一种耗尽型GaN器件及HEMT级联型器件的制作方法
本发明属于半导体，具体涉及一种耗尽型gan器件以及包括该耗尽型gan器件的hemt级联型器件。
背景技术：
1、gan作为第三代半导体材料，相比第一代si、第二代gaas具有显著优势。algan/ganhemt(高电子迁移率晶体管)具有大的能带隙、高峰值饱和电子速度、高浓度二维电子气及较高的电子迁移率，使得algan/gan hemt广泛应用于rf(射频)、微波、功率开关电源等领域。
2、algan/gan hemt目前主要存在两种器件类型，级联型和增强型，其中增强型主要是采用p-gan方式，存在栅薄弱、电阻率高等诸多问题。而级联型采用耗尽型gan器件与低压mos(mosfet：metal-oxide-semiconductor field-effect transistor的缩写，全称为金属-氧化物半导体场效应晶体管)器件进行级联，此时驱动完全由低压mos器件决定，具有高可靠性，同时gan电阻率能控制在最佳水平，低压mos器件引入的寄生参数很小，使得整体器件体现出高性能。耗尽型gan器件与低压mos器件组成的共源共栅级联器件，目前已经广泛应用于各类开关电源，尤其在工业类和车规类，具有很大优势。
3、但是耗尽型的高压gan器件与低压mos器件的匹配问题，尤其是电压匹配问题，是共源共栅gan器件必须克服的问题。对此业内有以下几种方式：
4、(1)gan芯片不做特殊设计，级联封装不做特殊设计。这会导致器件有可靠性隐患，低压mos器件会出现雪崩情况。
5、(2)gan芯片不做特殊设计，级联封装时，增加电阻、电容、稳压二极管中的一种或多种，连接在低压mos器件的源电极与漏电极两端。这会增加器件封装的复杂性，增加封装成本。
6、(3)gan芯片上单独区域设计有电阻，级联封装时，将此电阻并联在低压mos器件的源电极与漏电极两端。这种设计方式将gan芯片单独开设的区域设计为电阻，占用了芯片面积，增加芯片成本；并且电阻的引入，仅能解决稳态下的漏电匹配，而瞬态下的电容匹配未解决，即瞬态下的低压mos器件仍会出现雪崩。
7、由此可见，业内对于耗尽型的高压gan器件与低压mos器件的匹配问题尚且没有统一有效的解决方案，共源共栅级联器件的电压匹配问题已然成为该领域亟待解决的重大问题之一。
技术实现思路
1、鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种耗尽型gan器件以及包括耗尽型gan器件的hemt级联型器件，通过在耗尽型gan器件内部形成金属-绝缘体-半导体(mis)结构，使得耗尽型gan器件的源电极与栅电极之间具有二极管特性，从而在hemt级联器件中，能够有效钳制瞬态与稳态下的源电极与栅电极之间的电压差。
2、为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
3、一种耗尽型gan器件，包括源电极、漏电极、栅电极、独立电极以及由下至上依次设置的衬底、叠层结构和介电层，所述源电极、漏电极和独立电极均位于所述叠层结构和介电层中，所述栅电极位于所述介电层中，所述叠层结构包括由下至上依次设置的成核层、缓冲层、沟道层、势垒层和盖帽层，所述沟道层与势垒层的界面处形成二维电子气；
4、所述源电极的下方设置有电性隔离区，所述电性隔离区内具有二维电子气，所述电性隔离区内的二维电子气与电性隔离区外部的二维电子气电性隔开，所述电性隔离区的一端与所述独立电极连接；所述独立电极还与所述栅电极连接，所述源电极在所述衬底上的正投影至少部分覆盖所述电性隔离区在所述衬底上的正投影。
5、通过独立电极以及电性隔离区的设置，使得独立电极既与栅电极连接，又与电性隔离区内的二维电子气连接，即本发明中的重要结构特征是在耗尽型gan器件内部由源电极与盖帽层以及电性隔离区内的二维电子气之间形成的金属-绝缘体-半导体(mis)结构，利用该结构的二极管特性，使得源电极与栅电极之间相当于并联了二极管，从而使得耗尽型gan器件的源电极与栅电极之间具有二极管特性。当耗尽型gan器件与低压mos器件共源共栅级联，形成级联型器件时，若低压mos器件的漏电极与源电极之间(等同于耗尽型gan器件的源电极与栅电极之间)的电压升高时，该结构能抑制电压升高，有效钳制低压mos器件的漏电极与源电极之间(等同于耗尽型gan器件的源电极与栅电极之间)的电压差，使得整个级联型器件的电压匹配，从而保护整个级联器件。
