[发明专利]具有垂直结构的氮化镓功率半导体器件

说明书

本发明公开了一种半导体器件，所述半导体器件包括衬底和第一有源层，所述衬底具有第一面和第二面，并且所述第一有源层设置在所述衬底的所述第一面上方。第二有源层设置在所述第一有源层上。所述第二有源层具有比所述第一有源层更高的带隙，使得在所述第一有源层与所述第二有源层之间出现二维电子气层。至少一个沟槽延伸穿过所述第一有源层和所述第二有源层及所述二维电子气层并进入所述衬底中。导电材料内衬于所述沟槽上。第一电极设置在所述第二有源层上并且第二电极设置在所述衬底的所述第二面上。

背景技术

氮化镓(GaN)是替代高功率应用中的硅(Si)的潜在材料。GaN具有高击穿电压、优异输运性质、快速切换速度和良好热稳定性。氮化镓还比碳化硅更具成本效益。另一个优点是由氮化铝镓(AlGaN)和氮化镓形成的异质结构产生高迁移率电子的二维沟道，从而使GaN器件能够在相同反向偏压下实现比硅和碳化硅更低的导通电阻。

GaN可提供多种多样不同半导体器件的技术平台，所述半导体器件包括例如二极管和晶体管。二极管用于范围广泛的电子电路。在用于高电压切换应用的电路中使用的二极管理想地需要下列特性。当以反向偏压时(即，阴极处于比阳极更高的电压)，二极管应能够支持大电压，同时允许尽可能少的电流通过。必须支持的电压的量取决于应用；例如，许多高功率切换应用需要这样的二极管，所述二极管可支持至少600V的反向偏压而不会通过大量电流。最后，在二极管被反向偏压时二极管中存储的电荷的量应尽可能少以便在二极管两端的电压变化时减少电路中的瞬态电流，从而减少切换损耗。

图1示出了常规GaN基二极管的例子。二极管100包括衬底110、GaN缓冲层120、GaN外延(“epi”)层130和氮化铝镓势垒层135。第一金属层形成与氮化铝镓势垒层135接触的肖特基接触140并且第二金属层形成与氮化铝镓势垒层135接触的欧姆接触150。肖特基接触140充当器件阳极并且欧姆接触150充当器件阴极。钝化层160位于肖特基接触140与欧姆接触150之间。

在AlGaN层与GaN层之间的异质结界面处形成量子阱，所述AlGaN层具有大带隙，并且所述GaN层具有较窄带隙。因此，电子被俘获在量子阱中。被俘获的电子由GaN外延层中的二维(2DEG)电子气170表示，并且因此，电子沿着阳极与阴极之间的沟道流动。从而，由于其操作基于二维电子气，沟道中的电荷载流子建立横向方向上的电流。

图1所示的二极管的一个问题是其导通电阻因增加的总接触电阻而相对较大，这是由于2DEG电子气的正向电流必须流过AlGaN势垒层135才能到达阴极150，其中与硅相比，对GaN基材料的欧姆接触电阻一般显著更高。另外，因为阳极和阴极位于器件的相同面上，所需的管芯面积也相对较大。此外，二极管的热性能相对较差，因为热耗散受限于管芯的仅一个面。

发明内容

根据本发明，半导体器件包括衬底和第一有源层，所述衬底具有第一面和第二面，并且所述第一有源层设置在衬底的第一面上方。第二有源层设置在所述第一有源层上。第二有源层具有比第一有源层更高的带隙，使得在第一有源层与第二有源层之间出现二维电子气层。至少一个沟槽延伸穿过第一有源层和第二有源层及二维电子气层并进入衬底中。导电材料内衬于所述沟槽上。第一电极设置在第二有源层上并且第二电极设置在衬底的第二面上。

附图说明

图1示出了常规GaN基二极管的例子。

图2示出了根据本发明构造的GaN基二极管的例子。

图3-图7示出了可用于制造图2所示GaN基二极管的一系列工艺步骤的一个例子。

图8和图9示出了根据本发明构造的GaN基金属-绝缘体-半导体(MIS)晶体管的例子。

图10和图11示出了根据本发明构造的GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)的例子。

具体实施方式