一种光控GaN/SiC基功率半导体开关器件的制作方法

本实用新型属于半导体器件技术领域,具体地说是一种光控GaN/SiC基功率半导体开关器件。

背景技术：

在电子电力应用系统中，功率半导体器件的应用非常广泛。小至日常生活中使用的闹钟、手机、数码相机以及计算机，大到飞机、轮船、航天器等电器化大型功率变换设备，功率半导体器件作为进行电能变换、功率控制和处理，以及实现能量管理调节的核心器件，均占据着举足轻重的地位。长期以来，以Si材料为基础的功率半导体器件在电子功率系统中占据着主导地位，但是由于材料本身的限制，使得以硅材料为基础的半导体功率器件的性能在许多方面已经接近其理论极限，尤其是在高压、大电流和高温场合的应用遇到了很大的瓶颈。以SiC和GaN材料为代表的新型宽禁带半导体材料则具有Si材料不具备的优势，加之近十年来SiC衬底以及器件制造工艺（外延生长技术、欧姆接触技术以及反应离子刻蚀技术）的不断发展，使得SiC器件得到了国际上越来越多的关注。

在各种SiC功率开关器件中，BJT，即双极性晶体管，是一种非常有前景的器件，传统的SiC BJT的结构如图1。一方面SiC BJT不像Si BJT会受二次击穿等问题的限制，另一方面，SiC BJT也解决了JFET器件栅极驱动的问题和MOSFET氧化层界面稳定性和沟道迁移率的问题。除此之外，SiC BJT更加易于封装，生产工艺也相对简单，然而，传统SiC BJT由于采用的是电驱动，这就需要持续的基极驱动电流，进而会产生驱动损耗（为驱动电压），由于SiC BJT的β值较低，所以往往会产生较大的驱动损耗。此外，SiC BJT还存在电流增益低、导通电阻性能退化的问题，由于采用电驱动的方式，所以也无可避免的会遇到EMI抗扰度低、开关切换速度慢、响应时间长等问题。

为了解决这些问题，有文献（Zhao F, Islam M M. Optically Activated SiC Power Transistors for Pulsed-Power Application[J]. IEEE Electron Device Letters, 2010, 31(10):1146-1148.）提出了一种新型的光学驱动SiC功率开关器件，成功地将电学驱动替换为光学驱动，其结构如图2所示，相比于传统的SiC BJT，其取消了传统结构的基极金属电极，而将其发射极中间部分刻蚀形成凹槽，暴露出基区，UV光照射进入凹槽，透过SiO2层进入基区，通过光能吸收，在集电结的空间电荷区会产生电子-空穴对，当晶体管被偏置在有效状态，光生空穴会飘向并被锁定在基区，空穴的积累会提高基区电位，从而促使大量来自发射区的电子到达集电区，这是该器件内部电流增益的主要机制。然而由于UV光的透射面不在一个平面，这就大大降低了光能吸收的有效面积和光生电流密度，抬高了光触发的需求功率，另外由于器件内部的电流增益机制得益于光生空穴向基区的扩散运动，这就使得器件的β值很低，严重影响了该用于脉冲光源的光驱动功率器件的性能；另一方面，由于光刻的条件苛刻，很容易使得器件的凹槽达不到预期深度，甚至损坏器件，这就大大提高了器件的制造成本。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种光控GaN/SiC基功率半导体开关器件，以提高光能吸收的有效面积和光生电流密度，降低光触发的需求功率，且减小器件的制造成本；

本实用新型为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种光控GaN/SiC基功率半导体开关器件，它包括自上而下依次设置的发射极结构、p型基区、带有n-型集电区的集电极结构、n+型衬底结构，所述发射极结构包括自上而下依次设置的梳状的金属多层电极、透明电极和n+型发射区；

所述梳状的金属多层电极位于透明电极的表面并与该表面直接接触，透明电极与n+型发射区形成欧姆接触；

所述p型基区不含基极电极；

所述n+型衬底结构包括自上而下设置的n+型衬底和金属电极。

作为限定：所述发射极结构、p型基区和n-型集电区三者构成的整体，上部为四棱台结构，且该四棱台结构的相邻的两侧面之间呈圆角过渡。

作为第二种限定：所述梳状的金属多层电极由多个子单元形成的梳状结构并联而成，每个所述子单元由Ti和Au多层金属层组成。

作为第三种限定：所述集电极结构于其n-型集电区的竖向中心处形成台阶；集电极结构的位于台阶之上的部分，其水平方向的尺寸自上而下渐宽，至台阶处突然增大。

作为进一步限定：所述光控GaN/SiC基功率半导体开关器件还包括PN结钝化保护层结构；

所述PN结钝化保护层结构位于台阶与位于台阶之上的四棱台结构的侧面间所围成的区域内，组成PN结钝化保护层结构的保护介质覆盖透明电极、n+型发射区、p型基区，并覆盖n-型集电区的一部分。

