[发明专利]一种氮化镓栅控遂穿双向开关器件

说明书

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栅控遂穿双向开关器件。

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。近年来，为实现低功耗高能效的双向开关，研究人员提出了双栅双向开关器件(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，研究人员提出了氮化镓异质结双栅双向开关器件。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。但是常规的氮化镓双向开关器件都存在欧姆接触，需要金等重金属以及在高温条件下制备，使得该器件与传统的硅工艺不兼容。并且在高温欧姆退火过程中，器件表面将会被氧化，这会导致表面态的产生。这些表面陷阱会俘获电子，使得器件在动态开关过程中会产生较大动态电阻。为解决这些问题以及进一步减小导通损耗提高芯片面积利用率，本发明提出了一种无欧姆氮化镓双栅双向开关器件，其结构如图2所示。本发明的源极和漏极都是肖特基接触结构而非传统的欧姆接触结构。同时通过每个肖特基接触附近的绝缘栅结构控制肖特基接触下方势垒层的能带结构来改变该器件的工作状态，实现该器件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，不需要利用金等重元素金属，可以与传统的CMOS工艺兼容。同时，本发明不需要高温退火工艺，器件可以在较低的温度下制备，可以避免器件表面被氧化等问题。

发明内容

本发明所要解决的，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)，提出了一种氮化镓栅控遂穿双向开关器件。本发明所提出的氮化镓栅控遂穿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。