CN115985960B

CN115985960B - 一种高速GaN功率器件及其制备方法

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Publication number: CN115985960B
Application number: CN202310250330.5A
Authority: CN
Inventors: 武乐可; 范晓成; 李亦衡; 朱廷刚
Original assignee: Jiangsu Corenergy Semiconductor Co ltd
Current assignee: Jiangsu Corenergy Semiconductor Co ltd
Priority date: 2023-03-16
Filing date: 2023-03-16
Publication date: 2023-08-22
Anticipated expiration: 2043-03-16
Also published as: CN115985960A

Abstract

本发明公开一种高速GaN功率器件及其制备方法，涉及器件制备领域；在衬底上由底至顶依次生长缓冲层和AlGaN层；AlGaN层的顶部生长间隔分布的P‑GaN层和第一介质层；P‑GaN层的顶部生成栅极电极；AlGaN层的顶部的间隔区域还生长第二介质层；覆盖P‑GaN层和栅极电极的第二介质层的顶部以及第一介质层的顶部生成源极场板；第二介质层的一侧边缘处生成源极电极，另一侧边缘处生成漏极电极；源极电极和漏极电极均由顶向底依次贯穿第二介质层和AlGaN层并延伸至所述缓冲层内部与缓冲层内部形成的二维电子气层连接；本发明能够提高功率器件的性能。

Description

一种高速GaN功率器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及器件制备领域，特别是涉及一种高速GaN功率器件及其制备方法。

背景技术

功率半导体器件又称电力电子器件，主要运用于输入整流、控制、逆变和输出整流等功率变换技术环节，是实现将“粗电”精炼成符合应用需要的“精电”的核心器件。大到电站、航空、高铁，小到手机等便携式移动设备，都离不开功率半导体器件对电能的转换利用。目前，传统的Si基半导体器件已进入性能瓶颈期，诸多新型电子应用对于功率模块的体积、效率以及工作稳定性提出了更高的要求。作为新一代半导体的代表，GaN材料具有宽带隙、高电子漂移速度、高热导率以及高耐压等得天独厚的优势，GaN功率器件将承担打破传统Si基器件功率极限和功率转换效率的任务。

GaN功率器件由于具有小的电容，在开关速度上具有明显优势，同时又具有高的耐压性能，因此在器件设计制备过程中，要充分发挥出GaN的性能优势，在减小电容的同时，保持器件的耐压性能不受影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速GaN功率器件及其制备方法，可提高功率器件的性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种高速GaN功率器件，所述高速GaN功率器件包括：衬底、缓冲层、AlGaN层、P-GaN层、第一介质层、第二介质层、源极电极、栅极电极、漏极电极和源极场板；

在所述衬底上由底至顶依次生长所述缓冲层和所述AlGaN层；

所述AlGaN层的顶部生长间隔分布的所述P-GaN层和所述第一介质层；所述P-GaN层的顶部生成所述栅极电极；

所述AlGaN层的顶部的间隔区域还生长所述第二介质层；所述间隔区域为所述AlGaN层的顶部除所述P-GaN层和所述第一介质层之外的区域；所述第二介质层覆盖所述P-GaN层和所述栅极电极；所述第一介质层的顶部露出；

