准垂直型氮化镓积累型功率器件

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种准垂直型氮化镓积累型功率器件。

背景技术

作为第三代半导体的氮化镓（GaN）具有大禁带宽度（3.45eV）、高电子饱和速度和良好的耐高温特性，被广泛应用于射频和功率半导体中。以氮化镓为基础的功率器件实现了低导通损耗和高电流密度，以及出色的耐压能力和频率特性。氮化镓基功率器件主要分为垂直结构和横向结构，相比于横向器件，垂直结构的功率器件电流在体内流通，不仅有更大的电流通路，增大了电流密度，更有效抑制了电流崩塌效应。在不改变晶圆尺寸前提下，垂直结构的功率器件耐压也明显优异于横向器件。

近年来，氮化镓功率器件发展十分迅速，基于垂直结构功率器件的新技术也越来越多，而垂直结构功率器件又分为准垂直型结构和完全垂直型结构。其中，完全垂直型结构的功率器件需要GaN单晶衬底，进而将金属漏极制备在衬底背面，这不仅对衬底材料的制备工艺提出了很大挑战，更是大大增加了成本（为硅衬底材料的50倍以上）。而通过在成熟的硅衬底上制备缓冲层，再生长GaN外延形成的准垂直型结构无疑是性能与成本的更好折衷，因而准垂直型结构的功率器件也得以被广泛应用。

公开号为CN115621321A的专利文献公开了一种准垂直型功率器件的结构，其通过包括左右对称的上臂结构和下臂结构；左右对称的切面为矢状面，上臂结构和所述下臂结构均包括第一外延层、第二外延层、沟道层、有源层、栅极结构、隔离柱、第一金属柱、第一绝缘柱、第二金属柱和第二绝缘柱；隔离柱侧面与矢状面重叠且从有源层的上表面贯穿至第一外延层的下表面；隔离柱、第一金属柱、第一绝缘柱、第二金属柱和第二绝缘柱依次排列；第一金属柱、第一绝缘柱、第二金属柱和第二绝缘柱均从有源层的上表面贯穿至第二外延层；第一金属柱的深度大于第二金属柱的深度。该种准垂直型功率器件在实际应用时利用沟道层反型进行导电，通过施加栅极电压使得沟道层反型，形成导电沟道，进而实现源漏之间载流子流通，其属于沟槽型GaN MOSFET。但这种结构需要实现高浓度的P型GaN掺杂，而Mg离子掺杂的P型GaN的电离能高、激活率低、退火温度严格、选择性区域掺杂能力差，不仅存在着低电流密度和高比导通电阻的技术问题，还存在着工艺难度大和生产制造成本高的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供了一种准垂直型氮化镓积累型功率器件，本发明通过利用栅极材料与半导体一侧的功函数差以及栅极施加电压实现器件关断与开启，相较于现有技术来说既不通过沟道层反型进行导电，也不采用高浓度的P型GaN掺杂，达到了减少工艺步骤、降低工艺难度和节约生产成本的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种准垂直型氮化镓积累型功率器件，其特征在于：包括从下至上依次设置的硅衬底、缓冲层、第二重掺杂氮化镓导电层、轻掺杂氮化镓导电层、第一重掺杂氮化镓导电层和源极电极，所述轻掺杂氮化镓导电层的上端沿宽度方向间隔设有多个横向沟槽，所述横向沟槽内设有包裹有氧化层的栅极电极，所述第一重掺杂氮化镓导电层间隔设置在栅极电极之间并与源极电极形成欧姆接触；所述轻掺杂氮化镓导电层的两端分别开设有贯穿的竖向沟槽，所述竖向沟槽内固定有漏极电极，所述漏极电极的下端与第二重掺杂氮化镓导电层形成欧姆接触，上端与源极电极位于同一水平面；所述源极电极的两端与漏极电极的上端之间分别设有半绝缘多晶硅层，所述半绝缘多晶硅层的上方和下方分别设有上绝缘介质层和下绝缘介质层。

所述横向沟槽的底部设有电场屏蔽层。

所述电场屏蔽层由重掺杂P型材料半导体或Al

所述缓冲层上设有漏极金属层，所述漏极电极的下端穿过第二重掺杂氮化镓导电层后与漏极金属层连接。

所述漏极金属层为物理气相淀积在缓冲层上的条形图案结构、田字形图案结构、叉指图案结构或蜂窝图案结构。

所述第一重掺杂氮化镓导电层和所述第二重掺杂氮化镓导电层的导电类型均为N型。

所述上绝缘介质层为Al

采用本发明的优点在于：

1、本发明通过硅衬底、缓冲层、第二重掺杂氮化镓导电层、轻掺杂氮化镓导电层、第一重掺杂氮化镓导电层、源极电极、栅极电极、漏极电极、半绝缘多晶硅层、上绝缘介质层和下绝缘介质层组成准垂直型氮化镓积累型功率器件。其中，

