基于悬浮超结的氮化镓基异质结电流孔径器件及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于悬浮超结的氮化镓基异质结电流孔径器件，主要解决现有技术无法实现良好的双向阻断的问题。其自下而上包括：肖特基漏极(13)、衬底(1)、漂移层(4)、孔径层(5)、左右两个对称的电流阻挡层(6)、沟道层(8)、势垒层(9)和栅极(12)，两个电流阻挡层(6)之间形成孔径(7)，势垒层上的两侧淀积有两个源极(11)，两个源极下方通过离子注入形成两个注入区(10)；其中：衬底上方与漂移层下方之间设有两个对称的P柱(2)和一个N柱(3)，两个P柱位于N柱的左右两侧。本发明专利技术具有良好的双向阻断能力，正向击穿电压和反向击穿电压高，可用于电力电子系统。

GaN based heterojunction current aperture device based on suspension over junction and method for manufacturing the same

The invention discloses a gallium nitride based heterojunction current aperture device based on suspension over junction, which mainly solves the problem that the prior art can not achieve good bidirectional blocking. The utility model comprises: a Schottky drain substrate (13), (1), (4), drift layer (5) and the current aperture layer about two symmetrical barrier layer (6), a channel layer (8), the barrier layer (9) and gate (12), two (the current blocking layer 6) is formed between the aperture (7), there are two source deposited barrier layer on both sides (11), two source is formed by ion implantation into two areas (10); the P column is arranged between the two symmetrical bottom substrate and drift layer (2) and a N column (3), two P column in the N column of the left and right sides. The invention has good bidirectional blocking capability, high forward breakdown voltage and reverse breakdown voltage, and can be used in power electronic systems.

【技术实现步骤摘要】
基于悬浮超结的氮化镓基异质结电流孔径器件及其制作方法
本专利技术属于微电子
，涉及半导体器件，特别是基于悬浮超结的氮化镓基异质结电流孔径器件，可用于电力电子系统。技术背景功率半导体器件是电力电子技术的核心元件，随着能源和环境问题的日益突出，研发新型高性能、低损耗功率器件就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。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。随着微电子技术的发展，传统第一代Si半导体和第二代GaAs半导体功率器件性能已接近其材料本身决定的理论极限。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GaN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基异质结结构的横向高电子迁移率晶体管，即横向GaN基高电子迁移率晶体管HEMT器件，更是因其低导通电阻、高击穿电压、高工作频率等特性，成为了国内外研究和应用的热点、焦点。然而，在横向GaN基HEMT器件中，为了获得更高的击穿电压，需要增加栅漏间距，这会增大器件尺寸和导通电阻，减小单位芯片面积上的有效电流密度和芯片性能，从而导致芯片面积和研制成本的增加。此外，在横向GaN基HEMT器件中，由高电场和表面态所引起的电流崩塌问题较为严重，尽管当前已有众多抑制措施，但电流崩塌问题依然没有得到彻底解决。