一种具有多场板结构的氮化镓功率器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有多场板结构的氮化镓功率器件，由下而上依次设置有：衬底、成核层、缓冲层、第一插入层、第一GaN层、第二插入层、第二GaN层、AlGaN势垒层、钝化层、栅极场板、漏极场板、保护层、栅极插入层、p型GaN栅极、栅极金属、源极金属、漏极金属，位于AlGaN势垒层表面的钝化层呈间隔排列的条状，栅极场板和漏极场板分别覆盖部分钝化层且两者表面及两者之间由保护层覆盖。本发明专利技术使电场分布更加均匀，器件耐压能力增强，有效提高器件的栅极开启电压及栅极电压的稳定性，有效降低器件在大电流作用下的漏电。本发明专利技术制备方法与传统工艺完全兼容，制备难度低。

A GaN power device with multi field plate structure and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种具有多场板结构的氮化镓功率器件及其制备方法
本专利技术涉及一种氮化镓功率器件及其制备方法，尤其是涉及一种具有多场板结构的氮化镓功率器件及其制备方法。
技术介绍
基于氮化镓材料的高电子迁移率晶体管(HEMT)具有击穿电压高、电子迁移率高、开关速度快、工艺步骤简单等优点，在功率半导体器件领域具有广泛的应用前景。然而，HEMT器件在工作状态下会承受高强度的电场应力，使得器件长期工作过程中会产生界面损伤，使器件的性能下降，甚至损坏。因此，通过设计提高器件的可靠性是器件设计人员关注的一个重要问题。在外延材料生长方面，由于异质衬底和GaN之间存在巨大的晶格失配和热膨胀系数失配，如：Si基GaN通常面临着在外延过程中和生长结束降温时由于张应力弛豫而导致的裂纹问题，因此外延生长高质量的Si基GaN材料具有较大的挑战性。Si衬底上外延GaN薄膜，其晶格失配高达17％，在生长过程中的晶格失配将引入大量位错。其次，Si衬底和GaN之间较大的热膨胀系数差异导致较大的热失配。Si的热膨胀系数为3.59×10-6K-1，而GaN的热膨胀系数为5.59×10-6K-1，二者相差很大，造成高温生长后的降温过程中外延层将承受很大的张应力，且由于外延层的厚度远小于衬底厚度，所以外延层会产生裂纹，所以如何实现高质量HEMT的外延材料是制约器件性能的关键因素之一。同时，现有研究表明，HEMT器件在工作时器件栅极末端存在较大的电场峰值，在器件工作状态下，栅极末端的强电场会导致该区域产生大量的界面态，导致器件性能下降，带来可靠性问题。目前，解决该问题的方法是增加栅极场板，屏蔽器件栅极末端的强电场，然而，传统栅极场板的效果有限，器件栅极末端依然会存在较强的电场，使得传统器件依然存在较为严重的可靠性问题。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种具有多场板结构的氮化镓功率器件，减小氮化镓功率器件在耐压状态下栅极末端处的峰值电场，减小漏电，避免电流崩塌效应，提高可靠性。本专利技术的另一个目的是提供这种具有多场板结构的氮化镓功率器件的制备方法。本专利技术技术方案如下：一种具有多场板结构的氮化镓功率器件，包括由下至上依次叠置的衬底、成核层、缓冲层、第一插入层、第一GaN层、第二插入层、第二GaN层和AlGaN势垒层，所述AlGaN势垒层的两端分别为源极金属和漏极金属，所述源极金属和漏极金属之间的所述AlGaN势垒层上由下之上依次设有栅极插入层、p型GaN栅极和栅极金属，所述源极金属和所述栅极金属之间的所述p型GaN栅极及所述AlGaN势垒层表面设有钝化层，所述漏极金属和所述栅极金属之间的所述p型GaN栅极及所述AlGaN势垒层表面设有钝化层，位于所述AlGaN势垒层表面的所述钝化层呈间隔排列的条状，所述间隔排列的条状的钝化层由所述源极金属向所述漏极金属排列，栅极场板覆盖若干所述条状的钝化层并设置于所述栅极金属的两侧与所述栅极金属电连接，漏极场板覆盖若干所述条状的钝化层并与所述漏极金属电连接，所述源极金属和所述栅极金属之间的钝化层表面、所述栅极场板和所述漏极场板的表面以及所述栅极场板和所述漏极场板之间设有保护层；所述第一插入层由多周期的超晶格结构材料构成；所述第二插入层由单层或者多周期的超晶格结构材料构成；所述栅极插入层由单层或者多周期的超晶格结构材料构成。进一步地，由所述栅极场板覆盖的所述间隔排列的条状的钝化层的间隔距离由所述栅极金属向两侧依次减小，由所述漏极场板覆盖的所述间隔排列的条状的钝化层的间隔距离由所述漏极金属向所述栅极金属依次减小。