一种增强型氮化镓功率器件及其制备方法

本发明属于半导体，具体涉及一种增强型氮化镓功率器件及其制备方法。

背景技术：

1、氮化镓（gan）基功率器件由于具有高临界击穿电场、高电子迁移率以及优异的高频特性，已被广泛应用于电力电子、通信电源及新能源汽车等领域。但随着应用场景对系统效率、功率密度及散热性能的要求不断提高，进一步降低gan功率器件的导通电阻已成为本领域亟待解决的关键问题之一。

2、现有gan功率器件通常基于algan/gan异质结形成二维电子气（2deg）作为主要载流通道，通过提高极化强度或增大沟道电子浓度以降低导通电阻。然而，该类方案在实际应用中仍面临多方面限制。一方面，单一二维电子气沟道的载流能力有限，在高电流工作条件下容易受到速度饱和、热效应及可靠性问题的制约；另一方面，为实现增强型工作模式，现有技术普遍引入p型gan栅结构、凹栅结构或复合栅结构对二维电子气进行耗尽控制，但上述结构往往会引入额外的栅控阻抗、寄生电容或工艺复杂度，导致在保证增强型特性的同时增加导通电阻损耗。为此，部分研究尝试通过多异质结叠层或多沟道结构引入额外的二维电子气以实现并联导通，但该类方案通常受限于沟道之间的相互干扰、关断态寄生导通以及器件控制复杂性，仍难以兼顾低导通电阻与稳定增强型工作的要求。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了基于表面二次外延的多沟道gan功率器件结构。在完成源极、漏极及栅极等三端结构后，于器件表面依次外延形成多层异质结构，从而在器件垂直方向上构建多条并联载流沟道。同时，本发明在器件最上层设置独立的顶部控制电极，对由gan/aln异质结形成的二维空穴气进行单独调控，使其在关断状态下处于耗尽或抑制状态，在导通条件下受控参与载流。通过上述结构设计，本发明在保持增强型工作特性的前提下，实现了多沟道并联导通，有效降低了器件的等效导通电阻，并避免了现有多沟道gan器件中普遍存在的寄生导通和控制耦合问题，具有更优的低损耗性能和应用适应性。

2、本发明所要解决的，就是针对现有gan功率器件中单一载流沟道导通能力受限、在实现增强型工作模式条件下导通电阻难以进一步降低，以及多沟道结构易引入寄生导通和控制耦合等问题，提出一种增强型氮化镓功率器件及其制备方法。该结构在保证器件增强型工作特性的前提下，实现对多条载流沟道的有效调控，从而显著降低器件的等效导通电阻，提升器件在高效率、低损耗功率电子应用中的综合性能。

3、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、一种增强型氮化镓功率器件，包括衬底层，位于衬底层上的缓冲层，位于缓冲层上的沟道层，位于沟道层上的异质结势垒层，位于异质结势垒层上的p型帽层；

5、所述沟道层与异质结势垒层在极化作用下形成第一条二维电子气沟道；

6、所述增强型氮化镓功率器件为四端口结构，还包括源极、漏极、主栅极以及顶部控制电极，其中所述主栅极设置于所述p型帽层上，源极与漏极在异质结势垒层上表面分离设置，并与第一条二维电子气沟道形成欧姆接触；

7、所述增强型氮化镓功率器件还包括二次外延结构，在异质结势垒层和主栅极上外延生长，自下而上依次包括表面势垒层、第二势垒层、表面沟道层以及空穴诱导层；位于主栅极上表面区域的表面势垒层被部分去除；

8、所述顶部控制电极设置于所述空穴诱导层表面，并与所述主栅极电隔离且独立引出；其中，所述第二势垒层与其上方表面沟道层在极化作用下形成第二条二维电子气沟道，所述表面沟道层与其上方空穴诱导层在极化作用下形成二维空穴气。

9、所述增强型氮化镓功率器件在垂直方向上形成第一条二维电子气沟道、第二条二维电子气沟道以及二维空穴气三条并联载流沟道。

10、在器件关断状态下，主栅极对第一条二维电子气沟道实施耗尽控制，第二条二维电子气沟道处于耗尽状态，二维空穴气在顶部控制电极的作用下被抑制，从而使器件整体呈现增强型关断特性；

11、在器件导通状态下，主栅极施加正向偏置，第一条二维电子气沟道首先形成导通通道；随着偏置电压或工作电流的增加，第二条二维电子气沟道逐步参与载流，同时通过顶部控制电极调节二维空穴气的参与程度，使三条载流沟道并联工作，从而有效降低器件的等效导通电阻。

