CN107768439B - 非对称闭锁双向氮化镓开关 - Google Patents

非对称闭锁双向氮化镓开关 Download PDF

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Abstract

一种高电子迁移率晶体管(HEMT)氮化镓(GaN)双向闭锁器件包括一个异质结结构，包括两个不同带隙的第一半导体层和第二半导体层相交接，从而将交界面层制成一个二维电子气(2DEG)层。HEMT GaN双向闭锁器件还包括一个第一源极/漏极电极和一个第二源极/漏极电极，位于所述的异质结结构上方的栅极电极的两个对边上，用于控制2DEG层中第一和第二源极/漏极电极之间的电流，其中栅极电极与第一源极/漏极电极相距第一距离，与第二源极/漏极电极相距第二距离，第一距离不同于第二距离。

Description

非对称闭锁双向氮化镓开关
技术领域
本发明主要关于半导体功率器件的制备工艺及结构。更确切地说，本发明是关于非对称闭锁氮化镓(GaN)开关。
背景技术
配置和制备氮化镓(GaN)基场效应晶体管(FET)的传统方法，仍然面临提供双向非对称闭锁性能用作双向开关的技术困难。经常需要提供横向GaN基非对称闭锁功能，用于直流高压降压转换器和双升压无桥PFC等器件。
然而，由于闭锁开关传统应用的局限性，无法实现非对称闭锁的优势。确切地说，对于双向开关应用来说，通常配置RB-IGBT器件和对称双向闭锁GaN开关。硅基双向闭锁器件为垂直器件，从本质上说是对称的。如图1A、1B、1C、1D和1E所示的GaN器件通常优化对称闭锁性能，对称闭锁性能由Rds,on设置，反之由对称场镀电容显示。
因此，有必要提出带有非对称闭锁性能的双向GaN闭锁开关的新型改良器件结构和制备方法，从而克服上述困难与局限。
发明内容
因此，本发明的一个方面在于，提出了提供高电子迁移率晶体管(HEMT)功率器件的新型改良器件结构和制备方法，具有非对称双向闭锁开关的功能，从而解决上述难题与局限。
确切地说，本发明的一个方面在于提出了半导体GaN基HEMT功率器件的改良器件结构和制备方法，具有非对称双向闭锁功能，用于切换不对称电压应力，使得Rds-on和电容损耗最低，从而降低常用于传统设计的对称闭锁开关中不必要的损耗。
本发明的另一方面在于提出了GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)功率器件改良的器件结构和制备方法，该功率器件具有优化的横向结构，用于设计和制备非对称闭锁开关，使得具有不同寄生电感的常用布局限制，使得更好地理解和控制非对称闭锁和非对称电压过冲，作为设计和制备工艺的一部分。
本发明的另一方面在于提出了具有非对称闭锁性能的半导体GaN基HEMT功率器件改良的器件结构和制备方法，通过配置单独的或双栅极结构，使得开关器件的切换功能和性能可以更加灵活、方便地控制。
本发明的较佳实施例主要提出了一种高电子迁移率晶体管(HEMT)氮化镓(GaN)双向闭锁器件，包括一个异质结结构，由一个第一半导体层交界两个不同带隙的第二半导体层，从而生成一个交界面层，作为二维电子气(2DEG)层。HEMT GaN双向闭锁器件还包括一个第一源极/漏极电极和一个第二源极/漏极，位于异质结结构上方的栅极电极两个不同的边上，用于控制2DEG层中第一和第二个源极/漏极电极之间的电流流动，其中栅极电极位于与第一源极/漏极电极相距第一距离处，以及与第二源极/漏极电极相距第二距离处，第一距离与第二距离不同。
阅读以下详细说明并参照附图之后，本发明的这些和其他的特点和优势，对于本领域的技术人员而言，无疑将显而易见。
附图说明
图1A至1E表示传统的GaN基HEMT对称闭锁开关器件的剖面图和电路图。
