基于弧形源场板和弧形漏场板的垂直型功率器件及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于弧形源场板和弧形漏场板的垂直型功率器件，其自下而上包括：肖特基漏极(11)、衬底(1)、漂移层(2)、孔径层(3)、两个二级阶梯结构的电流阻挡层(4)、孔径(5)、沟道层(6)、势垒层(7)与栅极(10)，势垒层上的两侧淀积有两个源极(9)，源极下方注入有两个注入区(8)，除肖特基漏极底部以外的所有区域包裹有钝化层(12)，钝化层左右两边的上部和下部分别刻有弧形台阶，弧形台阶上淀积有金属，形成弧形源场板(13)和弧形漏场板(14)，弧形源场板、弧形漏场板、肖特基漏极和钝化层均覆盖有保护层(15)，本发明专利技术双向击穿电压高、导通电阻小、成品率高，可用于电力电子系统。

【技术实现步骤摘要】
基于弧形源场板和弧形漏场板的垂直型功率器件及其制作方法
本专利技术属于微电子
，涉及半导体器件，特别是基于弧形源场板和弧形漏场板的垂直型功率器件，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基电流孔径异质结场效应器件，也是一种垂直型功率器件，参见AlGaN/GaNcurrentapertureverticalelectrontransistors,IEEEDeviceResearchConference,pp.31-32,2002。GaN基电流孔径异质结场效应器件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基电流孔径异质结场效应器件中，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电流孔径异质结场效应器件，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场效应器件，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基电流孔径异质结场效应器件获得授权，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基电流孔径异质结场效应器件，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基电流孔径异质结场效应器件是基于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、势垒层7和钝化层12；势垒层7上的两侧淀积有两个源极9，两个源极9下方通过离子注入形成两个注入区8，源极9之间的势垒层7上面淀积有栅极10，衬底1下面淀积有漏极11，钝化层12完全包裹除了漏极底部以外的所有区域，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基电流孔径异质结场效应器件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基电流孔径异质结场效应器件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基电流孔径异质结场效应器件，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基电流孔径异质结场效应器件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。然而，超结结构的制造工艺难度非常大，尤其是厚n型GaN漂移层情况下，几乎无法实现高性能超结结构的制作。此外，在采用超结结构的GaN基电流孔径异质结场效应器件中，当器件导通时超结附近会产生额外的导通电阻，且该导通电阻会随着漂移层厚度的增加而不断增加，因此虽然器件的击穿电压随着漂移层厚度的增加而提高，但是器件的导通电阻也会相应的增加，器件中击穿电压与导通电阻之间的矛盾并没有彻底解决。因此，探索和研发制造工艺简单、击穿电压高、导通电阻小的新型GaN基电流孔径异质结场效应器件，意义非常重大。