技术领域
[0001] 本申请涉及半导体技术领域，具体涉及一种N面增强型GaN双向功率器件及其制备方法。
相关背景技术
[0002] 半导体行业在摩尔定律下已经迅速发展了几十年，第一代半导体材料硅凭借着其诸多优势一直都是应用最为广泛的半导体材料，硅工艺也是最为成熟的集成工艺。随着各种大功率设备的应用对电力电子器件耐压、频率等性能的要求越来越高，虽然可以通过不断提升制造工艺来使传统的Si、GaAs器件仍然适用，但成本极大，Si、GaAs等材料本身物理特性的限制也已经不能满足某些应用场景的要求。第三代半导体材料氮化镓(GaN)由于具有较强的抗辐射能力、高击穿电场、高电子迁移率、良好的导热性等优点，能够获得大带宽、高增益、高频耐压、尺寸更小的半导体器件，成为了如今大功率电力电子器件领域的研究热点。
[0003] 但现有的GaN器件的设计不合理，导致GaN器件没有较强的抗辐射能力，进而影响GaN器件的性能。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。
[0029] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本申请的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。
[0030] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。本文所使用的术语“连接”、“电性连接”、“电连接”包括任何直接及间接的电气或结构连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接/连接/电性连接于第二装置，则代表该第一装置可直接电性/结构连接该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电性/结构连接该第二装置。
[0031] 本申请提供一种N面增强型GaN双向功率器件及其制备方法，包括由下至上依次层叠设置的衬底、AlN成核层、缓冲层、C掺杂AlGaN层、AlGaN势垒层、GaN沟道层以及钝化层，栅极金属位于栅极区域并与GaN沟道层连接，第一漏极与第二漏极设置于栅极区域的两侧，第一漏极包括第一肖特基接触金属和与第一肖特基接触金属连接的第一欧姆接触金属，第二漏极包括第二肖特基接触金属和与第二肖特基接触金属连接的第二欧姆接触金属；第一肖特基接触金属与AlGaN势垒层连接形成第一肖特基接触，第一欧姆接触金属与GaN沟道层连接形成第一欧姆接触，第二肖特基接触金属与AlGaN势垒层连接形成第二肖特基接触，第二欧姆接触金属与GaN沟道层连接形成第二欧姆接触。
[0032] 在本申请中，通过在栅极金属的两侧分别设置第一漏极和第二漏极，且第一漏极和第二漏极均包括一个肖特基接触和欧姆接触，使得当器件受到辐照时，由辐照产生的空穴通过漂移运动和扩散运动被第一肖特基接触金属或第二肖特基接触金属收集，防止空穴在沟道内积累，从而提高器件的抗辐照能力，同时因避免空穴积累而导致器件的局部电场强度过高，从而避免器件击穿电压下降。
[0033] 请参阅图1，图1是本申请提供的GaN双向功率器件的截面结构示意图。本申请提供一种N面增强型GaN双向功率器件10，包括由下至上依次层叠设置的衬底100、AlN成核层200、缓冲层300、C掺杂AlGaN层400、AlGaN势垒层500、GaN沟道层600以及钝化层700，栅极金属800位于栅极区域并与GaN沟道层600连接，第一漏极900与第二漏极1000设置于栅极区域的两侧，第一漏极900包括第一肖特基接触金属910和与第一肖特基接触金属910连接的第一欧姆接触金属920，第二漏极1000包括第二肖特基接触金属1010和与第二肖特基接触金属1010连接的第二欧姆接触金属1020；其中，第一肖特基接触金属910与AlGaN势垒层500连接形成第一肖特基接触，第一欧姆接触金属920与GaN沟道层600连接形成第一欧姆接触，第二肖特基接触金属1010与AlGaN势垒层500连接形成第二肖特基接触，第二欧姆接触金属
1020与GaN沟道层600连接形成第二欧姆接触。
[0034] 在本申请中，通过在栅极金属800的两侧分别设置第一漏极900和第二漏极1000，且第一漏极900和第二漏极1000均包括一个肖特基接触和欧姆接触，使得当器件受到辐照时，由辐照产生的空穴通过漂移运动和扩散运动被第一肖特基接触金属910或第二肖特基接触金属1010收集，防止空穴在沟道内积累，从而提高器件的抗辐照能力，同时因避免空穴积累而导致器件的局部电场强度过高，从而避免器件击穿电压下降。
