[发明专利]光驱动SiC/GaN基半导体器件及其制作工艺

说明书

本发明公开了一种光驱动SiC/GaN基半导体器件，它取消了传统BJT结构中的基极电极，利用紫外线穿过透明电极和薄发射区进入基区引入光激发产生电子和空穴对，为BJT的基极提供基极电流；同时采用圆角四棱台器件结构，提高了器件的耐压值。本发明还公开了制作上述光驱动SiC/GaN基半导体器件的工艺。本发明在兼具传统BJT优点的同时，提高了器件的光注入电流增益、击穿电压、EMI抗扰度、开关切换速度和稳定性，降低了驱动损耗和响应时间，降低了制造成本。本发明适用于从小功率到大功率的半导体功率器件领域。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体地说是一种光驱动SiC/GaN基半导体器件及其制作工艺。

背景技术

在电子电力应用系统中，功率半导体器件的应用非常广泛。小至日常生活中使用的闹钟、手机、数码相机以及计算机，大到飞机、轮船、航天器等电器化大型功率变换设备，功率半导体器件作为进行电能变换、功率控制和处理，以及实现能量管理调节的核心器件，均占据着举足轻重的地位。长期以来，以Si材料为基础的功率半导体器件在电子功率系统中占据着主导地位，但是由于材料本身的限制，使得以硅材料为基础的半导体功率器件的性能在许多方面已经接近其理论极限，尤其是在高压、大电流和高温场合的应用遇到了很大的瓶颈。以SiC和GaN材料为代表的新型宽禁带半导体材料则具有Si材料不具备的优势，加之近十年来SiC衬底以及器件制造工艺（外延生长技术、欧姆接触技术以及反应离子刻蚀技术）的不断发展，使得SiC器件得到了国际上越来越多的关注。

在各种SiC功率开关器件中，BJT，即双极性晶体管，是一种非常有前景的器件，传统的SiC BJT的结构如图1。一方面SiC BJT不像Si BJT会受二次击穿等问题的限制，另一方面，SiC BJT也解决了JFET器件栅极驱动的问题和MOSFET氧化层界面稳定性和沟道迁移率的问题。除此之外，SiC BJT更加易于封装，生产工艺也相对简单，然而，传统SiC BJT由于采用的是电驱动，这就需要持续的基极驱动电流，进而会产生驱动损耗（VBE为驱动电压），由于SiC BJT的β值较低，所以往往会产生较大的驱动损耗。此外，SiC BJT还存在电流增益低、导通电阻性能退化的问题，由于采用电驱动的方式，所以也无可避免的会遇到EMI抗扰度低、开关切换速度慢、响应时间长等问题。

为了解决这些问题，有文献（Zhao F, Islam M M. Optically Activated SiCPower Transistors for Pulsed-Power Application[J]. IEEE Electron DeviceLetters, 2010, 31(10):1146-1148.）提出了一种新型的光学驱动SiC功率开关器件，成功地将电学驱动替换为光学驱动，其结构如图2所示，相比于传统的SiC BJT，其取消了传统结构的基极金属电极，而将其发射极中间部分刻蚀形成凹槽，暴露出基区，UV光照射进入凹槽，透过SiO2层进入基区，通过光能吸收，在集电结的空间电荷区会产生电子-空穴对，当晶体管被偏置在有效状态，光生空穴会飘向并被锁定在基区，空穴的积累会提高基区电位，从而促使大量来自发射区的电子到达集电区，这是该器件内部电流增益的主要机制。然而由于UV光的透射面不在一个平面，这就大大降低了光能吸收的有效面积和光生电流密度，抬高了光触发的需求功率，另外由于器件内部的电流增益机制得益于光生空穴向基区的扩散运动，这就使得器件的β值很低，严重影响了该用于脉冲光源的光驱动功率器件的性能；另一方面，由于光刻的条件苛刻，很容易使得器件的凹槽达不到预期深度，甚至损坏器件，这就大大提高了器件的制造成本。