[发明专利]一种优化平面布局和结构的大电流氮化镓高电子迁移率晶体管

说明书

GaN高电子迁移率晶体管包含衬底、在衬底表面上形成的缓冲层，在缓冲层表面上形成的第一GaN层，在第一GaN沟道层表面上形成的AlGaN层、在AlGaN表面上沉积了栅介质层。二维电子气位于势垒层与沟道层的界面处的沟道层内。通过蚀刻方法、在源极和漏极开口的位置去除栅介质层和AlGaN层，在开口位置沉积金属后通过热处理过程使得沉积的金属和二维电子气形成欧姆接触。栅极形成在栅介质表面。通过蚀刻方法，去除隔离区区域的栅介质、AlGaN层、部分或者全部GaN沟道层，形成有源区。环形栅介质完全位于有源区范围内。

技术领域：

本发明涉及功率半导体器件领域,具体涉及一种氮化镓高电子迁移率晶体管。

背景技术：

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)因其具有高击穿电场、高电子饱和漂移速率和高热导率等特性，在高速、高功率和大电压领域非常有望取代Si器件，而成为新一代功率器件的主导。近年来随着消费电子以及电动汽车领域的快速发展，对大电流、高功率、快速充电的需求日益增大，这极大的带动了GaN高电子迁移率晶体管器件市场的崛起。为了实现器件大电流的特性，条形栅多指结构是GaN分立功率器件常用的结构。在条栅结构器件中，栅条需要横跨整个器件的有源区，以保证栅极对导电沟道控制的有效性。跨出有源区的栅条对隔离区提出了较高的要求。尤其对于深槽隔离器件来说，有源区台面的侧壁会成为器件失效和漏电的不可避免的关键区域。对于当前常用的使用p-GaN或p-AlGaN的器件来说，因其没有栅介质层，在深槽隔离的器件中，栅金属会与有源区台面侧壁直接接触，致使器件失效，此现象的分析可见IEEE Electron Device Letter杂志28卷11期942页的文章。2014年，在IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing杂志第27卷第3期422页的文章中，作者提出了一种环栅结构，通过将栅极环绕源极实现器件的独立工作，从而可减少制备器件隔离的工序，节省制备成本，该布局结构可以有效的避免栅条跨越隔离台面所带来的可靠性以及失效问题。然而，该方案制备的器件没有器件隔离这一步骤，使用过程中将面临较大的衬底漏电问题，以及切割封装问题，不适合大尺寸晶圆上器件的开发。此外，对于GaN功率器件来说，其应用场景绝大部分是基于高压(600V)环境。因此，施加在器件漏极上的高压对器件的影响不可忽略，其在器件有源区以及隔离区所产生的非常高的电场分布会带来很多可靠性、漏电以及大功耗等问题。

针对这一问题，需要一种优化平面布局结构的大电流高电子迁移率晶体管，以满足GaN器件应用需求。

发明内容：

本专利提出一种优化平面布局和结构的大电流氮化镓高电子迁移率晶体管。该方案的特点是将传统的多指形源漏电极条形栅电极结构改为多指形源漏电极环形栅电极结构，且栅极环绕在指形漏电极的周围。此种器件结构借鉴了Si平面LDMOS高压器件的布局设计。为实现大电压的应用，平面Si-LDMOS器件需要较大尺寸的栅漏漂移区来承载高电压。在此情况下，为尽可能减少器件的使用面积，提升器件的电流密度，其通常将器件设计成圆形或者环形的结构，并将器件的漏极布局在器件的中心区域，环形的栅极和环形的源极环绕在漏极的外围，例如美国专利US20160204250A1和US9647110B2。

本发明提出了多指形源漏电极环形栅电极结构的GaN晶体管，其优点和解决的技术问题与LDMOS均有所不同，主要有以下四个方面：1.通过将栅极环绕器件的指形漏电极，从而形成一个封闭的环形栅极控制的区域。在不需要将栅极横跨有源区的情况下实现二维电子气的通断控制。这样，避免了因栅极横跨有源区所带来的隔离区漏电问题。2.环形栅电极的布局结构，不需要多余的隔离区保护结构的设计，即可有效降低隔离区所带来的寄生漏电，其制作难度和成本均会有所减少，非常有利于高电子迁移率晶体管批量制作工艺的开发。3.通过栅极环绕器件的漏极，工作时漏极的高压会被限定在环形栅内，避免了高压对器件的其他区域产生影响，降低整个器件的热效应，提升器件的可靠性。4.相比于条形栅极结构，相同电流设计下，环形栅电极结构的有源区面积稍有增大。但因漏电导致的功耗的降低，其电流和功率密度并不会降低。