一种氮化镓栅控遂穿双向开关器件的制作方法

本发明属于半导体功率器件技术领域，特别涉及一种氮化镓栅控遂穿双向开关器件。

背景技术：

具有双向传导电流和阻断电压特性的双向开关广泛应用于电机驱动、航空器、交流电源装置、船舶电力推进和电动汽车之中。传统的双向开关是由两个反向串联的绝缘栅双极晶体管(igbt)和两个功率二极管组成，结构类似于图1(a)，在这样的结构中，电流将流经两个会不同的器件，较长的电流通路将导致较大的导通压降，进而会使双向开关具有较高的功率损耗。为了减小双向开关的导通损耗，提高系统效率，近几年提出了基于逆阻型器件的双向开关，例如基于逆阻型绝缘栅双极晶体管(rb-igbt)的双向开关，基于逆阻型器件的双向开关结构图类似于图1(b)，在这种新的双向开关中电流只经过一个器件，较短的电流通路使得双向开关具有较小的导通电压和和较低的导通损耗。但是这种结构，每次开关导通时，只能利用一个器件导通，芯片面积利用率低。基于此，有人提出双栅双向开关器件(其结构类似于图1(c))。该双向开关只有一个导电通道，即双向开关的两个方向电流都流经同一个通道，芯片面积利用率高。同时电流只流经一个器件，器件的导通压降低。近年来，为实现低功耗高能效的双向开关，研究人员提出了双栅双向开关器件(其结构类似于图1(c))。该双向开关只有一个导电通道，即双向开关的两个方向电流都流经同一个通道，芯片面积利用率高。同时电流只流经一个器件，器件的导通压降低。

氮化镓是第三代宽禁带半导体的代表之一，正受到人们的广泛关注，其优越的性能主要表现在：高的临界击穿电场(～3.5×10⁶v/cm)、高电子迁移率(～2000cm²/v·s)、高的二维电子气(2deg)浓度(～10¹³cm^-2)、高的高温工作能力。gan材料的禁带宽度高达3.4ev，3倍于si材料的禁带宽度，2.5倍于gaas材料，半导体材料的本征载流子浓度随禁带宽度和温度的增加而呈指数增长，因此，在一定的温度范围内，其半导体材料禁带宽度越大，便拥有越小的本征载流子浓度，这可以使器件具有非常低的泄漏电流。另外，氮化镓(gan)材料化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀，在高频、大功率、抗辐射应用领域具有先天优势。基于algan/gan异质结的高电子迁移率晶体管(hemt)(或异质结场效应晶体管hfet，调制掺杂场效应晶体管modfet)在半导体领域已经取得广泛应用。该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，因此可以满足系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积工作的要求。

近年来，为实现低功耗高能效的双向开关，研究人员提出了氮化镓异质结双栅双向开关器件。该双向开关只有一个导电通道，即双向开关的两个方向电流都流经同一个通道，芯片面积利用率高。同时电流只流经一个器件，器件的导通压降低。但是常规的氮化镓双向开关器件都存在欧姆接触，需要金等重金属以及在高温条件下制备，使得该器件与传统的硅工艺不兼容。并且在高温欧姆退火过程中，器件表面将会被氧化，这会导致表面态的产生。这些表面陷阱会俘获电子，使得器件在动态开关过程中会产生较大动态电阻。为解决这些问题以及进一步减小导通损耗提高芯片面积利用率，本发明提出了一种无欧姆氮化镓双栅双向开关器件，其结构如图2所示。本发明的源极和漏极都是肖特基接触结构而非传统的欧姆接触结构。同时通过每个肖特基接触附近的绝缘栅结构控制肖特基接触下方势垒层的能带结构来改变该器件的工作状态，实现该器件的双向导通和双向阻断能力。由于本发明中不存在欧姆接触，不需要利用金等重元素金属，可以与传统的cmos工艺兼容。同时，本发明不需要高温退火工艺，器件可以在较低的温度下制备，可以避免器件表面被氧化等问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的，针对高效功率开关器件的主要指标(芯片面积利用率，导通电阻、反向耐压、功耗)，提出了一种氮化镓栅控遂穿双向开关器件。本发明所提出的氮化镓栅控遂穿双向开关器件具有芯片面积利用率高、低导通电阻、高反向阻断能力和低功耗等优点，尤其适用于矩阵变换器中。

