一种半导体功率器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体功率器件及其制备方法。

背景技术

GaN(即：氮化镓)、SiC(即：碳化硅)等宽禁带半导体材料具有宽直接带隙、高电子饱和漂移速度、高击穿场强、抗腐蚀和耐辐射等优点，在高频、高压功率器件的军事航天和商业领域具有广泛的应用前景。

虽然宽禁带半导体材料本身表现出显著的辐射耐受性，但相应功率器件的SEB(single eventburnout，单粒子烧毁效应)现象是其面临的最重要问题，辐射环境下功率器件的烧毁阈值远小于其额定工作电压，严重制约了宽禁带半导体功率器件在航天军事等具有复杂辐射环境领域的应用。对于GaN HEMT(High ElectronMobilityTransistor，高电子迁移率晶体管)功率器件抗SEB加固，以及SiC MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,金氧半场效晶体管)功率器件抗SEB加固，目前仍没有GaN HEMT功率器件以及SiC MOSFET功率器件等半导体功率器件的抗SEB加固技术。

发明内容

本申请实施例通过提供一种半导体功率器件及其制备方法，可以实现GaN HEMT功率器件以及SiC MOSFET功率器件等半导体功率器件的抗SEB加固。

本发明提供一种半导体功率器件制备方法，其包括：

在衬底一侧形成富集层，所述富集层包含有多个载流子复合中心；

在所述富集层表面形成外延层，并在所述外延层表面形成电极。

优选的，所述衬底为CaN层、蓝宝石层、单晶硅层、SiC层中任意一种。

优选的，所述在衬底一侧形成富集层，包括：

利用粒子源或者辐照源发射粒子，在所述衬底一侧形成所述富集层。

优选的，所述粒子的能量范围为10kev～10GeV。

优选的，所述制备方法，还包括：

在所述衬底表面形成缓冲层；

所述在所述富集层表面形成外延层，并在所述外延层表面形成电极，包括：

在所述富集层表面依次形成GaN层以及AlGaN层；

在所述AlGaN层表面形成源极、漏极以及栅极。

优选的，所述在所述衬底表面形成缓冲层，包括：

采用金属有机气相外延生长技术或者分子束外延生长技术在所述衬底表面形成所述缓冲层。

优选的，所述在所述富集层表面形成外延层，并在所述外延层表面形成电极，包括：

在所述富集层表面形成半导体掺杂层；

在所述半导体掺杂层表面形成栅极和源极；

在所述衬底表面形成漏极。

优选的，所述在所述富集层表面形成半导体掺杂层，包括：

在所述富集层表面形成N型轻掺杂漂移区层；

在所述N型轻掺杂漂移区层形成第一沟道，并在所述第一沟道中形成P型体区层；

在所述P型体区层表面形成第二沟道，并在所述第二沟道中形成源接触区；

在所述P型体区层表面形成栅氧化层；

在所述栅氧化层表面形成栅极，并在所述源接触区表面形成源极。

本发明还提供一种半导体功率器件，其包括：

衬底；

富集层，所述富集层位于所述衬底一侧，所述富集层包含有多个载流子复合中心；

外延层，所述外延层位于富集层表面；

电极，所述电极位于所述外延层表面。

优选的，所述衬底为CaN层、蓝宝石层、单晶硅层、SiC层中任意一种。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明提供的半导体功率器件及其制备方法，在衬底一侧形成包含有多个载流子复合中心的富集层，通过载流子复合中心可以捕获并复合由辐射引起的非平衡载流子从而降低源极与漏极之间瞬时电流脉冲的强度，最终实现GaN HEMT器件的抗SEB加固，或者通过载流子复合中心可以在皮秒时间消耗掉大量非平衡载流子，进而抑制寄生晶体管和雪崩效应，降低高电场下辐射诱生电流脉冲的强度，最终实现SiC MOSFET器件的抗SEB加固。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的半导体功率器件制备方法流程图；

