CN112331720B - 一种具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件，包括：衬底、成核层、漂移区、沟道层、势垒层、第一p型氮化镓帽层、金属源电极、金属漏电极，所述第一p型氮化镓帽层上表面设有第二p型氮化镓帽层与n型氮化镓帽层、肖特基接触型金属栅电极，同时第二p型氮化镓帽层与n型氮化镓帽层上表面设有欧姆接触型金属栅电极，肖特基接触型金属栅电极与欧姆接触型金属栅电极侧壁直接接触。本发明在低栅压下可以有效消除电荷存储现象，保证了器件在重复开关工作条件下具有较高的阈值稳定性；在高栅压下可以降低器件的栅漏电，保证器件在高栅压下具有长期稳定的工作状态。

Description

一种具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件

技术领域

本发明主要涉及功率半导体器件领域，具体来说，是一种具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件。

背景技术

氮化镓(GaN)作为第三代半导体的代表，具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿电场高、热导率高和介电常数小等特点。宽禁带以及高击穿电场强度可以大幅度提高器件能够承受的峰值电压，提升器件的输出功率；高电子饱和漂移速率使得器件能够适应更高的工作频率；高热导率使得器件能够承受更高的温度，从而极大地提高系统的稳定性与可靠性。其中，铝镓氮/氮化镓异质结处由极化效应产生的二维电子气所制备的高电子迁移率晶体管(HEMT)是常用的平面结构氮化镓基功率器件，兼具高耐压、高功率密度、高工作速度等优势。然而由于异质结界面处有二维电子气存在，所以零栅压下沟道中电子依然存在，因此器件通常为耗尽型器件。但是在功率系统运用中，增强型器件是电力开关的基础，增强型器件可以减少系统在工作状态下的关态损耗、增加系统稳定性，同时与目前电路系统中驱动模块相兼容，所以实现氮化镓基增强型器件，可以进一步拓宽氮化镓基器件发展。

在实现氮化镓基增强型器件的诸多方法中，技术最成熟、同时最具有市场前景的为使用P型栅帽层结构，即在栅下和铝镓氮势垒层之间引入P型氮化镓或P型铝镓氮层，通过P型掺杂提高能带，从而实现氮化镓基增强型器件。

结合参考图1所示，在本发明提出之前，P型栅帽层氮化镓器件常见的栅金属接触的形式有两种：

传统结构自下而上包括：衬底100、成核层110、漂移区120、沟道层130、势垒层140、设置于所述势垒层140上方的金属源电极150、第一p型氮化镓帽层170，以及设置于所述第一p型氮化镓帽层170上表面的金属栅电极180，所述金属栅电极180为肖特基型金属栅电极或欧姆型金属栅电极的一种。两种不同接触类型的金属所实现的增益效果如下：

采用肖特基型栅接触。使用该技术手段可以利用肖特基金属与P型氮化镓形成肖特基结，在正栅压工作条件下，肖特基结反偏，可以有效降低器件的栅电流，保证器件的栅可靠性，但是由于肖特基结的存在，使得P型氮化镓层电位浮空，在多次开关或者续流工作后，短时间内存储在P型氮化镓层中的电荷不易释放，即出现电荷存储现象，导致器件阈值发生漂移的情况，极大程度上限制了器件在高频开关下的使用。

采用欧姆型栅接触。使用该技术手段可以利用P型氮化镓或P型铝镓氮层与金属栅之间良好的欧姆栅接触，在多次开关或者续流工作后，存储在P型氮化镓或P型铝镓氮层中的电荷迅速被释放，保证了器件的阈值稳定性，但是欧姆型栅接触本质上仅存在由P型氮化镓或P型铝镓氮层、铝镓氮势垒层和氮化镓沟道层构成的PiN二级管，因此在栅压超过PiN二级管的开启电压后，栅电流会迅速增加，导致器件正常工作栅压不超过3V,使得器件在系统运用中受到许多限制。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件，可以保证器件稳定的栅压工作状态，具有较小的栅漏电，同时保证器件在关态时P型氮化镓或P型铝镓氮层电位固定，具有较高阈值稳定性。

本发明通过以下技术方案实现：自下而上顺次包括：衬底、成核层、漂移区、沟道层、势垒层，置于所述势垒层上表面的第一p型氮化镓帽层、金属源电极、金属漏电极；其特征在于，还包括：第二p型氮化镓帽层、n型氮化镓帽层，二者侧壁直接接触形成pn结、同时均置于所述第一p型氮化镓帽层上表面且具有相同的厚度；肖特基接触型金属栅电极，设置于所述第一p型氮化镓帽层上且与第二p型氮化镓帽层侧壁相接触，所述肖特基型金属栅电极高于所述第二p型氮化镓帽层、n型氮化镓帽层；欧姆接触型金属栅电极，设置于所述第二p型氮化镓帽层、n型氮化镓帽层的上表面，且所述欧姆型金属栅电极的侧壁与所述肖特基型金属栅电极的侧壁接触。

