CN114284355A - 双栅极mis-hemt器件、双向开关器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种双栅极MIS‑HEMT器件、双向开关器件及其制备方法，该双栅极MIS‑HEMT器件包括：衬底；沟道层，设置在所述衬底的一侧；外延层，设置在所述沟道层远离所述衬底的一侧，所述外延层上设有第一凹槽和第二凹槽；绝缘层，设置在所述外延层远离所述衬底的一侧，所述绝缘层覆盖所述第一凹槽和第二凹槽；第一栅极和第二栅极，所述第一栅极和第二栅极分别设置在所述第一凹槽和第二凹槽中的绝缘层上；源极、漏极和金属电极，设置在所述外延层远离所述衬底的一侧，所述金属电极设置在所述第一栅极和第二栅极之间。该双栅极MIS‑HEMT器件能与二极管进行连接来实现双向导通、单项导通和双向阻断，且其具有结构简单，高耐压，低饱和电流等特性。

Description

双栅极MIS-HEMT器件、双向开关器件及其制备方法

技术领域

本申请属于半导体器件领域，特别的，涉及一种双栅极MIS-HEMT器件、双向开关器件及其制备方法。

背景技术

目前市场对于功率器件的体积和能效要求升高，双向开关作为功率转换的必要原件也需要满足更高要求。因此，高集成度以及高耐压等特性成为目前功率器件亟待解决的问题。双向开关的出现很好地解决了以上问题，高度集成的特性使其可以在更小的空间内无性能衰减地完成功率转换的任务。

双向开关可以实现对于直流以及交流电流的正向、反向导通以及截止。特别地，在交流电流下，双向开关在不同栅极电压下可以实现正向以及反向半波整流的效果。相比于传统单栅器件，双向开关大大拓宽了氮化镓器件对于交流电的整流。在未来，多个双向开关的并联可以实现对于交流电相位的控制，进而实现更加精确的电机控制。

中国专利CN112951903A公开了一种使用传统硅基双向开关来实现对电流在两个方向上的允许与阻断的器件，但是与GaN器件相比，其开关速度、功率密度以及能效比均不具优势。

然而，基于目前GaN器件的发展现状，由于氮化镓双向开关器件的成本偏高，工艺制作略微复杂，使得氮化镓在开关速度，功率密度以及能效比的优势因成本偏高而难以凸显，在功率器件的大规模应用仍存在困难。

中国专利CN106653837公开了一种氮化镓双向开关器件，其通过每个肖特基接触附近的绝缘栅结构控制肖特基接触的能带结构来改变器件的工作状态，以此实现双向导通和双向阻断。该器件结构复杂，在大规模应用中成本高昂。

发明内容

本申请的目的在于提供一种双栅极MIS-HEMT器件、双向开关器件及其制备方法，该双栅极MIS-HEMT器件能与二极管进行连接来实现双向导通、单项导通和双向阻断，且其具有结构简单，高耐压，低饱和电流等特性。

