一种氮化镓双向开关器件制造技术

本发明专利技术属于半导体功率器件制备技术领域，特别涉及一种氮化镓双向开关器件。本发明专利技术提供了一种不存在欧姆接触的栅控遂穿双向开关器件，避免了高温欧姆退火工艺带来的一系列负面影响(如电流崩塌，与传统CMOS工艺不兼容)。通过每个肖特基接触附近的绝缘栅结构控制肖特基接触的能带结构来改变器件的工作状态，实现双向开关的双向导通和双向阻断能力。由于本发明专利技术中不存在欧姆接触，不需要利用重金属，该器件可以与传统的CMOS工艺兼容。

Gallium nitride bidirectional switch device

The invention belongs to the technical field of the preparation of semiconductor power devices, in particular to a gallium nitride bidirectional switching device. The present invention provides a gate controlled bidirectional switching device without ohmic contact, which avoids a series of negative effects caused by high temperature ohmic annealing process (such as the current collapse, which is not compatible with the traditional CMOS process). The structure of the Schottky contacts can be changed by controlling the energy band structure of the Schottky contact in the vicinity of the insulated gate structure. Due to the absence of ohmic contact in the present invention, it is not necessary to utilize heavy metals, which can be compatible with conventional CMOS processes.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体功率器件
，特别涉及一种氮化镓双向开关器件。
技术介绍
具有双向传导电流和阻断电压特性的双向开关广泛应用于电机驱动、航空器、交流电源装置、船舶电力推进和电动汽车之中。传统的双向开关是由两个反向串联的绝缘栅双极晶体管(IGBT)和两个功率二极管组成，结构类似于图1(a)，在这样的结构中，电流将流经两个会不同的器件，较长的电流通路将导致较大的导通压降，进而会使双向开关具有较高的功率损耗。为了减小双向开关的导通损耗，提高系统效率，近几年提出了基于逆阻型器件的双向开关，例如基于逆阻型绝缘栅双极晶体管(RB-IGBT)的双向开关，基于逆阻型器件的双向开关结构图类似于图1(b)，在这种新的双向开关中电流只经过一个器件，较短的电流通路使得双向开关具有较小的导通电压和和较低的导通损耗。但是这种结构，每次开关导通时，只能利用一个器件导通，芯片面积利用率低。基于此，有人提出双栅双向开关器件(其结构类似于图1(c))。该双向开关只有一个导电通道，即双向开关的两个方向电流都流经同一个通道，芯片面积利用率高。同时电流只流经一个器件，器件的导通压降低。氮化镓是第三代宽禁带半导体的代表之一，正受到人们的广泛关注，其优越的性能主要表现在：高的临界击穿电场(～3.5×106V/cm)、高电子迁移率(～2000cm2/V·s)、高的二维电子气(2DEG)浓度(～1013cm-2)、高的高温工作能力。GaN材料的禁带宽度高达3.4eV，3倍于Si材料的禁带宽度，2.5倍于GaAs材料，半导体材料的本征载流子浓度随禁带宽度和温度的增加而呈指数增长，因此，在一定的温度范围内，其半导体材料禁带宽度越大，便拥有越小的本征载流子浓度，这可以使器件具有非常低的泄漏电流。