进一步的，所述第二p型氮化镓帽层的其中一面侧壁与肖特基型金属栅电极接触形成肖特基结、所述第二p型氮化镓帽层的另一侧壁与n型氮化镓帽层接触形成pn结、所述第二p型氮化镓帽层的上表面与欧姆型金属栅电极接触形成欧姆接触。

进一步的，所述肖特基接触型金属栅电极设置区域为第一p型氮化镓帽层上表面靠近金属源电极一侧或靠近金属漏电极一侧。

进一步的，所述肖特基接触型金属栅电极为Pd、ZnO、Ti、Cr等材料的一种或多种组合、所述欧姆接触型金属栅电极为Pd、Ni、Al、Au、Pt等材料的一种或多种组合。

进一步的，所述第二p型氮化镓帽层宽度为1nm～500nm，所述第一p型氮化镓帽层宽度为500nm～10000nm，同时所述第二p型氮化镓帽层宽度占所述第一p型氮化镓帽层宽度的百分比小于50％。

进一步的，所述第二p型氮化镓帽层掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3，所述第一p型氮化镓帽层掺杂浓度为1×10¹⁹～2×10¹⁹cm^-3，所述n型氮化镓帽层掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3。

本发明的工作原理为：

在零栅压条件下，由于第二p型氮化镓帽层与欧姆型金属栅电极形成欧姆接触，因此第一p型氮化镓帽层中在开关或续流等过程中存储的电荷会通过第二p型氮化镓帽层释放掉，保证了电位稳定，在重复开关等工作环境下具有更好的阈值稳定性；

在高栅压工作条件下，器件的耗尽层示意图如图3所示，肖特基型金属栅电极与其底部相接触的第一p型氮化镓帽层所形成的肖特基结、肖特基型金属栅电极与其侧壁相接触的第二p型氮化镓帽层所形成的肖特基结、欧姆型金属栅电极下表面的n型氮化镓帽层与其底部接触的第一p型氮化镓帽层所形成的PN结均在正栅压下呈现反偏，因此随着栅压的增加，肖特基结与PN结形成的耗尽层展宽，进一步减少了第二p型氮化镓帽层中载流子浓度，增大了第二p型氮化镓帽区域的导通电阻，从而降低了器件在高栅压工作条件下的栅电电流。

本发明还提供另一种结构的具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件，自下而上顺次包括：衬底、成核层、漂移区、沟道层、势垒层，还包括第一p型氮化镓帽层、金属源电极、金属漏电极，分别设置于所述势垒层上表面；所述第一p型氮化镓帽层的上表面设有欧姆型金属栅电极以及肖特基型金属栅电极，且所述肖特基型金属栅电极分布于所述欧姆型金属栅电极两侧。

本发明还提供另一种结构的具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件，自下而上顺次包括：衬底、成核层、漂移区、沟道层、势垒层，还包括第一p型氮化镓帽层、金属源电极、金属漏电极，分别设置于所述势垒层上表面；所述第一p型氮化镓帽层的上表面设有第二p型氮化镓帽层以及肖特基型金属栅电极，且所述肖特基型金属栅电极分布于所述第二p型氮化镓帽层两侧，第二p型氮化镓帽层上表面设有欧姆型金属栅电极。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)与传统欧姆接触型的P型栅帽层氮化镓器件，本发明在较高栅压工作条件下具有更小的栅漏电，提高栅压安全工作范围，同时提高了器件的栅击穿电压，增加了器件栅区域的长程可靠性。

(2)与传统肖特基接触型的P型栅帽层氮化镓器件，本发明具有更稳定的阈值电压，消除了电荷存储效应，进一步保证器件在高频开关、续流工作等状态下的电学参数的稳定性。

(3)本发明与传统欧姆接触型的P型栅帽层氮化镓器件以及传统肖特基接触型的P型栅帽层氮化镓器件相比，并不会影响器件的阈值电压大小、器件耐压等其他电学参数，保证了增强型工作模式，与现有功率系统驱动兼容。

(4)本发明所设计的步骤与现有工艺相兼容，在现有工艺的基础之上，仅需额外增加n型氮化镓帽层淀积、分步制作肖特基接触型和欧姆接触型功函数栅极金属等步骤，不改变现有基础结构，因此具有较好的工艺实现价值。

