阅读说明：本技术 一种集成续流二极管的GaN HEMT器件 (GaN HEMT device integrated with freewheeling diode ) 是由 罗小蓉 廖德尊 张�成 邓思宇 魏杰 贾艳江 孙涛 郗路凡 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明属于功率半导体技术领域,涉及一种集成续流二极管的GaN HMET器件。本发明主要特征在于：器件正向导通时,肖特基二极管处于关断状态,一方面利用肖特基金属与半导体之间的功函数差,耗尽阳极区域的二维电子气,另一方面利用阳极区域部分保留的介质层,降低肖特基二极管关断时的泄漏电流；器件反向续流时,肖特基阳极侧壁与二维电子气(2DEG)直接接触,有利于降低反向传导损耗；绝缘栅极结构允许器件在具有较厚势垒层的情况下,实现增强型HEMT,有利于降低正向导通电阻以及增强器件的栅控能力；集成的肖特基二极管与GaN HEMT在漏极一侧共享漂移区,相较于并联二极管实现续流,有利于减小器件面积和寄生参数以及降低正向传导与反向传导时的导通电阻。(The invention belongs to the technical field of power semiconductors, and relates to a GaN HMET device integrated with a freewheeling diode. The invention is mainly characterized in that: when the device is conducted in the forward direction, the Schottky diode is in a turn-off state, on one hand, the two-dimensional electron gas in the anode region is exhausted by utilizing the work function difference between the Schottky metal and the semiconductor, and on the other hand, the leakage current when the Schottky diode is turned off is reduced by utilizing the dielectric layer reserved in the anode region; when the device reversely flows current, the side wall of the Schottky anode is directly contacted with two-dimensional electron gas (2DEG), which is beneficial to reducing reverse conduction loss; the insulated gate structure allows the device to realize an enhanced HEMT under the condition of a thicker barrier layer, and is beneficial to reducing the forward on-resistance and enhancing the gate control capability of the device; the integrated Schottky diode and the GaN HEMT share the drift region on one side of the drain electrode, and compared with a parallel diode, the integrated Schottky diode and the GaN HEMT realize follow current, and are beneficial to reducing the area and parasitic parameters of a device and reducing the on-resistance during forward conduction and reverse conduction.)

一种集成续流二极管的GaN HEMT器件

技术领域

本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种集成续流二极管的GaN HEMT器件。

背景技术

与第一代半导体材料Si相比，第三代宽禁带半导体材料GaN具有更为优秀的材料物理特性，其禁带宽度、电子迁移率、电子饱和速率、临界击穿电场、热导率和高/低频Baliga优值等物理参数均远高于Si材料。目前，P-GaN栅极功率HEMT已商业化并具有优异的性能。

然而，由于P-GaN栅极功率HEMT没有体二极管，HEMT的反向导通电压取决于阈值电压(V_th)和关态栅极偏置电压(V_GS)。在许多功率开关电路中，例如逆变器和DC-DC转换器，功率晶体管通常与续流二极管反并联，以便在晶体管尚未导通时不会干扰感性负载电流，在这种情况下，电路通过续流二极管实现反向电流传导。然而，部署外部二极管不仅会增加成本，还会引入额外的寄生电感和电容。该问题的另一种解决方案是在HEMT上集成平面肖特基二极管，但这种方法的主要劣势是平面肖特基二极管的反向泄漏电流大，可能比HEMT关断状态时的泄漏电流高几个数量级。

另外，P-GaN栅极器件在实现常关功能和低导通电阻之间存在折中关系。一方面，这是由于P-GaN耗尽沟道中二维电子气(2DEG)所需要更薄的势垒层，这增加了导通电阻。另一方面，通过施加正栅极偏置电压不可能完全恢复P-GaN栅极下方沟道的导电性，导致P-GaN区域的导电性仍然低于沟道其他区域。因此，为了降低导通电阻，需要更短的P-GaN和更厚的势垒层。然而，这使得难以实现器件的常关功能。而三栅极结构通过刻蚀栅极下方区域形成鳍状结构，利用栅极金属与半导体之间的功函数差，耗尽栅极区域的二维电子气，从而实现器件的正阈值电压，同时在漂移区仍然使用厚势垒层，使得在未刻蚀区域保持低的导通电阻。但是，仅仅依赖三栅极结构实现器件的正阈值电压，需要使鳍状结构的宽度达到非常小的程度，这为工艺的实现带来了难度。