为了解决上述问题，研究者们提出了垂直型GaN基电流孔径异质结晶体管，也是一种氮化镓基异质结电流孔径器件，参见AlGaN/GaNcurrentapertureverticalelectrontransistors,IEEEDeviceResearchConference,pp.31-32,2002。GaN基电流孔径异质结晶体管可通过增加漂移层厚度提高击穿电压，避免了牺牲器件尺寸和导通电阻的问题，因此可以实现高功率密度芯片。而且在GaN基电流孔径异质结晶体管中，高电场区域位于半导体材料体内，这可以彻底地消除电流崩塌问题。2004年，IlanBen-Yaacov等人利用刻蚀后MOCVD再生长沟道技术研制出AlGaN/GaN电流孔径异质结晶体管，该器件未采用钝化层，最大输出电流为750mA/mm，跨导为120mS/mm，两端栅击穿电压为65V，且电流崩塌效应得到显著抑制，参见AlGaN/GaNcurrentapertureverticalelectrontransistorswithregrownchannels,JournalofAppliedPhysics,Vol.95,No.4,pp.2073-2078,2004。2012年，SrabantiChowdhury等人利用Mg离子注入电流阻挡层结合等离子辅助MBE再生长AlGaN/GaN异质结的技术，研制出基于GaN衬底的电流孔径异质结晶体管，该器件采用3μm漂移层，最大输出电流为4kA·cm-2，导通电阻为2.2mΩ·cm2，击穿电压为250V，且抑制电流崩塌效果好，参见CAVETonBulkGaNSubstratesAchievedWithMBE-RegrownAlGaN/GaNLayerstoSuppressDispersion,IEEEElectronDeviceLetters,Vol.33,No.1,pp.41-43,2012。同年，由MasahiroSugimoto等人提出的一种增强型GaN基电流孔径异质结晶体管获得授权，参见Transistor,US8188514B2,2012。此外，2014年，HuiNie等人基于GaN衬底研制出一种增强型GaN基电流孔径异质结晶体管，该器件阈值电压为0.5V，饱和电流大于2.3A，击穿电压为1.5kV，导通电阻为2.2mΩ·cm2，参见1.5-kVand2.2-mΩ-cm2VerticalGaNTransistorsonBulk-GaNSubstrates,IEEEElectronDeviceLetters,Vol.35,No.9,pp.939-941,2014。传统GaN基电流孔径异质结晶体管是基于GaN基宽禁带半导体异质结结构，其包括：衬底1、漂移层2、孔径层3、左、右两个对称的电流阻挡层4、孔径5、沟道层6和势垒层7；势垒层7上面的两侧淀积有源极9，源极9之间的势垒层7上淀积有栅极10，源极9下方通过注入形成两个注入区8，衬底1下面淀积有欧姆漏极11，如图1所示。经过十多年的理论和实验研究，研究者们发现，上述传统GaN基电流孔径异质结晶体管结构上存在固有缺陷，会导致器件中电场强度分布极不均匀，尤其是在电流阻挡层与孔径区域交界面下方附近的半导体材料中存在极高的电场峰值，从而引起器件过早击穿。这使得实际工艺中很难实现通过增加n型GaN漂移层的厚度来持续提高器件的击穿电压。因此，传统结构GaN基电流孔径异质结晶体管的击穿电压普遍不高。为了获得更高的器件击穿电压，并可以通过增加n型GaN漂移层的厚度来持续提高器件的击穿电压，2013年，ZhongdaLi等人利用数值仿真技术研究了一种基于超结的增强型GaN基电流孔径异质结晶体管，研究结果表明超结结构可以有效调制器件内部的电场分布，使处于关态时器件内部各处电场强度趋于均匀分布，因此器件击穿电压可达5～20kV，且采用3μm半柱宽时击穿电压为12.4kV，而导通电阻仅为4.2mΩ·cm2，参见DesignandSimulationof5-20-kVGaNEnhancement-ModeVerticalSuperjunctionHEMT,IEEETransactionsonElectronDecices,Vol.60,No.10,pp.3230-3237,2013。采用超结的GaN基电流孔径异质结晶体管从理论上可以获得高击穿电压，且可实现击穿电压随n型GaN漂移层厚度的增加而持续提高，是目前国内外已报道文献中击穿电压最高的一种非常有效的大功率器件结构。随着应用领域的扩展，在电动汽车、S类功率放大器、功率管理系统等许多
