CN107154430B - 双向开关晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双向开关晶体管，包括：衬底、器件层和在所述器件层上刻蚀的用于隔断所述器件层中的二维电子气的第一阻隔沟道和第二阻隔沟道，第一阻隔层上形成有第一栅极驱动层第二阻隔层上形成有与第一栅极驱动层连接的第二栅极驱动层，所述第一栅极驱动层和所述第二栅极驱动层通过与外部电源连接的第三栅极驱动层连接。本发明的双向开关晶体管，通过第一栅极驱动层、第二栅极驱动层和第三栅极驱动层作为整个晶体管的驱动电极，嵌入在器件层中，与现有技术的两个MOSFET相比，该双向开关晶体管只采用一个栅极驱动，减小了整个集成电路的尺寸，并且在反向导通模式下减少器件产生的损耗，提高器件的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件技术，特别是涉及双向开关晶体管。
背景技术
随着高效完备的功率转换电路和系统需求的日益增加，具有低功耗和高速特性的功率器件最近吸引了很多关注。
为了进一步改善功率转换效率，将功率开关的寄生元件损耗最小化是非常重要的。当开关晶体管用于逆变器和转换器电路，双向操作是减少元件数量和改善开关效率的很好方法。
然而传统的开关晶体管是通过两个金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,简称MOSFET)作为驱动，与四个二极管连接在一起，以实现对四个二极管的驱动，但是现有技术中，采用MOSFET作为驱动，在反向导通模式下功耗大，而且器件的尺寸也大。
发明内容
本发明的目的是提供一种双向开关晶体管，用以解决现有技术开关晶体管在反向导通模式下功耗大，而且器件的尺寸也大的问题。
本发明提供了一种双向开关晶体管，包括：衬底、形成于所述衬底上的器件层和在所述器件层上刻蚀的用于隔断所述器件层中的二维电子气的第一阻隔沟道和第二阻隔沟道，所述器件层上、第一阻隔沟道中、第二阻隔沟道中形成有阻隔层；
所述第一阻隔沟道中的第一阻隔层与所述衬底之间还形成有用于连接所述器件层的第一金属层，所述第二阻隔沟道中形成的第二阻隔层与所述衬底之形成有连接所述器件层的第二金属层；
所述第一阻隔层上形成有第一栅极驱动层，所述第二阻隔层上形成有与所述第一栅极驱动层连接的第二栅极驱动层，所述第一栅极驱动层和所述第二栅极驱动层通过与外部电源连接的第三栅极驱动层连接。
本发明提供的双向开关晶体管，通过第一栅极驱动层、第二栅极驱动层和第三栅极驱动层作为整个晶体管的驱动电极，嵌入在器件层中，与现有技术的两个MOSFET相比(相当于两个驱动源)，本发明中的双向开关晶体管只采用一个栅极驱动，因而减小了整个集成电路的尺寸，并且，减少一个栅极驱动，也可以在反向导通模式下减少器件产生的损耗，提高器件的效率。
附图说明
图1为本发明实施例的双向开关晶体管的俯视结构示意图；
图2为图1的A-A向剖面图；
图3为本发明实施例二提供的双向开关晶体管的俯视结构示意图；
图4为图3的A-A向剖面图；
图5为本发明实施例二提供的双向开关晶体管的等效电路图；
图6为本发明实施例三提供的双向开关晶体管的俯视结构示意图；
图7为图6的A-A向剖面图；
图8A-8E为本发明实施例四提供的制作双向开关晶体管的各步骤的剖面结构示意图。
附图标记
11-衬底； 12-器件层； 121-第一阻隔沟道；
122-第二阻隔沟道； 13-阻隔层； 131-第一阻隔层；
151-第一金属层； 132-第二阻隔层； 152-第二金属层；
133-第三阻隔层； 141-第一栅极驱动层； 142-第二栅极驱动层；
143-第三栅极驱动层； 161-氮化镓缓冲层； 162-铝镓氮势垒层；
171-第一肖特基层； 172-第二肖特基层； 173-第三肖特基层；
181-第一欧姆接触层； 182-第二欧姆接触层； 183-第三欧姆接触层；
191-第一开关层； 192-第二开关层。
具体实施方式
实施例一
