光驱动SiC/GaN基半导体器件及其制作工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种光驱动SiC/GaN基半导体器件，它取消了传统BJT结构中的基极电极，利用紫外线穿过透明电极和薄发射区进入基区引入光激发产生电子和空穴对，为BJT的基极提供基极电流；同时采用圆角四棱台器件结构，提高了器件的耐压值。本发明专利技术还公开了制作上述光驱动SiC/GaN基半导体器件的工艺。本发明专利技术在兼具传统BJT优点的同时，提高了器件的光注入电流增益、击穿电压、EMI抗扰度、开关切换速度和稳定性，降低了驱动损耗和响应时间，降低了制造成本。本发明专利技术适用于从小功率到大功率的半导体功率器件领域。

【技术实现步骤摘要】
光驱动SiC/GaN基半导体器件及其制作工艺
本专利技术属于半导体器件
，具体地说是一种光驱动SiC/GaN基半导体器件及其制作工艺。
技术介绍
在电子电力应用系统中，功率半导体器件的应用非常广泛。小至日常生活中使用的闹钟、手机、数码相机以及计算机，大到飞机、轮船、航天器等电器化大型功率变换设备，功率半导体器件作为进行电能变换、功率控制和处理，以及实现能量管理调节的核心器件，均占据着举足轻重的地位。长期以来，以Si材料为基础的功率半导体器件在电子功率系统中占据着主导地位，但是由于材料本身的限制，使得以硅材料为基础的半导体功率器件的性能在许多方面已经接近其理论极限，尤其是在高压、大电流和高温场合的应用遇到了很大的瓶颈。以SiC和GaN材料为代表的新型宽禁带半导体材料则具有Si材料不具备的优势，加之近十年来SiC衬底以及器件制造工艺（外延生长技术、欧姆接触技术以及反应离子刻蚀技术）的不断发展，使得SiC器件得到了国际上越来越多的关注。在各种SiC功率开关器件中，BJT，即双极性晶体管，是一种非常有前景的器件，传统的SiCBJT的结构如图1。一方面SiCBJT不像SiBJT会受二次击穿等问题的限制，另一方面，SiCBJT也解决了JFET器件栅极驱动的问题和MOSFET氧化层界面稳定性和沟道迁移率的问题。除此之外，SiCBJT更加易于封装，生产工艺也相对简单，然而，传统SiCBJT由于采用的是电驱动，这就需要持续的基极驱动电流，进而会产生驱动损耗（VBE为驱动电压），由于SiCBJT的β值较低，所以往往会产生较大的驱动损耗。此外，SiCBJT还存在电流增益低、导通电阻性能退化的问题，由于采用电驱动的方式，所以也无可避免的会遇到EMI抗扰度低、开关切换速度慢、响应时间长等问题。为了解决这些问题，有文献（ZhaoF,IslamMM.OpticallyActivatedSiCPowerTransistorsforPulsed-PowerApplication[J].IEEEElectronDeviceLetters,2010,31(10):1146-1148.）提出了一种新型的光学驱动SiC功率开关器件，成功地将电学驱动替换为光学驱动，其结构如图2所示，相比于传统的SiCBJT，其取消了传统结构的基极金属电极，而将其发射极中间部分刻蚀形成凹槽，暴露出基区，UV光照射进入凹槽，透过SiO2层进入基区，通过光能吸收，在集电结的空间电荷区会产生电子-空穴对，当晶体管被偏置在有效状态，光生空穴会飘向并被锁定在基区，空穴的积累会提高基区电位，从而促使大量来自发射区的电子到达集电区，这是该器件内部电流增益的主要机制。然而由于UV光的透射面不在一个平面，这就大大降低了光能吸收的有效面积和光生电流密度，抬高了光触发的需求功率，另外由于器件内部的电流增益机制得益于光生空穴向基区的扩散运动，这就使得器件的β值很低，严重影响了该用于脉冲光源的光驱动功率器件的性能；另一方面，由于光刻的条件苛刻，很容易使得器件的凹槽达不到预期深度，甚至损坏器件，这就大大提高了器件的制造成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种光驱动SiC/GaN基半导体器件，以提高光能吸收的有效面积和光生电流密度，降低光触发的需求功率，且减小器件的制造成本；本专利技术的另外一个目的是提供所述光驱动SiC/GaN基半导体器件的制作工艺。