中，为了有效地实现功率转换和控制，迫切需要具有双向阻断能力的高性能功率器件，即器件不仅要有很强的正向阻断能力，即正向击穿电压，还要同时具有很强的反向阻断能力，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。而现有的传统GaN基电流孔径异质结晶体管均采用欧姆漏极，当器件漏极施加非常低的反向电压时，器件中的电流阻挡层便会失效，形成很大的漏源泄漏电流，而且随着漏极反向电压的增加，器件栅极也会正向开启，并通过很大栅电流，最终导致器件失效。因此，现有的传统GaN基电流孔径异质结晶体管均无法实现反向阻断功能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于悬浮超结的氮化镓基异质结电流孔径器件及其制作方法，以提高器件的正向击穿电压和反向击穿电压，并实现正向击穿电压和反向击穿电压的可持续增加，改善器件的击穿特性。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于悬浮超结的氮化镓基异质结电流孔径器件，包括：衬底(1)、漂移层(4)、孔径层(5)、左右两个对称的电流阻挡层(6)、沟道层(8)和势垒层(9)，衬底(1)的下部设有肖特基漏极(13)，势垒层(9)上的两侧淀积有两个源极(11)，两个源极(11)下方通过离子注入形成两个注入区(10)，源极之间的势垒层上淀积有栅极(12)，两个对称的电流阻挡层(6)之间形成孔径(7)，其特征在于：所述衬底(1)与漂移层(4)之间，设有两个采用p型GaN材料的柱形结构，即两个P柱(2)和一个采用n型GaN材料的柱形结构，即N柱(3)，且两个P柱(2)位于N柱(3)的左右两侧，每个P柱(2)的厚度与N柱(3)的厚度相同。

【技术特征摘要】
1.一种基于悬浮超结的氮化镓基异质结电流孔径器件，包括：衬底(1)、漂移层(4)、孔径层(5)、左右两个对称的电流阻挡层(6)、沟道层(8)和势垒层(9)，衬底(1)的下部设有肖特基漏极(13)，势垒层(9)上的两侧淀积有两个源极(11)，两个源极(11)下方通过离子注入形成两个注入区(10)，源极之间的势垒层上淀积有栅极(12)，两个对称的电流阻挡层(6)之间形成孔径(7)，其特征在于：所述衬底(1)与漂移层(4)之间，设有两个采用p型GaN材料的柱形结构，即两个P柱(2)和一个采用n型GaN材料的柱形结构，即N柱(3)，且两个P柱(2)位于N柱(3)的左右两侧，每个P柱(2)的厚度与N柱(3)的厚度相同。2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于衬底(1)的厚度U根据实际制作工艺确定，其取值范围为3～30μm。3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于肖特基漏极(13)采用功函数大于4.5eV的金属。4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于每个P柱(2)的宽度WP为0.5～5μm。5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于N柱(3)的宽度WN为每个P柱(2)宽度WP的二倍，即WN＝2WP，N柱(3)的厚度H为5～40μm。6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于P柱(2)与N柱(3)的掺杂浓度相同，均为5×1015～5×1017cm-3。7.根据权利要求1所述的器件，其特征在于漂移层(4)的掺杂浓度为1×1015～1×1017cm-3，厚度L为3～25μm。8.一种制作基于悬浮超结的氮化镓基异质结电流孔径器件的方法，包括如下过程：A.制作衬底(1)：采用掺杂浓度为5×1015～5×1017cm-3、厚度U为3～30μm、宽度为2～20μm的n型GaN材料做衬底(1)；B.制作P柱(2)和N柱(3)；B1)在衬底(1)上部第一次外延一层厚度H1为5～10μm、掺杂浓度为5×1015～5×1017cm-3的n型GaN材料，并在该层n型GaN材料上制作掩模，利用该掩模在该层n型GaN材料内的两侧位置注入p型杂质，以形成平均掺杂浓度为5×1015～5×1017cm-3的两个p型掺杂的第一区，该两个第一区的厚度HP1为5～10μm，宽度WP为0.5～5μm，且HP1＝H1；B2)在步骤B1)外延的n型GaN材料上部和两个第一区上部，第二次外延一层厚度H2为5～10μm、掺杂浓度为5×1015～5×1017cm-3的n型GaN材料，并在该层n型GaN材料上制作掩模，利用该掩模在该层n型GaN材料内的两侧位置注入p型杂质，以形成平均掺杂浓度为5×1015～5×1017cm-3的两个p型掺杂的第二区，该两个第二区的厚度HP2为5～10μm，宽度WP为0.5～5μm，H2＝HP2；B3)在步骤B2)外延的n型GaN材料上部和两个第二区上部，第三次外延一层厚度H3为5～10μm、掺杂浓度为5×1015～5×1017cm-3的...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛维，石朋毫，郝跃，马佩军，
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