本实施例提供一种双向开关晶体管，图1为本发明实施例的双向开关晶体管的俯视结构示意图，图2为图1的A-A向剖面图，如图1和图2所示，该双向开关晶体管包括：衬底11、形成于衬底11上的器件层12和在器件层12上刻蚀的、用于隔断器件层12中的二维电子气的第一阻隔沟道121和第二阻隔沟道122，器件层12上、第一阻隔沟道121中、第二阻隔沟道122中形成有阻隔层13。
其中，第一阻隔沟道121中的第一阻隔层131与衬底11之间还形成有用于连接器件层12的第一金属层151，第二阻隔沟道122中的第二阻隔层132与衬底11之形成有连接器件层12的第二金属层152。
这里需要说明的是，为了便于描述，将形成与第一阻隔沟道121中的阻隔层记为第一阻隔层131，将形成在第二阻隔沟道122中的阻隔层记为第二阻隔层132，将形成在器件层12上的阻隔层记为第三阻隔层133。
第一阻隔层131上形成有第一栅极驱动层141，第二阻隔层132上形成与第一栅极驱动层141连接的第二栅极驱动层142，第一栅极驱动层141和第二栅极驱动层142通过与外部电源连接的第三栅极驱动层143连接的。
可选的，衬底11为硅衬底。器件层12主要是用于形成有多个二极管，具体的，形成二极管的材料和工艺并不加以限定，可以采用现有技术中的工艺方法进行制成。
优选的，为了保证器件的对称性，第一阻隔沟道121和第二阻隔沟道122的延伸方向相同。第一阻隔沟道121和第二阻隔沟道122用于阻隔各器件层之间的二维电子气。
在驱动器件层12时，即控制各个开关器件开启时，第三栅极驱动层143与外部电源连接，通过第一栅极驱动层141和第二栅极驱动层142驱动器件层12。具体的，是通过第一金属层151和第二金属层152将被隔断的各器件层12连接起来，使得整个器件层12通电，进而使得各开关器件开启。
需要说明的是，本实施例中以“第一栅极驱动层”和“第二栅极驱动层”、“第三栅极驱动层”仅仅是为了方便描述，并不代表“第一栅极驱动层”和“第二栅极驱动层”、“第三栅极驱动层”为相互独立的部件，在具体形成栅极驱动时，“第一栅极驱动层”和“第二栅极驱动层”、“第三栅极驱动层”可以同时形成，作为一个部件。
可选的，阻隔层13可以为二氧化硅或者氮化硅中的任一一种或多种。阻隔层能够阻挡杂质离子朝向衬底11扩散。
本实施例中提供的双向开关晶体管，通过第一栅极驱动层141、第二栅极驱动层142和第三栅极驱动层143作为整个晶体管的驱动电极，嵌入在器件层12中，与现有技术的两个MOSFET相比(相当于两个驱动源)，本实施例中的双向开关晶体管只采用一个栅极驱动，因而减小了整个集成电路的尺寸，并且，减少一个栅极驱动，也可以在反向导通模式下减少器件产生的损耗，提高器件的效率。
实施例二
在实施例一的基础上，本实施例对器件层12的具体结构进行说明。图3为本发明实施例二提供的双向开关晶体管的俯视结构示意图，图4为图3的A-A向剖面图，如图3和图4所示，该双向开关晶体管中，可选的，第一栅极驱动层141、第二栅极驱动层142、第三栅极驱动层143的材料相同，均包括：镍层和形成在所述镍层上的金层。
另外，器件层12包括：形成于衬底11上的氮化镓缓冲层161、在氮化镓缓冲层161上形成的、以与氮化镓缓冲层161形成二维电子气的铝镓氮势垒层162。
其中，铝镓氮势垒层162和氮化镓缓冲层161的异质结处可以形成高浓度、高迁移率的二维电子气，同时异质结对二维电子气具有良好的调节作用。
另外，氮化镓具有大禁带宽度、高电子饱和速率、高击穿电场，较高热导率，耐腐蚀和抗辐射性能，可以抗高压、高频、高温、大功率和辐照环境。
另外，形成在铝镓氮势垒层162上的阻隔层133中内嵌有的肖特基层和欧姆接触层。
具体的，肖特基层包括：第一肖特基层171、第二肖特基层172、第三肖特基层173。
欧姆接触层包括：第一欧姆接触层181、第二欧姆接触层182、第三欧姆接触层183。
其中，第一肖特基层171、第二肖特基层172、第三肖特基层173、第一欧姆接触层181、第二欧姆接触层182、第三欧姆接触层183呈阵列分布。
