CN117577680B - 氮化镓双向功率器件 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及半导体技术领域，公开了一种氮化镓双向功率器件，包括：高掺杂硅衬底，高掺杂硅衬底上对称扩散有低掺杂漂移区，低掺杂漂移区上对称扩散有高掺杂接触区；氮化镓外延结构层，生长于高掺杂硅衬底的上表面，包括依次层叠的氮化铝成核层、氮化镓铝缓冲层、氮化镓沟道层以及氮化镓铝势垒层；氮化镓器件结构，形成于氮化镓铝势垒层上；第一金属电极的一端连接氮化镓器件结构，另一端连接位于高掺杂硅衬底的一侧的高掺杂接触区；第二金属电极的一端连接氮化镓器件结构，另一端连接位于高掺杂硅衬底的另一侧的高掺杂接触区。本申请解决氮化镓双向功率器件衬底浮空问题，提升器件开关性能和可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体涉及一种氮化镓双向功率器件。
背景技术
在半导体功率器件种类中，氮化镓高电子迁移率晶体管（Gallium Nitride HighElectron Mobility Transistor，GaN HEMT）具有高开关频率和低功率损耗等优势，被广泛用于高频电能转换系统，与硅基金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)相比，GaN HEMT功率器件在高功率和高频应用中具有更优的品质因数和更具前景的性能。
相关技术中，氮化镓功率器件可配置为等效于在相反方向上串联耦合的两个功率器件，称之为氮化镓双向功率器件，与需要两个硅基MOSFET的常规配置相比，其具有更简单的驱动电路系统、更低的功耗和更紧凑的大小。但在氮化镓双向功率器件的衬底浮空后，器件的源极和漏极根据电路的工作状态切换，不能直接将衬底与源极或漏极电极电连接，因此在开关过程中浮空衬底会影响器件的开关性能和可靠性，这种情况需要改变。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种氮化镓双向功率器件，解决相关技术中氮化镓双向功率器件衬底浮空问题，提升器件开关性能和可靠性。
为实现以上目的，采用的技术方案为：
一种氮化镓双向功率器件，包括：
高掺杂硅衬底，所述高掺杂硅衬底上对称扩散有低掺杂漂移区，所述低掺杂漂移区位于所述高掺杂硅衬底的两侧，所述低掺杂漂移区上对称扩散有高掺杂接触区，所述高掺杂接触区位于所述低掺杂漂移区的两侧，所述高掺杂硅衬底分别与所述低掺杂漂移区和所述高掺杂接触区形成PIN二极管，所述高掺杂硅衬底为所述PIN二极管的阳极，所述高掺杂接触区分别为所述PIN二极管的阴极；
氮化镓外延结构层，生长于所述高掺杂硅衬底的上表面且分别连接所述低掺杂漂移区，所述氮化镓外延结构层包括依次层叠的氮化铝成核层、氮化镓铝缓冲层、氮化镓沟道层以及氮化镓铝势垒层；
氮化镓器件结构，形成于所述氮化镓铝势垒层上；
第一金属电极，沉积于所述氮化镓外延结构层的一侧，其一端连接所述氮化镓器件结构，另一端连接位于所述高掺杂硅衬底的一侧的高掺杂接触区；第二金属电极，沉积于所述氮化镓外延结构层的另一侧，其一端连接所述氮化镓器件结构，另一端连接位于所述高掺杂硅衬底的另一侧的高掺杂接触区。
本申请进一步设置为：所述氮化镓器件结构包括沉积在所述氮化镓铝势垒层上的，互不相接的氮化镓栅极区、第一欧姆接触金属以及第二欧姆接触金属，所述氮化镓栅极区分别至所述第一欧姆接触金属和所述第二欧姆接触金属的距离相等。
本申请进一步设置为：在所述氮化镓铝势垒层上，且位于所述氮化镓栅极区与第一欧姆接触金属和第二欧姆接触金属之间沉积有钝化介质层。
本申请进一步设置为：还包括第一隔离介质层以及第二隔离介质层，所述第一隔离介质层和所述第二隔离介质层分别配置于所述氮化镓外延结构层的两侧，且所述第一隔离介质层的一端连接所述第一欧姆接触金属，所述第一隔离介质层的另一端分别连接位于所述高掺杂硅衬底的一侧的低掺杂漂移区和高掺杂接触区，所述第二隔离介质层的一端连接所述第二欧姆接触金属，所述第二隔离介质层的另一端分别连接位于所述高掺杂硅衬底的另一侧的低掺杂漂移区和高掺杂接触区。
