[实用新型]一种硅基氮化镓功率器件

说明书

技术领域

本实用新型属于氮化镓功率器件技术领域，具体涉及一种硅基氮化镓功率器件。

背景技术

氮化镓功率器件由于氮化镓材料本身的特性，相对于目前市场上主导的硅半导体功率器件，在同样的工作电压和功率条件下，能够在能量转换过程中进一步降低大约30％-50％的能量损耗，同时它的体积仅为现有硅半导体功率器件的1/10，工作电压更高，高于600V，转换功率更大，工作频率更快，大于50MHz，所有这些优势都可以降低成本，并转化成巨大的经济效益，有利于节能降耗。

氮化镓功率器件技术的核心在于如何生产出高质量的氮化镓材料，因为氮化镓材料本身熔点高，所以很难采用熔融的结晶技术(比如硅)。目前最先进的结晶技术也只能生产出2寸片，成本极其昂贵，无法实现大规模生产，所以不具备产业化经济效益需求。现在业界发展比较成熟的制备技术且同时具备产业化可行性的是金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延技术。因为氮化镓材料晶格的特性，自然界还缺乏一个能够跟氮化镓晶格匹配相似并且制造成本相对较低的衬底材料，现在普遍使用的衬底是碳化硅、蓝宝石以及单晶硅，随着近年来国内外SiC单晶材料制备技术的进步，SiC单晶基底的价格逐渐降低，这为降低SiC基底上制备氮化镓外延材料的生产成本创造了条件，但SiC基底与GaN材料在晶格常数和热膨胀系数都存在较大差异，由此会遇到两方面的问题：(1)晶格失配问题：因GaN的晶格常数(a＝0.3189nm，c＝0.5185nm)和6H-SiC的晶格常数(a＝0.3073nm，c＝1.0053nm)不同，3.77％的晶格失配度致使在GaN外延层外延生长初期会产生非常大的晶格失配应力，当生长的GaN外延层的厚度超过某一临界厚度(几nm到几百nm厚，具体视引入的中间层情况而定)后，积聚在GaN外延层中的这种大晶格失配应力就会以在界面处产生位错和缺陷的形式释放，这将造成GaN外延层结晶质量的恶化进而降低后续LED器件结构的性能；(2)热失配问题：因GaN的热膨胀系数(a：5.59×10-6K)和6H-SiC的热膨胀系数(a：3.54×10-6K)也存在较大差异，这致使GaN外延层或LED器件结构从很高的生长温度(如800～1100℃)降到室温的过程中会积聚非常大的热应力，这种热应力对GaN外延层而言是一种张应力进而易造成GaN外延层材料产生龟裂或弯曲，采用积聚较大热张应力和有裂纹或弯曲的GaN外延层材料制备LED器件，势必影响LED器件性能和良品率的提高。目前转移和协调释放SiC基底上制备的GaN外延层材料的失配应力的常用方法有：应力协变层(包括缓冲层、柔性层、插入层等)和图形衬底。现有的应力协变层，如低温GaN缓冲层、AlN缓冲层、AlGaN组分渐变缓冲层、薄InAlGaN柔性层等，尽管在转移和协调释放晶格失配应力方面具有较好效果，但在转移和协调释放热失配应力方面作用有限。

实用新型内容

本实用新型提供了一种硅基氮化镓功率器件，该器件结构对硅基氮化镓材料晶格失配问题的缓解和热失配问题的克服具有积极效果，能够大幅度提高硅基底上制备的氮化镓外延材料的性能和良品率，对硅基氮化镓器件的制备提供技术支撑。

本实用新型的具体技术方案是：

一种硅基氮化镓功率器件，包括由下到上依次设置的衬底、缓冲层以及外延层，关键点是，所述的衬底为曲率280-290km^-1的硅，缓冲层为40-60nm厚度的复合缓冲层，复合缓冲层包括至少一个复合层，复合层由AlN层和GaN层由下到上堆叠组成，缓冲层上端面刻饰有下凹图形，下凹图形的深度小于缓冲层厚度，外延层包括180-220nm厚度的GaN外延层及其上端的280-320nm厚度的AlGaN外延层。

所述的复合层中AlN层和GaN层的厚度依次增大。

所述的缓冲层厚度为50nm，GaN外延层厚度为200nm，AlGaN外延层厚度为300nm。

所述的缓冲层上端面的下凹图形包括孔形或者条形中的至少一种，并且所有下凹图形呈周期性排列。

所述的缓冲层中下凹图形刻饰后形成凸出的呈周期性排列的柱形。