集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管及其制造方法技术

本发明专利技术提供了一种集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管及其制造方法，该方法使用p

【技术实现步骤摘要】
集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管及其制造方法


[0001]本专利技术涉及第三代宽禁带半导体器件领域，具体涉及一种大阈值电压的常闭型高电子迁移率晶体管及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着半导体行业的飞速发展，涌现了一代又一代的半导体材料。在20世纪50年代，以硅和锗为代表的第一代半导体器件得到了广泛的应用；到20世纪90年代第二代半导体材料应运而生，砷化镓、磷化铟等材料不断的向传统硅材料提出挑战；但由于其价格昂贵，且具有毒性对环境有一定的污染，所以第三代半导体材料碳化硅、氮化镓(GaN)自出现以来就具有很高的关注度。
[0003]近年来，人们对GaN材料进行了大量的研究。GaN材料是一种新型的复合半导体材料，具有许多优异性能，例如宽禁带、高临界击穿电场、低导通电阻、高电子饱和速度、导热性良好等。由于GaN的优异特性，铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管(AlGaN/GaN High
‑
Electron Mobility Transistor,AlGaN/GaN HEMT)在多个领域有巨大的应用前景，成为了近二十年一个新的研究热点领域。AlGaN/GaN界面的压电极化效应和GaN层、AlGaN层的自发极化效应，使AlGaN/GaN界面处形成了高浓度(＞10
13
cm
‑2)和高迁移率(＞2000cm2/Vs)的二维电子气(2DEG)，从而使AlGaN/GaN HEMT器件可以同时具备高击穿电压和较低的导通电阻。但常规AlGaN/GaN HEMT结构由于在栅极下方的沟道中存在大量的2DEG，其在不加栅压下呈导通状态，虽然可以用于低压和高频的环境中，但在电子电力应用中，基于安全的原因和需要简化驱动电路，常闭型HEMTs的实现是必要的。
[0004]目前，常闭型AlGaN/GaN HEMTs的实现方法主要有p
‑
GaN覆盖层、薄势垒层、槽栅结构、氟离子注入等技术。如今最受欢迎的方法是采用p
‑
GaN覆盖层，这样在无外加栅压的情况下，AlGaN势垒层能带也会被抬高，当势垒层与沟道接触时，覆盖层下方的GaN沟道层中的导带会被抬高至费米能级之上，该区域的2DEG沟道耗尽，从而器件实现常闭状态。当有外加栅偏压时，p
‑
GaN覆盖层被耗尽分担了一部分外加的栅电压，从而使器件能承受较高的栅电压而不至于栅电流过大。然而，报道的具有p
‑
GaN覆盖层的HEMT器件，其阈值电压(V
th
)仍然较低，无法满足实际应用中所需的3V以上；并且具有栅电流(I
g
)高、导通电阻大等缺点。因此想到使用p
‑
GaN/n
‑
GaN/p
‑
GaN三层结构来替代传统p
‑
GaN覆盖层，这三层结构与其下方的n
‑
AlGaN势垒层形成GaN基晶闸管结构(GaN Thyristor)，如图2，从而可以优化HEMT器件特性。
[0005]晶闸管是电子电力技术中传统的大功率器件，主要用于高电压和大电流的控制，使器件从关闭或者阻断的状态转换为开启或者是导通的状态，反之亦然。自20世纪50年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为实现理想器件的目标做出了不懈努力，并已取得了世人瞩目的成就。所谓晶闸管，其本质为一个能实现双稳态正反馈开关特性转换的pnpn结构的半导体器件。通常情况下，一个晶体管需要持续的基极驱动或栅极电压
才能使器件导通；而对于晶闸管，器件能保持阻断状态，直到有控制信号使其转到低阻状态，且此信号不必一直保持。
[0006]图3为晶闸管的基本结构示意图。其最顶层的p型区称为阳极，最底层的n型区称为阴极。若在阳极上加正电压，器件中的J2结处于反偏状态，晶闸管的阻断状态会一直维持下去，直到J2结开始进入击穿状态；若在阳极上加负电压，器件中的J1、J3结处于反偏状态，器件同样只有一个非常小的电流出现。图4为传统晶闸管的电流
‑
电压特性曲线，图中V
p
是J2结的击穿电压，也是器件的开启电压。从图中，我们可以看到，晶闸管的开启电压较大。使用p
‑
GaN/n
‑
GaN/p
