專利名稱：含雙柵增強型hemt器件的集成系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明特別涉及一種包含雙柵增強型高電子遷移率晶體管器件(Enhancement-mode High Electron Mobility Transistor , E-mode HEMT)的集成系統(tǒng)。
背景技術：
由于壓電極化和自發(fā)極化效應，在III族氮化物半導體異質結構上(Heterostructure),如AlGaN/GaN,能夠形成高濃度的二維電子氣。另外，III族氮化物半導體，具有高的絕緣擊穿電場強度以及良好的耐高溫特性。III族氮化物異質結構制備的HEMT，不僅可以應用于高頻器件方面，而且適合應用于高電壓、大電流的功率開關器件。應用到大功率開關電路中時，為了電路的設計簡單和安全性方面考慮，一般要求開關器件為常關型，即增強型器件(E-M0DE)?，F有的III族氮化物半導體E-MODE HEMT器件應用于高壓大功率開關器件時，漏極輸出電流往往跟不上柵電極控制信號的變化，即導通瞬態(tài)延遲比較大，此即為III族氮化物半導體HEMT器件的“電流崩塌現象”，對器件的實用性具有嚴重的影響?，F有的對“電流崩塌現象”的解釋之一是“虛柵模型”?！疤摉拍Ｐ汀闭J為在器件關斷態(tài)時，有電子注入到柵附近的半導體表面或內部，從而被表面態(tài)或缺陷捕獲形成一帶負電荷的區(qū)域(虛柵)，帶負電荷的虛柵由于靜電感應會降低柵漏、柵源連接區(qū)的溝道電子濃度，當器件開啟時，柵下的溝道雖然可以很快積累大量的電子，但是由于虛柵電荷不能及時釋放，虛柵下的溝道電子濃度較低，所以漏端輸出電流較小，只有虛柵電荷充分釋放后，漏端電流才能恢復到直流狀態(tài)的水平。目前，常用的抑制“電流崩塌”的方法有對半導體進行表面處理，降低表面態(tài)或界面態(tài)密度；通過場板結構降低柵電極靠近漏極一端的電場強度，降低電子被表面態(tài)和缺陷捕獲的概率，抑制電流崩塌。但以上所述抑制電流崩塌的方法在大電流、大電壓的情況下效果并不理想。為了抑制“電流崩塌效應”，本案發(fā)明人曾提出了一種具有疊層雙柵結構的新型III族氮化物E-MODE HEMT器件，通過對柵下局部區(qū)域進行F離子注入形成負電荷區(qū)實現增強型器件，其藉由頂柵和主柵的相互配合對溝道中二維電子氣進行調控，使E-MODEHEMT(Enhancement-mode High Electron Mobility Transistor,增強型高電子遷移率晶體管)漏極輸出電流與柵端電壓的變化保持一致，從根本上抑制“電流崩塌效應”。然而，該新型疊層雙柵HEMT器件與傳統(tǒng)的源、漏、柵三端HEMT器件不同，是一個四端器件。但目前電力電子電路中的功率開關器件都是以三端的形式工作，四端器件應用到電路中需要對電路設計做進一步的修改，因此會增加系統(tǒng)的復雜度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種集成方案，可以將疊層雙柵四端HEMT器件集成到電路中，并使之以三端形式工作。為實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術方案一種含雙柵增強型HEMT器件的集成系統(tǒng)，包括
基座，
以及，安裝在基座上的雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件，包括異質結構以及通過異質結構中的二維電子氣形成電連接的源極與漏極，
其中，所述異質結構包括
第一半導體，其設置于源極和漏極之間，
第二半導體，其形成于第一半導體表面，并具有寬于第一半導體的帶隙，且第二半導體表面設有主柵，所述主柵位于源極與漏極之間靠近源極一側，并與第二半導體形成金屬-半導體接觸，
介質層，其形成于第二半導體和主柵表面，并設置在源極與漏極之間，且介質層表面設 有頂柵，所述頂柵對主柵形成全覆蓋，且至少所述頂柵的一側邊緣部向漏極或源極方向延伸設定長度距離；
所述源極、漏極、主柵和頂柵分別與分布在基座上的復數個基座接出端電連接；
進一步的，該含雙柵增強型HEMT器件的集成系統(tǒng)還包括
用于使所述主柵和頂柵實現同步信號控制的分壓補償電路，所述分壓補償電路包括串聯和/或并聯設置在分別與源極、主柵和頂柵電連接的各基座接出端之間的電容和/或電阻。進一步的，所述分壓補償電路包括