发明内容

本发明基于HEMT器件应用的需要，提出一种集成续流二极管的GaN HEMT器件；

本发明的技术方案是：

一种集成续流二极管的GaN HEMT器件，包括沿器件垂直方向自下而上依次层叠设置的衬底层1、GaN缓冲层2、GaN沟道层3、势垒层4以及钝化层5；

器件上方两端分别为第一导电材料6和源端结构；所述第一导电材料6贯穿钝化层5并延伸入势垒层4上层，第一导电材料6的上表面引出漏极且同时作为集成续流二极管的阴极；

将器件源端结构指向第一导电材料6的方向定义为器件横向方向，将同时垂直于器件横向方向和器件垂直方向的方向定义为器件纵向方向，则沿器件纵向方向，源端结构依次包括第一凹槽9、绝缘栅极结构、第二凹槽10、第二导电材料7、第三凹槽11；所述第一凹槽9、第二凹槽10与第三凹槽11的底部贯穿势垒层4后延伸入GaN沟道层3上层，且第一凹槽9、第二凹槽10与第三凹槽11的底部与侧面具有介质层13；所述绝缘栅极结构包括P型GaN层12和第四导电材料14，P型GaN层12底部与势垒层4接触，P型GaN层12的外部表面被第四导电材料14包裹，第四导电材料14和P型GaN层12之间通过介质层13隔离，第四导电材料14还沿第一凹槽9和第二凹槽10侧壁延伸至第一凹槽9和第二凹槽10底部；沿器件横向方向，还具有与P型GaN层12并列设置的第三导电材料8，P型GaN层12和第三导电材料8之间具有间距，且P型GaN层12位于靠近第一导电材料6的一端，P型GaN层12和第三导电材料8的两端边沿均分别与第一凹槽9的边沿和第二凹槽10的边沿齐平；所述第二凹槽10和第三凹槽11之间的势垒层4上方具有第二导电材料7，沿器件横向方向，势垒层4和第二导电材料7之间在靠近钝化层5一侧通过介质层13隔离，另一侧的势垒层4和第二导电材料7接触，第二导电材料7还沿第二凹槽10和第三凹槽11的侧壁延伸至第二凹槽10和第三凹槽11的底部，并且，与势垒层4接触的第二导电材料7与第二凹槽10和第三凹槽11侧壁接触，同时与势垒层4通过介质层13隔离的第二导电材料7与第二凹槽10和第三凹槽11侧壁也通过介质层13隔离，而与势垒层4接触的第二导电材料7则与GaN沟道层3接触；

所述第二导电材料7上表面引出集成续流二极管阳极，所述第三导电材料8贯穿钝化层5并延伸入势垒层4上层，其上表面引出源极；所述第一导电材料6和第三导电材料8与势垒层4形成欧姆接触；所述第二导电材料7与势垒层4和GaN沟道层3形成肖特基接触。

进一步的，所述势垒层4采用的材料为AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合；

本发明的有益效果是，区别于传统GaN HEMT反向导通时，其较高的反向开启电压强烈依赖于阈值电压(V_th)和关态栅极偏置电压(V_GS)，器件通过集成的肖特基二极管实现反向续流；器件正向导通时，肖特基二极管处于关断状态，一方面利用肖特基金属与半导体之间的功函数差，耗尽阳极区域的二维电子气，另一方面利用阳极区域部分保留的介质层，降低肖特基二极管关断时的泄漏电流；器件反向续流时，肖特基阳极侧壁与二维电子气(2DEG)直接接触，有利于降低反向传导损耗；绝缘栅极结构允许器件在具有较厚势垒层的情况下，实现增强型HEMT，有利于降低正向导通电阻以及增强器件的栅控能力；集成的肖特基二极管与GaN HEMT在漏极一侧共享漂移区，相较于并联二极管实现续流的方案，有利于减小器件面积和寄生参数以及降低正向传导与反向传导时的导通电阻；

