复合调制功率开关器件制造技术

本发明专利技术公开了一种复合调制功率开关器件及其制作方法，主要解决现有氮化镓基增强型功率开关器件的只能单向导通和单向阻断问题。其自下而上包括：衬底、过渡层、势垒层和钝化层，势垒层上部左、右侧分别设有左、右P

【技术实现步骤摘要】
复合调制功率开关器件


[0001]本专利技术属于微电子
，特别涉及一种复合调制功率开关器件，可用作电力电子系统的基本器件。
技术背景
[0002]绿色低碳、节能减排已成为人类社会可持续发展的关键，而大力研发高性能功率开关晶体管，以显著提升电力电子系统的效率和整体性能，是实现可持续发展的有效途径之一。基于P型帽层的常关型氮化镓基高电子迁移率晶体管，即氮化镓基增强型功率开关晶体管，凭借氮化镓材料的宽禁带、高饱和电子漂移速度、强击穿电场、化学性质稳定等特点，可实现低导通电阻、快开关速度、高击穿电压等特性，显著提升电力电子系统的性能。因此，高性能氮化镓基增强型功率开关晶体管在国民经济与军事领域具有非常广阔和特殊的应用前景。
[0003]传统氮化镓基增强型功率开关晶体管是基于GaN基异质结结构，其包括：衬底1、过渡层2、势垒层3、P
‑
GaN栅4、源极5、漏极6、栅金属7；势垒层3上部左侧淀积有源极5，势垒层3上部右侧淀积有漏极6，势垒层3上部中间部分淀积有P
‑
GaN栅4，P
‑
GaN栅4上部淀积有栅金属7，如图1所示。
[0004]然而，在传统氮化镓基增强型功率开关晶体管中，开态导通时器件中电流只能沿着一个方向导通，关态阻断时器件漏极电势只能高于源极电势，即，传统氮化镓基增强型功率开关晶体管只能实现单向导通和单向阻断，参见Gate and barrier layer design of E
‑
mode GaN HEMT with p
‑
GaN gate structure,2019 20th International Conference on Electronic Packaging Technology(ICEPT),2019,1
‑
4。这无法满足目前多电平电压型逆变器、交流
‑
交流变频器等众多领域对具有双向导通和双向阻断特性的功率开关晶体管的要求。因此，大力研发研发工艺简单且具有双向导通和双向阻断特性的高性能氮化镓基增强型功率开关晶体管非常必要、迫切。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种复合调制功率开关器件及其制作方法，以实现双向导通和双向阻断特性，降低导通损耗，简化制造工艺，提升器件集成度。
[0006]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0007]1.一种复合调制功率开关器件，自下而上包括：衬底1、过渡层2、势垒层3和钝化层14，势垒层3上部左右两侧分别设有左P
‑
GaN块4与右P
‑
GaN块5，这两个P
‑
GaN块上部分别设有左栅极15和右栅极16，在左P
‑
GaN块4的左侧、右P
‑
GaN块5的右侧分别设置有左电极12和右电极13，其特征在于：
[0008]所述左P
‑
GaN块4与右P
‑
GaN块5之间的势垒层3和过渡层2中设有m个等间距平行排列的隔离槽6，这m个隔离槽6将左P
‑
GaN块4与右P
‑
GaN块5之间的势垒层和过渡层分割成了m
+1个导电条7；
[0009]所述导电条7共有m+1个，从上到下依次为第1导电条、第2导电条
…
第m+1导电条，在所有序号为奇数导电条7内的靠近左P
‑
GaN块4处设置有左凹槽8，各左凹槽8中淀积有左调制电极10；在所有序号为偶数导电条7内的靠近右P
‑
GaN块5处设置有右凹槽9，各右凹槽9中淀积有右调制电极11；
[0010]所述左调制电极10与右调制电极11均与所接触的势垒层3和过渡层2之间形成肖特基接触，所有调制电极大小均相同。
[0011]进一步，衬底1采用碳化硅或蓝宝石或硅或石墨烯或其他材料。
[0012]进一步，所述势垒层3的厚度a为2nm～60nm，所述左P
‑
GaN块4与右P
‑
GaN块5的厚度b均为5nm～200nm。
[0013]进一步，所述隔离槽6为m个大小相同且等间距平行排列的隔离槽，相邻两个隔离槽6之间的间距为w，各隔离槽6上端与势垒层3上表面重合，下端均位于过渡层2中，且各隔离槽6的下端与势垒层3和过渡层2界面之间的间距d≥40nm；各隔离槽6左、右两边缘分别对齐，且各隔离槽左边缘与左P
‑
GaN块4右边缘之间的距离和隔离槽右边缘与右P
‑
GaN块5左边缘之间的距离均为u，u≥0μm。
[0014]进一步，所述各左凹槽8与各右凹槽9的大小均相同，深度均为c，各凹槽下端均低于或等于势垒层3的下表面，即c大于或等于势垒层3的厚度a；所有左凹槽8的左边缘对齐，左凹槽8的左边缘与左P
‑
GaN块4右边缘的间距为x，所有右凹槽9的右边缘对齐，右凹槽9的右边缘与右P
‑
GaN块5左边缘的间距为x；相邻两左凹槽8的间距等于相邻两右凹槽9的间距，各左凹槽8的右边缘与各右凹槽9的左边缘之间的水平间距t≥0.5μm。
[0015]进一步，所述左电极12与每个左调制电极10电气连接，
[0016]进一步，所述右电极13与每个右调制电极11电气连接；
[0017]进一步，所述左电极12和右电极13分别与势垒层3之间形成欧姆接触。
[0018]2.一种复合调制功率开关器件制作方法，其特征在于，包括如下：
[0019]A)在衬底1上使用外延工艺外延GaN基宽禁带半导体材料，形成过渡层2；
[0020]B)在过渡层2上使用外延工艺外延GaN基宽禁带半导体材料，形成厚度为a的势垒层3；
[0021]C)在势垒层3上制作左P
‑
GaN块4与右P
‑
GaN块5；