本发明采用硅衬底可兼容现有硅材料的制备工艺，有利于规模化生产。

本发明通过横向沟槽内设置有氧化层包裹的栅极电极与轻掺杂氮化镓导电层的功函数差耗尽轻掺杂氮化镓导电层一侧，并能结合栅极电极与源极电极的电位差控制两个栅极区域间轻掺杂氮化镓导电层耗尽与否，以控制功率器件积累型沟道的关断与导通，并且还可通过调节横向沟槽的宽度和深度控制功率器件的阈值电压，进而实现耗尽型和增强型的氮化镓功率器件。

本发明通过半绝缘多晶硅层（SIPOS）能够优化表面电场，使电场变得更加均匀，具有提高功率器件稳定性、缩短表面电场耐压区长度、减少芯片面积以及提高可靠性等的优点。而通过上绝缘介质层和下绝缘介质层还可以对半绝缘多晶硅层起到绝缘保护和缓冲的作用。

需要说明的是，相对于半导体中缺少载流子的耗尽状态而言，半导体中局部区域出现多数载流子积累的一种状态称之为积累型。相对于现有沟道为P型掺杂，沟道为反型电子的普通反型层功率器件而言，本发明是沟道为N型掺杂，沟道为积累的电子的积累型功率器件，因而具有更低的沟道电阻。

综合来说，本发明基于上述结构的积累型功率器件，可使源极电极至第二重掺杂氮化镓导电层的电流纵向流通，不仅有效地提高了电流密度和降低了功率器件的比导通电阻，还具有优异的阻断特性。另外，本发明可利用栅极材料与半导体一侧的功函数差以及栅极施加电压实现器件的关断与开启，相较于现有技术来说既不通过沟道层反型进行导电，也不采用高浓度的P型GaN掺杂，还达到了减少工艺步骤、降低工艺难度和节约生产成本的目的。

2、本发明在横向沟槽的底部设有电场屏蔽层，通过该电场屏蔽层可缓解栅极电极底部曲率效应引起的高电场，从而使得功率器件的击穿电压增加。

3、本发明限定了电场屏蔽层由重掺杂P型半导体材料或Al

4、本发明通过漏极金属层可扩大第二重掺杂氮化镓导电层与漏极电极的欧姆接触面积，不仅有利于提高电流能力，还有利于减少第二重掺杂氮化镓导电层的厚度，进而可降低功率器件的生产成本。

5、本发明在缓冲层上设置了条形图案结构、田字形图案结构、叉指图案结构或蜂窝图案结构，能够在不影响晶格匹配的情况下增加漏极电极与第二重掺杂氮化镓导电层的接触面积，并减小欧姆接触电阻与第二重掺杂氮化镓导电层的电阻，进而减小功率器件的比导通电阻。

6、本发明中第一重掺杂氮化镓导电层和第二重掺杂氮化镓导电层的导电类型均为N型，有利于进一步降低工艺制造难度。

7、本发明中上绝缘介质层和下绝缘介质层均可为Al

附图说明

图1为实施例1的平面结构示意图；

图2为实施例2的平面结构示意图；

图3为实施例2的立体结构示意图；

图4为实施例3的平面结构示意图；

图5为实施例4的平面结构示意图；

图6为实施例4的立体结构示意图；

图7为实施例5中漏极金属层为条形图案结构的结构示意图；

图8为实施例5中漏极金属层为田字形图案结构的结构示意图；

图9为实施例5中漏极金属层为叉指图案结构的结构示意图；

图10为实施例5中漏极金属层为蜂窝图案结构的结构示意图；

图11为实施例1的仿真测试图；

图12为实施例2的仿真测试图。

图中标注为：1-1、源极电极，1-2、上绝缘介质层，1-3、半绝缘多晶硅层，1-4、下绝缘介质层，1-5、第一重掺杂氮化镓导电层，1-6、氧化层，1-7、栅极电极，1-8、轻掺杂氮化镓导电层，1-9、漏极电极，1-10、第二重掺杂氮化镓导电层，1-11、缓冲层，1-12、硅衬底，1-13、电场屏蔽层，1-14、漏极金属层。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种准垂直型氮化镓积累型功率器件，如图1所示，其包括从下至上依次设置的硅衬底1-12、缓冲层1-11、第二重掺杂氮化镓导电层1-10、轻掺杂氮化镓导电层1-8、第一重掺杂氮化镓导电层1-5和源极电极1-1。其中，第一重掺杂氮化镓导电层1-5和第二重掺杂氮化镓导电层1-10的导电类型均为N型，轻掺杂氮化镓导电层1-8的上端沿宽度方向间隔设有多个横向沟槽，横向沟槽的数量根据实际需求确定，例如可为5~10个。各横向沟槽内固定设有包裹有氧化层1-6的栅极电极1-7，第一重掺杂氮化镓导电层1-5间隔设置在栅极电极1-7之间并与源极电极1-1形成欧姆接触。轻掺杂氮化镓导电层1-8的两端分别开设有两条对称的竖向沟槽，两条竖向沟槽均贯穿轻掺杂氮化镓导电层1-8的上表面和下表面，竖向沟槽内固定有漏极电极1-9，漏极电极1-9的下端与第二重掺杂氮化镓导电层1-10形成欧姆接触，上端与源极电极1-1位于同一水平面。

