一种宽工作栅压的氮化镓功率器件

本发明属于功率半导体器件领域，具体而言是一种宽工作栅压的氮化镓功率器件。

背景技术：

1、氮化镓(gan)作为宽禁带半导体的典型代表之一，具有宽禁带、高击穿电场、高电子迁移率、高热导率等特性，其具有更小的导通电阻、更快的响应速度，被广泛应用在高频、高温的功率电路中。

2、以algan/gan异质结为例，由于结构内部自发极化与压电极化的作用，无需掺杂即可在gan上表层产生具有高迁移率和高电子饱和速率的二维电子气(2deg)，在常规情况下表现为耗尽型器件。在器件使用中考虑安全与能源问题，增强型器件的研究更为迫切，其中p-gan技术广受关注。

3、传统的具备p-gan帽层的肖特基栅结构氮化镓器件由于外延结构和生长工艺的限制一直存在栅压摆幅范围小的问题，si基mosfet栅极电压摆幅可到20v，而具备p-gan帽层的肖特基栅结构氮化镓器件栅极摆幅不超过8v，极大地提高了电路设计和封装要求的复杂度；同时，传统的具备p-gan帽层的肖特基栅结构氮化镓器件等效存在一对背靠背二极管，由于电荷存储效应，导致器件在重复开关的情况下无法及时将p型氮化镓帽层中的电子释放，导致器件阈值不稳定；而具备p-gan帽层的欧姆栅结构氮化镓器件虽然阈值相对更加稳定，但由于其栅漏电更大，栅压摆幅更小，无法在高栅压条件下稳定工作。以上的栅极摆幅小及阈值不稳定问题会引发器件在系统应用中的一系列可靠性问题并严重影响了具备p-gan帽层的肖特基栅结构氮化镓器件的实际应用发展。

4、此外，传统的gan/algan异质结中，同样由于结构内部自发极化与压电极化的作用，无需掺杂即可在gan下表面产生二维空穴气(2dhg)，但由于其迁移率较低，无法在大功率电路中作为主要功率器件得到应用。

技术实现思路

1、技术问题：针对上述传统增强型氮化镓功率器件存在的栅极摆幅小、阈值不稳定等问题，本发明提供了一种宽工作栅压的氮化镓功率器件，可以有效提高器件栅极电压摆幅，同时增强器件阈值稳定性。

2、技术方案：一种宽工作栅压的氮化镓功率器件，所述的器件包括：基底，所述基底包括衬底，在衬底上依次设有成核层、缓冲层、沟道层和势垒层及钝化层，隔离层，在势垒层上设有限压管区、功率管区及泄放管区；

3、所述限压管区包括连接于势垒层上表面的第一源极金属、第一p型氮化镓帽层及第一漏极金属，所述第一p型氮化镓帽层上表面设有第一栅极金属；

4、所述功率管区包括连接于势垒层上表面的第二源极金属、第二p型氮化镓帽层及第二漏极金属，所述第二p型氮化镓帽层上表面设有第二栅极金属；

5、所述泄放管区包括连接于势垒层上表面的第三源极金属、第三p型氮化镓帽层及第三漏极金属，所述第三p型氮化镓帽层上表面设有pfet栅介质层，所述pfet栅介质层上表面设有第三栅极金属。

6、优选的，所述泄放管区具有耗尽型氮化镓pfet器件特性：当第三栅极金属电压小于正的阈值电压时，器件导通；第三栅极金属电压大于正的阈值电压时，器件关断。

7、优选的，所述第三p型氮化镓帽层的厚度为50nm至300nm。

8、优选的，所述第三p型氮化镓帽层呈凹槽形状。

9、优选的，所述第三p型氮化镓帽层的凹槽深度最大值为270nm。

10、优选的，所述pfet栅介质层的厚度为1nm至50nm。

11、优选的，所述pfet栅介质层为氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化硅的一种或者多种组合。

