專利名稱：雙柵四端iii族氮化物增強型hemt器件的封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種增強型高電子遷移率晶體管器件(Enhancement-mode HighElectron Mobility Transistor , E-mode HEMT),尤其涉及一種雙柵四端 III 族氮化物增強型HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)，其可應(yīng)用于功率開關(guān)等設(shè)備中。
背景技術(shù)：
由于壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng)，在III族氮化物半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)制備的HEMT，不僅可以應(yīng)用于高頻器件方面，而且適合應(yīng)用于高電壓、大電流的功率開關(guān)器件。應(yīng)用到大功率開關(guān)電路中時，為了電路的設(shè)計簡單和安全性方面考慮，一般要求開關(guān)器件為常關(guān)型， 即增強型器件(E-M0DE)。現(xiàn)有的III族氮化物半導體E-MODE HEMT器件應(yīng)用于高壓大功率開關(guān)器件時，漏電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(xiàn)象”，對器件的實用性具有嚴重的影響?，F(xiàn)有的對“電流崩塌現(xiàn)象”的解釋之一是“虛柵模型”?！疤摉拍Ｐ汀闭J為在器件關(guān)斷態(tài)時，有電子注入到柵附近的半導體表面或內(nèi)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(yīng)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(jié)構(gòu)降低柵電極靠近漏電極一端的電場強度，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(yīng)”，本案發(fā)明人曾提出了一種新型III族氮化物E-MODEHEMT器件，該器件具有疊層雙柵結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(diào)控，使E-MODEHEMT (Enhancement-mode High Electron Mobility Transistor,增強型高電子遷移率晶體管)漏電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(yīng)”。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。然而，目前電力電子電路中的功率開關(guān)器件都是以三端的形式工作，四端器件應(yīng)用到電路中需要對電路設(shè)計做進一步的修改，因此會增加其封裝結(jié)構(gòu)及相關(guān)電路的復雜度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)，其通過在封裝結(jié)構(gòu)中設(shè)置分壓補償電路，可將疊層雙柵四端HEMT器件轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)三端HEMT器件結(jié)構(gòu)，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案
一種雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)，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(zhì)結(jié)構(gòu)以及通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣形成電連接的源極與漏極，
其中，所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括
第一半導體，其設(shè)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(shè)有主柵，所述主柵位于源極與漏極之間靠近源極一側(cè)，并與第二半導體形成金屬-半導體接觸，
介質(zhì)層，其形成于第二半導體和主柵表面，并設(shè)置在源極與漏極之間，且介質(zhì)層表面設(shè)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(cè)邊緣部向漏極或源極方向延伸設(shè)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(shù)個基座接出端電連接；
進一步的，該雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)還包括
用于使所述主柵和頂柵實現(xiàn)同步信號控制的分壓補償電路。進一步的，所述分壓補償電路包括
并聯(lián)設(shè)置于源極與主柵之間的至少一第一電容和/或至少一第一電阻，
并聯(lián)設(shè)置于主柵與頂柵之間的至少一第二電容和/或至少一第二電阻。作為較佳實施方案之一，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分別設(shè)于第一基座接出端與主柵之間，所述第二電容和第二電阻分別設(shè)于主柵及第三基座接出端之間。作為較佳實施方案之一，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。作為較佳實施方案之一，所述源極與漏極分別與電源的低電位和高電位連接。 作為較佳實施方案之一，所述主柵設(shè)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(nèi)的局部區(qū)域經(jīng)F離子注入處理后所形成的具有設(shè)定厚度的負電荷區(qū)。作為較佳實施方案之一，所述第一半導體和第二半導體均采用III族氮化物半導體。作為較佳實施方案之一，所述頂柵的兩側(cè)邊緣分別向源極和漏極方向延伸設(shè)定長度距離，
或者，所述頂柵僅以其一側(cè)邊緣部向源極或漏極方向延伸設(shè)定長度距離。作為較佳實施方案之一，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。作為較佳實施方案之一，所述漏極與一第二基座接出端電連接。


圖I是本發(fā)明雙柵四端III族氮化物E-MODE HEMT的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a是普通E-MODE HEMT器件的局部結(jié)構(gòu)示意 圖2b是本發(fā)明雙柵四端III族氮化物E-MODE HEMT器件的局部結(jié)構(gòu)示意 圖3a是本發(fā)明實施例中雙柵四端III族氮化物E-MODE HEMT器件封裝結(jié)構(gòu)的剖視圖； 圖3b是本發(fā)明實施例中雙柵四端III族氮化物E-MODE HEMT器件封裝結(jié)構(gòu)的俯視圖。
具體實施例方式參閱圖2a，普通E-MODE HEMT器件(以AlGaN/GaN HEMT為例)電流崩塌的原因是在器件處于關(guān)斷狀態(tài)時，在柵金屬兩側(cè)AlGaN層3與絕緣介質(zhì)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(yīng)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(guān)斷態(tài)向?qū)☉B(tài)轉(zhuǎn)換)，柵極下方溝道內(nèi)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(yīng)溝道內(nèi)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(yīng)溝道內(nèi)電子濃度上升，器件逐漸向完全導通狀態(tài)轉(zhuǎn)變，根據(jù)目前研究結(jié)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(xiàn)象”，本案發(fā)明人提出了一種雙柵四端III族氮化物E-MODE HEMT器件(如下簡稱為雙柵E-MODE HEMT),參閱圖1，該器件的源電極8、漏電極9位于兩側(cè),在靠近源極8—側(cè)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(jīng)過F離子注入的負電荷區(qū)6，主柵上方有一絕緣介質(zhì)層7，絕緣介質(zhì)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(cè)邊緣有交疊，并且向源、漏電極有一定延伸。前述第一半導體2 (如GaN層)可設(shè)于一襯底I上。參閱圖2b，在本案發(fā)明人提出的前述雙柵E-MODE HEMT器件關(guān)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(cè)第二半導體層與絕緣介質(zhì)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(nèi)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(guān)斷態(tài)向?qū)☉B(tài)轉(zhuǎn)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(chǎn)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(yīng)用到電路中時，器件相當于以四端方式工作，因此往往需要對電路的修改，進而會增加電路復雜性。