作为第四种限定：所述透明电极为铟锡氧化物（ITO）透明导电薄膜，厚度为20～200nm。

作为第五种限定：所述p型基区位于n-型集电区之上，并与之直接接触，厚度为0.5～2μm；

当以SiC材料为衬底时，所述p型基区的掺杂元素为铝、硼中的一种；

当以GaN材料为衬底时，所述p型基区的掺杂元素为镁。

作为第六种限定：所述n+型发射区位于p型基区之上，并与之直接接触，厚度为50～150nm；

当以SiC材料为衬底时，所述n+型发射区的掺杂元素为氮；

当以GaN材料为衬底时，所述n+型发射区的掺杂元素为硅。

作为第七种限定：所述n-型集电区的厚度为20～70μm，台阶高度为5～50μm；

当以SiC材料为衬底时，所述n-型集电区和n+型衬底的掺杂元素为氮；

当以GaN材料为衬底时，所述n-型集电区和n+型衬底的掺杂元素为硅。

作为第八种限定：选用Ni、Au两种金属双层镀膜形成所述金属电极，其中Ni层紧挨n+型衬底并与之形成欧姆接触，Au层镀在Ni层表面用于连接基座。

本实用新型由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

（1）本实用新型的在传统的双极性晶体管器件结构的基础上，取消了基区电极，在发射极的金属电极和发射区之间设置了透明电极，改电驱动为光驱动，因此不再需要持续的基极驱动电流，也就不会产生电驱动损耗；

（2）本实用新型在n+型发射区表面制作了一层透明电极，并且将发射区的厚度减薄以利于紫外光穿透，直接在发射结处产生电子与空穴，从而在有源区直接产生类似于传统BJT结构中基极电流IB 的光注入电流，相比于Zhao F提出的凹槽结构，本实用新型的全平面新结构电流增益更大，并且光驱动的需求功率更低。

（3）本实用新型在解决了传统双极性晶体管EMI抗干扰能力弱、开关切换速度慢、响应时间长、驱动损耗高的问题的同时，由于采用了圆角四棱台的结构，降低了表面击穿电场，从而大大提高了器件的击穿电压。

（4）本实用新型的光驱动机制的利用，完全将低功耗控制源与大功率开关级隔离开，其隔离电压可至万伏至10万伏的量级，这使得器件应用成本大大降低，提高了应用可靠性。

本实用新型适用于从小功率到大功率的半导体功率器件领域。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

在附图中：

图1 为传统垂直型BJT的结构示意图；

图2 为现有技术中Zhao F 提出的一种光学驱动功率半导体器件结构示意图；

图3是本实用新型实施例1和2的局部的主视结构示意图（顶部键合前）；

图4 是本实用新型实施例1和2的俯视结构示意图（顶部键合后）；

图5是本实用新型实施例1和2的主要工作区域的局部示意图；

图6是本实用新型实施例1和2接通电流后处于工作状态的电流示意图；

图7是本实用新型实施例1和2的制作流程图。

图中：1、梳状的金属多层电极， 2、透明电极， 3、PN结钝化保护层结构， 4、n-型集电区，5、n+型衬底，6、金属电极，7、p型基区，8、n⁺型发射区，9、发射结附近的空间电荷区。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1 一种光控SiC基功率半导体开关器件

本实施例提供了一种光控SiC基功率半导体开关器件，如图3-图5所示，它包括自上而下依次设置的发射极结构、p型基区7、带有n-型集电区4的集电极结构、n+型衬底结构，还包括PN结钝化保护层结构3；其中

①发射极结构

发射极结构包括自上而下依次设置的梳状的金属多层电极1、透明电极2和n+型发射区8，梳状的金属多层电极1位于透明电极2的表面并与该表面直接接触，透明电极2与n+型发射区8形成欧姆接触；

梳状的金属多层电极1由多个子单元形成的梳状结构并联而成，每个子单元由Ti和Au多层金属层组成，梳状的金属多层电极1连接在透明电极2上；透明电极2是厚度为20～200nm的铟锡氧化物（ITO）透明导电薄膜，其附着在n+型发射区8表面并与之形成欧姆接触；

n+型发射区8的掺杂元素为氮，厚度为50 nm～150nm；

②p型基区7

p型基区7位于n+型发射区8下方，与n+型发射区8直接接触，p型基区7不含基极电极，p型基区7的掺杂元素为铝、硼中的一种，厚度为0.5μm～2μm；

③集电极结构

集电极结构包括n-型集电区4，n-型集电区4位于p型基区7的下方并与p型基区7直接接触，n-型集电区4的掺杂元素为氮；

④n+型衬底结构

n+型衬底结构包括自上而下设置的n+型衬底5和金属电极6， n+型衬底5位于集电极结构的下方并与之直接接触，金属电极6位于n+型衬底5的下方并与之形成欧姆接触；

本实施例中半导体开关器件背面需要做金属化处理以做出金属电极6，选用Ni、Au两种金属双层镀膜，其中Ni层紧挨n+型衬底并与之形成欧姆接触，Au层镀在Ni层表面用于连接基座；

