[发明专利]一种热电优化的鳍式氧化镓MOSFET结构及制作方法

说明书

本发明涉及一种热电优化的鳍式氧化镓MOSFET结构及制作方法，该MOSFET结构包括：β‑Ga₂O₃衬底、β‑Ga₂O₃非故意掺杂外延层、导电沟道层、栅介质层、源电极、漏电极、栅电极和若干场笼，导电沟道层和β‑Ga₂O₃非故意掺杂外延层中贯穿有沿着栅宽方向分布的若干梯形凹槽，相邻梯形凹槽之间的导电沟道层形成斜鳍栅，斜鳍栅靠近源电极的边与靠近漏电极的边平行；栅介质层覆盖导电沟道层和若干梯形凹槽；源电极位于导电沟道层的一端，漏电极位于导电沟道层的另一端；栅电极位于部分梯形凹槽和部分斜鳍栅对应的栅介质层上，且位于若干梯形凹槽和源电极之间的栅介质层上；若干场笼分布于漏电极和斜鳍栅之间的栅介质层上。该结构降低了氧化镓MOSFET结构的电场峰值，降低了器件的工作温度。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种热电优化的鳍式氧化镓MOSFET结构及制作方法。

背景技术

在大规模推广GaN和SiC功率器件的过程中，由于衬底生产技术的限制，大面积本征导电衬底成本过高与电力电子市场高复合增长率的刚需矛盾日益显著，这为新型氧化镓(Ga₂O₃)超宽禁带半导体的发展创造了机遇。Ga₂O₃的带隙为4.6–4.9eV，其超宽带隙理论上可实现比宽带隙材料氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)高2倍以上的大临界电场(8MV/cm)。由于其巴利加优值(BFOM)是硅的3000倍、SiC的10倍、GaN的4倍，在功率开关应用中使用Ga₂O₃功率器件的性能理论上会得到显著提升。而且，目前高质量熔融生长的Ga₂O₃基板已有商业化的产品。因此，β-Ga₂O₃已成为下一代电力电子器件的主要候选材料。

然而，Ga₂O₃材料的低各向异性热导率(300K时为11～27W/m K)引起的器件过热问题已成为该技术走向成熟的一个主要障碍，除非利用电热协同设计技术，通过优化器件级结构设计和采用双面散热(顶、底部热管理)的解决方案克服这一热挑战，否则新兴Ga₂O₃功率器件将无法实现BFOM建议的优异电气性能。

目前，一些实验和仿真研究报告了β-Ga₂O₃晶体管的电热协同设计策略。底部冷却方法(微流道冷却)和顶部冷却方法(空气射流冲击冷却和倒装封装集成)被证实可以有效缓解β-Ga₂O₃晶体管的自热效应。除此之外，将β-Ga₂O₃转移到高导热性的金刚石、碳化硅衬底上亦可有效缓解β-Ga₂O₃晶体管的自热效应。研究证实，将200μmβ-Ga₂O₃衬底替换为50μm铜(Cu)基板可以同时提高β-Ga₂O₃晶体管的热特性和电特性表现。值得注意的是，这些开创性研究的重点均基于添加或改变β-Ga₂O₃晶体管顶部封装和底部配置的热管理策略。

但前述依赖于添加或改变β-Ga₂O₃晶体管顶部封装和底部配置的热管理策略，均建立在高成本的散热封装技术和高性能要求的异质外延集成技术上。一方面，空气射流封装和金刚石、碳化硅异质衬底虽展现出了良好的热管理效果，但由于成本较高，削弱了基于氧化镓材料的高压大功率器件低成本的潜在优势。另一方面，异质外延集成热管理技术目前工业成品率不高，且异质界面的诸多可靠性问题在超宽禁带半导体功率器件极具优势的高压大功率应于场景下，仍面临诸多问题和挑战。

因此，必须进一步开发适用于Ga₂O₃器件的电热协同设计解决方案，以使该类器件在标称电器工况下以可接受的结温工作。