CN103077962A - 功率半导体器件的背面集电极结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种功率半导体器件的背面集电极结构，按照本发明提供的技术方案，所述功率半导体器件的背面集电极结构，在N导电类型硅衬底的背面设有P导电类型氮化镓层，在P导电类型氮化镓层的背面设有集电极。本发明在器件的背面制作异质结结构提高注入效率，可以改善器件的导通压降，异质结界面缺陷较多，可以形成复合中心减少载流子寿命，改善关断特性。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件技术领域，尤其是一种功率半导体器件的背面集电极结构。
背景技术
中国专利申请号：201010554510.5，在LED外延生长的过程中，对GaN材料进行沉积。接着，当LED外延生长完成后，进行透明电极层的沉积。然后，将沉积后的透明电极层制作成网格状层。通过网格状的高介电常数透明电极层的存在，令其作为电流扩展层和应力缓冲层。
申请专利号：200480038612.4，提供一种具有异质结的半导体器件。该器件包括衬底和至少一个纳米结构。衬底和纳米结构由不同的材料构成。衬底可以由例如IV族半导体材料构成，而纳米结构可以由III-V族半导体材料构成。纳米结构由衬底支撑并与其有外延关系。纳米结构可以是诸如栅极-环绕-晶体管器件的电子器件的功能部件。在栅极-环绕-晶体管的实施例中，纳米线由衬底支撑，衬底是漏极，纳米线是电流沟道，并且顶部金属接触是源极。薄栅极电介质将纳米线与栅电极分开。
异质材料由于晶格不匹配，生长容易产生缺陷，技术控制不好会对器件的性能影响较大。新材料带来的后续欧姆接触问题相对于现有的Si工艺不成熟，可能会导致背金工艺比原工艺复杂或出现可靠性问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种可以在异质结附近形成载流子密度较高的区域、可以降低导通电压和关断时间的功率半导体器件的背面集电极结构。
按照本发明提供的技术方案，所述功率半导体器件的背面集电极结构，在N导电类型硅衬底的背面设有P导电类型氮化镓层，在P导电类型氮化镓层的背面设有集电极。
在N导电类型硅衬底与P导电类型氮化镓层之间设有第一缓冲层，所述第一缓冲层为N导电类型硅缓冲层。
在第一缓冲层与P导电类型氮化镓层之间设有第二缓冲层，所述第二缓冲层为非晶氮化镓层或者氮化铝缓冲层；在P导电类型氮化镓层与集电极之间设有氮化铟镓层。
在N导电类型硅衬底与P导电类型氮化镓层之间设有第二缓冲层，所述第二缓冲层为非晶氮化镓层或者氮化铝缓冲层；在P导电类型氮化镓层与集电极之间设有氮化铟镓层。
本发明具有如下优点：
1、在器件的背面制作异质结结构提高注入效率，可以改善器件的导通压降；
2、p型GaN的掺杂元素Mg电离能（ΔEv约250meV）是p型Si（ΔEv约44meV）的数倍，热稳定性好。
3、由于GaN生长温度较高，可以减少前面工艺的热过程时间。
4、由于极化效果产生的二维电子气更容易隧穿实现相同背面掺杂剂量的欧姆接触，可以超过传统工艺中背面低注入剂量的下限。
5、异质结界面缺陷较多，可以形成复合中心减少载流子寿命，改善关断特性。
附图说明
图1是现有技术的非穿通型的IGBT的结构示意图。
图2是本发明实施例1的结构示意图。
图3是本发明实施例2的结构示意图。
图4是本发明实施例3的结构示意图。
图5是本发明实施例4的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
图1中，AA’线以上区域为功率半导体器件的正面结构。
该功率半导体器件的背面集电极结构，在N导电类型硅衬底1的背面设有P导电类型硅集电极层7，在P导电类型硅集电极层7的背面设有集电极3。
实施例1
如图2所示，功率半导体器件的背面集电极结构，在N导电类型硅衬底1的背面设有P导电类型氮化镓层2，在P导电类型氮化镓层2的背面设有集电极3。
图2中BB’线以上区域为功率半导体器件的正面结构，它与图1中AA’线以上区域的功率半导体器件的正面结构完全相同。本实施例与实施例1类似，它将实施例1的P导电类型硅集电极层7替换成了P导电类型氮化镓层2。
背面的P导电类型氮化镓层2材料采用外延的方法制备，由于P导电类型氮化镓层2的掺杂浓度不能过高 ，因此厚度需根据代工厂的技术水品决定生长厚度。浓度越高，厚度可以做的越薄，以满足相同器件的性能要求。掺杂所需Mg离子可以采用注入或与P导电类型氮化镓层2同步生长的方法获得，后者需要在生长完之后退火激活。
和Si相比，由于P导电类型氮化镓层2具有远大与Si的载流子迁移率和饱和电子漂移速度，因此P导电类型氮化镓层2可以具有更低的体区电阻和导通压降。