进一步地，所述第一插入层为GaN、AlN、InN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN任意组合构成的多周期超晶格结构材料中的任意一种或多种，所述第一插入层的周期数为1～20，厚度为50nm～500nm。进一步地，所述第二插入层为单层的AlN、AlGaN、AlInN、AlInGaN中的任意一种或者为AlN、AlGaN、AlInN、AlInGaN任意组合构成的多周期超晶格结构材料中的任意一种或多种，所述第二插入层由多周期超晶格结构材料构成时周期数为1～10，厚度为10nm～100nm。进一步地，所述栅极插入层为单层的GaN、AlGaN、AlInN、AlInGaN中的任意一种或者为GaN、AlN、InN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN任意组合构成的多周期超晶格结构材料中的任意一种或多种，所述栅极插入层由多周期超晶格结构材料构成时周期数为1～5，厚度为5nm～50nm。进一步地，所述栅极场板和所述漏极场板采用功函数在4eV～6eV范围内的任意一种或者多种金属。进一步地，所述的钝化层为SiO2、Si3N4、SiC中的任意一种或多种，厚度为20nm～200nm。进一步地，所述的栅极插入层为p型掺杂的，掺杂浓度为：1×1016cm-3～1×1021cm-3，所述p型GaN栅极的掺杂浓度为：1×1016cm-3～1×1021cm-3，所述p型GaN栅极厚度为30nm～100nm。进一步地，所述衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓、氧化镓、氧化锌、金刚石中的任意一种；所述成核层为GaN、AlN、InN中的任意一种，所述成核层厚度为5nm～20nm；所述缓冲层为GaN、AlGaN、AlInN、AlInGaN中的任意一种，所述缓冲层厚度为1000nm～3000nm；所述第一GaN层厚度为1000nm～3000nm；所述第二GaN层厚度为1000nm～3000nm；所述AlGaN势垒层厚度为5nm～50nm；所述保护层为SiO2、Si3N4、SiC中的任意一种或多种，所述保护层厚度为200nm～2000nm；所述栅极金属、所述源极金属、所述漏极金属为钛、铝、金、镍、银中的任意一种或多种。一种具有多场板结构的氮化镓功率器件的制备方法，依次包括以下步骤：(1)在衬底上生长成核层；(2)在成核层上生长一层缓冲层；(3)在缓冲层上生长第一插入层；(4)在第一插入层上生长第一GaN层；(5)在第一GaN层上生长第二插入层；(6)在第二插入层上生长第二GaN层；(7)在第二GaN层上生长AlGaN势垒层；(8)在AlGaN势垒层上生长栅极插入层；(9)在栅极插入层上生长p型GaN栅极；(10)在p型GaN栅极的表面做好掩模，刻蚀整个外延层，直到露出AlGaN势垒层的远离衬底一侧的上表面为止；(11)在刻蚀后的外延层的上表面生长钝化层；(12)在对位于栅极插入层的两侧的钝化层进行刻蚀，刻蚀到AlGaN势垒层的上表面为止，形成间隔排列的条状的钝化层；(13)在刻蚀后的钝化层上表面及裸露的AlGaN势垒层上表面蒸镀金属场板；(14)对金属场板的中间位置进行刻蚀，直到刻蚀到AlGaN势垒层上表面为止，形成左右独立绝缘的栅极场板和漏极场板；(15)刻蚀栅极插入层左侧的所述栅极场板远离所述栅极插入层方向的所述栅极场板的最末端，直到露出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有多场板结构的氮化镓功率器件，包括由下至上依次叠置的衬底、成核层、缓冲层、第一插入层、第一GaN层、第二插入层、第二GaN层和AlGaN势垒层，所述AlGaN势垒层的两端分别为源极金属和漏极金属，其特征在于：所述源极金属和漏极金属之间的所述AlGaN势垒层上由下之上依次设有栅极插入层、p型GaN栅极和栅极金属，所述源极金属和所述栅极金属之间的所述p型GaN栅极及所述AlGaN势垒层表面设有钝化层，所述漏极金属和所述栅极金属之间的所述p型GaN栅极及所述AlGaN势垒层表面设有钝化层，位于所述AlGaN势垒层表面的所述钝化层呈间隔排列的条状，所述间隔排列的条状的钝化层由所述源极金属向所述漏极金属排列，栅极场板覆盖若干所述条状的钝化层并设置于所述栅极金属的两侧与所述栅极金属电连接，漏极场板覆盖若干所述条状的钝化层并与所述漏极金属电连接，所述源极金属和所述栅极金属之间的钝化层表面、所述栅极场板和所述漏极场板的表面以及所述栅极场板和所述漏极场板之间设有保护层；/n所述第一插入层由多周期的超晶格结构材料构成；/n所述第二插入层由单层或者多周期的超晶格结构材料构成；/n所述栅极插入层由单层或者多周期的超晶格结构材料构成。/n...

