[发明专利]具有宽带隙半导体材料/硅半导体材料异质结的绝缘栅双极晶体管及其制作方法

说明书

本发明提出了一种具有宽带隙半导体材料/硅半导体材料异质结的绝缘栅双极晶体管(IGBT)及其制作方法，该异质结IGBT器件主要是将宽带隙材料与硅材料相结合形成异质结，先在宽带隙半导体材料P+型衬底上外延生长形成掺杂浓度较高的N+型宽带隙半导体材料缓冲层，进而在N+型宽禁带缓冲层上形成掺杂浓度较低的N型宽带隙半导体材料外延层，再以该N型宽带隙半导体外延层为基础利用晶体键合技术与N型硅半导体层结合，采用硅成熟工艺形成IGBT器件的有源区。本发明能够显著提高IGBT的击穿电压，改善器件性能。

技术领域

本发明涉及功率半导体器件领域，尤其涉及一种绝缘栅双极晶体管。

背景技术

功率半导体器件是指主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面的大功率电子器件。随着电力电子技术的迅速发展，功率半导体器件已经广泛应用于现代工业控制和国防装备中。绝缘栅双极晶体管(IGBT，Insulate-Gate Bipolar Transistor)以其通态电阻低、饱和压降低、电流处理能力强、损耗低、输入阻抗高、驱动功率小、开关速度较快等特性常用于功率集成电路与功率集成系统中。近年来，对IGBT器件的特性优化主要是研究成熟的超结工艺实现具有超结的IGBT器件。

发明内容

本发明提出了一种新的绝缘栅双极晶体管功率器件，旨在进一步提高IGBT的击穿电压，改善器件性能。

本发明的技术方案如下：

该具有宽带隙半导体材料/硅半导体材料异质结的绝缘栅双极晶体管，包括：

宽带隙半导体材料的P+型衬底；

在所述P+型衬底上表面外延生长形成的宽带隙半导体材料的N+型缓冲层，记为N+型宽带隙缓冲层；

在所述N+型宽带隙缓冲层上表面外延生长形成宽带隙半导体材料的N型外延层，记为N型宽带隙外延层；

在所述N型宽带隙外延层上表面利用晶体键合技术结合硅材料的N型键合层，记为N型硅键合层；

分别在所述N型硅键合层上部的左、右两端区域形成两处P型基区；每一处P型基区中形成沟道以及N+型源区和P+沟道衬底接触，其中N+型源区与沟道邻接，P+沟道衬底接触相对于N+型源区位于沟道远端；所述P型基区的纵向边界延伸入宽带隙N型外延层内，即P型基区与N型宽带隙外延层形成的PN结位于N型宽带隙外延层内，沟道仍位于N型硅键合层中；

栅氧化层，位于两处P型基区之间以及部分N+型源区和相应沟道的上表面，中部覆盖N型硅键合层的上表面；

栅极，位于栅氧化层内部；

两处源极，覆盖相应的P+沟道衬底接触与N+型源区相接区域的上表面，两处源极共接；

漏极，位于所述P+型衬底的下表面；

所述N型宽带隙外延层的厚度和掺杂浓度由器件的耐压要求决定，N型宽带隙外延层的掺杂浓度低于N+型宽带隙缓冲层和P+型衬底的掺杂浓度。

在以上方案的基础上，本发明还进一步作了如下优化：

上述宽带隙半导体材料采用碳化硅或氮化镓。

上述N型宽带隙外延层的掺杂浓度根据设计的击穿电压确定，与P+型衬底相比的差值为大约4-6个数量级，比N+型宽带隙缓冲层掺杂浓度小2-4个数量级。

上述N型硅键合层的厚度根据器件的设计确定，典型值大约为1-5微米左右，P型基区伸入宽带隙N型外延层的部分不超过三分之二。

上述N型宽带隙外延层的掺杂浓度为(10¹⁴-10¹⁶)cm^-3。