双栅极MIS-HEMT器件、双向开关器件及其制备方法技术

一种双栅极MIS

【技术实现步骤摘要】
双栅极MIS
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HEMT器件、双向开关器件及其制备方法


[0001]本申请属于半导体器件领域，特别的，涉及一种双栅极MIS
‑
HEMT器件、双向开关器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前市场对于功率器件的体积和能效要求升高，双向开关作为功率转换的必要原件也需要满足更高要求。因此，高集成度以及高耐压等特性成为目前功率器件亟待解决的问题。双向开关的出现很好地解决了以上问题，高度集成的特性使其可以在更小的空间内无性能衰减地完成功率转换的任务。
[0003]双向开关可以实现对于直流以及交流电流的正向、反向导通以及截止。特别地，在交流电流下，双向开关在不同栅极电压下可以实现正向以及反向半波整流的效果。相比于传统单栅器件，双向开关大大拓宽了氮化镓器件对于交流电的整流。在未来，多个双向开关的并联可以实现对于交流电相位的控制，进而实现更加精确的电机控制。
[0004]中国专利CN112951903A公开了一种使用传统硅基双向开关来实现对电流在两个方向上的允许与阻断的器件，但是与GaN器件相比，其开关速度、功率密度以及能效比均不具优势。
[0005]然而，基于目前GaN器件的发展现状，由于氮化镓双向开关器件的成本偏高，工艺制作略微复杂，使得氮化镓在开关速度，功率密度以及能效比的优势因成本偏高而难以凸显，在功率器件的大规模应用仍存在困难。
[0006]中国专利CN106653837公开了一种氮化镓双向开关器件，其通过每个肖特基接触附近的绝缘栅结构控制肖特基接触的能带结构来改变器件的工作状态，以此实现双向导通和双向阻断。该器件结构复杂，在大规模应用中成本高昂。