具体的，第三欧姆接触层183、第一肖特基层171和第二肖特基层172位于一排，第三欧姆接触层183形成于第一肖特基层171和第二肖特基层172之间。第三肖特基层173、第一欧姆接触层181和第二欧姆接触层182位于一排，第三肖特基层173形成于第一欧姆接触层181和第二欧姆接触层182之间。第一肖特基层171和第一欧姆接触层181位于一列，第二肖特基层172和第二欧姆接触层182位于一列，第三欧姆接触层183和第三肖特基层173位于一列。
具体的，第一肖特基层171和第三欧姆接触层183可以等效为一个二极管，第三欧姆接触层183和第二肖特基层172等效为一个二极管，第一欧姆接触层181和第三肖特基层173等效为一个二极管，第三肖特基层173和第二欧姆接触层182等效为一个二极管，即整个器件层中包括了四个二极管，四个二极管通过第一栅极驱动层141和第二栅极驱动层142进行驱动。图5为本发明实施例二提供的双向开关晶体管的等效电路图，具体结构可以如图5所示。
另外，可选的，欧姆接触层包括：依次形成在铝镓氮势垒层162上的第一钛金属层、第一铝金属层、第二钛金属层、第一氮化钛金属层。
肖特基层包括：依次形成在所述铝镓氮势垒层上的第二氮化钛金属层、第三钛金属层、第二铝金属层、第四钛金属层、第三氮化钛金属层。
需要说明的是，本实施例中的“欧姆接触层”可以为第一欧姆接触层、第二欧姆接触层、第三欧姆接触层中的任意一种或多种。
同样的，“肖特基层”为第一肖特基层、第二肖特基层和第三肖特基层中的任意一种或多种。
本实施例提供了一种双向开关晶体管，该晶体管中包括阵列排布的欧姆接触层和肖特基层，进而形成多个二极管，通过采用一个栅极驱动，对上述多个二极管进行驱动，由于本实施例中的晶体管中仅采用了一个栅极驱动，因而减小了整个集成电路的尺寸，并且，减少一个栅极驱动，也可以在反向导通模式下减少器件产生的损耗，提高器件的效率。
实施例三
在上述实施例一和实施例二的基础上，优选的，图6为本发明实施例三提供的双向开关晶体管的俯视结构示意图，图7为图6的A-A向剖面图，如图6和图7所示，该双向开关晶体管，还包括：分别形成于器件层12两端的第一开关层191和第二开关层192，其中，第一开关层191和第二开关层192的延伸方向与第一阻隔沟道121平行。
其中，第一开关层191和第二开关层192主用用于与外部电路进行连接。可选的，第一开关层191和第二开关层192均为铝硅铜。
本实施例提供了一种双向开关晶体管，该晶体管中包括第一开关层191和第二开关层192，通过第一开关层191和第二开关层192可以便于与外部电路连接。
实施例四
为了便于理解，本实施例提供一种双向开关晶体管的制作方法，应用该方法可以形成上述实施例一种所提供的双向开关晶体管，图8A-8E为本发明实施例四提供的制作双向开关晶体管的各步骤的剖面结构示意图，该制作方法包括：
步骤101，如图8A所示，在衬底11上形成器件层12；
步骤102，如图8B所示，刻蚀器件层12，以形成第一阻隔沟道和第二阻隔沟道，其中第一阻隔沟道121与衬底11之间的器件层12作为第一金属层151，第二阻隔沟道122与衬底11之间的器件层12作为第二金属层152。
步骤103，如图8C所示，在所述器件层上、所述第一阻隔沟道121和所述第二阻隔沟道122中形成隔离层13。
这里需要说明的是，为了便于描述，将形成与第一阻隔沟道121中的阻隔层记为第一阻隔层131，将形成在第二阻隔沟道122中的阻隔层记为第二阻隔层132，将形成在器件层12上的阻隔层记为第三阻隔层133。
步骤104，如图8D所示，在所述第一阻隔沟道121中的第一阻隔层131、以及所述第二阻隔沟道122中的第二阻隔层132中形成栅极驱动层，其中，第一阻隔层131上形成的栅极驱动层记为第一栅极驱动层141，第二阻隔层132上形成的栅极驱动层记为第二栅极驱动层141，其中，与外部电源连接的第三栅极驱动层141形成于与第一阻隔沟道121垂直的第三阻隔沟道(图中未示出)中。
步骤105，如图8E和图3所示，以预设图案刻蚀阻隔层13，以形成用于容置欧姆接触层和肖特基层的凹槽，并在所述凹槽内形成欧姆接触层和肖特基层。
具体的，肖特基层和欧姆接触层呈阵列分布，肖特基层包括：第一肖特基层171、第二肖特基层172、第三肖特基层173。
欧姆接触层包括：第一欧姆接触层181、第二欧姆接触层182、第三欧姆接触层183。