本专利技术为实现上述目的，所采用的技术方案如下：一种光驱动SiC/GaN基半导体器件，它包括自上而下依次设置的发射极结构、P型基区、带有n-型集电区的集电极结构、n+型衬底结构，所述发射极结构包括自上而下依次设置的梳状的金属多层电极、透明电极和n+型发射区；所述梳状的金属多层电极位于透明电极的表面并与该表面直接接触，透明电极与n+型发射区形成欧姆接触；所述P型基区不含基极电极；所述n+型衬底结构包括自上而下设置的n+型衬底和金属电极。作为限定：所述发射极结构、P型基区和n-型集电区三者构成的整体，上部为四棱台结构，且该四棱台结构的相邻的两侧面之间呈圆角过渡。作为第二种限定：所述梳状的金属多层电极由多个子单元形成的梳状结构并联而成，每个所述子单元由Ti和Au多层金属层组成。作为第三种限定：所述集电极结构于其n-型集电区的竖向中心处形成台阶；集电极结构的位于台阶之上的部分，其水平方向的尺寸自上而下渐宽，至台阶处突然增大。作为进一步限定：所述光驱动SiC/GaN基半导体器件还包括PN结钝化保护层结构；所述PN结钝化保护层结构位于台阶与位于台阶之上的四棱台结构的侧面间所围成的区域内，组成PN结钝化保护层结构的保护介质覆盖透明电极、n+型发射区、p型基区，并覆盖n-型集电区的一部分。作为第四种限定：所述透明电极为铟锡氧化物（ITO）透明导电薄膜，厚度为20～200nm。作为第五种限定：所述p型基区位于n-型集电区之上，并与之直接接触，厚度为0.5～2μm；当以SiC材料为衬底时，所述p型基区的掺杂元素为铝、硼中的一种；当以GaN材料为衬底时，所述p型基区的掺杂元素为镁。作为第六种限定：所述n+型发射区位于p型基区之上，并与之直接接触，厚度为50～150nm；当以SiC材料为衬底时，所述n+型发射区的掺杂元素为氮；当以GaN材料为衬底时，所述n+型发射区的掺杂元素为硅。作为第七种限定：所述n-型集电区的厚度为20～70μm，台阶高度为5～50μm；当以SiC材料为衬底时，所述n-型集电区和n+型衬底的掺杂元素为氮；当以GaN材料为衬底时，所述n-型集电区和n+型衬底的掺杂元素为硅。作为第八种限定：选用Ni、Au两种金属双层镀膜形成所述金属电极，其中Ni层紧挨n+型衬底并与之形成欧姆接触，Au层镀在Ni层表面用于连接基座。上述光驱动SiC/GaN基半导体器件的一种制作工艺，它包括依次进行的以下步骤：（一）在n型SiC/GaN衬底上依次完成n-型集电区、p型基区的外延生长，用离子注入工艺形成n+型发射区，形成外延片；（二）在外延片上表面沉积透明电极，然后经过退火处理与之形成欧姆接触；（三）采用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺，对发射极结构、P型基区和n-型集电区刻蚀，形成四棱台结构和台阶，，其中所述四棱台结构的相邻的两侧面之间呈圆角过渡；（四）采用GPP芯片工艺对台阶与位于台阶之上的四棱台结构的侧面间所围成的区域进行钝化处理，形成PN结钝化保护层结构；（五）在外延片正面顶部做出梳状的金属多层电极；（六）对外延片背面进行金属化。作为限定：所述步骤（二）中，透明电极为采用超高真空直流磁控溅射系统在外延片上沉积的一层厚20～200nm的铟锡氧化物（ITO）透明导电薄膜。作为第二种限定，所述步骤（五）包括依次进行的以下步骤：（五1）外延片正面顶部电镀一层Ti/Au多层金属层，并刻蚀成梳状的金属多层电极；（五2）用Au线连接所述梳状的金属多层电极，并引出至封装支架的引出端。