一种具有反向导通能力的GaN纵向场效应晶体管

技术领域

本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种具有反向导通能力的GaN纵向场效应晶体管。

背景技术

GaN纵向器件的漂移区垂直于芯片表面，且相比于横向GaN HEMT器件通过增加漂移区长度的提高耐压的手段，GaN纵向器件的耐压提升可通过增加漂移区厚度实现；故与同电流/电压级别的GaN HEMT器件相比，GaN纵向器件所需的芯片面积更小，从而可实现更高的功率密度。此外，正向阻断状态下，GaN HEMT器件栅极靠近漏极一侧边缘存在电场尖峰，而GaN纵向器件的电场尖峰通常位于体材料构成的漂移区内，有效抑制了表面击穿的发生。

当GaN纵向器件反向导通时，电流可通过两条路径由源极流向漏极：第一条路径为当V

为解决这一问题，通常在器件外部反向并联一续流二极管，然而，该方法不仅会增加系统体积与制造成本，还会增加寄生电容与寄生电感，进而降低系统的可靠性。另一种方法是在源极处集成一肖特基接触，但器件正向阻断下会有较大的泄漏电流，且温度的变化均会对反向导通与正向阻断性能的造成较大影响。因此，实现具有不受栅驱动电压影响的低反向导通压降的GaN纵向器件对于实际应用具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种具有反向导通能力的GaN纵向场效应晶体管。

本发明的技术方案为，如图1所示，一种具有反向导通能力的GaN纵向场效应晶体管，沿器件垂直方向从下至上依次包括：第一导电材料1、GaN衬底2、N型GaN漂移区3、势垒层4、钝化层5，且设置有与所述N型GaN漂移区3顶部与底部有一定间距的P型GaN埋层结构；器件表面沿横向方向从一端到所述N型漂移区3的垂直中线依次分布有源极结构、栅极结构与槽型源极结构，且该分布方式关于所述N型漂移区的垂直中线呈轴对称；

其特征在于：

所述P型GaN埋层结构由被N型GaN漂移区3隔开的P型GaN基区61和P型GaN阻挡层62构成，其中P型GaN基区61位于器件两端，且延伸至栅极结构下方，阻挡层62位于槽型源极结构下方；

所述槽型源极结构由位于槽侧壁及底部的介质层7与覆盖在介质层7之上并且填充于槽内的第二导电材料8构成；位于槽侧壁的介质层7贯穿钝化层5和势垒层4，位于槽底部的介质层7与N型漂移区3的顶部接触，且在槽底中部有空隙，所述第二导电材料8填满槽内且穿过槽底空隙与P型GaN阻挡层62接触；所述第二导电材料8与所述N型漂移区3形成欧姆接触，其表面引出源极；

所述源极结构由沿器件横向方向位于器件两端的第三导电材料11形成，第三导电材料11从表面垂直延伸至P型GaN基区61中，第三导电材料11与N型漂移区3的接触类型为欧姆接触，且第三导电材料11的引出端为源极；

所述第一导电材料1与GaN衬底2形成欧姆接触，且所述第一导电材料1的引出端为漏极。

进一步的，所述栅极结构由位于势垒层上方的P型GaN层9以及P型GaN层9之上的第四导电材料10构成，第四导电材料10与P型GaN层9的接触类型为肖特基接触；所述第四导电材料10上表面引出栅极。

进一步的，所述栅极结构由位于槽侧壁及底部的介质层91与覆盖在介质层91之上并且填充于槽内的第五导电材料101构成；位于槽侧壁的介质层91贯穿钝化层5和势垒层4，位于槽底部的介质层91与N型漂移区3的顶部接触，所述第五导电材料101填满槽内，其表面引出栅极。

进一步的，所述势垒层4采用的材料为AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合。

本发明的有益效果为，槽型源极结构与P型GaN阻挡层之间形成了一个MIS型沟道二极管起反向续流作用，器件的漏极与槽型源极分别作为该MIS沟道二极管的阴极与阳极；既避免了反向开启电压受栅驱动电压的影响，也较寄生的PN结体二极管具有更低的反向开启电压；相较于集成肖特基接触，该反向续流二极管具有更低的泄漏电流与更好的温度稳定性。此外，器件正向导通时，MIS沟道二极管处于关断状态，不会影响器件的正向特性。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图。

图2是实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

实施例1

如图1所示，本例的GaN纵向场效应晶体管，沿器件垂直方向从下至上依次包括沿器件垂直方向从下至上依次包括：第一导电材料1、GaN衬底2、N型GaN漂移区3、势垒层4、钝化层5，且设置有与所述N型GaN漂移区3顶部与底部有一定间距的P型GaN埋层结构；器件表面沿横向方向从一端到所述N型漂移区3的垂直中线依次分布有源极结构、栅极结构与槽型源极结构，且该分布方式关于所述N型漂移区的垂直中线呈轴对称；

其特征在于：

所述P型GaN埋层结构由被N型GaN漂移区3隔开的P型GaN基区61和P型GaN阻挡层62构成，其中P型GaN基区61位于器件两端，且延伸至栅极结构下方，阻挡层62位于槽型源极结构下方；

所述槽型源极结构由位于槽侧壁及底部的介质层7与覆盖在介质层7之上并且填充于槽内的第二导电材料8构成；位于槽侧壁的介质层7贯穿钝化层5和势垒层4，位于槽底部的介质层7与N型漂移区3的顶部接触，且在槽底中部有空隙，所述第二导电材料8填满槽内且穿过槽底空隙与P型GaN阻挡层62接触；所述第二导电材料8与所述N型漂移区3形成欧姆接触，其表面引出源极；

所述源极结构由沿器件横向方向位于器件两端的第三导电材料11形成，第三导电材料11从表面垂直延伸至P型GaN基区61中，第三导电材料11与N型漂移区3的接触类型为欧姆接触，且第三导电材料11的引出端为源极；

所述第一导电材料1与GaN衬底2形成欧姆接触，且所述第一导电材料1的引出端为漏极；

所述栅极结构由位于势垒层上方的P型GaN层9以及P型GaN层之上的第四导电材料10构成，第四导电材料10与P型GaN层9的接触类型为肖特基接触；所述第四导电材料10上表面引出栅极。

本发明的工作原理：槽型源极结构与P型GaN阻挡层之间形成了一个MIS型沟道二极管(如虚线框内所示)起反向续流作用，器件的漏极与槽型源极分别作为该MIS沟道二极管的阴极与阳极。反向续流时，源极相对于漏极为高电位，槽型源极的介质层下方形成电子积累层，使得源极与漏极之间产生MIS导电沟道，反向导通电流从源极出发，经过MIS沟道二极管与漂移区到达衬底，最终流向漏极。正向导通时，栅极下方沟道开启，电流流经漂移区后通过该沟道到达源极；源极金属与GaN的功函数之差和P型GaN阻挡层共同耗尽MIS沟道内的电子，使得MIS沟道二极管处于关断状态，不会对器件的正向特性造成影响。

实施例2

如图2所示，本例与实施例1的区别是，栅极结构由位于槽侧壁及底部的介质层91与覆盖在介质层91之上并且填充于槽内的第五导电材料101构成。具体地，位于槽侧壁的介质层91贯穿钝化层5和势垒层4，位于槽底部的介质层91与N型漂移区3的顶部接触，所述第五导电材料101填满槽内，其表面引出栅极。

与实施1相比，本例器件正向导通时，该栅极结构具有更强的栅控能力，增大了栅极驱动电压的摆幅。