局域电荷调控型抗单粒子烧毁氮化镓器件及其制备方法

本发明属于半导体，具体涉及一种局域电荷调控型抗单粒子烧毁氮化镓器件及其制备方法。

背景技术：

1、p-gan（氮化镓）栅增强型algan（氮化铝镓）/gan高电子迁移率晶体管（hemt）凭借常关特性、高击穿电压和良好的热导率，在航天电源系统中得到广泛应用。但该类器件在空间辐射环境中存在单粒子烧毁（seb）风险：高能重离子入射栅漏漂移区产生电子-空穴对，电子被漏极电场迅速抽走，空穴则因gan中迁移率低（约10-30cm²/vs）且受p-gan/algan/gan p-i-n结反偏阻挡，在栅极漏侧边缘下方堆积，引发局部电场增强、碰撞电离雪崩直至热烧毁。因此，抗seb设计不能只看静态击穿电压，需要同时处理电场分布和瞬态电荷分布。

2、现有的方案可分为三个方向，分别是gan hemt抗单粒子烧毁结构设计、极化诱导空穴传输层在gan器件中的应用、极化诱导2dhg（二维空穴气体）基础研究。

3、在gan hemt抗单粒子烧毁结构设计方向下，包括如下现有方案：

4、（1）源极连接分段栅金属方案，在该方案中提出将p-gan栅极金属分段，部分金属指断开栅极连接并通过场板互连层连接到源极，源极连接的金属直接接触algan势垒层，为辐射产生的累积空穴提供经p-gan/algan/gan路径向源极泄放的通道。实验结果表明seb阈值电压从常规结构的217v提升至558v（线性能量转移约76 mev·cm²/mg）。

5、（2）混合源极深沟槽方案，在该方案中提出在源极区域刻蚀深沟槽，沉积第二源极金属深入半导体层（穿过势垒层进入缓冲层），在侧壁和底部形成金属-半导体肖特基接触，辐射产生的空穴通过该低阻路径被源极直接提取。

6、（3）缓冲层pn结方案，在该方案中提出在p-gan栅hemt缓冲层中引入连接漏极的pn结，阻断辐射产生的载流子垂直输运路径。

7、（4）mosfet（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）分离栅和p阱缓冲层抗seb方案，该方案中提出将传统多晶硅栅改进为分离栅结构，在p阱区下方引入p阱缓冲层，在n+衬底和n-漂移区之间引入n型掺杂缓变区域。p阱缓冲层加快抽取辐射粒子产生的瞬态空穴，抑制寄生晶体管开启。该方案针对si（硅）基mosfet，不适用于gan hemt材料体系。

8、（5）p型多晶硅源极mis（金属-绝缘层-半导体结构）势垒抗seb方案，该方案在功率器件中引入p型多晶硅源极，在器件表面施加mis势垒调整表面电场，将大部分空穴漂移至沟槽源极表面流向p型重掺杂区，避免空穴在栅极堆积诱发栅穿。同样针对si基功率器件。

9、（6）双场板seb加固方案，该方案中提出在增强型gan hemt中使用双场板（栅连接场板+源连接场板）提升seb阈值的方案。双场板通过重新分布栅漏间电场，降低栅边缘峰值电场，从而降低重离子入射后的碰撞电离率。该方案仅通过电场调制减少载流子产生量，未解决已产生空穴的收集和排出问题。

10、在极化诱导空穴传输层在gan器件中的应用方向下，包括如下现有方案：

11、（7）algan极化诱导空穴传输层抗辐照gan逻辑电路，该方案提出一种抗辐照gan逻辑电路结构，包含衬底层、aln成核层、gan缓冲层、algan极化诱导空穴传输层、gan沟道层和势垒层。器件设置hemt侧深槽电极和电阻侧深槽电极并桥接，防止空穴在有源区底部堆积，缓解背栅效应导致的阈值漂移及2deg（二维电子气）阻值波动。该方案是与本发明最接近的现有技术。

12、（8）gan/aln（氮化铝）双异质结2deg和2dhg双通道紫外探测器，该方案利用algan/gan双异质结同时形成2deg和2dhg通道，为光生电子和空穴提供独立输运路径。背栅极通过外加电场与极化场协同调控能带倾斜度。该方案用于紫外探测器，非功率器件抗辐射领域。

13、在极化诱导2dhg基础研究方向下，包括如下现有方案：

14、（9）gan/aln异质结极化诱导2dhg方案中提出在未掺杂gan/aln量子阱中实现极化诱导二维空穴气，面密度达5×10¹³cm-²，空穴迁移率在室温下约26 cm²/vs（受界面散射限制），低温下可达数百cm²/vs。后续在2021年通过引入杂质阻挡层将2dhg电导率进一步提升。

