一种高速电力开关器件制造技术

本实用新型专利技术公开了一种高速电力开关器件，包括控制信号输入端，第一开关连接端、第二开关连接端和高电子迁移率晶体管，高电子迁移率晶体管包括衬底；位于衬底上的半导体层，其中，半导体层包括异质结构，异质界面形成二维电子气，栅区的半导体层上形成有凹槽，且凹槽下方半导体层的厚度大于满足增强型晶体管条件的厚度；位于半导体层上两端的源极和漏极，源极与第一开关连接端电连接，漏极与第二开关连接端电连接；位于凹槽中的第一介质层；位于第一介质层上的浮栅；包覆浮栅和第一介质层的第二介质层；位于第二介质层上的控制栅，控制栅与控制信号输入端电连接。本实用新型专利技术采用高电子迁移率晶体管，得到了高性能、低损耗的电力开关器件。

【技术实现步骤摘要】
一种高速电力开关器件
本技术涉及电力开关
，尤其涉及一种高速电力开关器件。
技术介绍
第三代宽禁带半导体材料因其优异的性能得到了飞速发展。由于AlGaN/GaN异质结压电极化和自发极化作用，半导体氮化镓的异质结构的沟道具有高电子(二维电子气)浓度、高电子迁移率及高电子饱和速度。目前，氮化镓高电子迁移率晶体管包括耗尽型器件和增强型两种。氮化镓高电子迁移率晶体管属于平面沟道场效应晶体管。该器件工作原理上不同于MESFET和MOSFET的主要之处是：氮化镓高电子迁移率晶体管源漏间导电沟道是器件结构中自然形成的二维电子气(Two-dimensionalelectrongas,2DEG)，而MESFET是掺杂薄层，MOSFET是场致反型层。在氮化镓高电子迁移率晶体管中，可通过调整栅极电压来改变2DEG的电子浓度，从而控制器件的工作状态。HEMT已经成功的应用于微波低噪声放大领域，并在高速数字集成电路方面取得了明显的进展。
技术实现思路
有鉴于此，本技术的目的是提出一种高速电力开关器件，高速电力开关器件采用高电子迁移率晶体管，以提供高性能、低损耗的电力开关器件。为实现上述目的，本技术采用如下技术方案：本技术实施例提供了一种高速电力开关器件，包括控制信号输入端，第一开关连接端、第二开关连接端和高电子迁移率晶体管，所述高电子迁移率晶体管包括：衬底；位于所述衬底上的半导体层，其中，所述半导体层包括有源区，所述有源区包括源区、漏区及源区与漏区之间的栅区，所述半导体层包括异质结构，异质界面形成二维电子气，所述栅区的半导体层上形成有凹槽，且所述凹槽下方半导体层的厚度大于满足增强型晶体管条件的厚度；位于所述半导体层上两端的源极和漏极，且所述源极位于所述源区上，所述漏极位于所述漏区上，所述源极与所述第一开关连接端电连接，所述漏极与所述第二开关连接端电连接；位于所述凹槽中的第一介质层；位于所述第一介质层上的浮栅，用于存储电子，得到增强型高电子迁移率晶体管；包覆所述浮栅和所述第一介质层的第二介质层；位于所述第二介质层上的控制栅，所述控制栅与所述控制信号输入端电连接。进一步地，所述半导体层包括：位于所述衬底上的成核层；位于所述成核层上的GaN缓冲层；位于所述GaN缓冲层上的AlGaN隔离层；其中，所述GaN缓冲层和所述AlGaN隔离层构成AlGaN/GaN异质结构，所述凹槽下方的所述AlGaN隔离层的厚度为5nm～30nm。进一步地，所述浮栅材料为半绝缘材料层。进一步地，所述浮栅材料包括富氧多晶硅或富硅的氮化硅。进一步地，所述浮栅的一侧形成有电子输入焊盘。本技术的有益效果是：本技术实施例提供的高速电力开关器件，其中的高电子迁移率晶体管结合沉栅技术，在半导体层栅区的凹槽中依次形成浮栅和控制栅，即采用多层栅工艺，高电子迁移率晶体管出厂前对浮栅进行预充，使得浮栅中写进足够多的电子，降低浮栅电势，使高电子迁移率晶体管具有正的开启电压，从而得到增强型高电子迁移率晶体管。与现有技术相比，本技术虽采用沉栅技术，但凹槽下方所保留的半导体层的厚度较厚，仅初步增加阈值电压，不需要达到增强型晶体管的程度，工艺上更容易控制，重复性好；再通过与浮栅技术相结合，进一步得到增强型晶体管。进而，采用该高电子迁移率晶体管得到的高速电力开关器件，具有较高的稳定性和可靠性，较低的损耗及较快的开关速度。将本技术的高速电力开关器件应用于电力系统，可实现更高开关频率、低功耗、高效率以及小体积化的电力系统。附图说明下面将通过参照附图详细描述本技术的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本技术的上述及其他特征和优点，附图中：图1是本技术实施例提供的高速电力开关器件的结构示意图；图2是本技术实施例提供的高电子迁移率晶体管的主视剖面图；图3是本技术实施例提供的高电子迁移率晶体管的俯视图。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本技术的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本技术，而非对本技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分而非全部结构。图1是本技术实施例提供的高速电力开关器件的结构示意图。