[发明专利]集成的HEMT和横向场效应整流器组合、方法及系统

说明书

本申请要求于2008年4月2日提出的美国临时专利申请 No.61/064,899的优先权，其内容以引文方式并入此文。

技术领域

本发明涉及GaN功率集成电路，尤其涉及具有单片集成 AlGaN/GaN HEMT和横向功率场效应整流器的GaN功率集成电路以及 其制造方法。

背景技术

功率半导体器件包括三端晶体管开关器件和两端功率整流器两 类。这些整流器和晶体管都是切换式开关电源、功率驱动电路等必不 可少的组成部分。

在晶体管方面，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)通常是 最好的选择。诸如包括AlGaN/GaN的III-氮化物(III-N)化合物半 导体具有禁带宽度大、临界击穿电场高、导热系数大等优点，因此基 于该材料的异质结场效应晶体管已经取得广泛的应用。特别是具有宽 禁带的AlGaN/GaN异质结构系统，由于其自发极化和压电极化效应而 产生的二维电子气(2DEG)沟道具有高的电子浓度和高的电子迁移率， 这使得AlGaN/GaN HEMT微波器件具有极高的输出功率密度。

用于功率电子领域的AlGaN/GaN异质结构能在比其它类型器件 高的温度和开关频率下工作。与此同时，GaN材料临界击穿电压比硅 (Si)高近一个数量级，GaN器件的导通电阻(Ron)比Si器件低 近三个数量级，因此其制作的功率器件突破了主流Si功率器件的理 论极限。在要求高转换效率和高温工作的功率电子领域，具有高速和 高温可靠性的GaN器件是Si器件的理想替代者。

作为功率器件重要分支的功率整流器是切换式开关电源、功率 因数校正电路等必不可少的组成部分。理想的功率整流器应该具有高 的击穿电压、低的正向开启电压、低的导通电阻和短的反向恢复时间 等。在高压功率电子领域(例如在开关电源和功率因子校正电路)中， 具有低的正向开启电压(V_F，ON)、低的比导通电阻(R_ON，sp)和高的反 向击穿电压(BV)的二维功率整流器是理想的。对于给定截止态击穿 电压，低的导通电阻和短的反向恢复时间对于功率转换效率来说是重 要的。

为了改善功率整流器的整体性能，研究者们一方面提出新的器 件结构来改善功率器件的性能。例如JBS(junction barrier Schottky，结势垒肖特基)二极管，MPS(merged p-i-n Schottky， 混合p-i-n肖特基)二极管和同步整流器等。另一方面，基于新材料 的功率整流器也是研究者们研究的重点之一。近年来，基于GaN体材 料的肖特基势垒二极管(SBD，图1)和p-i-n二极管被广泛研究， 该类器件在实现高击穿电压的同时具有低的导通电阻。

然而，由于GaN SBD或p-i-n二极管的外延结构与AlGaN/GaN HEMT结构不兼容，因此，在不损失性能的情况下，现有的SBD或p-i-n 二极管整流器与AlGaN/GaN HEMT器件不能成功集成。虽然在 AlGaN/GaN异质结构材料上能够直接实现SBD器件，但是其存在的 AlGan/GaN异质结和金属/AlGaN肖特基结却会使得该类器件具有较 高的正向开启电压和较高的导通电阻。

为了减小开启电压而不影响器件的反向耐压，研究者提出具有 双金属阳极的AlGaN/GaN SBD功率整流器结构(参见图2)。该结构 利用具有金属功函数低的金属(Al/Ti)来实现低的开启电压，与此 同时，用金属功函数高的金属(Pt)来实现高的击穿电压。但是该结 构需要增加额外的工艺步骤，且与传统的采用Ni/Au栅金属的HEMT 器件不兼容。

发明内容

本申请公开一种新型结构与方法，其中将混合整流器(如，肖 特基结场效应二极管)与HEMT型晶体管在III-氮化物或类似半导体 材料上集成。从而在一个工艺中实现了高性能整流器和晶体管的单 片。本申请同时公开多种成功采用所述结构与方案法的系统。

本申请所公开的集成结构及基于此所制造的电子器件能够工作 于高功率、高温、及高噪声环境。因此，特别适合于小型或高效率功 率转换器、马达驱动电路、音频放大器、内燃机引擎、各种航空航天 器以及用于石油和天然气开采。