并聯設置在與源極連接的基座接出端和與主柵連接的基座接出端之間的至少一第一電容和/或至少一第一電阻，
并聯設置于與主柵連接的基座接出端和與頂柵連接的基座接出端之間的至少一第二電容和/或至少一第二電阻。作為優(yōu)選方案之一，所述源極、主柵和頂柵分別與一第一基座接出端、一第四基座接出端及一第三基座接出端電連接，第一電容和第一電阻并聯設于第一基座接出端與第四基座接出端之間，所述第二電容和第二電阻并聯設于第四基座接出端及第三基座接出端之間。作為優(yōu)選方案之一，所述第一電容、第二電容、第一電阻和第二電阻均米用分立器件。作為優(yōu)選方案之一，所述源極與漏極分別與電源的低電位和高電位連接。 作為優(yōu)選方案之一，所述主柵設于第二半導體的F離子區(qū)表面，所述F離子區(qū)是第二半導體內的局部區(qū)域經F離子注入處理后所形成的具有設定厚度的負電荷區(qū)。更進一步的講，所述負電荷區(qū)是通過F離子注入，并經過一定溫度、時間的退火，形成的穩(wěn)定負電荷區(qū)，從而降低勢壘高度，將柵下方溝道內的二維電子氣耗盡。負電荷區(qū)也可以是高溫熱氧化區(qū)或者凹槽等可以實現增強型器件的結構。作為優(yōu)選方案之一，所述第一半導體和第二半導體均采用III族氮化物半導體。作為優(yōu)選方案之一，所述頂柵的兩側邊緣分別向源極和漏極方向延伸設定長度距離，
或者，所述頂柵僅以其一側邊緣部向源極或漏極方向延伸設定長度距離。作為優(yōu)選方案之一，在所述HEMT器件處于導通狀態(tài)時，所述頂柵控制信號的電位高于主柵控制信號的電位。在所述HEMT器件工作時，所述主柵和頂柵所加電壓的幅值和相位通過補償分壓電路由同一信號控制。作為優(yōu)選方案之一，所述漏極與一第二基座接出端電連接。


圖I是本發(fā)明雙柵E-MODE HEMT的剖面結構示意 圖2是普通E-MODE HEMT器件的局部結構示意 圖3是本發(fā)明雙柵E-MODE HEMT器件的局部結構示意 圖4是本發(fā)明實施例中E-MODE HEMT器件的剖視結構示意 圖5是本發(fā)明實施例中E-MODE HEMT器件的俯視結構示意圖。
具體實施例方式參閱圖2，普通E-MODE HEMT器件電流崩塌的原因是在器件處于關斷狀態(tài)時，在柵金屬兩側AlGaN層3與絕緣介質層7以及它們的界面處會積累負電荷，形成界面負電荷積累區(qū)21，由于靜電感應作用，這些負電荷會減少甚至完全耗盡其下方溝道區(qū)的二維電子氣，形成溝道耗盡區(qū)22。當器件開啟時(從關斷態(tài)向導通態(tài)轉換)，柵極下方溝道內二維電子氣受柵電極電壓控制而上升，但是電荷積累區(qū)21的負電荷由于處于較深能級不能及時釋出，因此其對應溝道內的二維電子氣還是較少，所以器件不能完全導通，隨著時間的增加，界面電荷積累區(qū)的負電荷逐漸從深能級釋放出來，其對應溝道內電子濃度上升，器件逐漸向完全導通狀態(tài)轉變，根據目前研究結果，負電荷從深能級釋放出來的時間大約為微秒 秒的量級。為克服上述普通E-MODE HEMT器件的電流崩塌現象，本案發(fā)明人提出了一種III族氮化物雙柵四端E-MODE HEMT器件(以下簡稱雙柵E-MODE HEMT器件)，參閱圖I，該器件的源極8、漏極9位于兩側，在靠近源極8—側的第二半導體3 (如，AlGaN層)表面有一柵電極，稱為主柵4，主柵下方有一經過F離子注入的負電荷區(qū)6，主柵上方有一絕緣介質層7，絕緣介質層上方有另一柵電極，稱為頂柵5。如圖I所示，頂柵位于主柵的上方，在垂直投影面上與主柵兩側邊緣有交疊，并且向源、漏極有一定延伸。前述第一半導體2 (如GaN層)可設于一襯底I上。參閱圖3，本案發(fā)明人提出的前述雙柵E-MODE HEMT器件關斷狀態(tài)下，主柵偏置在閾值電壓以下，頂柵5’上加一足夠高的正偏壓，雖然主柵4’金屬兩側第二半導體層與絕緣介質界面處同樣會積累負電荷，可是由于頂柵上足夠高的正向偏置的作用，界面負電荷不能完全屏蔽頂柵電場，存在足夠的電場去感生溝道區(qū)內的二維電子氣，而保持電荷積累區(qū)下方溝道23導通；當主柵電壓上升，器件從關斷態(tài)向導通態(tài)轉變時，頂柵電壓保持不變，界面電荷積累區(qū)下方的溝道仍然導通，因此器件不會產生電流崩塌造成的延遲。本案發(fā)明人提出的前述雙柵E-MODE HEMT器件具有主柵和頂柵兩個柵電極。在將該器件應用到電路中時，器件相當于以四端方式工作，而且是一種全新的工作方式。