[发明专利]电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管

说明书

本发明公开了电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管，该器件特别之处在于还包括位于势垒层、沟道层、电流阻挡层及n‑GaN缓冲层外侧的电荷补偿绝缘层，并且在电荷补偿绝缘层与势垒层、沟道层、电流阻挡层及n‑GaN缓冲层界面处存在高密度的固定电荷；电荷补偿绝缘层由绝缘电介质构成。由于电荷补偿绝缘层与n‑GaN缓冲层界面处存在高密度的固定电荷，耐压时该界面负电荷可使得靠近的n‑GaN缓冲层反型，形成的p⁺柱将消耗n‑GaN缓冲层中的电子，使得缓冲层形成p⁺n超结结构并被完全耗尽，充分优化后缓冲层中的电场在垂直方向可保持3MV/cm基本不变，器件击穿电压达到GaN材料耐压极限。

技术领域

本发明涉及半导体高耐压器件领域，具体是指电荷补偿耐压结构垂直氮化镓基异质结场效应管。

背景技术

氮化镓基异质结场效应晶体管（GaN Heterojunction Field-EffectTransistor，GaN HFET）不但具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度高、导热性能好、抗辐射和良好的化学稳定性等优异特性，同时氮化镓（GaN）材料可以与铝镓氮（AlGaN）等材料形成具有高浓度和高迁移率的二维电子气异质结沟道，因此特别适用于高压、大功率和高温应用，是电力电子应用最具潜力的晶体管之一。

现有的高耐压GaN HFET结构主要为横向器件，器件基本结构如图1所示。器件主要包括衬底，GaN缓冲层，AlGaN势垒层以及AlGaN势垒层上形成的源极、漏极和栅极，其中源极和漏极与AlGaN势垒层形成欧姆接触，栅极与AlGaN势垒层形成肖特基接触。但是对于横向GaN HFET而言，在截止状态下，从源极注入的电子可以经过GaN缓冲层到达漏极，形成漏电通道，过大的缓冲层泄漏电流会导致器件提前击穿，无法充分发挥GaN材料的高耐压优势，从而限制GaN HFET在高压方面的应用。同时横向GaN HFET器件主要依靠栅极与漏极之间的有源区来承受耐压，要获得大的击穿电压，需设计很大的栅极与漏极间距，从而会增大芯片面积，不利于现代电力电子系统便携化、小型化的发展趋势。

与横向GaN HFET相比，垂直GaN异质结场效应晶体管（GaN VerticalHeterojunction Field-Effect Transistor，GaN VHFET）结构可以有效地解决以上问题。常规GaN VHFET结构如图2所示，器件主要包括漏极、n⁺-GaN衬底、n-GaN缓冲层、p-GaN电流阻挡层、GaN沟道层、AlGaN势垒层和AlGaN势垒层上形成的栅极和源极，其中漏极与n⁺-GaN衬底形成欧姆接触，源极与AlGaN势垒层形成欧姆接触，栅极与AlGaN势垒层形成肖特基接触。与横向GaN HFET相比，GaN VHFET存在以下优势：器件主要通过栅极与漏极之间的纵向间距，即n-GaN缓冲层来承受耐压，器件横向尺寸可以设计的非常小，有效节省芯片面积；同时p-GaN电流阻挡层与n-GaN缓冲层之间形成的p-n结可以有效阻挡从源极注入的电子，从而抑制器件缓冲层泄漏电流。除此之外，GaN VHFET结构还具有便于封装、低沟道温度等多方面优点。

对于常规GaN VHFET结构而言，器件主要依靠p-GaN电流阻挡层与n-GaN缓冲层之间形成的p-n结来承受耐压，器件内峰值电场达到临界电场或者泄漏电流达到阈值时，n-GaN缓冲层内耗尽区宽度的大小决定了器件的击穿电压，随着n-GaN缓冲层厚度的增大，击穿时n-GaN内的耗尽区宽度也随之增大，但是当n-GaN缓冲层厚度超过一定值后，击穿时n-GaN内的耗尽区宽度达到饱和，器件的击穿电压也达到饱和，不再随着n-GaN缓冲层厚度的增大而增大，从而限制了GaN VHFET的高耐压应用。同时n-GaN缓冲层内的垂直电场强度会随着远离p-GaN电流阻挡层与n-GaN缓冲层之间的p-n结界面而逐渐降低，由于器件击穿电压等于n-GaN缓冲层内的垂直电场强度沿着垂直方向的积分，不断降低的垂直电场强度使得器件的击穿电压无法达到GaN材料极限，不能充分发挥GaN基器件的高耐压优势。

发明内容