本申请进一步设置为：所述第一隔离介质层的一端高于所述第一欧姆接触金属且与所述第一欧姆接触金属的顶端部分连接；所述第二隔离介质层的一端高于所述第二欧姆接触金属且与所述第二欧姆接触金属的顶端部分连接。
本申请进一步设置为：所述第一金属电极与所述高掺杂接触区连接的一端形成欧姆接触，其另一端高于所述第一隔离介质层并与所述第一欧姆接触金属的顶端部分连接；所述第二金属电极与另一所述高掺杂接触区连接的一端形成欧姆接触，其另一端高于所述第二隔离介质层并与所述第二欧姆接触金属的顶端部分连接。
本申请进一步设置为：所述氮化镓栅极区上沉积有栅极金属。
本申请进一步设置为：当所述第一金属电极或所述第二金属电极接高电位，所述高掺杂硅衬底接地时，所述PIN二极管反向关断。
本申请进一步设置为：所述低掺杂漂移区和所述高掺杂接触区的离子掺杂浓度相差大于两个数量级。
本申请进一步设置为：所述高掺杂硅衬底具有第一导电类型，所述低掺杂漂移区和所述高掺杂接触区具有第二导电类型，所述氮化镓栅极区具有所述第一导电类型，其中，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
综上所述，与现有技术相比，本申请公开了一种氮化镓双向功率器件，高掺杂硅衬底的两侧对称扩散有低掺杂漂移区，低掺杂漂移区的两侧对称扩散有高掺杂接触区，氮化镓外延结构层生长于高掺杂硅衬底的上表面且包括依次层叠的氮化铝成核层、氮化镓铝缓冲层、氮化镓沟道层以及氮化镓铝势垒层，氮化镓器件结构形成于氮化镓铝势垒层上，其中，第一金属电极沉积于氮化镓外延结构层的一侧，其一端连接氮化镓器件结构，另一端连接位于高掺杂硅衬底的一侧的高掺杂接触区，第二金属电极沉积于氮化镓外延结构层的另一侧，其一端连接氮化镓器件结构，另一端连接位于高掺杂硅衬底的另一侧的高掺杂接触区，即通过上述设置，氮化镓双向功率器件形成有PIN二极管，且第一金属电极和第二金属电极与PIN二极管的阴极相连，PIN二极管的阳极与高掺杂硅衬底等电位，当第一金属电极或第二金属电极接高电位，高掺杂硅衬底接地后，PIN二极管处于反向关断状态，其击穿电压大于金属电极所加电压，从而不影响氮化镓器件正常工作，即在氮化镓双向功率器件开关过程中，高掺杂硅衬底均处于接地状态，解决了相关技术中氮化镓双向功率器件衬底浮空问题，提升器件开关性能和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实施例的氮化镓双向功率器件装配图。
具体实施方式
这里将详细的对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性地包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素，此外，本申请不同实施例中具有同样命名的部件、特征、要素可能具有相同含义，也可能具有不同含义，其具体含义需以其在该具体实施例中的解释或者进一步结合该具体实施例中上下文进行确定。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或者“单元”的后缀仅为了有利于本申请的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或者“单元”可以混合地使用。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以下将通过具体实施例对本申请所示的技术方案进行详细说明。需要说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对实施例优先顺序的限定。
请参考图1，本实施例的氮化镓双向功率器件具有高掺杂硅衬底1，高掺杂硅衬底1上对称扩散有低掺杂漂移区2，低掺杂漂移区2位于高掺杂硅衬底1的两侧，低掺杂漂移区2上对称扩散有高掺杂接触区3，高掺杂接触区3位于低掺杂漂移区2的两侧。
由此，高掺杂硅衬底1分别与低掺杂漂移区2和高掺杂接触区3形成PIN二极管，其中，高掺杂硅衬底1为PIN二极管的阳极，高掺杂接触区3分别为PIN二极管的阴极。
