CN104167450A - 一种半浮栅功率器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体功率器件技术领域，具体为一种半浮栅功率器件。该半浮栅功率器件包括一个氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管；一个二极管，该二极管的阳极与所述氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的栅极连接，该二极管的阴极与所述氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的源极或沟道区连接；一个电容器，该电容器的一端与所述氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的栅极连接，该电容器的另一端与外部电压信号连接。本发明的半浮栅功率器件结构简单，适合高压、高速操作并且具有很高的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，特别是涉及一种半浮栅功率器件。
背景技术
高电子迁移率的宽禁带器件比如氮化镓高电子迁移率晶体管相对于传统的硅器件具有耐高温、高效率、高速度等优点，已被广泛使用。目前，600V的氮化镓高电子迁移率器件很难做成常关型，即使做成常关型器件，其阈值电压也接近0V，容易被误开启。因此600V的氮化镓功率开关通常由一常开型氮化镓高电子迁移率晶体管器件和一常关型硅基器件用共源共栅连接方式组成。
公知的共源共栅的氮化镓功率开关电路如图1所示，包括共源共栅配置的常开型氮化镓晶体管(MGaN) 和常关型硅基MOS晶体管(MSi)，其中，硅基MOS晶体管(MSi)主动地被栅极驱动器控制，栅极驱动器产生栅极信号（VGM）。氮化镓晶体管（MGaN）是间接的通过硅基MOS晶体管 (MSi)控制，因为硅基MOS晶体管 (MSi)的漏极-源极电压等于氮化镓晶体管（MGaN）的源极-栅极电压。共源共栅的氮化镓功率开关的优点是可以使用现有标准的栅极驱动器，因此共源共栅的氮化镓功率开关可以被用来直接替换硅基MOS晶体管开关。然而共源共栅的氮化镓功率开关由常开型氮化镓晶体管(MGaN) 和常关型硅基MOS晶体管(MSi)组成，结构复杂，而且共源共栅的氮化镓功率开关的可靠性不高。首先共源共栅的氮化镓晶体管开关在动态雪崩时，低压的常关型硅基MOS晶体管容易被击穿；其次，氮化镓晶体管由于在动态操作中存在电压脉冲，因此也存在被击穿、栅极pn结反向导通等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种半浮栅功率器件，能够简化氮化镓功率器件的结构并提高其可靠性。
本发明提供的半浮栅功率器件，包括一个氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管，还包括：
一个二极管，该二极管的阳极与所述氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的栅极连接，该二极管的阴极与所述氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的源极或沟道区连接；
一个电容器，该电容器的一端与所述氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的栅极连接，该电容器的另一端与外部电压信号连接。
优选的，上述的一种半浮栅功率器件，所述二极管为肖特基二极管。
本发明针对上述半浮栅功率器件还提供了三种优选的采用肖基特二极管的具体结构：
第一种结构：将所述氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极向所述氮化镓高电子迁移率晶体管的源极一侧延伸并超出栅介质层与氮化镓沟道层连接。在所述氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的栅极之上形成有绝缘介质层，在该绝缘介质层之上形成有控制栅，该控制栅与外部电压信号连接、且通过电容耦合作用于所述氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极。
第二种结构：将所述氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极向所述氮化镓高电子迁移率晶体管的源极一侧延伸并超出栅介质层和氮化镓铝隔离层与氮化镓沟道层连接。在所述氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的栅极之上形成有绝缘介质层，在该绝缘介质层之上形成有控制栅，该控制栅与外部电压信号连接、且通过电容耦合作用于所述氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极。
第三种结构：将所述氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极通过栅介质层和氮化镓铝隔离层中一个开孔与氮化镓沟道层连接。在所述氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的栅极之上形成有绝缘介质层，在该绝缘介质层之上形成有控制栅，该控制栅与外部电压信号连接、且通过电容耦合作用于所述氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极。
优选的，上述的第三种结构，可以在所述氮化镓沟道层内形成一个凹槽，该凹槽位于所述开孔下方，且该凹槽的底部位于所述氮化镓沟道层的任意深度内或者延伸至所述氮化镓沟道层的底部，所述氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极填满所述凹槽。通过调整凹槽的深度，可以方便的调节氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极与氮化镓沟道层之间的肖特基二极管的导通电压。