覆盖所述P-GaN层和所述栅极电极的第二介质层的顶部以及所述第一介质层的顶部生成所述源极场板；

所述第二介质层的一侧边缘处生成所述源极电极；所述第二介质层的另一侧边缘处生成所述漏极电极；

所述源极电极和所述漏极电极均由顶向底依次贯穿所述第二介质层和所述AlGaN层，并延伸至所述缓冲层内部，与所述缓冲层内部形成的二维电子气层连接；

所述缓冲层、所述AlGaN层和所述P-GaN层均是在MOCVD设备中生长而成。

可选地，所述第一介质层为绝缘材料。

可选地，所述第一介质层和所述第二介质层的材料不同。

可选地，所述第一介质层的材料包括：硅碳氧氢化物和有机硅化物玻璃。

可选地，所述第二介质层的材料包括：SiO₂和SiN_x。

一种高速GaN功率器件制备方法，所述制备方法用于制备上述任意一项所述的高速GaN功率器件，所述制备方法包括：

采用MOCVD设备，在衬底上由下至上依次生长缓冲层、AlGaN层和整层的P-GaN层；

对所述整层的P-GaN层进行处理操作，得到P-GaN层；

在所述P-GaN层上方生成栅极电极；

在所述AlGaN层的顶部和所述栅极电极的上方生长整层的第一介质层；

对所述整层的第一介质层进行处理操作，得到第一介质层；所述第一介质层和所述P-GaN层间隔分布；

在所述栅极电极的上方、所述AlGaN层的顶部和所述第一介质层的顶部生长整层的第二介质层；

对所述整层的第二介质层进行处理操作，得到第二介质层；所述第二介质层位于所述AlGaN层的顶部的间隔区域；所述间隔区域为所述AlGaN层的顶部除所述P-GaN层和所述第一介质层之外的区域；所述第二介质层覆盖所述P-GaN层和所述栅极电极；所述第一介质层的顶部露出；

在所述第二介质层的边缘处生成源极电极和漏极电极；所述源极电极和所述漏极电极均由顶向底依次贯穿所述第二介质层和所述AlGaN层，并延伸至所述缓冲层内部，与所述缓冲层内部形成的二维电子气层连接；

在覆盖所述P-GaN层和所述栅极电极的第二介质层的顶部以及所述第一介质层的顶部生成源极场板；所述源极场板的一端与所述源极电极连接，得到高速GaN功率器件。

可选地，所述在所述第二介质层的边缘处生成源极电极和漏极电极，具体包括：

在所述第二介质层的一侧边缘处向下刻蚀至所述缓冲层的内部形成源极凹槽；所述源极凹槽贯穿所述缓冲层内部形成的二维电子气层；

在所述第二介质层的另一侧边缘处向下刻蚀至所述缓冲层的内部形成漏极凹槽；所述漏极凹槽贯穿所述缓冲层内部形成的二维电子气层；

采用溅射或蒸发的方式，在所述源极凹槽内生成所述源极电极；

采用溅射或蒸发的方式，在所述漏极凹槽内生成所述漏极电极。

可选地，所述处理操作的方式为光刻及刻蚀。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种高速GaN功率器件及其制备方法，该高速GaN功率器件包括：衬底、缓冲层、AlGaN层、P-GaN层、第一介质层、第二介质层、源极电极、栅极电极、漏极电极和源极场板；缓冲层、AlGaN层和P-GaN层均是在MOCVD设备中生长而成；源极电极和漏极电极均与缓冲层内部形成的二维电子气层连接；第一介质层在不影响电场分布的情况下，可以减小器件电容，使器件的开关速度变快。本发明实现的一种高速GaN功率器件，提高了器件的工作频率；因此本发明能够提高功率器件的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的高速GaN功率器件的结构图；

图2为本发明实施例提供的高速GaN功率器件制备方法的流程图；

图3为实际应用中的制备方法步骤1对应的示意图；

图4为实际应用中的制备方法步骤2对应的示意图；

图5为实际应用中的制备方法步骤3对应的示意图；

图6为实际应用中的制备方法步骤4对应的示意图。

符号说明：

衬底-1、第一介质层-2、第二介质层-3、源极电极-4、栅极电极-5、漏极电极-6、源极场板-7、二维电子气层-8。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供了一种高速GaN功率器件，该高速GaN功率器件包括：衬底1、缓冲层、AlGaN层、P-GaN层、第一介质层2、第二介质层3、源极电极4、栅极电极5、漏极电极6和源极场板7。

