一种具有雪崩耐量的GaN器件及制作方法与流程 专利技术说明

电气元件制品的制造及其应用技术一种具有雪崩耐量的gan器件及制作方法技术领域1.本发明涉及gan器件领域，特别涉及一种具有雪崩耐量的gan器件及制作方法。背景技术：2.请参考图1，在传统的si功率mosfet器件中，存在天然的体二极管结构，当mosfet器件关断时，感性负载使漏极电压升高，当漏-源极两端的电压差超过体二极管的击穿电压时，体二极管发生雪崩击穿，电感储存的能量通过mosfet器件的体二极管泄放。由于雪崩击穿是一种在高场下发生的载流子倍增现象，是可恢复的非破坏性击穿，所以只要保证mosfet器件承受的雪崩耐量不要超过极限值就不会产生器件热击穿，p-n结的雪崩击穿就可以反复发生用来泄放高压能量。3.请参考图2，在传统的gan功率器件中，体内并不存在天然的体二极管结构，当感性负载使漏极电压升高时，漏-源极两端的电压差无法通过雪崩击穿泄放高压能量，漏-源极两端的电压差一旦超过gan功率器件本身的电压裕量，gan功率器件就会被击穿，就是永久性的硬击穿，无法恢复。也正是这样的原因，一般对于650v的器件而言，如果是si功率mosfet器件，击穿电压裕量大约在750v左右，而gan功率器件至少需要900v以上的击穿电压裕量。gan功率器件相比si功率mosfet器件，需要提供更高的电压裕量，提升了制造成本。技术实现要素：4.本发明为了克服传统gan功率器件没有天然的体二极管，无法通过雪崩击穿泄放高压能量所存在的缺陷，本发明为解决上述技术问题，提供一种具有雪崩耐量的gan器件及制作方法。5.为实现上述目的，本发明提供一种具有雪崩耐量的gan器件，包括：6.衬底、位于所述衬底表面的gan层、位于所述gan层表面的势垒层，所述gan层和所述势垒层之间具有二维电子气层，位于所述势垒层表面的栅极、源极、漏极和p-gan帽层；位于所述p-gan帽层表面的帽层金属电极；7.所述源极和所述漏极位于所述栅极的两侧，所述栅极和所述p-gan帽层位于所述漏极的两侧，且所述p-gan帽层与所述漏极之间的距离小于等于所述栅极与所述漏极之间的距离；8.所述p-gan帽层、p-gan帽层底部的势垒层和二维电子气层构成p-i-n结；9.所述p-gan帽层表面的帽层金属电极与所述源极通过金属互联层电连接，使得所述帽层金属电极与源极电位相同。10.可选的，所述势垒层为algan势垒层、aln势垒层或inaln势垒层。11.可选的，所述栅极包括栅极p-gan层和位于栅极p-gan层表面的栅极金属电极。12.可选的，所述帽层金属电极与所述p-gan帽层为肖特基接触或欧姆接触。13.可选的，还包括：位于所述栅极、源极、漏极、帽层金属电极表面和所述势垒层表面的介质层，位于所述介质层表面的金属场板，所述金属场板位于所述栅极与所述漏极之间、或位于所述p-gan帽层与所述漏极之间、或同时位于所述栅极与所述漏极之间和所述p-gan帽层与所述漏极之间。14.一种具有雪崩耐量的gan器件的制作方法，包括：15.提供衬底，在所述衬底表面形成gan层，在所述gan层表面形成势垒层，所述gan层和所述势垒层之间形成二维电子气层；16.在所述势垒层表面形成栅极、源极、漏极、p-gan帽层，在所述p-gan帽层表面形成帽层金属电极；其中所述源极和所述漏极位于所述栅极的两侧，且所述栅极和所述p-gan帽层位于所述漏极的两侧，且所述p-gan帽层与所述漏极之间的距离小于等于所述栅极与所述漏极之间的距离，所述p-gan帽层、p-gan帽层底部的势垒层和二维电子气层构成p-i-n结；17.在所述栅极、源极、漏极表面和所述帽层金属电极表面形成金属互联层，且所述帽层金属电极与所述源极通过金属互联层电连接。