一种新型GaN极化超结器件

一种新型gan极化超结器件
技术领域
1.本发明属于半导体器件领域，具体提供一种新型gan极化超结器件。


背景技术：

2.在半导体技术行业中，针对功率电子器件，尤其是高压器件，为了提高表面击穿电压、同时降低开启时的比导通电阻，需要通过结构创新降低器件内部的电场，从而降低器件的电离积分。如文献“x.chen,semiconductor power devices with alternating conductivity type high-voltage breakdown regions,u.s.patent 5 216 275,jun.1,1993.”中提出了superjunction概念，即为常规的超结结构(conventional superjunction,c-sj)，其结构如图1中(a)所示；该结构可以使得器件内部的电场分布更加平缓，提高器件的击穿电压，使器件拥有更高的漂移区掺杂浓度，从而降低器件的导通电阻。在c-sj的基础上，文献“x.zhou,j.howell-clark,z.guo,c.hitchcock,and t.chow,appl.phys.lett.115,112104(2019)”中提出一种基于极化电荷原理提出的超结结构(polarized superjunction,p-sj)，c-sj是通过掺杂的形式实现p柱与n柱，而在gan器件的p-sj中，通过面电荷的调控来实现二维电子气和二维空穴气；进一步的，文献“huang,h.,cheng,j.,yi,b.,zhang,w.,&ng,w.t.a unified model for vertical doped and polarized superjunction gan devices.applied physics letters,116(10),102103.(2020).”中提出面电荷与产生电场关系密切，通过调控面电荷，从而得到与c-sj相似的结构在击穿电压不变的条件下，使得器件内部最高电场降低，结构如图1中(b)所示。然而，在传统极化超结结构中，由于尺寸、工艺等因素造成的边缘电荷不平衡，仍然使得器件击穿电压不能达到理想数值。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对传统极化超结结构中存在的问题，提供一种新型gan极化超结器件；本发明提出针对正极化、负极化电荷漂移区的垂直(纵向)变电荷密度技术，对gan极化超结结构进行改进，改善其表面电荷分布，从而使得其构成的器件电场分布更接近于理想的水平电场。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方法为：
5.一种新型gan极化超结器件，包括：gan极化超结结构；其特征在于，所述gan极化超结结构呈中心对称结构，由gan柱及其两侧的电荷漂移区构成；所述电荷漂移区沿纵向划分为n
max
个子区，n
max
≥2；
6.第n个子区的电荷密度qn满足：
7.其中，vb为gan极化超结器件的击穿电压，ε为gan的电介质常数，q为元电荷，w为gan极化超结结构的深度。
8.进一步的，第n个子区的深度wn满足：
9.当n
max
＝2时，
10.当n
max
》2时，其中，n(n)表示序列n中第n项元素，
11.进一步的，所述电荷漂移区采用单一类型的材料，每个子区根据其电荷密度qn匹配材料组分。
12.进一步的，所述电荷漂移区采用多种(两种及以上)类型的材料，每个子区根据其电荷密度qn匹配材料类型及其组分。
13.更进一步的，所述电荷漂移区采用材料为algan、ingan、ingaas、algaas、sic、sin、gao、金刚石等。
14.从工作原理上讲：
15.本发明提出一种新型gan极化超结结构，由gan柱及其两侧的正极化、负极化电荷漂移区构成，针对正极化、负极化电荷漂移区的垂直(纵向)变电荷密度技术，对gan极化超结结构进行改进；在传统超结以及极化超结中，由于结构和工艺问题会出现电荷不平衡问题，在a点容易发生击穿(如图1所示)，本发明通过垂直(纵向)变电荷密度技术，有效降低原本电荷平衡被破坏区域的电荷密度，使得该部分区域的电场减弱，在原本电场远低于临界击穿电场的区域增加电荷密度，使得整体器件在仍然处于电荷平衡的基础上改善其导通特性和击穿特性。
16.在垂直(纵向)变电荷密度的电荷漂移区设计过程中，首先，确定器件的使用范围(击穿电压)为vb、器件深度w以及工艺难度(子区数量)n
max
，即先验预设器件参数；然后，根据上述各个子区的深度wn完成子区划分；最后，基于各个子区的电荷密度qn(c/cm2)，根据电荷密度(q)与极化强度(p)的关系：q＝p/q，计算得到各个子区的极化强度pn，进而由极化强度pn匹配各个子区的材料类型和/或组分，形成基于单一材料类型的垂直(纵向)变组分结构、基于多种材料类型的垂直(纵向)变材料结构、基于多种材料类型的垂直(纵向)变组分/材料结构等新型结构。需要说明的是：各个材料类型的极化强度、单一材料类型下的各个组分对应极化强度的计算过程为本领域公知常识，本发明中不再赘述。
17.综上所述，本发明的有益效果在于：
18.本发明提出一种新型gan极化超结结构，由gan柱及其两侧的正极化、负极化电荷漂移区构成，针对正极化、负极化电荷漂移区的垂直(纵向)变电荷密度技术，对gan极化超结结构进行改进，有效改善其表面电荷分布，从而使得其构成的器件电场分布更接近于理想的水平电场。同时，本发明提供的新型gan极化超结结构的制造工艺简单，有效解决器件结构设计中造成的电荷不平衡的问题，能够在同等平均电荷密度情况下具有较高的击穿电压。
附图说明
19.图1为现有技术中基本超结结构与传统极化超结结构的示意图。
20.图2为本发明实施例1中基于algan的纵向变组分二分区极化超结结构的示意图。
21.图3为本发明实施例2中基于algan的纵向变组分多分区极化超结结构的示意图。