图2至5表示作为本发明不同的较佳实施例，非对称闭锁开关器件的剖面图。
图6A至6G表示本发明制备器件的工艺步骤的一系列剖面图。
图7A至7H表示本发明制备器件的工艺步骤的一系列剖面图。
图8A至8I表示本发明制备器件的工艺步骤的一系列剖面图。
图9A至9G表示本发明制备器件的工艺步骤的一系列剖面图。
图10A至10H表示本发明制备器件的工艺步骤的一系列剖面图。
图11A至11I表示本发明制备器件的工艺步骤的一系列剖面图。
具体实施方式
参见图2，对于双向GaN开关的剖面图，作为本发明的高电子迁移率晶体管(HEMT)半导体功率器件100。双向GaN开关器件100包括一个AlGaN层120，外延生长在氮化镓(GaN)层115上方，从而在交界面处构成一个AlGaN/GaN异质结。AlGaN/GaN异质结结构位于衬底105上的缓冲层110上。第一电极140-1和第二电极140-2位于栅极电极135的两个对边上，以控制流经AlGaN和GaN层交界面之间的异质结的双向电流。栅极电极135与AlGaN层120绝缘。为了将双向GaN开关配置成非对称闭锁开关，第一电极140-1和栅极135之间的距离(即LGS1/D2)不同于第二电极140-2和栅极135之间的距离(即LGS2/D1)。因此，在如图2所示的该双向GaN HEMT单栅极器件中，之所以设计非对称闭锁是因为栅极到各自的源极/漏极区的距离不同，即LGD1≠LGD2。此外，栅极135上的场板135-FP1和135-FP2也是非对称的，以获得非对称闭锁。
图2A表示本发明与图2所示的器件类似的非对称双向GaN开关的另一个示例。唯一的不同在于本实施例的栅极135P作为p-型AlGaN栅极。
参见图3所示的双向非对称闭锁开关的剖面图，作为本发明的GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)半导体功率器件200。双向GaN开关器件200包括一个AlGaN层120，外延生长在氮化镓(GaN)层115上方，从而在交界面处构成一个AlGaN/GaN异质结。AlGaN/GaN异质结结构位于衬底105上的缓冲层110上。第一电极140-1和第二电极140-2位于AlGaN层120顶面的两个对边上。非对称闭锁开关还包括双栅极135-1和135-2，分别位于场板140-1-FP和140-2-FP下方。
为了将双向闭锁开关配置成非对称闭锁开关，第一和第二个漏极/源极电极的场板，即所形成的第一场板LSD-FP1具有与第二场板LSD-FP2不同的长度。栅极和电极之间的距离，即LGS1和LGS2也可以具有非对称结构。
参见图4对于双向非对称闭锁开关的剖面图，作为本发明所述的单独栅极金属绝缘物半导体场效应晶体管(MISFET)半导体功率器件300。双向GaN开关器件300包括一个AlGaN层120外延生长在氮化镓(GaN)层115上方，从而在交界面处构成一个AlGaN/GaN异质结。AlGaN/GaN异质结结构位于衬底105上的缓冲层110上。双向非对称闭锁开关300还包括一个盖帽/钝化层125，作为高电阻层，例如GaN/SiN/SiO2层，盖帽/钝化层125为2至200纳米的薄层。盖帽/钝化层125可以用作含有SiN或SiO2的钝化层或栅极电介质层。
第一电极140-1和第二电极140-2位于栅极电极135的两个对边上，以控制流经AlGaN和GaN层交界面之间异质结的双向电流。为了将双向GaN开关配置成非对称闭锁开关，第一电极140-1和栅极135之间的距离(即LGS1/D2)不同于第二电极140-2和栅极135之间的距离(即LGS2/D1)。因此，在如图4所示的该双向GaN HEMT单栅极器件中，之所以设计非对称闭锁是因为栅极到各自的源极/漏极区的距离不同，即LGD1≠LGD2。此外，栅极135上的场板135-FP1和135-FP2也是非对称的，以获得非对称闭锁。