12、进一步地，所述二次外延结构中的表面势垒层为iii族氮化物势垒材料层，其材料优选为algan，且在部分实施例中也可为gan或等效势垒材料，所述表面势垒层的厚度范围为约5nm至10nm。

13、进一步地，所述二次外延结构中的第二势垒层与所述表面势垒层的材料相同或相近，所述第二势垒层为iii族氮化物势垒材料层，其材料优选为algan，且在部分实施例中也可为gan或等效材料，所述第二势垒层的厚度范围为约10nm至15nm。

14、进一步地，所述二次外延结构中的表面沟道层为gan层，用于作为载流子输运沟道，其厚度范围为约100nm至400nm。

15、进一步地，所述二次外延结构中的空穴诱导层为具有强极化特性的iii族氮化物层，其材料可选自aln、algan或gan，优选为aln，所述空穴诱导层的厚度范围为约100nm至400nm。

16、进一步地，所述顶部控制电极为金属电极，其材料可为ni/au或ti/au等金属叠层结构，所述金属叠层的总厚度范围为约50nm至500nm。

17、进一步地，所述顶部控制电极通过金属/半导体结构或金属/介质/半导体结构与所述空穴诱导层形成电场耦合关系。

18、本发明还提供一种增强型氮化镓功率器件的制备方法，具体包括以下步骤：

19、首先是原始外延结构的制备；在衬底层上外延生长缓冲层，在所述缓冲层上外延生长沟道层，在所述沟道层上外延生长异质结势垒层，并在所述异质结势垒层上外延生长p型帽层；

20、然后对器件进行台面及电极结构的制备；首先对器件表面进行光刻并图形化台面区域，通过刻蚀工艺刻蚀形成台面结构，以实现器件有源区与隔离区的定义；随后在主栅极对应的栅极区域内，对设置于异质结势垒层之上的p型帽层进行选择性刻蚀，将栅极区域以外的p型材料去除并暴露下方异质结势垒层；对异质结势垒层表面进行源极与漏极区域的定义，并形成欧姆接触结构；在p型帽层上表面制备主栅极；

21、最后于器件表面进行表面二次外延；首先在器件表面外延生长表面势垒层；随后在主栅极上表面，对表面势垒层进行选择性刻蚀，使主栅极上表面的表面势垒层被去除或减薄；然后整个器件表面继续外延生长第二势垒层，使其覆盖于表面势垒层及其刻蚀区域之上；在所述第二势垒层上外延生长表面沟道层，并在表面沟道层上进一步外延生长空穴诱导层，在空穴诱导层表面制备顶部控制电极。

22、本发明的有益效果为：

23、多沟道并联导通，显著降低导通电阻：本发明通过在完成原始三端gan器件结构后引入二次外延叠层，在器件垂直方向上依次构建第一条二维电子气沟道、第二条二维电子气沟道以及二维空穴气沟道，使多条载流沟道在导通状态下并联参与电流传输。相较于仅依赖单一二维电子气沟道的现有器件结构，本发明从器件结构层面有效提高了载流截面积，显著降低了器件的等效导通电阻，从而减少了导通损耗。

24、保持增强型关断特性，避免寄生导通：本发明通过主栅极对第一条二维电子气沟道进行耗尽控制，并结合表面二次外延结构及顶部控制电极对第二条二维电子气沟道和二维空穴气进行电势约束，使器件在零栅偏置条件下各载流沟道均处于耗尽或弱导通状态，从而保证器件整体呈现增强型工作模式，有效避免了多沟道结构中常见的关断态寄生导通问题。

25、二维空穴气独立调控，提高器件工作灵活性：本发明在器件最上层设置独立引出的顶部控制电极，对二维空穴气进行单独电场调控，使二维空穴气在关断状态下被抑制，在器件导通或大电流工作条件下受控参与并联载流。该独立控制方式避免了二维空穴气与二维电子气之间的控制耦合，提高了器件的调控自由度和工作稳定性。

26、兼顾低损耗与高可靠性，适于大电流应用：在大电流工作条件下，二维空穴气作为并联载流通道参与导通，有助于分担二维电子气沟道中的电流密度，缓解单一沟道中的电流拥挤和局部发热问题，从而提升器件在高功率、高电流应用中的可靠性和长期稳定性。