附图说明

图1是一种示例性的传统结构氮化镓HEMT器件示意图，其中金属栅电极接触为欧姆接触型电极和肖特基接触型电极的一种；

图2为本发明提出的一种具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件结构示意图；

图3为本发明器件在高栅压工作条件下栅区域的耗尽层示意图；

图4为本发明器件在高栅压工作条件下栅区域的等效电路拓扑示意图；

图5为本发明提出实施例2的结构示意图；

图6为本发明提出实施例3的结构示意图；

图7为本发明器件与传统欧姆接触器件和传统肖特基接触器件的栅漏电对比图，可以看出本发明相比于传统欧姆接触器件可以有效降低器件的栅漏电；

图8为本发明器件与传统欧姆接触器件和传统肖特基接触器件的转移特性图，可以看出，本发明对器件的转移特性包括阈值电压、饱和电流等基本电学参数几乎无影响；

图9为传统结构肖特基接触型器件续流应力前后p型帽层的空穴浓度分布图，可以看出传统肖特基接触型器件在续流应力后p型帽层中空穴浓度明显减小；

图10为本发明提出的具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件续流应力前后p型帽层的空穴浓度分布图，可以看出本发明在续流应力前后p型帽层中空穴浓度几乎不变；

图11为传统结构肖特基接触型器件重复开关后阈值变化，可以看出在重复开关后阈值出现了明显的阈值漂移；

图12为本发明器件重复开关后阈值变化，可以看出在重复开关后器件阈值基本保持稳定。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。

本发明采用如下技术方案：

实施例1：

参照图2所示的一种具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件，其结构特征在于，自下而上顺次包括：衬底100、成核层110、漂移区120、沟道层130、势垒层140，置于所述势垒层140上表面的第一p型氮化镓帽层170、金属源电极160、金属漏电极150，还包括，第二p型氮化镓帽层220、n型氮化镓帽层210二者侧壁直接接触形成pn结、同时均置于所述第一p型氮化镓帽层170上表面且具有相同的厚度；肖特基接触型金属栅电极231，设置于所述第一p型氮化镓帽层170上且与第二p型氮化镓帽层220侧壁相接触，所述肖特基型金属栅电极231的高于所述第二p型氮化镓帽层220、n型氮化镓帽层210的区域；欧姆接触型金属栅电极232，设置于所述第二p型氮化镓帽层220、n型氮化镓帽层210的上表面，且所述欧姆型金属栅电极232的侧壁与所述肖特基型金属栅电极231的侧壁直接接触。

在零栅压条件下，由于第二p型氮化镓帽层220与欧姆型金属栅电极232形成欧姆接触，因此第一p型氮化镓帽层170中在开关或续流等过程中存储的电荷会通过第二p型氮化镓帽层220释放掉，保证了电位稳定，在重复开关等工作环境下具有更好的阈值稳定性；在高栅压工作条件下，器件的耗尽层示意图如图3所示，肖特基型金属栅电极231与其底部相接触的第一p型氮化镓帽层170所形成的肖特基结301、肖特基型金属栅电极231与其侧壁相接触的第二p型氮化镓帽层220所形成的肖特基结302、欧姆型金属栅电极232下表面的n型氮化镓帽层210与其底部接触的第一p型氮化镓帽层170所形成的PN结303均在正栅压下呈现反偏，因此随着栅压的增加，肖特基结301、肖特基结302与PN结303形成的耗尽层展宽，进一步减少了第二p型氮化镓帽层220中载流子浓度，增大了第二p型氮化镓帽层220区域的导通电阻，从而降低了器件在高栅压工作条件下的栅电流。

本实施例的栅结构区域的等效电路模型如图4所示，结合参考图3，所述肖特基型金属栅电极231与其底部相接触的第一p型氮化镓帽层170所形成的肖特基结301、肖特基型金属栅电极231与其侧壁相接触的第二p型氮化镓帽层220所形成的肖特基结302可以等效为肖特基结401，所述欧姆型金属栅电极232下表面的n型氮化镓帽层210与其底部接触的第一p型氮化镓帽层170所形成的PN结303可以等效为PN结二极管403，所述第二p型氮化镓帽层220等效为电阻402，随着栅压增加，肖特基结401和PN结403反偏，耗尽层展宽，导致电阻402增加，栅电流减小，保证了器件在高栅压下的稳定工作状态；在低栅压下，所述第一p型氮化镓帽层170电位与所述欧姆型金属栅电极232电位相同，有效消除了电荷存储现象，保证了器件在高频工作下的稳定状态，同时保证了器件的阈值稳定性。

实施例2：

参照图5，与实施例1相比，本例所述器件于所述第一p型氮化镓帽层170上未设有所述第二p型氮化镓帽层220、n型氮化镓帽层210，在所述第一p型氮化镓帽层170上表面直接设有欧姆型金属栅电极232以及肖特基型金属栅电极231，且所述肖特基型金属栅电极231分布于所述欧姆型金属栅电极232两侧。其他结构与实施例1相同。