【技术特征摘要】
1.一种具有多场板结构的氮化镓功率器件，包括由下至上依次叠置的衬底、成核层、缓冲层、第一插入层、第一GaN层、第二插入层、第二GaN层和AlGaN势垒层，所述AlGaN势垒层的两端分别为源极金属和漏极金属，其特征在于：所述源极金属和漏极金属之间的所述AlGaN势垒层上由下之上依次设有栅极插入层、p型GaN栅极和栅极金属，所述源极金属和所述栅极金属之间的所述p型GaN栅极及所述AlGaN势垒层表面设有钝化层，所述漏极金属和所述栅极金属之间的所述p型GaN栅极及所述AlGaN势垒层表面设有钝化层，位于所述AlGaN势垒层表面的所述钝化层呈间隔排列的条状，所述间隔排列的条状的钝化层由所述源极金属向所述漏极金属排列，栅极场板覆盖若干所述条状的钝化层并设置于所述栅极金属的两侧与所述栅极金属电连接，漏极场板覆盖若干所述条状的钝化层并与所述漏极金属电连接，所述源极金属和所述栅极金属之间的钝化层表面、所述栅极场板和所述漏极场板的表面以及所述栅极场板和所述漏极场板之间设有保护层；
所述第一插入层由多周期的超晶格结构材料构成；
所述第二插入层由单层或者多周期的超晶格结构材料构成；
所述栅极插入层由单层或者多周期的超晶格结构材料构成。


2.根据权利要求1所述的具有多场板结构的氮化镓功率器件，其特征在于，由所述栅极场板覆盖的所述间隔排列的条状的钝化层的间隔距离由所述栅极金属向两侧依次减小，由所述漏极场板覆盖的所述间隔排列的条状的钝化层的间隔距离由所述漏极金属向所述栅极金属依次减小。


3.根据权利要求1所述的具有多场板结构的氮化镓功率器件，其特征在于，所述第一插入层为GaN、AlN、InN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN任意组合构成的多周期超晶格结构材料中的任意一种或多种，所述第一插入层的周期数为1～20，厚度为50nm～500nm。


4.根据权利要求1所述的具有多场板结构的氮化镓功率器件，其特征在于，所述第二插入层为单层的AlN、AlGaN、AlInN、AlInGaN中的任意一种或者为AlN、AlGaN、AlInN、AlInGaN任意组合构成的多周期超晶格结构材料中的任意一种或多种，所述第二插入层由多周期超晶格结构材料构成时周期数为1～10，厚度为10nm～100nm。


5.根据权利要求1所述的具有多场板结构的氮化镓功率器件，其特征在于，所述栅极插入层为单层的GaN、AlGaN、AlInN、AlInGaN中的任意一种或者为GaN、AlN、InN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN任意组合构成的多周期超晶格结构材料中的任意一种或多种，所述栅极插入层由多周期超晶格结构材料构成时周期数为1～5，厚度为5nm～50nm。


6.根据权利要求1所述的具有多场板结构的氮化镓功率器件，其特征在于，所述栅极场板和所述漏极场板采用功函数在4eV～6eV范围内的任意一种或者多种金属。


7.根据权利要求1所述的具有多场板结构的氮化镓功率器件，其特征在于，所述的钝化层为SiO2、Si3N4、SiC中的任意一种或多种，厚度为20nm～200nm。


8.根据权利要求1所述的具有多场板结构的氮化镓功...

【专利技术属性】
技术研发人员：王书昶，穆久涛，冯源，况亚伟，张惠国，
申请(专利权)人：常熟理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32