Ⅲ族氮化物HEMT模块及其制法制造技术

本申请公开了一种Ⅲ族氮化物HEMT模块，其包括：Ⅲ族氮化物HEMT器件，包括源、漏、栅极以及异质结构等，该栅极包括保护型栅极和耗尽型栅极；以及，与所述HEMT器件电连接的驱动模块和过温、过流保护模块等。藉由本申请的前述器件设计，可以通过耗尽型栅极实现HEMT器件的导通、关断，并通过保护型栅极作为安全开关对HEMT器件进行保护，同时通过过温、过流保护模块等实现HEMT器件中温度、电流的监控，以及，通过集成的驱动模块还可实现对HEMT器件的控制并提供失效保护，且减小寄生电容等的影响，克服现有耗尽型HEMT器件在实际使用中的缺陷。本申请还公开了制作所述Ⅲ族氮化物HEMT模块的方法。

Group III nitride HEMT module and method of making the same

The invention discloses a III nitride HEMT module, which comprises: III nitride HEMT device includes source, drain and gate and the heterogeneous structure, including the protection of the gate type gate and gate depletion; and, with the HEMT device is electrically connected with the drive module and over temperature, over-current protection module etc.. The design of the device by the application, can achieve through the depletion gate HEMT device turn-on and turn off, and through the protection gate as a safety switch for the protection of the HEMT device, at the same time by over temperature, over-current protection module, current temperature monitoring in HEMT devices, and, through the drive modules can also be used to control the HEMT device failure and provide protection, and reduce the influence of parasitic capacitance, overcome the defect of the existing depleted HEMT device in practical use. The present application also discloses a method for producing the group III nitride HEMT module.

【技术实现步骤摘要】
Ⅲ族氮化物HEMT模块及其制法
本申请涉及一种Ⅲ族氮化物HEMT模块，特别涉及一种集成驱动器和安全开关的保护型栅极结构Ⅲ族氮化物HEMT器件模块及其制法。属于电子器件功率模块