在具体实施过程中，高掺杂硅衬底1的上表面生长有氮化镓外延结构层4，氮化镓外延结构层4延展并分别连接低掺杂漂移区2，且氮化镓外延结构层4可以包括依次层叠的氮化铝成核层5、氮化镓铝缓冲层6、氮化镓沟道层7以及氮化镓铝势垒层8。
进一步的，氮化镓铝势垒层8上可以形成有氮化镓器件结构9。
其中，氮化镓双向功率器件具有第一金属电极10以及第二金属电极11，第一金属电极10沉积于氮化镓外延结构层4的一侧，其一端连接氮化镓器件结构9，另一端连接位于高掺杂硅衬底1的一侧的高掺杂接触区3。
第二金属电极11沉积于氮化镓外延结构层4的另一侧，其一端连接氮化镓器件结构9，另一端连接位于高掺杂硅衬底1的另一侧的高掺杂接触区3。
基于前述的结构组成以及连接关系配置，本实施例的氮化镓双向功率器件形成PIN二极管结构，且第一金属电极10和第二金属电极11可以分别与PIN二极管的阴极相连，且PIN二极管的阳极与高掺杂硅衬底1等电位，当氮化镓双向功率器件正常工作即正向导通和反向关断时，第一金属电极10或第二金属电极11加正电压（接高电位），高掺杂硅衬底1接地，此时PIN二极管处于反向关断状态，其击穿电压大于金属电极所加电压，不影响氮化镓双向功率器件正常工作，且在氮化镓双向功率器件开关过程中，高掺杂硅衬底1均处于接地状态，由此解决相关技术中的氮化镓双向功率器件衬底浮空问题，提升器件开关性能和可靠性。
需要说明的是，依次层叠的氮化铝成核层5、氮化镓铝缓冲层6、氮化镓沟道层7以及氮化镓铝势垒层8，氮化铝成核层5位于高掺杂硅衬底1上表面，可以提供一个适合氮化镓外延生长的起始表面；氮化镓铝缓冲层6位于氮化铝成核层5之上，可以用于缓解晶格不匹配和应力差异，提高氮化镓晶体质量；氮化镓沟道层7是功率器件的关键部分，可以用于电子输运和功率放大，且通过设定厚度和掺杂浓度，以实现所需的电子流动特性；氮化镓铝势垒层8位于氮化镓沟道层7之上，用于形成电子输运的势垒结构，该势垒结构在器件工作时控制电流注入和导通。
在具体实施过程中，氮化镓器件结构9包括沉积在氮化镓铝势垒层8上的，互不相接的氮化镓栅极区12、第一欧姆接触金属13以及第二欧姆接触金属14。
其中，氮化镓栅极区12分别至第一欧姆接触金属13和第二欧姆接触金属14的距离相等。
需要说明的是，第一欧姆接触金属13和第二欧姆接触金属14位于氮化镓铝势垒层8的两侧，即第一欧姆接触金属13和第二欧姆接触金属14可以与氮化镓铝势垒层8的侧边保持平齐，而层叠的氮化铝成核层5、氮化镓铝缓冲层6、氮化镓沟道层7以及氮化镓铝势垒层8之间的侧边亦可以保持平齐。
进一步的，在氮化镓铝势垒层8上，且位于氮化镓栅极区12与第一欧姆接触金属13和第二欧姆接触金属14之间沉积有钝化介质层15，钝化介质层15作为氮化镓双向功率器件的表面处理的绝缘层，可以改善器件的性能和稳定性，具体的，可以防止在氮化镓栅极区12表面积累电荷，从而减少器件中的漏电流和损耗，以及根据良好的绝缘性能，在氮化镓栅极区12和欧姆接触金属之间提供电气隔离和保护。
在具体实施过程中，氮化镓双向功率器件还包括第一隔离介质层16以及第二隔离介质层17，第一隔离介质层16和第二隔离介质层17分别配置于氮化镓外延结构层4的两侧，且第一隔离介质层16的一端连接第一欧姆接触金属13，第一隔离介质层16的另一端分别连接位于高掺杂硅衬底1的一侧的低掺杂漂移区2和高掺杂接触区3，第二隔离介质层17的一端连接第二欧姆接触金属14，第二隔离介质层17的另一端分别连接位于高掺杂硅衬底1的另一侧的低掺杂漂移区2和高掺杂接触区3。
进一步的，第一隔离介质层16的一端高于第一欧姆接触金属13且与第一欧姆接触金属13的顶端部分连接，第二隔离介质层17的一端高于第二欧姆接触金属14且与第二欧姆接触金属14的顶端部分连接。
需要说明的是，第一金属电极10与高掺杂接触区3连接的一端形成欧姆接触，第一金属电极10的另一端高于第一隔离介质层16，从而使得第一金属电极10的另一端与第一欧姆接触金属13的顶端部分连接，对应的，第二金属电极11与另一高掺杂接触区3连接的一端形成欧姆接触，第二金属电极11的另一端高于第二隔离介质层17，从而使得第二金属电极11的另一端与第二欧姆接触金属14的顶端部分连接。