在本發(fā)明中，本案發(fā)明人在封裝過程中通過在封裝結(jié)構(gòu)中增設(shè)分壓補償電路，使得器件在封裝后仍然可以三端的方式工作于開關(guān)電路中。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(diào)整，頂柵電壓與主柵電壓的相位和幅值關(guān)系可以隨之調(diào)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(guān)斷態(tài)向?qū)钷D(zhuǎn)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；器件關(guān)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(shù)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(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的器件為例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明。參閱圖3a，本實施例所涉及的雙柵四端E-MODE HEMT具有第一半導體13 (GaN)和形成在第一半導體13上的第二半導體14(AlGaN)。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(zhì)，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(zhì)結(jié)構(gòu)，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電極11和源電極12。漏電極11與源電極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。漏電極11和源電極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(nèi)部、主柵下方第二半導體 內(nèi)通過F離子注入形成的負電荷區(qū)，可以將其所對應(yīng)的溝道中的二維電子氣耗盡。該E-MODE HEMT具有主、副雙柵結(jié)構(gòu)，主柵16制造在源電極和漏電極之間，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(shè)置在介質(zhì)層17 (如Si3N4)之上，在垂直方向上與主柵有交疊，并且向源、漏電極方向各有延伸。參閱圖3b，該E-MODE HEMT被封裝于基座30中，源電極12通過引線與基座接出端31相連，漏電極11通過引線與基座接出端32相連，主柵16和頂柵18通過分壓補償電路連接，由基座接出端33進行信號控制。通過調(diào)整分壓補償電路中電阻26、27和電容28、29之間的關(guān)系，對主柵和頂柵所加電壓的幅值和相位進行調(diào)整。電阻26、27，電容28、29為分立元件。器件封裝好后，即以三端31、32、33形式接入到電路中。藉由前述設(shè)計，使得本發(fā)明可以對增強型HEMT器件中的“電流崩塌效應(yīng)”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(yīng)用于電路中。上述實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)，包括 基座(30)， 以及，安裝在基座(30)上的雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件，包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的ニ維電子氣(2DEG)形成電連接的源極(12 )與漏極(11)， 其中，所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括 第一半導體(13)，其設(shè)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(shè)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(cè)，并與第二半導體(14)形成金屬-半導體接觸， 介質(zhì)層(17)，其形成于第二半導體(14)和主柵(16)表面，并設(shè)置在源極(12)與漏極(11)之間，且介質(zhì)層(17)表面設(shè)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(cè)邊緣部向漏極(11)或源極(12)方向延伸設(shè)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(shù)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(xiàn)同步信號控制的分壓補償電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在干，所述分壓補償電路包括 并聯(lián)設(shè)置于源極(12)與主柵(16)之間的至少ー第一電容(28)和/或至少ー第一電阻(26)， 并聯(lián)設(shè)置于主柵(16)與頂柵(18)之間的至少ー第二電容(29)和/或至少ー第二電阻(27)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述源極(12)和頂柵(18)分別與ー第一基座接出端(33)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(lián)設(shè)于第一基座接出端(33)與主柵(16)之間，所述第二電容(29)和第二電阻(27)并聯(lián)設(shè)于主柵(16)及第三基座接出端(33)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2-3中任一項所述的雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)，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(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)，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(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述主柵(16)設(shè)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(nèi)的局部區(qū)域經(jīng)F離子注入處理后所形成的具有設(shè)定厚度的負電荷區(qū)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)，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(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述頂柵(18)的兩側(cè)邊緣分別向源極(12)和漏極(11)方向延伸設(shè)定長度距離， 或者，所述頂柵(18)僅以其一側(cè)邊緣部向源極(12)或漏極(11)方向延伸設(shè)定長度距離。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)，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(jù)權(quán)利要求2-3中任一項所述的雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)，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
一種雙柵四端III族氮化物增強型HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)，包括基座以及，安裝在基座上的HEMT器件，該器件包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣形成電連接的源、漏極，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括設(shè)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(shè)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(zhì)層，設(shè)于介質(zhì)層表面的頂柵；以及，用于使主、頂柵實現(xiàn)同步信號控制的分壓補償電路等，該分壓補償電路主要由電阻和電容等分立器件組成。藉由所述分壓補償電路，可以調(diào)控頂柵和主柵所加電壓的幅值和相位關(guān)系。本發(fā)明可以對增強型HEMT器件中的“電流崩塌效應(yīng)”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(yīng)用于電路中。
文檔編號H01L29/778GK102856372SQ20121036756
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)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(shù)與納米仿生研究所