[发明专利]集成栅保护结构的GaN HEMT器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种集成栅保护结构的GaN HEMT器件，器件包括：GaNHEMT，所述GaN HEMT包括源极、栅极及漏极，在栅极和源极之间设置有栅保护结构，栅保护结构在栅极与源极间的正向电压大于允许的最大正向电压时或反向电压的绝对值大于允许的最大反向电压的绝对值时击穿并导通。集成栅极保护结构的GaN HEMT器件，利用在芯片上集成栅的保护结构，当器件的栅极电压超过最大允许电压时，栅保护结构击穿导通，栅源电压维持在设置的最大电压，实现了对栅介质的保护，提高器件应用的可靠性。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，更具体地，本发明涉及一种集成栅保护结构的GaNHEMT器件及其制备方法。

背景技术

氮化镓(GaN)是宽禁带半导体材料，禁带宽度达3.4eV。与传统的半导体材料硅(Si)、砷化镓(GaAs)相比，具有更高的临界电场、电子饱和漂移速度、以及良好的化学稳定性等特点。基于GaN材料的AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)结构具有更高的电子迁移率(高于1800cm²V^-1s^-1)和二维电子气(2DEG)面密度(约10¹³cm^-2)，使得基于GaN材料的器件在射频领域和电力电子领域都具有非常明显的优势。

GaN HEMT器件有各种不同的结构，如MES HEMT、MOS沟道HEMT、MIS HEMT、p-GaNHEMT等多种，根据阈值电压的不同，又可以分为增强型和耗尽型。以p-GaN HEMT器件结构为例，器件的截面示意图，如图1所示。材料由衬底，如蓝宝石、Si晶圆、SiC晶圆等，成核层AlN，GaN层，AlGaN势垒层，p型掺杂的p-GaN帽层等组成。因为自发极化和压电极化的原因，AlGaN与GaN层之间的界面会产生大量高迁移率的二维电子气，形成非常低电阻的导通沟道。当在AlGaN势垒层上淀积一定厚度的p-GaN层后，p-GaN层使势垒下方的二维电子气耗尽，关断导通沟道。在p-GaN层上淀积栅极，可以通过控制栅极的电压，耗尽或形成p-GaN下方AlGaN/GaN界面处的二维电子气，从而实现器件的关断或开通。

当栅源之间的电压达到一定值时，栅金属与GaN之间会发生载流子的注入和隧穿现象，栅源之间击穿。由于GaN材料的雪崩性能较弱，一定击穿电压和电流下容易发生烧毁。同时，p-GaN和AlGaN层都非常薄，因此击穿电压很低，栅电压的工作范围小。

然而，由于栅工作电压的范围相对比较小，如当前一般增强型GaN HEMT器件的栅电压范围为-2V～10V之间，比Si和SiC功率器件要小的多，这在应用中容易发生可靠性问题。在实际工作电路中，往往会存在一些电流的扰动，如负载的突然开启关断、电路故障、外界电磁干扰等，这些都可能会在栅极引起电压的波动，使器件的栅发生击穿导致失效，从而发生电路故障。

发明内容

本发明提供了一种集成栅保护结构的GaN HEMT器件，旨在改善上述问题。

为了实现上述目的，一种集成栅保护结构的GaN HEMT器件，所述器件包括：

GaN HEMT，所述GaN HEMT包括源极、栅极及漏极，在栅极和源极之间设置有栅保护结构，栅保护结构在栅极与源极间的正向电压大于允许的最大正向电压时或反向电压的绝对值大于允许的最大反向电压的绝对值时导通，以限制栅极与源极之间的电压。

进一步的，所述栅保护结构由设于栅极与源极之间的一对或多对反向串联的多晶硅pn二极管组成。

进一步的，所述GaN HEMT为p-GaN HEMT。

进一步的，p-GaN HEMT从下至上依次包括：

衬底、缓冲层、GaN层、势垒层、p-GaN层及栅介质层；