与实施例1所实现的优点和增益效果相同，在高栅压下，本实施例具有较低的栅电流、在低栅压或零栅压下，第一p型氮化镓帽层170或势垒层140电位与欧姆型金属栅电极232电位相同，消除了电荷存储效应，保证了器件电学特性的稳定性。与实施例1相比，本实施例的工作原理利用所述肖特基型金属栅电极231与所述第一p型氮化镓帽层170所形成的肖特基结在高栅压下反偏状态，将欧姆型金属栅电极232下表面的载流子部分耗尽，从而降低了栅电流大小。

实施例3：

参照图6，与实施例2相比，本例所述器件栅结构中第一p型氮化镓帽层170上表面中间设有第二p型氮化镓帽层220，且所述第二p型氮化镓帽层220掺杂浓度可以低于所述第一p型氮化镓帽层170掺杂浓度，所述第二p型氮化镓帽层220两侧设有肖特基型金属栅电极231，且所述肖特基型金属栅电极231与第一p型氮化镓帽层170上表面接触形成肖特基结、与所述第二p型氮化镓帽层220侧壁接触形成肖特基结，所述第二p型氮化镓帽层220上表面设有欧姆型金属栅电极232。

与实施例1和实施例2所实现的优点和增益效果相同，在高栅压下，本实施例具有较低的栅电流、在低栅压或零栅压下，第一p型氮化镓帽层170的电位与欧姆型金属栅电极232电位相同，消除了电荷存储效应，保证了器件电学特性的稳定性。与实施例2相比，由于第二p型氮化镓帽层220掺杂浓度低于第一p型氮化镓帽层170掺杂浓度，因此在高栅压下耗尽层变化更明显，进一步减少了第二p型氮化镓帽层220中载流子浓度，从而进一步减少了器件的漏电流。

Claims (5)

1.一种具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件，自下而上顺次包括：衬底(100)、成核层(110)、漂移区(120)、沟道层(130)、势垒层(140)，置于所述势垒层(140)上表面的第一p型氮化镓帽层(170)、金属源电极(160)以及金属漏电极(150)；其特征在于，还包括：

第二p型氮化镓帽层(220)、n型氮化镓帽层(210)，二者侧壁直接接触形成pn结，同时均置于所述第一p型氮化镓帽层(170)上表面且具有相同的厚度；

肖特基接触型金属栅电极(231)，设置于所述第一p型氮化镓帽层(170)上且与第二p型氮化镓帽层(220)侧壁相接触，所述肖特基型金属栅电极(231)高于所述第二p型氮化镓帽层(220)、n型氮化镓帽层(210)；

欧姆接触型金属栅电极(232)，设置于所述第二p型氮化镓帽层(220)、n型氮化镓帽层(210)的上表面，且所述欧姆型金属栅电极(232)的侧壁与所述肖特基型金属栅电极(231)的侧壁接触；

所述第二p型氮化镓帽层(220)的其中一面侧壁与肖特基型金属栅电极(231)接触形成肖特基结、所述第二p型氮化镓帽层(220)的另一侧壁与n型氮化镓帽层(210)接触形成pn结、所述第二p型氮化镓帽层(220)的上表面与欧姆型金属栅电极(232)接触形成欧姆接触。

2.根据权利要求1所述的具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件，其特征在于，所述肖特基接触型金属栅电极(231)设置区域为第一p型氮化镓帽层(170)上表面靠近金属源电极(160) 一侧或靠近金属漏电极(150)一侧。

3.根据权利要求1所述的具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件，其特征在于，所述肖特基接触型金属栅电极(231)为Pd、ZnO、Ti、Cr中的一种或多种组合、所述欧姆接触型金属栅电极(232)为Pd、Ni、Al、Au、Pt中的一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件，其特征在于，所述第二p型氮化镓帽层(220)宽度为1nm~500nm，所述第一p型氮化镓帽层(170)宽度为500nm~10000nm，同时所述第二p型氮化镓帽层(220)宽度占所述第一p型氮化镓帽层(170)宽度的百分比小于50%。

5.根据权利要求1所述的具有高阈值稳定性型氮化镓功率半导体器件，其特征在于，所述第二p型氮化镓帽层(220)掺杂浓度为1×10¹⁷~1×10¹⁹cm^-3，所述第一p型氮化镓帽层(170)掺杂浓度为1×10¹⁹~2×10¹⁹cm^-3，所述n型氮化镓帽层(210)掺杂浓度为1×10¹⁷~1×10¹⁸cm^-3。

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