CN114613856B - 一种双异质结GaN RC-HEMT器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种双异质结GaN RC‑HEMT器件。本发明的主要特征在于：在HEMT栅极结构和漏极之间的势垒层(4)表面有顶部GaN层(9)，GaN沟道层(3)、势垒层(4)和顶部GaN层(9)形成双异质结，且在所述栅极结构与顶部GaN层(9)之间的势垒层(4)之上集成了肖特基续流二极管结构，用于HEMT器件反向续流。RC‑HEMT反向续流时，集成肖特基二极管借助2DEG形成电流路径，续流压降低；RC‑HEMT正向导通时，集成肖特基势垒二极管(SBD)处于关断状态，利用二维电子气(2DEG)传输电流，具有较低的导通电阻；RC‑HEMT正向阻断时，GaN沟道层(3)/势垒层(4)和势垒层(4)/顶部GaN层(9)形成极化结改善电场集中效应，调制器件漂移区电场，提高器件击穿电压。

Description

一种双异质结GaN RC-HEMT器件
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，具体是指一种双异质结GaN RC-HEMT器件。
背景技术
第三代宽禁带半导体材料GaN具有临界击穿电场大、电子迁移率高、饱和速度快、耐高温等优良特性，广泛应用于高频功率放大器与高压功率开关等场合，有效地提高了功率电子系统的转换效率。对于GaN HEMT器件应用而言，还面临着诸多挑战：一方面，在许多电子电力系统的电路拓扑中，例如桥式电路拓扑和LLC谐振电路拓扑，GaN器件不可避免地工作在反向导通状态。然而，常规GaN HEMT缺少体二极管，HEMT的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，这会带来更高的能量损失和更低的效率，阻碍了GaNHEMT功率器件发展。另一方面，由于栅极靠近漏极边缘的电场集中效应、栅极泄漏电流、衬底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，限制着GaN HEMT器件的大规模应用。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种双异质结GaN RC-HEMT器件。
本发明的技术方案是：
一种双异质结GaN RC-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和势垒层4；所述势垒层4上表面沿横向方向上依次分布第一导电材料5、栅极结构、第二导电材料10，且三者彼此有间距；所述第一导电材料5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；所述第二导电材料10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，其引出端为漏电极；
其特征在于，在所述栅极结构和漏极之间的势垒层4表面有顶部GaN层9，GaN沟道层3、势垒层4和顶部GaN层9形成双异质结，栅极结构、顶部GaN层9及漏极三者之间均有间距，且在所述栅极结构与顶部GaN层9之间的势垒层4之上集成了肖特基续流二极管结构，用于HEMT器件反向续流；所述肖特基续流二极管结构的阳极由第三导电材料8引出构成；所述第三导电材料8沿垂直方向向下延伸入位于栅极结构与顶部GaN层9之间的势垒层4中，与势垒层4的接触为肖特基接触，且向漏极方向延伸到顶部GaN层9上，且和顶部GaN层9的接触为欧姆接触；所述第三导电材料8与源电极短接，所述肖特基续流二极管的阴极为RC-HEMT的漏极；所述的GaN沟道层3/势垒层4/顶部GaN层9双异质结界面分别产生二维电子气(2DEG)和二维空穴气(2DHG)；
进一步的，所述栅极结构由位于势垒层4之上的P型GaN层6及位于P型GaN层6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6的接触为肖特基接触；第四导电材料7引出端为栅电极；
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61，绝缘栅介质61表面覆盖第四导电材料7，第四导电材料7引出端为栅电极；
进一步的，在器件横向方向上，MIS槽栅结构的绝缘栅介质61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5、第三导电材料8之间均有间距；
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；
本发明的有益效果在于：
1、嵌入HEMT漂移区的肖特基势垒二极管(SBD)与HEMT共用了势垒层4与GaN沟道层3间异质结产生的2DEG通路，RC-HEMT正向导通和反向续流时漂移区均全部参与导电，显著降低了反向导通电阻和反向导通压降，提高了器件的功率密度，且续流二极管无需额外面积，有效利用器件面积；
2、RC-HEMT正向阻断时，GaN沟道层3/势垒层4/顶部GaN层9双异质结引入的极化结改善电场集中效应，调制器件漂移区电场，实现漂移区电场近似矩形的分布，有效地提高了器件击穿电压。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图；
图2是实施例2的结构示意图；
图3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
一种双异质结GaN RC-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和AlGaN势垒层4；所述AlGaN势垒层4上表面沿横向方向上依次分布第一导电材料5、栅极结构、第二导电材料10，且三者彼此有间距；所述第一导电材料5沿垂直方向向下延伸入AlGaN势垒层4中，且和AlGaN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AlGaN势垒层4之上的P型GaN层6及位于P型GaN层6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6的接触为肖特基接触；所述第四导电材料7引出端为栅电极；所述第二导电材料10沿垂直方向向下延伸入AlGaN势垒层4中，且和AlGaN势垒层4的接触为欧姆接触，其引出端为漏电极；其特征在于，在所述栅极结构和漏极之间的AlGaN势垒层4表面有顶部GaN层9，GaN沟道层3、AlGaN势垒层4和顶部GaN层9形成双异质结，栅极结构、顶部GaN层9及漏极三者之间均有间距，且在所述栅极结构与顶部GaN层9之间的势垒层4之上集成了肖特基续流二极管结构，用于HEMT器件反向续流；所述肖特基续流二极管结构的阳极由第三导电材料8引出构成；所述第三导电材料8沿垂直方向向下延伸入位于栅极结构与顶部GaN层9之间的AlGaN势垒层4中，与AlGaN势垒层4的接触为肖特基接触，且向漏极方向延伸到顶部GaN层9上，且和顶部GaN层9的接触为欧姆接触；所述第三导电材料8与源电极短接，所述肖特基续流二极管的阴极为RC-HEMT的漏极；所述的GaN沟道层3/AlGaN势垒层4/顶部GaN层9双异质结界面分别产生2DEG和2DHG；
本发明提出一种双异质结GaN RC-HEMT器件。RC-HEMT反向续流时，集成肖特基二极管借助2DEG形成电流路径，续流压降低；RC-HEMT正向导通时，集成肖特基势垒二极管(SBD)处于关断状态，RC-HEMT利用2DEG传输电流，具有较低的导通电阻；RC-HEMT正向阻断时，GaN沟道层3/AlGaN势垒层4/顶部GaN层9双异质结引入的极化结改善电场集中效应，调制器件漂移区电场，提高器件击穿电压。本发明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，提高了功率密度和正向击穿电压。
实施例2
本例与实施例1的区别是，本例中所述一种双异质结GaN RC-HEMT器件的栅极结构为MIS槽栅结构，所述MIS槽栅结构自AlGaN势垒层4表面沿垂直方向向下嵌入AlGaN势垒层4中，MIS槽栅结构的底部和侧壁为绝缘栅介质61，绝缘栅介质61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，提高器件的可靠性。
实施例3
本例中所述的一种双异质结GaN RC-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61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5、第三导电材料8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缓解栅极靠近漏极边缘的电场集中效应，降低栅极泄漏电流，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 (5)

