一种高耐压的增强型CAVET及其制备方法

本发明涉及半导体器件，尤其涉及一种高耐压的增强型cavet及其制备方法。

背景技术：

1、gan cavet器件可以应用于功率电子系统中的逆变器或开关电源中，实现低的开关损耗和高的耐压性能，进而提高功率转换效率。

2、传统横向结构(hemt)存在诸多问题，比如横向结构需要通过增加栅漏之间漂移区的长度和掺杂浓度来增大器件的击穿电压，这会导致器件面积增大不利于集成，且横向结构存在栅极电场集中效应、缓冲层泄漏电流、电流坍塌等问题。垂直器件(cavet)源漏分别在器件顶部和底部，且栅极和源极都是低电压可以很好的缓解上述问题，但是目前无论是横向还是垂直器件，由于在algan/gan交界面处具有高浓度的二维电子气(2deg)，实际使用中往往需要加一个负电压把这部分二维电子气耗尽实现器件的关闭，不符合电路设计逻辑，因此如何设计增强型cavet器件成为gan功率器件需要研究的关键技术之一。目前主流做法是采用凹栅型实现增强型，例如:公开号为cn114914301a，公开了一种增强型垂直hemt器件结构的方法，其中增强型的实现是将栅极刻蚀成凹槽状，增强器件栅控能力，进而实现正向阈值电压，但是其刻蚀会对沟道进行损伤不利于饱和电流提升，且工艺复杂。其次，实现高的耐压特性也是困扰功率器件应用的一个难题，现有器件还远远没有达到gan材料理论极限值，因此如何发挥gan材料高临界击穿电场的优势，以满足对高压、高转换效率器件的需求，也是急需解决的重点之一，例如:授权号为cn105845724b，公开了一种积累型垂直hemt器件，通过引入绝缘栅极，在绝缘栅极侧壁形成电子积累层降低导通电阻，在绝缘栅极结构末端处引入电场尖峰，使器件电场分布更加均匀提升击穿电压，但是其在设计上较复杂，电场改善效果有限。

技术实现思路

1、本发明的首要目的是提供一种高耐压的增强型cavet及其制备方法，该器件具有高击穿电压、低导通电阻和高阈值电压，其采用双层不同掺杂浓度的p型gan帽层，将导带提升至费米能级之上，同时刻蚀部分p型gan帽层，保留了部分二维电子气沟道，刻蚀部分以栅介质层填充，p型gan帽层下的沟道仍然处于关断状态，且栅介质层也可以分担一部分栅极电压，在不影响阈值电压的情况下，实现部分区域仍有高浓度二维电子气沟道，进而在导通状态下可以快速恢复二维电子气沟道获得较高的饱和电流，关断状态下做到阻挡载流子垂直运输实现增强型，在此基础上，通过将电流阻挡层设置为凹形，减小中间部位电流阻挡层的长度，降低了整个器件导通电阻，同时第一电流阻挡层区域和缓冲层之间仍具有较大的接触面积和较低的掺杂浓度，避免发生雪崩击穿导致器件击穿电压过低，与沟道接触的第三电流阻挡层具有较高的掺杂浓度提升了耐压性能，第二电流阻挡层的掺杂浓度介于第一电流阻挡层和第三电流阻挡层之间，避免了在电流阻挡层产生不连续的电场尖峰影响器件击穿电压。

2、本发明至少提供如下技术方案：

3、本发明的一方面提供一种高耐压的增强型cavet，包括：衬底，具有相对设置的第一表面和第二表面；缓冲层设置于所述第一表面上；

4、电流孔径层和对称设置于电流孔径层两侧的第一凹形电流阻挡结构和第二凹形电流阻挡结构并列设置于所述缓冲层上；

5、沟道层设置于所述电流阻挡层和电流孔径层上；

6、势垒层设置于所述沟道层上；

7、第一源极和第二源极设置于所述沟道层上，位于所述势垒层的两侧；

8、第一p型gan帽层区域、第二p型gan帽层区域、第三p型gan帽层区域设置于所述势垒层上，相邻所述p型gan帽层区域之间设置有栅介质层；

9、栅极设置于所述gan帽层区域和所述栅介质层上；

10、第一源极与栅极和第一p型gan帽层之间，以及第二源极与栅极和第三p型gan帽层之间还设置有钝化层；

11、其中，所述第一凹形电流阻挡结构和所述第二凹形电流阻挡结构均由依次层叠的第一电流阻挡层、第二电流阻挡层和第三电流阻挡层组成，所述第一电流阻挡层与所述缓冲层邻接，所述第三电流阻挡层与所述沟道层邻接；

12、沿第一源极指向第二源极的方向上，所述电流孔径层在第一电流阻挡层所在层的宽度等于其在第三电流阻挡层所在层的宽度，所述电流孔径层在第一电流阻挡层所在层的宽度小于其在第二电流阻挡层所在层的宽度。

