半导体功率开关和用于制造半导体功率开关的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体功率开关以及一种用于制造半导体功率开关的方法。
【背景技术】
[0002]HEMT晶体管(HEMT晶体管=高电子迀移率晶体管=具有高的电子移动性的晶体管)是场效应晶体管的一种特别的结构形式，该结构形式的特征在于具有高的载流子移动性的导电沟道。但是，在此特别困难的是具有足够高的击穿电压的功率晶体管的实现。
【发明内容】
[0003]在该背景下，利用本发明提出根据独立权利要求的半导体功率晶体管以及用于制造半导体功率晶体管的方法。有利的设计方案从相应的从属权利要求和以下的描述中得出。
[0004]当前提出具有以下特征的半导体功率晶体管:
一载体衬底；
一施加在载体衬底上的由第一半导体材料构成的第一半导体层；
一施加在第一半导体层上的由第二半导体材料构成的第二半导体层，其中第一半导体材料的带间距与第二半导体材料的带间距不同；
一漏端子和源端子，其至少被嵌入在第二半导体层中，其中借助漏端子和源端子至少能够电接触第一和第二半导体材料之间的分界层；
一漏端子和源端子之间的沟道区域，其中构造沟道区域，以便用作电功率开关；以及一栅端子，其至少部分地覆盖沟道区域。
[0005]功率开关可以理解为开关元件，该开关元件被构造用于开关电流和/或电压，该电压/电流大于预先确定的最小数值。在此，可以设计功率开关，使得功率开关可以开关明显位于半导体存储技术的领域中的元件中所使用的电流和/或电压之上的电流和/或电压。载体衬底例如可以理解为半导体衬底或晶体，在该载体衬底上可以施加另外的(半导体)结构，使得载体衬底形成另外的结构的保持元件。带间距可以理解为带隙或“禁止区”，该带隙表示固体的价带和导带之间的能量间距。沟道区域例如可以理解为场效应晶体管的沟道。
[0006]在此提出的方案基于以下知识，两个半导体层的异质结构可以用于开关大电流和/或电压，其中在所述两个层中使用的半导体材料具有不同的带隙。因此可以实现很快速开关的半导体结构。特别是通过使用第一或第二半导体层之间的具有特别高的电子移动性的界面，因此可以实现半导体功率开关，该半导体功率开关除了开关大功率的能力之外还可以通过相对简单的技术上的制造方法来实现。因此也可以成本适宜地制造这样的半导体功率开关。
[0007]当前还提出一种用于制造半导体功率开关的方法，其中该方法具有以下步骤:
一提供载体衬底； 一将由第一半导体材料构成的第一半导体层施加在载体衬底上并且将由第二半导体材料构成的第二半导体层施加在第一半导体层上，其中第一半导体材料的带间距与第二半导体材料的带间距不同；
一构造漏端子和源端子，其至少被嵌入在第二半导体层中，其中借助漏端子和源端子至少能够电接触第一和第二半导体材料之间的分界层并且通过漏端子和源端子定义漏端子和源端子之间的沟道区域，其中构造沟道区域，以便用作电功率开关；
一布置栅端子，其至少部分地覆盖沟道区域。
[0008]特别有利的是本发明的一种实施方式，其中构造沟道区域，以便无损地传导至少一安培的电流、特别是至少10安培的电流和/或其中构造沟道区域，以便无损地截止至少50伏特的电压、特别是大于100伏特的电压。本发明的这样的实施方式提供以下优点，能够由半导体功率开关来开关大电流或电压，而不损害功率开关本身。
[0009]根据本发明的另一种实施方式，第一和第二半导体材料可以形成III/V化合物开关复合体。本发明的这样的实施方式提供第一和第二半导体材料之间的分界处的特别好的之如很尚的电子移动性的优点。因此可以实现特别快开关的功率开关。
[0010]此外有利的是本发明的一种实施方式，其中第一半导体材料包括AlGaN并且第二半导体材料包括GaN，或第一半导体材料包括GaN并且第二半导体材料包括AlGaN。本发明的这样的实施方式提供以下优点，技术上可特别好并且简单处理的半导体材料可以用于功率开关，使得这样的功率开关除了其良好的开关特性之外也还可以十分成本适宜地来制造。
[0011]根据本发明的另一种实施方式，载体衬底可以具有由保持材料构成的保持层，其中保持材料与载体衬底的主要材料不同，特别是其中载体衬底的主要材料具有硅，其中第一半导体材料布置在保持层上。本发明的这样的实施方式提供以下优点，在使用合适的缓冲层为前提下可以实现第一半导体层的好的晶体质量并且同时可以使用大面积的和成本适宜的衬底。
[0012]根据本发明的一种特别有利的实施方式，栅端子可以与沟道区域通过栅氧化层电绝缘地分离，特别是其中至少一种预先确定类型的载流子被嵌入到栅氧化层中和/或其中栅氧化层具有载流子的预先确定的密度。本发明的这样的实施方式提供能够设定功率开关的导通类型的优点、特别是功率开关表现为自截止或自导通的优点。还可以通过栅氧化层的厚度和/或栅氧化层中的预先确定的载流子的密度来设定击穿电压或激活电压。