另外，氮化镓(GaN)材料化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀，在高频、大功率、抗辐射应用领域具有先天优势。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)(或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管MODFET)在半导体领域已经取得广泛应用。该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，因此可以满足系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积工作的要求。近年来，为实现低功耗高能效的双向开关，研究人员提出了GaN逆导型HEMT器件(RC-MISHEMT)，但是从上面的分析可知，基于逆导型器件的双向开关具有较大的导通压降和导通损耗。为了进一步减小双向导通电压和导通损耗，提高开关转换效率，双向开关器件是非常有必要的。因此，本专利技术提出了一种氮化镓双向开关器件，其结构如图2所示，通过每个肖特基接触附近的绝缘栅结构控制肖特基接触的能带结构来改变器件的工作状态，实现双向开关的双向导通和双向阻断能力。由于本专利技术中只存在肖特基接触，不需要利用金等重元素金属，可以与传统的CMOS工艺兼容。
技术实现思路
本专利技术所要解决的，就是针对高效功率开关器件的主要指标(芯片面积利用率，导通电阻、反向耐压、功耗)，本专利技术提出了一种氮化镓双向开关器件。本专利技术所提出的氮化镓双向开关器件具有芯片面积利用率高、低导通电阻、高反向阻断能力和低功耗等优点，尤其适用于矩阵变换器中。本专利技术的技术方案是：一种氮化镓双向开关器件，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2和MGaN层3，所述GaN层2和MGaN层3形成异质结；所述器件两端分别具有肖特基源极结构和肖特基漏极结构，所述肖特基源极结构和肖特基漏极结构以器件的垂直中线呈对称分布；所述肖特基源极结构为凹槽型肖特基结构，包括通过刻蚀GaN层2形成的深凹槽和覆盖在凹槽内的与GaN层2接触的源极肖特基接触电极9，所述源极肖特基接触电极9的侧面与MGaN层3接触；所述肖特基漏极结构为凹槽型肖特基结构，包括通过刻蚀GaN层2形成的凹槽和覆盖在凹槽内的与GaN层2接触的漏极肖特基接触电极10，所述漏极肖特基接触电极10的侧面与MGaN层3接触；与源极肖特基接触电极9接触的MGaN层3上层具有第一绝缘栅极结构，与漏极肖特基接触电极10与接触的MGaN层3上层具有第二绝缘栅极结构，所述第一绝缘栅极结构和第二绝缘栅极结构以器件的垂直中线呈对称分布，所述第一绝缘栅极结构包括通过刻蚀MGaN层3形成凹槽和覆盖在凹槽内的绝缘栅介质6，以及覆盖在栅介质上的第一金属栅电极7；所述第二绝缘栅极结构包括通过刻蚀MGaN层3上层形成凹槽和覆盖在凹槽内的绝缘栅介质6，以及覆盖在栅介质上的第一金属栅电极7；所述M为除Ga之外的Ⅲ族元素。进一步的，所述漏极肖特基接触电极9和源极肖特基接触电极10嵌入GaN层2上表面的深度为5um。进一步的，所述绝缘栅介质6采用的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO或Sc2O3中的一种。需要说明的是，通过增绝缘栅电极嵌入MGaN层上表面的深度可以增加器件的阻断能力。本专利技术的有益效果为，相对于传统结构，本专利技术的器件具有芯片面积利用率高、低导通电阻、高反向阻断能力和低功耗等优点，尤其适用于矩阵变换器中。由于本专利技术中只存在肖特基接触，不需要利用金等重元素金属，可以与传统的CMOS工艺兼容。附图说明图1为传统双向开关结构示意图，其中，(a)为串联型，(b)为并联型，(c)器件型；图2为本专利技术的器件结构示意图；图3为本专利技术的器件工作原理示意图；图4为本专利技术器件双向导通特性曲线示意图；图5为本专利技术器件双向阻断特性曲线示意图；图6为本专利技术器件制造工艺流程中衬底示意图；图7为本专利技术器件制造工艺流程中在源极接触和漏极接触处过刻势垒层至GaN层的结构示意图；图8为本专利技术器件制造工艺流程中源极肖特基接触和漏极肖特基接触后结构示意图；图9为本专利技术器件制造工艺流程中刻蚀MGaN形成第一凹槽和第二凹槽后结构示意图；图10为本专利技术器件制造工艺流程中淀积绝缘层后结构示意图；图11为本专利技术器件制造工艺流程中淀积第一凹槽和第二凹槽上的金属后结构示意图。