为优化表面电场并使电场变得更加均匀，本实施例还在源极电极1-1的两端与漏极电极1-9的上端之间分别设有半绝缘多晶硅层1-3，即按图1所示方向，在源极电极1-1的左侧与轻掺杂氮化镓导电层1-8左端的漏极电极1-9之间设有半绝缘多晶硅层1-3，在源极电极1-1的右侧与轻掺杂氮化镓导电层1-8右端的漏极电极1-9之间同样设有半绝缘多晶硅层1-3，以此可提高功率器件的稳定性，并使功率器件具有缩短表面电场耐压区长度、减少芯片面积以及提高可靠性的优点。

为对半绝缘多晶硅层1-3起到绝缘保护和缓冲的作用，本实施例还在半绝缘多晶硅层1-3的上方和下方分别设有上绝缘介质层1-2和下绝缘介质层1-4。具体来说就是在半绝缘多晶硅层1-3的上方覆盖有一层绝缘介质，在半绝缘多晶硅层1-3的下方（也即半绝缘多晶硅层1-3与轻掺杂氮化镓导电层1-8之间）设置有一层绝缘介质。

为便于绝缘介质层的制造，本实施例中的上绝缘介质层1-2可为Al

本实施例的工作原理如下：

本实施例所述的准垂直型氮化镓积累型功率器件，其源极电极1-1（S区）至第二重掺杂氮化镓导电层1-10（N+ GaN区）漏极区电流为纵向流通，因此有效提高了电流密度和降低了功率器件的比导通电阻，同时具有优异的阻断特性。其采用Si基衬底，可兼容现有Si材料的制备工艺，适合规模化生产。此结构通过槽栅极与轻掺杂半导体GaN区的功函数差在半导体一侧形成耗尽区，并结合栅极与源极的电位差，从而控制两个槽栅之间的半导体GaN区耗尽与否，以控制器件沟道的关断与导通，并且可通过调节沟槽栅极的宽度和深度控制器件的阈值电压，实现增强型和耗尽型的GaN器件。当栅极电极1-7与源极电极1-1的电位差大于器件的阈值电压时，功率器件的沟道开启，电子从源极下方第一重掺杂氮化镓导电层1-5向下流通，经过漂移区即轻掺杂氮化镓导电层1-8，流通至第二重掺杂氮化镓导电层1-10，进而在两端沟槽内的漏极电极1-9底部被收集，并流回功率器件表面。当栅极电极1-7与源极电极1-1的电位差小于器件的阈值电压时，功率器件的沟道关断，使功率器件处于阻断态，在漏极电极1-9的阻断电压下，两侧的半绝缘多晶硅层1-3连接源极电极1-1与漏极电极1-9，实现电阻场板，引入均匀的横向分布电场，半绝缘多晶硅层1-3的上方和下方的上绝缘介质层1-2和下绝缘介质层1-4，可以对半绝缘多晶硅层1-3起到绝缘保护和缓冲作用。

另外，如图11所示，申请人还对本实施例进行了仿真测试，经测试，本实施例所述功率器件的比导通电阻为~0.77mΩ∙cm

实施例2

本实施例在实施例1的基础上提供了一种准垂直型氮化镓积累型功率器件，如图2、3所示，其包括从下至上依次设置的硅衬底1-12、缓冲层1-11、第二重掺杂氮化镓导电层1-10、轻掺杂氮化镓导电层1-8、第一重掺杂氮化镓导电层1-5和源极电极1-1。其中，轻掺杂氮化镓导电层1-8的上端沿宽度方向间隔设有多个横向沟槽，各横向沟槽内固定设有包裹有氧化层1-6的栅极电极1-7和电场屏蔽层1-13，电场屏蔽层1-13位于横向沟槽的底部并位于栅极电极1-7氧化层1-6的下方。第一重掺杂氮化镓导电层1-5间隔设置在栅极电极1-7之间并与源极电极1-1形成欧姆接触。轻掺杂氮化镓导电层1-8的两端分别开设有两条对称的竖向沟槽，两条竖向沟槽均贯穿轻掺杂氮化镓导电层1-8的上表面和下表面，竖向沟槽内固定有漏极电极1-9，漏极电极1-9的下端与第二重掺杂氮化镓导电层1-10形成欧姆接触，上端与源极电极1-1位于同一水平面。源极电极1-1的两端与漏极电极1-9的上端之间分别设有半绝缘多晶硅层1-3，半绝缘多晶硅层1-3的上方和下方还分别设有上绝缘介质层1-2和下绝缘介质层1-4。