15、（10）p-channel gan/aln hemt 单粒子效应研究方案中进行了对recess gategan/aln p-channel hemt 的单粒子效应tcad仿真研究，结果表明该器件在栅漏接入区对重离子入射最敏感，瞬态漏电流随let线性能量转移而增大。该研究首次将2dhg通道器件与辐射效应关联，但其目的是评估p-channel hemt自身的辐射脆弱性，而非利用2dhg作为辐射加固手段。

16、然而，现有增强型gan hemt的抗单粒子烧毁方案，无法在不改变器件核心结构、不增加工艺复杂度的前提下，实现对栅漏漂移区全域范围内辐射诱导空穴的快速捕获与清除，因而在高压功率应用中仍存在单粒子烧毁风险。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种局域电荷调控型抗单粒子烧毁氮化镓器件及其制备方法。

2、本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供了一种局域电荷调控型抗单粒子烧毁氮化镓器件，所述器件包括：

4、自下而上依次叠加的衬底层、成核层、缓冲层、极化空穴管理层、间隔层、沟道层；

5、所述极化空穴管理层包括多个沿源漏方向分段式排列的局域极化空穴调控单元；每个局域极化空穴调控单元包括埋置岛，以及设置在埋置岛上的极化帽层；

6、位于所述沟道层上表面中间区域的势垒层；

7、位于所述势垒层一侧的源极和位于所述势垒层另一侧的漏极；

8、依次位于所述势垒层之上的栅帽层和栅极；

9、覆盖所述势垒层上表面的钝化层；

10、位于所述钝化层和所述源极之上的源极阶梯场板；所述源极阶梯场板包括两个或两个以上的阶梯边缘；至少存在一个阶梯边缘与至少一个埋置岛的中心位置沿源漏方向对齐；所述源极阶梯场板与所述源极电连接。

11、第二方面，本发明提供了一种局域电荷调控型抗单粒子烧毁氮化镓器件的制备方法，所述制备方法包括：

12、在衬底层上自下而上依次生长成核层和缓冲层；

13、在所述缓冲层上外延生长初始埋置岛层和初始极化帽层；

14、通过光刻和干法刻蚀将所述初始埋置岛层和所述初始极化帽层图形化为沿源漏方向排列的分段岛状结构，向下刻蚀形成多个局域极化空穴调控单元；每个局域极化空穴调控单元包括埋置岛，以及设置在埋置岛上的极化帽层；

15、在所述缓冲层和所述多个局域极化空穴调控单元依次生长间隔层、沟道层和初始势垒层；

16、在所述初始势垒层之上外延生长栅帽层；

17、在所述初始势垒层和所述栅帽层的表面沉积钝化层；

18、从所述钝化层上表面向下刻蚀，在所述栅帽层的上方形成栅极开孔，刻蚀掉所述初始势垒层的两侧得到势垒层，并在所述势垒层的两侧形成源极开孔和漏极开孔；在所述源极开孔内制作源极，在所述漏极开孔内制作漏极，在所述栅极开孔内制作栅极；

19、在所述钝化层和所述源极之上制作源极阶梯场板；所述源极阶梯场板包括两个或两个以上的阶梯边缘；至少存在一个阶梯边缘与至少一个埋置岛的中心位置沿源漏方向对齐；所述源极阶梯场板与所述源极电连接。

20、本发明提供的一种局域电荷调控型抗单粒子烧毁氮化镓器件中极化空穴管理层采用沿源漏方向分段式排列的多个局域极化空穴调控单元，无论重离子入射位置在栅极边缘还是漂移区深处，产生的空穴均可被最近的埋置岛就近捕获，空穴漂移距离显著缩短。且极化空穴管理层设置于缓冲层上表面，与栅帽层、栅极完全解耦，不影响器件的阈值电压、跨导和开关特性。同时，分段式埋置岛的设计使得对二维电子气的耗尽效应可控，避免了连续极化层结构在高压功率器件中严重耗尽二维电子气的问题，导通电阻增幅可控，适配高压功率场景。此外极化空穴管理层的制备无需穿过势垒层的深沟槽刻蚀，避免了由此引入的晶体损伤。

21、源极阶梯场板将原本集中在栅极漏侧边缘的峰值电场分散为多个较低的局部场峰，匀化静态电场，从源头降低了重离子入射后触发强碰撞电离的概率。同时，至少存在一个阶梯边缘与至少一个埋置岛的中心位置沿源漏方向对齐，使得场板调制后的残余高场区恰好与空穴收集节点位置匹配，实现了电场调制与空穴收集的空间协同。

22、因此，本发明在不改变器件核心结构、不增加工艺复杂度的前提下，实现了对栅漏漂移区全域范围内辐射诱导空穴的快速捕获与清除，避免了在高压功率应用中存在的单粒子烧毁风险。

23、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。