本技术提供的高速电力开关器件可应用于电力系统中，可实现更高开关频率、低功耗、高效率以及小体积化的电力系统。如图1所示，该高速电力开关器件可包括控制信号输入端，第一开关连接端、第二开关连接端和高电子迁移率晶体管。图2是本技术实施例提供的高电子迁移率晶体管的主视剖面图。如图2所示，上述高电子迁移率晶体管包括：衬底10；位于衬底10上的半导体层20，其中，半导体层20包括有源区(图中未标出)，有源区包括源区、漏区及源区与漏区之间的栅区，该半导体层20包括异质结构，异质界面形成二维电子气(图2虚线部分)，栅区的半导体层20上形成有凹槽90，且凹槽90下方半导体层20的厚度大于满足增强型晶体管条件的厚度；在半导体层20上形成凹槽90，可以降低二维电子气的电子浓度，达到增加阈值电压的目的。位于半导体层20上两端的源极30和漏极40，且源极30位于源区上，漏极40位于漏区上；位于源极30和漏极40之间的半导体层20上的第一介质层50；位于第一介质层50上的浮栅60，用于存储电子，得到增强型高电子迁移率晶体管；包覆浮栅60和第一介质层50的第二介质层70；位于第二介质层70上的控制栅80。其中，衬底10可以为Si衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底或非故意掺杂的GaN衬底等。半导体层20主要包括GaN和AlGaN等III-V族材料，示例性的，参考图2，半导体层20可包括：位于衬底10上的成核层21；位于成核层21上的GaN缓冲层22；位于GaN缓冲层22上的AlGaN隔离层23；其中，GaN缓冲层22和AlGaN隔离层23构成AlGaN/GaN异质结构，凹槽下方的AlGaN隔离层的厚度为5nm～30nm(例如10nm)，以大于满足增强型晶体管条件的厚度，且相对于现有的耗尽型晶体管，其沉栅结构只保留3nm厚的AlGaN隔离层，本技术的制备工艺容易控制，且阈值电压可达到3V以上。本实施例中，AlGaN/GaN异质结构中的2DEG的迁移率远大于SiMOSFET，采用AlGaN/GaN异质结构的高电子迁移率晶体管制备的高速电力开关器件，其上升、下降时间均在纳秒量级，远小于性能相近的SiMOSFET，该高速电力开关器件应用于高压转换电路，在1MHz下仍可正常工作，且转换效率可高达98％。因此，该高速电力开关器件可以有效降低电力系统的高频损耗。另外，上述源极30和漏极40为导电材料，可以为Ti、Al、Ni和Au中的任一种或组合；控制栅80的材料可以为多晶硅，也可以为与源极30和漏极40相同的金属，该控制栅80用于调控二维电子气的电子浓度，控制半导体器件开关。进一步的，上述第一介质层50和/或第二介质层70可以为单层或多层介质层，其中，第一介质层50和第二介质层70均为绝缘材料，例如SiO2、Si3N4或Al2O3材料等，第一介质层50用于隔离浮栅60和半导体层20，防止浮栅60对半导体层20的污染，第二介质层70用于隔离浮栅60和控制栅80。本实施例中，上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速电力开关器件，其特征在于，包括控制信号输入端，第一开关连接端、第二开关连接端和高电子迁移率晶体管，所述高电子迁移率晶体管包括：衬底；位于所述衬底上的半导体层，其中，所述半导体层包括有源区，所述有源区包括源区、漏区及源区与漏区之间的栅区，所述半导体层包括异质结构，异质界面形成二维电子气，所述栅区的半导体层上形成有凹槽，且所述凹槽下方半导体层的厚度大于满足增强型晶体管条件的厚度；位于所述半导体层上两端的源极和漏极，且所述源极位于所述源区上，所述漏极位于所述漏区上，所述源极与所述第一开关连接端电连接，所述漏极与所述第二开关连接端电连接；位于所述凹槽中的第一介质层；位于所述第一介质层上的浮栅，用于存储电子，得到增强型高电子迁移率晶体管；包覆所述浮栅和所述第一介质层的第二介质层；位于所述第二介质层上的控制栅，所述控制栅与所述控制信号输入端电连接。

【技术特征摘要】
1.一种高速电力开关器件，其特征在于，包括控制信号输入端，第一开关连接端、第二开关连接端和高电子迁移率晶体管，所述高电子迁移率晶体管包括：衬底；位于所述衬底上的半导体层，其中，所述半导体层包括有源区，所述有源区包括源区、漏区及源区与漏区之间的栅区，所述半导体层包括异质结构，异质界面形成二维电子气，所述栅区的半导体层上形成有凹槽，且所述凹槽下方半导体层的厚度大于满足增强型晶体管条件的厚度；位于所述半导体层上两端的源极和漏极，且所述源极位于所述源区上，所述漏极位于所述漏区上，所述源极与所述第一开关连接端电连接，所述漏极与所述第二开关连接端电连接；位于所述凹槽中的第一介质层；位于所述第一介质层上的浮栅，用于存储电子，得到增强型高电子迁移率晶体管；包覆所述浮栅和所...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋苓利，李涛，王宁，于洪宇，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：新型
国别省市：广东,44