复合渐变层氮化镓功率晶体管制造技术

本发明专利技术公开了一种复合渐变层氮化镓功率晶体管及其制作方法，主要解决现有的功率开关器件双向导通特性差，导致其所用系统的成本高，功率效率低的问题。其自下而上包括：漏极、衬底层、漂移层、沟道层、N

【技术实现步骤摘要】
复合渐变层氮化镓功率晶体管


[0001]本专利技术属于微电子
，特别涉及一种复合渐变层氮化镓功率晶体管，可作为电力电子系统的基本器件。
技术背景
[0002]当前，大力研发高性能、高可靠性的功率开关器件，以显著提升电力电子系统的效率和整体性能，是助力节能减排和绿色发展战略实施的有效途径之一。传统的硅基功率开关器件由于受到硅材料本身的限制，其性能已趋近理论极限，不能满足下一代电力电子系统对高温、高压、高频、高效和高功率密度的要求。而氮化镓基功率开关器件，特别是氮化镓基结型场效应管，凭借氮化镓材料的大禁带宽度、高饱和电子漂移速度、强击穿电场、化学性质稳定等特点，可实现更低导通电阻、更快开关速度、更高击穿电压等特性，从而显著提升电力电子系统的性能和可靠性。因此，高性能、高可靠性GaN基垂直功率器件在国民经济与军事领域具有非常广阔和特殊的应用前景。
[0003]在目前绝大部分的功率开关电源中，需要功率半导体器件能实现正向导通和反向导通的双向导通特性。然而，在传统结型垂直场效应晶体管中，器件只可实现良好的正向导通特性，即栅极与源极之间施加的偏置电压为大于阈值电压时，漏极与源极之间施加电压，电流从漏极流向源极；当栅极与源极之间施加的偏置电压为零伏或小于阈值电压时，器件处于关断状态，由于器件沟道关断，要使源极与漏极之间导通，即电流从源极流向漏极，需要克服较大的开启压降，退化反向导通特性，且导致较大功率损耗。
[0004]现有的旁置续流二极管的结型垂直场效应晶体管基于同质外延结构，其包括：衬底层1、漂移层2、N型GaN沟道层3、P型GaN层4、源极5、漏极6、栅极7和肖特基极8；衬底层1上淀积有漂移层2；漂移层2的上部左边设有肖特基极8；漂移层2上部中间部分设置有N型GaN沟道层3；漂移层2的上部，N型GaN沟道层3的左、右两侧分别淀积有P型GaN层4；N型GaN沟道层3上淀积有源极5；左、右两侧的P型GaN层4上部分别淀积有栅极7；衬底层1下部淀积有漏极6，如图1所示。
[0005]为了满足功率开关电源的实际需要，现有的方案通常在传统的统结型垂直场效应晶体管旁，额外制作的一个开启压降小的续流二极管，如图1所示。参见A novel GaN vertical junction field
‑
effect transistor with intrinsic reverse conduction capability and kilo
‑
volt breakdown voltage，IOP，2022，但该方案会产生较大的寄生电感和电容，产生较大的功率损耗，同时，该方案的泄漏电流大、耐压能力差，因此，研发具有优异双向导通特性、阻断特性的氮化镓垂直功率器件是当前高性能功率电子系统的急需。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的提供一种复合渐变层氮化镓功率晶体管，以解决上述现有技术带来的关态泄漏电流大，击穿电压低，开启压降高和导通电阻大，导致功率效率低和能耗大的问
题，进而提升器件性能和电力电子系统的功率效率。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0008]1.一种复合渐变层氮化镓功率晶体管，自下而上包括：漏极12、衬底层1和漂移层2，漂移层2上依次设有沟道层3、N
+
型层4和源极11，沟道层3的两侧设有栅极13，其特征在于：
[0009]所述栅极13下方的漂移层2内部，设有第一渐变层5，以控制电流沟道的导通与关断；
[0010]所述漂移层2的内部中央等间距设有n个第二渐变层6，且该第二渐变层6和漂移层2上设有调制岛极14，调制岛极14与漂移层2形成肖特基接触，以在关断状态下，通过调制岛极14施加大于漏极12的偏置电压产生由调制岛极14流向漏极12的反向电流，实现反向导通特性，其中n为大于等于1的整数；
[0011]所述第一渐变层5由m层第一渐变P型层7与m
‑
1层第一渐变N型层8组成，其中第一渐变N型层8位于第一渐变P型层7的内部，其中m为大于1的整数；
[0012]所述第二渐变层6由m层第二渐变P型层9与m
‑
1层第二渐变N型层10组成，其中第二渐变N型层10位于第二渐变P型层9的内部，其中m为大于1的整数。
[0013]进一步，所述的衬底层，采用采用氮化镓、硅、金刚石或碳化硅材料中的任意一种。
[0014]进一步，所述沟道层3的宽度a为5nm～3μm，且该所述沟道层3左右两侧栅极13下方的相邻2个第一渐变层5，其间距b小于沟道层3宽度a。
[0015]进一步，所述第一渐变层5与第二渐变层6之间隔有漂移层2。
[0016]进一步，所述第一渐变P型层7，其第m层的宽度l
m
小于第m
‑
1层的宽度l
m
‑1，其每层掺杂浓度均为1