发射极结构、p型基区7和n-型集电区4三者构成的整体，上部为四棱台结构，且该四棱台结构的相邻的两侧面之间呈圆角过渡；集电极结构于其n-型集电区4的竖向中心处形成台阶；集电极结构的位于台阶之上的部分，其水平方向的尺寸自上而下渐宽，至台阶处突然增大；n-型集电区的厚度为20μm～70μm，台阶高度为5μm～50μm；

⑤PN结钝化保护层结构3

PN结钝化保护层结构3位于台阶与位于台阶之上的四棱台结构的侧面间所围成的区域内，组成PN结钝化保护层结构3的保护介质覆盖透明电极2、n+型发射区8、p型基区7，并覆盖n-型集电区4的一部分。

本实施例选用400μm厚度的商用8°离轴n型4H-SiC单晶晶圆作为衬底，衬底所用掺杂元素为氮。

本实施例的工作原理是：如图6所示，n+型发射区8和p型基区7接触后，由于存在浓度差的原因，电子和空穴会向浓度低的地方扩散，扩散运动会在发射结结面的两侧形成一正一负的空间电荷区，也称为耗尽区，发射结附近的空间电荷区9中会形成内建电场Ebi ，方向为从带正电荷的n+型发射区8指向p型基区7；

当器件受到短波紫外光照射时，由于n+型发射区8很薄，紫外光会透过透明电极2照射进入n+型发射区8、p型基区7和发射结附近的空间电荷区9，这三个区域中会引入光激发，从而源源不断的产生电子-空穴对。在内建电场Ebi 的作用下，电子-空穴对会分别在发射结附近的空间电荷区9的两端积累，这些积累的电荷反过来又减小了发射结附近的空间电荷区9的电势差，其作用就相当于在基极和发射极之间加了一个正向电压，使得载流子的扩散运动和漂移运动之间的平衡被打破，形成类似于传统BJT中基极电流的光注入电流，BJT导通。此外，当载流子的扩散运动和漂移运动达到新的动态平衡的同时，这些不断产生的电子-空穴对也会增大穿越p型基区7到达n-型集电区4的载流子密度，从而提高集电极电流Ic,提升了BJT的电流增益β；

当器件没有受到外部UV光的激活，因为BJT没有基极电流来源，加在发射极和集电极的电压主要降落在集电结，集电结被反向偏置，因此无法导通。

如图7所示，本实施例的制作工艺在传统BJT的工艺基础上进行了简化和改进，制作过程主要包括依次进行的以下步骤：

（一）选用400μm厚度的商用8°离轴n型4H-SiC单晶晶圆作为衬底，在衬底上依次完成n-型集电区4、p型基区7的外延生长，用离子注入工艺形成n+型发射区8，形成外延片；

（二）采用超高真空直流磁控溅射系统在外延片上沉积一层厚度为20～200nm的铟锡氧化物（ITO）透明导电薄膜作为透明电极2，然后经过退火处理与n+型发射区8形成欧姆接触；

（三）采用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺，对发射极结构、p型基区7和n-型集电区4刻蚀，形成四棱台结构和台阶，其中所述四棱台结构的相邻的两侧面之间呈圆角过渡；

（四）采用GPP芯片工艺对台阶与位于台阶之上的四棱台结构的侧面间所围成的区域进行钝化处理，形成PN结钝化保护层结构3；

（五）外延片正面顶部电镀一层Ti/Au多层金属层，并刻蚀成梳状的金属多层电极1；用Au线连接所述梳状的金属多层电极1，至封装支架的引出端；

（六）对外延片背面进行金属化，以便焊接在基座上。

实施例2 一种光控GaN基功率半导体开关器件

本实施例与实施例1的不同之处在于:

本实施例以300μm厚度的n型GaN晶圆为衬底，p型基区7所选用的掺杂元素为镁，n+型发射区8、n-型集电区4和n+型衬底5选用的掺杂元素为硅。

本实施例的其它部分的结构，与实施例1相同。

本实施例的工作原理与实施例1的工作原理相同。

本实施例的制作工艺步骤与实施例1的工艺步骤相同，不同之处在于：本实施例选用300μm厚度的n型GaN晶圆为衬底。