CN113594248B - 一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件。通过嵌入具有极化结的肖特基势垒二极管(SBD)进行反向续流，与外部反向并联续流二极管的器件相比，该结构在降低器件反向导通压降和寄生效应的同时，显著减小了整个器件的面积；在正向阻断状态，AlGaN/GaN HEMT两个异质界面处留下带有正/负电性的固定极化电荷削弱电场尖峰，改善电场集中效应，调制器件漂移区电场，实现漂移区电场近似矩形的分布，提高器件击穿电压；在器件导通状态，利用二维电子气(2DEG)传输电流，降低导通电阻。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，具体是指一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件。
背景技术
GaN基器件具有临界击穿电场大、电子迁移率高、饱和速度快、耐高温等优良的性能，在耐压、导通损耗和开关速度等方面均优于传统的硅功率器件，是功率开关领域的一项革命性技术。对于AlGaN/GaN HEMT器件应用而言，还面临着诸多挑战：一方面，由于栅边缘存在电场尖峰、泄漏电流过大等原因导致器件提前击穿，其耐压远未达到GaN材料的理论极限。另一方面，在许多功率开关电路中，需要晶体管具有低损耗的反向导通能力，例如逆变器和DC-DC转换器。AlGaN/GaN HEMT具有反向导通能力，但反向导通电压与器件阈值电压耦合导致反向导通电压较高。为了克服上述问题，在实际应用中，功率晶体管通常与续流二极管反向并联，使感性负载电流可以反向流动。然而，外部续流二极管不仅增加了成本，还引入了额外的寄生电感和电容。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件。通过嵌入具有极化结的肖特基势垒二极管(SBD)进行反向续流，与外部反向并联续流二极管的器件相比，该结构在降低器件反向导通压降和寄生效应的同时，显著减小了整个器件的面积；在正向阻断状态，AlGaN/GaN HEMT两个异质界面处留下带有正/负电性的固定极化电荷削弱电场尖峰，改善电场集中效应，调制器件漂移区电场，实现漂移区电场近似矩形的分布，提高器件击穿电压；在器件导通状态，利用二维电子气(2DEG)传输电流，降低导通电阻。
本发明的技术方案是：
一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件，包括沿器件垂直方向自下而上依次层叠设置的衬底层1、GaN缓冲层2、GaN沟道层3、势垒层4以及顶部GaN层11；
其特征在于，所述顶部GaN层11和势垒层4形成异质结，异质结界面产生二维空穴气(2DHG)；所述顶部GaN层11两端分别设置有窗口，露出势垒层4；在一端窗口内，在纵向方向上窗口末端，设置有隔离区12，所述隔离区12之外的窗口内沿横向方向依次有第一导电材料6和栅极结构，栅极结构靠近顶部GaN层11；所述第一导电材料6沿垂直方向向下延伸入势垒层4中，且和势垒层4的接触为欧姆接触，其引出端为源电极；所述栅极结构与第一导电材料6、顶部GaN层11之间均有间距；所述顶部GaN层11另一端窗口内具有第二导电材料10，沿垂直方向向下延伸入势垒层4中，且与势垒层4的接触为欧姆接触，其表面引出漏电极；所述第二导电材料10与顶部GaN层11之间有间距；所述顶部GaN层11靠近一端窗口的上表面具有第五导电材料9，二者形成欧姆接触；
在纵向方向上，第三导电材料8与顶部GaN层11一端窗口并列，且第三导电材料8部分覆盖在顶部GaN层11上，且所述第三导电材料8靠近器件一端的部分沿垂直方向向下延伸，依次贯穿顶部GaN层11、势垒层4并延伸入GaN沟道层3中；所述第三导电材料8与半导体材料的接触为肖特基接触，其引出端与源电极短接；
所述纵向方向是指同时垂直于器件垂直方向和横向方向的第三维度方向。
进一步的，所述栅极结构由位于势垒层4之上的P型GaN层5及位于P型GaN层5之上的第四导电材料7构成，且第四导电材料7和P型GaN层5的接触为肖特基接触；第四导电材料7上表面引出栅电极。
进一步的，所述栅极结构为MIS槽栅结构，所述MIS槽栅结构自势垒层4表面沿垂直方向向下嵌入势垒层4中，MIS槽栅结构的底部和侧壁为绝缘栅介质51，其与势垒层4接触；绝缘栅介质51表面覆盖第四导电材料7，第四导电材料7上表面引出栅电极。
进一步的，在器件横向方向上，所述MIS槽栅结构的绝缘栅介质51和第四导电材料7向槽两侧表面延伸，形成栅极场板结构，且与第一导电材料6、顶部GaN层11之间均有间距。
进一步的，所述第五导电材料9上表面引出端与源电极短接。器件反向导通时，HEMT与二极管同时进行反向续流。