技术介绍
HEMT器件是充分利用半导体的异质结结构形成的二维电子气而制成的。与Ⅲ-Ⅵ族(如AlGaAs/GaAsHEMT)相比，Ⅲ族氮化物半导体由于压电极化和自发极化效应，在异质结构(Heterostructure)，如：AlGaN/GaN，能够形成高浓度的二维电子气。所以在使用Ⅲ族氮化物制成的HEMT器件中，势垒层一般不需要进行掺杂。同时，Ⅲ族氮化物还具有大的禁带宽度、较高的饱和电子漂移速度、高的临界击穿电场和极强的抗辐射能力等特点，能够满下一代电力电子系统对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更高温度的工作的要求。现有的Ⅲ族氮化物半导体HEMT器件，特别是耗尽型HEMT器件作为高频器件或者高压大功率开关器件使用时，存在系统安全性问题，且设计电路复杂。而通过薄势垒层、凹栅结构、P型盖帽层和F处理等技术实现的增强型HEMT器件也存在自身不足，难以实现性能优异稳定的增强型器件。近年来，为解决耗尽型器件的安全性问题以及可靠稳定的增强型器件实现困难的问题，一些Ⅲ族氮化物半导体HEMT生产厂家或研究单位开发出了耗尽型器件驱动电路与Ⅲ族氮化物半导体HEMT集成模块，用以对耗尽型器件提供负的驱动电压并进行保护，但是此类集成模块中需集成SiMOSFET等进行掉电保护，但这又会对整体芯片面积，导通电阻等性能造成严重影响,而且还需增加引线，因而还会增大寄生电容电感,此外，受SiMOSFET工作速度的限制，整体器件工作速度也会降低。
技术实现思路
本申请的主要目的在于提供一种Ⅲ族氮化物HEMT模块及其制法，以克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本申请采用的技术方案包括：本申请实施例提供了一种Ⅲ族氮化物HEMT模块，包括驱动模块和Ⅲ族氮化物HEMT器件，所述HEMT器件包括源极、漏极、栅极以及异质结构，所述异质结构包括第一半导体和第二半导体，所述第二半导体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，所述源极与漏极通过形成于所述异质结构中的二维电子气电连接，所述第一半导体设置于源极和漏极之间，所述栅极包括保护型栅极和耗尽型栅极，所述保护型栅极设于第二半导体上，并位于源、漏极之间靠近源极一侧，且对应于所述保护型栅极的栅下沟道为增强型模式，所述耗尽型栅极设置于保护型栅极与漏极之间靠近保护型栅极一侧，且对应于所述耗尽型栅极的栅下沟道为耗尽型模式，所述耗尽型栅极与第二半导体之间分布有绝缘介质层，在所述HEMT器件工作时，所述保护型栅极、耗尽型栅极分别由所述驱动模块提供的第一控制信号、第二控制信号控制，所述第一控制信号包括用以控制所述保护型栅极的开关信号，所述第二控制信号包括用以控制所述耗尽型栅极的输入信号。进一步的，在所述HEMT器件处于正常工作状态时，所述保护型栅极保持高电位，而由所述耗尽型栅极控制所述HEMT的导通与关断。进一步的，所述源极、漏极分别与电源的低电位、高电位连接。在一些较佳实施方案中，所述Ⅲ族氮化物HEMT模块还包括过温保护模块和/或过流保护模块。在一些较佳实施方案中，所述驱动模块与Ⅲ族氮化物HEMT器件集成设置。进一步的，所述Ⅲ族氮化物HEMT模块具有整体集成封装结构。本申请实施例还提供了一种制作所述Ⅲ族氮化物HEMT模块的方法，包括：(1)在衬底上生长形成外延层，所述外延层包括异质结构，所述异质结构包括第一半导体和第二半导体，所述第二半导体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，且在所述异质结构中形成有二维电子气；(2)至少采用薄势垒层技术、凹栅技术、P型盖帽层技术、氟的等离子处理技术以及F离子注入技术中的任一种方式对所述外延层中与保护型栅极对应的区域进行处理，以耗尽对应于保护型栅极的栅下二维电子气；(3)在经步骤(2)处理后的外延层表面设置绝缘介质层；(4)制作与所述异质结构配合的源极和漏极，并使所述第一半导体设置于源极和漏极之间，以及使所述源极与漏极通过形成于所述异质结构中的二维电子气电连接；(5)制作保护型栅极和耗尽型栅极，使所述保护型栅极设于第二半导体上，并位于源、漏极之间靠近源极一侧，以及使所述耗尽型栅极设置于所述绝缘介质层上，并位于保护型栅极与漏极之间靠近保护型栅极一侧，形成基于Ⅲ族氮化物HEMT器件；(6)将所述HEMT器件与驱动模块连接，所述驱动模块至少用以分别向所述保护型栅极、耗尽型栅极提供第一控制信号、第二控制信号，所述第一控制信号包括用以控制所述保护型栅极的开关信号，所述第二控制信号包括用以控制所述耗尽型栅极的输入信号。