18.可选的，在所述势垒层表面形成栅极、源极、漏极和p-gan帽层，所述p-gan帽层表面形成帽层金属电极，具体步骤包括：在所述势垒层表面形成所述栅极、在所述势垒层表面形成所述p-gan帽层，在所述p-gan帽层表面形成所述帽层金属电极，在所述势垒层表面形成所述源极和漏极。19.可选的，所述栅极包括栅极p-gan层和形成于栅极p-gan层表面的栅极金属电极，所述栅极p-gan层和所述p-gan帽层采用相同工艺同时形成。20.可选的，所述帽层金属电极与所述栅极金属电极使用相同工艺制备，或使用不同金属材料分别制备。21.可选的，还包括：形成于所述栅极、源极、漏极、帽层金属电极表面和势垒层表面的介质层，形成于所述介质层表面的金属场板，所述金属场板形成于所述栅极与所述漏极之间、或形成于所述p-gan帽层与所述漏极之间、或同时形成于所述栅极与所述漏极之间和所述p-gan帽层与所述漏极之间，所述金属场板通过金属互连层与所述源极、漏极或栅极电连接。22.综上所述，本发明的优点及有益效果为：23.与现有技术相比，本发明通过在所述漏极的外侧形成一个p-gan帽层，从而在gan器件内部集成一个p-i-n结。当器件关断，感性负载使所述漏极电压升高，所述漏-源极上的高压超过所述p-i-n结的击穿电压时，所述p-i-n结就会在主器件被击穿前，优先发生雪崩击穿，继而快速泄放高压能量。所述漏极上的高压能量通过雪崩击穿泄放后，所述漏极电压降低，重新回到正常的关态漏源电压。高压能量在主器件被击穿前就在所述p-i-n结回路泄放完毕，避免了主器件发生不可恢复的硬击穿所导致的主器件损坏。并且由于所述p-i-n结的雪崩击穿是可恢复的且非破坏性的，所以所述p-i-n结对主器件的保护作用是可重复的。所述p-i-n结可优先发生雪崩击穿，也避免了gan器件提供更高的电压裕量，降低了生产成本。附图说明24.图1所示为传统si功率ldmos器件的剖面结构示意图；25.图2所示为传统gan器件的剖面结构示意图；26.图3所示为本发明实施例的一种具有雪崩耐量的gan器件的制作方法的流程示意图；27.图4～图9所示为本发明实施例的一种具有雪崩耐量的gan器件的制作过程的剖面结构示意图；28.图10～图13所示为另一发明实施例的一种具有雪崩耐量的gan器件的结构示意图。具体实施方式29.为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例对本发明作进一步详说明。30.本发明实施例提供一种具有雪崩耐量的gan器件，如图8所示，包括：31.衬底10、位于所述衬底10表面的gan层20、位于所述gan层20表面的势垒层40，所述gan层20和所述势垒层40之间具有二维电子气层30，位于所述势垒层40表面的栅极p-gan层51、源极61、漏极62和所述p-gan帽层52，位于所述栅极p-gan层51表面的栅金属电极63，位于所述p-gan帽层52表面的帽层金属电极64；32.所述源极61和所述漏极62位于所述栅极p-gan层51的两侧，且所述栅极p-gan层51和所述p-gan帽层52位于所述漏极62的两侧，且所述p-gan帽层52与所述漏极62之间的距离小于等于所述所述栅极p-gan层51与所述漏极62之间的距离；33.所述p-gan帽层52、p-gan帽层52底部的势垒层40和二维电子气层30构成p-i-n结，且所述帽层金属电极64与所述源极61通过金属互联层电连接，使得所述p-gan帽层52与所述所述源极61电位相同。34.具体的，在本实施例中，所述衬底10为硅衬底，在其他实施例中，所述衬底为碳化硅衬底、氮化镓衬底或蓝宝石衬底。35.