CN104518014A - 绝缘栅双极晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)及其制造方法。绝缘栅双极晶体管包含:氮化镓(gallium nitride,GaN)基板,具有上表面;第一GaN层,具有第一导电型,形成于上表面上,且第一GaN层具有侧壁,垂直于上表面;第三GaN层,具有与第一导电型相反的第二导电型或纯质导电型,形成于第一GaN层上,且第三GaN层与GaN基板间,由第一GaN层隔开;栅极,形成于GaN基板上,且栅极具有侧板,于横向上,邻近或邻接于侧壁,以控制通道;以及第三GaN层,具有第一导电型,形成于上表面上,且第三GaN层与第一GaN层之间,由栅极隔开。
Description
技术领域
本发明涉及一种绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolartransistor,IGBT)及其制造方法;特别是指一种包含氮化镓(galliumnitride,GaN)基板的IGBT及其制造方法。
背景技术
图1显示一种现有IGBT100的剖视示意图。如图1所示,于一硅基板或碳化硅基板中形成IGBT100,其包含P型阳极11、N型区12、P型区13、N型阴极14、栅极15、与N型缓冲层16。IGBT100为一种垂直型的双扩散金属氧化物半导体(double diffusion metal oxidesemiconductor,DMOS)IGBT,其中,由栅极15、并以N型缓冲层16作为漏极(drain)、N型区12作为漂移区(drift region)、P型区13作为井区(well)、N型阴极14作为源极(source)而形成于一垂直型的DMOS元件。另一方面,由P型区13作为射极(emitter)、N型缓冲层16作为基极(base)、P型阳极11做为集极(collector)而形成一双极接面晶体管(bipolar junction transistor,BJT)。其中,当IGBT100操作时,由垂直型的DMOS元件控制,使BJT导通或不导通,以实现由DMOS元件快速切换高功率元件BJT的功能。
当IGBT100操作时,如图1所示,栅极15两边的N型阴极14与P型区13会形成寄生接面场效晶体管(junction field effect transistor,JFET),N型阴极14与P型区13所形成的空乏区会使导通电流受限,限制了应用范围。
有鉴于此,本发明即针对上述现有技术的改善,提出一种IGBT及其制造方法,可提高操作的速度并降低导通阻值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷,提出一种绝缘栅双极晶体管及其制造方法,以提高绝缘栅双极晶体管操作的速度并降低导通阻值。
为达上述目的,就其中一观点言,本发明提供了一种绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)包含:一氮化镓(galliumnitride,GaN)基板,具有一上表面;一第一GaN层,具有第一导电型,形成于该上表面上,且该第一GaN层具有一侧壁,垂直于该上表面;一第二GaN层,具有第一导电型,形成于该上表面上;一第三GaN层,具有与第一导电型相反的第二导电型或纯质导电型,形成于该第一GaN层上,且该第三GaN层与该GaN基板间,由该第一GaN层隔开;以及一栅极,形成于该GaN基板上,且该栅极具有一侧板,于一横向上,邻近或邻接于该侧壁,以控制一通道;其中,该第二GaN层与该第一GaN层之间,由该栅极隔开。
为达上述目的,就另一观点言,本发明提供了一种绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)制造方法,包含:提供一氮化镓(gallium nitride,GaN)基板,具有一上表面;形成一第一GaN层于该上表面上,具有第一导电型,且该第一GaN层具有一侧壁,垂直于该上表面;形成一第二GaN层于该上表面上,具有第一导电型;形成一第三GaN层于该第一GaN层上,具有与第一导电型相反的第二导电型或纯质导电型,且该第三GaN层与该GaN基板间,由该第一GaN层隔开;以及形成一栅极于该GaN基板上,且该栅极具有一侧板,于一横向上,邻近或邻接于该侧壁,以控制一通道;其中,该第二GaN层与该第一GaN层之间,由该栅极隔开。
在其中一种较佳的实施型态中,该IGBT更包含一氮化铝镓(aluminum gallium nitride,AlGaN)阻障层,形成于该上表面上,并覆盖该侧壁,且该栅极与该GaN基板及该第一GaN层间,由该AlGaN阻障层隔开。
前述的实施例中,该GaN基板、该第一GaN层、该第三GaN层、该AlGaN层、与该栅极可形成一金属氧化物半导体场效晶体管(metaloxide semiconductor field effect transistor,MOSFET),且该第三GaN层、该第一GaN层、该第二GaN层与该GaN基板可形成一双极接面晶体管(bipolar junction transistor,BJT),其中,该MOSFET与该BJT并联。