本发明的技术方案是：1、一种氮化镓栅控遂穿双向开关器件，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、gan层2和mgan层3，所述gan层2和mgan层3形成异质结；所述器件两端分别是直接在mgan层3生长金属形成的肖特基源极结构4和肖特基漏极结构5；所述肖特基源极结构4和肖特基漏极结构5以器件的垂直中线呈对称分布；在肖特基源极结构4和肖特基漏极结构5的外侧各具有一个绝缘深凹槽栅结构(第一绝缘深凹槽栅极结构6和第二绝缘深凹槽栅极结构9)；两个绝缘深凹槽栅结构与肖特基源极结构4和肖特基漏极结构5之间只用栅介质隔开；同时所述第一绝缘深凹槽栅极结构和第二绝缘深凹槽栅极结构以器件的垂直中线呈对称分布；靠近肖特基源极结构4的绝缘深凹槽栅结构为第一绝缘深凹槽栅极结构6，靠近漏极肖特基接触电极5的绝缘深凹槽栅结构为第二绝缘深凹槽栅极结构9；所述第一绝缘深凹槽栅极结构包括通过刻蚀mgan层3以及100nmgan层2形成的第一深凹槽7和覆盖在凹槽内的绝缘栅介质12，以及覆盖在栅介质上的第一金属栅电极8；所述第二绝缘深凹槽栅极结构包括通过刻蚀mgan层3以及100nmgan层2形成的第二深凹槽10和覆盖在凹槽内的绝缘栅介质12，以及覆盖在栅介质上的第二金属栅电极11；所述m为除ga之外的ⅲ族元素。

上述技术方案中：1、第一绝缘深凹槽栅极结构6和第二绝缘深凹槽栅极结构9必须延伸至gan2。2、所述绝缘栅介质6采用的材料为sio2、si3n4、aln、al2o3、mgo或sc2o3中的一种。2、第一绝缘深凹槽栅极结构6必须在源极肖特基接触电极附近，第二绝缘深凹槽栅极结构9必须在漏极肖特基接触电极附近。3、增加肖特基源极结构4和肖特基漏极结构5的金属功函数可以增加器件的阻断能力。

本发明的有益效果为，相对于传统结构，本发明的器件具有芯片面积利用率高、低导通电阻、高反向阻断能力和低功耗等优点，尤其适用于矩阵变换器中。由于本发明中只存在肖特基接触，不需要利用金等重元素金属，无需高温退火工艺，可以与传统的cmos工艺兼容。

附图说明

图1为传统双向开关结构示意图，其中，(a)为串联型，(b)为并联型，(c)器件型；

图2为本发明的器件结构示意图；

图3为本发明的器件工作原理示意图；

图4为本发明所用到的外延片示意图；

图5为本发明器件制造工艺流程中在mgan势垒层生长肖特基源极结构和肖特基漏极结构的结构示意图；

图6为本发明器件制造工艺流程中刻蚀mgan层以及100nmgan层形成的两个深凹槽后结构示意图；

图7为本发明器件制造工艺流程中形成栅介质后结构示意图；

图8为本发明器件制造工艺流程中淀积第一凹槽和第二凹槽上的金属后结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

如图2所示，本发明的氮化镓栅控遂穿双向开关器件，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、gan层2和mgan层3，所述gan层2和mgan层3形成异质结；所述器件两端分别是直接在mgan层3生长金属形成的肖特基源极结构4和肖特基漏极结构5；所述肖特基源极结构4和肖特基漏极结构5以器件的垂直中线呈对称分布；在肖特基源极结构4和肖特基漏极结构5的外侧各具有一个绝缘深凹槽栅结构(第一绝缘深凹槽栅极结构6和第二绝缘深凹槽栅极结构9)；两个绝缘深凹槽栅结构与肖特基源极结构4和肖特基漏极结构5之间只用栅介质隔开；同时所述第一绝缘深凹槽栅极结构和第二绝缘深凹槽栅极结构以器件的垂直中线呈对称分布；靠近肖特基源极结构4的绝缘深凹槽栅结构为第一绝缘深凹槽栅极结构6，靠近漏极肖特基接触电极5的绝缘深凹槽栅结构为第二绝缘深凹槽栅极结构9；所述第一绝缘深凹槽栅极结构包括通过刻蚀mgan层3以及100nmgan层2形成的第一深凹槽7和覆盖在凹槽内的绝缘栅介质12，以及覆盖在栅介质上的第一金属栅电极8；所述第二绝缘深凹槽栅极结构包括通过刻蚀mgan层3以及100nmgan层2形成的第二深凹槽10和覆盖在凹槽内的绝缘栅介质12，以及覆盖在栅介质上的第二金属栅电极11；所述m为除ga之外的ⅲ族元素。

