[发明专利]一种基于离子注入的GaN功率器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，具体是涉及一种基于离子注入的GaN功率器件及其制造方法。

背景技术

作为第三代宽禁带半导体材料的代表，GaN是继以 Si、 Ge 为代表的第一代及以 GaAs、 InP 为代表的第二代半导体材料之后，近二三十年来发展起来的新型半导体材料。GaN材料具有临界击穿场强高、禁带宽度大、载流子迁移率高、饱和电子漂移速度高、热导率大等特点，具备传统 Si 材料无法比拟的优势，非常适合于制作高温(300℃以上)、大功率、低损耗的电力电子器件，可实现系统的小型化、轻量化和低成本化，且可在提高系统驱动能力的情况下使系统更加高效节能。

尽管近年来 GaN 基电力电子器件取得了巨大进展，但仍然面临着一些关键技术问题，如功率器件耐压偏低、关态漏电流较大、可靠性差等。目前，成熟的GaN功率器件多采用横向传导进行工作，由AlGaN势垒层与GaN沟道层之间极化效应形成的二维电子气作为导电沟道。在生长GaN沟道层之前需要沉积一层GaN缓冲层，用来改善材料质量，减少位错，增强绝缘性，实现更好的沟道关断。

目前，报道的器件击穿电压还远小于GaN材料的理论极限。一个主要原因是电流通过位错或缺陷进入GaN缓冲层甚至生长衬底导致器件的提前击穿。提高耐压可通过高质量外延以及加大GaN缓冲层材料厚度来实现，但是材料生长使用金属有机化学气相外延，沉积速率缓慢，生产成本很高，生长条件调控复杂。另一种提高耐压的方法是对GaN缓冲层进行受主掺杂，通过在 GaN 体材料中引入一定量的受主杂质，来补偿过剩的电子，从而降低体材料漏电，提高击穿电压。但是这些受主杂质会导致器件可靠性降低，动态特性变差。

对于这些存在的问题，国内国际都展开了一系列的研究，通过去除漏电路径或者将缓冲层变为高阻层来改善器件性能。

比利时的Puneet Srivastava等人采用了Si衬底部分剥离方案，通过选择区域剥离 Si 衬底，有效改善了器件的击穿特性，使栅漏间距为 20 μm 的器件的击穿电压达到了标志性的 2200 V[55]。但是，选择性衬底剥离技术工艺复杂，难度极大，增加了器件制作成本。而且，Si 衬底剥离后，其热导性能也变差，大功率工作下发热会非常明显，不适用于大功率器件的制备（参考文献：Srivastava P, Das J, Visalli D, et al. Record Breakdown Voltage (2200 V) of GaN DHFETs on Si With 2-$/ mu/ hbox {m} $ Buffer Thickness by Local Substrate Removal[J]. IEEE Electron Device Letters, 2011, 32(1): 30-32.）。

华中科技大学的Shichuang Sun等人通过Al离子注入制备了AlGaN/GaN金属绝缘层半导体高电子迁移率晶体管，他们首先在Si衬底上生长GaN缓冲层，使用Al离子注入进行绝缘化处理，然后通过二次生长制备GaN沟道层及AlGaN势垒层。采用离子注入的器件相比对照组，关态漏电流降低了3倍，同时击穿电压提高了6倍。然而，其离子注入会造成注入损伤，在二次外延时会引起材料生长的质量劣化，此外对样品的一系列处理也有可能引入污染（参考文献：Sun S, Fu K, Yu G, et al. AlGaN/GaN metal-insulator-semiconductor high electron mobility transistors with reduced leakage current and enhanced breakdown voltage using aluminum ion implantation[J]. Applied Physics Letters, 2016, 108(1): 013507.）。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种结构新颖、抑制漏电流、击穿电压高的基于离子注入的GaN功率器件及其制造方法。

本发明的技术方案是这样实现的：