由于P导电类型氮化镓层2拥有远大于Si的禁带宽度，容易形成较强的极化电场，感生高密度的二维电子气，这有益于改善器件的导通压降。
P导电类型氮化镓层2受主能级较深，受温度影响较小，可以减小器件受温度影响的电导调制效应。
实施例2
如图3所示，功率半导体器件的背面集电极结构，在N导电类型硅衬底1的背面设有P导电类型氮化镓层2，在P导电类型氮化镓层2的背面设有集电极3，在N导电类型硅衬底1与P导电类型氮化镓层2之间设有第一缓冲层4，所述第一缓冲层4为N导电类型硅缓冲层。
图3中CC’线以上区域为功率半导体器件的正面结构，它与图1中AA’线以上区域的功率半导体器件的正面结构完全相同。本实施例与实施例1类似，在N导电类型硅衬底1和P导电类型氮化镓层2之间添加了第一缓冲层4，且第一缓冲层4为N导电类型硅缓冲层，P导电类型氮化镓层2材料采用外延的方法制备。
实施例3
如图4所示，功率半导体器件的背面集电极结构，在N导电类型硅衬底1的背面设有P导电类型氮化镓层2，在P导电类型氮化镓层2的背面设有集电极3，在N导电类型硅衬底1与P导电类型氮化镓层2之间设有第一缓冲层4，所述第一缓冲层4为N导电类型硅缓冲层，在第一缓冲层4与P导电类型氮化镓层2之间设有第二缓冲层5，所述第二缓冲层5为非晶氮化镓层或者氮化铝缓冲层；在P导电类型氮化镓层2与集电极3之间设有氮化铟镓层6。
图4中功率半导体器件的正面结构未画出，该正面结构与图1中AA’线以上区域的功率半导体器件的正面结构完全相同。本实施例与实施例2类似，在第一缓冲层4与P导电类型氮化镓层2之间添加第二缓冲层5，且第二缓冲层5为非晶氮化镓层或者氮化铝缓冲层；在P导电类型氮化镓层2与集电极3之间添加氮化铟镓层6。
氮化铟镓层6及第二缓冲层5的生长采用和P导电类型氮化镓层2相同的设备中的同一反应室，因此不会增加工艺的制备难度和成本，而且可以形成质量更高的P导电类型氮化镓层2外延层。此外AlN材料的价带比P导电类型氮化镓层2更低，异质结能带弯曲更严重，形成的电子气更多更有利于改善导通压降。
实施例4
如图5所示，功率半导体器件的背面集电极结构，在N导电类型硅衬底1的背面设有P导电类型氮化镓层2，在P导电类型氮化镓层2的背面设有集电极3，在N导电类型硅衬底1与P导电类型氮化镓层2之间设有第二缓冲层5，所述第二缓冲层5为非晶氮化镓层或者氮化铝缓冲层；在P导电类型氮化镓层2与集电极3之间设有氮化铟镓层6。
图3中EE’线以上区域为功率半导体器件的正面结构，它与图1中AA’线以上区域的功率半导体器件的正面结构完全相同。本实施例与实施例1类似，在N导电类型硅衬底1与P导电类型氮化镓层2之间添加第二缓冲层5，且第二缓冲层5为非晶氮化镓层或者氮化铝缓冲层；在P导电类型氮化镓层2与集电极3之间设有氮化铟镓层6。
本发明通过采用在背面生长P导电类型氮化镓层2材料，可以在异质结附近形成载流子密度较高的区域，这种结构可以降低导通电压和关断时间。
Claims (4)
1.一种功率半导体器件的背面集电极结构，其特征是：在N导电类型硅衬底（1）的背面设有P导电类型氮化镓层（2），在P导电类型氮化镓层（2）的背面设有集电极（3）。
2.如权利要求1所述的功率半导体器件的背面集电极结构，其特征是：在N导电类型硅衬底（1）与氮化镓层（2）之间设有第一缓冲层（4），所述第一缓冲层（4）为N导电类型硅缓冲层。
3.如权利要求2所述的功率半导体器件的背面集电极结构，其特征是：在第一缓冲层（4）与P导电类型氮化镓层（2）之间设有第二缓冲层（5），所述第二缓冲层（5）为非晶氮化镓层或者氮化铝缓冲层；在P导电类型氮化镓层（2）与集电极（3）之间设有氮化铟镓层（6）。
4.如权利要求1所述的功率半导体器件的背面集电极结构，其特征是：在N导电类型硅衬底（1）与P导电类型氮化镓层（2）之间设有第二缓冲层（5），所述第二缓冲层（5）为非晶氮化镓层或者氮化铝缓冲层；在P导电类型氮化镓层（2）与集电极（3）之间设有氮化铟镓层（6）。
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|---|---|---|---|---|
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN102593168A (zh) * | 2011-01-17 | 2012-07-18 | 英飞凌科技奥地利有限公司 | 半导体器件和逆导igbt |
| CN102856356A (zh) * | 2012-09-28 | 2013-01-02 | 中国科学院微电子研究所 | 用于半导体功率器件的终端 |
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