[发明专利]一种氮化镓双向开关器件

说明书

本发明属于半导体功率器件制备技术领域，特别涉及一种氮化镓双向开关器件。本发明提供了一种不存在欧姆接触的栅控遂穿双向开关器件，避免了高温欧姆退火工艺带来的一系列负面影响(如电流崩塌，与传统CMOS工艺不兼容)。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，实现双向开关的双向导通和双向阻断能力。由于本发明中不存在欧姆接触，不需要利用重金属，该器件可以与传统的CMOS工艺兼容。

技术领域

本发明属于半导体功率器件技术领域，特别涉及一种氮化镓双向开关器件。

背景技术

具有双向传导电流和阻断电压特性的双向开关广泛应用于电机驱动、航空器、交流电源装置、船舶电力推进和电动汽车之中。传统的双向开关是由两个反向串联的绝缘栅双极晶体管(IGBT)和两个功率二极管组成，结构类似于图1(a)，在这样的结构中，电流将流经两个会不同的器件，较长的电流通路将导致较大的导通压降，进而会使双向开关具有较高的功率损耗。为了减小双向开关的导通损耗，提高系统效率，近几年提出了基于逆阻型器件的双向开关，例如基于逆阻型绝缘栅双极晶体管(RB-IGBT)的双向开关，基于逆阻型器件的双向开关结构图类似于图1(b)，在这种新的双向开关中电流只经过一个器件，较短的电流通路使得双向开关具有较小的导通电压和和较低的导通损耗。但是这种结构，每次开关导通时，只能利用一个器件导通，芯片面积利用率低。基于此，有人提出双栅双向开关器件(其结构类似于图1(c))。该双向开关只有一个导电通道，即双向开关的两个方向电流都流经同一个通道，芯片面积利用率高。同时电流只流经一个器件，器件的导通压降低。

氮化镓是第三代宽禁带半导体的代表之一，正受到人们的广泛关注，其优越的性能主要表现在：高的临界击穿电场(～3.5×10⁶V/cm)、高电子迁移率(～2000cm²/V·s)、高的二维电子气(2DEG)浓度(～10¹³cm^-2)、高的高温工作能力。GaN材料的禁带宽度高达3.4eV，3倍于Si材料的禁带宽度，2.5倍于GaAs材料，半导体材料的本征载流子浓度随禁带宽度和温度的增加而呈指数增长，因此，在一定的温度范围内，其半导体材料禁带宽度越大，便拥有越小的本征载流子浓度，这可以使器件具有非常低的泄漏电流。另外，氮化镓(GaN)材料化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀，在高频、大功率、抗辐射应用领域具有先天优势。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)(或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管MODFET)在半导体领域已经取得广泛应用。该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，因此可以满足系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积工作的要求。

近年来，为实现低功耗高能效的双向开关，研究人员提出了GaN逆导型HEMT器件(RC-MISHEMT)，但是从上面的分析可知，基于逆导型器件的双向开关具有较大的导通压降和导通损耗。为了进一步减小双向导通电压和导通损耗，提高开关转换效率，双向开关器件是非常有必要的。因此，本发明提出了一种氮化镓双向开关器件，其结构如图2所示，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，实现双向开关的双向导通和双向阻断能力。由于本发明中只存在肖特基接触，不需要利用金等重元素金属，可以与传统的CMOS工艺兼容。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对高效功率开关器件的主要指标(芯片面积利用率，导通电阻、反向耐压、功耗)，本发明提出了一种氮化镓双向开关器件。本发明所提出的氮化镓双向开关器件具有芯片面积利用率高、低导通电阻、高反向阻断能力和低功耗等优点，尤其适用于矩阵变换器中。