本发明的半浮栅功率器件是工作原理是：将将氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的栅极与源极或沟道区通过一个二极管连接，通过二极管钳位，使得氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的栅极成为半浮栅结构，如果氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管是常开型晶体管，则半浮栅功率器件在初始状态处于导通状态。同时，由于外部电压信号（VCG）通过一个电容器作用于半浮栅之上，当外部电压信号为正电压且器件处于开启状态时，半浮栅内会存入负电荷，使得阈值电压上升，当外部电压信号由正电压变为0V时，半浮栅电压为负（时间为纳秒级），半浮栅功率器件处于截止状态。当外部电压信号再次由0V变为正电压时，半浮栅功率器件再次处于导通状态。因此通过调节外部电压信号（VCG）的脉冲，可以使半浮栅功率器件不断处于开、关状态，组成开关电源电路或者其他电路。
如果氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管是常关型晶体管，则半浮栅功率器件在初始状态处于关闭状态。由于外部电压信号（VCG）通过一个电容器作用于半浮栅之上，当外部电压信号为正电压时，半浮栅内会存入负电荷，也会使得器件阈值电压上升，当外部电压信号由正电压变为0V时，半浮栅电压为负（时间为纳秒级），半浮栅功率器件处于截止状态。当外部电压信号再次由0V变为正电压时，半浮栅功率器件再次处于导通状态。因此通过调节外部电压信号（VCG）的脉冲，可以使半浮栅功率器件不断处于开、关状态，组成开关电源电路或者其他电路。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：首先，本发明的的半浮栅功率器件采用半浮栅结构, 并在半浮栅之上形成控制栅，控制栅通过电容耦合作用于半浮栅，使得一个半浮栅功率器件就可以实现共源共栅连接方式的两个晶体管的功能，简化半导体功率器件的结构。其次，氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的栅极与源极或沟道区之间的嵌入式二极管可以钳位，外部电压信号可以通过电容感应控制半浮栅功率器件的瞬间开启，使得半浮栅功率器件适合高压、高速操作并且具有很高的可靠性。最后，这种功率半浮栅器件结构提高了氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管在工作状态时的阈值电压，使其能够更好地作为功率开关管使用。
附图说明
图1是目前的共源共栅的氮化镓功率开关电路示意图。
图2是本发明提出的半浮栅功率器件的一个实施例的等效电路示意图。
图3-图5是本发明提出的半浮栅功率器件的第一至第三实施例的结构剖面示意图。
图6是本发明如图3-图5所示的第一至第三实施例半浮栅功率器件的一种等效电路图。
图7-图8是本发明提出的半浮栅功率器件的第四至第五实施例的结构剖面示意图。
图9是本发明如图7-图8所示的半浮栅功率器件第四至第五实施例的等效电路图。
具体实施方式
为清楚地说明本发明的具体实施方式，说明书附图中所列示图，放大了本发明所述的层和区域的厚度，且所列图形大小并不代表实际尺寸；附图是示意性的，不应限定本发明的范围。说明书中所列实施例不应仅限于附图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状如制造引起的偏差等、再如刻蚀得到的曲线通常具有弯曲或圆润的特点，但在本发明实施例中均以矩形表示。同时在下面的描述中，所使用的术语衬底可以理解为包括正在工艺加工中的半导体晶片，可能包括在其上所制备的其它薄膜层。
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图2是本发明提出的半浮栅功率器件的一个实施例的等效电路示意图。如图2所示，本发明的半浮栅功率器件包括一个氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管100，氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管100包括但不局限于为高电子迁移率晶体管并包括源极101、栅极103和漏极102。氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管100的源极101和栅极103通过一个二极管200连接，使得栅极103成为一个半浮栅结构。二极管200包括但不局限于为肖特基二极管，且二极管200的阳极与栅极103连接，二极管200的阴极与源极101连接。外部电压信号（VCG）400通过一个电容器300与栅极103连接，从而外部电压信号（VCG）400可以通过电容感应控制氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管100开启或者关闭。
可选的，本发明的半浮栅功率器件中，二极管200的阴极也可以不与氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管100的源极连接，而与氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管100的沟道区连接。
实施例1
图3是本发明提出的半浮栅功率器件的第一实施例的剖面图，以氮化镓高电子迁移率晶体管为例。氮化镓高电子迁移率晶体管形成于一个半导体衬底之上，半导体衬底通常包括硅基底11和在硅基底11上形成的氮化镓阻挡层12，在氮化镓阻挡层12之上还依次形成有氮化镓铝阻挡层13、氮化镓沟道层14和氮化镓铝隔离层15。在氮化镓铝隔离层15之上形成有栅介质层501，在栅介质层501之上形成有氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极103。在栅极103的两侧分别形成有氮化镓高电子迁移率晶体管的源极101和漏极102，栅极103向源极101的一侧延伸,栅极103延伸后超出栅介质层103并与氮化镓铝隔离层15接触，由于栅极103通常为含铬、或者含镍、或者含钨的合金或者掺杂后的多晶硅，因此栅极103与氮化镓铝隔离层15形成肖特基二极管，也就是在栅极103和源极101直接形成一个肖特基二极管。通常该肖特基二极管的（垂直于纸面）宽度小于有源区的宽度，这样使得该高电子迁移率器件的沟道可以有效地连接到源极101。在栅极103之上形成有绝缘介质层502，绝缘介质层502通常为二氧化硅、氮化硅、氧化铪、氧化铝等高介电常数介质或者为它们之间的叠层。在绝缘介质层502之上形成有控制栅104，该控制栅104与外部电压信号400连接、且通过电容耦合作用于氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极103。