[0035] 在本申请中，通过在栅极金属800的两侧分别设置第一漏极900和第二漏极1000，且第一漏极900和第二漏极1000均包括一个肖特基接触和欧姆接触，使得器件可以双向导通，即器件在正常工作时，若在第一漏极900加高压且第二漏极1000加低压，则GaN沟道层600中的电子从右至左移动，电流从第一欧姆接触金属920流向第二欧姆接触金属1020，此时，第一漏极900可以用作漏极，而第二漏极1000可以用作源极；若在第二漏极1000加高压且第一漏极900加低压，则GaN沟道层600中的电子从左至右移动，电流从第二欧姆接触金属
1020流向第一欧姆接触金属920，此时，第二漏极1000可以用作漏极，而第一漏极900可以用作源极，实现了器件的双向导通。
[0036] 在本申请中，将本申请提供的N面增强型GaN双向功率器件10应用于电路中时，如BMS保护(电池保护)电路，仅需1颗N面增强型GaN双向功率器件10即可实现正向导通和反向导通，而无需使用2颗Si MOSFET，且使用本申请的N面增强型GaN双向功率器件10只需一个驱动或控制电路，进而简化了电路设计，同时，减少器件成本。
[0037] 在本申请中，将GaN沟道层600设置于AlGaN势垒层500上方，即本申请的器件的异质结为GaN/AlGaN，也即本申请的器件为N面器件，使得制作第一欧姆接触以及第二欧姆接触时，可以避免刻蚀AlGaN势垒层500，从而可以实现更低的欧姆接触电阻，且因GaN沟道层600设置于AlGaN势垒层500上方，使得GaN沟道层600距离栅极金属800更近，从而可以实现更高的栅极跨导。
[0038] 在一实施例中，第一漏极900与第二漏极1000关于栅极金属800对称设置，即第一漏极900与栅极金属800之间的距离与第二漏极1000与栅极金属800之间的距离相等。在本申请中，通过将第一漏极900与第二漏极1000设置为关于栅极金属800对称设置，以进一步防止空穴在沟道内积累，从而进一步提高器件的抗辐照能力以及避免器件击穿电压下降，同时，进一步提高器件的双向导通性能。
[0039] 在一实施例中，栅极金属800与GaN沟道层600之间设置有AlGaN层1100，AlGaN层1100与栅极金属800形成第三肖特基接触。在本申请中，栅极金属800与GaN沟道层600之间设置有AlGaN层1100，即本申请的器件为增强型器件，使得可以通过AlGaN层1100抵消AlGaN势垒层500对GaN沟道层600的压电极化效应，使得栅压为0V时，栅极金属800下方的GaN沟道层600中没有高浓度的二维电子气(2DEG)，从而保证器件的性能，同时，因AlGaN层1100与栅极金属800连接形成第三肖特接触，进而使得当器件受到辐照时，由辐照产生的空穴通过漂移运动和扩散运动被第一肖特基接触金属910、第二肖特基接触金属1010或第三肖特基接触收集，防止空穴在沟道内积累，从而进一步提高器件的抗辐照能力，同时因避免空穴积累而导致器件的局部电场强度过高，从而提高器件的击穿电压。
[0040] 在一实施例中，第一欧姆接触金属920位于第一肖特基接触金属910靠近栅极金属800的一侧，第二欧姆接触金属1020位于第二肖特基接触金属1010靠近栅极金属800的一侧。在本申请中，通过将第一肖特基接触金属910以及第二肖特接触金属分别设置于位于第一欧姆接触金属920以及第二欧姆接触金属1020的外侧，使得器件可以实现双向导通达到同时，不会影响器件的正常工作。
[0041] 在一实施例中，第一肖特基接触金属910与第一欧姆接触金属920在有源区外短接，以使得电流能够顺畅的从漏极区域流出，并使得器件可以在高密度下仍能稳定工作，提高器件的电流输出能力。
[0042] 在一实施例中，第二肖特基接触金属1010与第二欧姆接触金属1020在有源区外短接，以使得电流能够顺畅的从漏极区域流出，并使得器件可以在高密度下仍能稳定工作，提高器件的电流输出能力。
[0043] 在一实施例中，第一肖特基接触金属910与第二肖特基接触金属1010关于栅极金属800对称设置，第一欧姆接触金属920与第二欧姆接触金属1020关于栅极金属800对称设置，即第一肖特基接触金属910与栅极金属800之间的距离与第二肖特基接触金属1010与栅极金属800之间的距离相等，第一欧姆接触金属920与栅极金属800之间的距离与第二欧姆接触金属1020与栅极金属800之间的距离相等，以进一步防止空穴在沟道内积累，从而进一步提高器件的抗辐照能力以及避免器件击穿电压下降，同时，进一步提高器件的双向导通性能。
[0044] 在一实施例中，钝化层700具有第一通孔、第二通孔、第三通孔以及第四通孔，第一通孔以及第四通孔贯穿钝化层700以及GaN沟道层600以暴露AlGaN势垒层500，第一肖特基接触金属910填充于第一通孔中以与AlGaN势垒层500连接，第二肖特基接触金属1010填充于第四通孔中以与AlGaN势垒层500连接，第二通孔以及第三通孔贯穿钝化层700以暴露GaN沟道层600，第一欧姆接触金属920填充于第二通孔中以与GaN沟道层600连接，第二欧姆接触金属1020填充于第三通孔中以与GaN沟道层600连接，以使得第一肖特基接触金属910以及第二肖特基接触金属1010可以更好的与AlGaN势垒层500连接以及使得第一欧姆接触金属920以及第二欧姆接触金属1020可以更好的与GaN沟道层600连接，从而提高器件的性能。
