[实用新型]一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件

说明书

技术领域

本实用新型涉及半导体器件技术领域，特别是一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件。

背景技术

全球经济正在经历从“高碳”向“低碳”的革命性演进，其实质是在社会创建高效的清洁能源结构，同时提高能源利用效率。目前75%以上的电能应用均需由功率半导体技术进行功率变换后才能供电子设备使用。功率半导体的作用是电能变换和电能控制，将“粗电”变为“精电”，使电能更有效、更节能、更环保地使用。因此，功率半导体技术是新能源利用和节能减排的基础和核心技术之一。以GaN为代表的宽禁带半导体材料因具有宽带隙、高饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等突出优点，是继以Si和GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料之后迅速崛起的新型半导体材料，特别适合制作大功率、高压、高温、抗辐照功率半导体器件，它被誉为可带动“新能源革命”的“绿色能源”器件。但因其缺乏同质衬底，GaN异质外延局限于热导率低的蓝宝石和成本昂贵的SiC等两种衬底，故在低成本的硅基衬底材料上开发GaN材料外延，甚至在芯片制程异质集成等整套技术成为半导体科技界和工业界追求的共同热点，以体现在GaN功率半导体器件具有比硅基功率半导体最新指标高出10倍的性能指数(FOM)优势前提下，它又能为功率电子系统提供低成本、高性能的功率管理解决方案。由此可见，硅基GaN功率半导体技术已成为国际半导体领域研究热点和战略制高点之一。

宽禁带半导体GaN以其具有宽金带宽度(3.4eV)、高击穿电场强度(3MV/cm)、高电子饱和速度(2.5×10⁷cm/s)，AlGaN/GaN异质结中的二维电子气高迁移率(1800cm²/(V·s))和高浓度(2×10¹³cm^-2)，故其归一化器件优值(BFOM)为537远优于Si、GaAs和4H-SiC(三种半导体BFOM分别为1，17和134)，因此它成为制作高压、高温、高频、大功率功率器件的理想材料。西方各国早在21世纪初依托DARPA、欧洲第7框架计划架构相继启动了高功率电子器件应用宽禁带技术(HPE，High Power Electronics)、微尺度功率变换(Microscale Power Conversion, MPC)等重大研究专题以支持研究机构、产业界共同开发宽禁带功率半导体技术。

目前包括UCSB、RPI、HRL在内等知名科研机构和以日立(Panasonic)、国际整流(International Rectifier)和富士(Fujitsu)为代表的国际知名半导体公司已经对GaN 基开关器件的研究给予极大的关注，并从GaN材料外延与衬底复用、新器件与建模、功率集成技术以及GaN模组新机理等领域展开研究，已取得了令人瞩目的阶段性成果。伦斯勒理工学院T.P. Chow研究组于2009年报道了基于Resurf n/p外延层结构开发击穿电压、比导通电阻分别约为730V、34mΩ·cm²的常关MESFET高压器件^[18]。日本Panasonic公司于2013年详细报道了集成电子/空穴两种载流子导电机理的Gate Injection Transistor(GIT)新功率器件及其驱动应用等成果，整套GaN技术有着较硅IGBT低约54%功耗的显著优势。

在产业整合并购方面，过去五年投资者对先进材料和电力电子器件方面的投入超过2亿美元，约有15家全球知名功率半导体公司直接或间接从事GaN功率半导体产品开发。Transphorm，EpiGaN，GaN Systems以及Azzurro公司已经完成了几轮的资金募集。另一方面，企业投资与并购持续不断，如美国Fairchild收购TranSiC，德国英飞凌收购SiCed，日本Rohm收购SiCrystal和以及韩国SKC收购Crysband。以欧洲微电子研究中心IMEC为代表的研发机构自2011年5月在200mm规格硅衬底上制造出高质量GaN/AlGaN异质结结构层以来，就一直致力于8英寸硅基GaN电力电子器件研制，希望能尽快将GaN基功率器件整套技术导入200mm规格芯片厂。IR和EPC等公司基于6英寸 GaN平台率先推出了30V和100V/200V的GaN场效应电力电子器件系列GaN功率晶体管产品及其全集成半桥式模组，600-900V GaN器件在近期也将推向市场。美国GaN初创公司Transphorm已成为首家获得氮化镓上硅设备固态技术协会资格JEDEC的公司。韩国LG公司也于2014年报道了6英寸无金工艺600V、18A的GaN功率器件样品成果。