为达到上述目的，本申请提供如下技术方案：

第一方面，本申请提供一种双栅极MIS-HEMT器件，其包括：

衬底；

沟道层，设置在所述衬底的一侧；

外延层，设置在所述沟道层远离所述衬底的一侧，所述外延层上设有第一凹槽和第二凹槽；

绝缘层，设置在所述外延层远离所述衬底的一侧，所述绝缘层覆盖所述第一凹槽和第二凹槽；

第一栅极和第二栅极，所述第一栅极和第二栅极分别设置在所述第一凹槽和第二凹槽中的绝缘层上；

源极、漏极和金属电极，设置在所述外延层远离所述衬底的一侧，所述金属电极设置在所述第一栅极和第二栅极之间。

进一步地，还包括：

缓冲层，设置在所述衬底的一侧；

所述沟道层形成在所述缓冲层远离所述衬底的一侧；

钝化层，设置在所述绝缘层远离所述衬底的一侧，所述钝化层覆盖所述绝缘层。

进一步地，所述源极、漏极和金属电极与所述外延层相接触。

进一步地，所述源极和漏极相对设置，所述第一栅极和第二栅极设置在所述源极和漏极之间。

进一步地，所述衬底的材质为Si、SiC、GaN或蓝宝石；和/或，所述沟道层的材质为GaN；和/或，所述外延层的材质为AlGaN；和/或，所述绝缘层的材质为金属氧化物；和/或，所述第一栅极和第二栅极为Ni/TiN的金属叠层；和/或，所述源极、漏极和金属电极为Ti/Al/Ni/TiN的金属叠层。

进一步地，所述缓冲层的材质为未掺杂GaN。

进一步地，所述双栅极MIS-HEMT器件为对称式结构。

第二方面，本申请提供一种双向开关器件，其包括所述的双栅极MIS-HEMT器件，以及与所述双栅极MIS-HEMT器件单片集成的第一二级管和第二二极管，所述第一二极管和第二二极管的负极分别耦接源极或漏极，或者，分别耦接漏极或源极，所述第一二极管和第二二极管的正极耦接所述金属电极。

进一步地，所述第二二极管和第二二极管为肖特基二极管。

进一步地，所述肖特基二极管包括：

二极管衬底；

二极管缓冲层，设置在所述二极管衬底的一侧；

二极管沟道层，设置在所述二极管缓冲层远离所述二极管衬底的一侧；

二极管外延层，设置在所述二极管沟道层远离所述二极管衬底的一侧；

所述正极与所述二极管沟道层和二极管外延层形成欧姆接触；

所述负极与所述二极管外延层形成欧姆接触。

进一步地，所述正极为Ti/Al/Ni/TiN的金属叠层；和/或，所述负极为Ni/TiN的金属叠层。

进一步地，所述双栅极MIS-HEMT器件的中的衬底与所述二极管衬底的材质相同；所述沟道层与所述二极管沟道层的材质相同；所述外延层与所述二极管外延层的材质相同；所述二极管缓冲层的材质为未掺杂GaN。

进一步地，所述衬底和二极管衬底为Si；所述沟道层和二极管沟道层的材质为GaN；所述外延层和二极管外延层的材质为AlGaN。

第三方面，本申请提供一种述的双向开关器件的制备方法，其包括：

S1、提供GaN外延片，刻蚀定义所述双栅极MIS-HEMT器件、第一二极管和第二二极管的位置；其中，所述GaN外延片至少包括层叠设置的衬底、缓冲层、沟道层和外延层；

S2、在所述双栅极MIS-HEMT器件的外延层上刻蚀出第一凹槽和第二凹槽后，在所述第一二极管和第二二极管的外延层上生长正极，在所述双栅极MIS-HEMT器件的外延层上源极、漏极和金属电极，并实现欧姆接触；

S3、在所述第一二极管和第二二极管的外延层上生长负极，并实现欧姆接触；

S4、在所述双栅极MIS-HEMT器件的外延层上沉积绝缘层后，于对应第一凹槽和第二凹槽的绝缘层上生长第一栅极和第二栅极；

S5、在所述绝缘层上生长钝化层后，在源极、漏极、金属电极、第一栅极和第二栅极上进行开孔，并与所述第一二极管和第二二极管进行耦接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本申请的双栅极MIS-HEMT器件能与二极管进行连接来实现双向导通、单项导通和双向阻断。相比于单栅极器件，本申请中具有高耐压，低饱和电流的特性。相比于现有的双向开关器件，本申请的器件结构更简单，制备成本更低，且工作模式更灵活。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本申请一实施例所示的双栅极MIS-HEMT器件的结构示意图；

图2为本申请一实施例所示的双向开关器件的俯视图；

图3为本申请一实施例所示的双向开关器件的电路图；

图4为本申请一实施例所示的肖特基二极管的结构示意图。

具体实施方式

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描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