具体实施方式下面结合附图，详细描述本专利技术的技术方案：如图2所示，本专利技术的氮化镓双向开关器件，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2和MGaN层3，所述GaN层2和MGaN层3形成异质结；所述器件两端分别具有肖特基源极结构和肖特基漏极结构，所述肖特基源极结构和肖特基漏极结构以器件的垂直中线呈对称分布；所述肖特基源极结构为凹槽型肖特基结构，包括通过刻蚀GaN层2形成的深凹槽和覆盖在凹槽内的与GaN层2接触的源极肖特基接触电极9，所述源极肖特基接触电极9的侧面与MGaN层3接触；所述肖特基漏极结构为凹槽型肖特基结构，包括通过刻蚀GaN层2形成的凹槽和覆盖在凹槽内的与GaN层2接触的漏极肖特基接触电极10，所述漏极肖特基接触电极10的侧面与MGaN层3接触；与源极肖特基接触电极9接触的MGaN层3上层具有第一绝缘栅极结构，与漏极肖特基接触电极10与接触的MGaN层3上层具有第二绝缘栅极结构，所述第一绝缘栅极结构和第二绝缘栅极结构以器件的垂直中线呈对称分布，所述第一绝缘栅极结构包括通过刻蚀MGaN层3形成凹槽和覆盖在凹槽内的绝缘栅介质6，以及覆盖在栅介质上的第一金属栅电极7；所述第二绝缘栅极结构包括通过刻蚀MGaN层3上层形成凹槽和覆盖在凹槽内的绝缘栅介质6，以及覆盖在栅介质上的第一金属栅电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化镓双向开关器件，包括从下至上依次层叠设置的衬底(1)、GaN层(2)和MGaN层(3)，所述GaN层(2)和MGaN层(3)形成异质结；所述器件两端分别具有肖特基源极结构和肖特基漏极结构，所述肖特基源极结构和肖特基漏极结构以器件的垂直中线呈对称分布；所述肖特基源极结构为凹槽型肖特基结构，包括通过刻蚀GaN层(2)形成的深凹槽和覆盖在凹槽内的与GaN层(2)接触的源极肖特基接触电极(9)，所述源极肖特基接触电极(9)的侧面与MGaN层(3)接触；所述肖特基漏极结构为凹槽型肖特基结构，包括通过刻蚀GaN层(2)形成的凹槽和覆盖在凹槽内的与GaN层(2)接触的漏极肖特基接触电极(10)，所述漏极肖特基接触电极(10)的侧面与MGaN层(3)接触；与源极肖特基接触电极(9)接触的MGaN层(3)上层具有第一绝缘栅极结构，与漏极肖特基接触电极(10)与接触的MGaN层(3)上层具有第二绝缘栅极结构，所述第一绝缘栅极结构和第二绝缘栅极结构以器件的垂直中线呈对称分布，所述第一绝缘栅极结构包括通过刻蚀MGaN层(3)形成凹槽和覆盖在凹槽内的绝缘栅介质(6)，以及覆盖在栅介质上的第一金属栅电极(7)；所述第二绝缘栅极结构包括通过刻蚀MGaN层(3)上层形成凹槽和覆盖在凹槽内的绝缘栅介质(6)，以及覆盖在栅介质上的第一金属栅电极(7)；所述M为除Ga之外的Ⅲ族元素。...

【技术特征摘要】
1.一种氮化镓双向开关器件，包括从下至上依次层叠设置的衬底(1)、GaN层(2)和MGaN层(3)，所述GaN层(2)和MGaN层(3)形成异质结；所述器件两端分别具有肖特基源极结构和肖特基漏极结构，所述肖特基源极结构和肖特基漏极结构以器件的垂直中线呈对称分布；所述肖特基源极结构为凹槽型肖特基结构，包括通过刻蚀GaN层(2)形成的深凹槽和覆盖在凹槽内的与GaN层(2)接触的源极肖特基接触电极(9)，所述源极肖特基接触电极(9)的侧面与MGaN层(3)接触；所述肖特基漏极结构为凹槽型肖特基结构，包括通过刻蚀GaN层(2)形成的凹槽和覆盖在凹槽内的与GaN层(2)接触的漏极肖特基接触电极(10)，所述漏极肖特基接触电极(10)的侧面与MGaN层(3)接触；与源极肖特基接触电极(9)接触的MGaN层(3)上层具有第一绝缘栅极结构，与漏极肖特...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈万军，施宜军，刘杰，崔兴涛，胡官昊，刘超，周琦，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51