在本实施例中，所述势垒层40为algan势垒层，在其他实施例中，所述势垒层为aln势垒层或inaln势垒层。36.在本发明实施例中，所述栅极包括栅极p-gan层51和位于所述栅极p-gan层51表面的栅极金属电极63。37.在本发明实施例中，所述帽层金属电极64与所述p-gan帽层52为欧姆接触，在其他实施例中，所述帽层金属电极与p-gan帽层为肖特基接触。38.在本发明实施例中，在所述漏极62外侧形成一个由所述p-gan帽层52、p-gan帽层52底部的势垒层40和二维电子气层30构成的p-i-n结。39.所述p-i-n结与主器件没有共用漂移区，当gan器件关断，漏极62上高压能量积累时，所述p-i-n结会先于主器件发生雪崩击穿，所述p-i-n结发生雪崩击穿时不会对主器件造成任何损伤。40.在本发明实施例中，所述源极61和所述漏极62采用同一工艺同时形成，在其他实施例中，所述源极和所述漏极也可以分别形成，形成顺序可调。41.在本发明实施例中，所述p-gan帽层52与所述漏极62距离小于等于所述栅极51与所述漏极62的距离，使p-gan帽层52与所述漏极62之间的耐压小于等于主器件耐压。42.在本发明实施例中，所述源极61和所述帽层金属电极64，通过金属互联层电连接，使得所述帽层金属电极64与所述源极61的电位相同。43.在另一实施例中，还包括：位于所述栅极p-gan层51、源极61、漏极62、帽层金属电极64表面和所述势垒层40表面的介质层60，位于所述介质层60表面且位于所述栅极p-gan层51与所述漏极62之间的第一金属场板81或位于所述漏极62与所述p-gan帽层52之间的第二金属场板82或同时位于所述栅极p-gan层51与所述漏极62之间的第一金属场板81和所述p-gan帽层52与所述漏极62之间的第二金属场板82，形成所述第一、第二金属场板时，所述p-gan帽层52与所述漏极62之间的距离小于所述所述栅极p-gan层51与所述漏极62之间的距离，以实现所述p-gan帽层52与所述漏极62之间的耐压小于主器件耐压，从而使得所述p-i-n结在主器件击穿前发生雪崩击穿，保护主器件。44.在另一实施例中，所述第一金属场板81和第二金属场板82通过金属互联层与所述源极61、栅极金属电极51或者所述漏极62电连接，使所述第一金属场板81和所述第二金属场板82电位等于所述源极61、栅极金属电极63或者所述漏极62。45.所述第一金属场板81和第二金属场板82可以调整耗尽区的电场分布，所述第一金属场板81提升主器件耐压，所述第二金属场板82提升所述p-gan帽层52与所述漏极62之间的耐压。46.本发明实施例还提供一种具有雪崩耐量的gan器件的制造方法，请参考图3，为本发明实施例的一种具有雪崩耐量的gan器件的制造方法的流程图，包括：47.步骤s01，提供衬底10，在所述衬底10表面形成gan层20，在所述gan层20表面形成势垒层40，所述gan层20和所述势垒层40之间具有二维电子气层30；48.步骤s02，在所述势垒层40表面形成栅极p-gan层51、源极61、漏极62和p-gan帽层52，在所述栅极p-gan层51表面形成栅极金属电极63，在所述p-gan帽层52的表面形成帽层金属电极64，其中所述源极61和所述漏极62形成于所述栅极p-gan层51的两侧，且所述栅极p-gan层51和所述p-gan帽层52形成于所述漏极62的两侧，且所述p-gan帽层52与所述漏极62之间的距离小于等于所述栅极p-gan层51与所述漏极62之间的距离，所述gan层20和所述势垒层40之间具有二维电子气层30，所述p-gan帽层52、p-gan帽层52底部的势垒层40和二维电子气层30构成p-i-n结；49.