[0022]C1)在势垒层3上使用外延工艺外延P型GaN半导体材料，形成厚度为b、掺杂浓度为1
×
10
16
～1
×
10
22
cm
‑3的P型GaN层；
[0023]C2)在P型GaN层上第一次制作掩膜，利用该掩膜对P型GaN层进行刻蚀，刻蚀至势垒层3的上表面为止，分别形成左、右两个平行放置且厚度均为b的左P
‑
GaN块4与右P
‑
GaN块5；
[0024]D)在势垒层3、左P
‑
GaN块4与右P
‑
GaN块5上第二次制作掩膜，利用该掩膜对势垒层3与过渡层2依次进行刻蚀，形成m个等间距平行排列的隔离槽6，相邻两个隔离槽6之间的间距为w，各隔离槽6上端与势垒层3上表面重合，下端位于过渡层2中，且各隔离槽6的下端与势垒层3和过渡层2界面之间的间距d≥40nm；这m个隔离槽6将左P
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合调制功率开关器件，自下而上包括：衬底(1)、过渡层(2)、势垒层(3)和钝化层(14)，势垒层(3)上部左右两侧分别设有左P
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GaN块(4)与右P
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GaN块(5)，这两个P
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GaN块上部分别设有左栅极(15)和右栅极(16)，在左P
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GaN块(4)的左侧、右P
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GaN块(5)的右侧分别设置有左电极(12)和右电极(13)，其特征在于：所述左P
‑
GaN块(4)与右P
‑
GaN块(5)之间的势垒层(3)和过渡层(2)中设有m个等间距平行排列的隔离槽(6)，这m个隔离槽(6)将左P
‑
GaN块(4)与右P
‑
GaN块(5)之间的势垒层和过渡层分割成了(m+1)个导电条(7)；所述导电条(7)共有(m+1)个，从上到下依次为第1导电条、第2导电条
…
第(m+1)导电条，在所有序号为奇数导电条(7)内的靠近左P
‑
GaN块(4)处设置有左凹槽(8)，各左凹槽(8)中淀积有左调制电极(10)；在所有序号为偶数导电条(7)内的靠近右P
‑
GaN块(5)处设置有右凹槽(9)，各右凹槽(9)中淀积有右调制电极(11)；所述左调制电极(10)与右调制电极(11)均与所接触的势垒层(3)和过渡层(2)之间形成肖特基接触，所有调制电极大小均相同。2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，衬底(1)采用碳化硅或蓝宝石或硅或石墨烯或其他材料。3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述势垒层(3)的厚度a为2nm～60nm，所述左P
‑
GaN块(4)与右P
‑
GaN块(5)的厚度b均为5nm～200nm。4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述隔离槽(6)为m个大小相同且等间距平行排列的隔离槽，相邻两个隔离槽(6)之间的间距为w，各隔离槽(6)上端与势垒层(3)上表面重合，下端均位于过渡层(2)中，且各隔离槽(6)的下端与势垒层(3)和过渡层(2)界面之间的间距d≥40nm；各隔离槽(6)左、右两边缘分别对齐，且各隔离槽左边缘与左P
‑
GaN块(4)右边缘之间的距离和隔离槽右边缘与右P
‑
GaN块(5)左边缘之间的距离均为u，u≥0μm。5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述各左凹槽(8)与各右凹槽(9)的大小均相同，深度均为c，各凹槽下端均低于或等于势垒层(3)的下表面，即c大于或等于势垒层(3)的厚度a；所有左凹槽(8)的左边缘对齐，左凹槽(8)的左边缘与左P
‑
GaN块(4)右边缘的间距为x，所有右凹槽(9)的右边缘对齐，右凹槽(9)的右边缘与右P
‑
GaN块(5)左边缘的间距为x；相邻两左凹槽(8)的间距与相邻两右凹槽(9)的间距相等，各左凹槽(8)的右边缘与各右凹槽(9)的左边缘之间的水平间距t≥0.5μm。6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述左电极(12)与每个左调制电极(10)电气连接，所述右电极(13)与每个右调制电极(11)电气连接；所述左电极(12)和右电极(13)分别与势垒层(3)之间形成欧姆接触。7.一种复合调制功率开关器件制作方法，其特征在于，包括如下：A)在衬底(1)上使用外延工艺外延GaN基宽禁带半导体材料，形成过渡层(2)；B)在过渡层(2)上使用外延工艺外延GaN基宽禁带半导体材料，形成厚度为a的势垒层(3)；C)在势垒层(3)上制作左P
‑
GaN块(4)与右P
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GaN块(5)；C1)在势垒层(3)上使用外延工艺外延P型GaN半导体材料，形成厚度为b、掺杂浓度为1
×
10
16
～1
×
10
22

【专利技术属性】
技术研发人员：毛维，裴晨，杨翠，杜鸣，马佩军，张鹏，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：