其中，第一隔离介质层16分别连接位于高掺杂硅衬底1的一侧的低掺杂漂移区2和高掺杂接触区3，以及第二隔离介质层17分别连接位于高掺杂硅衬底1的另一侧的低掺杂漂移区2和高掺杂接触区3，从而保证第一金属电极10对应与高掺杂接触区3连接，第二金属电极11对应与另一高掺杂接触区3连接。
在具体实施过程中，氮化镓栅极区12上沉积有栅极金属18。
本实施例的高掺杂硅衬底1具有第一导电类型，低掺杂漂移区2和高掺杂接触区3具有第二导电类型，氮化镓栅极区12具有第一导电类型，其中，第一导电类型可以为P型，第二导电类型可以为N型。
则以此为基础，高掺杂硅衬底1可以为P+硅衬底，低掺杂漂移区2可以为N-漂移区，高掺杂接触区3可以为N+接触区，由此，第一金属电极10或第二金属电极11与PIN二极管的阴极相连，高掺杂硅衬底1与PIN二极管的阳极等电位，则当第一金属电极10或第二金属电极11接高电位，高掺杂硅衬底1接地时，PIN二极管正向导通和反向关断，即PIN二极管处于反向关断状态时，其击穿电压大于金属电极所加电压，不影响氮化镓双向功率器件正常工作，且在氮化镓双向功率器件开关过程中，高掺杂硅衬底1均处于接地状态，由此解决相关技术中的氮化镓双向功率器件衬底浮空问题，提升器件开关性能和可靠性。
需要说明的是，低掺杂漂移区2和高掺杂接触区3的离子掺杂浓度相差可以大于两个数量级，其中，单个数量级的离子浓度可以为1E13/cm³至1E15/cm³之间，或单个数量级的离子浓度为1E16/cm³。
本实施例的隔离介质层、钝化介质层15可以包括氧化硅（SiO2）和/或氮化硅（Si3N4）。
关于本实施例氮化镓双向功率器件的制备流程，可以通过如下步骤制备，具体的：
提供一硅衬底，并对硅衬底进行第一导电类型和第二导电类型的离子注入以及扩散，从而得到高掺杂硅衬底1、低掺杂漂移区2以及高掺杂接触区3，其中，低掺杂漂移区2位于高掺杂硅衬底1的两侧，高掺杂接触区3位于低掺杂漂移区2的两侧，由此，高掺杂硅衬底1分别与低掺杂漂移区2和高掺杂接触区3形成PIN二极管。
基于高掺杂硅衬底1，在高掺杂硅衬底1上生长氮化镓外延结构层4，氮化镓外延结构层4可以包括氮化铝成核层5、氮化镓铝缓冲层6、氮化镓沟道层7以及氮化镓铝势垒层8，其中，氮化镓外延结构层4还可以包括位于氮化镓铝势垒层8上的氮化镓牺牲层。
在氮化镓外延结构层4上形成氮化镓器件结构9，氮化镓器件结构9可以包括在氮化镓铝势垒层8上互不相接的氮化镓栅极区12、第一欧姆接触金属13以及第二欧姆接触金属14，具体的，可以对非栅极区域的氮化镓牺牲层进行刻蚀，得到氮化镓栅极区12，以及在氮化镓外延结构层4上进行欧姆金属层沉积，得到第一欧姆接触金属13以及第二欧姆接触金属14。
对氮化镓外延结构层4的两侧进行刻蚀以形成硅通孔区域，在硅通孔区域内沉积第一隔离介质层16和第二隔离介质层17，以及第一金属电极10和第二金属电极11，其中，第一隔离介质层16和第二隔离介质层17分别配置于氮化镓外延结构层4的两侧，且第一隔离介质层16的一端连接第一欧姆接触金属13，第一隔离介质层16的另一端分别连接位于高掺杂硅衬底1的一侧的低掺杂漂移区2和高掺杂接触区3，第二隔离介质层17的一端连接第二欧姆接触金属14，第二隔离介质层17的另一端分别连接位于高掺杂硅衬底1的另一侧的低掺杂漂移区2和高掺杂接触区3，第一金属电极10与高掺杂接触区3连接的一端形成欧姆接触，第一金属电极10的另一端高于第一隔离介质层16后与第一欧姆接触金属13的顶端部分连接，第二金属电极11与另一高掺杂接触区3连接的一端形成欧姆接触，第二金属电极11的另一端高于第二隔离介质层17后与第二欧姆接触金属14的顶端部分连接。
其中，在刻蚀以形成硅通孔区域之前，对硅衬底的非有源区进行离子注入以形成隔离区域，具体的：在氮化镓外延结构层4上沉积钝化介质层15，钝化介质层15分别连接氮化镓栅极区12和第一欧姆接触金属13，以及氮化镓栅极区12和第二欧姆接触金属14；进一步的，刻蚀氮化镓栅极区12表面介质并沉积栅极金属18。