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于弧形源场板和弧形漏场板的垂直型功率器件，包括：衬底(1)、漂移层(2)、孔径层(3)、两个对称的电流阻挡层(4)、沟道层(6)、势垒层(7)和钝化层(12)，势垒层(7)上的两侧淀积有两个源极(9)，两个源极(9)下方通过离子注入形成两个注入区(8)，源极(9)之间的势垒层(7)上面淀积有栅极(10)，衬底(1)下面淀积有肖特基漏极(11)，钝化层(12)完全包裹在除肖特基漏极(11)底部以外的所有区域，两个电流阻挡层(4)之间形成孔径(5)，其特征在于：所述两个电流阻挡层(4)，采用由第一阻挡层(41)和第二阻挡层(42)构成的二级阶梯结构，且第二阻挡层(42)位于第一阻挡层(41)的内侧；所述钝化层(12)，其两侧均采用双弧形台阶，即在钝化层两边的上部区域刻有源弧形台阶，下部区域刻有漏弧形台阶，其中：每个源弧形台阶处淀积有金属，形成对称的两个弧形源场板(13)，该弧形源场板(13)与源极(9)电气连接；每个漏弧形台阶处淀积有金属，形成对称的两个弧形漏场板(14)，该弧形漏场板(14)与肖特基漏极(11)电气连接；弧形源场板、弧形漏场板、肖特基漏极和钝化层均覆盖有保护层(15)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于弧形源场板和弧形漏场板的垂直型功率器件，包括：衬底(1)、漂移层(2)、孔径层(3)、两个对称的电流阻挡层(4)、沟道层(6)、势垒层(7)和钝化层(12)，势垒层(7)上的两侧淀积有两个源极(9)，两个源极(9)下方通过离子注入形成两个注入区(8)，源极(9)之间的势垒层(7)上面淀积有栅极(10)，衬底(1)下面淀积有肖特基漏极(11)，钝化层(12)完全包裹在除肖特基漏极(11)底部以外的所有区域，两个电流阻挡层(4)之间形成孔径(5)，其特征在于：所述两个电流阻挡层(4)，采用由第一阻挡层(41)和第二阻挡层(42)构成的二级阶梯结构，且第二阻挡层(42)位于第一阻挡层(41)的内侧；所述钝化层(12)，其两侧均采用双弧形台阶，即在钝化层两边的上部区域刻有源弧形台阶，下部区域刻有漏弧形台阶，其中：每个源弧形台阶处淀积有金属，形成对称的两个弧形源场板(13)，该弧形源场板(13)与源极(9)电气连接；每个漏弧形台阶处淀积有金属，形成对称的两个弧形漏场板(14)，该弧形漏场板(14)与肖特基漏极(11)电气连接；弧形源场板、弧形漏场板、肖特基漏极和钝化层均覆盖有保护层(15)。2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于第一阻挡层(41)的厚度a为1.2～3μm，宽度c为0.2～1μm，第二阻挡层(42)的厚度b为0.3～1μm，宽度为d，且d＝1.1a。3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于所述源弧形台阶表面位于第一阻挡层(41)下边缘同一水平高度以下的任意一点，与第一阻挡层(41)下边缘的垂直距离为f，与漂移层(2)的水平距离为e，且近似满足关系f＝9.5-10.5exp(-0.6e)，0μm<f≤9μm；该源弧形台阶表面与第一阻挡层(41)下边缘处于同一水平高度的部位，其与漂移层(2)的水平距离g为0.18μm。4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于漏弧形台阶下边界与肖特基漏极(11)下边界对齐，该漏弧形台阶表面位于肖特基漏极上边界同一水平高度以上的任意一点，其与衬底(1)下边界的垂直距离为q，与漂移层(2)的水平距离为p，近似满足关系q＝5.5+2.5ln(p+0.06)，且0μm<q≤11μm，漏弧形台阶表面与肖特基漏极上边界处于同一水平高度的部位距离漂移层(2)的水平间距为h，h＝0.05μm。5.一种制作基于弧形源场板和弧形漏场板的垂直型功率器件的方法，包括如下步骤：A.在采用n-型GaN材料的衬底(1)上外延n-型GaN半导体材料，形成漂移层(2)；B.在漂移层(2)上外延n型GaN半导体材料，形成厚度为1.2～3μm、掺杂浓度为1×1015～1×1018cm-3的孔径层(3)；C.在孔径层(3)上制作掩模，利用该掩模在孔径层内的两侧位置注入剂量为1×1015～1×1016cm-2的p型杂质，制作厚度a为1.2～3μm，宽度c为0.2～1μm的两个第一阻挡层(41)；D.在孔径层(3)和第一阻挡层(41)上制作掩模，利用该掩模在左右第一阻挡层(41)之间的孔径层内的两侧注入剂量为1×1015～1×1016cm-2的p型杂质，制作厚度b为0.3～1μm，宽度d等于1.1a的两个第二阻挡层(42)，两个第一阻挡层(41)和两个第二阻挡层(42)构成二级阶梯结构的电流阻挡层(4)，两个对称的电流阻挡层(4)之间形成孔径(5)；E.在两个第一阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛维，石朋毫，边照科，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