需要说明的是：本发明的“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等用语只是参考附图对本发明进行说明，不作为限定用语。

同样，本文所使用的措词与术语是出于描述的目的，并且不应视为限制。对本文中以单数形式提及的系统与方法的示例、实施例、组件、元件或动作的任何引用也可以涵盖包括多个的实施例，并且对本文中的任何实施例、组件、元件或动作的复数形式的任何引用也可以涵盖仅包括单数的实施例。单数或复数形式的引用无意于限制当前公开的系统或方法、它们的组件、动作或元件。本文中“包括”，“包含”，“具有”，“包含”，“涉及”及其变异的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及其他项目。对“或”的引用可以解释为包括性的，使得使用“或”描述的任何术语可以指示单个、一个以上以及所有所描述的术语中的任何一个。另外，在本文档与通过引用并入本文的文档之间的术语用法不一致的情况下，在并入参考文献中的术语用法是对本文档的术语的补充。对于不能相容的不一致之处，以本文档中的术语“用法”为准。

请参见图1，本申请一实施例所示的双栅极MIS-HEMT器件包括自下而上依次设置的衬底1、缓冲层2、沟道层3、外延层4、绝缘层5和钝化层6。其中，外延层4上设有第一凹槽41和第二凹槽42，绝缘层5覆盖该第一凹槽41和第二凹槽42，并且，于第一凹槽41和第二凹槽42中的绝缘层5上分别设有第一栅极7和第二栅极8，从而减小栅极与2DEG层的间距，提高栅极的控制能力。在外延层4上还设有源极9、漏极10和金属电极11，可以理解的，源极9、漏极10和金属电极11为同类结构，区别之一在于位置不同，当然对三者的大小不做限制。

具体的，第一栅极7、第二栅极8以及金属电极11可以设置在源极9和漏极10之间，并且，金属电极11需要设置在第一栅极7和第二栅极8之间。可选的，该双栅极MIS-HEMT器件可以以金属电极11的中线呈对称式。

本申请的源极9、漏极10和金属电极11与外延层4相接触，即，实现欧姆接触。

可选的，衬底1的材质为Si、SiC、GaN或蓝宝石，更进一步地，本实施例采用的衬底1的材质是Si。本实施例采用的缓冲层2的材质为未掺杂GaN。本实施例采用的沟道层3的材质为GaN。本实施例采用的外延层4的材质为AlGaN。可选的，绝缘层5的材质为金属氧化物，更进一步地，本实施例采用的绝缘层5的材质是氧化铝。本实施例采用的第一栅极7和第二栅极8为Ni/TiN的金属叠层。本实施例采用的源极9、漏极10和金属电极11为Ti/Al/Ni/TiN的金属叠层。

请结合图2和图3，本实施例示出了一个双向开关器件，该器件包括本申请的双栅极MIS-HEMT器件以及与该双栅极MIS-HEMT器件单片集成的第一二极管和第二二极管。其中，第一二极管和第二二极管的负极600分别耦接源极9或漏极10，或者，分别耦接漏极10或源极9，第一二极管和第二二极管的正极500耦接所述金属电极11。即，该双向开关器件可以看作由两个共源极增强型器件串联并且分别并联两个相反方向的二极管组成的。

可选的，第一二极管和第二二极管为肖特基二极管或PN结二极管，更进一步地，本实施例采用肖特基二极管，其具有高转换速率，低功耗的特点，并且可以很好地集成在本双向开关器件中，能有效地缩减器件体积。其中，请结合图4，该肖特基二极管包括依次设置的二极管衬底100、二极管缓冲层200、二极管沟道层300和二极管外延层400；并且，在二极管外延层400上设有与二极管沟道层300和二极管外延层400形成欧姆接触的正极500，以及与二极管外延层400形成欧姆接触的负极600。