在其中一种较佳的实施型态中,该GaN基板、该第一GaN层、该第三GaN层与该栅极形成一接面场效晶体管(junction field effecttransistor,JFET),且该第一GaN层、该第二GaN层与该GaN基板形成一双极接面晶体管(bipolar junction transistor,BJT),其中,该JFET与该BJT并联。
附图说明
图1显示一种现有IGBT100的剖视示意图;
图2A-2E显示本发明的第一个实施例;
图3A-3D显示本发明的第二个实施例。
图中符号说明
11 P型阳极
12 N型区
13 P型区
14 N型阴极
15,24,34 栅极
16 N型缓冲层
21,31 GaN基板
22a,22b,32a,32b GaN层
25,26,27 导电层
38 二维电子云(2-D electron gas,2DEG)
39 AlGaN阻障层
100,200,300 IGBT
211,311 上表面
221,321 侧壁
241,341 侧板
具体实施方式
本发明中的图式均属示意,主要意在表示制程步骤以及各层之间的上下次序关系,至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。
图2A-2E显示本发明的第一个实施例。图2A-2E显示根据本发明的绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)200的制造流程剖视示意图。如图2A所示,首先,提供氮化镓(gallium nitride,GaN)基板21,具有上表面211。GaN基板21例如但不限于为N型或纯质导电型。接下来如图2B所示,于上表面上211上,形成GaN层22a与GaN层22b,例如但不限于为P型,且GaN层22a具有侧壁221垂直于上表面211。接下来如图2C所示,于GaN层22a上形成GaN层23,其例如但不限于为导电型与P型相反的N型或纯质导电型,且GaN层23与GaN基板21间,由GaN层22a隔开。接下来如图2D所示,于GaN基板21上形成栅极24,且栅极24具有侧板241(如图中虚框线所示意),其于横向上(如图中实线箭号所示意),邻接于侧壁221,以控制通道。接下来如图2E所示,形成导电层25、26、27,分别与GaN层22b、GaN层23、与GaN层22电连接,较佳地形成欧姆接触,以作为GaN层22b、GaN层23、与GaN层22的电性接点。其中,GaN基板21、GaN层22a、GaN层23与栅极24形成接面场效晶体管(junctionfield effect transistor,JFET),且GaN层22a、GaN层22b与GaN基板21形成双极接面晶体管(bipolar junction transistor,BJT),其中,JFET与BJT并联。需说明的是,前述侧板241所控制的通道是指当IGBT200中的JFET于导通操作时,所形成的主要电流路径。本实施例根据本发明,在JFET于导通操作时,会在前述通道中,形成二维电子云(2-Delectron gas,2DEG)(如图中虚线所示意),其中的电流即为前述BJT的基极电流,用以控制BJT的射极-集极电流。BJT的基极电流与射极-集极电流为本领域技术人员所熟知,在此不予赘述。
本发明主要的概念在于,第一,不同于现有技术IGBT是垂直结构,本发明IGBT为横向结构。相较于垂直结构的IGBT,根据本发明,横向结构的IGBT可整合于其它半导体元件制程,例如但不限于为肖特基位障二极管(Schottky-barrier diode,SBD)或高电子迁移率晶体管(highelectron mobility transistor,HEMT)等元件的制程中。因此,可节省制造成本并降低产品的尺寸。第二。不同于现有技术IGBT所具有的硅基板或碳化硅基板,根据本发明的IGBT包括GaN基板,可大幅改善操作速度,使得根据本发明的IGBT相较于现有技术,可以更快速切换,而可适用于高频元件,增加IGBT的应用范围。
图3A-3D显示本发明的第二个实施例。本实施例旨在说明根据本发明,IGBT300相较于第一个实施例IGBT200,可更包含氮化铝镓(aluminum gallium nitride,AlGaN)阻障层39,形成于上表面311上,并覆盖侧壁321,且栅极34与GaN基板31及GaN层32a间,由AlGaN阻障层39隔开。图3A-3D显示根据本发明的IGBT300的制造流程剖视示意图。如图3A所示,首先,提供氮化镓(gallium nitride,GaN)基板31,具有上表面311。GaN基板31例如但不限于为N型或纯质导电型。接下来如图3B所示,于上表面上311上,形成GaN层32a与32b,例如但不限于为P型,且GaN层32a具有侧壁321垂直于上表面311。接下来如图3C所示,于GaN层32a上形成GaN层33,其例如但不限于为导电型与P型相反的N型或纯质导电型,且GaN层33与GaN基板31间,由GaN层32a隔开。接下来如图3D所示,于GaN基板31上形成AlGaN阻障层39与栅极34,且栅极34具有侧板341(如图中虚框线所示意),其于横向上(如图中实线箭号所示意),邻近于侧壁321,以控制通道。如图所示,在横向上,侧板341邻接AlGaN阻障层39,且AlGaN阻障层39邻接于GaN层32的侧壁321。其中,GaN基板31、GaN层32a、GaN层33、AlGaN阻障层39与栅极34形成金属氧化物半导体场效晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET),且GaN层32a、GaN层32b与GaN基板31形成BJT,其中,MOSFETFET与BJT并联。
