新型结构氧化镓场效应晶体管功率器件

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体提供新型结构氧化镓(Ga

背景技术

氧化镓作为一种新型的半导体材料，由于其超宽的禁带(4.8eV)为硅(1.1eV)的4倍以上，所以在更加苛刻的工作环境下(例如：高温和辐照)都拥有更稳定的性能，可以用于制造高功率抗辐照的器件；并且，氧化镓材料的理论临界击穿电场为8MV/cm，远高于硅的0.3MV/cm，所以氧化镓拥有更高的耐压等级；氧化镓中电子饱和速度(2×10

基于上述的优点，氧化镓器件受到了研究人员的关注；但是，氧化镓在应用过程中也存在一些不可忽视的问题，例如：氧化镓的热导率只有0.27W·cm

找到解决上述问题的方法成为了亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，提出新型结构氧化镓(Ga

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

1.一种横向氧化镓场效应功率晶体管器件，包括：

N型氧化镓沟道区1-1，位于N型氧化镓沟道区下方的非故意掺杂或未掺杂缓冲层1-8，位于非故意掺杂或未掺杂缓冲层下方的半绝缘或高纯净氧化镓衬底1-9；

位于N型氧化镓沟道区中的两个重掺杂N型氧化镓区1-2，两个重掺杂N型氧化镓区分别与金属化源极(S)1-6、金属化漏极(D)1-7形成欧姆接触；

位于N型氧化镓沟道区中的槽栅(G)1-4，所述槽栅(G)由位于槽壁的氧化层(Al

位于N型氧化镓沟道区上方的氧化层1-3，位于氧化层上方的高K绝缘介质层1-5，氧化层与高K绝缘介质层均位于金属化源极(S)与金属化漏极(D)之间、且高K绝缘介质层两端与金属化源极、金属化漏极相接触。

2.一种横向氧化镓场效应功率晶体管器件，包括：

N型氧化镓沟道区2-1，位于N型氧化镓沟道区下方的非故意掺杂或未掺杂缓冲层2-8，位于非故意掺杂或未掺杂缓冲层下方的半绝缘或高纯净氧化镓衬底2-9；

位于N型氧化镓沟道区中的两个重掺杂N型氧化镓区2-2，两个重掺杂N型氧化镓区分别与金属化源极(S)2-6、金属化漏极(D)2-7形成欧姆接触；

位于N型氧化镓沟道区上方的氧化层2-3，位于氧化层上方的平面栅(G)2-4，覆盖于氧化层与平面栅上的P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区2-5；P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区位于金属化源极(S)与金属化漏极(D)之间，且P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区与金属化源极相接触、与金属化漏极间设置氧化层、与平面栅之间设置氧化层。

3.一种横向氧化镓场效应功率晶体管器件，包括：

N型氧化镓沟道区3-1，位于N型氧化镓沟道区下方的非故意掺杂或未掺杂缓冲层3-8，位于非故意掺杂或未掺杂缓冲层下方的半绝缘或高纯净氧化镓衬底3-9；

位于N型氧化镓沟道区中的两个重掺杂N型氧化镓区3-2，两个重掺杂N型氧化镓区分别与金属化源极(S)3-6、金属化漏极(D)3-7形成欧姆接触；

位于N型氧化镓沟道区中的槽栅(G)3-4，所述槽栅(G)由位于槽壁的氧化层(Al

位于N型氧化镓沟道区上方的氧化层3-3，位于氧化层上方的P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区3-5；氧化层与P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区高K绝缘介质层均位于金属化源极(S)与金属化漏极(D)之间，且P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区与金属化源极之间设置P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区3-10、与金属化漏极之间设置N型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区3-11。

4.一种横向氧化镓场效应功率晶体管器件，包括：

N型氧化镓沟道区4-1，位于N型氧化镓沟道区下方的非故意掺杂或未掺杂缓冲层4-8，位于非故意掺杂或未掺杂缓冲层下方的半绝缘或高纯净氧化镓衬底4-9；

位于N型氧化镓沟道区中的两个重掺杂N型氧化镓区4-2，两个重掺杂N型氧化镓区分别与金属化源极(S)4-6、金属化漏极(D)4-7形成欧姆接触；

位于N型氧化镓沟道区上方的氧化层4-3，位于氧化层上方的P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区4-5；氧化层与P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区均位于金属化源极(S)与金属化漏极(D)之间，且P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区与槽栅(G)4-4之间设置P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区4-10、与金属化漏极之间设置氧化层4-3；

贯穿金属化源极之间设置P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区4-10与氧化层、且深入N型氧化镓沟道区4-1的槽栅(G)4-4，所述槽栅(G)由位于槽壁的氧化层(Al