可选的，二极管衬底100的材质为Si、SiC、GaN或蓝宝石。可选的，二极管绝缘层的材质为金属氧化物。

考虑到整体的制备工艺的难易程度，本实施例的双栅极MIS-HEMT器件的中的衬底与二极管衬底100的材质相同，沟道层与二极管沟道层300的材质相同，外延层与二极管外延层400的材质相同。即，本实施例采用的二极管衬底100的材质是Si；本实施例采用的二极管缓冲层200的材质为未掺杂GaN；本实施例采用的二极管沟道层300的材质为GaN；本实施例采用的二极管外延层400的材质为AlGaN；本实施例采用的二极管绝缘层的材质是氧化铝；本实施例采用的负极600为Ni/TiN的金属叠层；本实施例采用的正极500为Ti/Al/Ni/TiN的金属叠层。

本实施例的源极9和漏极10可以互换，可以分别作为电流源和接地点位，将图3左侧的源极9/漏极10记为S1，右侧的源极9/漏极10记为S2，将第一栅极41的电压记为V1，第二栅极42的电压记为V2。该双向开关器件具有四个主要工作模式：

导通模式(导通-导通)：当V1和V2所施加的电压均大于对应的栅极阈值电压，此时栅极下方二维电子气完全恢复。此时无论S1接电源、S2接地，还是S1接地、S2接电源，均可输出与输入相同的波形，且两种情况的波形图可以表现出良好的对称性，即本工作模式下，器件既可以正向导通，也可以反向导通。

截止模式(断开-断开)：当V1和V2所施加的电压均小于栅极阈值电压，栅极下方几乎没有二维电子气。此时不论S1接电流源、S2接地，或S1接地、S2接电流源，均无法检测到输出电流，器件处于截止状态。

S1高电平、S2低电平的二极管模式(断开-导通)：当S1接电流源，S2接地，且V1施加的电压低于栅极阈值电压，V2施加的电压高于栅极阈值电压，V1下方的栅极沟道关断，V2下方的栅极沟道打开。此时电流经过下方的肖特基二极管输出，会表现出二极管所具有的特性：当电流大于某一数值时，输出才会开始检测到电流。另外，在此工作状态下，若S2接电流源，S1接地，此时，电流被二极管截止，无法检测到输出电流。

S2高电平、S1低电平的二极管模式(导通-断开)：当S2接电流源，S1接地，且V2施加的电压低于栅极阈值电压，V1施加的电压高于栅极阈值电压，V2下方的栅极沟道关断，V1下方的栅极沟道打开。此时电流经过下方的肖特基二极管输出，会表现出二极管所具有的特性：当电流大于某一数值时，输出才会开始检测到电流。另外，在此工作状态下，若S1接电流源，S2接地，此时，电流被二极管截止，无法检测到输出电流。

断开/断开，其中主双向开关100的两个栅极G1，G2两者都断开；导通/导通，其中主双向开关100的栅极G1，G2两者都导通；导通/断开，其中主双向开关100的第一栅极G1导通并且主双向开关100的第二栅极G2断开；和断开/导通，其中主双向开关100的第一栅极G1断开并且主双向开关100的第二栅极G2导通。

本申请还提供一种制备上述双向开关器件的方法，一般的，包括：

S1、提供GaN外延片，刻蚀定义所述双栅极MIS-HEMT器件、第一二极管和第二二极管的位置；其中，所述GaN外延片至少包括层叠设置的衬底、缓冲层、沟道层和外延层；

S2、在所述双栅极MIS-HEMT器件的外延层上刻蚀出第一凹槽和第二凹槽后，在所述第一二极管和第二二极管的外延层上生长正极，在所述MIS-HEMT器件的外延层上源极、漏极和金属电极，并实现欧姆接触；