在衬底1上由底至顶依次生长缓冲层和AlGaN层；AlGaN层的顶部生长间隔分布的P-GaN层和第一介质层2；P-GaN层的顶部生成栅极电极5。

AlGaN层的顶部的间隔区域还生长第二介质层3；间隔区域为AlGaN层的顶部除P-GaN层和第一介质层2之外的区域；第二介质层3覆盖P-GaN层和栅极电极5；第一介质层2的顶部露出。

覆盖P-GaN层和栅极电极5的第二介质层3的顶部以及第一介质层2的顶部生成源极场板7。

第二介质层3的一侧边缘处生成源极电极4；第二介质层3的另一侧边缘处生成漏极电极6。

源极电极4和漏极电极6均由顶向底依次贯穿第二介质层3和AlGaN层，并延伸至所述缓冲层内部，与缓冲层内部形成的二维电子气层8连接。缓冲层、AlGaN层和P-GaN层均是在MOCVD设备中生长而成。

具体地，第一介质层2为绝缘材料。第一介质层2和第二介质层3的材料不同。第一介质层2的材料包括：硅碳氧氢化物和有机硅化物玻璃。第二介质层3的材料包括：SiO₂和SiN_x。

实施例2

本发明实施例提供了一种高速GaN功率器件制备方法，该制备方法用于制备实施例1的高速GaN功率器件，该制备方法包括：

步骤100：采用MOCVD设备，在衬底上由下至上依次生长缓冲层、AlGaN层和整层的P-GaN层。

步骤200：对整层的P-GaN层进行处理操作，得到P-GaN层。

步骤300：在P-GaN层上方生成栅极电极。

步骤400：在AlGaN层的顶部和栅极电极的上方生长整层的第一介质层。

步骤500：对整层的第一介质层进行处理操作，得到第一介质层；第一介质层和P-GaN层间隔分布。

步骤600：在栅极电极的上方、AlGaN层的顶部和第一介质层的顶部生长整层的第二介质层。

步骤700：对整层的第二介质层进行处理操作，得到第二介质层；第二介质层位于AlGaN层的顶部的间隔区域；间隔区域为AlGaN层的顶部除P-GaN层和第一介质层之外的区域；第二介质层覆盖P-GaN层和栅极电极；第一介质层的顶部露出。

步骤800：在第二介质层的边缘处生成源极电极和漏极电极；源极电极和漏极电极均由顶向底依次贯穿第二介质层和AlGaN层，并延伸至所述缓冲层内部，与缓冲层内部形成的二维电子气层连接。

步骤900：在覆盖P-GaN层和栅极电极的第二介质层的顶部以及第一介质层的顶部生成源极场板；源极场板的一端与源极电极连接，得到高速GaN功率器件。

具体地，处理操作的方式为光刻及刻蚀。

在第二介质层的边缘处生成源极电极和漏极电极，具体包括：

在第二介质层的一侧边缘处向下刻蚀至缓冲层的内部形成源极凹槽；源极凹槽贯穿缓冲层内部形成的二维电子气层。

在第二介质层的另一侧边缘处向下刻蚀至缓冲层的内部形成漏极凹槽；漏极凹槽贯穿缓冲层内部形成的二维电子气层。

采用溅射或蒸发的方式，在源极凹槽内生成源极电极。

采用溅射或蒸发的方式，在漏极凹槽内生成漏极电极。

在实际应用中，高速GaN功率器件制备方法的步骤还可以如下：

步骤1：如图3所示，将Si衬底放入MOCVD设备中，依次外延生长缓冲层、AlGaN层和P-GaN层。由于P-GaN层的耗尽作用，此时在AlGaN层下方几乎没有二维电子气。

步骤2：如图4所示，对P-GaN层进行刻蚀，只保留部分P-GaN层，将P-GaN层的上方作为栅极区域。该步骤中的刻蚀，需要低损伤且高选择比，将P-GaN层刻蚀完后，停止在AlGaN表面上。这步刻蚀是公认的比较关键的刻蚀，既不能对AlGaN层表面造成严重损伤，又要保证刻蚀程序在刻蚀P-GaN层时速率很快，刻蚀AlGaN层时，速率很慢（即对刻蚀P-GaN层和AlGaN层的选择比要很高，通常要高于20以上）。

