CN206685393U - 一种高速电力开关器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高速电力开关器件，包括控制信号输入端，第一开关连接端、第二开关连接端和高电子迁移率晶体管，高电子迁移率晶体管包括衬底；位于衬底上的半导体层，其中，半导体层包括异质结构，异质界面形成二维电子气，栅区的半导体层上形成有凹槽，且凹槽下方半导体层的厚度大于满足增强型晶体管条件的厚度；位于半导体层上两端的源极和漏极，源极与第一开关连接端电连接，漏极与第二开关连接端电连接；位于凹槽中的第一介质层；位于第一介质层上的浮栅；包覆浮栅和第一介质层的第二介质层；位于第二介质层上的控制栅，控制栅与控制信号输入端电连接。本实用新型采用高电子迁移率晶体管，得到了高性能、低损耗的电力开关器件。

Description

一种高速电力开关器件

技术领域

本实用新型涉及电力开关技术领域，尤其涉及一种高速电力开关器件。

背景技术

第三代宽禁带半导体材料因其优异的性能得到了飞速发展。由于AlGaN/GaN异质结压电极化和自发极化作用，半导体氮化镓的异质结构的沟道具有高电子(二维电子气)浓度、高电子迁移率及高电子饱和速度。目前，氮化镓高电子迁移率晶体管包括耗尽型器件和增强型两种。

氮化镓高电子迁移率晶体管属于平面沟道场效应晶体管。该器件工作原理上不同于MESFET和MOSFET的主要之处是：氮化镓高电子迁移率晶体管源漏间导电沟道是器件结构中自然形成的二维电子气(Two-dimensional electron gas,2DEG)，而MESFET是掺杂薄层，MOSFET是场致反型层。在氮化镓高电子迁移率晶体管中，可通过调整栅极电压来改变2DEG的电子浓度，从而控制器件的工作状态。

HEMT已经成功的应用于微波低噪声放大领域，并在高速数字集成电路方面取得了明显的进展。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提出一种高速电力开关器件，高速电力开关器件采用高电子迁移率晶体管，以提供高性能、低损耗的电力开关器件。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型实施例提供了一种高速电力开关器件，包括控制信号输入端，第一开关连接端、第二开关连接端和高电子迁移率晶体管，所述高电子迁移率晶体管包括：

衬底；

位于所述衬底上的半导体层，其中，所述半导体层包括有源区，所述有源区包括源区、漏区及源区与漏区之间的栅区，所述半导体层包括异质结构，异质界面形成二维电子气，所述栅区的半导体层上形成有凹槽，且所述凹槽下方半导体层的厚度大于满足增强型晶体管条件的厚度；

位于所述半导体层上两端的源极和漏极，且所述源极位于所述源区上，所述漏极位于所述漏区上，所述源极与所述第一开关连接端电连接，所述漏极与所述第二开关连接端电连接；

位于所述凹槽中的第一介质层；

位于所述第一介质层上的浮栅，用于存储电子，得到增强型高电子迁移率晶体管；

包覆所述浮栅和所述第一介质层的第二介质层；

位于所述第二介质层上的控制栅，所述控制栅与所述控制信号输入端电连接。

进一步地，所述半导体层包括：

位于所述衬底上的成核层；

位于所述成核层上的GaN缓冲层；

位于所述GaN缓冲层上的AlGaN隔离层；

其中，所述GaN缓冲层和所述AlGaN隔离层构成AlGaN/GaN异质结构，所述凹槽下方的所述AlGaN隔离层的厚度为5nm～30nm。

进一步地，所述浮栅材料为半绝缘材料层。

进一步地，所述浮栅材料包括富氧多晶硅或富硅的氮化硅。

进一步地，所述浮栅的一侧形成有电子输入焊盘。

本实用新型的有益效果是：本实用新型实施例提供的高速电力开关器件，其中的高电子迁移率晶体管结合沉栅技术，在半导体层栅区的凹槽中依次形成浮栅和控制栅，即采用多层栅工艺，高电子迁移率晶体管出厂前对浮栅进行预充，使得浮栅中写进足够多的电子，降低浮栅电势，使高电子迁移率晶体管具有正的开启电压，从而得到增强型高电子迁移率晶体管。与现有技术相比，本实用新型虽采用沉栅技术，但凹槽下方所保留的半导体层的厚度较厚，仅初步增加阈值电压，不需要达到增强型晶体管的程度，工艺上更容易控制，重复性好；再通过与浮栅技术相结合，进一步得到增强型晶体管。进而，采用该高电子迁移率晶体管得到的高速电力开关器件，具有较高的稳定性和可靠性，较低的损耗及较快的开关速度。将本实用新型的高速电力开关器件应用于电力系统，可实现更高开关频率、低功耗、高效率以及小体积化的电力系统。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本实用新型的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本实用新型的上述及其他特征和优点，附图中：