基于逆导型器件的双向开关具有较大的导通压降和导通损耗。而基于逆阻型器件的双向开关的芯片利用面积率低。同时常规的氮化镓双向开关器件都存在欧姆接触，需要金等重金属以及在高温条件下制备，使得该器件与传统的硅工艺不兼容。并且在高温欧姆退火过程中，器件表面将会被氧化，这会导致表面态的产生。这些表面陷阱会俘获电子，使得器件在动态开关过程中会产生较大动态电阻。为解决这些问题以及进一步减小导通损耗提高芯片面积利用率，本发明提出了一种氮化镓栅控遂穿双向开关器件(如图2所示)，本发明器件的源极和漏极都是肖特基接触，同时在源极结构和漏极结构外侧各具有一个栅极结构，不存在欧姆接触，不需要利用重金属，可以与cmos工艺兼容。通过每个肖特基接触附近的绝缘栅结构控制其附近肖特基接触下方势垒层的能带结构来改变器件的工作状态，实现双向开关的双向导通和双向阻断能力。同时本器件只存在一个导电通道，芯片面积利用率高。此外，导通电阻、泄露电流和导通压降均是可由肖特基接触的金属功函数控制。

需要特别指出的是，本发明的设计过程中尤其体现了以下细节：

1、第一绝缘深凹槽栅极结构6必须在源极肖特基接触电极附近，第二绝缘深凹槽栅极结构9必须在漏极肖特基接触电极附近。

2、在algan层表面淀积钝化层，进一步降低漏电，提高性能。

3、肖特基接触与绝缘栅结构用绝缘介质隔开，介质质量的好坏直接影响器件的性能。

本器件的基本工作原理是：

本发明通过每个肖特基接触附近的绝缘栅结构控制肖特基接触下方势垒层的能带结构来改变器件的工作状态，实现双向开关的双向导通和双向阻断能力。当栅极加上正电压时，肖特基下方势垒层的势垒厚度变薄(图3)，电子的隧穿几率增加，可以使得器件具有类似欧姆接触的电流特性；当在栅极负电压时，势垒厚度变厚，电子的隧穿几率降低，电子几乎无法通过势垒，器件可以实现阻断能力。当只有一个栅极上加上正压时，该双向开关只能在一个方向导通电流，而在另个方向表现出阻断能力。

本发明的器件与传统cmos工艺兼容，可以利用传统的cmos工艺线制备该器件，需要特别说明的是：

1、根据权利要求1所述的氮化镓栅控遂穿双向开关器件，其特征在于第一绝缘深凹槽栅极结构6和第二绝缘深凹槽栅极结构9必须延伸至gan2。

2、根据权利要求1所述的氮化镓栅控遂穿双向开关器件，其特征在于，所述绝缘栅介质6采用的材料为sio2、si3n4、aln、al2o3、mgo或sc2o3中的一种。

3、根据权利要求1所述的氮化镓栅控遂穿双向开关器件，其特征在于，第一绝缘深凹槽栅极结构6必须在源极肖特基接触电极附近，第二绝缘深凹槽栅极结构9必须在漏极肖特基接触电极附近。

4、根据权利要求1所述的氮化镓栅控遂穿双向开关器件，其特征在于，增加肖特基源极结构4和肖特基漏极结构5的金属功函数可以增加器件的阻断能力。

在本发明中，可采用以下两种方案来制备绝缘介质材料。

(a)采用原子层淀积(ald)制备al2o3、hfo2、tio2等介质材料。ald所生长的薄膜是自限制的，能精确地控制薄膜的厚度和化学组分，而且淀积的薄膜具有很好的均匀性和保形性。应考虑采用复合叠层的办法来实现，比如hfo2/al2o3等。

(b)采用mocvd设备制备ga2o3、al2o3、algao或algao/al2o3等各种单层、混合层以及各种叠层结构，以制备高性能绝缘栅介质。采用mocvd方法具有介质材料成膜状态致密、厚度控制精准、易于形成混合膜和多层膜重复性好等优点，特别是对界面态控制的可控空间较大。

本发明的制造工艺流程如图4-图8所示，主要包括：

1.图4为本发明所用到的外延片示意图；2.首先在mgan势垒层生长肖特基源极结构和肖特基漏极结构；3.其次刻蚀mgan层以及100nmgan层形成的两个深凹槽；4.之后形成栅介质；5.最后淀积第一凹槽和第二凹槽上的金属。