[發(fā)明專利]一種氮化鎵異質(zhì)結(jié)雙向開關(guān)器件

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711118998.5
• 申請(qǐng)日: 2017-11-14
• 公開（公告）號(hào): CN107910369A
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳萬軍;施宜軍;崔興濤;李茂林;劉杰;劉超;周琦;張波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué);電子科技大學(xué)廣東電子信息工程研究院
• 主分類號(hào): H01L29/739
• 分類號(hào): H01L29/739;H01L29/47;H01L21/331
• 代理公司: 成都點(diǎn)睛專利代理事務(wù)所(普通合伙)51232
• 代理人: 孫一峰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種氮化鎵雙向開關(guān)器件。

背景技術(shù)

具有雙向傳導(dǎo)電流和阻斷電壓特性的雙向開關(guān)廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、航空器、交流電源裝置、船舶電力推進(jìn)和電動(dòng)汽車之中。傳統(tǒng)的雙向開關(guān)是由兩個(gè)反向串聯(lián)的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和兩個(gè)功率二極管組成，結(jié)構(gòu)類似于圖1(a)，在這樣的結(jié)構(gòu)中，電流將流經(jīng)兩個(gè)會(huì)不同的器件，較長的電流通路將導(dǎo)致較大的導(dǎo)通壓降，進(jìn)而會(huì)使雙向開關(guān)具有較高的功率損耗。為了減小雙向開關(guān)的導(dǎo)通損耗，提高系統(tǒng)效率，近幾年提出了基于逆阻型器件的雙向開關(guān)，例如基于逆阻型絕緣柵雙極晶體管(RB-IGBT)的雙向開關(guān)，基于逆阻型器件的雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)圖類似于圖1(b)，在這種新的雙向開關(guān)中電流只經(jīng)過一個(gè)器件，較短的電流通路使得雙向開關(guān)具有較小的導(dǎo)通電壓和和較低的導(dǎo)通損耗。但是這種結(jié)構(gòu)，每次開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，只能利用一個(gè)器件導(dǎo)通，芯片面積利用率低?；诖耍腥颂岢鲭p柵雙向開關(guān)器件(其結(jié)構(gòu)類似于圖1(c))。該雙向開關(guān)只有一個(gè)導(dǎo)電通道，即雙向開關(guān)的兩個(gè)方向電流都流經(jīng)同一個(gè)通道，芯片面積利用率高。同時(shí)電流只流經(jīng)一個(gè)器件，器件的導(dǎo)通壓降低。近年來，為實(shí)現(xiàn)低功耗高能效的雙向開關(guān)，研究人員提出了雙柵雙向開關(guān)器件(其結(jié)構(gòu)類似于圖1(c))。該雙向開關(guān)只有一個(gè)導(dǎo)電通道，即雙向開關(guān)的兩個(gè)方向電流都流經(jīng)同一個(gè)通道，芯片面積利用率高。同時(shí)電流只流經(jīng)一個(gè)器件，器件的導(dǎo)通壓降低。

氮化鎵是第三代寬禁帶半導(dǎo)體的代表之一，正受到人們的廣泛關(guān)注，其優(yōu)越的性能主要表現(xiàn)在：高的臨界擊穿電場(chǎng)(～3.5×10⁶V/cm)、高電子遷移率(～2000cm²/V·s)、高的二維電子氣(2DEG)濃度(～10¹³cm^-2)、高的高溫工作能力。GaN材料的禁帶寬度高達(dá)3.4eV，3 倍于Si材料的禁帶寬度，2.5倍于GaAs材料，半導(dǎo)體材料的本征載流子濃度隨禁帶寬度和溫度的增加而呈指數(shù)增長，因此，在一定的溫度范圍內(nèi)，其半導(dǎo)體材料禁帶寬度越大，便擁有越小的本征載流子濃度，這可以使器件具有非常低的泄漏電流。另外，氮化鎵(GaN)材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐高溫、抗腐蝕，在高頻、大功率、抗輻射應(yīng)用領(lǐng)域具有先天優(yōu)勢(shì)?；?AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率晶體管(HEMT)(或異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管HFET，調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管MODFET)在半導(dǎo)體領(lǐng)域已經(jīng)取得廣泛應(yīng)用。該類器件具有反向阻斷電壓高、正向?qū)娮璧汀⒐ぷ黝l率高等特性，因此可以滿足系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體器件更大功率、更高頻率、更小體積工作的要求。

近年來，為實(shí)現(xiàn)低功耗高能效的雙向開關(guān)，研究人員提出了氮化鎵異質(zhì)結(jié)雙柵雙向開關(guān)器件(其結(jié)構(gòu)類似于圖1(c))。該雙向開關(guān)只有一個(gè)導(dǎo)電通道，即雙向開關(guān)的兩個(gè)方向電流都流經(jīng)同一個(gè)通道，芯片面積利用率高。同時(shí)電流只流經(jīng)一個(gè)器件，器件的導(dǎo)通壓降低。但是常規(guī)的氮化鎵雙向開關(guān)器件都存在歐姆接觸，需要金等重金屬以及在高溫條件下制備，使得該器件與傳統(tǒng)的硅工藝不兼容。并且在高溫歐姆退火過程中，器件表面將會(huì)被氧化，這會(huì)導(dǎo)致表面態(tài)的產(chǎn)生。這些表面陷阱會(huì)俘獲電子，使得器件在動(dòng)態(tài)開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生較大動(dòng)態(tài)電阻。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的，就是針對(duì)高效功率開關(guān)器件的主要指標(biāo)(芯片面積利用率，導(dǎo)通電阻、反向耐壓、功耗)提出了一種氮化鎵雙向開關(guān)器件。為解決上述的問題以及進(jìn)一步減小導(dǎo)通損耗提高芯片面積利用率，本發(fā)明提出了一種無歐姆氮化鎵雙柵雙向開關(guān)器件，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。本發(fā)明所采用的勢(shì)壘層為III族元素In、Al、N形成的三元化合物，InAlN/GaN 異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生的極化強(qiáng)度大于AlGaN/GaN，具有更高濃度的二維電子氣，故低功函數(shù)金屬與 InAlN/GaN之間無需通過高溫退火即可直接形成類似歐姆接觸的接觸。本發(fā)明的源極和漏極都是肖特基接觸結(jié)構(gòu)而非傳統(tǒng)的歐姆接觸結(jié)構(gòu)，同時(shí)肖特基源極和肖特基漏極采用的都是功函數(shù)低于5eV的金屬或合金，以提升器件的電流輸運(yùn)能力。同時(shí)本發(fā)明通過兩個(gè)絕緣柵結(jié)構(gòu)來改變器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)器件的雙向?qū)ê碗p向阻斷能力。由于本發(fā)明中不存在歐姆接觸，不需要利用金等重元素金屬，可以與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容。同時(shí)，本發(fā)明不需要高溫退火工藝，器件可以在較低的溫度下制備，可以避免器件表面被氧化等問題。