‑
GaN三层结构替代传统p
‑
GaN覆盖层后，集成GaN晶闸管的常闭型HEMT器件(GaN
‑
Thyristor HEMTs)可以拥有更大的正阈值电压。当外加偏压达到阈值电压后，GaN基晶闸管被开启，GaN
‑
Thyristor HEMTs导通。此后GaN基晶闸管的总电压将减小到几乎一个二极管的压降值，不仅所需的维持电压低，且在晶闸管中会产生非常大的电流，从而GaN
‑
Thyristor HEMTs将拥有大的工作漏电流。当切断GaN
‑
Thyristor HEMTs的栅极电压后，在HEMT器件中仍有正向漏电压；在其作用下，GaN基晶闸管将处于反向阻断状态，GaN
‑
Thyristor HEMTs会被瞬间关闭，保证了使用的安全性。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的在于提供一种集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管及其制造方法，为提高常闭型HEMTs的阈值电压和工作电流提供了一种可行的解决方案，对功率开关器件的发展起到了一定的促进作用。
[0008]本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管，包括衬底，成核层，铝镓氮(AlGaN)缓冲层，氮化镓(GaN)沟道，AlGaN势垒层，p
‑
GaN1层，n
‑
GaN2层，p
‑
GaN3层，源极，漏极，栅极，钝化层；
[0010]所述成核层，AlGaN缓冲层，GaN沟道，AlGaN势垒层在衬底上自下而上生长；
[0011]所述AlGaN势垒层中间上方设有自下而上p
‑
GaN/n
‑
GaN/p
‑
GaN三层结构，包括p
‑
GaN1层，n
‑
GaN2层，p
‑
GaN3层；
[0012]所述AlGaN势垒层两端分别设有源极和漏极；
[0013]所述p
‑
GaN3层上方设有栅极；
[0014]所述p
‑
GaN/n
‑
GaN/p
‑
GaN三层结构与源极以及漏极之间对称设有钝化层。
[0015]进一步的：所述AlGaN势垒层厚度薄，为非故意掺杂的i
‑
AlGaN或Si掺杂的n
‑
AlGaN材料。若为n
‑
AlGaN，其掺杂浓度约为10
19
cm
‑3。
[0016]进一步的：p
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管，其特征在于：包括衬底(1)，成核层(2)，AlGaN缓冲层(3)，GaN沟道(4)，AlGaN势垒层(5)，p
‑
GaN1层(6)，n
‑
GaN2层(7)，p
‑
GaN3层(8)，源极(9)，漏极(10)，栅极(11)，钝化层(12)；所述成核层(2)，AlGaN缓冲层(3)，GaN沟道(4)，AlGaN势垒层(5)在衬底上自下而上生长；所述AlGaN势垒层(5)中间上方设有自下而上p
‑
GaN/n
‑
GaN/p
‑
GaN三层结构，包括p
‑
GaN1层(6)，n
‑
GaN2层(7)，p
‑
GaN3层(8)；所述AlGaN势垒层(5)两端分别设有源极(9)和漏极(10)；所述p
‑
GaN3层(8)上方设有栅极(11)；所述p
‑
GaN/n
‑
GaN/p
‑
GaN三层结构与源极(9)以及漏极(10)之间对称设有钝化层(12)。2.根据权利要求1所述的集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述AlGaN势垒层(5)厚度薄，为非故意掺杂的i
‑
AlGaN或Si掺杂的n
‑
AlGaN材料。若为n
‑
AlGaN，其掺杂浓度约为10
19
cm
‑3。3.根据权利要求1所述的集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管，其特征在于：p
‑
GaN1层(6)中Mg掺杂浓度为10
17
～10
18
cm
‑3；n
‑
GaN2层(7)中Si掺杂浓度为10
14
cm
‑3；p
‑
GaN3层(8)中Mg掺杂浓度约为10
19
cm
‑3。4.根据权利要求1所述的集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述衬底(1)可为SiC、Si、GaN、Al2O3中的任一种；所述成核层(2)可...

【专利技术属性】
技术研发人员：余晨辉，秦嘉怡，成田恬，沈倪明，罗曼，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：