一种适用于高频应用的耐高压GaNHEMT及制备方法与流程

本发明涉及半导体，具体涉及一种适用于高频应用的耐高压gan hemt及制备方法。

背景技术：

1、氮化镓（gan）因具有宽带隙、耐高温、大击穿电压的特点，成为新兴的第三代半导体研究材料。algan/gan异质结构由于自发极化和压电极化，在algan与gan界面电离产生高浓度和高电子迁移率的二维电子气(2deg)，使其在电力电子器件和射频器件中备受关注。氮化镓高电子迁移率晶体管gan hemt(highelectron mobility transistors)作为宽禁带功率半导体器件的代表，器件在高频功率应用方面有巨大的潜力。gan材料相比于si和sic具有更高的电子迁移率、饱和电子速度和击穿电场。由于材料上的优势，gan功率器件可以实现更小的导通电阻和栅极电荷（意味着更优秀的传导和开关性能）。因此gan功率器件更适合于高频应用场合，对提升变换器的效率和功率密度非常有利。目前gan功率器件主要应用于电源适配器、车载充电、数据中心等领域。

2、目前限制gan hemt耐压能力提升的主要因素是栅极边缘的电场集中现象，在algan/gan hemt 处于截止状态下，主要通过其沟道的耗尽区来承担源漏之间的高电压，在高电压的作用下，耗尽区会向漏电极方向扩展，对应的势垒层中会不断产生正极化电荷，这些正极化电荷会不断发出的电力线并集中指向栅电极边缘，在沟道中的栅极对应位置形成电场峰值。这个电场峰值很容易在较低的源漏电压时就超过了gan 材料的临界击穿电场，将algan/gan hemt 击穿。现有技术中，通常采用在栅极和漏极之间引入金属场板的技术来调整栅极沟道电场的分布，使得栅极附近的电场更加平滑，避免栅极附近出现电场集中。虽然金属场板可以抑制栅极边缘的电场集中，但是氮化镓器件的频率特性会因为金属场板引入而下降，而且金属场板的引入会导致氮化镓器件的寄生电容大大增加，氮化镓器件的开启、关断所花费的时间也因寄生电容的增大而增加，金属场板的引入导致了gan hemt频率特性下降、功耗增加的缺陷，很大程度上限制了gan hemt的应用领域。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种适用于高频应用的耐高压gan hemt及制备方法，该ganhemt在漏极下方的缓冲层中引入了pn纵向二极管，在gan hemt正向导通时，pn纵向二极管反向偏置承受了一部分电压并拉低了栅极电场尖峰，抬高了平均沟道电场。pn纵向二极管中的n型掺杂区的存在又耗尽了该区域原本存在的二维空穴气 （2deg）进一步加强了对漏极电场的调制效果，并且反向偏置的二极管还能够减小缓冲层漏电，显著提升了gan hemt的电气性能。

