一种非平面GaNHEMT横向功率器件

本发明属于功率半导体领域，涉及氮化镓(gan)材料，可用于优化gan hemt(highelectron mobility transistor)横向功率器件，具体提供一种非平面gan hemt横向功率器件的结构及制备方法。

背景技术：

1、gan是一种宽禁带半导体材料，击穿强度高、饱和电子迁移率高、热导率高，被视为继硅后最具发展前景的半导体材料之一。基于gan制作的hemt横向功率器件，其baliga优值(定义为“击穿电压的平方”除以“导通电阻与器件面积之积”)相对硅器件而言有了数量级式的提高，反映器件性能的极限得到了数量级式的提升，因此成为高速、可集成功率开关的理想之选。

2、gan hemt横向功率器件之所以优秀，主要是因为其载流子是高密度、高迁移率的二维电子气(2deg)；2deg由器件表面的gan/algan异质结通过极化效应产生，若抛开栅边缘电场集中和其它涉及可靠性的非理想因素，2deg通道的长度将深刻影响器件的击穿电压与导通电阻；现有的gan hemt横向功率器件均为平面结构，如图11所示，这意味着如将其2deg通道增长一倍，那么理论上器件的击穿电压将增大一倍、导通电阻将增大一倍、而器件面积亦将增大一倍，因此总体上器件的baliga优值不变，器件性能的极限并未得到提高。若将gan hemt横向功率器件改为非平面结构，即2deg不是从源极直达漏极、而是曲折到达的，那么在同等器件面积下，2deg通道将增长，即便这依然导致击穿电压与导通电阻同比增加，但由于器件面积保持不变，非平面结构的baliga优值将增大。

3、然而，非平面gan hemt横向功率器件的结构理念与制作方法迄今未见报道，其原因在于相比于非平面的硅器件，非平面的gan hemt横向功率器件难以实现。主要存在以下困难：

4、1)gan材料相比硅材料而言不易刻蚀，gan物理化学性质稳定，难以用湿法刻蚀获得满意的刻蚀速率和较好的可控性，只能采用rie、ecr、icr、ibe等干法刻蚀技术，而目前这些技术一般只用于蚀刻gan hemt器件的隔离区或有源区等；

5、2)刻蚀过程中难免造成gan表面的损伤，导致gan/algan异质结界面处出现各种缺陷微结构，加剧该类器件的可靠性问题；

6、3)gan具有六方纤锌矿的晶体结构，其中唯有垂直于极轴的c面为极性面，能在器件中形成高密度的2deg；因此，即使采用某种技术对gan进行了均匀性和重复性良好的刻蚀，所获得的非平面gan的表面晶面也不可能处处都垂直于极轴，即无法把gan的c面处处暴露于表面，无法令器件中形成连续的高密度2deg通道。

技术实现思路

1、本发明之目的在于提供一种非平面gan hemt横向功率器件，通过结构创新来有效克服上述非平面gan hemt横向功率器件的设计难点与加工难点，使器件baliga优值显著增大、性能极限得到进一步突破，并获得可靠性提升。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种非平面gan hemt横向功率器件，其特征在于，包括：

4、硅衬底，所述硅衬底于硅(100)晶面、硅(001)晶面或硅(010)晶面上沿[110]晶向刻蚀形成有夹角为70.52°的v形槽，所述v形槽的槽壁为硅(111)晶面；

5、沿所述v形槽的槽壁设置的过渡层，过渡层上依次层叠设置的缓冲层、沟道层、势垒层，所述过渡层、缓冲层、沟道层、势垒层均呈夹角为70.52°的v形；

6、设置于势垒层上的钝化层；

7、以及金属源极、金属漏极与栅控制端，所述金属源极、金属漏极与栅控制端均位于v形槽的槽壁，且金属源极和金属漏极分别位于v形槽两侧侧壁、金属源极与栅控制端位于v形槽同侧侧壁。

8、另一种非平面gan hemt横向功率器件，其特征在于，包括：

9、硅衬底，所述硅衬底于硅(100)晶面、硅(001)晶面或硅(010)晶面上沿[110]晶向刻蚀形成有夹角为70.52°的v形槽，所述v形槽的槽壁为硅(111)晶面；

10、沿硅衬底的上表面与所述v形槽的槽壁设置的过渡层，过渡层上依次层叠设置的缓冲层、沟道层、势垒层，所述过渡层、缓冲层、沟道层、势垒层均具有夹角为70.52°的v形结构；

11、设置于势垒层上的钝化层；

12、以及金属源极、金属漏极与栅控制端，所述栅控制端位于v形槽的槽壁，所述金属源极与金属漏极位于衬底上表面、且分别位于v形槽的侧壁两侧。

13、进一步的，上述两种非平面gan hemt横向功率器件中，所述势垒层与钝化层之间还设置有高介电常数(hk)钝化层。

14、进一步的，上述两种非平面gan hemt横向功率器件中，所述沟道层采用gan，所述势垒层采用algan。

15、进一步的，上述两种非平面gan hemt横向功率器件中，所述过渡层采用algan或aln，所述缓冲层采用algan或gan，所述钝化层采用si3n4或sio2。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

17、本发明提供一种非平面gan hemt横向功率器件，通过结构创新来有效克服上述非平面gan hemt横向功率器件的设计难点与加工难点，具体通过成熟的硅刻蚀技术，在硅(100)晶面、硅(001)晶面或硅(010)晶面上、沿[110]方向刻蚀形成v形槽，其侧壁(111)面之间的夹角为70.52°，然后在侧壁(111)面进行缓冲层、沟道层以及势垒层的极性外延生长，形成非平面的器件结构，其2deg通道由源极沿v形曲折到达漏极，那么在同等器件面积下2deg通道将显著增长，使器件baliga优值增大、突破性能极限，并获得可靠性提升。

技术特征：

1.一种非平面gan hemt横向功率器件，其特征在于，包括：

2.一种非平面gan hemt横向功率器件，其特征在于，包括：

3.按权利要求1或2所述非平面gan hemt横向功率器件中，其特征在于，所述势垒层与钝化层之间还设置有hk钝化层。

4.按权利要求1或2所述非平面gan hemt横向功率器件中，其特征在于，所述沟道层采用gan，所述势垒层采用algan。

5.按权利要求1或2所述非平面gan hemt横向功率器件中，其特征在于，所述过渡层采用algan或aln，所述缓冲层采用algan或gan，所述钝化层采用si3n4或sio2。

技术总结
本发明属于功率半导体领域，涉及GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)横向功率器件，具体提供一种非平面GaN HEMT横向功率器件。本发明通过结构创新能够有效克服上述非平面GaN HEMT横向功率器件的设计难点，具体通过成熟的硅刻蚀技术，在硅(100)晶面、硅(001)晶面或硅(010)晶面上、沿[110]方向刻蚀形成V形槽，其侧壁(111)面之间的夹角为70.52°，然后在侧壁(111)面进行GaN的极性外延生长、以及AlGaN势垒层，形成非平面的器件结构，其中的2DEG通道由源极曲折到达漏极，那么在同等器件面积的条件下2DEG通道将显著增长，最终使器件Baliga优值显著增大、性能极限得到突破，并获得进一步的可靠性提升。

技术研发人员：程骏骥,王榷阳,杨洪强
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13