[發(fā)明專利]雙向阻斷的單片異質(zhì)集成Cascode結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管及制作方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010747893.1
• 申請(qǐng)日: 2020-07-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111863806A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張春福;張葦杭;張家祺;楊國(guó)放;武毅暢;陳大正;張進(jìn)成;郝躍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L27/06
• 分類號(hào): H01L27/06;H01L29/47;H01L29/778;H01L29/78;H01L21/336
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華

本發(fā)明公開(kāi)了一種雙向阻斷的單片異質(zhì)集成Cascode結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，主要解決現(xiàn)有單片異質(zhì)集成Cascode結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管無(wú)反向阻斷特性的問(wèn)題。其包括：襯底(1)、GaN緩沖層(2)、AlGaN勢(shì)壘層(3)和SiN隔離層(4)，該SiN隔離層的中間刻有隔離槽(15)；隔離槽一側(cè)的SiN隔離層上印制有Si有源層(5)，以制備Si金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管；隔離槽的另一側(cè)制備GaN高電子遷移率晶體管，且其漏電極(8)與AlGaN勢(shì)壘層采用肖特基接觸，形成雙向阻斷的單片異質(zhì)集成Cascode結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。本發(fā)明具有雙向阻斷特性，應(yīng)用范圍廣，可用作汽車(chē)、航空航天、發(fā)電站的電源轉(zhuǎn)換器或反相器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種Cascode結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可用作汽車(chē)、航空航天、發(fā)電站的電源轉(zhuǎn)換器或反相器。

技術(shù)背景

20世紀(jì)80年代后期，科學(xué)家在碳化硅、藍(lán)寶石襯底上通過(guò)插入氮化鎵緩沖層的方法生長(zhǎng)出高質(zhì)量的GaN及AlGaN后，GaN高電子遷移率晶體管就進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)期。GaN高電子遷移率晶體管器件擁有諸多的優(yōu)勢(shì)：一是具有較高的工作電壓及工作頻率，二是具有較低的導(dǎo)通電阻和較小的輸入輸出電容，三是具有更高的抗輻照性與更高的耐高溫性。由于以上優(yōu)勢(shì)，GaN高電子遷移率晶體管器件經(jīng)常被用于電力電子領(lǐng)域與微波領(lǐng)域，而增強(qiáng)型GaN高電子遷移率晶體管器件相比于耗盡型GaN高電子遷移率晶體管器件還具有降低設(shè)計(jì)成本、拓展應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。比如，在設(shè)計(jì)微波大功率芯片時(shí)，增強(qiáng)型GaN高電子遷移率晶體管器件因?yàn)榫哂姓虻拈撝惦妷海圆恍枰?fù)柵壓的電源設(shè)計(jì)，這會(huì)很大程度上降低芯片的設(shè)計(jì)成本；此外，增強(qiáng)型GaN高電子遷移率晶體管器件只有在正柵壓時(shí)才導(dǎo)通，因此可以將其應(yīng)用在低功耗數(shù)字電路中。由于增強(qiáng)型GaN高電子遷移率晶體管器件具有如此多的優(yōu)勢(shì)，故而人們對(duì)其展開(kāi)了大量研究。為了實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN高電子遷移率晶體管器件，業(yè)界已有多種制造方法，其中比較常用的方法就是采用由低壓增強(qiáng)型的Si金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管和高壓耗盡型的GaN高電子遷移率晶體管器件組成的Cascode結(jié)構(gòu)，如圖1所示。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，可以更加方便的使原本為耗盡型的GaN高電子遷移率晶體管器件在加正向柵壓時(shí)導(dǎo)通工作。

目前，國(guó)際整流公司IR和Transform公司都在致力研發(fā)基于該結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型GaN高電子遷移率晶體管器件。但迄今為止，Cascode結(jié)構(gòu)的GaN高電子遷移率晶體管器件的制作多數(shù)還是基于混合集成，即通過(guò)將硅芯片與氮化鎵芯片封裝鍵合而實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。用這種方法制作的Cascode結(jié)構(gòu)的GaN高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管HEMT在快速開(kāi)關(guān)過(guò)程中，鍵合線引入了較大的寄生電感會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，開(kāi)關(guān)損耗增大。因此，近年來(lái)，人們想盡辦法并成功地將Si與GaN集成在單片上實(shí)現(xiàn)了單片異質(zhì)集成的Cascode結(jié)構(gòu)的GaN HEMT來(lái)消除鍵合線引入的大寄生電感，從而提高了電路系統(tǒng)的工作頻率及穩(wěn)定性、減小開(kāi)關(guān)損耗。

反向阻斷能力是許多電力電子應(yīng)用的基礎(chǔ)，比如矩陣變換器、多電平逆變器和一些諧振變換器。然而，一般的Cascode結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管沒(méi)有反向阻斷能力，這極大限制了其在電力電子領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種雙向阻斷的單片異質(zhì)集成Cascode結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管及制作方法，以使單片異質(zhì)集成的Cascode結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管不僅具有常規(guī)的正向阻斷特性，而且具有反向阻斷特性，擴(kuò)大器件應(yīng)用范圍。