在一些较佳实施方案中，所述制作方法还可包括：将所述基于Ⅲ族氮化物HEMT器件与过温保护模块和/或过流保护模块集成设置。进一步的，前述过温保护模块与所述驱动模块及所述保护型栅极连接。更进一步的，前述过温保护模块包括与所述HEMT器件集成设置的热敏电阻和/或肖特基二极管，所述热敏电阻和/或肖特基二极管与所述驱动模块及所述保护型栅极连接。进一步的，前述过流保护模块与所述驱动模块及所述源极连接。进一步的，前述第一半导体、第二半导体均采用Ⅲ族氮化物。进一步的，所述驱动模块与Ⅲ族氮化物HEMT器件集成设置。较之现有技术，本申请的Ⅲ族氮化物HEMT模块采用同时具有保护型栅极和常规耗尽型栅极的Ⅲ族氮化物HEMT器件，可以通过保护型栅极实现对器件的保护，并通过常规耗尽型栅极实现导通关断，进而再通过集成驱动模块、过温保护模块、过流保护模块等，可以实现器件工作过程中的温度、电流监控等，并减小寄生电容等影响，尤其是可以同时提供保护而解决耗尽型器件在使用中的安全性问题。附图说明图1是本申请一典型实施例中一种具有保护型栅极的Ⅲ族氮化物HEMT器件的结构示意图(保护型栅极以凹栅为例)。图2a是现有的一种耗尽型HEMT器件在关断状态下结构示意图。图2b是现有的一种耗尽型HEMT器件出现掉电故障或者开机状态的结构示意图。图3是本申请一典型实施例中一种Ⅲ族氮化物HEMT模块的结构示意图。图4是本申请一典型实施例中一种驱动器的驱动信号的时序示意图。图5是本申请一典型实施例中一种具有保护型栅极的Ⅲ族氮化物HEMT器件(保护型栅极以凹栅为例)在正常工作关断状态下的示意图。图6是本申请一典型实施例中一种具有保护型栅极的Ⅲ族氮化物HEMT器件(保护型栅极以凹栅为例)出现掉电故障或者开机状态下的示意图。图7是本申请一典型实施例中一种器件版图中集成有温度传感器的Ⅲ族氮化物HEMT器件的示意图。图8是AlGaN/GaN异质结中二维电子气迁移率随温度变化的图谱。附图标记说明：1—衬底，2—氮化镓(GaN)，3—二维电子气，4—AlN空间层，5—AlxGa(1-x)N势垒层(0＜x＜1)，6—GaN盖帽层，7—沟道耗尽区，8—绝缘介质层，9—源极，10—漏极，11—保护型栅极，12—常规耗尽型栅极，13—源极，14—漏极，15—保护型栅极，16—常规耗尽型栅极，17—热敏电阻，18—肖特基二极管，19—热敏电阻的负极，20—热敏电阻的正极，21—肖特基二极管的负极，22—肖特基二极管的正极。具体实施方式下文将对本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ⅲ族氮化物HEMT模块，其特征在于包括驱动模块和Ⅲ族氮化物HEMT器件，所述HEMT器件包括源极、漏极、栅极以及异质结构，所述异质结构包括第一半导体和第二半导体，所述第二半导体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，所述源极与漏极通过形成于所述异质结构中的二维电子气电连接，所述第一半导体设置于源极和漏极之间，所述栅极包括保护型栅极和耗尽型栅极，所述保护型栅极设于第二半导体上，并位于源、漏极之间靠近源极一侧，且对应于所述保护型栅极的栅下沟道为增强型模式，所述耗尽型栅极设置于保护型栅极与漏极之间靠近保护型栅极一侧，且对应于所述耗尽型栅极的栅下沟道为耗尽型模式，所述耗尽型栅极与第二半导体之间分布有绝缘介质层，在所述HEMT器件工作时，所述保护型栅极、耗尽型栅极分别由所述驱动模块提供的第一控制信号、第二控制信号控制，所述第一控制信号包括用以控制所述保护型栅极的开关信号，所述第二控制信号包括用以控制所述耗尽型栅极的输入信号。

