Ⅲ族氮化物HEMT模塊及其制法制造技術

本申請公開了一種Ⅲ族氮化物HEMT模塊，其包括：Ⅲ族氮化物HEMT器件，包括源、漏、柵極以及異質結構等，該柵極包括保護型柵極和耗盡型柵極；以及，與所述HEMT器件電連接的驅動模塊和過溫、過流保護模塊等。藉由本申請的前述器件設計，可以通過耗盡型柵極實現HEMT器件的導通、關斷，并通過保護型柵極作為安全開關對HEMT器件進行保護，同時通過過溫、過流保護模塊等實現HEMT器件中溫度、電流的監控，以及，通過集成的驅動模塊還可實現對HEMT器件的控制并提供失效保護，且減小寄生電容等的影響，克服現有耗盡型HEMT器件在實際使用中的缺陷。本申請還公開了制作所述Ⅲ族氮化物HEMT模塊的方法。

Group III nitride HEMT module and method of making the same

The invention discloses a III nitride HEMT module, which comprises: III nitride HEMT device includes source, drain and gate and the heterogeneous structure, including the protection of the gate type gate and gate depletion; and, with the HEMT device is electrically connected with the drive module and over temperature, over-current protection module etc.. The design of the device by the application, can achieve through the depletion gate HEMT device turn-on and turn off, and through the protection gate as a safety switch for the protection of the HEMT device, at the same time by over temperature, over-current protection module, current temperature monitoring in HEMT devices, and, through the drive modules can also be used to control the HEMT device failure and provide protection, and reduce the influence of parasitic capacitance, overcome the defect of the existing depleted HEMT device in practical use. The present application also discloses a method for producing the group III nitride HEMT module.

【技術實現步驟摘要】
Ⅲ族氮化物HEMT模塊及其制法
本申請涉及一種Ⅲ族氮化物HEMT模塊，特別涉及一種集成驅動器和安全開關的保護型柵極結構Ⅲ族氮化物HEMT器件模塊及其制法。屬于電子器件功率模塊

技術介紹