进一步的，所述第五导电材料9上表面引出端与栅电极短接。器件反向导通时，二极管进行反向续流。
进一步的，所述势垒层4采用的材料为AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合，且GaN沟道层3和势垒层4形成异质结，异质结界面产生2DEG。
进一步的，所述隔离区12为离子注入隔离或沟槽隔离。
本发明的有益效果是，具有极化结的SBD嵌入器件中，实现器件的反向导通。与外部反向并联续流二极管的器件相比，该结构在降低反向导通压降和寄生效应的同时，显著减小器件的面积；顶部GaN层11、势垒层4和GaN沟道层3形成双异质结，在正向阻断状态，AlGaN/GaN HEMT两个异质界面处留下带有正/负电性的固定极化电荷，带正电的固定极化电荷发射出的电场线沿器件垂直方向指向带负电的固定极化电荷，从而在漂移区内实现近似矩形分布的横向电场，提升器件的击穿电压；在器件导通状态，利用2DEG传输电流，降低导通电阻。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图；
图2是实施例1沿AA’的截面剖面图；
图3是实施例1沿BB’的截面剖面图；
图4是实施例1沿CC’的截面剖面图；
图5是实施例1结构的俯视图；
图6是实施例2的结构示意图；
图7是实施例3的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
实施例1
如图1所示，一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件，包括沿器件垂直方向自下而上依次层叠设置的衬底层1、GaN缓冲层2、GaN沟道层3、势垒层4以及顶部GaN层11；
所述势垒层4采用的材料为AlGaN，且GaN沟道层3和势垒层4形成异质结，异质结界面产生2DEG；
其特征在于，所述顶部GaN层11和势垒层4形成异质结，异质结界面产生2DHG；所述顶部GaN层11一端和另一端分别设置有窗口，露出势垒层4；在所述一端窗口内，在纵向方向上，设置有隔离区12，且为离子注入隔离；所述隔离区12之外从一端到另一端依次为第一导电材料6和栅极结构；所述第一导电材料6沿垂直方向向下延伸入势垒层4中，且和势垒层4的接触为欧姆接触，其引出端为源电极；所述栅极结构由位于势垒层4之上的P型GaN层5及位于P型GaN层5之上的第四导电材料7构成，且第四导电材料7和P型GaN层5的接触为肖特基接触；第四导电材料7上表面引出栅电极；所述栅极结构与第一导电材料6、顶部GaN层11之间均有间距；所述顶部GaN层11另一端窗口内具有第二导电材料10，沿垂直方向向下延伸入势垒层4中，且与势垒层4的接触为欧姆接触，其表面引出漏电极；所述第二导电材料10与顶部GaN层11之间有间距；所述顶部GaN层11靠近一端窗口的上表面具有第五导电材料9，二者形成欧姆接触；所述第五导电材料9上表面引出端与源电极短接；
在纵向方向上，第三导电材料8与顶部GaN层11一端窗口并列，且第三导电材料8部分覆盖在顶部GaN层11上，且所述第三导电材料8靠近器件一端的部分沿垂直方向向下延伸，依次贯穿顶部GaN层11、势垒层4并延伸入GaN沟道层3中；所述第三导电材料8与半导体材料的接触为肖特基接触，其引出端与源电极短接；
所述纵向方向是指同时垂直于器件垂直方向和横向方向的第三维度方向。
本发明提出的一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件，其顶部GaN层11、势垒层4和GaN沟道层3形成双异质结，结面分别极化诱导出2DHG和2DEG。耐压状态下2DEG与2DHG被耗尽，双异质结结面分别留下极性相反的固定极化电荷。带负电的固定极化电荷发射出的电场线沿器件垂直方向指向带正电的固定极化电荷，调制栅极与漏极之间的电场，有效提升器件的耐压。具有极化结的SBD嵌入器件中，实现器件的反向导通。与外部反向并联续流二极管的器件相比，该结构在降低反向导通压降和寄生效应的同时，可以显著减小器件的面积。
实施例2
本例与实施例1的区别是，本例中所述一种具有集成续流二极管的双异质结GaNHEMT器件的栅极结构为MIS槽栅结构，所述MIS槽栅结构自势垒层4表面沿垂直方向向下嵌入势垒层4中，MIS槽栅结构的底部和侧壁为绝缘栅介质51，其与势垒层4接触；绝缘栅介质51表面覆盖第四导电材料7，第四导电材料7上表面引出栅极电极。相比于实例1，本例的优点是MIS槽栅结构具有更好的栅控能力，减小栅极泄漏电流，提高器件的阈值电压。
实施例3