参见图5，本发明的一个可选实施例的剖面图。双向开关用作双向GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)半导体功率器件400。双向GaN开关器件400包括一个AlGaN层120外延生长在氮化镓(GaN)层115上方，从而在交界面处构成一个AlGaN/GaN异质结。AlGaN/GaN异质结结构位于衬底105上的缓冲层110上。第一电极140-1和第二电极140-2位于栅极电极的两个对边上，以控制流经AlGaN和GaN层交界面之间的异质结的双向电流。栅极电极135T作为带沟槽的栅极，通过绝缘层125T与AlGaN层120绝缘。为了将双向GaN开关配置成非对称闭锁开关，第一电极140-1和栅极135T(即LGS1/D2)不同于第二电极140-2和栅极135T之间的距离(即LGS2/D1)。因此，在如图5所示的该双向GaN HEMT单栅极器件中，之所以设计非对称闭锁是因为栅极到各自的源极/漏极区的距离不同，即LGD1≠LGD2。此外，栅极135上的场板135-FP1和135-FP2也是非对称的，以获得非对称闭锁。
图6A至6G所示一系列的剖面图，表示制备本发明所述的双向非对称中心MIS栅极闭锁GaN开关的工艺步骤。在图6A中，工艺流程从衬底105开始。衬底105可以是硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或蓝宝石衬底。在图6B中，生长外延层110作为缓冲层。可以通过不同的方法生长缓冲层，并且缓冲层可以是含有GaN、ALN、AlGaN等层的组合层。缓冲层110可以作为外延层生长，根据实际应用的电压，缓冲层110的厚度范围为0.25μm至7μm。缓冲层110可以掺杂Fe、C，或者也可以是无意掺杂。在图6C中，生长一个含有GaN外延层115的通道层。通道层的厚度范围为100至400纳米(nm)。在图6D中，生长一个势垒层120。势垒外延层120可以由AlxGa1-xN(例如0.18<x<28)制成，厚度范围为10至30nm，或者由AlN制成，厚度范围为2至10nm。势垒外延层120由带隙大于GaN的材料制成。在图6E中，沉积一个盖帽/钝化层125。盖帽或钝化层可以是一个高阻层，例如一层GaN/SiN/SiO2，并且作为一个薄层，范围为2至200纳米。盖帽/钝化层125可以作为一层绝缘物，起钝化的作用或由SiN或SiO2制成的栅极电介质层的作用。在图6F中，利用标准工艺制备源极/漏极欧姆接触，以制备由Ti、Al、Ni或Au金属制成的金属接头130-1和130-2。在图6G中，利用工艺制备栅极/场板135和源极/漏极场板140-1和140-2。栅极135和源极/漏极场板140-1和140-2的结构，取决于器件电压以及上述非对称闭锁开关的外延设计。
图7A至7H所示一系列剖面图，表示制备本发明所述的带有非对称中心栅极的双向非对称中心P-型栅极闭锁GaN开关的工艺步骤。在图7A中，工艺流程从衬底105开始。衬底105可以是硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或蓝宝石衬底。在图7B中，生长一个外延层110，作为缓冲层。可以通过不同的方法生长缓冲层，并且缓冲层可以是含有GaN、ALN、AlGaN等层的组合层。缓冲层110可以作为外延层生长，根据实际应用的电压，缓冲层110的厚度范围为0.25μm至7μm。缓冲层110可以掺杂Fe、C，或者也可以是无意掺杂。在图7C中，生长一个含有GaN外延层115的通道层。通道层的厚度范围为100至400纳米(nm)。在图7D中，生长一个势垒层120。