22.图4为本发明实施例3中基于algan与ingan的纵向变材料二分区极化超结结构的示意图。
23.图5为本发明实施例4中基于algan、ingan、ingaas、algaas、sic、sin、gao、金刚石等的纵向变材料多分区极化超结结构的示意图。
24.图6为本发明实施例5中基于algan、ingan、ingaas、algaas、sic、sin、gao、金刚石等的纵向变组分/变材料多分区极化超结结构的示意图。
25.图7为本发明实施例2中采用tcad medici对三分区极化超结结构的电场仿真结果图。
26.图8为本发明实施例2中采用tcad medici对四分区极化超结结构的电场仿真结果图。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
28.实施例1
29.本实施例提供一种新型gan极化超结器件，其中，gan极化超结结构采用基于algan的纵向变组分二分区极化超结结构，如图2所示；基于algan的纵向变组分二分区极化超结结构呈中心对称结构，由gan柱及其左侧的正极化电荷漂移区、右侧的负极化电荷漂移区构成，正极化电荷漂移区沿纵向(从上向下)划分为子区x1与x2，对应的负极化电荷漂移区沿纵向(从上向下)划分为子区x2与x1；子区x1对应采用子区x2对应采用
30.上述基于algan的纵向变组分二分区极化超结结构由以下步骤制备：
31.1)准备高浓度n型掺杂的衬底，采用cvd在衬底上进行第一次外延生长，得到预设厚度的外延层；再采用cvd在外延层上进行第二次外延生长，得到预设厚度的外延层；
32.3)在表面注入光刻胶，并图形化得到gan生长区；再采用cvd在gan生长区进行外延生长，得到gan柱；
33.4)采用cvd在gan柱右侧依次外延生长外延层与外延层，即得到基于algan的纵向变组分二分区极化超结器件。
34.另外，在如图2中(a)所示的基本结构基础上，本实施例中基于algan的纵向变组分二分区极化超结结构同样适用于斜向结构，如图2中(b)所示。
35.实施例2
36.本实施例提供一种新型gan极化超结器件，其中，gan极化超结结构采用基于algan
的纵向变组分多分区极化超结结构，如图3中所示；其与实施例1的唯一区别在于：正极化电荷漂移区与负极化电荷漂移区划分为多个子区(n
max
》2)；并且，在如图3中(a)所示的基本结构基础上，本实施例中基于algan的纵向变组分多分区极化超结结构同样适用于斜向结构，如图3中(b)所示。
37.下面以基于algan的纵向变组分三分区(n
max
＝3)极化超结结构为例，对本实施例进行详细说明：
38.对于al
x
ga
1-x
n/gan体系，极化强度p的计算式为：
39.p
x
＝-0.0525
×
x+0.0282
×
x
×
(1-x)-0.09
×
x-0.034
×
(1-x)+0.019
×
x
×
(1-x)
40.根据电荷密度qn要求，得到子区x1、x2、x3的界面电荷密度依次为q1＝0.8e14c/cm2、q2＝1.4e14c/cm2、q3＝2e14c/cm2；
41.根据根据电荷密度(q)与极化强度(p)的关系，计算得到子区x1、x2、x3的组分依次为：al
0.18
ga
0.82
n(x1＝0.18)、al
0.3
ga
0.7
n(x2＝0.3)、al
0.4
ga
0.6
n(x3＝0.4)；
42.再根据深度wn要求，计算得到子区x1、x2、x3的深度依次为4μm、34μm、4μm，超结结构的深度为42μm。
43.同时，本实施例还采用传统超结结构：al
0.3
ga
0.7
n/gan作为对比例，采用medici对本实施例与对比例进行仿真测试，传统超结结构的深度也为42微米，本实施例与对比例的深宽比均设定为10；在两种超结的平均电荷密度相同的情况下，施加同样大小的电压1200v，仿真得到aa’沿线的电场分布，其结果对比图如图7所示，由图可见，在相同电压和结构参数的情况下，器件内部的电荷平衡得到明显改善，a端原本的电场得到明显的降低，而原来的a’端电场升高，在整体的电压不变的情况下，内部电场分布更加平衡，电场的最大值相比未采用本技术方案之前有了明显降低。
44.另外，本实施例进行了基于algan的纵向变组分四分区(n
max
＝4)极化超结结构与对比例的仿真测试，其结果对比图如图8所示，同样，可以看到和传统极化超结相比，a点的电场强度具有明显的降低，从而使得当前结构参数下器件能够具有更高的击穿电压。
45.实施例3
46.本实施例提供一种新型gan极化超结器件，其中，gan极化超结结构采用基于algan与ingan的纵向变材料二分区极化超结结构，如图4所示，(a)为基本结构，(b)为斜向结构；其中，正极化电荷漂移区沿纵向(从上向下)划分为子区y1与y2，对应的负极化电荷漂移区沿纵向(从上向下)划分为子区y2与y1；子区y1对应采用algan，子区y2对应采用ingan。
47.实施例4
48.本实施例提供一种新型gan极化超结器件，其中，gan极化超结结构采用基于algan、ingan、ingaas、algaas、sic、sin、gao、金刚石等的纵向变材料多分区极化超结结构，如图5所示，(a)为基本结构，(b)为斜向结构；其中，各子区根据电荷密度要求在algan、ingan、ingaas、algaas、sic、sin、gao、金刚石中匹配选择。
49.实施例5
50.本实施例提供一种新型gan极化超结器件，其中，gan极化超结结构采用基于algan、ingan、ingaas、algaas、sic、sin、gao、金刚石等的纵向变组分/变材料多分区极化超结结构，如图6所示，(a)为基本结构，(b)为斜向结构；其中，各子区根据电荷密度要求在algan、ingan、ingaas、algaas、sic、sin、gao、金刚石等进行材料选择并匹配组分。
51.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

