[发明专利]半导体组件及制造方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及到氮化镓(GaN)基半导体器件的过压保护，以及更具体地，涉及到GaN基晶体管的过压保护。

背景技术

GaN半导体器件诸如场效应晶体管(FET)、特别是高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)跨越各行业得到应用，诸如医疗、国防、航空等。但是，GaN器件易于受到由于电路和静电放电(ESD)中的瞬态事件导致的电过应力的影响。电应力会引起器件中的雪崩，这会导致器件老化以及最终灾难性的故障。虽然GaN开关具有若干优势，但是该安全性考虑(由于可忍受的雪崩方面的不足)已经排除了其在高速开关和功率电子系统中的广泛应用。

GaN基器件，特别是晶体管，由于晶体缺陷而已经不能展示持续的雪崩。观测到由于在诸如硅、蓝宝石、碳化硅(SiC)或其他材料的外来衬底上生长GaN材料引起的高密度(大于1000每平方厘米)缺陷，导致GaN材料不能保持稳定雪崩条件，引起GaN材料物理上退化且不可逆。

更广为人知作为浪涌电压保护器的瞬态电压抑制器(TVS)器件是用于保护敏感电子器件不受诸如尖峰电压损伤的电子部件。瞬态或过电压(或电流)是可伤害敏感电子电路的电压(或电流)的瞬态或短暂浪涌。

硅基TVS器件通常用于保护敏感电子部件免受由雷击或电磁干扰引起的电流或电压瞬态。但是，硅基TVS器件更倾向于随着温度增加而产生高泄漏电流。特别是，当环境温度达到不可接受的高值时，例如225摄氏度，由于过多的泄漏电流导致硅基TVS器件变得不适合操作。

因此，需要一种GaN器件的过压保护，以排除雪崩条件。而且，希望在高温操作(大于150摄氏度)期间提供GaN器件的过压保护。

发明内容

本技术的一个方面涉及到单片集成的半导体组件。该半导体组件包括含有SiC的衬底，和制造在衬底上的GaN半导体器件。该半导体组件还包括制造在衬底中或衬底上的至少一个瞬态电压抑制器(TVS)结构，其中TVS结构与GaN半导体器件电接触。该TVS结构被配置成当跨GaN半导体器件施加的电压大于阈值电压时，在击穿(punch-through)模式、雪崩模式或者其组合模式下操作。

本技术的另一方面涉及到单片集成的半导体组件。该半导体组件包括含有SiC的衬底，和制造在衬底上的GaN半导体器件。该半导体组件还包括含有制造在衬底中或上的SiC的至少一个TVS结构。该TVS结构与GaN半导体器件电接触，以及该TVS结构被配置成当跨GaN半导体器件施加的电压大于阈值电压时以击穿模式操作。

本技术的另一方面涉及到制作单片集成的半导体组件的方法。该方法包括(a)提供含有SiC的衬底；(b)在衬底上制造GaN半导体器件；(c)在衬底中或上制造至少一个TVS；和(d)将TVS结构和GaN半导体器件电耦合。该TVS结构被配置成当跨GaN半导体器件施加的电压大于阈值电压时，以击穿模式、雪崩模式或者其组合模式操作。

根据本公开的第一方面，提供了一种单片集成的半导体组件，包括：

包括碳化硅(SiC)的衬底；

制造在衬底上的氮化镓(GaN)半导体器件；和

制造在衬底中或上的至少一个瞬态电压抑制器(TVS)结构，

其中TVS结构与GaN半导体器件电接触，并且其中TVS结构被配置成当跨GaN半导体器件施加的电压大于阈值电压时，以击穿模式、雪崩模式或者其组合模式操作。

根据第一方面的半导体组件，其中TVS结构包括碳化硅、氮化镓、金刚石、氮化铝、氮化硼或其组合物中的至少一种。

根据第一方面的半导体组件，其中TVS结构横向配置。

根据第一方面的半导体组件，其中TVS结构垂直配置。

根据第一方面的半导体组件，其中TVS结构包括：

具有第一导电类型的第一半导体区；

具有第二导电类型且与第一半导体区电接触的第二半导体区；和

具有第一导电类型且与第二半导体区电接触的第三半导体区。

根据第一方面的半导体组件，其中第一导电类型是n+型和第二导电类型是p型。

根据第一方面的半导体组件，其中第一半导体区、第二的半导体区和第三半导体区形成在SiC衬底中。

根据第一方面的半导体组件，其中第一半导体区、第二半导体区和第三半导体区外延生长在SiC衬底上。

根据第一方面的半导体组件，其中TVS结构还包括设置在SiC衬底至少一部分上的GaN层，和其中第一半导体区、第二半导体区和第三半导体区形成在GaN层中。