×
10
17
～1
×
10
20
cm
‑3，m为大于1的整数。
[0017]进一步，所述第一渐变N型层8，其第一层的宽度x1小于第一渐变P型层7第二层的宽度l2，且其第m
‑
1层的宽度x
m
‑1小于第一渐变P型层7第m层的宽度l
m
，其每层掺杂浓度均为1
×
10
16
～1
×
10
21
cm
‑3，m为大于1的整数。
[0018]进一步，所述第二渐变P型层9，其第m层的宽度w
m
小于第m
‑
1层的宽度w
m
‑1，其每层掺杂浓度均为1
×
10
17
～1
×
10
20
cm
‑3，m为大于1的整数。
[0019]进一步，所述第二渐变N型层10，其第一层的宽度y1小于第二渐变P型层9第二层的宽度w2，且其第m
‑
1层的宽度y
m
‑1小于第二渐变P型层9第m层的宽度w
m
，其每层掺杂浓度均为1
×
10
16
～1
×
10
21
cm
‑3，m为大于1的整数。
[0020]进一步，所述调制岛极14与源极11电气连接。
[0021]进一步，所述第二渐变层6和调制岛极14组成的调制岛结构，沟道层3、N
+
型层4、第一渐变层5、源极11和栅极13组成的结型场效应管结构，该结型场效应管结构与调制岛结构交替重复排列。
[0022]2.一种复合渐变层氮化镓功率晶体管制作方法，其特征在于，包括如下：
[0023]A)在衬底层1上使用外延工艺外延GaN基宽禁带半导体材料，形成漂移层2；
[0024]B)在漂移层2上使用外延工艺外延GaN基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合渐变层氮化镓功率晶体管，自下而上包括：漏极(12)、衬底层(1)和漂移层(2)，漂移层(2)上依次设有沟道层(3)、N
+
型层(4)和源极(11)，沟道层(3)的两侧设有栅极(13)，其特征在于：所述栅极(13)下方的漂移层(2)内部，设有第一渐变层(5)，以控制电流沟道的导通与关断；所述漂移层(2)的内部中央等间距设有n个第二渐变层(6)，且该第二渐变层(6)和漂移层(2)上设有调制岛极(14)，其与漂移层(2)形成肖特基接触，以在关断状态下，通过调制岛极(14)施加大于漏极(12)的偏置电压产生由调制岛极(14)流向漏极(12)的反向电流，实现反向导通特性，其中n为大于等于1的整数；所述第一渐变层(5)由m层第一渐变P型层(7)与m
‑
1层第一渐变N型层(8)组成，其中第一渐变N型层(8)位于第一渐变P型层(7)的内部，其中m为大于1的整数；所述第二渐变层(6)由m层第二渐变P型层(9)与m
‑
1层第二渐变N型层(10)组成，其中第二渐变N型层(10)位于第二渐变P型层(9)的内部，其中m为大于1的整数。2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述的衬底层(1)，采用氮化镓、硅、金刚石或碳化硅材料中的任意一种。3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述沟道层(3)的宽度a为5nm～3μm；所述沟道层(3)左右两侧栅极(13)下方的相邻2个第一渐变层(5)，其间距b小于沟道层(3)宽度a；所述第一渐变层(5)与第二渐变层(6)之间隔有漂移层(2)。4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述第一渐变P型层(7)，其第m层的宽度l
m
小于第m
‑
1层的宽度l
m
‑1，其每层掺杂浓度均为1
×
10
17
～1
×
10
20
cm
‑3，m为大于1的整数。5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述第一渐变N型层(8)，其第一层的宽度x1小于第一渐变P型层(7)第二层的宽度l2，且其第m
‑
1层的宽度x
m
‑1小于第一渐变P型层(7)第m层的宽度l
m
，其每层掺杂浓度均为1
×
10
16
～1
×
10
21
cm
‑3，m为大于1的整数。6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述第二渐变P型层(9)，其第m层的宽度w
m
小于第m
‑
1层的宽度w
m
‑1，其每层掺杂浓度均为1
×
10
17
～1
×
10
20
cm
‑3，m为大于1的整数。7.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述第二渐变N型层(10)，其第一层的宽度y1小于第二渐变P型层(9)第二层的宽度w2，且其第m
‑
1层的宽度y
m
‑1小于第二渐变P型层(9)第m层的宽度w
m
，其每层掺杂浓度均为1<...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛维，谢渊源，杨翠，张涛，杜鸣，魏葳，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：