電荷補償耐壓結構垂直氮化鎵基異質結場效應管的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及半導體高耐壓器件領域，具體是指電荷補償耐壓結構垂直氮化嫁基異 質結場效應管。
【背景技術】
[0002] 氮化嫁基異質結場效應晶體管（GaNHeterco'unctionField-Effect 化ansistor，GaNHFET)不但具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、電子飽和速度高、導熱性能 好、抗福射和良好的化學穩定性等優異特性，同時氮化嫁（GaN)材料可W與侶嫁氮（AlGaN) 等材料形成具有高濃度和高遷移率的二維電子氣異質結溝道，因此特別適用于高壓、大功 率和高溫應用，是電力電子應用最具潛力的晶體管之一。
[0003] 現有的高耐壓GaNHFET結構主要為橫向器件，器件基本結構如圖1所示。器件主 要包括襯底，GaN緩沖層，AlGaN勢壘層W及AlGaN勢壘層上形成的源極、漏極和柵極，其中 源極和漏極與AlGaN勢壘層形成歐姆接觸，柵極與AlGaN勢壘層形成肖特基接觸。但是對 于橫向GaNH陽T而言，在截止狀態下，從源極注入的電子可W經過GaN緩沖層到達漏極，形 成漏電通道，過大的緩沖層泄漏電流會導致器件提前擊穿，無法充分發揮GaN材料的高耐 壓優勢，從而限制GaNH陽T在高壓方面的應用。同時橫向GaNH陽T器件主要依靠柵極與 漏極之間的有源區來承受耐壓，要獲得大的擊穿電壓，需設計很大的柵極與漏極間距，從而 會增大忍片面積，不利于現代電力電子系統便攜化、小型化的發展趨勢。
[0004] 與橫向GaNH陽T相比，垂直GaN異質結場效應晶體管（GaNVedical HeterojunctionField-EffectTransistor,GaNVH陽T)結構可W有效地解決[^上問題。 常規GaNVH陽T結構如圖2所示，器件主要包括漏極、n+-GaN襯底、n-GaN緩沖層、P-GaN 電流阻擋層、GaN溝道層、AlGaN勢壘層和AlGaN勢壘層上形成的柵極和源極，其中漏極與 n+-GaN襯底形成歐姆接觸，源極與AlGaN勢壘層形成歐姆接觸，柵極與AlGaN勢壘層形成肖 特基接觸。與橫向GaNH陽T相比，GaNVH陽T存在W下優勢：器件主要通過柵極與漏極之 間的縱向間距，即n-GaN緩沖層來承受耐壓，器件橫向尺寸可W設計的非常小，有效節省忍 片面積；同時P-GaN電流阻擋層與n-GaN緩沖層之間形成的p-n結可W有效阻擋從源極注 入的電子，從而抑制器件緩沖層泄漏電流。除此之外，GaNVHFET結構還具有便于封裝、低 溝道溫度等多方面優點。 陽00引對于常規GaNVH陽T結構而言，器件主要依靠P-GaN電流阻擋層與n-GaN緩沖層 之間形成的p-n結來承受耐壓，器件內峰值電場達到臨界電場或者泄漏電流達到闊值時， n-GaN緩沖層內耗盡區寬度的大小決定了器件的擊穿電壓，隨著n-GaN緩沖層厚度的增大， 擊穿時n-GaN內的耗盡區寬度也隨之增大，但是當n-GaN緩沖層厚度超過一定值后，擊穿時 n-GaN內的耗盡區寬度達到飽和，器件的擊穿電壓也達到飽和，不再隨著n-GaN緩沖層厚度 的增大而增大，從而限制了GaNVH陽T的高耐壓應用。同時n-GaN緩沖層內的垂直電場強 度會隨著遠離P-GaN電流阻擋層與n-GaN緩沖層之間的p-n結界面而逐漸降低，由于器件 擊穿電壓等于n-GaN緩沖層內的垂直電場強度沿著垂直方向的積分，不斷降低的垂直電場 強度使得器件的擊穿電壓無法達到GaN材料極限，不能充分發揮GaN基器件的高耐壓優勢。
【發明內容】

[0006] 針對常規GaNVHFET器件存在的問題，本發明提供了一種能將器件擊穿電壓提高 接近極限的具有電荷補償的高耐壓垂直氮化嫁基異質結場效應晶體管。
[0007] 本發明通過下述技術方案實現：電荷補償耐壓結構垂直氮化嫁基異質結場效應 管，包括勢壘層，所述勢壘層上部設有源極和柵極，下部依次為溝道層、電流阻擋層、n-GaN 緩沖層、n+-GaN襯底、漏極；所述電流阻擋層中屯、設有寬度為Lap的孔徑，且嵌套在n-GaN緩 沖層上部；該器件還包括位于勢壘層、溝道層、電流阻擋層及n-GaN緩沖層外側的電荷補償 絕緣層，并且在電荷補償絕緣層與勢壘層、溝道層、電流阻擋層及n-GaN緩沖層界面處存在 高密度的固定電荷；電荷補償絕緣層由絕緣電介質構成。
