Ⅲ-氮化物双向开关制造技术

本发明专利技术公开了一种包含ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面的Ⅲ－氮化物双向开关，其获得高载流沟道。所述双向开关以至少一个栅工作，所述栅防止或允许建立二维电子气以为双向开关形成载流沟道。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及半导体开关，更特别地涉及在III-氮化物材料系统中制造的双向半导体开关。
技术介绍
基于III-氮化物材料的器件的发展一般是针对高功率-高频应用，例如用于移动电话基站的发射器。为这些类型的应用制造的器件是基于一般的器件结构，所述器件结构具有高电子迁移率，并被不同地称为异质结场效应晶体管(HFETs)、高电子迁移率晶体管(HEMTs)或调制掺杂场效应晶体管(MODFETs)。这些类型的器件通常能够经受100伏或更高的范围内的高电压，同时在典型2-100GHz范围内的高频工作。可以改变这些类型的器件用于多种类型的应用，但是通常通过使用压电极化以产生二维电子气(2DEG)来工作，所述二维电子气允许以非常低的电阻损耗传输非常高的电流。典型的HEMT包括由蓝宝石、硅或SiC形成的衬底、在衬底上形成的GaN层、在GaN层上形成的AlGaN层、在AlGaN层上两个间隔的欧姆电极和在那之间形成的栅(gate)电极。从而，典型的HEMT是平面器件，这意味着在其两个功率电极之间的电流以横向流动。具有例如300V击穿电压的平面HEMT的特定接通电阻(specific on resistance)约为具有相同电压等级的垂直几何形状的硅基器件的1/100。因而，平面HEMT是功率应用的良好备选物。然而，这些传统器件仅在一个方向阻塞(block)电压。由于在诸如PDP和PFC的应用中非常需要更有效的电路布局，所以希望具有能用于高电流、低接通电阻和高电压应用的双向半导体器件，以便减少器件的数量。
技术实现思路
根据本专利技术的半导体开关是双向的，从而在两个方向阻塞电压。这种关于电压阻塞能力的对称是在不损耗晶片材料的情况下获得，因此也顾及了成本减少。而且，与在一个方向阻塞电压的传统设计形成对比，根据本专利技术的双向开关对于相同总电阻能代替4个单向开关。根据本专利技术的一个变型的双向半导体开关包括两个欧姆电极和位于两个欧姆电极之间以实现对称电压阻塞能力的栅电极。从而，在一个优选实施例中，栅电极形成在与第一欧姆电极和第二欧姆电极间隔相等的位置。在另一变型中，根据本专利技术的双向开关包括设置在两个欧姆电极之间的两个栅电极。在该实施例中，每个栅电极与各自的欧姆电极间隔相同距离。使用两个栅电极是有利的因为其允许共用电压抵消(standoff)区，从而可以减少晶体管所需的晶片区域。通过参考附图的本专利技术的下面描述，本专利技术的其它特征和优点将显而易见。附图说明 图1显示了根据本专利技术的III-氮化物额定接通(nominallyon)双向开关元件。图2显示了根据本专利技术的额定关闭III-氮化物双向开关元件。图3显示了根据本专利技术的双栅额定接通III-氮化物双向开关元件。图4显示了根据本专利技术的双栅额定关闭III-氮化物双向开关元件。图5是根据本专利技术的单栅双向开关的平面图。图6是根据本专利技术的双栅双向开关的平面图。图7是根据本专利技术的双栅双向开关结构的平面图。图8是根据本专利技术的用于双向开关的栅结构的平面图。图9-18示意了制造根据本专利技术的器件的工艺。图19是根据本专利技术的双栅双向器件的变型的顶部平面图。具体实施例方式现在参考图1，根据本专利技术第一实施例的双向III-氮化物开关一般以器件结构20示意。器件20包括可含Si、SiC、蓝宝石等的衬底24、在衬底24上形成的包含一种III-氮化物材料的第一半导体本体(body)23、以及在第一半导体本体23上形成的并且包含与上述一种半导体材料的带隙不同的另一III-氮化物半导体材料的第二半导体本体21。应当注意，第一半导体本体23不需直接形成于衬底24上，可在其间插入底层而不背离本专利技术。在优选实施例中，所述一种III-氮化物半导体材料是GaN，所述另一半导体材料是AlGaN。众所周知，GaN和AlGaN的异质结22在异质结22处或靠近其处产生高导电的二维电子气(2DEG)。由于本领域中众所周知的自发极化效应而形成2DEG。器件20还包括欧姆连接到第二半导体本体21的欧姆功率电极25、26，以及设置在欧姆电极25、26之间的栅电极27。欧姆电极可由以下形成任何合适的金属，例如金、银、铝、钛或铟，任何合适的不同金属的金属堆叠，或非金属材料，例如重掺杂半导体(P或N型)多晶硅或金属硅化物。在优选的实施例中，栅电极27与第二半导体本体21肖特基接触，并可由以下形成金属材料，例如钛、金、铝、银、铬、钨、铂、镍、钯或铟，不同金属的金属堆叠，或非金属材料，例如掺杂半导体(P或N型，取决于所需的阀电压)、多晶硅或金属硅化物。根据本专利技术的器件不限于肖特基栅，而是可包括含栅电极以及在栅电极和第二半导体本体21之间插入的诸如SiN、Al2O3、SiO2等的栅绝缘体的栅。根据第一实施例的器件20是耗尽型器件，即额定接通器件。