S3、在所述第一二极管和第二二极管的外延层上生长负极，并实现欧姆接触；

S4、在所述双栅极MIS-HEMT器件的外延层上沉积绝缘层后，于对应第一凹槽和第二凹槽的绝缘层上生长第一栅极和第二栅极；

S5、在所述绝缘层上生长钝化层后，在源极、漏极、金属电极、第一栅极和第二栅极上进行开孔，并与所述第一二极管和第二二极管进行耦接。

下面示出一个具体的制备实施例进行说明。

由于本实施例的双栅极MIS-HEMT器件与肖特基二极管的半导体结构基本相同，因此可以同步进行制备。

首先购买或自行制备GaN外延片，该GaN外延片包括依次层叠的硅衬底、氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层以及氮化镓外延层。通过台面刻蚀在GaN外延片上定义器件位置(电路部分)，然后通过氯气或三氯化硼气体使用电感耦合等离子体刻蚀，刻蚀深度在400至1000nm。

接下来，使用等离子增强化学气相沉积生长氮化硅100-200nm。通过光刻，定义增强型器件栅极下方区域，使用反应离子刻蚀通过氧气氧化栅极区域下方的AlGaN层，接下来使用湿法刻蚀(氧气刻蚀加盐酸浸泡)的方法去除氧化层。重复氧化加上刻蚀的步骤，蚀刻18-25nm以耗尽2DEG沟道。此时，增强型器件的栅极沟槽刻蚀完成，使用氢氟酸去除剩余氮化硅(SiNx)，开始源、漏极欧姆接触的实现。

按照Ti/Au/Ni/TiN的顺序通过电子束沉积四层金属形成二极管的正极，MIS-HEMT器件的源极、漏极和金属电极，厚度范围为15-30nm/70-100nm/0-80nm/50-100nm。完成这些步骤后，此器件被放置在800-1000℃的保护性气氛环境下快速热退火30-45秒以形成欧姆接触。

在介质生长环节，原子层沉积被用于沉积10-20nm的氧化铝绝缘层。栅极金属和二极管负极的生长是依次以Ni/TiN的顺序，生长50-100nm/50-100nm。然后用相同方法沉积另一层氮化硅(Si₃N₄)形成整个器件的钝化层。然后在栅极，源极和漏极定义开孔位置，使用缓冲氧化物刻蚀液在氮化硅(SiNx)接触孔。最后在顶部沉积另一层200nm厚的铝来实现电路的耦连。

还包括对上述器件进行封装和测试的步骤，封装到封装的端连接在半导体器件领域中是众所周知的，并且可以例如通过引线接合，金属夹，金属带，焊料凸块，管芯堆叠，封装堆叠等来实现，因此在此不给出对这种端连接的进一步说明。测试步骤可以根据实际需要对各个端进行相应的测试，因此在此不给出对这种端连接的进一步说明。

综上所述：本申请的双栅极MIS-HEMT器件能与二极管进行连接来实现双向导通、单项导通和双向阻断。相比于单栅极器件，本申请中具有高耐压，低饱和电流的特性。相比于现有的双向开关器件，本申请的器件结构更简单，制备成本更低，且工作模式更灵活。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种双栅极MIS-HEMT器件，其特征在于，包括：