在本發(fā)明中，本案發(fā)明人通過采用分壓補償電路，使得器件可以集成到開關電路系統(tǒng)中。采用前述分壓補償電路，主柵與頂柵可以加同一脈沖信號，通過對補償電路中電阻和電容的調整，頂柵電壓與主柵電壓的相位和幅值關系可以隨之調整。通常，可以采用同相位，頂柵電壓幅值高于主柵電壓幅值，在器件從關斷態(tài)向導通狀轉變時，頂柵的高電壓可以克服界面負電荷的屏蔽而在其下方強制感生出足夠的二維電子氣，從而避免電流崩塌；在關斷態(tài)時，頂柵的低電位可以抑制表面態(tài)和缺陷對負電荷的捕獲，從而抑制電流崩塌。以上對本發(fā)明技術方案進行了概述，為了使公眾能夠更清楚了解本發(fā)明的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以基于AlGaN/GaN異質結的器件為例對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明。參閱圖4，本實施例所涉及的該集成系統(tǒng)包括具有如下結構的E-MODE HEMT,該E-MODE HEMT包括第一半導體13 (GaN)、和形成在第一半導體13上的第二半導體14(AlGaN)0第一半導體13未進行特意摻雜。在第二半導體14中可以摻入η型雜質，也可以
不進行摻雜。第二半導體14的帶隙比第一半導體13的帶隙更寬。第二半導體14的厚度約為15至30nm。第一半導體13和第二半導體14形成異質結構,在界面處形成二維電子氣(2DEG)。該E-MODE HEMT具有按規(guī)定間隔距離分離配置的漏極11和源極12。漏極11與源極12貫穿第二半導體14延伸到第一半導體13，與溝道中二維電子氣相連接。漏極11和源極12是由多層金屬(如Ti/Al/Ti/Au或者Ti/Al/Ni/Au等)通過快速高溫退火形成歐姆接觸。該E-MODE HEMT具有負電荷區(qū)19，它是在第二半導體內部、主柵下方第二半導體內通過F離子注入形成的負電荷區(qū)，可以將其所對應的溝道中的二維電子氣耗盡。該E-MODE HEMT具有主、副雙柵結構，主柵16制造在源極和漏極之間，靠近源極的一端，主柵16直接與第二半導體14表面接觸，并形成肖特基接觸。頂柵18設置在介質層17 (如Si3N4)之上，在垂直方向上與主柵有交疊，并且向源、漏極方向各有延伸。進一步的，請參閱圖5，該集成系統(tǒng)所包含的E-MODE HEMT系被封裝于基座30中，源極12通過引線與基座接出端31相連，漏極11通過引線與基座接出端32相連，主柵16通過引線與基座接出端34相連，頂柵18通過引線與基座接出端32相連，分壓補償電路包括電阻26、27和電容28、29。通過調整電阻26、27和電容28、29之間的關系，對主柵和頂柵所加電壓的幅值和相位進行調整。電阻26、27，電容28、29為分立元件。器件在系統(tǒng)中與普通HEMT三端器件一樣，以三端31、32、33的形式工作。藉由前述設計，使得本發(fā)明可以對增強型HEMT器件中的“電流崩塌效應”進行有效控制，并可以將雙柵電極四端器件等同于三端器件應用于系統(tǒng)中，而較少增加系統(tǒng)的復雜度。上述實施例僅為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發(fā)明的內容并據以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據本發(fā)明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種含雙柵增強型HEMT器件的集成系統(tǒng)，包括 基座(30)， 以及，封裝在基座(30)上的雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件，包括異質結構以及通過異質結構中的二維電子氣(2DEG)形成電連接的源極(12)與漏極(11)， 其中，所述異質結構包括 第一半導體(13)，其設置于源極(12)和漏極(11)之間， 第二半導體(14)，其形成于第一半導體(13)表面，并具有寬于第一半導體(13)的帶隙，且第二半導體(14)表面設有主柵(16)，所述主柵(16)位于源極(12)與漏極(11)之間靠近源極(12)—側，并與第二半導體(14)形成金屬-半導體接觸， 介質層(17)，其形成于第二半導體(14)和主柵(16)表面，并設置在源極(12)與漏極·(11)之間，且介質層(17)表面設有頂柵(18)，所述頂柵(18)對主柵(16)形成全覆蓋，且至少所述頂柵(18)的一側邊緣部向漏極(11)或源極(12)方向延伸設定長度距離； 所述源極(12)、漏極(11)、主柵(16)和頂柵(18)分別與分布在基座(30)上的復數個基座接出端電連接； 其特征在于，它還包括 用于使所述主柵(16)和頂柵(18)實現同步信號控制的分壓補償電路，所述分壓補償電路包括串聯和/或并聯設置在分別與源極(12)、主柵(16)和頂柵(18)電連接的各基座接出端之間的電容和/或電阻。