需说明的是,前述侧板341所控制的通道是指当IGBT200中的MOSFET于导通操作时,所形成的主要电流路径。本实施例根据本发明,在MOSFET于导通操作时,会在前述通道中,形成二维电子云(2-Delectron gas,2DEG)38(如图中虚线所示意),其中的电流即为前述BJT的基极电流,用以控制BJT的射极-集极电流。2DEG38可大幅改善操作速度,使得IGBT300相较于现有技术,可以更快速切换;此外,2DEG38亦可以降低导通阻值,使得IGBT300操作时有更佳的电子特性
以上已针对较佳实施例来说明本发明,只是以上所述,仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容,并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下,本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如,本发明所称“侧壁221垂直于上表面211”,并不表示必须绝对无误差地恰好垂直,而应视为可容许有微幅的偏离;又如,在不影响元件主要的特性下,可加入其它制程步骤或结构,如深井区等。本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。
Claims (8)
1.一种绝缘栅双极晶体管,其特征在于,包含:
一氮化镓基板,具有一上表面;
一第一氮化镓层,具有第一导电型,形成于该上表面上,且该第一氮化镓层具有一侧壁,垂直于该上表面;
一第二氮化镓层,具有第一导电型,形成于该上表面上;
一第三氮化镓层,具有与第一导电型相反的第二导电型或纯质导电型,形成于该第一氮化镓层上,且该第三氮化镓层与该氮化镓基板间,由该第一氮化镓层隔开;以及
一栅极,形成于该氮化镓基板上,且该栅极具有一侧板,于一横向上,邻近或邻接于该侧壁,以控制一通道;
其中,该第二氮化镓层与该第一氮化镓层之间,由该栅极隔开。
2.如权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管,其中,还包含一氮化铝镓阻障层,形成于该上表面上,并覆盖该侧壁,且该栅极与该氮化镓基板及该第一氮化镓层间,由该氮化铝镓阻障层隔开。
3.如权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管,其中,该氮化镓基板、该第一氮化镓层、该第三氮化镓层与该栅极形成一接面场效晶体管,且该第一氮化镓层、该第二氮化镓层与该氮化镓基板形成一双极接面晶体管,其中,该接面场效晶体管与该双极接面晶体管并联。
4.如权利要求2所述的绝缘栅双极晶体管,其中,该氮化镓基板、该第一氮化镓层、该第三氮化镓层、该氮化铝镓层、与该栅极形成一金属氧化物半导体场效晶体管,且该第一氮化镓层、该第二氮化镓层与该氮化镓基板形成一双极接面晶体管,其中,该金属氧化物半导体场效晶体管与该双极接面晶体管并联。
5.一种绝缘栅双极晶体管制造方法,其特征在于,包含:
提供一氮化镓基板,具有一上表面;
形成一第一氮化镓层于该上表面上,具有第一导电型,且该第一氮化镓层具有一侧壁,垂直于该上表面;
形成一第二氮化镓层于该上表面上,具有第一导电型;
形成一第三氮化镓层于该第一氮化镓层上,具有与第一导电型相反的第二导电型或纯质导电型,且该第三氮化镓层与该氮化镓基板间,由该第一氮化镓层隔开;以及
形成一栅极于该氮化镓基板上,且该栅极具有一侧板,于一横向上,邻近或邻接于该侧壁,以控制一通道;
其中,该第二氮化镓层与该第一氮化镓层之间,由该栅极隔开。
6.如权利要求5所述的绝缘栅双极晶体管制造方法,其中,还包含:形成一氮化铝镓阻障层于该上表面上,并覆盖该侧壁,且该栅极与该氮化镓基板及该第一氮化镓层间,由该氮化铝镓阻障层隔开。
7.如权利要求5所述的绝缘栅双极晶体管制造方法,其中,该氮化镓基板、该第一氮化镓层、该第三氮化镓层与该栅极形成一接面场效晶体管,且该第一氮化镓层、该第二氮化镓层与该氮化镓基板形成一双极接面晶体管,其中,该接面场效晶体管与该双极接面晶体管并联。
8.如权利要求6所述的绝缘栅双极晶体管制造方法,其中,该氮化镓基板、该第一氮化镓层、该第三氮化镓层、该氮化铝镓层、与该栅极形成一金属氧化物半导体场效晶体管,且该第一氮化镓层、该第二氮化镓层与该氮化镓基板形成一双极接面晶体管,其中,该金属氧化物半导体场效晶体管与该双极接面晶体管并联。
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