综上所述，本实施例的氮化镓双向功率器件形成有PIN二极管结构，第一金属电极10和第二金属电极11可以分别与PIN二极管的阴极相连，且PIN二极管的阳极与高掺杂硅衬底1等电位，当氮化镓双向功率器件正常工作即正向导通和反向关断时，第一金属电极10或第二金属电极11加正电压（接高电位），高掺杂硅衬底1接地，此时PIN二极管处于反向关断状态，其击穿电压大于金属电极所加电压，不影响氮化镓双向功率器件正常工作，且在氮化镓双向功率器件开关过程中，高掺杂硅衬底1均处于接地状态，由此解决了相关技术中的氮化镓双向功率器件衬底浮空问题，提升器件开关性能和可靠性。
以上对本申请进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (6)
1.一种氮化镓双向功率器件，其特征在于，包括：
高掺杂硅衬底，所述高掺杂硅衬底上对称扩散有低掺杂漂移区，所述低掺杂漂移区位于所述高掺杂硅衬底的两侧，所述低掺杂漂移区上对称扩散有高掺杂接触区，所述高掺杂接触区位于所述低掺杂漂移区的两侧，所述高掺杂硅衬底分别与所述低掺杂漂移区和所述高掺杂接触区形成PIN二极管，所述高掺杂硅衬底为所述PIN二极管的阳极，所述高掺杂接触区分别为所述PIN二极管的阴极；
氮化镓外延结构层，生长于所述高掺杂硅衬底的上表面且分别连接所述低掺杂漂移区，所述氮化镓外延结构层包括依次层叠的氮化铝成核层、氮化镓铝缓冲层、氮化镓沟道层以及氮化镓铝势垒层；
氮化镓器件结构，形成于所述氮化镓铝势垒层上，所述氮化镓器件结构包括沉积在所述氮化镓铝势垒层上的，互不相接的氮化镓栅极区、第一欧姆接触金属以及第二欧姆接触金属，所述氮化镓栅极区分别至所述第一欧姆接触金属和所述第二欧姆接触金属的距离相等，在所述氮化镓铝势垒层上，且位于所述氮化镓栅极区与第一欧姆接触金属和第二欧姆接触金属之间沉积有钝化介质层；
第一隔离介质层以及第二隔离介质层，所述第一隔离介质层和所述第二隔离介质层分别配置于所述氮化镓外延结构层的两侧，且所述第一隔离介质层的一端连接所述第一欧姆接触金属，所述第一隔离介质层的另一端分别连接位于所述高掺杂硅衬底的一侧的低掺杂漂移区和高掺杂接触区，所述第二隔离介质层的一端连接所述第二欧姆接触金属，所述第二隔离介质层的另一端分别连接位于所述高掺杂硅衬底的另一侧的低掺杂漂移区和高掺杂接触区，所述第一隔离介质层的一端高于所述第一欧姆接触金属且与所述第一欧姆接触金属的顶端部分连接；所述第二隔离介质层的一端高于所述第二欧姆接触金属且与所述第二欧姆接触金属的顶端部分连接；
第一金属电极，沉积于所述氮化镓外延结构层的一侧，其一端连接所述氮化镓器件结构，另一端连接位于所述高掺杂硅衬底的一侧的高掺杂接触区；
第二金属电极，沉积于所述氮化镓外延结构层的另一侧，其一端连接所述氮化镓器件结构，另一端连接位于所述高掺杂硅衬底的另一侧的高掺杂接触区。
2.如权利要求1所述的氮化镓双向功率器件，其特征在于，所述第一金属电极与所述高掺杂接触区连接的一端形成欧姆接触，其另一端高于所述第一隔离介质层并与所述第一欧姆接触金属的顶端部分连接；所述第二金属电极与另一所述高掺杂接触区连接的一端形成欧姆接触，其另一端高于所述第二隔离介质层并与所述第二欧姆接触金属的顶端部分连接。
3.如权利要求1所述的氮化镓双向功率器件，其特征在于，所述氮化镓栅极区上沉积有栅极金属。
4.如权利要求1所述的氮化镓双向功率器件，其特征在于，当所述第一金属电极或所述第二金属电极接高电位，所述高掺杂硅衬底接地时，所述PIN二极管反向关断。
5.如权利要求1所述的氮化镓双向功率器件，其特征在于，所述低掺杂漂移区和所述高掺杂接触区的离子掺杂浓度相差大于两个数量级。
6.如权利要求1至5任一项所述的氮化镓双向功率器件，其特征在于，所述高掺杂硅衬底具有第一导电类型，所述低掺杂漂移区和所述高掺杂接触区具有第二导电类型，所述氮化镓栅极区具有所述第一导电类型，其中，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
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