2、一种适用于高频应用的耐高压gan hemt，包括：pn纵向二极管；

3、所述pn纵向二极管包括：第二p型掺杂区和第二n型掺杂区；

4、所述第二n型掺杂区位于漏极正下方且位于所述第二p型掺杂区和gan层之间并与所述第二p型掺杂区、所述gan层和缓冲层邻接；

5、所述第二p型掺杂区位于漏极正下方且位于所述第二n型掺杂区和衬底之间并与所述第二n型掺杂区、所述衬底和所述缓冲层邻接。

6、优选地，还包括：pn结型场板；

7、所述pn结型场板包括：第一p型掺杂区和第一n型掺杂区；

8、所述第一p型掺杂区位于所述第一n型掺杂区的上方并与所述第一n型掺杂区邻接；

9、所述第一p型掺杂区位于栅极和漏极之间并与钝化层邻接；

10、所述第一n型掺杂区位于栅极和漏极之间并与钝化层邻接。

11、优选地，所述第二p型掺杂区的掺杂浓度为3×1017cm-3。

12、优选地，所述第二n型掺杂区的掺杂浓度为3×1019cm-3。

13、优选地，所述pn结型场板的厚度为100-300nm。

14、优选地，所述pn结型场板的长度小于栅极到漏极的距离的一半。

15、优选地，所述第二n型掺杂区的厚度小于第二p型掺杂区的厚度；

16、所述第二n型掺杂区的厚度为缓冲层厚度的。

17、优选地，还包括：源极、漏极、栅极、衬底、缓冲层、钝化层、algan势垒层、gan层和钝化层；

18、所述衬底位于所述缓冲层下方；

19、所述缓冲层位于所述gan层下方；

20、所述gan层位于所述algan势垒层下方；

21、所述algan势垒层位于所述钝化层下方；

22、所述源极位于所述algan势垒层上方；

23、所述栅极位于所述algan势垒层上方；

24、所述漏极位于所述algan势垒层上方。

25、一种适用于高频应用的耐高压gan hemt制备方法，包括：

26、在衬底上方外延生长缓冲层；

27、在所述缓冲层中进行离子注入形成pn纵向二极管；

28、在所述缓冲层上方外延形成gan层和algan势垒层；

29、在所述algan势垒层上方沉积形成肖特基接触的栅极；

30、沉积源极、漏极和钝化层。

31、优选地，所述在所述algan势垒层上方沉积形成肖特基接触的栅极之后，还包括：

32、在所述algan势垒层上方沉积钝化层，在所述钝化层上方沉积未掺杂的algan层；

33、在所述未掺杂的algan层中离子注入形成第一p型掺杂区和第一n型掺杂区。

34、本发明在栅极和漏极之间生长algan势垒层，在algan势垒层中掺杂形成纵向pn结型场板，采用pn结型场板代替了传统的金属场板，pn结型场板和金属场板原理相似，且pn结型场板在优化器件沟道电场的同时还能减小器件表面态形成的栅极泄漏电流，相较于金属场板提高耐压的能力更强，pn结型场板能够改变沟道的电场分布，从而抑制栅极边缘电场线集中，并且在优化hemt器件的沟道电场的同时还能减小hemt器件表面态形成的栅极泄漏电流，提高了gan hemt的可靠性，而且使用pn结型场板引入的寄生电容远远小于引入金属场板，所以gan hemt的频率特性和开关特性相较于金属场板结构有所提升，本发明还在漏极正下方的缓冲层中引入了纵向pn二极管的结构，纵向pn二极管既抬升了沟道平均电场又拉低了漏极边缘的电场尖峰，再次提高了gan hemt的耐压能力，在高压高频领域具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种适用于高频应用的耐高压gan hemt，其特征在于，包括：pn纵向二极管；

2.根据权利要求1所述的一种适用于高频应用的耐高压gan hemt，其特征在于，还包括：pn结型场板；

3.根据权利要求1所述的一种适用于高频应用的耐高压gan hemt，其特征在于，所述第二p型掺杂区的掺杂浓度为3×1017cm-3。

4.根据权利要求1所述的一种适用于高频应用的耐高压gan hemt，其特征在于，所述第二n型掺杂区的掺杂浓度为3×1019cm-3。

5.根据权利要求2所述的一种适用于高频应用的耐高压gan hemt，其特征在于，所述pn结型场板的厚度为100-300nm。

6.根据权利要求2所述的一种适用于高频应用的耐高压gan hemt，其特征在于，所述pn结型场板的长度小于栅极到漏极的距离的一半。

7.根据权利要求1所述的一种适用于高频应用的耐高压gan hemt，其特征在于，所述第二n型掺杂区的厚度小于第二p型掺杂区的厚度；

8.根据权利要求1所述的一种适用于高频应用的耐高压gan hemt，其特征在于，还包括：源极、漏极、栅极、衬底、缓冲层、钝化层、algan势垒层、gan层和钝化层；

9.一种适用于高频应用的耐高压gan hemt制备方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的一种适用于高频应用的耐高压gan hemt制备方法，其特征在于，所述在所述algan势垒层上方沉积形成肖特基接触的栅极之后，还包括：

技术总结
本发明提供一种适用于高频应用的耐高压GaN HEMT及制备方法，该GaN HEMT包括：PN纵向二极管；所述PN纵向二极管包括：第二P型掺杂区和第二N型掺杂区；所述第二N型掺杂区位于漏极正下方且位于所述第二P型掺杂区和GaN层之间并与所述第二P型掺杂区、所述GaN层和缓冲层邻接；所述第二P型掺杂区位于漏极正下方且位于所述第二N型掺杂区和衬底之间并与所述第二N型掺杂区、所述衬底和所述缓冲层邻接。本发明在漏极下方的缓冲层中引入了PN纵向二极管，PN纵向二极管承受部分电压并拉低了栅极电场尖峰，抬高了平均沟道电场。PN纵向二极管中的N型掺杂区又耗尽了该区域的2DEG加强了对漏极电场的调制效果，减小缓冲层漏电，显著提升了GaN HEMT的电气性能。

技术研发人员：古佳茜
受保护的技术使用者：深圳天狼芯半导体有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21