5.一种氧化镓结型场效应晶体管(JFET)器件，包括：

N型氧化镓漂移区5-1，位于N型氧化镓漂移区下方的N型重掺杂氧化镓衬底区5-6，N型重掺杂氧化镓衬底区与金属化漏极(D)5-7形成欧姆接触；

位于N型氧化镓漂移区5-1中的两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区5-2、及两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区之间的N型重掺杂氧化镓区5-3，两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区均与金属化栅极(G)5-4形成欧姆接触，N型重掺杂氧化镓区与金属化源极(S)5-5形成欧姆接触。

6.一种氧化镓绝缘栅场效应晶体管器件，包括：

N型氧化镓漂移区6-1，位于N型氧化镓漂移区下方的N型重掺杂氧化镓衬底区6-6，N型重掺杂氧化镓衬底区与金属化漏极(D)6-7形成欧姆接触；

位于N型氧化镓漂移区6-1中的两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区6-2、N型重掺杂氧化镓区6-3、及两个P型轻掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区6-8，N型重掺杂氧化镓区6-3位于两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区之间，两个P型轻掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区6-8分别位于两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区下方，两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区与N型重掺杂氧化镓区、N型氧化镓漂移区、之间P型轻掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区均设置氧化层6-9；两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区均与金属化栅极(G)6-4形成欧姆接触，N型重掺杂氧化镓区与金属化源极(S)6-5形成欧姆接触。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提出新型结构氧化镓(Ga

附图说明

图1为本发明实施例1中具有高耐压与低比导通电阻的氧化镓横向场效应功率晶体管的结构示意图。

图2为本发明实施例2中具有高耐压、低比导通电阻与散热性能好的氧化镓横向场效应功率晶体管的结构示意图。

图3为本发明实施例3中具有高耐压、低比导通电阻与散热性能好的氧化镓横向场效应功率晶体管的结构示意图。

图4为本发明实施例4中具有高耐压、低比导通电阻与散热性能好的氧化镓横向场效应功率晶体管的结构示意图。

图5为本发明实施例5中具有正阈值电压、小泄漏电流与散热性能好的氧化镓结型场效应晶体管(JFET)的结构示意图。

图6为本发明实施例6中具有正阈值电压、高耐压、小泄漏电流与散热性能好的氧化镓绝缘栅场效应晶体管的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清晰明白，下面将结合本发明实施例与附图对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

本实施例提供一种横向氧化镓场效应功率晶体管器件，具有高耐压、低比导通电阻特性；其结构如图1所示，具体包括：

N型氧化镓沟道区1-1，位于N型氧化镓沟道区下方的非故意掺杂或未掺杂缓冲层1-8，位于非故意掺杂或未掺杂缓冲层下方的半绝缘或高纯净氧化镓衬底1-9；

位于N型氧化镓沟道区中的两个重掺杂N型氧化镓区1-2，两个重掺杂N型氧化镓区分别与金属化源极(S)1-6、金属化漏极(D)1-7形成欧姆接触；

位于N型氧化镓沟道区中的槽栅(G)1-4，所述槽栅(G)由位于槽壁的氧化层(Al

位于N型氧化镓沟道区上方的氧化层1-3，位于氧化层上方的高K绝缘介质层1-5，氧化层与高K绝缘介质层均位于金属化源极(S)与金属化漏极(D)之间、且高K绝缘介质层两端与金属化源极、金属化漏极相接触。

本实施例的工作原理如下：

对于氧化镓MOSFET器件由于缺少有效P型掺杂，所以一般是以N沟道耗尽型器件为主，沟槽栅结构相比于平面栅有更好的栅控制能力，下述所有实施例中的半绝缘或高纯净氧化镓衬底均是为了减小器件的衬底泄漏电流。器件正向导通时，多晶硅栅极(G)加正偏压或零偏压，金属化漏极(D)接相对金属化源极(S)的高电位，电子导电沟道为N型氧化镓沟道区1-1；在反向截止时，金属化漏极(D)接相对金属化源极(S)的高电位，而多晶硅栅极(G)加小于阈值电压的电压，产生的耗尽区将N型氧化镓沟道区1-1的电子导电沟道夹断使得器件关断，N型氧化镓沟道区耗尽区内的电离施主杂质发出的电力线部分进入高K绝缘介质层1-5当中，然后终止于与高K绝缘介质层相连接的具有最低电位的金属化源极(S)，这样便有效的减少了N型氧化镓沟道区中的水平电场，使得可以在相同的沟道区长度以及更高的沟道区掺杂浓度下、提高横向场效应功率晶体管的耐压，同时减小比导通电阻，提升了器件的性能。