势垒外延层120可以由AlxGa1-xN(例如0.18<x<28)制成，厚度范围为10至30nm，或者由AlN制成，厚度范围为2至10nm。势垒外延层120由带隙大于GaN的材料制成。在图7E中，沉积一个P-型外延层150。P-型外延层可以是GaN或AlGaN等类似材料，并掺杂Mg等P-型掺杂物，作为一个薄层，范围为2至200纳米。盖帽/钝化层125可以作为一层绝缘物，起钝化的作用或由SiN或SiO2制成的栅极电介质层的作用。在图7F中，通过刻蚀工艺，形成P-外延层150的图案，用于限定栅极区域。在图7G中，利用标准工艺制备源极/漏极欧姆接触，以制备由Ti、Al、Ni或Au金属制成的金属接头130-1和130-2。在图7H中，沉积一个盖帽/钝化层125。盖帽或钝化层可以是一个高阻层，例如一层GaN/SiN/SiO2，作为一个薄层，范围为2至200纳米。盖帽/钝化层125可以作为一层绝缘物，起钝化作用，或由SiN或SiO2构成的栅极电介质层。然后，利用工艺制备栅极/场板135和源极/漏极场板140-1和140-2。栅极135和源极/漏极场板140-1和140-2的结构，取决于器件电压以及上述非对称闭锁开关的外延设计。
图8A至8I所示的一系列剖面图，表示制备本发明所述的双向非对称中心沟槽MIS-栅极闭锁GaN开关的工艺步骤。在图8A中，工艺流程从衬底105开始。衬底105可以是硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或蓝宝石衬底。在图8B中，生长一个外延层110，作为缓冲层。可以通过不同的方法生长缓冲层，并且缓冲层可以是含有GaN、ALN、AlGaN等层的组合层。缓冲层110可以作为外延层生长，根据实际应用的电压，缓冲层110的厚度范围为0.25μm至7μm。缓冲层110可以掺杂Fe、C，或者也可以是无意掺杂。在图8C中，生长一个含有GaN外延层115的通道层。通道层的厚度范围为100至400纳米(nm)。在图8D中，生长一个势垒层120。势垒外延层120可以由AlxGa1-xN(例如0.18<x<28)制成，厚度范围为10至30nm，或者由AlN制成，厚度范围为2至10nm。势垒外延层120由带隙大于GaN的材料制成。在图8E中，沉积一个盖帽/钝化层125。盖帽或钝化层可以是一个高阻层，例如一层GaN/SiN/SiO2，并且作为一个薄层，范围为2至200纳米。盖帽/钝化层125可以作为一层绝缘物，起钝化的作用或由SiN或SiO2制成的栅极电介质层的作用。在图8F中，利用标准工艺制备源极/漏极欧姆接触，以制备由Ti、Al、Ni或Au金属制成的金属接头130-1和130-2。在图8G中，利用刻蚀工艺，通过钝化层125和势垒层120刻蚀，在势垒层120中打开栅极沟槽132，以减少二维电子气(2DEG)中的电子。在图8H中，沉积栅极电介质层128。栅极电介质层可以由Si3N4、SiO2或其他高电阻率的材料构成。在图8I中，利用工艺，制备栅极/场板135’和源极/漏极场板140-1和140-2。栅极135’和源极/漏极场板140-1和140-2的结构，取决于器件电压以及上述非对称闭锁开关的外延设计。
图9A至9G所示的一系列剖面图，表示制备本发明所述的双向非对称中心沟槽MIS-栅极闭锁GaN开关的工艺步骤。在图9A中，工艺流程从衬底105开始。衬底105可以是硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或蓝宝石衬底。在图9B中，生长一个外延层110，作为缓冲层。可以通过不同的方法生长缓冲层，并且缓冲层可以是含有GaN、ALN、AlGaN等层的组合层。缓冲层110可以作为外延层生长，根据实际应用的电压，缓冲层110的厚度范围为0.25μm至7μm。缓冲层110可以掺杂Fe、C，或者也可以是无意掺杂。