【技术特征摘要】
1.一种Ⅲ族氮化物HEMT模块，其特征在于包括驱动模块和Ⅲ族氮化物HEMT器件，所述HEMT器件包括源极、漏极、栅极以及异质结构，所述异质结构包括第一半导体和第二半导体，所述第二半导体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，所述源极与漏极通过形成于所述异质结构中的二维电子气电连接，所述第一半导体设置于源极和漏极之间，所述栅极包括保护型栅极和耗尽型栅极，所述保护型栅极设于第二半导体上，并位于源、漏极之间靠近源极一侧，且对应于所述保护型栅极的栅下沟道为增强型模式，所述耗尽型栅极设置于保护型栅极与漏极之间靠近保护型栅极一侧，且对应于所述耗尽型栅极的栅下沟道为耗尽型模式，所述耗尽型栅极与第二半导体之间分布有绝缘介质层，在所述HEMT器件工作时，所述保护型栅极、耗尽型栅极分别由所述驱动模块提供的第一控制信号、第二控制信号控制，所述第一控制信号包括用以控制所述保护型栅极的开关信号，所述第二控制信号包括用以控制所述耗尽型栅极的输入信号。2.根据权利要求1所述的Ⅲ族氮化物HEMT模块，其特征在于：所述保护型栅极的栅下沟道的增强型模式是通过薄势垒层技术、凹栅技术、P型盖帽层技术、氟的等离子处理技术以及氟离子注入技术中的至少一者实现的。3.根据权利要求1所述的Ⅲ族氮化物HEMT模块，其特征在于：在所述HEMT器件处于正常工作状态时，所述保护型栅极保持高电位，而由所述耗尽型栅极控制所述HEMT的导通与关断。4.根据权利要求1所述的Ⅲ族氮化物HEMT模块，其特征在于：所述源极、漏极分别与电源的低电位、高电位连接；和/或，所述源极、漏极与第二半导体均形成欧姆接触；和/或，所述第一半导体、第二半导体均采用Ⅲ族氮化物。5.根据权利要求1所述的Ⅲ族氮化物HEMT模块，其特征在于：所述Ⅲ族氮化物HEMT模块还包括过温保护模块和/或过流保护模块，所述过温保护模块与所述驱动模块及所述保护型栅极连接，所述过流保护模块与所述驱动模块及所述源极连接；优选的，所述过温保护模块包括与所述HEMT器件集成设置的热敏电阻和/或肖特基二极管，所述热敏电阻和/或肖特基二极管与所述驱动模块及所述保护型栅极连接。6.根据权利要求5所述的Ⅲ族氮化物HEMT模块，其特征在于：所述热敏电阻和/或肖特基二极管与所述HEMT器件单片集成，且所述热敏电阻和/或肖特基二极管与所述HEMT器件之间彼此电学隔离；优选的，所述热敏电阻或肖特基二极管包含正极、负极、绝缘介质层以及异质结构，所述异质结构包括所述的第一半导体和第二半导体，所述正极与负极通过所述异质结构中的二维电子气相连接，所述第一半导体设置于所述正极与负极之间，所述绝缘介质层形成于所述第二半导体表面，并设置在所述正极和负极之间；优选的，所述热敏电阻的正极、负极均与所述第二半导体形成欧姆接触；优选的，所述肖特基二极管的正极与所述第二半导体形成肖特基接触，负极与所述第二半导体形成欧姆接触；优选的，所述热敏电阻或肖特基二极管的正极与所述保护型栅极连接，负极与电流监测装置连接；更为优选的，所述电流监测装置包括电流表；更为优选的，在所述热敏电阻中，所述异质结构内的二维电子气被部分耗尽，使得所述热敏电阻在常温下的电阻值大于或等于1kΩ；更为优选的，在所述热敏电阻中，是通过薄势垒层技术、凹栅技术、P型盖帽层技术、氟的等离子处理技术以及F离子注入技术中的至少一者处理所述异质结构内的沟道，从而使所述异质结构内的二维电子气被部分耗尽；更为优选的，所述过流保护模块包括采样电阻，所述过流保护模块与所述驱动模块、所述源极及电压监测装置连接；优选的，所述电压监测装置包括电压表；更为优选的，所述Ⅲ族氮化物HEMT模块包括复数个热敏电阻和/或肖特基二极管，所述的复数个热敏电阻和/或肖特基二极管用以对所述Ⅲ族氮化物HEMT模块内的多个区域进行温度监控；更为优选的，所述的复数个热敏电阻和/或肖特基二极管与所述HEMT器件单片集成。7.根据权利要求1所述的Ⅲ族氮化物HEM...

【专利技术属性】
技术研发人员：李维毅，杨辉，蔡勇，张宝顺，陈敬，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32