实施例2

本实施例提供一种横向氧化镓场效应功率晶体管器件，具有高耐压、低比导通电阻与散热性能好的特性；其结构如图2所示，具体包括：

N型氧化镓沟道区2-1，位于N型氧化镓沟道区下方的非故意掺杂或未掺杂缓冲层2-8，位于非故意掺杂或未掺杂缓冲层下方的半绝缘或高纯净氧化镓衬底2-9；

位于N型氧化镓沟道区中的两个重掺杂N型氧化镓区2-2，两个重掺杂N型氧化镓区分别与金属化源极(S)2-6、金属化漏极(D)2-7形成欧姆接触；

位于N型氧化镓沟道区上方的氧化层2-3，位于氧化层上方的平面栅(G)2-4，覆盖于氧化层与平面栅上的P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区2-5；P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区位于金属化源极(S)与金属化漏极(D)之间，且P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区与金属化源极相接触、与金属化漏极间设置氧化层、与平面栅之间设置氧化层。

本实施例的工作原理如下：

器件正向导通时，平面栅(G)加正偏压或零偏压，金属化漏极(D)接相对金属化源极(S)的高电位，电子导电沟道为N型氧化镓沟道区2-1；在反向截止时，金属化漏极(D)接相对金属化源极(S)的高电位，而平面栅(G)加小于阈值电压的电压，产生的耗尽区将N型氧化镓沟道区2-1的电子导电沟道夹断使得器件关断；由于氧化层2-3很薄，N型氧化镓沟道区和P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区2-5相互耗尽，然后N型氧化镓沟道区耗尽区中的电离施主杂质发出的电力线都终止于P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区耗尽区的电离受主上，宏观上可以将沟道区看成一个本征半导体区，使得在相同的沟道区长度以及更高的沟道区掺杂浓度下、提高横向场效应功率晶体管的耐压，减小了比导通电阻，同时金刚石和氮化铝的引入还提升了器件的散热性能，提升了器件的性能。

实施例3

本实施例提供一种横向氧化镓场效应功率晶体管器件，具有高耐压、低比导通电阻与散热性能好的特性；其结构如图3所示，具体包括：

N型氧化镓沟道区3-1，位于N型氧化镓沟道区下方的非故意掺杂或未掺杂缓冲层3-8，位于非故意掺杂或未掺杂缓冲层下方的半绝缘或高纯净氧化镓衬底3-9；

位于N型氧化镓沟道区中的两个重掺杂N型氧化镓区3-2，两个重掺杂N型氧化镓区分别与金属化源极(S)3-6、金属化漏极(D)3-7形成欧姆接触；

位于N型氧化镓沟道区中的槽栅(G)3-4，所述槽栅(G)由位于槽壁的氧化层(Al

位于N型氧化镓沟道区上方的氧化层3-3，位于氧化层上方的P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区3-5；氧化层与P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区均位于金属化源极(S)与金属化漏极(D)之间，且P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区与金属化源极之间设置P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区3-10、与金属化漏极之间设置N型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区3-11。

本实施例的工作原理如下：

本实施例的工作原理与实施例2同理，均能实现目的：在相同的沟道区长度以及更高的沟道区掺杂浓度下、提高横向场效应功率晶体管的耐压，同时减小了比导通电阻，提升了器件的性能；区别在于，实施例3可以实现不同阈值电压的调节，可以根据实际的使用情况来设置沟道区的厚度来调节到所需要的阈值电压大小。

实施例4

本实施例提供一种横向氧化镓场效应功率晶体管器件，具有高耐压、低比导通电阻与散热性能好的特性；其结构如图3所示，具体包括：

N型氧化镓沟道区4-1，位于N型氧化镓沟道区下方的非故意掺杂或未掺杂缓冲层4-8，位于非故意掺杂或未掺杂缓冲层下方的半绝缘或高纯净氧化镓衬底4-9；

位于N型氧化镓沟道区中的两个重掺杂N型氧化镓区4-2，两个重掺杂N型氧化镓区分别与金属化源极(S)4-6、金属化漏极(D)4-7形成欧姆接触；

位于N型氧化镓沟道区上方的氧化层4-3，位于氧化层上方的P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区4-5；氧化层与P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区均位于金属化源极(S)与金属化漏极(D)之间，且P型掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区与槽栅(G)4-4之间设置P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区4-10、与金属化漏极之间设置氧化层4-3；

贯穿金属化源极之间设置P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区4-10与氧化层4-3、且深入N型氧化镓沟道区4-1的槽栅(G)4-4，所述槽栅(G)由位于槽壁的氧化层(Al

