可恢复性能的氮化镓元件的制作方法
【专利摘要】一种氮化镓半导体元件，包括氮化镓半导体器件、封装外壳，以及与氮化镓半导体器件表面相对的一个发光单元。当氮化镓半导体元件的性能由于电子被俘获中心捕获而对元件性能有所影响时，可以通过发光单元进行照明，使电子从俘获中心逃逸，从而恢复元件的性能。
【专利说明】可恢复性能的氮化镓元件
【技术领域】
[0001]本发明涉及功率半导体器件领域，特别涉及一种具有性能可恢复特性的氮化镓 (GaN)元件及制造方法。
【背景技术】
[0002]基于硅材料的功率半导体器件经过多年发展，器件的性能已经趋近硅材料的理论 极限。目前功率半导体器件正进入以氮化镓代表的第三代宽禁带半导体时代。在降低器件 自身的电力损耗、提高开关频率和器件耐热性能等方面，与硅基功率半导体器件相比，氮化 镓基功率半导体器件(氮化镓器件)均具有非常大的优势。
[0003]氮化镓器件100的典型结构如图1所示，在衬底材料101表面沉积过渡层102，在 过渡层102表面沉积氮化镓层103，氮化镓层103表面沉积铝镓氮层104。在铝镓氮(AlGaN) 104和氮化镓(GaN)103之间，由于压电效应和自发极化，形成一层二维电子气108。在AlGaN 的表面沉积金属并进行高温退火，形成源极105、栅极106和漏极107。当漏极上施加相对 源极固定的电压时，通过调节栅极相对于源极的电压，可以控制二维电子气层108的电子 浓度，从而控制晶体管的导通状态。
[0004]在氮化镓器件100中的不同位置存在电荷俘获中心:在铝镓氮层104表面的电荷 俘获中心Tl，在铝镓氮层104中的电荷俘获中心T2，在氮化镓层103中的电荷俘获中心T3， 在衬底材料101中的电荷俘获中心T4。当电子被电荷俘获中心捕获后，将对二维电子气层 108中的传导电子的运动产生影响，从而造成器件性能的降低。对于能级较浅的电荷俘获中 心，电子从中自发逃逸的平均时间较短(微秒量级)，对器件性能影响时间较短；对于某些能 级较深的电荷俘获中心，电子从中逃逸的平均时间会长达数小时甚至数天，对器件性能影 响时间极长。
[0005]为了降低被俘获电子对二维电子气层108中的传导电子的影响，保持器件的工作 性能，需要减少电荷俘获中心的数目，或者通过技术手段使被俘获电子从能级较深的电荷 俘获中心快速逃逸出来。
[0006]在现有技术中，通过在氮化镓器件100的中铝镓氮层104的表面沉积一绝缘体钝 化层109,可以在一定程度上降低电荷俘获中心Tl的数目。对于降低电荷俘获中心T2、T3 和T4的数目尚无有效方法。
[0007]以上所述氮化镓器件100可以包含氮化镓场效应晶体管、氮化镓二极管或者氮化 镓集成电路在内的一个或者多个器件。
【发明内容】
[0008]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有可恢复性能特性的新型的氮化镓 元件，技术方案如下:
一种氮化镓元件，包括氮化镓器件、与氮化镓器件相连接的封装外壳，以及与氮化镓器 件表面相对的一个发光单元。[0009]进一步，所述氮化镓器件是包含氮化镓场效应晶体管、氮化镓二极管以及氮化镓集成电路在内的一个或者多个器件。
[0010]进一步，所述封装外壳上包含一个或者多个金属引脚，在封装外壳内部与氮化镓器件表面的电极相连。
[0011]进一步，所述氮化镓器件与封装外壳的连接方式为金属引线连接或者直接连接。
[0012]进一步，所述封装外壳上包含O个或者I个散热装置。
[0013]进一步，所述发光单元固定于封装外壳之上，并且发光面与氮化镓器件的表面相对。
[0014]进一步,所述发光单元所发光线的波长范围在300nm至800nm之间。
[0015]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:当电子被电荷俘获中心捕获之后，可以通过对氮化镓器件表面进行照明，使被俘获电子获得较高的能量，从而从电荷俘获中心逃逸，降低对传导电子运动的影响。与进行照明之前相比，氮化镓器件的性能得以恢复。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是现有氣化嫁场效应晶体管的结构不意图；