图1是本实用新型实施例提供的高速电力开关器件的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的高电子迁移率晶体管的主视剖面图；

图3是本实用新型实施例提供的高电子迁移率晶体管的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1是本实用新型实施例提供的高速电力开关器件的结构示意图。本实用新型提供的高速电力开关器件可应用于电力系统中，可实现更高开关频率、低功耗、高效率以及小体积化的电力系统。如图1所示，该高速电力开关器件可包括控制信号输入端，第一开关连接端、第二开关连接端和高电子迁移率晶体管。

图2是本实用新型实施例提供的高电子迁移率晶体管的主视剖面图。如图2所示，上述高电子迁移率晶体管包括：

衬底10；

位于衬底10上的半导体层20，其中，半导体层20包括有源区(图中未标出)，有源区包括源区、漏区及源区与漏区之间的栅区，该半导体层20包括异质结构，异质界面形成二维电子气(图2虚线部分)，栅区的半导体层20上形成有凹槽90，且凹槽90下方半导体层20的厚度大于满足增强型晶体管条件的厚度；在半导体层20上形成凹槽90，可以降低二维电子气的电子浓度，达到增加阈值电压的目的。

位于半导体层20上两端的源极30和漏极40，且源极30位于源区上，漏极40位于漏区上；

位于源极30和漏极40之间的半导体层20上的第一介质层50；

位于第一介质层50上的浮栅60，用于存储电子，得到增强型高电子迁移率晶体管；

包覆浮栅60和第一介质层50的第二介质层70；

位于第二介质层70上的控制栅80。

其中，衬底10可以为Si衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底或非故意掺杂的GaN衬底等。

半导体层20主要包括GaN和AlGaN等III-V族材料，示例性的，参考图2，半导体层20可包括：

位于衬底10上的成核层21；

位于成核层21上的GaN缓冲层22；

位于GaN缓冲层22上的AlGaN隔离层23；

其中，GaN缓冲层22和AlGaN隔离层23构成AlGaN/GaN异质结构，凹槽下方的AlGaN隔离层的厚度为5nm～30nm(例如10nm)，以大于满足增强型晶体管条件的厚度，且相对于现有的耗尽型晶体管，其沉栅结构只保留3nm厚的AlGaN隔离层，本实用新型的制备工艺容易控制，且阈值电压可达到3V以上。

本实施例中，AlGaN/GaN异质结构中的2DEG的迁移率远大于Si MOSFET，采用AlGaN/GaN异质结构的高电子迁移率晶体管制备的高速电力开关器件，其上升、下降时间均在纳秒量级，远小于性能相近的Si MOSFET，该高速电力开关器件应用于高压转换电路，在1MHz下仍可正常工作，且转换效率可高达98％。因此，该高速电力开关器件可以有效降低电力系统的高频损耗。

另外，上述源极30和漏极40为导电材料，可以为Ti、Al、Ni和Au中的任一种或组合；控制栅80的材料可以为多晶硅，也可以为与源极30和漏极40相同的金属，该控制栅80用于调控二维电子气的电子浓度，控制半导体器件开关。

进一步的，上述第一介质层50和/或第二介质层70可以为单层或多层介质层，其中，第一介质层50和第二介质层70均为绝缘材料，例如SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃材料等，第一介质层50用于隔离浮栅60和半导体层20，防止浮栅60对半导体层20的污染，第二介质层70用于隔离浮栅60和控制栅80。

本实施例中，上述浮栅60的材料为半绝缘材料层，可包括富氧多晶硅或富硅的氮化硅。上述材料的浮栅60具备稳定的存储电子的能力，该浮栅60可在常温下绝缘，方块电阻率在100G欧姆以上，在某总特定条件下导电，方块电阻率在100M欧姆以下。对此，在高电子迁移率晶体管出厂前对浮栅60进行预充，预充时浮栅60导电，使电子存储到浮栅60中；此后，晶体管在工作过程中浮栅60绝缘，使电子存储其中而不泄露，防止了浮栅60漏电造成的晶体管阈值漂移。