本实施例中的电场屏蔽层1-13由重掺杂P型材料半导体或Al

另外，如图11所示，申请人还对本实施例进行了仿真测试，经测试，本实施例所述功率器件的比导通电阻为~0.81mΩ∙cm

实施例3

本实施例在实施例1的基础上提供了一种准垂直型氮化镓积累型功率器件，如图4所示，本实施例在缓冲层1-11上设有漏极金属层1-14，该漏极金属层1-14与上方的第二重掺杂氮化镓导电层1-10形成欧姆接触，位于功率器件两端的漏极电极1-9的下端穿过第二重掺杂氮化镓导电层1-10后与漏极金属层1-14连接。本实施例中的漏极金属层1-14为多元化的平面图案层，在实际应用时可根据具体需求相应设置。

本实施例的工作原理如下：

本实施例所述的准垂直型氮化镓积累型功率器件，其源极电极1-1（S区）至第二重掺杂氮化镓导电层1-10（N+ GaN区）漏极区电流为纵向流通，因此有效提高了电流密度和降低了功率器件的比导通电阻，同时具有优异的阻断特性。其采用Si基衬底，可兼容现有Si材料的制备工艺，适合规模化生产。此结构通过槽栅极与轻掺杂半导体GaN区的功函数差在半导体一侧形成耗尽区，并结合栅极与源极的电位差，从而控制两个槽栅之间的半导体GaN区耗尽与否，以控制器件沟道的关断与导通，并且可通过调节沟槽栅极的宽度和深度控制器件的阈值电压，实现增强型和耗尽型的GaN器件。

当栅极电极1-7与源极电极1-1的电位差大于器件的阈值电压时，功率器件的沟道开启，电子从源极下方第一重掺杂氮化镓导电层1-5向下流通，经过漂移区即轻掺杂氮化镓导电层1-8，流通至第二重掺杂氮化镓导电层1-10，进而直接被第二重掺杂氮化镓导电层1-10下方的平面漏极金属层1-14收集，并通过两端沟槽内的漏极电极1-9流回功率器件表面。当栅极电极1-7与源极电极1-1的电位差小于器件的阈值电压时，功率器件的沟道关断，使功率器件处于阻断态，在漏极电极1-9的阻断电压下，两侧的半绝缘多晶硅层1-3连接源极电极1-1与漏极电极1-9，实现电阻场板，引入均匀的横向分布电场，半绝缘多晶硅层1-3的上方和下方的上绝缘介质层1-2和下绝缘介质层1-4，可以对半绝缘多晶硅层1-3起到绝缘保护和缓冲作用。

另外，申请人还对本实施例进行了仿真测试，经测试，本实施例所述功率器件的比导通电阻为~0.57mΩ∙cm

实施例4

本实施例在实施例2的基础上提供了一种准垂直型氮化镓积累型功率器件，如图5、6所示，本实施例在缓冲层1-11上设有漏极金属层1-14，该漏极金属层1-14与上方的第二重掺杂氮化镓导电层1-10形成欧姆接触，位于功率器件两端的漏极电极1-9的下端穿过第二重掺杂氮化镓导电层1-10后与漏极金属层1-14连接。本实施例中的漏极金属层1-14为多元化的平面图案层，在实际应用时可根据具体需求相应设置。

本实施例通过电场屏蔽层1-13可缓解栅极电极1-7底部曲率效应引起的高电场，使得功率器件的击穿电压增加，进一步改善了功率器件的击穿电压，提高了功率器件栅极电极1-7氧化层1-6的可靠性。

另外，申请人还对本实施例进行了仿真测试，经测试，本实施例所述功率器件的比导通电阻为~0.60mΩ∙cm

实施例5

本实施例在实施例3或实施例4的基础上对漏极金属层1-14作了进一步的限定，如图7-10所示，漏极金属层1-14可为通过物理气相淀积在缓冲层1-11上的条形图案结构、田字形图案结构、叉指图案结构或蜂窝图案结构。

需要说明的是，漏极金属层1-14为平面结构，其图案形状是多元的，上述条形图案结构、田字形图案结构、叉指图案结构或蜂窝图案结构为优选，但也可以为其他任意图形，前提需保证足够的欧姆接触面积，并且兼容制造工艺。

另外，申请人还对本实施例进行了仿真测试，经测试，本实施例所述具有不同的漏极金属层1-14结构的功率器件比导通电阻为~0.60mΩ∙cm

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。