其中，第三欧姆接触层183、第一肖特基层171和第二肖特基层172位于一排，第三欧姆接触层183形成于第一肖特基层171和第二肖特基层172之间。第三肖特基层173、第一欧姆接触层181和第二欧姆接触层182位于一排，第三肖特基层173形成于第一欧姆接触层181和第二欧姆接触层182之间。第一肖特基层171和第一欧姆接触层181位于一列，第二肖特基层172和第二欧姆接触层182位于一列，第三欧姆接触层183和第三肖特基层173位于一列。
具体的，第一肖特基层171和第三欧姆接触层183可以等效为一个二极管，第三欧姆接触层183和第二肖特基层172等效为一个二极管，第一欧姆接触层181和第三肖特基层173等效为一个二极管，第三肖特基层173和第二欧姆接触层182等效为一个二极管，即整个器件层中包括了四个二极管，四个二极管通过第一栅极驱动层141和第二栅极驱动层142进行驱动。
本实施例中提供的双向开关晶体管制作方法，通过第一栅极驱动层141、第二栅极驱动层142和第三栅极驱动层143作为整个晶体管的驱动电极，嵌入在器件层12中，与现有技术的两个MOSFET相比(相当于两个驱动源)，本实施例中的双向开关晶体管只采用一个栅极驱动，因而减小了整个集成电路的尺寸，并且，减少一个栅极驱动，也可以在反向导通模式下减少器件产生的损耗，提高器件的效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种双向开关晶体管，其特征在于，包括：
衬底、形成于所述衬底上的器件层和在所述器件层上刻蚀的用于隔断所述器件层中的二维电子气的第一阻隔沟道和第二阻隔沟道，所述器件层上、第一阻隔沟道中、第二阻隔沟道中形成有阻隔层；
所述第一阻隔沟道中的第一阻隔层与所述衬底之间还形成有用于连接所述器件层的第一金属层，所述第二阻隔沟道中形成的第二阻隔层与所述衬底之形成有连接所述器件层的第二金属层；
所述第一阻隔层上形成有第一栅极驱动层，所述第二阻隔层上形成有与所述第一栅极驱动层连接的第二栅极驱动层，所述第一栅极驱动层和所述第二栅极驱动层通过与外部电源连接的第三栅极驱动层连接；
所述器件层包括：形成于衬底上的氮化镓缓冲层，以及在所述氮化镓缓冲层上形成的、以与氮化镓缓冲层形成二维电子气的铝镓氮势垒层；
其中，形成在铝镓氮势垒层上的阻隔层中内嵌有肖特基层和欧姆接触层；
所述肖特基层包括：第一肖特基层、第二肖特基层、第三肖特基层；
所述欧姆接触层包括：第一欧姆接触层、第二欧姆接触层、第三欧姆接触层；
所述第一肖特基层、所述第二肖特基层、所述第三肖特基层、所述第一欧姆接触层、所述第二欧姆接触层、所述第三欧姆接触层呈阵列分布；
所述第三欧姆接触层、第一肖特基层和所述第二肖特基层位于一排，所述第三欧姆接触层形成于所述第一肖特基层和所述第二肖特基层之间；
所述第三肖特基层、第一欧姆接触层和所述第二欧姆接触层位于一排，所述第三肖特基层形成于所述第一欧姆接触层和所述第二欧姆接触层之间；
所述第一肖特基层和所述第一欧姆接触层位于一列，所述第二肖特基层和所述第二欧姆接触层位于一列，所述第三欧姆接触层和所述第三肖特基层位于一列。
2.根据权利要求1所述的双向开关晶体管，其特征在于，所述第一栅极驱动层、所述第二栅极驱动层、所述第三栅极驱动层的材料相同，均包括：镍层和形成在所述镍层上的金层。
3.根据权利要求1所述的双向开关晶体管，其特征在于，所述欧姆接触层包括：依次形成在所述铝镓氮势垒层上的第一钛金属层、第一铝金属层、第二钛金属层、第一氮化钛金属层。
4.根据权利要求1所述的双向开关晶体管，其特征在于，所述肖特基层包括：依次形成在所述铝镓氮势垒层上的第二氮化钛金属层、第三钛金属层、第二铝金属层、第四钛金属层、第三氮化钛金属层。
5.根据权利要求1-4任一项所述的双向开关晶体管，其特征在于，还包括：分别形成于所述器件层两端的第一开关层和第二开关层；所述第一开关层和第二开关层的延伸方向均与所述第一阻隔沟道平行。
6.根据权利要求5所述的双向开关晶体管，其特征在于，所述第一开关层和所述第二开关层均为铝硅铜。
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