12、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

13、(1)提高栅极电压摆幅。本发明利用了氮化镓hemt的饱和特性，当限压管区的第一栅极金属电压大于其正的阈值电压时，输入栅压增加的部分施加到限压管区的漏源之间，使功率管区的第二栅极金属电压稳定在其工作电压范围内，从而大幅提高了整体器件的栅极电压摆幅。

14、(2)增强阈值稳定性。本发明利用了耗尽型氮化镓pfet的开关特性，当泄放管区的第三栅极金属电压小于其正的阈值时，建立针对功率管区的第二p型氮化镓帽层中存储电荷的泄放通道，有效消除了电荷存储效应，从而显著增强了器件的阈值稳定性。

15、(3)集成度高，寄生少。本发明中n沟道氮化镓器件和p沟道氮化镓器件之间引入隔离层，并且器件之间由金属线直接相连，使得器件集成度更高，减少了寄生引起的不良影响。

技术特征：

1.一种宽工作栅压的氮化镓功率器件，其特征在于，所述的器件包括：基底(10)，所述基底(10)包括衬底(11)，在衬底(11)上依次设有成核层(12)、缓冲层(13)、沟道层(14)和势垒层(15)及钝化层(60)，隔离层(50)，在势垒层(15)上设有限压管区(20)、功率管区(30)及泄放管区(40)；

2.根据权利要求1所述的一种宽工作栅压的氮化镓功率器件，其特征在于：所述泄放管区(40)具有耗尽型氮化镓pfet器件特性：当第三栅极金属(44)电压小于正的阈值电压时，器件导通；第三栅极金属(44)电压大于正的阈值电压时，器件关断。

3.根据权利要求1或2所述的一种宽工作栅压的氮化镓功率器件，其特征在于：所述第三p型氮化镓帽层(42)的厚度为50nm至300nm。

4.根据权利要求1或2所述的一种宽工作栅压的氮化镓功率器件，其特征在于：所述第三p型氮化镓帽层(42)呈凹槽形状。

5.根据权利要求1或2所述的一种宽工作栅压的氮化镓功率器件，其特征在于：所述第三p型氮化镓帽层(42)的凹槽深度最大值为270nm。

6.根据权利要求1所述的一种宽工作栅压的氮化镓功率器件，其特征在于：所述pfet栅介质层(43)的厚度为1nm至50nm。

7.根据权利要求1或6所述的一种宽工作栅压的氮化镓功率器件，其特征在于：所述pfet栅介质层(43)为氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化硅的一种或者多种组合。

8.根据权利要求1所述的一种宽工作栅压的氮化镓功率器件，其特征在于：所述第一源极金属(21)、第三栅极金属(44)通过第一互连金属(v1)连接并连接输入栅压，第一漏极金属(24)、第二栅极金属(33)与第三漏极金属(41)通过第二互连金属(v2)连接，第二源极金属(31)与第三源极金属(45)的电位接地。

9.根据权利要求1所述的一种宽工作栅压的氮化镓功率器件，其特征在于，所述限压管区(20)也可为连接于势垒层(15)上表面的第一源极金属(21)、耗尽型氮化镓栅介质层(25)及第一漏极金属(24)，所述耗尽型氮化镓栅介质层(25)上表面设有第一栅极金属(23)。

技术总结本发明公开了一种宽工作栅压的氮化镓功率器件，其结构包括基底，基底自下而上依次设有衬底、成核层、缓冲层、沟道层、势垒层及钝化层，隔离层，势垒层上设有限压管区、功率管区和泄放管区。限压管区的第一漏极金属和泄放管区的第三栅极金属通过第一互连金属连接并连接输入栅压，限压管区的第一源极金属和功率管区的第二栅极金属及泄放管区的第三漏极金属通过第二互连金属连接。本发明一方面通过氮化镓HEMT的饱和特性钳制功率管区的第二栅极金属电位，提高整体器件的栅极电压摆幅，另一方面，通过耗尽型氮化镓PFET的开关特性建立功率管区的第二P型氮化镓帽层电荷泄放路径，增强整体器件的栅极稳定性。技术研发人员：刘斯扬,陈子彧,李胜,马岩锋,孙伟锋,时龙兴受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14