6、根据本发明的一些优选实施方面，所述源电极、漏电极和独立电极均位于所述势垒层、盖帽层和介电层中。
7、根据本发明的一些优选实施方面，所述源电极的宽度大于所述电性隔离区的宽度，所述电性隔离区对应所述二维电子气设置，所述电性隔离区与所述二维电子气位于同一平面上，所述电性隔离区的面积小于所述二维电子气的面积。电性隔离区的本质上是在盖帽层上进行图形化处理，并进行高能离子注入，破坏局部二维电子气特性，使其从横向导电变为绝缘。
8、根据本发明的一些优选实施方面，所述源电极包括第一部和与所述第一部的底面连接的两个平行设置的第二部，所述源电极开设有缺口，所述独立电极位于所述缺口中；所述器件还包括两个分别用于容纳两个所述第二部的源电极孔，所述第一部位于所述介电层中，所述源电极孔位于所述势垒层和盖帽层中。即本发明中的源电极通过开设缺口使源电极断开，这是由于漏电极呈细条状，其端头位置的面积小，对芯片电阻的贡献小，在端头设置缺口，将独立电极置于缺口处，能够有效利用芯片面积。
9、根据本发明的一些优选实施方面，所述电性隔离区包括两个间隔设置的隔离条、位于两个所述隔离条一端的隔离框以及由两个所述隔离条与所述隔离框围成的区域，所述隔离条及隔离框用于将位于两个所述隔离条与隔离框围成的区域内的二维电子气与位于区域外的二维电子气电性隔开，所述隔离框在所述衬底上的正投影位于所述源电极在所述衬底上的正投影的两端之间；所述隔离框的一条侧边开设有第一通口，所述第一通口的两端分别与两个所述隔离条的一端连接，用于使所述电性隔离区的一端保持闭合。本发明的一些实施例中，电性隔离区的两个隔离条的设置相同，两个隔离条的长度相等、宽度相等且二者的长度延伸方向也相同；并且一个隔离条的一端与另一个隔离条的一端齐平，一个隔离条的另一端与另一个隔离条的另一端也齐平。
10、根据本发明的一些优选实施方面，所述电性隔离区包括第一段和第二段，所述第一段位于所述隔离框和第二段之间，形成所述第二段的两个所述隔离条远离所述第一段的端部之间具有间隙，所述第一段位于所述缺口的下方，所述第二段位于所述源电极的下方，所述第二段的一端与所述第一部的一端位于同一竖直方向上，所述第一部在所述衬底上的正投影覆盖所述第二段在所述衬底上的正投影且所述第二段的长度小于或等于所述第一部的长度，所述第二段的宽度小于所述第一部的宽度。本发明的一些实施例中，电性隔离区的一端与独立电极连接，其另一端在源电极下方且不闭合，此结构相当于在耗尽型gan器件的源电极与栅电极之间并联了一个二极管、一个电容及一个电阻，在级联型器件中，这些结构相当于并联在低压mos器件的漏电极和源电极之间，当级联型器件的低压mos器件的漏电极与源电极之间的电压升高时，这些结构能抑制电压升高，从而保护整个级联型器件。
11、根据本发明的一些优选实施方面，所述隔离框远离所述第一通口的侧边开设有第二通口，所述第二通口的两端分别与两个所述隔离条远离所述第一通口的一端连接，用于使所述电性隔离区形成闭环。
12、根据本发明的一些优选实施方面，所述电性隔离区包括第一段、第二段和第三段，所述第一段位于所述隔离框和所述第二段的一端之间，所述第三段位于所述隔离框和所述第二段的另一端之间，所述第一段和第三段均位于所述缺口的下方，所述第二段位于所述源电极的下方，所述第二段的一端与所述第一部的一端位于同一竖直方向上，所述第一部在所述衬底上的正投影覆盖所述第二段在所述衬底上的正投影且所述第二段的长度等于所述第一部的长度，所述第二段的宽度小于所述第一部的宽度。本发明的一些实施例中，电性隔离区在源电极下方绕一圈后闭合，电性隔离区整体形成闭环，电性隔离区整体只有一个输出端与独立电极连接，此结构相当于在耗尽型gan器件的源电极与栅电极之间并联了一个二极管和一个电容，在级联型器件中，这些结构相当于并联在低压mos器件的漏电极和源电极之间，当级联型器件的低压mos器件的漏电极与源电极之间的电压升高时，这些结构能抑制电压升高，从而保护整个级联型器件。