HEMT器件是充分利用半導體的異質結結構形成的二維電子氣而制成的。與Ⅲ-Ⅵ族(如AlGaAs/GaAsHEMT)相比，Ⅲ族氮化物半導體由于壓電極化和自發極化效應，在異質結構(Heterostructure)，如：AlGaN/GaN，能夠形成高濃度的二維電子氣。所以在使用Ⅲ族氮化物制成的HEMT器件中，勢壘層一般不需要進行摻雜。同時，Ⅲ族氮化物還具有大的禁帶寬度、較高的飽和電子漂移速度、高的臨界擊穿電場和極強的抗輻射能力等特點，能夠滿下一代電力電子系統對功率器件更大功率、更高頻率、更小體積和更高溫度的工作的要求?，F有的Ⅲ族氮化物半導體HEMT器件，特別是耗盡型HEMT器件作為高頻器件或者高壓大功率開關器件使用時，存在系統安全性問題，且設計電路復雜。而通過薄勢壘層、凹柵結構、P型蓋帽層和F處理等技術實現的增強型HEMT器件也存在自身不足，難以實現性能優異穩定的增強型器件。近年來，為解決耗盡型器件的安全性問題以及可靠穩定的增強型器件實現困難的問題，一些Ⅲ族氮化物半導體HEMT生產廠家或研究單位開發出了耗盡型器件驅動電路與Ⅲ族氮化物半導體HEMT集成模塊，用以對耗盡型器件提供負的驅動電壓并進行保護，但是此類集成模塊中需集成SiMOSFET等進行掉電保護，但這又會對整體芯片面積，導通電阻等性能造成嚴重影響,而且還需增加引線，因而還會增大寄生電容電感,此外，受SiMOSFET工作速度的限制，整體器件工作速度也會降低。
技術實現思路
本申請的主要目的在于提供一種Ⅲ族氮化物HEMT模塊及其制法，以克服現有技術中的不足。為實現前述專利技術目的，本申請采用的技術方案包括：本申請實施例提供了一種Ⅲ族氮化物HEMT模塊，包括驅動模塊和Ⅲ族氮化物HEMT器件，所述HEMT器件包括源極、漏極、柵極以及異質結構，所述異質結構包括第一半導體和第二半導體，所述第二半導體形成于第一半導體表面，并具有寬于第一半導體的帶隙，所述源極與漏極通過形成于所述異質結構中的二維電子氣電連接，所述第一半導體設置于源極和漏極之間，所述柵極包括保護型柵極和耗盡型柵極，所述保護型柵極設于第二半導體上，并位于源、漏極之間靠近源極一側，且對應于所述保護型柵極的柵下溝道為增強型模式，所述耗盡型柵極設置于保護型柵極與漏極之間靠近保護型柵極一側，且對應于所述耗盡型柵極的柵下溝道為耗盡型模式，所述耗盡型柵極與第二半導體之間分布有絕緣介質層，在所述HEMT器件工作時，所述保護型柵極、耗盡型柵極分別由所述驅動模塊提供的第一控制信號、第二控制信號控制，所述第一控制信號包括用以控制所述保護型柵極的開關信號，所述第二控制信號包括用以控制所述耗盡型柵極的輸入信號。進一步的，在所述HEMT器件處于正常工作狀態時，所述保護型柵極保持高電位，而由所述耗盡型柵極控制所述HEMT的導通與關斷。進一步的，所述源極、漏極分別與電源的低電位、高電位連接。在一些較佳實施方案中，所述Ⅲ族氮化物HEMT模塊還包括過溫保護模塊和/或過流保護模塊。在一些較佳實施方案中，所述驅動模塊與Ⅲ族氮化物HEMT器件集成設置。進一步的，所述Ⅲ族氮化物HEMT模塊具有整體集成封裝結構。本申請實施例還提供了一種制作所述Ⅲ族氮化物HEMT模塊的方法，包括：(1)在襯底上生長形成外延層，所述外延層包括異質結構，所述異質結構包括第一半導體和第二半導體，所述第二半導體形成于第一半導體表面，并具有寬于第一半導體的帶隙，且在所述異質結構中形成有二維電子氣；(2)至少采用薄勢壘層技術、凹柵技術、P型蓋帽層技術、氟的等離子處理技術以及F離子注入技術中的任一種方式對所述外延層中與保護型柵極對應的區域進行處理，以耗盡對應于保護型柵極的柵下二維電子氣；(3)在經步驟(2)處理后的外延層表面設置絕緣介質層；(4)制作與所述異質結構配合的源極和漏極，并使所述第一半導體設置于源極和漏極之間，以及使所述源極與漏極通過形成于所述異質結構中的二維電子氣電連接；(5)制作保護型柵極和耗盡型柵極，使所述保護型柵極設于第二半導體上，并位于源、漏極之間靠近源極一側，以及使所述耗盡型柵極設置于所述絕緣介質層上，并位于保護型柵極與漏極之間靠近保護型柵極一側，形成基于Ⅲ族氮化物HEMT器件；(6)將所述HEMT器件與驅動模塊連接，所述驅動模塊至少用以分別向所述保護型柵極、耗盡型柵極提供第一控制信號、第二控制信號，所述第一控制信號包括用以控制所述保護型柵極的開關信號，所述第二控制信號包括用以控制所述耗盡型柵極的輸入信號。