技术特征：
1.一种新型gan极化超结器件，包括：gan极化超结结构；其特征在于，所述gan极化超结结构呈中心对称结构，由gan柱及其两侧的电荷漂移区构成；所述电荷漂移区沿纵向划分为n
max
个子区，n
max
≥2；第n个子区的电荷密度q
n
满足：其中，v
b
为gan极化超结器件的击穿电压，ε为gan的电介质常数，q为元电荷，w为gan极化超结结构的深度。2.按权利要求1所述新型gan极化超结器件，其特征在于，第n个子区的深度w
n
满足：当n
max
＝2时，当n
max
>2时，其中，n(n)表示序列n中第n项元素，3.按权利要求1所述新型gan极化超结器件，其特征在于，所述电荷漂移区采用单一类型的材料，每个子区根据其电荷密度q
n
匹配材料组分。4.按权利要求1所述新型gan极化超结器件，其特征在于，所述电荷漂移区采用多种类型的材料，每个子区根据其电荷密度q
n
匹配材料类型及其组分。5.按权利要求3或4所述新型gan极化超结器件，其特征在于，所述电荷漂移区采用材料为algan、ingan、ingaas、algaas、sic、sin、gao、金刚石中的一种或多种。

技术总结
本发明属于半导体器件领域，具体提供一种新型GaN极化超结器件，用以解决传统极化超结结构因尺寸及工艺等因素造成的边缘电荷不平衡、进而使得器件击穿电压不能达到理想数值问题。本发明中GaN极化超结结构呈中心对称结构，由GAN柱及其两侧的电荷漂移区构成，电荷漂移区沿纵向划分为n


技术研发人员：黄海猛 李汶骏
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/25