图2是现有技术中氮化镓元件的第一个实施例的结构示意图；
图3是现有技术中氮化镓元件的第二个实施例的结构示意图；
图4是通过照明使电子从电荷俘获中心逃逸的工作原理示意图；
图5是本发明所提供的第一实施例的氮化镓元件的结构示意图；
图6是本发明所提供的第二实施例的氮化镓元件的结构示意图；
图7是本发明所提供的第三实施例的氮化镓元件的结构示意图；
图8是本发明所提供的第四实施例的氮化镓元件的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加易懂，下面结合附图和实施例对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。
[0018]图2是现有技术中氮化镓元件的第一实施例结构示意图。
[0019]氮化镓器件100的衬底101通过导热材料203与置于封装外壳201上的散热装置204相连。电极105、106和107通过金属引线在封装外壳201内部，与金属引脚205、206和207分别相连。封装外壳202将封装外壳201封闭。
[0020]图3是现有技术中氮化镓元件的第二实施例结构示意图。
[0021]氮化镓器件100的衬底101通过导热材料303与置于封装外壳301上的散热装置304相连。电极105、106和107与置于封装外壳302上的金属引脚305,306和307分别相连。封装外壳302将封装外壳301封闭。
[0022]图4是通过照明使电子从电荷俘获中心逃逸的工作原理示意图。
[0023]当电子被氮化镓器件100中的电荷俘获中心捕获之后，二维电子气层108中的传导电子的运动受到影响，从而降低器件的性能。通过光源401向氮化镓器件的表面照明之后，被捕获的电子获得较高的能量，从而从电荷俘获中心逃逸，恢复器件的初始性能。[0024]图5是本发明所提供的第一实施例的氮化镓元件的结构示意图。
[0025]氮化镓器件100的衬底101通过导热材料510与置于封装盒501上的散热装置511相连。电极105、106和107通过金属引线在封装盒501内部，与金属引脚505、506和507分别相连。发光单元509置于封装盖502上。封装盒501的侧壁所在平面与衬底101底面所在平面相交。封装盖502所在平面与衬底101底面所在平面平行。发光单元509的电极与置于封装盖502上的电极503和504通过引线连接。发光单元509的发光面与氮化镓器件100的表面相对。封装盖502将封装盒501封闭。封闭后发光单元509和氮化镓器件100共同位于封装外壳内部。
[0026]当由于电子被氮化镓器件100中的电荷俘获中心捕获从而降低器件性能时，通过在电极503和504之间施加电压或者电流，使发光单元509发光从而照明氮化镓器件100的表面，使被捕获电子从电荷俘获中心逃逸，恢复氮化镓器件100的初始性能。
[0027]为了保持氮化镓器件100的性能长时间不受影响，可以设置发光单元509周期性发光或者不间断发光。
[0028]发光单元509所发出的光线的波长范围在300nm至800nm之间。
[0029]图6是本发明所提供的第二实施例的氮化镓元件的结构示意图；
氮化镓器件100的衬底101通过导热材料610与置于封装盒501上的散热装置611相连。电极105、106和107通过金属引线在封装盒601内部，与金属引脚605、606和607分别相连。发光单元609置于封装盖602上。发光单元609的电极与置于封装盖602上的电极603和604通过引线连接。发光单元609的发光面与氮化镓器件100的表面相对。封装盖602将封装盒601封闭。封闭后发光单元609位于封装外壳外部，氮化镓器件100位于封装外壳内部。
[0030]当由于电子被氮化镓器件100中的电荷俘获中心捕获从而降低器件性能时，通过在电极603和604之间施加电压或者电流，使发光单元609发光从而照明氮化镓器件100的表面，使被捕获电子从电荷俘获中心逃逸，恢复氮化镓器件100的初始性能。
[0031]为了保持氮化镓器件100的性能长时间不受影响，可以设置发光单元609周期性发光或者不间断发光。
[0032]发光单元609所发出的光线的波长范围在300nm至800nm之间。封装盖602所使用的材料在发光单元609所发出的光线的波长范围内透明。