[0045] 请参阅图2，图2是本申请提供的GaN双向功率器件的制备方法的流程示意图。本申请还提供一种N面增强型GaN双向功率器件10的制备方法，用于制备本申请提供的N面增强型GaN双向功率器件10，包括：
[0046] S11、在衬底上依次沉积AlN成核层、缓冲层、C掺杂AlGaN层、AlGaN势垒层、GaN沟道层以及栅极层。
[0047] S12、对栅极层进行蚀刻，以在栅极区域形成栅极金属。
[0048] S13、在栅极金属以及GaN沟道层形成钝化层。
[0049] 具体的，在栅极金属800以及GaN沟道层600形成钝化材料层，对钝化材料层进行蚀刻处理，以形成钝化层700，其中，钝化层700具有第二通孔、第三通孔以及栅极通孔，第二通孔、第三通孔以及栅极通孔贯穿钝化层700以暴露GaN沟道层600，其中，栅极通孔暴露栅极金属800，第二通孔与第三通孔分别位于栅极通孔的两侧。
[0050] S14、在钝化层上形成栅极区域两侧的第一漏极以及第二漏极，第一漏极包括第一肖特基接触金属和与第一肖特基接触金属连接的第一欧姆接触金属，第二漏极包括第二肖特基接触金属和与第二肖特基接触金属连接的第二欧姆接触金属；
[0051] 其中，第一肖特基接触金属与AlGaN势垒层连接形成第一肖特基接触，第一欧姆接触金属与GaN沟道层连接形成第一欧姆接触，第二肖特基接触金属与AlGaN势垒层连接形成第二肖特基接触，第二欧姆接触金属与GaN沟道层连接形成第二欧姆接触。
[0052] 具体的，在钝化层700以及栅极金属800上沉积欧姆接触金属；然后，对欧姆接触金属进行蚀刻，以形成填充于第二通孔中以与GaN沟道层600连接的第一欧姆接触金属920以及填充于第三通孔中以与GaN沟道层600连接的第二欧姆接触金属1020；然后，对第一欧姆接触金属920以及第二欧姆接触金属1020进行快速退火，以形成欧姆接触；然后，对钝化层700进行蚀刻，以形成第一通孔以及第四通孔，第一通孔以及第四通孔贯穿钝化层700以及GaN沟道层600以暴露AlGaN势垒层500，第一通孔与第四通孔分别位于栅极通孔的两侧；然后，在钝化层700上沉积肖特基接触金属，并进行蚀刻，形成填充于第一通孔中以与AlGaN势垒层500连接的第一肖特基接触金属910，填充于第四通孔中以与AlGaN势垒层500连接的第二肖特基接触金属1010；然后，生长绝缘第一介质层，对第一肖特基接触金属910、第二肖特基接触金属1010、栅极金属800、第一欧姆接触金属920以及第二欧姆接触金属1020处的第一介质层进行刻蚀开孔，在刻蚀开孔处填充连接金属以形成第一金属通孔，沉积第一连接金属并对其进行刻蚀，刻蚀后的第一连接金属将第一肖特基接触金属910与第一欧姆接触金属920实现在有源区外的互连，第一连接金属将第二肖特基接触金属1010与第二欧姆接触金属1020实现在有源区外的互连，第一连接金属将器件其他元胞的栅极金属800实现互连。
[0053] 在一实施例中，在形成GaN沟道层600之后，以及在形成栅极层之前，还包括：
[0054] 在GaN沟道层600上形成位于栅极区域的AlGaN层1100。
[0055] 通过本申请提供的制备方法制备上述器件，简化了器件的制备方法，提高制备器件的效率，同时，通过上述方法制备的器件，因栅极金属800的两侧分别设置有第一漏极900和第二漏极1000，且第一漏极900和第二漏极1000均包括一个肖特基接触和欧姆接触，使得当器件受到辐照时，由辐照产生的空穴通过漂移运动和扩散运动被第一肖特基接触金属910或第二肖特基接触金属1010收集，防止空穴在沟道内积累，从而提高器件的抗辐照能力，同时因避免空穴积累而导致器件的局部电场强度过高，从而避免器件击穿电压下降；此外，因在栅极金属800的两侧分别设置有第一漏极900和第二漏极1000，且第一漏极900和第二漏极1000均包括一个肖特基接触和欧姆接触，使得器件可以双向导通；此外，将本申请提供的N面增强型GaN双向功率器件10应用于电路中时，如BMS保护(电池保护)电路，仅需1颗N面增强型GaN双向功率器件10即可实现正向导通和反向导通，而无需使用2颗Si MOSFET，且使用本申请的N面增强型GaN双向功率器件10只需一个驱动或控制电路，进而简化了电路设计，同时，减少器件成本；此外，将GaN沟道层600设置于AlGaN势垒层500上方，即本申请的器件的异质结为GaN/AlGaN，使得制作第一欧姆接触以及第二欧姆接触时，可以避免刻蚀AlGaN势垒层500，从而可以实现更低的欧姆接触电阻，且因GaN沟道层600设置于AlGaN势垒层500上方，使得GaN沟道层600距离栅极金属800更近，从而可以实现更高的栅极跨导。
[0056] 以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