在图9C中，生长一个含有GaN外延层115的通道层。通道层的厚度范围为100至400纳米(nm)。在图9D中，生长一个势垒层120。势垒外延层120可以由AlxGa1-xN(例如0.18<x<28)制成，厚度范围为10至30nm，或者由AlN制成，厚度范围为2至10nm。势垒外延层120由带隙大于GaN的材料制成。在图9E中，沉积一个盖帽/钝化层125。盖帽或钝化层可以是一个高阻层，例如一层GaN/SiN/SiO2，并且作为一个薄层，范围为2至200纳米。盖帽/钝化层125可以作为一层绝缘物，起钝化的作用或由SiN或SiO2制成的栅极电介质层的作用。在图9F中，利用标准工艺制备源极/漏极欧姆接触，以制备由Ti、Al、Ni或Au金属制成的金属接头130-1和130-2。在图9G中，利用工艺，制备由双栅极/场板135-1、135-2和源极/漏极场板140-1和140-2。双栅极135-1和135-2的结构，以及源极/漏极场板140-1和140-2的长度，取决于器件电压和上述非对称闭锁开关的外延设计。
图10A至10H所示的一系列剖面图，表示制备带有本发明所述的非对称中心栅极的双向非对称双P-型栅极闭锁GaN开关的工艺步骤。在图10A中，工艺流程从衬底105开始。衬底105可以是硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或蓝宝石衬底。在图10B中，生长一个外延层110，作为缓冲层。可以通过不同的方法生长缓冲层，并且缓冲层可以是含有GaN、ALN、AlGaN等层的组合层。缓冲层110可以作为外延层生长，根据实际应用的电压，缓冲层110的厚度范围为0.25μm至7μm。缓冲层110可以掺杂Fe、C，或者也可以是无意掺杂。在图10C中，生长一个含有GaN外延层115的通道层。通道层的厚度范围为100至400纳米(nm)。在图10D中，生长一个势垒层120。势垒外延层120可以由AlxGa1-xN(例如0.18<x<28)制成，厚度范围为10至30nm，或者由AlN制成，厚度范围为2至10nm。势垒外延层120由带隙大于GaN的材料制成。在图10E中，沉积一个P-型外延层150。P-型外延层可以是一个掺杂AlGaN的层，并且作为一个薄层，范围为2至200纳米。在图10F中，通过刻蚀工艺，形成P-外延层150的图案，用于限定双栅极的区域150-1和150-2。在图10G中，利用标准工艺制备源极/漏极欧姆接触，以制备由Ti、Al、Ni或Au金属制成的金属接头130-1和130-2。在图10H中，沉积一个盖帽/钝化层125。盖帽或钝化层可以是一个高阻层，例如一层GaN/SiN/SiO2，作为一个薄层，范围为2至200纳米。盖帽/钝化层125可以作为一层绝缘物，起钝化作用，或由SiN或SiO2构成的栅极电介质层。然后，利用工艺制备栅极/场板135和源极/漏极场板140-1和140-2。栅极135-1、135-2和源极/漏极场板140-1和140-2的结构，取决于器件电压以及上述非对称闭锁开关的外延设计。
图11A至11I所示的一系列剖面图，表示制备本发明所述的双向非对称双沟槽MIS-栅极闭锁GaN开关的工艺步骤。在图11A中，工艺流程从衬底105开始。衬底105可以是硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或蓝宝石衬底。在图11B中，生长一个外延层110，作为缓冲层。可以通过不同的方法生长缓冲层，并且缓冲层可以是含有GaN、ALN、AlGaN等层的组合层。缓冲层110可以作为外延层生长，根据实际应用的电压，缓冲层110的厚度范围为0.25μm至7μm。缓冲层110可以掺杂Fe、C，或者也可以是无意掺杂。在图11C中，生长一个含有GaN外延层115的通道层。