13、根据本发明的一些优选实施方面，所述电性隔离区包括第一段和第二段，所述第一段位于所述隔离框和第二段之间，形成所述第二段的两个所述隔离条远离所述第一段的端部之间具有间隙，所述第一段在所述衬底上的正投影位于所述第一部在所述衬底上的正投影的外部；所述第二段位于所述源电极的下方，所述第二段的两端位于所述第一部的两端之间，所述第一部在所述衬底上的正投影覆盖所述第二段在所述衬底上的正投影且所述第二段的长度小于所述第一部的长度，所述第二段的宽度小于所述第一部的宽度。本发明的一些实施例中，电性隔离区的一部分在源电极下方，一部分在源电极外部，并且电性隔离区的一端与独立电极连接，其另一端在源电极下方且不闭合，此结构相当于在耗尽型gan器件的源电极与栅电极之间并联了一个二极管、一个电容及一个电阻，其中二极管的低电平端相当于串联了一个电阻，起到漏电调配的作用。在级联型器件中，这些结构相当于并联在低压mos器件的漏电极和源电极之间，当级联型器件的低压mos器件的漏电极与源电极之间的电压升高时，这些结构能抑制电压升高，从而保护整个级联器件。
14、根据本发明的一些优选实施方面，所述电性隔离区包括第一段和第二段，所述第一段位于所述隔离框和第二段之间，形成所述第二段的两个所述隔离条远离所述第一段的端部之间设置有连接条，用于使所述电性隔离区形成闭环，所述第一段在所述衬底上的正投影位于所述第一部在所述衬底上的正投影的外部；所述第二段位于所述源电极的下方，所述第二段的两端位于所述第一部的两端之间，所述第一部在所述衬底上的正投影覆盖所述第二段在所述衬底上的正投影且所述第二段的长度小于所述第一部的长度，所述第二段的宽度小于所述第一部的宽度。本发明的一些实施例中，电性隔离区的一部分在源电极下方，一部分在源电极外部，并且电性隔离区的一端与独立电极连接，其另一端在源电极下方且保持闭合，此结构相当于在耗尽型gan器件的源电极与栅电极之间并联了一个二极管和一个电容，其中二极管的低电平端也相当于串联了一个电阻，起到漏电调配的作用。在级联型器件中，这些结构相当于并联在低压mos器件的漏电极和源电极之间，当级联型器件的低压mos器件的漏电极与源电极之间的电压升高时，这些结构能抑制电压升高，从而保护整个级联器件。
15、根据本发明的一些优选实施方面，形成所述第二段的两个所述隔离条的两个外侧边之间的距离小于两个所述第二部的两个外侧面之间的距离，形成所述第二段的两个所述隔离条的两个内侧边之间的距离小于两个所述第二部的两个内侧面之间的距离。这样设置的原因是使耗尽型gan器件的源电极的第二部能正常的连接其外侧的二维电子气，满足正常器件的导通功能，同时又使电性隔离区内的二维电子气不与源电极连接。
16、本发明还提供了一种上述的耗尽型gan器件的制备方法，包括如下步骤：
17、在所述衬底上进行氮化物外延生长，依次形成成核层、缓冲层、沟道层、势垒层和盖帽层，所述成核层、缓冲层、沟道层、势垒层和盖帽层构成所述叠层结构；
18、在所述盖帽层上，进行图形化处理，并注入离子材料，形成电性隔离区；其实质是：在盖帽层上，进行图形化处理，并进行高能离子注入以损坏局部区域的二维电子气，形成电性隔离区；
19、在所述盖帽层上，进行图形化处理，刻蚀形成源电极孔、漏电极孔以及独立电极孔，所述源电极孔设置有两个；
20、在所述源电极孔、漏电极孔和独立电极孔中填充金属，进行退火形成欧姆接触，分别形成所述源电极、漏电极和独立电极；
21、在所述源电极和漏电极的上方进行沉积形成介电层，并刻蚀出栅电极孔、源电极开窗口和漏电极开窗口；
22、在所述介电层上填充金属并刻蚀掉多余金属，形成栅电极；得到所述耗尽型gan器件。
23、本发明还提供了一种hemt级联型器件，其包括如上所述的耗尽型gan器件，还包括低压mos器件，将耗尽型gan器件与低压mos器件共源共栅级联，即得到本发明的hemt级联型器件。