具体的，浮栅60的材料为富氧多晶硅，在高电子迁移率晶体管出厂前对浮栅60进行预充(校准)时，将浮栅60加热到200摄氏度，使得浮栅材料由绝缘材料转变成为导电材料，通过电容充电的方式，使浮栅60积累足够多且呈均匀分布的电子，降低浮栅60电势，使晶体管得到正的开启电压，从而得到增强型高电子迁移率晶体管；浮栅60写入电子后，将温度降低到室温，使浮栅材料恢复到绝缘属性，将写入到浮栅60的电子冻结在浮栅中，从而起到调整晶体管初始阈值的作用。

示例性的，如图3所示，在所述高电子迁移率晶体管出厂前，浮栅60的一侧引出有电子输入焊盘61，用于向浮栅60中写入电子，以得到增强型高电子迁移率晶体管。在出厂前做校准时，将晶体管加热到200～300摄氏度，使得浮栅材料由绝缘材料转变成为导电材料，此时将浮栅60的电子输入焊盘61与外电极相接触，为浮栅60提供一-10V左右的负电位，控制栅80接到0V左右的外电极，利用浮栅60的微导电，通过电容充电机制，使浮栅60积累足够的电子，并呈均匀分布。电压持续一段时间(如十分钟)，将晶体管的温度降低到室温，然后撤掉上述外电极，使浮栅材料恢复到绝缘属性，以此将写入到浮栅的电子存储在浮栅中，从而起到调整初始阈值的作用，并得到增强型高电子迁移率晶体管；之后，上述浮栅60的电子输入焊盘61从浮栅60上熔断。

本实用新型实施例提供的高速电力开关器件，其中的高电子迁移率晶体管结合沉栅技术，在半导体层栅区的凹槽中依次形成浮栅和控制栅，即采用多层栅工艺，高电子迁移率晶体管出厂前对浮栅进行预充，使得浮栅中写进足够多的电子，降低浮栅电势，使高电子迁移率晶体管具有正的开启电压，从而得到增强型高电子迁移率晶体管。与现有技术相比，本实用新型虽采用沉栅技术，但凹槽下方所保留的半导体层的厚度较厚，仅初步增加阈值电压，不需要达到增强型晶体管的程度，工艺上更容易控制，重复性好；再通过与浮栅技术相结合，进一步得到增强型晶体管。进而，采用该高电子迁移率晶体管得到的高速电力开关器件，具有较高的稳定性和可靠性，较低的损耗及较快的开关速度。将本实用新型的高速电力开关器件应用于电力系统，可实现更高开关频率、低功耗、高效率以及小体积化的电力系统。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (5)

1.一种高速电力开关器件，其特征在于，包括控制信号输入端，第一开关连接端、第二开关连接端和高电子迁移率晶体管，所述高电子迁移率晶体管包括：

衬底；

位于所述衬底上的半导体层，其中，所述半导体层包括有源区，所述有源区包括源区、漏区及源区与漏区之间的栅区，所述半导体层包括异质结构，异质界面形成二维电子气，所述栅区的半导体层上形成有凹槽，且所述凹槽下方半导体层的厚度大于满足增强型晶体管条件的厚度；

位于所述半导体层上两端的源极和漏极，且所述源极位于所述源区上，所述漏极位于所述漏区上，所述源极与所述第一开关连接端电连接，所述漏极与所述第二开关连接端电连接；

位于所述凹槽中的第一介质层；

位于所述第一介质层上的浮栅，用于存储电子，得到增强型高电子迁移率晶体管；

包覆所述浮栅和所述第一介质层的第二介质层；

位于所述第二介质层上的控制栅，所述控制栅与所述控制信号输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的高速电力开关器件，其特征在于，所述半导体层包括：

位于所述衬底上的成核层；

位于所述成核层上的GaN缓冲层；

位于所述GaN缓冲层上的AlGaN隔离层；

其中，所述GaN缓冲层和所述AlGaN隔离层构成AlGaN/GaN异质结构，所述凹槽下方的所述AlGaN隔离层的厚度为5nm～30nm。

3.根据权利要求1所述的高速电力开关器件，其特征在于，所述浮栅材料为半绝缘材料层。

4.根据权利要求3所述的高速电力开关器件，其特征在于，所述浮栅材料包括富氧多晶硅或富硅的氮化硅。

5.根据权利要求1所述的高速电力开关器件，其特征在于，所述浮栅的一侧形成有电子输入焊盘。