图2是本发明提供的一实施例中在衬底上形成缓冲层的示意图；

图3是本发明提供的一实施例中在缓冲层表面形成富集层的示意图；

图4是本发明提供的一实施例中半导体功率器件的示意图；

图5是图4所示的半导体功率器件抗SEB原理示意图；

图6是本发明提供的另一实施例中在衬底上形成缓冲层的示意图；

图7是本发明提供的另一实施例中半导体功率器件的示意图；

图8是图7中所示的半导体功率器件抗SEB原理示意图。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

本发明提供一种半导体功率器件制备方法，如图1所示，制备方法包括：

S1、在衬底1一侧形成富集层3，富集层3包含有多个载流子复合中心23。衬底1为CaN(即：氮化镓)层、蓝宝石层、单晶硅层、SiC(即：碳化硅)层中任意一种。

步骤S1包括：

利用粒子源或者辐照源23发射粒子25，在衬底1一侧形成富集层3，这里，粒子25的能量范围为10kev～10GeV，富集层3为晶格缺陷富集层，这里的晶格缺陷一般是杂质、空位、复合缺陷等。

S2、在富集层3表面形成外延层，并在外延层表面形成电极。

在本发明提供的一个实施例中，半导体功率器件制备方法用于制备GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)功率器件，其中，衬底1为GaN层，半导体功率器件制备方法还包括：

如图2所示，在衬底1表面形成缓冲层2，缓冲层2可以为GaN层，优选为非掺杂的CaN层，以保证良好的绝缘效果。

在缓冲层2制备完成之后，得到晶圆，晶圆包含有衬底1及缓冲层2，在完成步骤S1之后，将晶圆放回反应炉中，继续完成后续外延生长和期间制作。中断炉内生长，将晶圆取出，如图3所示，对晶圆使用辐照改性、离子注入等方法，使用粒子源或辐照源23对准晶圆，入射的粒子25(可以是离子)可以在缓冲层2上形成一层富集层3，富集层3具有大量的载流子复合中心23，辐照改性和离子注入选择的高能粒子可以是电子、中子、质子或其他离子，粒子能量范围从keV至GeV量级。

在富集层3表面形成外延层，并在外延层表面形成电极，包括：

如图4所示，在富集层3表面依次形成GaN层4以及AlGaN层6；AlGaN层6优选为非掺杂的AlCaN层，具有良好绝缘性。

在AlGaN层6表面形成源极9、漏极7以及栅极8。

在衬底1表面形成缓冲层2，包括：

采用金属有机气相外延生长技术或者分子束外延生长技术在衬底1表面形成缓冲层2。

本实施例中的衬底1为GaN层，采用富集层3实现HEMT器件抗SEB(singleeventburnout，单粒子烧毁效应)加固的原理如附图5所示。对于没有富集层3的HEMT器件，当高能粒子入射到HEMT器件中时，粒子径迹21内产生的大量非平衡载流子22会在高电场的作用下收集到AlGaN(即：氮化镓铝)/GaN异质结二维电子气5处，进而在纳米截面尺度范围内形成极高的电流脉冲。高强度瞬时电流脉冲在源漏电场驱动下沿异质结的输运和放大(寄生晶体管和雪崩效应等)导致HEMT器件单粒子烧毁。对于引入富集层3的GaN HEMT器件，在富集层3中具有大量的由辐照或离子注入产生的载流子复合中心，这些载流子复合中心可以捕获并复合由辐射引起的非平衡载流子从而降低源漏间瞬时电流脉冲的强度，最终实现GaN HEMT器件的抗SEB加固。

对于GaN HEMT功率器件，通常采用增加栅极与漏极之间的间距，将台面隔离替换为注入隔离等工结构和工艺技术优化进行加固，降低高能粒子入射后离化电荷的收集和输运，进而提高HEMT功率器件的抗SEB能力，增加栅漏间距，可以通过降低沟道内电场强度来抑制HEMT器件辐射诱生瞬时电流脉冲强度，但综合考虑HEMT器件的工作性能，栅极与漏极的间距增加有限，SEB烧毁阈值改善效果有限；如果采用注入隔离技术，会在GaN功率器件边缘产生缺陷，导致GaN HEMT二维电子气的迁移率降低，影响器件的电学特性。但是，采用本发明提供的技术方案，不用增加栅极与漏极的间距，可以具有良好的SEB烧毁阈值改善效果，而且没有采用注入隔离技术，也不会GaN功率器件边缘产生缺陷，因此不会导致GaNHEMT功率器件的二维电子气的迁移率降低。

在本发明提供的另一个实施例中，半导体功率器件制备方法用于制备SiC MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金氧半场效晶体管)功率器件，其中，衬底1为N型重掺杂的SiC层，在富集层3表面形成外延层，并在外延层表面形成电极，包括：

