和军事领域具有广阔和特殊的应用前景。然而，常规GaN基HEMT器件结构上存在固有缺陷，会导致器件沟道电场强度呈畸形分布，尤其是在器件栅极靠近漏极附近存在极高电场峰值。这导致实际的GaN基HEMT器件在施加正漏极电压情况下，即正向关态，的正向击穿电压往往远低于理论期望值，且存在电流崩塌、逆压电效应等可靠性问题，严重制约了在电力电子领域中的应用和发展。为了解决以上问题，国内外研究者们提出了众多方法，而场板结构是其中效果最为显著、应用最为广泛的一种。2000年美国UCSB的N.Q.Zhang等人首次将场板结构成功应用于GaN基HEMT功率器件中，研制出交叠栅功率器件，饱和输出电流为500mA/mm，关态击穿电压可达570V，这是当时所报道击穿电压最高的GaN器件，参见HighbreakdownGaNHEMTwithoverlappinggatestructure,IEEEElectronDeviceLetters,Vol.21,No.9,pp.421-423,2000。随后，各国研究机构纷纷展开了相关的研究工作，而美国和日本是该领域中的主要领跑者。在美国，主要是UCSB、南卡大学、康奈尔大学以及著名的电力电子器件制造商IR公司等从事该项研究。日本相对起步较晚，但他们对这方面的工作非常重视，资金投入力度大，从事机构众多，包括：东芝、古河、松下、丰田和富士等大公司。随着研究的深入，研究者们发现相应地增加场板长度，可以提高器件击穿电压。但场板长度的增加会使场板效率，即击穿电压比场板长度，不断减小，也就是场板提高器件击穿电压的能力随着场板长度的增加逐渐趋于饱和，参见EnhancementofbreakdownvoltageinAlGaN/GaNhighelectronmobilitytransistorsusingafieldplate,IEEETransactionsonElectronDevices,Vol.48,No.8,pp.1515-1521,2001，以及Developmentandcharacteristicanalysisofafield-platedAl2O3/AlInN/GaNMOSHEMT,ChinesePhysicsB,Vol.20,No.1,pp.0172031-0172035,2011。因此，为了进一步提高器件击穿电压，同时兼顾场板效率，2004年UCSB的H.L.Xing等人提出了一种双层场板结构，他们研制的双层栅场板GaN基HEMT器件可获得高达900V的击穿电压，最大输出电流700mA/mm，参见HighbreakdownvoltageAlGaN-GaNHEMTsachievedbymultiplefieldplates,IEEEElectronDeviceLetters,Vol.25,No.4,pp.161-163,2004。而且这种双层场板结构已成为当前国际上用来改善GaN基功率器件击穿特性，提高器件整体性能的主流场板技术。在实际应用中，研究者们还发现在电动汽车、功率管理系统、S类功率放大器等许多
中，往往需要功率器件具有很强的反向阻断，即反向关态，能力，也就是希望器件在关态下具有很高的负的漏极击穿电压，即反向击穿电压。而通常的单层或双层场板都是与栅极或源极相连，因此当器件漏极施加非常低的反向电压时，器件栅极便会正向开启，并通过很大栅电流，从而导致器件失效。因此，为了改善功率器件的反向阻断能力，2009年EldadBahat-Treidel等人提出了一种采用肖特基漏极的功率器件，参见AlGaN/GaNHEMTWithIntegratedRecessedSchottky-DrainProtectionDiode,IEEEElectronDeviceLetters,Vol.30,No.9,pp.901-903,2009。然而，肖特基漏极在提高器件反向阻断特性方面的能力十分有限，因此为了更有效地改善功率器件的反向阻断能力，研究者们将场板技术引入到了器件漏极，形成了漏场板结构。因此，为了兼顾功率器件的正向和反向阻断能力，2005年WataruSaito等人提出了一种采用源场板和漏场板的复合场板功率器件，也就是源-漏复合场板功率器件，参见DesignoptimizationofhighbreakdownvoltageAlGaN-GaNpowerHEMTonaninsulatingsubstrateforRONA-VBtradeoffcharacteristics,IEEETransactionsonElectronDevices,Vol.52,No.1,pp.106-111,2005。