一种具有高电流密度的增强型氧化镓功率器件

技术领域

本发明属于功率半导体器件领域，尤其涉及一种具有高电流密度的增强型氧化镓功率器件。

背景技术

氧化镓(Ga

氧化镓半导体材料容易实现N型掺杂，可用于制备高性能的N型场效应管，然而该材料无法实现P型掺杂，难以制备增强型氧化镓功率器件。目前，增强型氧化镓功率器件需要通过减小沟道浓度、减薄沟道厚度、栅极区域刻蚀等技术来实现，这会导致其电流能力下降，不利于制备高电流密度的增强型氧化镓功率器件。

氧化镍和氧化铜半导体材料可以通过控制工艺生长条件来实现高浓度的P型掺杂，P型氧化镍或P型氧化铜可用作氧化镓功率器件的栅极介质，从而提高器件的阈值电压与击穿电压，但会导致电流密度进一步下降。

发明内容

发明目的：针对氧化镓功率器件在实际应用的上述问题，本发明提供一种具有高电流密度的增强型氧化镓功率器件，其具备高电流密度、高阈值电压以及高击穿电压。

技术方案：本发明的一种具有高电流密度的增强型氧化镓功率器件，包括：氧化镓半绝缘衬底层，所述氧化镓半绝缘衬底层上设有第一氧化镓外延层，所述第一氧化镓外延层的上表面设有第一氧化镓高掺区，所述第一氧化镓高掺区上设有间隔的第二氧化镓外延层，所述第二氧化镓外延层的上表面设有第二氧化镓高掺区和第三氧化镓高掺区，所述第二氧化镓外延层的间隔区域中设有P型半导体层，所述第二氧化镓高掺区上设有金属源电极，所述第三氧化镓高掺区上设有金属漏电极，所述第二氧化镓外延层上设有第一介质层，所述第一介质层间隔P型半导体层和第二氧化镓外延层，所述P型半导体层与第一氧化镓高掺区直接接触，所述P型半导体层上设有T型金属栅电极，所述氧化镓半绝缘衬底层上表面的左右两端设有电学隔离区，所述第一介质层上表面设有第二介质层。

进一步的，所述第一氧化镓高掺区是在第一氧化镓外延层的上表面通过Si离子注入工艺制备，第一氧化镓高掺区表面峰值浓度范围为1×10

进一步的，所述第二氧化镓高掺区和第三氧化镓高掺区是在第二氧化镓外延层的上表面通过Si离子注入工艺制备，第二氧化镓高掺区和第三氧化镓高掺区表面峰值浓度范围为1×10

进一步的，所述P型半导体层材质为NiO或Cu

进一步的，所述氧化镓半绝缘衬底层为Fe掺衬底，其厚度范围为0.1-1mm，所述第一氧化镓外延层为非故意掺杂，其厚度范围为100-500um，所述第二氧化镓外延层为N型轻掺杂，其浓度范围为1×10

进一步的，所述金属源电极和金属漏电极分别与第二氧化镓高掺区和第三氧化镓高掺区形成欧姆接触，所述T型金属栅电极与P型半导体层形成肖特基接触。

进一步的，所述T型金属栅电极为Pd、Ni、Pt、Au、W金属材料的一种或多种组合，且具有相同的功函数。

进一步的，所述金属源电极与金属漏电极为Ti、In、Au金属材料的一种或多种组合，且具有相同的功函数。

进一步的，所述第一介质层为致密的栅氧化层，由Al

进一步的，所述第二介质层为表面钝化层，由SiO

本发明还公开一种具有高电流密度的增强型氧化镓功率器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在掺Fe的氧化镓半绝缘衬底上通过MOCVD或MBE外延非掺的第一氧化镓外延层；

S2、在第一氧化镓外延层的上表面通过低能离子注入工艺形成第一氧化镓高掺区，并在950℃N

S3、在第一氧化镓外延层上外延轻掺杂的第二氧化镓外延层；

S4、在第二氧化镓外延层的上表面通过离子注入工艺形成第二氧化镓高掺区和第三氧化镓高掺区，并在950℃N

S5、在第二氧化镓高掺区和第三氧化镓高掺区上制备欧姆接触型的金属源电极和金属漏电极，并在475℃N

S6、通过BCl

S7、通过干法刻蚀将第二氧化镓外延层间隔成两个区域；

S8、在器件的表面利用ALD沉积第一介质层，随后通过干法刻蚀间隔区域底部的第一介质层；

S9、在间隔区域中通过磁控溅射制备P型高掺杂的氧化镍或氧化铜半导体层；

S10、在P型高掺杂的半导体层上方制备肖特基接触型的金属栅电极；

S11、在器件表面沉积第二介质层，制得增强型氧化镓功率器件。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

(1)高电流密度。本发明器件得益于第一高掺杂区的超高浓度，提高了器件的电流能力，其转移特性如图9所示，在Vds＝15V、Vgs＝5V的条件下，本实施例的电流密度为300mA/mm，而传统增强型氧化镓功率器件的电流密度为50mA/mm，电流能力提升了5倍，因此本发明器件具有高电流密度。

(2)高阈值电压。本发明器件得益于第一高掺杂区的超薄厚度，使得电子沟道更容易被耗尽，提高了器件的沟道夹断能力，其转移特性如图9所示，在Vds＝15V、Ids＝1mA/mm的条件下，本实施例的阈值电压为1.5V，而传统增强型氧化镓功率器件的阈值电压为1V，阈值电压提升了50％，因此本发明器件具有高阈值电压。