衬底；

沟道层，设置在所述衬底的一侧；

外延层，设置在所述沟道层远离所述衬底的一侧，所述外延层上设有第一凹槽和第二凹槽；

绝缘层，设置在所述外延层远离所述衬底的一侧，所述绝缘层覆盖所述第一凹槽和第二凹槽；

第一栅极和第二栅极，所述第一栅极和第二栅极分别设置在所述第一凹槽和第二凹槽中的绝缘层上；

源极、漏极和金属电极，设置在所述外延层远离所述衬底的一侧，所述金属电极设置在所述第一栅极和第二栅极之间。

2.如权利要求1所述的双栅极MIS-HEMT器件，其特征在于，还包括：

缓冲层，设置在所述衬底的一侧；

所述沟道层形成在所述缓冲层远离所述衬底的一侧；

钝化层，设置在所述绝缘层远离所述衬底的一侧，所述钝化层覆盖所述绝缘层。

3.如权利要求1所述的双栅极MIS-HEMT器件，其特征在于，所述源极、漏极和金属电极与所述外延层相接触。

4.如权利要求1所述的双栅极MIS-HEMT器件，其特征在于，所述源极和漏极相对设置，所述第一栅极和第二栅极设置在所述源极和漏极之间。

5.如权利要求1所述的双栅极MIS-HEMT器件，其特征在于，所述衬底的材质为Si、SiC、GaN或蓝宝石；和/或，所述沟道层的材质为GaN；和/或，所述外延层的材质为AlGaN；和/或，所述绝缘层的材质为金属氧化物；和/或，所述第一栅极和第二栅极为Ni/TiN的金属叠层；和/或，所述源极、漏极和金属电极为Ti/Al/Ni/TiN的金属叠层。

6.如权利要求2所述的双栅极MIS-HEMT器件，其特征在于，所述缓冲层的材质为未掺杂GaN。

7.如权利要求1至6中任一项所述的双栅极MIS-HEMT器件，其特征在于，所述双栅极MIS-HEMT器件为对称式结构。

8.一种双向开关器件，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的双栅极MIS-HEMT器件，以及与所述双栅极MIS-HEMT器件单片集成的第一二级管和第二二极管，所述第一二极管和第二二极管的负极分别耦接源极或漏极，或者，分别耦接漏极或源极，所述第一二极管和第二二极管的正极耦接所述金属电极。

9.如权利要求8所述的双向开关器件，其特征在于，所述第二二极管和第二二极管为肖特基二极管。

10.如权利要求9所述的双向开关器件，其特征在于，所述肖特基二极管包括：

二极管衬底；

二极管缓冲层，设置在所述二极管衬底的一侧；

二极管沟道层，设置在所述二极管缓冲层远离所述二极管衬底的一侧；

二极管外延层，设置在所述二极管沟道层远离所述二极管衬底的一侧；

所述正极与所述二极管沟道层和二极管外延层形成欧姆接触；

所述负极与所述二极管外延层形成欧姆接触。

11.如权利要求10所述的双向开关器件，其特征在于，所述正极为Ti/Al/Ni/TiN的金属叠层；和/或，所述负极为Ni/TiN的金属叠层。

12.如权利要求10所述的双向开关器件，其特征在于，所述双栅极MIS-HEMT器件的中的衬底与所述二极管衬底的材质相同；所述沟道层与所述二极管沟道层的材质相同；所述外延层与所述二极管外延层的材质相同；所述二极管缓冲层的材质为未掺杂GaN。

13.如权利要求12所述的双向开关器件，其特征在于，所述衬底和二极管衬底为Si；所述沟道层和二极管沟道层的材质为GaN；所述外延层和二极管外延层的材质为AlGaN。

14.根据权利要求8至13中任一项所述的双向开关器件的制备方法，其特征在于，包括：

S1、提供GaN外延片，刻蚀定义所述双栅极MIS-HEMT器件、第一二极管和第二二极管的位置；其中，所述GaN外延片至少包括层叠设置的衬底、缓冲层、沟道层和外延层；

S2、在所述双栅极MIS-HEMT器件的外延层上刻蚀出第一凹槽和第二凹槽后，在所述第一二极管和第二二极管的外延层上生长正极，在所述双栅极MIS-HEMT器件的外延层上源极、漏极和金属电极，并实现欧姆接触；

S3、在所述第一二极管和第二二极管的外延层上生长负极，并实现欧姆接触；

S4、在所述双栅极MIS-HEMT器件的外延层上沉积绝缘层后，于对应第一凹槽和第二凹槽的绝缘层上生长第一栅极和第二栅极；

S5、在所述绝缘层上生长钝化层后，在源极、漏极、金属电极、第一栅极和第二栅极上进行开孔，并与所述第一二极管和第二二极管进行耦接。

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