如图6、图7所示，在富集层3表面形成半导体掺杂层；

在半导体掺杂层表面形成栅极8和源极9；

在衬底1表面形成漏极7。

在富集层3表面形成半导体掺杂层，包括：

在富集层3表面形成N型轻掺杂漂移区层11；

在N型轻掺杂漂移区层11形成第一沟道，并利用离子注入方式在第一沟道中形成P型体区12层；

在P型体区12层表面形成第二沟道，并利用离子注入方式在第二沟道中形成源接触区；源接触区包含有N型重掺杂有源区13和P型重掺杂有源区14。

在P型体区12层表面形成栅氧化层16；

在栅氧化层16表面形成栅极8，并在源接触区表面形成源极9。

采用富集层3实现SiC MOSFET功率器件抗SEB加固的原理如附图8所示。对于没有富集层313的传统SiC MOSFET器件，辐照产生的非平衡载流子22会使MOSFET器件的N型重掺杂有源区13、P型体区12、N型轻掺杂漂移区形成的寄生晶体管导通，进而发生载流子雪崩放大，最终会在N型重掺杂的SiC层(即：衬底1)和N型轻掺杂漂移区的结处形成较高的电压，从而使结发生烧毁。对于引入富集层3的SiC MOSFET器件，可以在皮秒时间消耗掉大量非平衡载流子22，进而抑制寄生晶体管和雪崩效应，降低高电场下辐射诱生电流脉冲的强度，最终实现SiC MOSFET器件的抗SEB加固。

对于SiC MOSFET功率器件抗SEB加固，单粒子烧毁一般发生在N+衬底(即：N型重掺杂衬底)与N-漂移区(即：N型轻掺杂漂移区)的结附近。因为辐照会使器件发生寄生双极管效应，在N+衬底与N-漂移区的结附近会形成极高的电势差，较大的电势差使结发生烧毁。通常在N+衬底和N-漂移区之间生长一层缓冲层，利用缓冲层来分担结附近的电势差，使本来集中在N+衬底与N-漂移区的电势差分散在N-漂移区与缓冲层以及缓存层与N+衬底之间，从而提升SiC MOSFET器件的SEB加固。尽管缓冲层可以实现抗SEB加固，但是会导致SiCMOSFET器件的导通电阻变大，使器件的工作特性变差。本发明提供的技术方案，通过载流子复合中心可以在皮秒时间消耗掉大量非平衡载流子22，进而抑制寄生晶体管和雪崩效应，降低高电场下辐射诱生电流脉冲的强度，不会导致SiC MOSFET器件的导通电阻变大。

本发明还提供一种半导体功率器件，包括：衬底1、富集层3、外延层、电极。富集层3位于衬底1一侧，富集层3包含有多个载流子复合中心23；外延层位于富集层3表面；电极位于外延层表面。

衬底1为CaN层、蓝宝石层、单晶硅层、SiC层中任意一种。

富集层3是利用粒子源或者辐照源发射粒子，在衬底1一侧形成，粒子的能量范围为10kev～10GeV。

在一个实施例中，衬底1表面还形成有缓冲层2。外延层包括：富集层3表面的GaN层4以及AlGaN层6，AlGaN层6表面的源极9、漏极7以及栅极8。其中，缓冲层2采用金属有机气相外延生长技术或者分子束外延生长技术在衬底1表面形成。

在另一个实施例中，外延层包括：位于富集层3表面的半导体掺杂层；在半导体掺杂层表面形成有栅极8和源极9；在衬底1表面形成有漏极7。

具体的，半导体掺杂层包括：位于富集层3表面的N型轻掺杂漂移区层11；N型轻掺杂漂移区层11形成有第一沟道，第一沟道中形成有P型体区12层；P型体区12层表面形成有第二沟道，第二沟道中形成有源接触区；P型体区12层表面形成有用于绝缘的栅氧化层16；栅氧化层16表面形成有栅极8，源接触区表面形成有源极9。

综上所述，本发明提供的半导体功率器件及其制备方法，在衬底1一侧形成包含有多个载流子复合中心23的富集层3，通过载流子复合中心23可以捕获并复合由辐射引起的非平衡载流子22从而降低源极9与漏极7之间瞬时电流脉冲的强度，最终实现GaN HEMT器件的抗SEB加固，或者，通过载流子复合中心可以在皮秒时间消耗掉大量非平衡载流子22，进而抑制寄生晶体管和雪崩效应，降低高电场下辐射诱生电流脉冲的强度，最终实现SiCMOSFET器件的抗SEB加固。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。