本专利技术由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：（1）本专利技术的在传统的双极性晶体管器件结构的基础上，取消了基区电极，在发射极的金属电极和发射区之间设置了透明电极，改电驱动为光驱动，因此不再需要持续的基极驱动电流，也就不会产生电驱动损耗；（2）本专利技术在n+型发射区表面制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光驱动SiC/GaN基半导体器件，它包括自上而下依次设置的发射极结构、P型基区（7）、带有n‑型集电区（4）的集电极结构、n+型衬底结构，其特征在于：所述发射极结构包括自上而下依次设置的梳状的金属多层电极（1）、透明电极（2）和n+型发射区（8）；所述梳状的金属多层电极（1）位于透明电极（2）的表面并与该表面直接接触，透明电极（2）与n+型发射区（8）形成欧姆接触；所述P型基区（7）不含基极电极；所述n+型衬底结构包括自上而下设置的n+型衬底（5）和金属电极（6）。

【技术特征摘要】
1.一种光驱动SiC/GaN基半导体器件，它包括自上而下依次设置的发射极结构、P型基区（7）、带有n-型集电区（4）的集电极结构、n+型衬底结构，其特征在于：所述发射极结构包括自上而下依次设置的梳状的金属多层电极（1）、透明电极（2）和n+型发射区（8）；所述梳状的金属多层电极（1）位于透明电极（2）的表面并与该表面直接接触，透明电极（2）与n+型发射区（8）形成欧姆接触；所述P型基区（7）不含基极电极；所述n+型衬底结构包括自上而下设置的n+型衬底（5）和金属电极（6）。2.根据权利要求1所述的光驱动SiC/GaN基半导体器件，其特征在于：所述发射极结构、P型基区（7）和n-型集电区（4）三者构成的整体，上部为四棱台结构，且该四棱台结构的相邻的两侧面之间呈圆角过渡。3.根据权利要求1或2所述的光驱动SiC/GaN基半导体器件，其特征在于：所述梳状的金属多层电极（1）由多个子单元形成的梳状结构并联而成，每个所述子单元由Ti和Au多层金属层组成。4.根据权利要求1或2所述的光驱动SiC/GaN基半导体器件，其特征在于：所述集电极结构于其n-型集电区（4）的竖向中心处形成台阶；集电极结构的位于台阶之上的部分，其水平方向的尺寸自上而下渐宽，至台阶处突然增大。5.根据权利要求4所述的光驱动SiC/GaN基半导体器件，其特征在于：所述光驱动SiC/GaN基半导体器件还包括PN结钝化保护层结构（3）；所述PN结钝化保护层结构（3）位于台阶与位于台阶之上的四棱台结构的侧面间所围成的区域内，组成PN结钝化保护层结构（3）的保护介质覆盖透明电极（2）、n+型发射区（8）、p型基区（7），并覆盖n-型集电区（4）的一部分。6.根据权利要求1、2、5中任意一项所述的光驱动SiC/GaN基半导体器件，其特征在于：所述透明电极（2）为铟锡氧化物（ITO）透明导电薄膜，厚度为20～200nm。7.根据权利要求1、2、5中任意一项所述的光驱动SiC/GaN基半导体器件，其特征在于：所述p型基区（7）位于n-型集电区（4）之上，并与之直接接触，厚度为0.5～2μm；当以SiC材料为衬底时，所述p型基区（7）的掺杂元素为铝、硼中的一种；当以GaN材料为衬底时，所述p型基区（7）的掺杂元素为镁。8.根据权利要求1、2、5中任意一项所述的光驱动SiC/GaN基半导体...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐开凯，钱津超，赵建明，于奇，刘继芝，夏建新，周伟，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51