步骤s03，所述帽层金属电极64与所述源极61通过金属互联层电连接。50.具体的，执行步骤s01，请参考图4，提供衬底10，在所述衬底10表面形成gan层20，在所述gan层20表面形成势垒层40。51.在本发明实施例中，所述衬底10为硅衬底，在其他实施例中，所述衬底为碳化硅衬底、氮化镓衬底或蓝宝石衬底。52.在本发明实施例中，所述势垒层40为algan势垒层，在其他实施例中，所述势垒层为aln势垒层或inaln势垒层。53.执行步骤s02，请参考图5，在所述势垒层40表面生长p-gan材料层，刻蚀所述p-gan材料层，使用相同工艺同时形成栅极p-gan层51和p-gan帽层52，所述p-gan材料层的刻蚀的深度以恰好暴露出所述势垒层40为宜，所述gan层20和所述势垒层40之间具有二维电子气层30。54.请参考图6，在所述栅极p-gan层51表面形成栅极金属电极63，所述p-gan帽层52表面形成帽层金属电极64，所述栅极金属电极63和所述帽层金属电极64使用相同工艺制备。55.在本发明实施例中，所述帽层金属电极64与所述p-gan帽层52为欧姆接触，在另一实施例中，请参考图7，所述帽层金属电极64与p-gan帽层52为肖特基接触。56.在其他实施例中，在所述栅极p-gan层表面形成栅极金属电极，所述p-gan帽层表面形成帽层金属电极，所述栅极金属电极和所述帽层金属电极使用不同金属材料分别制备。57.在本发明实施例中，在所述漏极62外侧形成一个由所述p-gan帽层52、p-gan帽层52底部的势垒层40和二维电子气层30构成的p-i-n结。58.所述p-i-n结与主器件没有共用漂移区，当gan器件关断，漏极62上高压能量积累时，所述p-i-n结会先于主器件发生雪崩击穿，所述p-i-n结发生雪崩击穿时不会对主器件造成任何损伤。59.请参考图8，在所述势垒层40表面形成源极61和所述漏极62，所述源极61和所述漏极62使用同种材料同时形成。60.在本发明实施例中，所述p-gan帽层52与所述漏极62距离小于等于所述栅极51与所述漏极62的距离，使p-gan帽层52与所述漏极62之间的耐压小于等于主器件耐压。61.执行步骤s03，请参考图9，通过金属互联层电连接所述源极61和所述帽层金属电极64。62.所述源极61和所述帽层金属电极64通过金属互联层电连接，使得所述帽层金属电极64与所述源极61的电位相同。63.在另一实施例中，请参考图10，还包括：在所述栅极p-gan层51、源极61、漏极62、帽层金属电极64表面和所述势垒层40表面形成介质层60。请参考图11～13，还包括：在所述介质层60表面且于所述栅极p-gan层51与所述漏极62之间淀积金属，形成第一金属场板81；在所述漏极62与所述p-gan帽层52之间淀积金属，形成第二金属场板82或同时于所述栅极p-gan层51与所述漏极62之间淀积金属，形成第一金属场板81和所述p-gan帽层52与所述漏极62之间淀积金属，形成第二金属场板82，形成所述第一、第二金属场板时，所述p-gan帽层52与所述漏极62之间的距离小于所述栅极p-gan层51与所述漏极62之间的距离。64.所述第一金属场板81和第二金属场板82可以调整耗尽区的电场分布，所述第一金属场板81提升主器件耐压，所述第二金属场板82提升所述p-gan帽层52与所述漏极62之间的耐压。65.最后说明，任何依靠本发明装置结构以及所述实施例的技术方案，进行的部分或者全部技术特征的修改或者等同替换，所得到的本质不脱离本发明的相应技术方案，都属于本发明装置结构以及所述实施方案的专利范围。









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