然而，由于单层的源场板和漏场板在提高器件击穿电压方面的能力仍然有限，因此将双层场板结构与源-漏复合场板功率器件相结合，也就是采用双层场板结构的源场板和双层场板结构的漏场板而构成源-漏复合双层场板功率器件，可以实现器件正向和反向击穿电压的进一步提升，这具有较大的应用潜力。然而，双层场板HEMT功率器件的工艺复杂，制造成本更高，每一层场板的制作都需要光刻、淀积金属、淀积钝化介质等工艺步骤。而且要优化各层场板下介质材料厚度以实现击穿电压最大化，必须进行繁琐的工艺调试和优化，因此大大增加了器件制造的难度，降低了器件的成品率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种结构简单、正向和反向击穿电压高、场板效率高和可靠性高的基于T形栅-漏复合场板的异质结器件及其制作方法，以减小器件制作难度，改善器件的正向击穿特性和反向击穿特性，提高器件成品率。为实现上述目的，本专利技术提供的器件结构采用GaN基宽禁带半导体材料构成的异质结结构，自下而上包括：衬底、过渡层、势垒层、钝化层和保护层，势垒层的上面淀积有源极、肖特基漏极及栅极，势垒层的侧面刻有台面，且台面深度大于势垒层厚度，其特征在于：钝化层内刻有栅槽和漏槽，栅槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于T形栅‑漏复合场板的异质结器件，自下而上包括：衬底(1)、过渡层(2)、势垒层(3)、钝化层(8)和保护层(13)，势垒层的上面淀积有源极(4)、肖特基漏极(5)及栅极(7)，势垒层的侧面刻有台面(6)，且台面深度大于势垒层厚度，其特征在于：钝化层(8)内刻有栅槽(9)和漏槽(10)；钝化层(8)与保护层(13)之间淀积有T形栅场板(11)和T形漏场板(12)；所述T形栅场板(11)与栅极(7)电气连接，且下端完全填充在栅槽(9)内；所述T形漏场板(12)与肖特基漏极(5)电气连接，且下端完全填充在漏槽(10)内。

【技术特征摘要】
1.一种基于T形栅-漏复合场板的异质结器件，自下而上包括：衬底(1)、过渡层(2)、势垒层(3)、钝化层(8)和保护层(13)，势垒层的上面淀积有源极(4)、肖特基漏极(5)及栅极(7)，势垒层的侧面刻有台面(6)，且台面深度大于势垒层厚度，其特征在于：钝化层(8)内刻有栅槽(9)和漏槽(10)；钝化层(8)与保护层(13)之间淀积有T形栅场板(11)和T形漏场板(12)；所述T形栅场板(11)与栅极(7)电气连接，且下端完全填充在栅槽(9)内；所述T形漏场板(12)与肖特基漏极(5)电气连接，且下端完全填充在漏槽(10)内；所述栅槽靠近栅极，漏槽靠近肖特基漏极，栅槽的深度s1与漏槽的深度s2相等，且均为0.43～11.4μm，栅槽的宽度b1与漏槽的宽度b2相等，且均为0.81～10.2μm；栅槽的底部与势垒层之间的距离d1和漏槽的底部与势垒层之间的距离d2相等，且均为0.098～1.74μm。2.根据权利要求1所述的基于T形栅-漏复合场板的异质结器件，其特征在于T形栅场板靠近肖特基漏极一侧边缘与栅槽靠近肖特基漏极一侧边缘之间的距离c1为0.98～12.2μm；T形漏场板靠近栅极一侧边缘与漏槽靠近栅极一侧边缘之间的距离c2为0.98～12.2μm；所述的T形栅场板靠近肖特基漏极一侧边缘与T形漏场板靠近栅极一侧边缘之间的距离L为1～9μm。3.根据权利要求1所述的基于T形栅-漏复合场板的异质结器件，其特征在于栅槽靠近栅极一侧边缘与栅极靠近肖特基漏极一侧边缘之间的距离a1和漏槽靠近肖特基漏极一侧边缘与肖特基漏极靠近栅极一侧边缘之间的距离a2相等，栅槽靠近栅极一侧边缘与栅极靠近肖特基漏极一侧边缘之间的距离a1为s1×(d1)0.5，其中s1为栅槽的深度，d1为栅槽底部与势垒层之间的距离；漏槽靠近肖特基漏极一侧边缘与肖特基漏极靠近栅极一侧边缘之间的距离a2为s2×(d2)0.5，其中s2为漏槽的深度，d2为漏槽底部与势垒层之间的距离。4.根据权利要求1所述的基于T形栅-漏复合场板的异质结器件，其特征在于衬底(1)采用蓝宝石或碳化硅或硅材料。5.一种制作基于T形栅-漏复合场板的异质结器件的方法，包括如下步骤：第一步，在衬底(1)上外延GaN基宽禁带半导体材料，形成过渡层(2)；第二步，在过渡层上外延GaN基宽禁带半导体材料，形成势垒层(3)；第三步，在势垒层上第一次制作掩膜，利用该掩膜在势垒层的左端淀积金属，再在N2气氛中进行快速热退火，制作源极(4)；第四步，在势垒层上第二次制作掩膜，利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛维，佘伟波，葛安奎，杨翠，马京立，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61