【附图说明】
[0013]随后借助附图示例性地详细解释本发明。其中:
图1示出根据本发明的一个实施例的半导体功率开关的横截面图；
图2示出根据本发明的一个实施例的方法的流程图；以及图3示出材料中的能级的图示，所述材料沿着图1中示出的横截面图出现。
[0014]
在本发明的有利的实施例的随后的描述中，对于在不同的图中示出的并且相似作用的元件使用相同或相似的附图标记，其中放弃对这些元件的重复描述。
【具体实施方式】
[0015]
图1示出根据本发明的一个实施例的半导体功率开关100的横截面图。功率开关100包括半导体或载体衬底110，该半导体或载体衬底包括主要组成部分115(例如具有111-晶格结构的硅晶体)和施加在主要组成部分115上的缓冲层120。缓冲层120例如可以由A1N晶种层跟着具有逐渐下降的A1浓度的AlGaN层的序列组成。为了改进击穿强度，该缓冲结构的至少一部分的利用例如碳或铁杂质原子的有针对性的掺杂可以用于载流子补偿。
[0016]缓冲层120在此用于在缓冲层120上布置的半导体异质结构125的很好的粘附基础。
[0017]该半导体异质结构125例如可以是不同半导体材料的两个层的堆。例如所述不同的半导体材料可以包括或由具有不同带隙或不同带间距的半导体材料构成。异质结构125的半导体材料在此可以作为第一半导体层130 (由第一半导体材料构成)和布置在第一半导体层上的第二半导体层135 (由第二半导体材料构成)来布置并且形成II1-V半导体复合体或II1-V半导体复合体系统。这意味着，第一半导体层130的半导体材料可以是II1-材料(即周期表的第三主族中的材料)，而第二半导体层135的半导体材料可以是V-材料(SP周期表的第五主族中的材料)。也可以第一半导体材料是V-材料并且第二半导体材料是II1-材料。特别是第一半导体材料可以是AlGaN并且第二半导体材料可以是GaN (或相应地包括这些材料)或相反。
[0018]在两个半导体材料之间构造有分界层140，其中电子具有特别高的移动性。该分界层140在此用作二维电子气(2DEG)并且为大功率、即大电流和/或电压提供很好的开关能力。为了能够电接触分界层140，设置漏端子145和源端子150，该漏端子和源端子穿过第二半导体层135直至达到分界层140或达到第一半导体层中。在漏端子145或源端子150的侧面、即朝向分别与另外的端子相背离的侧设置侧向的绝缘层153，该绝缘层阻止电子从漏端子145和源端子150之间的沟道区域160中流出。
[0019]在第二半导体层135的表面160上还布置有栅氧化层165作为栅电介质。在栅氧化层165上，在沟道区域155的区域中设置有栅端子170，使得半导体功率开关100被构造为场效应晶体管。就此而言，沟道区域155也可以理解为场效应晶体管的沟道。
[0020]为了现在实现特别好地设定半导体功率开关100的使用电压，现在将载流子有针对性地引入到栅氧化层165中，使得形成相应的电场，该电场等效于在栅电极上施加外部电压。因此晶体管的使用电压可以被控制地推移，以便实现例如正的使用电压、即自截止器件。这样修改的晶体管的使用电压在此与载流子的面密度和分布有关。
[0021]载流子可以通过不同的方法被引入到电介质中。例如可以借助离子注入将带电的杂质原子引入到栅电介质中。
[0022]根据另一种变型，电荷到栅电介质中的该引入可以通过以下方式进行，进行层堆的沉积，该层堆具有与存储单元技术(例如EPR0M或EEPR0M器件)相似的特性。在该层堆中可以的是，通过施加合适的栅电压，在层堆中持久地存储确定的电荷量。在此，电子通过施加合适的栅电压到控制氧化物上而被注射到氮化物层的陷讲(Haftstellen)中。在该变型中也可以使用存储器技术的消除方法、例如局部的UV辐照，以便在芯片上同时产生具有标准使用电压的器件以及具有修改的使用电压的器件。这例如能够在建造可单片集成的电路时是有利的。在另一种变型中，电荷的有针对性的引入可以通过选择合适的材料和执行合适的退火方法(例如Si02/Al203层堆以1000-1200°C之间的高温下的退火方法，例如参见“气体传感器和用于制造这样的气体传感器的方法”，R341737)。
[0023]就此而言，半导体功率开关100的所示出的结构可以被称为具有栅电介质的标准HEMT结构。从构造上，HEMT晶体管由具有不同大小的带隙的不同半导体材料的层构成(所谓的异质结构)。对此适用的特别是化合物半导体，所述化合物半导体由周期表的III/V族的元素构成。例如可以使用材料系统GaN/AlGaN。如果彼此重叠地沉积这两种材料，则在GaN的两侧上在所述材料的界面处形成二维电子气，该电子气可以用作