实施例2
本发明的如图3所示的半浮栅功率器件的进一步优选的方案是：在氮化镓阻挡层12之上直接形成氮化镓沟道层14，而省略掉氮化镓铝阻挡层13，其结构如图4所示，这样可以简化半浮栅功率器件的制造工艺。
实施例3
本发明的如图4所示的半浮栅功率器件的进一步优选的方案是：栅极103向源极101的一侧延伸,栅极103延伸后超出栅介质层103和氮化镓铝隔离层15并与氮化镓铝沟道层14接触成肖特基二极管，其结构如图5所示。源极101和漏极102直接形成于氮化镓沟道层14。氮化镓铝隔离层15被栅介质层501覆盖。通常该肖特基二极管的（垂直于纸面）宽度小于有源区的宽度，这样使得该高电子迁移率器件的沟道可以有效地连接到源极101。
图6为本发明如图3-图5所示的第一至第三实施例半浮栅功率器件的一种等效电路图。如图6所示，本发明的半浮栅功率器件包括一个氮化镓高电子迁移率晶体管100，氮化镓高电子迁移率晶体管100的栅极103通过一个二极管200与源极101连接，从而栅极103为一个半浮栅结构,控制栅400通过电容耦合作用于半浮栅103之上。
实施例4
图7 为本发明的一种半浮栅功率器件的第四实施例的剖面图，与图6所示的半浮栅功率器件的实施例相比较，图7所示的半浮栅功率器件中，栅极103通过在栅极介质501和氮化镓铝隔离层15内的一个开孔与氮化镓沟道层14接触，进而形成肖特基接触。通常该肖特基接触的（垂直于纸面）宽度小于有源区的宽度，这样使得该高电子迁移率器件的沟道可以有效地连接到源极101。
实施例5
图8 为本发明的一种半浮栅功率器件的第五实施例的剖面图，它是图7所示的半浮栅功率器件的一种优化结构，在氮化镓沟道层14内形成有一个凹槽，该凹槽位于栅极介质501和氮化镓铝隔离层15内的开孔的下方，且该凹槽的底部位于氮化镓沟道层14的底部，即该凹槽的底部位于氮化镓阻挡层12的表面，栅极103填满所述凹槽。进一步可选的，凹槽的底部可以位于氮化镓沟道层14的任意深度内，通过调整凹槽的深度，可以方便的调节氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极103与氮化镓沟道层14之间的肖特基二极管的导通电压。凹槽深度越深，则导通电压越低；反之凹槽深度越浅，则导通电压越高。
图9展示了图7至图8所示的半浮栅功率器件的等效电路图,其中栅极103是通过一个二极管200与氮化镓高电子迁移率晶体管100的沟道区连接。
本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种半浮栅功率器件技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (6)
1. 一种半浮栅功率器件，包括一个氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管，其特征在于，还包括：
一个二极管，该二极管的阳极与所述氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的栅极连接，该二极管的阴极与所述氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的源极或沟道区连接；
一个电容器，该电容器的一端与所述氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的栅极连接，该电容器的另一端与外部电压信号连接。
2. 根据权利要求1所述的半浮栅功率器件，其特征在于所述二极管为肖特基二极管。
3. 根据权利要求2所述的半浮栅功率器件，其特征在于，所述氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极向所述氮化镓高电子迁移率晶体管的源极一侧延伸并超出栅介质层与氮化镓沟道层连接；
在所述氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的栅极之上形成有绝缘介质层，在该绝缘介质层之上形成有控制栅，该控制栅与外部电压信号连接、且通过电容耦合作用于所述氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极。
4. 根据权利要求2所述的半浮栅功率器件，其特征在于，所述氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极向所述氮化镓高电子迁移率晶体管的源极一侧延伸并超出栅介质层和氮化镓铝隔离层与氮化镓沟道层连接；
在所述氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的栅极之上形成有绝缘介质层，在该绝缘介质层之上形成有控制栅，该控制栅与外部电压信号连接、且通过电容耦合作用于所述氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极。
5. 根据权利要求2所述的半浮栅功率器件，其特征在于，所述氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极通过栅介质层和氮化镓铝隔离层中一个开孔与氮化镓沟道层连接；
在所述氮化镓高电子迁移率晶体管或碳化硅场效应晶体管的栅极之上形成有绝缘介质层，在该绝缘介质层之上形成有控制栅，该控制栅与外部电压信号连接、且通过电容耦合作用于所述氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极。
6. 根据权利要求5所述的半浮栅功率器件，其特征在于，在所述氮化镓沟道层内形成的一个凹槽，该凹槽位于所述开孔下方，且该凹槽的底部位于所述氮化镓沟道层的任意深度内或者延伸至所述氮化镓沟道层的底部，所述氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极填满所述凹槽。
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