步骤3：如图5所示，在栅极区域（即P-GaN层上方）制作栅极电极，即采用溅射或者蒸发的方式，在P-GaN层上方制作叠层金属结构，形成栅极电极。然后整面覆盖第一介质层，即低K介质层，可以是SiCOH、OSG等材料，K值小于3。SiCOH为硅碳氧氢化物，是一种包含Si、C、O、H原子的介质材料。OSG材料是有机硅化物玻璃。

步骤4：如图6所示，采用刻蚀的方式，只保留部分的低K介质层，其他区域的低K介质层去除掉。

步骤5：整片覆盖常规介质层即第二介质层（材料可以是SiO₂或SiN_x)，刻蚀掉低K介质层上方的常规介质层。然后采用溅射或蒸发的方式，生成源极电极、漏极电极以及源极场板，源极场板覆盖在低K介质层上。最终得到高速GaN功率器件。如图1所示。

在GaN的制备过程中，设计电极场板可以起到分散电场的作用，使电场分布更均匀、提升器件的耐压，同时还可以减少二维电子气中的电子被AlGaN表面的界面态俘获，提升器件的动态特性（动态特性是指器件在经过高压后，其电阻变大的现象）。场板下的介质厚度是体现场板作用的关键环节，对同样的介质材料，介质厚度太厚，器件电容会比较小，但分散电场的能力弱；介质厚度太薄，器件电容大，但分散电场的能力强。

本发明提出的高速GaN功率器件制备方法，场板下介质采用特殊的低K（K是指介电常数）介质。与常规的介质（SiO2，SiNx等）相比，同样厚度下，低K介质可以使器件有更小的电容，同时能保证分散电场的能力不变（即低K介质层厚度可以做薄一点，保证分散电场能力，同时也能保证器件的电容比较小）。同时，由于低K介质在机械性质方面比常规介质要弱，为保持整个器件结构的强度，只在部分场板下方采用低K介质，其余区域用常规介质包覆。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种高速GaN功率器件制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备高速GaN功率器件，所述高速GaN功率器件包括：衬底、缓冲层、AlGaN层、P-GaN层、第一介质层、第二介质层、源极电极、栅极电极、漏极电极和源极场板；

在所述衬底上由底至顶依次生长所述缓冲层和所述AlGaN层；

所述缓冲层、所述AlGaN层和所述P-GaN层均是在MOCVD设备中生长而成；

所述制备方法包括：

对所述整层的P-GaN层进行处理操作，得到P-GaN层；

在所述P-GaN层上方生成栅极电极；

在覆盖所述P-GaN层和所述栅极电极的第二介质层的顶部以及所述第一介质层的顶部生成源极场板；所述源极场板的一端与所述源极电极连接，得到高速GaN功率器件；

在所述第二介质层的边缘处生成源极电极和漏极电极，具体包括：

采用溅射或蒸发的方式，在所述漏极凹槽内生成所述漏极电极；

所述第一介质层设置在所述AlGaN层的顶部，且与所述P-GaN层间隔分布；

所述第二介质层设置在所述AlGaN层的顶部除第一介质层和所述P-GaN层以外的区域，且所述第二介质层还设置在所述栅极电极的上方；

所述第一介质层和所述第二介质层的材料不同；所述第一介质层的材料为低K介质。

2.根据权利要求1所述的高速GaN功率器件制备方法，其特征在于，所述处理操作的方式为光刻及刻蚀。

3.根据权利要求1所述的高速GaN功率器件制备方法，其特征在于，所述第一介质层为绝缘材料。

4.根据权利要求3所述的高速GaN功率器件制备方法，其特征在于，所述第一介质层的材料包括：硅碳氧氢化物和有机硅化物玻璃。

5.根据权利要求1所述的高速GaN功率器件制备方法，其特征在于，所述第二介质层的材料包括：SiO₂和SiN_x。