(3)高击穿电压。本发明器件得益于第二氧化镓外延层的N型轻掺杂特性以及T型金属栅电极结构，提高了器件的击穿电压。

附图说明

图1为传统增强型氧化镓功率器件的结构示意图；

图2为传统耗尽型氧化镓功率器件的结构示意图；

图3为本发明实施例1的结构示意图；

图4为本发明实施例2的结构示意图；

图5为本发明实施例3的结构示意图；

图6为本发明实施例1的工艺制备流程；

图7为本发明实施例1的工艺制备示意图；

图8为本发明实施例1中第一氧化镓高掺区的Si离子浓度分布曲线图；

图9为本发明实施例1与传统增强型氧化镓功率器件的转移特性曲线图；

图10为本发明实施例2与传统增强型氧化镓功率器件的转移特性曲线图；

图11为本发明实施例3与传统耗尽型氧化镓功率器件的转移特性曲线图。

图中有：氧化镓半绝缘衬底层1、第一氧化镓外延层2、第一氧化镓高掺区3、第二氧化镓外延层4、第二氧化镓高掺区5、第三氧化镓高掺区6、金属源电极7、金属漏电极8、电学隔离区9、第一介质层10、P型半导体层11、(T型)金属栅电极12、第二介质层13。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明进一步详细说明，应当理解，此处描述的实施案例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：一种具有高电流密度的增强型氧化镓功率器件

本实施例提供的一种具有高电流密度的增强型氧化镓功率器件结构如图3所示，包括：氧化镓半绝缘衬底层1，所述氧化镓半绝缘衬底层1上设有第一氧化镓外延层2，所述第一氧化镓外延层2的上表面设有第一氧化镓高掺区3，所述第一氧化镓高掺区3上设有间隔的第二氧化镓外延层4，所述第二氧化镓外延层4的上表面设有第二氧化镓高掺区5、第三氧化镓高掺区6，所述第二氧化镓高掺区5上设有金属源电极7，所述第三氧化镓高掺区6上设有金属漏电极8，所述第二氧化镓外延层4的间隔区域中设有P型半导体层11，所述第二氧化镓外延层4上设有第一介质层10，所述第一介质层10间隔P型半导体层11和第二氧化镓外延层4，所述P型半导体层11与其下方的第一氧化镓高掺区3直接接触，所述P型半导体层11上设有T型金属栅电极12，该器件还包括电学隔离区9，第二介质层13。

本实施例中第一高掺氧化镓区的Si离子分布曲线如图8所示，表面峰值浓度为3×10

因此，本实施例实现了一种具有高电流密度、高阈值电压和高击穿电压的增强型氧化镓功率器件。

实施例2：一种具有宽栅极电压工作范围的增强型氧化镓功率器件

本实施例提供的一种具有宽栅极工作电压范围的增强型氧化镓功率器件结构如图4所示，包括：氧化镓半绝缘衬底层1，所述氧化镓半绝缘衬底层1上设有第一氧化镓外延层2，所述第一氧化镓外延层2的上表面设有第一氧化镓高掺区3，所述第一氧化镓高掺区3上设有第二氧化镓外延层4，所述第二氧化镓外延层4的上表面设有第二氧化镓高掺区5、第三氧化镓高掺区6，所述第二氧化镓高掺区5上设有金属源电极7，所述第三氧化镓高掺区6上设有金属漏电极8，所述第二氧化镓外延层4上设有第一介质层10，所述第一介质层10上设有P型半导体层11，所述P型半导体层11上设有T型金属栅电极12，该器件还包括电学隔离区9，第二介质层13。

本实施例得益于P型半导体层11和第一氧化镓高掺区3之间的第一介质层10，显著抑制了栅极漏电，成功提高了最大栅极工作电压，其转移特性如图10所示，当栅压达到10V时，本实施例的输出电流也未下降，而传统增强型氧化镓功率器件的栅压达到5V时，输出电流显著降低，最大栅压提升了1倍；在Vds＝15V、Vgs＝10V的条件下，本实施例的电流密度为420mA/mm，具有较大的电流密度；同时，得益于轻掺杂的第二氧化镓外延层和T型金属栅电极结构，提高了本实施例的击穿电压。

因此，本实施例实现了具有宽栅极电压工作范围的增强型氧化镓功率器件。

实施例3：一种显著提高了阈值电压的耗尽型氧化镓功率器件

本实施例提供的一种显著提高了阈值电压的耗尽型氧化镓功率器件结构如图5所示，包括：氧化镓半绝缘衬底层1，所述氧化镓半绝缘衬底层1上设有第一氧化镓外延层2，所述第一氧化镓外延层2的上表面设有第一氧化镓高掺区3，所述第一氧化镓高掺区3上设有间隔的第二氧化镓外延层4，所述第二氧化镓外延层4的上表面设有第二氧化镓高掺区5、第三氧化镓高掺区6，所述第二氧化镓高掺区5上设有金属源电极7，所述第三氧化镓高掺区6上设有金属漏电极8，所述第二氧化镓外延层4上设有第一介质层10，所述第一介质层10上设有T型金属栅电极12，所述T型金属栅电极12与其下方的第一介质层10，第一氧化镓高掺区3构成金属-绝缘体-半导体(MIS)结构，该器件还包括电学隔离区9，第二介质层13。

本实施例的转移特性如图11所示，在Vds＝15V、Vgs＝10V的条件下，本实施例的电流密度为580mA/mm，而传统耗尽型氧化镓功率器件的电流密度为450mA/mm，电流能力提升了28％；在Vds＝15V、Ids＝1mA/mm的条件下，本实施例的阈值电压为-5V，而传统耗尽型氧化镓功率器件的阈值电压为-30V，阈值电压正向提升了25V；同时，得益于轻掺杂的第二氧化镓外延层和T型金属栅电极结构，提高了本实施例的击穿电压。

本实施例实现了一种具有低负向阈值电压和高电流密度的耗尽型氧化镓功率器件。