[发明专利]增强型高电子迁移率晶体管及其制作方法

说明书

本发明公开了一种增强型高电子迁移率晶体管及其制作方法，主要解决现有功率开关器件存在阈值电压低和实现高击穿电压时工艺复杂的问题，其包括：衬底(1)、过渡层(2)、势垒层(3)、栅槽(4)、漏槽(5)、P型层(6)、P型漏柱(7)、栅柱(9)、源极(11)、台面(14)、栅极(15)和钝化层(16)。栅柱内部设有N型排柱(8)；栅柱左侧的势垒层内与P型漏柱右侧的势垒层内均设有阵列孔(10)；P型漏柱右侧设有欧姆接触(12)，P型漏柱与欧姆接触共同组成漏极(13)；钝化层上部设有复合板(17)；钝化层和复合板的外围设有保护层(18)。本发明工艺简单、正向阻断与反向阻断好，阈值电压高，可作为开关器件。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种功率开关器件，可用于作为电力电子系统的基本器件。

技术背景

电力电子系统广泛应用于航空航天、工业设备、电动汽车、家用电器等众多领域，功率开关器件作为电力电子系统的重要元件，是实现能量转换与控制的重要工具。因此，功率开关器件的性能和可靠性对整个电力电子系统的各项技术指标和性能有着决定性影响。当前，Si基功率开关器件性能已经趋近其理论极限，不能满足下一代电力电子系统高温、高压、高频、高效和高功率密度的要求。而以GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场大、化学性质稳定的特点，在制备具有更低导通电阻、更快开关速度、更高击穿电压的功率开关器件方面，已展现出独特的优势。特别是基于GaN基异质结结构的高电子迁移率器件晶体管，即GaN基高电子迁移率晶体管HEMT功率开关器件，以其优异的功率特性，在国民经济与军事领域具有广阔和特殊的应用前景。

传统GaN基HEMT功率开关器件是基于GaN基异质结结构，其包括：衬底1、过渡层2、势垒层3、P型层4、栅柱5、源极6、漏极7、栅极8、台面9和保护层10；势垒层3上面的左侧淀积有源极6，势垒层3上面右侧淀积有漏极7，源极6和漏极7之间的势垒层3上面外延有P型层4，P型层4上淀积有栅极8，保护层10完全覆盖势垒层3、P型层4、源极6、漏极7和栅极8以上的区域，如图1所示。

然而，在传统GaN基HEMT功率开关器件中，P型层中P型杂质镁的激活率很低，难以实现高掺杂的P型层，导致器件阈值电压往往低于2V。且研究表明，过高掺杂浓度的P型层又会导致器件阈值电压的降低，参见On the physical operation and optimization ofthe p-GaN gate in normally-off GaN HEMT devices,Applied Physics Letters,Vol.110,No.12,pp.1-5,2017。此外，在传统GaN基HEMT功率开关器件中，由于器件栅极靠近漏极附近通常会形成极高电场峰，进而导致器件在施加正漏极电压时，即正向关态时，器件正向击穿电压远低于理论预期值，且存在电流崩塌、逆压电效应等可靠性问题，严重制约其实际应用。为了解决上述实际问题，研究者们提出了众多方法，而多层场板结构是其中效果最为显著的一种，参见A 130-W Boost Converter Operation Using a High-VoltageGaN-HEMT,IEEE Electron Device Letters,Vol.29,No.1,pp.8-10,2008。