[0033]图7是本发明所提供的第三实施例的氮化镓元件的结构示意图。
[0034]氮化镓器件100的衬底101通过导热材料710与置于封装盒701上的散热装置711相连。电极105、106和107与置于封装盖702上的金属引脚705,706和707分别相连。发光单元709置于封装盖702上。发光单元709的电极与置于封装盖702上的电极703和704通过引线连接。发光单元709的发光面与氮化镓器件100的表面相对。封装盖702将封装盒701封闭。封闭后发光单元709和氮化镓器件100共同位于封装外壳内部。
[0035]当由于电子被氮化镓器件100中的电荷俘获中心捕获从而降低器件性能时，通过在电极703和704之间施加电压或者电流，使发光单元709发光从而照明氮化镓器件100的表面，使被捕获电子从电荷俘获中心逃逸，恢复氮化镓器件100的初始性能。
[0036]为了保持氮化镓器件100的性能长时间不受影响，可以设置发光单元709周期性发光或者不间断发光。[0037]发光单元709所发出的光线的波长范围在300nm至800nm之间。
[0038]图8是本发明所提供的第四实施例的氮化镓元件的结构示意图。
[0039]氮化镓器件100的衬底101通过导热材料810与置于封装盒801上的散热装置811相连。电极105、106和107与置于封装盖802上的金属引脚805,806和807分别相连。发光单元809置于封装盖802上。发光单元809的电极与置于封装盖802上的电极803和804通过引线连接。发光单元809的发光面与氮化镓器件100的表面相对。封装盖802将封装盒801封闭。封闭后发光单元809位于封装外壳外部，氮化镓器件100位于封装外壳内部。
[0040]当由于电子被氮化镓器件100中的电荷俘获中心捕获从而降低器件性能时，通过在电极803和804之间施加电压或者电流，使发光单元809发光从而照明氮化镓器件100的表面，使被捕获电子从电荷俘获中心逃逸，恢复氮化镓器件100的初始性能。
[0041]为了保持氮化镓器件100的性能长时间不受影响，可以设置发光单元809周期性发光或者不间断发光。
[0042]发光单元809所发出的光线的波长范围在300nm至800nm之间。
[0043]封装盖802所使用的材料在发光单元809所发出的光线的波长范围内透明。
[0044]本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
【权利要求】
1.一种氮化镓元件，其特征在于，包括:氮化镓器件，所述氮化镓器件是包含氮化镓场 效应晶体管、氮化镓二极管以及氮化镓集成电路在内的一个或者多个器件、封装外壳，所述 封装外壳封装所述氮化镓器件、以及一个发光单元，所述发光单元位于封装外壳内或者外。
2.根据权利要求1所述的氮化镓元件，其特征在于，所述封装外壳上包含一个或者多 个第一金属引脚，所述第一金属弓I脚在封装外壳内部与氮化镓器件表面的电极相连。
3.根据权利要求2所述金属引脚与所述氮化镓器件表面的电极通过金属引线连接，或 者直接接触。
4.根据权利要求1所述的氮化镓元件，其特征在于，所述封装外壳上包含I个散热装置。
5.根据权利要求4所述的氮化镓元件，其特征在于，所述氮化镓器件与所述散热装置 通过导热材料连接。
6.根据权利要求1所述的氮化镓元件，其特征在于，所述发光单元固定于封装外壳之 上，并且发光面与氮化镓器件的表面相对。
7.根据权利要求1所述的氮化镓元件，其特征在于，所述封装外壳上包含至少两个第 二金属引脚与所述发光单元连接。
8.根据权利要求1所述的氮化镓元件，其特征在于，所述发光单元所发光线的波长范 围在300nm至800nm之间。
9.根据权利要求1所述的氮化镓元件，其特征在于，所述发光单元封装于封装外壳之 外时，与发光单元相连接的封装外壳材料对所述发光单元所发出的光线的波长范围内透 明。
【文档编号】H01L29/20GK103531545SQ201210232688
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年7月6日 优先权日:2012年7月6日
【发明者】刘朋, 王振中, 李超 申请人:无锡派腾微纳米科技有限公司