1.一种双异质结GaN RC-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)和势垒层(4)；所述势垒层(4)上表面沿横向方向上依次分布第一导电材料(5)、栅极结构、第二导电材料(10)，且三者彼此有间距；所述第一导电材料(5)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；所述第二导电材料(10)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，其引出端为漏电极；
其特征在于，在所述栅极结构和第二导电材料(10)之间的势垒层(4)表面有顶部GaN层(9)，GaN沟道层(3)、势垒层(4)和顶部GaN层(9)形成双异质结，栅极结构、顶部GaN层(9)及第二导电材料(10)三者之间均有间距，且在所述栅极结构与顶部GaN层(9)之间的势垒层(4)之上集成了肖特基续流二极管结构，用于HEMT器件反向续流；所述肖特基续流二极管结构的阳极由第三导电材料(8)引出构成；所述第三导电材料(8)沿垂直方向向下延伸入位于栅极结构与顶部GaN层(9)之间的势垒层(4)中，与势垒层(4)的接触为肖特基接触，且向漏极方向延伸到顶部GaN层(9)上表面，且第三导电材料(8)和顶部GaN层(9)的接触为欧姆接触；所述第三导电材料(8)与源电极短接，所述肖特基续流二极管的阴极为RC-HEMT的漏极；所述的GaN沟道层(3)、势垒层(4)、顶部GaN层(9)构成的双异质结界面分别产生二维电子气(2DEG)和二维空穴气(2DHG)。
2.根据权利要求1所述的一种双异质结GaN RC-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(6)及位于P型GaN层(6)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(6)的接触为肖特基接触；所述第四导电材料(7)引出端为栅电极。
3.根据权利要求1所述的一种双异质结GaN RC-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(61)，绝缘栅介质(61)表面覆盖第四导电材料(7)，第四导电材料(7)引出端为栅电极。
4.根据权利要求3所述的一种双异质结GaN RC-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(61)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(5)、第三导电材料(8)之间均有间距。
5.根据权利要求1所述的一种双异质结GaN RC-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。
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