将合适的电压施加到栅电极27可以中断(interrupt)2DEG以关闭器件20，使器件20具有功率开关能力。根据本专利技术，栅电极27设置在欧姆电极25、26之间并被定位以使器件展示对称电压阻塞能力。也就是说，不管欧姆电极25、26的哪一个处于较高电势，器件20都能够阻塞相同的电压。根据本专利技术的一个方面，为了实现对称电压阻塞能力，栅电极27与欧姆电极25和欧姆电极26间隔相等距离α(即相对于欧姆电极25、26处于中心位置)。然而应当注意，栅电极27不需位于中心，而是可以从中心位置偏移以补偿来自衬底24的杂散场，同时仍实现所需的对称电压阻塞能力。由于靠近异质结22的2DEG，器件20能够从欧姆电极25、26携载大量电流或携载大量电流至欧姆电极25、26。典型地，施加到栅电极27的电势是负电势，该负电势比施加到欧姆电极25、26的任何电势更负。应当注意，由于其对称电压阻塞能力，任一欧姆电极25、26能够用作漏极或源极。现在参考图2，其中相同的数字表示相同的特征，除了器件30中的栅电极27设置在形成于第二半导体层21中的凹处38内以外，根据本专利技术的器件30包括根据第一实施例的器件20的所有特征。因此，根据本专利技术第二实施例的器件30是增强型器件，即其是额定关闭器件。更具体地说，凹处38导致2DEG中的中断，当将适当的电压施加到栅电极27时其可恢复。以Robert Beach的名义于2005年1月21日申请的、名称为“增强型III-氮化物FET”的美国申请No.11/040,657中解释了III-氮化物异质结器件中增强型器件的工作原理，该美国申请被转让给本申请的受让人，其内容通过参考而引入。器件30中的栅电极27优选在凹处38的底部与第二半导体层21肖特基接触。然而，栅电极27可由栅导体以及设置在栅导体和第二半导体本体21之间的栅绝缘体代替，而不背离本专利技术。而且，根据本专利技术，器件30中的栅电极27被定位以实现电压阻塞能力的对称。在优选实施例中，器件30中的栅电极27与欧姆电极25和欧姆电极26间隔相等距离α，即相对两个欧姆电极位于中心，以便实现对称。现在参考图3，其中相同的数字表示相同的特征，根据本专利技术第三实施例的器件40包括两个栅电极，第一栅电极32和第二栅电极34。第一栅电极32最接近第一欧姆电极25并与该欧姆电极间隔距离β。第二栅电极34最接近第二欧姆电极26并同样与该欧姆电极也间隔距离β。也就是说，第一栅电极32与第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向半导体开关，包含：衬底；包含一种Ⅲ－氮化物半导体材料的第一半导体本体；在所述第一半导体本体上形成并包含另一Ⅲ－氮化物半导体材料的第二半导体本体，其具有与所述一种Ⅲ－氮化物半导体材料不同的带隙；在所述第 二半导体本体的第一部分上形成并欧姆连接到所述第二半导体本体的第一部分的第一欧姆电极；在所述第二半导体本体的第二部分上形成并欧姆连接到所述第二半导体本体的第二部分的第二欧姆电极；以及在所述第二半导体本体上形成并设置在所述第一欧 姆电极和所述第二欧姆电极之间的栅电极，其中所述栅电极被定位成使所述器件展示对称电压阻塞能力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-2-12 60/544,626;US 2005-2-11 11/056,0621.一种双向半导体开关，包含衬底；包含一种III-氮化物半导体材料的第一半导体本体；在所述第一半导体本体上形成并包含另一III-氮化物半导体材料的第二半导体本体，其具有与所述一种III-氮化物半导体材料不同的带隙；在所述第二半导体本体的第一部分上形成并欧姆连接到所述第二半导体本体的第一部分的第一欧姆电极；在所述第二半导体本体的第二部分上形成并欧姆连接到所述第二半导体本体的第二部分的第二欧姆电极；以及在所述第二半导体本体上形成并设置在所述第一欧姆电极和所述第二欧姆电极之间的栅电极，其中所述栅电极被定位成使所述器件展示对称电压阻塞能力。2.根据权利要求1的半导体开关，其中所述一个半导体本体包含GaN，所述另一半导体本体包含AlGaN。3.根据权利要求1的半导体开关，其中所述栅电极与所述第二半导体本体肖特基接触或通过栅绝缘体与所述第二半导体本体绝缘。4.根据权利要求1的半导体开关，其中所述栅电极包含钛、金、铝、银、铬、钨、铂、镍、钯或铟。5.根据权利要求1的半导体开关，其中所述欧姆电极包含金、银、铝、钛或铟。6.根据权利要求1的半导体开关，还包括在所述另一半导体层中形成的凹处，且所述栅电极位于所述凹处内。7.根据权利要求1的半导体开关，其中所述栅电极与所述第一欧姆电极和所述第二欧姆电极间隔相等距离。8.根据权利要求1的半导体开关，其中所述衬底包含硅、SiC或蓝宝石。9.根据权利要求l的半导体开关，其中所述开关以耗尽型工作。10.根据权利要求1的半导体开关，其中所述开关以增强型工作。11.一种双向半导体开关，包含衬底；包含一种III-氮化物半导体材料的第一半导体本体；在所述第一半导体本体上形成并包含另一III-...

【专利技术属性】
技术研发人员：DM金策，R比奇，
申请(专利权)人：国际整流器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]