2.根據權利要求I所述的含雙柵增強型HEMT器件的集成系統(tǒng)，其特征在于，所述分壓補償電路包括 并聯設置在與源極(12)連接的基座接出端和與主柵(16)連接的基座接出端之間的至少一第一電容(28)和/或至少一第一電阻(26)， 并聯設置于與主柵(16)連接的基座接出端和與頂柵(18)連接的基座接出端之間的至少一第二電容(29)和/或至少一第二電阻(27)。
3.根據權利要求2所述的含雙柵增強型HEMT器件的集成系統(tǒng)，其特征在于，所述源極(12)、主柵(16)和頂柵(18)分別與一第一基座接出端(33)、一第四基座接出端(34)及一第三基座接出端(33 )電連接，第一電容(28 )和第一電阻(26 )并聯設于第一基座接出端(33 )與第四基座接出端(34)之間，所述第二電容(29)和第二電阻(27)并聯設于第四基座接出端(34)及第三基座接出端(33)之間。
4.根據權利要求2-3中任一項所述的含雙柵增強型HEMT器件的集成系統(tǒng)，其特征在于< 所述第一電容(28)、第二電容(29)、第一電阻(26)和第二電阻(27)均米用分立器件。
5.根據權利要求1-3中任一項所述的含雙柵增強型HEMT器件的集成系統(tǒng)，其特征在于，所述源極(12)與漏極(11)分別與電源的低電位和高電位連接。
6.根據權利要求1-3中任一項所述的含雙柵增強型HEMT器件的集成系統(tǒng)，其特征在于，所述主柵(16)設于第二半導體(14)的F離子區(qū)(19)表面，所述F離子區(qū)(19)是第二半導體(14)內的局部區(qū)域經F離子注入處理后所形成的具有設定厚度的負電荷區(qū)。
7.根據權利要求1-3中任一項所述的含雙柵增強型HEMT器件的集成系統(tǒng)，其特征在于，所述第一半導體和第二半導體均采用III族氮化物半導體。
8.根據權利要求1-3中任一項所述的含雙柵增強型HEMT器件的集成系統(tǒng)，其特征在于，所述頂柵(18)的兩側邊緣分別向源極(12)和漏極(11)方向延伸設定長度距離， 或者，所述頂柵(18)僅以其一側邊緣部向源極(12)或漏極(11)方向延伸設定長度距離。
9.根據權利要求1-3中任一項所述的含雙柵增強型HEMT器件的集成系統(tǒng)，其特征在于，在所述HEMT器件處于導通狀態(tài)時，所述頂柵(18)控制信號的電位高于主柵(16)控制信號的電位。
10.根據權利要求2-3中任一項所述的含雙柵增強型HEMT器件的集成系統(tǒng)，其特征在于，所述漏極(11)與一第二基座接出端(32)電連接。
全文摘要
一種含雙柵增強型HEMT器件的集成系統(tǒng)，包括基座以及安裝在基座上的雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件，該器件包括異質結構以及通過異質結構中的二維電子氣形成電連接的源、漏極，該異質結構包括設置于源、漏極之間的第一半導體，形成于第一半導體表面的第二半導體，設于第二半導體表面的主柵，形成于第二半導體和主柵表面的介質層，設于介質層表面的頂柵；以及，用于使主、頂柵實現同步信號控制的分壓補償電路等，前述電路包括串聯和/或并聯設置在分別與源極和主、頂柵電連接的各基座接出端之間的分立電容和/或分立電阻。本發(fā)明可以對增強型HEMT器件中的“電流崩塌效應”進行有效控制，并可以將雙柵電極四端器件等同于三端器件應用于集成系統(tǒng)中。
文檔編號H03K17/56GK102857202SQ20121036756
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權日2012年9月28日
發(fā)明者于國浩, 蔡勇, 張寶順 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所