[0008] 由于氧缺陷、氮缺陷W及極化效應等多種因素共同作用，電荷補償絕緣層與n-GaN 緩沖層界面處存在高密度的固定電荷，耐壓時該界面負電荷可使得靠近電荷補償絕緣層一 側的n-GaN緩沖層反型，形成的P+柱將消耗n-GaN緩沖層中的電子，使得緩沖層形成Pn超 結并完全耗盡，充分優化后緩沖層中的電場在垂直方向可保持3MV/cm基本不變，運使得本 發明的器件擊穿電壓達到GaN材料耐壓極限。同時，常規的超結中P+柱不可避免的將耗盡 一部分n柱，因此本發明器件的導通電阻將比超結的導通電阻小。
[0009] 在電荷補償絕緣層與電流阻擋層界面處，由于電流阻擋層外側固定電荷的存在， 器件達到雪崩擊穿之前該位置處都不會反型，避免因反型導通而使得器件提前擊穿。
[0010] 本發明在制作電荷補償絕緣層時，一般采用挖槽再淀積絕緣材料，進一步地為了 方便制作，所述的電荷補償絕緣層從上向下貫通于源極與n+-GaN襯底之間。所述的電荷補 償絕緣層上表面與源極相連，下表面與n+-GaN襯底表面相連或位于n+-GaN襯底體內，并分 為兩部分，沿著水平方向分別位于器件兩側。
[0011] 為更好地實現本發明，進一步地，所述固定電荷為負電荷。
[0012] 為更好地實現本發明，進一步地，所述固定電荷分為兩部分，沿著水平方向分別位 于器件兩側并且沿n-GaN緩沖層的垂直中屯、線對稱設置，該垂直中屯、線0-0'也是器件的垂 直中屯、線。
[0013] 為更好地實現本發明，進一步地，所述固定電荷的密度為Q。，滿足A=NdXW,其中Nd為n-GaN緩沖層滲雜濃度，W為n-GaN緩沖層下半部分水平方向寬度，Q。取值范圍為 lXl〇5cm2《Q。《lXl〇2〇cm2。
[0014] 為更好地實現本發明，進一步地，所述電荷補償絕緣層為由單一材料構成的絕緣 電介質，其介電常數為Ki,其中Ki滿足KK 500。
[0015] 為更好地實現本發明，進一步地，所述電荷補償絕緣層為由不同介電常數的電介 質材料組成的復合絕緣電介質，該復合絕緣電介質從上到下共分為n層，第i層電介質的介 電常數為Ki,其中介電常數滿足關系：Ki_i>Ki，l《i100。
[0016] 本發明與現有技術相比，具有W下優點及有益效果： 由于電荷補償絕緣層與n-GaN緩沖層界面處存在高密度的固定電荷，耐壓時該界面負 電荷可使得靠近電荷補償絕緣層一側的n-GaN緩沖層反型，形成的P+柱將消耗n-GaN緩沖 層中的電子，使得緩沖層形成Pn超結并被完全耗盡，充分優化后緩沖層中的電場在垂直方 向可保持3MV/cm基本不變，運使得本發明的器件擊穿電壓達到GaN材料耐壓極限。同時， 由于常規超結中P+柱不可避免的將耗盡一部分n柱，本發明器件的導通電阻將比超結的導 通電阻還小。此外，本結構器件不存在制作超結的P型柱的困難，工藝實現可行性較高。
【附圖說明】
[0017] 圖1為現有技術橫向GaNHFET橫截面結構示意圖； 圖2為現有技術GaNVHFET橫截面結構示意圖； 圖3為本發明結構器件橫截面結構示意圖； 圖4為本發明提供的電荷補償場效應管與常規GaNVHFET擊穿時A-A'截面處垂直電 場分布比較； 圖5為本發明提供的電荷補償場效應管與常規GaNVHFET截止狀態下擊穿特性比較。
[0018] 其中：101-源極，102-柵極，103-勢壘層，104-溝道層，105-n-GaN緩沖層， 201-電流阻擋層，202 -n+-GaN襯底，203 -漏極，301-電荷補償絕緣層，302 -固定電荷。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合實施例對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
[0020] 圖1是己有技術橫向GaNH陽T結構示意圖，從下至上主要包括襯底，氮化嫁（GaN) 緩沖層，氮化嫁（GaN)溝道層，侶嫁氮（AlGaN)勢壘層化及侶嫁氮（AlGaN)勢壘層上形成的 源極、漏極和柵極，其中源極和漏極與侶嫁氮（AlGaN)勢壘層形成歐姆接觸，柵極與侶嫁氮 (AlGaN)勢壘層形成肖特基接觸。
[0021] 圖2是常規GaNVH陽T結構示意圖，從下至上主要包括漏極，n+-GaN襯底，n-GaN 緩沖層，P-GaN電流阻擋層，GaN溝道層，AlGaN勢壘層W及AlGaN勢壘層上形成的源極和柵 極，其中源極和漏極均為歐姆接觸，柵極為肖特基接觸。 陽02引 實施例1 : 本實施例主要結構，如圖3所示，包括勢壘層103,所述勢