通道层的厚度范围为100至400纳米(nm)。在图11D中，生长一个势垒层120。势垒外延层120可以由AlxGa1-xN(例如0.18<x<28)制成，厚度范围为10至30nm，或者由AlN制成，厚度范围为2至10nm。势垒外延层120由带隙大于GaN的材料制成。在图11E中，沉积一个盖帽/钝化层125。盖帽或钝化层可以是一个高阻层，例如一层GaN/SiN/SiO2，并且作为一个薄层，范围为2至200纳米。盖帽/钝化层125可以作为一层绝缘物，起钝化的作用或由SiN或SiO2制成的栅极电介质层的作用。在图11F中，利用标准工艺制备源极/漏极欧姆接触，以制备由Ti、Al、Ni或Au金属制成的金属接头130-1和130-2。在图11G中，利用刻蚀工艺，通过钝化层125和势垒层120刻蚀，在势垒层120中打开栅极沟槽132，以减少二维电子气(2DEG)中的电子。在图11H中，在双栅极沟槽132-1和132-2中，沉积栅极电介质层128。栅极电介质层可以由Si3N4、SiO2或其他高电阻率的材料构成。在图11I中，利用工艺，制备双栅极/场板135’-1、135’-2和源极/漏极场板140-1和140-2。双栅极/场板135’-1、135’-2和源极/漏极场板140-1和140-2的结构，取决于器件电压以及上述非对称闭锁开关的外延设计。
尽管本发明已经详细说明了现有的较佳实施例，但应理解这些说明不应作为本发明的局限。对于这些实施例，也有可能使用各种可选、修正和等效方案。因此，本发明的范围不应局限于以上说明，而应由所附的权利要求书及其全部等效内容决定。

Claims (8)

1.一种高电子迁移率晶体管（HEMT）氮化镓（GaN）双向闭锁器件，包括：
一个异质结结构，包括两个不同带隙的第一半导体层与第二半导体层相交接，从而形成一个交界面层，作为二维电子气（2DEG）层；以及
一个第一源极/第二漏极电极和一个第二源极/第一漏极电极，位于所述的异质结结构顶面的两个对边上；
第一源极/第二漏极电极还包括一个第一场板，向第二源极/第一漏极电极横向延伸，第一栅极位于第一场板下方；以及
第二源极/第一漏极电极还包括一个第二场板，向第一源极/第二漏极电极横向延伸，第二栅极位于第二场板下方，其中将第一场板和第二场板成非对称配置；
所述第一源极/第二漏极电极和所述第一栅极之间的距离不同于所述第二源极/第一漏极电极和所述第二栅极之间的距离。
2.如权利要求1所述的高电子迁移率晶体管氮化镓双向闭锁器件，其中：
第一场板的长度用LSD-FP1表示，第二场板的长度用LSD-FP2表示，其中LSD-FP1不同于LSD-FP2。
3.如权利要求1所述的高电子迁移率晶体管氮化镓双向闭锁器件，还包括：
一个蓝宝石衬底，用于支撑上面的异质结结构。
4.如权利要求1所述的高电子迁移率晶体管氮化镓双向闭锁器件，其中：
异质结结构含有氮化镓（GaN），作为第一半导体层，与作为第二半导体层的AlGaN层相交接。
5.如权利要求1所述的高电子迁移率晶体管氮化镓双向闭锁器件，其中：
第一半导体层为N-型氮化镓层，第二半导体层为N-型AlGaN层，位于氮化镓层上方。
6.如权利要求1所述的高电子迁移率晶体管氮化镓双向闭锁器件，还包括：
一个GaN缓冲层，位于底部衬底上方，用于支撑上面的异质结结构。
7.如权利要求1所述的高电子迁移率晶体管氮化镓双向闭锁器件，其中：
第一栅极包括一个第一P-型AlGaN栅极，和第二栅极包括一个第二P-型AlGaN栅极。
8.如权利要求1所述的高电子迁移率晶体管氮化镓双向闭锁器件，其中：
第一源极/第二漏极电极和第二源极/第一漏极电极由一种金属制成，金属可以从Ti、Al、Ni和Au中选取。
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