技术实现思路

[0007]本申请的目的在于提供一种双栅极MIS
‑
HEMT器件、双向开关器件及其制备方法，该双栅极MIS
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HEMT器件能与二极管进行连接来实现双向导通、单项导通和双向阻断，且其具有结构简单，高耐压，低饱和电流等特性。
[0008]为达到上述目的，本申请提供如下技术方案：
[0009]第一方面，本申请提供一种双栅极MIS
‑
HEMT器件，其包括：
[0010]衬底；
[0011]沟道层，设置在所述衬底的一侧；
[0012]外延层，设置在所述沟道层远离所述衬底的一侧，所述外延层上设有第一凹槽和第二凹槽；
[0013]绝缘层，设置在所述外延层远离所述衬底的一侧，所述绝缘层覆盖所述第一凹槽和第二凹槽；
[0014]第一栅极和第二栅极，所述第一栅极和第二栅极分别设置在所述第一凹槽和第二
凹槽中的绝缘层上；
[0015]源极、漏极和金属电极，设置在所述外延层远离所述衬底的一侧，所述金属电极设置在所述第一栅极和第二栅极之间。
[0016]进一步地，还包括：
[0017]缓冲层，设置在所述衬底的一侧；
[0018]所述沟道层形成在所述缓冲层远离所述衬底的一侧；
[0019]钝化层，设置在所述绝缘层远离所述衬底的一侧，所述钝化层覆盖所述绝缘层。
[0020]进一步地，所述源极、漏极和金属电极与所述外延层相接触。
[0021]进一步地，所述源极和漏极相对设置，所述第一栅极和第二栅极设置在所述源极和漏极之间。
[0022]进一步地，所述衬底的材质为Si、SiC、GaN或蓝宝石；和/或，所述沟道层的材质为GaN；和/或，所述外延层的材质为AlGaN；和/或，所述绝缘层的材质为金属氧化物；和/或，所述第一栅极和第二栅极为Ni/TiN的金属叠层；和/或，所述源极、漏极和金属电极为Ti/Al/Ni/TiN的金属叠层。
[0023]进一步地，所述缓冲层的材质为未掺杂GaN。
[0024]进一步地，所述双栅极MIS
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HEMT器件为对称式结构。
[0025]第二方面，本申请提供一种双向开关器件，其包括所述的双栅极MIS
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HEMT器件，以及与所述双栅极MIS
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HEMT器件单片集成的第一二级管和第二二极管，所述第一二极管和第二二极管的负极分别耦接源极或漏极，或者，分别耦接漏极或源极，所述第一二极管和第二二极管的正极耦接所述金属电极。
[0026]进一步地，所述第二二极管和第二二极管为肖特基二极管。
[0027]进一步地，所述肖特基二极管包括：
[0028]二极管衬底；
[0029]二极管缓冲层，设置在所述二极管衬底的一侧；
[0030]二极管沟道层，设置在所述二极管缓冲层远离所述二极管衬底的一侧；
[0031]二极管外延层，设置在所述二极管沟道层远离所述二极管衬底的一侧；
[0032]所述正极与所述二极管沟道层和二极管外延层形成欧姆接触；
[0033]所述负极与所述二极管外延层形成欧姆接触。
[0034]进一步地，所述正极为Ti/Al/Ni/TiN的金属叠层；和/或，所述负极为Ni/TiN的金属叠层。
[0035]进一步地，所述双栅极MIS
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HEMT器件的中的衬底与所述二极管衬底的材质相同；所述沟道层与所述二极管沟道层的材质相同；所述外延层与所述二极管外延层的材质相同；所述二极管缓冲层的材质为未掺杂GaN。
[0036]进一步地，所述衬底和二极管衬底为Si；所述沟道层和二极管沟道层的材质为GaN；所述外延层和二极管外延层的材质为AlGaN。
[0037]第三方面，本申请提供一种述的双向开关器件的制备方法，其包括：
[0038]S1、提供GaN外延片，刻蚀定义所述双栅极MIS
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HEMT器件、第一二极管和第二二极管的位置；其中，所述GaN外延片至少包括层叠设置的衬底、缓冲层、沟道层和外延层；
[0039]S2、在所述双栅极MIS
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HEMT器件的外延层上刻蚀出第一凹槽和第二凹槽后，在所
述第一二极管和第二二极管的外延层上生长正极，在所述双栅极MIS
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HEMT器件的外延层上源极、漏极和金属电极，并实现欧姆接触；
[0040]S3、在所述第一二极管和第二二极管的外延层上生长负极，并实现欧姆接触；
[0041]S4、在所述双栅极MIS
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HEMT器件的外延层上沉积绝缘层后，于对应第一凹槽和第二凹槽的绝缘层上生长第一栅极和第二栅极；
[0042]S5、在所述绝缘层上生长钝化层后，在源极、漏极、金属电极、第一栅极和第二栅极上进行开孔，并与所述第一二极管和第二二极管进行耦接。
[0043]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本申请的双栅极MIS
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HEMT器件能与二极管进行连接来实现双向导通、单项导通和双向阻断。相比于单栅极器件，本申请中具有高耐压，低饱和电流的特性。相比于现有的双向开关器件，本申请的器件结构更简单，制备成本更低，且工作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双栅极MIS
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HEMT器件，其特征在于，包括：衬底；沟道层，设置在所述衬底的一侧；外延层，设置在所述沟道层远离所述衬底的一侧，所述外延层上设有第一凹槽和第二凹槽；绝缘层，设置在所述外延层远离所述衬底的一侧，所述绝缘层覆盖所述第一凹槽和第二凹槽；第一栅极和第二栅极，所述第一栅极和第二栅极分别设置在所述第一凹槽和第二凹槽中的绝缘层上；源极、漏极和金属电极，设置在所述外延层远离所述衬底的一侧，所述金属电极设置在所述第一栅极和第二栅极之间。2.如权利要求1所述的双栅极MIS
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HEMT器件，其特征在于，还包括：缓冲层，设置在所述衬底的一侧；所述沟道层形成在所述缓冲层远离所述衬底的一侧；钝化层，设置在所述绝缘层远离所述衬底的一侧，所述钝化层覆盖所述绝缘层。3.如权利要求1所述的双栅极MIS
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HEMT器件，其特征在于，所述源极、漏极和金属电极与所述外延层相接触。4.如权利要求1所述的双栅极MIS
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HEMT器件，其特征在于，所述源极和漏极相对设置，所述第一栅极和第二栅极设置在所述源极和漏极之间。5.如权利要求1所述的双栅极MIS
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HEMT器件，其特征在于，所述衬底的材质为Si、SiC、GaN或蓝宝石；和/或，所述沟道层的材质为GaN；和/或，所述外延层的材质为AlGaN；和/或，所述绝缘层的材质为金属氧化物；和/或，所述第一栅极和第二栅极为Ni/TiN的金属叠层；和/或，所述源极、漏极和金属电极为Ti/Al/Ni/TiN的金属叠层。6.如权利要求2所述的双栅极MIS
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HEMT器件，其特征在于，所述缓冲层的材质为未掺杂GaN。7.如权利要求1至6中任一项所述的双栅极MIS
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HEMT器件，其特征在于，所述双栅极MIS
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HEMT器件为对称式结构。8.一种双向开关器件，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的双栅极MIS
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HEMT器件，以及与所述双栅极MIS
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HEMT器件单片集成的第一二级管和第二二极管，所述第一二极管和第二二极管的负极分别耦接源极或漏极，或者，分别耦接漏极...

【专利技术属性】
技术研发人员：李帆，王昱博，袁晨杰，刘雯，
申请(专利权)人：西交利物浦大学，
类型：发明
国别省市：