在一些較佳實施方案中，所述制作方法還可包括：將所述基于Ⅲ族氮化物HEMT器件與過溫保護模塊和/或過流保護模塊集成設置。進一步的，前述過溫保護模塊與所述驅動模塊及所述保護型柵極連接。更進一步的，前述過溫保護模塊包括與所述HEMT器件集成設置的熱敏電阻和/或肖特基二極管，所述熱敏電阻和/或肖特基二極管與所述驅動模塊及所述保護型柵極連接。進一步的，前述過流保護模塊與所述驅動模塊及所述源極連接。進一步的，前述第一半導體、第二半導體均采用Ⅲ族氮化物。進一步的，所述驅動模塊與Ⅲ族氮化物HEMT器件集成設置。較之現有技術，本申請的Ⅲ族氮化物HEMT模塊采用同時具有保護型柵極和常規耗盡型柵極的Ⅲ族氮化物HEMT器件，可以通過保護型柵極實現對器件的保護，并通過常規耗盡型柵極實現導通關斷，進而再通過集成驅動模塊、過溫保護模塊、過流保護模塊等，可以實現器件工作過程中的溫度、電流監控等，并減小寄生電容等影響，尤其是可以同時提供保護而解決耗盡型器件在使用中的安全性問題。附圖說明圖1是本申請一典型實施例中一種具有保護型柵極的Ⅲ族氮化物HEMT器件的結構示意圖(保護型柵極以凹柵為例)。圖2a是現有的一種耗盡型HEMT器件在關斷狀態下結構示意圖。圖2b是現有的一種耗盡型HEMT器件出現掉電故障或者開機狀態的結構示意圖。圖3是本申請一典型實施例中一種Ⅲ族氮化物HEMT模塊的結構示意圖。圖4是本申請一典型實施例中一種驅動器的驅動信號的時序示意圖。圖5是本申請一典型實施例中一種具有保護型柵極的Ⅲ族氮化物HEMT器件(保護型柵極以凹柵為例)在正常工作關斷狀態下的示意圖。圖6是本申請一典型實施例中一種具有保護型柵極的Ⅲ族氮化物HEMT器件(保護型柵極以凹柵為例)出現掉電故障或者開機狀態下的示意圖。圖7是本申請一典型實施例中一種器件版圖中集成有溫度傳感器的Ⅲ族氮化物HEMT器件的示意圖。圖8是AlGaN/GaN異質結中二維電子氣遷移率隨溫度變化的圖譜。附圖標記說明：1—襯底，2—氮化鎵(GaN)，3—二維電子氣，4—AlN空間層，5—AlxGa(1-x)N勢壘層(0＜x＜1)，6—GaN蓋帽層，7—溝道耗盡區，8—絕緣介質層，9—源極，10—漏極，11—保護型柵極，12—常規耗盡型柵極，13—源極，14—漏極，15—保護型柵極，16—常規耗盡型柵極，17—熱敏電阻，18—肖特基二極管，19—熱敏電阻的負極，20—熱敏電阻的正極，21—肖特基二極管的負極，22—肖特基二極管的正極。具體實施方式下文將對本本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種Ⅲ族氮化物HEMT模塊，其特征在于包括驅動模塊和Ⅲ族氮化物HEMT器件，所述HEMT器件包括源極、漏極、柵極以及異質結構，所述異質結構包括第一半導體和第二半導體，所述第二半導體形成于第一半導體表面，并具有寬于第一半導體的帶隙，所述源極與漏極通過形成于所述異質結構中的二維電子氣電連接，所述第一半導體設置于源極和漏極之間，所述柵極包括保護型柵極和耗盡型柵極，所述保護型柵極設于第二半導體上，并位于源、漏極之間靠近源極一側，且對應于所述保護型柵極的柵下溝道為增強型模式，所述耗盡型柵極設置于保護型柵極與漏極之間靠近保護型柵極一側，且對應于所述耗盡型柵極的柵下溝道為耗盡型模式，所述耗盡型柵極與第二半導體之間分布有絕緣介質層，在所述HEMT器件工作時，所述保護型柵極、耗盡型柵極分別由所述驅動模塊提供的第一控制信號、第二控制信號控制，所述第一控制信號包括用以控制所述保護型柵極的開關信號，所述第二控制信號包括用以控制所述耗盡型柵極的輸入信號。

【技術特征摘要】