本例中所述的一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件与实施例2的区别是，在器件横向方向上，所述MIS槽栅结构的绝缘栅介质51和第四导电材料7向槽两侧表面延伸，形成栅极场板结构，且与第一导电材料6、顶部GaN层11之间均有间距。相比于实例2，本例的优点是，栅极场板结构可以有效降低栅边缘电场尖峰，避免器件在栅极附近提前击穿，从而提高器件的击穿电压。
Claims (8)
1.一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件，包括沿器件垂直方向自下而上依次层叠设置的衬底层(1)、GaN缓冲层(2)、GaN沟道层(3)、势垒层(4)以及顶部GaN层(11)；
其特征在于，所述顶部GaN层(11)和势垒层(4)形成异质结，异质结界面产生二维空穴气(2DHG)；所述顶部GaN层(11)两端分别设置有窗口，通过窗口露出势垒层(4)；在一端窗口内，在纵向方向上窗口末端，设置有隔离区(12)，在隔离区(12)之外的窗口内沿横向方向依次有第一导电材料(6)和栅极结构，栅极结构靠近顶部GaN层(11)；所述第一导电材料(6)沿垂直方向向下延伸入势垒层(4)中，且和势垒层(4)的接触为欧姆接触，其引出端为源电极；所述栅极结构与第一导电材料(6)、顶部GaN层(11)之间均有间距；所述顶部GaN层(11)另一端窗口内具有第二导电材料(10)，沿垂直方向向下延伸入势垒层(4)中，且与势垒层(4)的接触为欧姆接触，其表面引出漏电极；所述第二导电材料(10)与顶部GaN层(11)之间有间距；所述顶部GaN层(11)靠近一端窗口的上表面具有第五导电材料(9)，二者形成欧姆接触；
在纵向方向上，第三导电材料(8)与顶部GaN层(11)左端窗口并列，且第三导电材料(8)部分覆盖在顶部GaN层(11)上，且所述第三导电材料(8)靠近器件左端的部分沿垂直方向向下延伸，依次贯穿顶部GaN层(11)、势垒层(4)并延伸入GaN沟道层(3)中；所述第三导电材料(8)与半导体材料的接触为肖特基接触，其引出端与源电极连接；
所述纵向方向是指同时垂直于器件垂直方向和横向方向的第三维度方向。
2.根据权利要求1所述的一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件，其特征在于，所述栅极结构由位于势垒层(4)之上的P型GaN层(5)及位于P型GaN层(5)之上的第四导电材料(7)构成，且第四导电材料(7)和P型GaN层(5)的接触为肖特基接触；第四导电材料(7)上表面引出栅电极。
3.根据权利要求1所述的一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件，其特征在于，所述栅极结构为MIS槽栅结构，所述MIS槽栅结构自势垒层(4)表面沿垂直方向向下嵌入势垒层(4)中，MIS槽栅结构的底部和侧壁为绝缘栅介质(51)，其与势垒层(4)接触；绝缘栅介质(51)表面覆盖第四导电材料(7)，第四导电材料(7)上表面引出栅电极。
4.根据权利要求3所述的一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件，其特征在于，在器件横向方向上，MIS槽栅结构的绝缘栅介质(51)和第四导电材料(7)向槽两侧表面延伸，形成栅极场板结构，且与第一导电材料(6)、顶部GaN层(11)之间均有间距。
5.根据权利要求1所述的一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件，其特征在于，所述第五导电材料(9)上表面引出端与源电极短接。
6.根据权利要求1所述的一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件，其特征在于，所述第五导电材料(9)上表面引出端与栅电极短接。
7.根据权利要求1所述的一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件，其特征在于，所述势垒层(4)采用的材料为AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合，且GaN沟道层(3)和势垒层(4)形成异质结，异质结界面产生二维电子气(2DEG)。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种具有集成续流二极管的双异质结GaN HEMT器件，所述隔离区(12)为离子注入隔离或沟槽隔离。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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