附图说明

图1是实施例1的三维结构示意图；

图2是实施例1结构的俯视图；

图3是实施例1结构沿AA’的截面剖面图；

图4是实施例1结构沿BB’的截面剖面图；

图5是实施例1结构沿CC’的截面剖面图；

图6是实施例1结构沿DD’的截面剖面图；

图7是实施例2的三维结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

实施例1

如图1所示，本例的HEMT器件，包括沿器件垂直方向自下而上依次层叠设置的衬底层1、GaN缓冲层2、GaN沟道层3、势垒层4以及钝化层5；

器件上方两端分别为第一导电材料6和源端结构；所述第一导电材料6贯穿钝化层5并延伸入势垒层4上层，第一导电材料6的上表面引出漏极且同时作为集成续流二极管的阴极；

将器件源端结构指向第一导电材料6的方向定义为器件横向方向，将同时垂直于器件横向方向和器件垂直方向的方向定义为器件纵向方向，则沿器件纵向方向，源端结构依次包括第一凹槽9、绝缘栅极结构、第二凹槽10、第二导电材料7、第三凹槽11；所述第一凹槽9、第二凹槽10与第三凹槽11的底部贯穿势垒层4后延伸入GaN沟道层3上层，且第一凹槽9、第二凹槽10与第三凹槽11的底部与侧面具有介质层13；所述绝缘栅极结构包括P型GaN层12和第四导电材料14，P型GaN层12底部与势垒层4接触，P型GaN层12的外部表面被第四导电材料14包裹，第四导电材料14和P型GaN层12之间通过介质层13隔离，第四导电材料14还沿第一凹槽9和第二凹槽10侧壁延伸至第一凹槽9和第二凹槽10底部；沿器件横向方向，还具有与P型GaN层12并列设置的第三导电材料8，P型GaN层12和第三导电材料8之间具有间距，且P型GaN层12位于靠近第一导电材料6的一端，P型GaN层12和第三导电材料8的两端边沿均分别与第一凹槽9的边沿和第二凹槽10的边沿齐平；所述第二凹槽10和第三凹槽11之间的势垒层4上方具有第二导电材料7，沿器件横向方向，势垒层4和第二导电材料7之间在靠近钝化层5一侧通过介质层13隔离，另一侧的势垒层4和第二导电材料7接触，第二导电材料7还沿第二凹槽10和第三凹槽11的侧壁延伸至第二凹槽10和第三凹槽11的底部，并且，与势垒层4接触的第二导电材料7与第二凹槽10和第三凹槽11侧壁接触；

所述第二导电材料7上表面引出集成续流二极管阳极，所述第三导电材料8贯穿钝化层5并延伸入势垒层4上层，其上表面引出源极；所述第一导电材料6和第三导电材料8与势垒层4形成欧姆接触；所述第二导电材料7与势垒层4和GaN沟道层3形成肖特基接触。

本例的工作机理：当栅极、源极、肖特基阳极电压为0V，漏极加一定正电压时，栅极下方区域二维电子气被P-GaN以及栅极金属与半导体之间的功函数差耗尽，HEMT与肖特基二极管处于关断状态；当栅极、漏极电压为0V，肖特基阳极加一定正电压时，肖特基二极管处于导通状态；

本发明提供的一种集成续流二极管的GaN HMET，具有低损耗的反向传导能力和低泄漏电流；本发明具有阈值电压高、导通电阻小以及开关速度快等优点。

实施例2

本例与实施例1的区别是，本例中第四导电材料14沿器件横向方向，向第一导电材料6一侧延伸且覆盖于钝化层5，形成栅极场板15，且栅极场板15与第一导电材料6具有间距；相比于实施例1，本例的优点是栅极场板15进一步优化了器件在耐压时的电场分布，有利于提升器件的击穿电压。