13、进一步地，所述第一电流阻挡层的掺杂浓度小于第二电流阻挡层，所述第二电流阻挡层的掺杂浓度小于第三电流阻挡层，所述电流阻挡层的掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1017cm-3。

14、进一步地，所述第一电流阻挡层的厚度大于所述第二电流阻挡层的厚度，所述第二电流阻挡层的厚度大于所述第三电流阻挡层的厚度，所述电流阻挡层的厚度为200～400nm。

15、进一步地，第一p型gan帽层区域、第二p型gan帽层区域和第三p型gan帽层区域均由第一掺杂浓度的p型gan帽层和第二掺杂浓度的p型gan帽层层叠而成。

16、进一步地，所述第一掺杂浓度的p型gan帽层和第二掺杂浓度的p型gan帽层的厚度之和为10nm～100nm之间。

17、进一步地，第一掺杂浓度的p型gan帽层的掺杂浓度大于第二掺杂浓度的p型gan帽层，所述p型gan帽层的掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1017cm-3。

18、进一步地，所述沟道层为gan沟道层，其厚度为40～50nm。

19、进一步地，所述势垒层为algan势垒层，其厚度为10～20nm，al组分为20％～30％之间。

20、本发明的另一方面提供一种高耐压的增强型cavet的制备方法，包括以下步骤：

21、在衬底上依次外延生长缓冲层和第一gan层；

22、在第一gan层的预定区域离子注入形成第一掺杂浓度的第一电流阻挡层，该预定区域以外的区域为第一电流孔径层；

23、在第一gan层上外延生长第二gan层，在第二gan层的预定区域离子注入形成第二掺杂浓度的第二电流阻挡层，该预定区域以外的区域为第二电流孔径层，所述第二电流孔径层的宽度大于所述第一电流孔径层的宽度；

24、在第二gan层上外延生长第三gan层，在第三gan层的预定区域离子注入形成第三掺杂浓度的第三电流阻挡层，该预定区域以外的区域为第三电流孔径层，所述第三电流孔径层的宽度等于所述第一电流孔径层的宽度；

25、在第三gan层上外延生长沟道层和势垒层；

26、在势垒层上外延生长第四gan层，对该第四gan层离子注入形成第一掺杂浓度的p型gan帽层；

27、在第一掺杂浓度的p型gan帽层上外延生长第五gan层，对该第五gan层离子注入形成第二掺杂浓度的p型gan帽层；

28、刻蚀所述第二掺杂浓度的p型gan帽层，形成贯穿所述第二掺杂浓度的p型gan帽层和第一掺杂浓度的p型gan帽层的孔洞，所述孔洞将所述p型gan帽层分为第一p型gan帽层区域、第二p型gan帽层区域和第三p型gan帽层区域；

29、在孔洞区域沉积栅介质层；

30、刻蚀所述势垒层的两侧区域，形成第一源极开孔和第二源极开孔；

31、在所述第一源极开孔和第二源极开孔中沉积金属，高温退火后形成欧姆接触的第一源极和第二源极；

32、在所述gan帽层区域及该帽层区域之间的栅介质层上沉积金属，低温退火后形成肖特基接触的栅极；

33、在栅极和源极之间沉积钝化层；

34、在所述衬底的背面沉积金属，高温退火后形成欧姆接触的漏极。

35、进一步地，所述第一电流阻挡层的掺杂浓度小于第二电流阻挡层，所述第二电流阻挡层的掺杂浓度小于第三电流阻挡层，所述电流阻挡层的掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1017cm-3。

36、该器件的作用机理如下：当栅极无外加电压时候，具有通孔结构的双层p型gan帽层和弱n型掺杂algan之间产生内建电场，从而耗尽势垒层和沟道层之间的二维电子气沟道，整个器件处于关断状态，同时与沟道层接触的第三电流阻挡层具有较高的掺杂浓度，小幅度提升了阈值电压。当器件处于导通状态时候，此时栅极调控p-gan帽层，p-gan帽层下方的二维电子气沟道迅速补充大量电子，沟道整体导通，凹形电流阻挡层的设置使得电流流经电流孔径的导通电阻较小。当器件处于击穿状态的时候，凹形电流阻挡层调节缓冲层的电场分布，和缓冲层区域形成pn结辅助耗尽，提升器件耐压。

37、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

38、本发明的器件通过在缓冲层上设置左右对称的凹形电流阻挡层结构，凹形电流阻挡层结构上设置有势垒层和沟道层，沟道层上设置有具有通孔结构的双层p型gan帽层，该凹形电流阻挡层结构由宽度相等的第一电流阻挡层和第三电流阻挡层以及宽度小于第一和第三电流阻挡层的第二电流阻挡层组成，第一电流阻挡层邻接缓冲层，具有较小的掺杂浓度，第三电流阻挡层邻接沟道层，具有较高的掺杂浓度，电流阻挡层和缓冲层交界处电场峰值增加，缓冲层区域的电场分布更为均匀，提升了器件的耐压性能，器件的阈值电压也有一定的提升。另外，本发明的制备方法简单，易于实施。