本实施例的工作原理如下：

本实施例的工作原理与实施例3同理，均能实现目的：在相同的沟道区长度以及更高的沟道区掺杂浓度下、提高横向场效应功率晶体管的耐压，同时减小了比导通电阻，提升了器件的性能；区别在于，实施例4扩展了栅极的长度，同时当器件开启槽栅4-4上加正电压时可以在漂移区表面感应出电子感应层，进一步降低比导通电阻。

实施例5

本实施例提供一种氧化镓结型场效应晶体管(JFET)器件，具有正阈值电压、小泄漏电流与散热性能好的特性；其结构如图5所示，具体包括：

N型氧化镓漂移区5-1，位于N型氧化镓漂移区下方的N型重掺杂氧化镓衬底区5-6，N型重掺杂氧化镓衬底区与金属化漏极(D)5-7形成欧姆接触；

位于N型氧化镓漂移区5-1中的两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区5-2、及两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区之间的N型重掺杂氧化镓区5-3，两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区均与金属化栅极(G)5-4形成欧姆接触，N型重掺杂氧化镓区与金属化源极(S)5-5形成欧姆接触。

本实施例的工作原理如下：

P型重掺杂金刚石、氮化铝或氧化镍区的引入使得氧化镓JFET器件的实现成为了可能，JFET工作原理就是利用PN结的耗尽区来控制导电沟道宽度进而控制器件电流。器件正向导通时，当金属化栅极(G)接一个合适的正电压时，由于N型氧化镓漂移区5-1和P型重掺杂金刚石、氮化铝或氧化镍区5-2形成的PN结正偏使得导电沟道未被完全耗尽；反向截止时，金属化漏极(D)接相对金属化源极(S)的高电位，当金属化栅极(G)接一个合适的负电压或零偏压时，由于N型氧化镓漂移区5-1和P型重掺杂金刚石、氮化铝或氧化镍区5-2的相互耗尽将电子导电沟道夹断器件被关断，主要依靠N型氧化镓漂移区1耐压；利用P型重掺杂金刚石、氮化铝或氧化镍材料替代传统金属栅使得该器件具有正阈值电压和小泄漏电流的优点，同时金刚石和氮化铝的引入还能提高器件的散热能力。

实施例6

本实施例提供一种氧化镓绝缘栅场效应晶体管器件，具有正阈值电压、高耐压、小泄漏电流与散热性能好的特性，其结构如图6所示，具体包括：

N型氧化镓漂移区6-1，位于N型氧化镓漂移区下方的N型重掺杂氧化镓衬底区6-6，N型重掺杂氧化镓衬底区与金属化漏极(D)6-7形成欧姆接触；

位于N型氧化镓漂移区6-1中的两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区6-2、N型重掺杂氧化镓区6-3、及两个P型轻掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区6-8，N型重掺杂氧化镓区6-3位于两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区之间，两个P型轻掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区6-8分别位于两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区下方，两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区与N型重掺杂氧化镓区、N型氧化镓漂移区、之间P型轻掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区均设置氧化层6-9；两个P型重掺杂金刚石(或氮化铝、氧化镍)区均与金属化栅极(G)6-4形成欧姆接触，N型重掺杂氧化镓区与金属化源极(S)6-5形成欧姆接触。

本实施例的工作原理如下：

器件正向导通时，金属化栅极(G)接一个合适的正电压，金属化漏极(D)接相对金属化源极(S)的高电位；反向耐压时，金属化漏极(D)接相对金属化源极(S)的高电位，当金属化栅极(G)接一个合适的负电压或零偏压时N型氧化镓漂移区6-1两侧的耗尽区展宽将电子导电沟道夹断器件关断；由于氧化层很薄，P型轻掺杂金刚石、氮化铝或氧化镍区6-8和N型氧化镓漂移区6-1形成了超结的结构，P型轻掺杂金刚石、氮化铝或氧化镍区和N型氧化镓漂移区在反向截止时相互耗尽，N型氧化镓漂移区的电离施主杂质发出的电力线都终止于P型轻掺杂金刚石、氮化铝或氧化镍区6-8的耗尽区的电离受主上，宏观上可以将漂移区看成一个本征半导体区，使得在相同的漂移区厚度以及更高的漂移区掺杂浓度下，提高绝缘栅场效应晶体管功率器件的耐压，减小了比导通电阻，利用P型重掺杂金刚石、氮化铝或氧化镍材料替代传统金属栅使得该器件还具有正阈值电压和小泄漏电流的优点，同时金刚石和氮化铝的引入还提高了器件的散热能力。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。