1.一種Ⅲ族氮化物HEMT模塊，其特征在于包括驅動模塊和Ⅲ族氮化物HEMT器件，所述HEMT器件包括源極、漏極、柵極以及異質結構，所述異質結構包括第一半導體和第二半導體，所述第二半導體形成于第一半導體表面，并具有寬于第一半導體的帶隙，所述源極與漏極通過形成于所述異質結構中的二維電子氣電連接，所述第一半導體設置于源極和漏極之間，所述柵極包括保護型柵極和耗盡型柵極，所述保護型柵極設于第二半導體上，并位于源、漏極之間靠近源極一側，且對應于所述保護型柵極的柵下溝道為增強型模式，所述耗盡型柵極設置于保護型柵極與漏極之間靠近保護型柵極一側，且對應于所述耗盡型柵極的柵下溝道為耗盡型模式，所述耗盡型柵極與第二半導體之間分布有絕緣介質層，在所述HEMT器件工作時，所述保護型柵極、耗盡型柵極分別由所述驅動模塊提供的第一控制信號、第二控制信號控制，所述第一控制信號包括用以控制所述保護型柵極的開關信號，所述第二控制信號包括用以控制所述耗盡型柵極的輸入信號。2.根據權利要求1所述的Ⅲ族氮化物HEMT模塊，其特征在于：所述保護型柵極的柵下溝道的增強型模式是通過薄勢壘層技術、凹柵技術、P型蓋帽層技術、氟的等離子處理技術以及氟離子注入技術中的至少一者實現的。3.根據權利要求1所述的Ⅲ族氮化物HEMT模塊，其特征在于：在所述HEMT器件處于正常工作狀態時，所述保護型柵極保持高電位，而由所述耗盡型柵極控制所述HEMT的導通與關斷。4.根據權利要求1所述的Ⅲ族氮化物HEMT模塊，其特征在于：所述源極、漏極分別與電源的低電位、高電位連接；和/或，所述源極、漏極與第二半導體均形成歐姆接觸；和/或，所述第一半導體、第二半導體均采用Ⅲ族氮化物。5.根據權利要求1所述的Ⅲ族氮化物HEMT模塊，其特征在于：所述Ⅲ族氮化物HEMT模塊還包括過溫保護模塊和/或過流保護模塊，所述過溫保護模塊與所述驅動模塊及所述保護型柵極連接，所述過流保護模塊與所述驅動模塊及所述源極連接；優選的，所述過溫保護模塊包括與所述HEMT器件集成設置的熱敏電阻和/或肖特基二極管，所述熱敏電阻和/或肖特基二極管與所述驅動模塊及所述保護型柵極連接。6.根據權利要求5所述的Ⅲ族氮化物HEMT模塊，其特征在于：所述熱敏電阻和/或肖特基二極管與所述HEMT器件單片集成，且所述熱敏電阻和/或肖特基二極管與所述HEMT器件之間彼此電學隔離；優選的，所述熱敏電阻或肖特基二極管包含正極、負極、絕緣介質層以及異質結構，所述異質結構包括所述的第一半導體和第二半導體，所述正極與負極通過所述異質結構中的二維電子氣相連接，所述第一半導體設置于所述正極與負極之間，所述絕緣介質層形成于所述第二半導體表面，并設置在所述正極和負極之間；優選的，所述熱敏電阻的正極、負極均與所述第二半導體形成歐姆接觸；優選的，所述肖特基二極管的正極與所述第二半導體形成肖特基接觸，負極與所述第二半導體形成歐姆接觸；優選的，所述熱敏電阻或肖特基二極管的正極與所述保護型柵極連接，負極與電流監測裝置連接；更為優選的，所述電流監測裝置包括電流表；更為優選的，在所述熱敏電阻中，所述異質結構內的二維電子氣被部分耗盡，使得所述熱敏電阻在常溫下的電阻值大于或等于1kΩ；更為優選的，在所述熱敏電阻中，是通過薄勢壘層技術、凹柵技術、P型蓋帽層技術、氟的等離子處理技術以及F離子注入技術中的至少一者處理所述異質結構內的溝道，從而使所述異質結構內的二維電子氣被部分耗盡；更為優選的，所述過流保護模塊包括采樣電阻，所述過流保護模塊與所述驅動模塊、所述源極及電壓監測裝置連接；優選的，所述電壓監測裝置包括電壓表；更為優選的，所述Ⅲ族氮化物HEMT模塊包括復數個熱敏電阻和/或肖特基二極管，所述的復數個熱敏電阻和/或肖特基二極管用以對所述Ⅲ族氮化物HEMT模塊內的多個區域進行溫度監控；更為優選的，所述的復數個熱敏電阻和/或肖特基二極管與所述HEMT器件單片集成。7.根據權利要求1所述的Ⅲ族氮化物HEM...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李維毅，楊輝，蔡勇，張寶順，陳敬，
申請(專利權)人：中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所，
類型：發明
國別省市：江蘇,32