24、由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的耗尽型gan器件，在器件内部，由源电极与盖帽层以及电性隔离区内的二维电子气之间形成了金属-绝缘体-半导体(mis)结构，使得耗尽型gan器件的源电极与栅电极之间相当于并联了二极管，从而使得耗尽型gan器件的源电极与栅电极之间具有二极管特性，当耗尽型gan器件与低压mos器件共源共栅级联，形成级联型器件时，若低压mos器件的漏电极与源电极之间的电压升高，该结构能抑制电压升高，有效钳制低压mos器件的漏电极与源电极之间的电压差，使得整个级联型器件的电压匹配，从而保护整个级联器件。
技术特征：
1.一种耗尽型gan器件，其特征在于，包括源电极、漏电极、栅电极、独立电极和衬底，所述源电极开设有缺口，所述独立电极位于所述缺口中，所述独立电极与所述栅电极连接；所述源电极的下方设置有电性隔离区，所述电性隔离区内具有二维电子气，所述电性隔离区内的二维电子气与所述电性隔离区外部的二维电子气电性隔开，所述电性隔离区的一端与所述独立电极连接，所述源电极的宽度大于所述电性隔离区的宽度，所述源电极及所述缺口在所述衬底上的正投影覆盖所述电性隔离区在所述衬底上的正投影。
2.根据权利要求1所述的耗尽型gan器件，其特征在于，所述电性隔离区包括两个间隔设置的隔离条、位于两个所述隔离条一端的隔离框以及由两个所述隔离条与所述隔离框围成的区域，所述隔离框在所述衬底上的正投影位于所述源电极在所述衬底上的正投影的两端之间。
3.根据权利要求2所述的耗尽型gan器件，其特征在于，两个所述隔离条的长度延伸方向相同，且两个所述隔离条的长度相等、宽度相等；一个所述隔离条的一端与另一个所述隔离条的一端齐平，一个所述隔离条的另一端与另一个所述隔离条的另一端也齐平。
4.根据权利要求3所述的耗尽型gan器件，其特征在于，所述隔离框的一条侧边开设有第一通口，所述第一通口的两端分别与两个所述隔离条的一端连接，用于使所述电性隔离区的一端保持闭合。
5.根据权利要求4所述的耗尽型gan器件，其特征在于，所述电性隔离区包括第一段和第二段，所述第一段位于所述缺口的下方，所述第二段位于所述源电极的下方，所述第一段位于所述隔离框和第二段之间，形成所述第二段的两个所述隔离条远离所述第一段的端部之间具有间隙。
6.根据权利要求5所述的耗尽型gan器件，其特征在于，所述电性隔离区用于使所述耗尽型gan器件的源电极与栅电极之间等效并联一个二极管、一个电容及一个电阻。
7.根据权利要求3所述的耗尽型gan器件，其特征在于，所述隔离框的一条侧边开设有第一通口，所述隔离框远离所述第一通口的侧边开设有第二通口，所述第一通口的两端分别与两个所述隔离条的一端连接，所述第二通口的两端分别与两个所述隔离条远离所述第一通口的一端连接，用于使所述电性隔离区形成闭环。
8.根据权利要求7所述的耗尽型gan器件，其特征在于，所述电性隔离区包括第一段、第二段和第三段，所述第一段位于所述隔离框和所述第二段的一端之间，所述第三段位于所述隔离框和所述第二段的另一端之间，所述第一段和第三段均位于所述缺口的下方，所述第二段位于所述源电极的下方。
9.根据权利要求8所述的耗尽型gan器件，其特征在于，所述电性隔离区用于使所述耗尽型gan器件的源电极与栅电极之间等效并联一个二极管和一个电容。
10.一种hemt级联型器件，其特征在于，包括如权利要求1～9任意一项所述的耗尽型gan器件。
技术总结
本发明属于半导体技术领域，具体公开了一种耗尽型GaN器件及HEMT级联型器件，耗尽型GaN器件包括源电极、漏电极、栅电极、独立电极及由下至上依次设置的衬底、叠层结构和介电层，源电极、漏电极和独立电极均位于叠层结构和介电层中，叠层结构包括由下至上依次设置的成核层、缓冲层、沟道层、势垒层和盖帽层；源电极的下方设有电性隔离区，电性隔离区内的二维电子气与其外部的二维电子气电性隔开，电性隔离区的一端与独立电极连接；独立电极还与栅电极连接。本发明的耗尽型GaN器件，其源电极与栅电极之间具有二极管特性，形成级联器件后，能够有效钳制瞬态与稳态下的源电极与栅电极之间的电压差，使整个级联型器件的电压匹配。
技术研发人员：任永硕,王荣华,梁辉南
受保护的技术使用者：润新微电子（大连）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23