可操作的氮化镓器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及与半导体器件有关的技术和电路。
【背景技术】
[0002]氮化镓(GaN)可用作半导体器件的制造材料。GaN的一种显著优势在于GaN具有应变引入的压电电荷，这允许传导通道(例如，二维电子气(2DEG)区域)形成在基于GaN的半导体器件内而无需掺杂GaN。消除掺杂GaN的需要可以减少半导体器件的杂质散射效应，这允许本征载流子迀移率在具有低导通阻抗(R_)的电流传导通道(例如，2DEG区域)中形成。
[0003]然而，GaN可包含陷阱，由于与GaN相关联的潜在较大的带隙，其会在GaN内捕捉或拉动和保持活动载流子。这些陷阱会导致与基于GaN的半导体器件相关联的已知为电流崩塌的不利效果，使得电流传导通道中的活动载流子的数量减少。半导体器件可依赖于GaN衬底和公共衬底(例如，硅(Si)衬底、碳化硅(SiC)衬底或由显示出与Si或SiC类似的电和化学特性的材料制成的其他类似类型的衬底)的组合，以提高半导体器件相对于其他类型的半导体器件的性能而不增加成本。然而，依赖于GaN衬底和公共衬底的组合的半导体器件会遭受异常高速的陷阱。高速陷阱可使基于GaN的半导体器件无效且不能用作高电子迀移率场效应晶体管(HEMT)。例如，基于GaN的半导体器件中的电流崩塌可使基于GaN的半导体器件的Rdsm增加100倍，并且实际上使得GaN半导体器件不能用于大多数HEMT应用。
【发明内容】
[0004]通常，技术和电路被描述为配置半导体器件以具有一个或多个GaN器件而不经受电流崩塌的效应。例如，本文所描述的电源电路可被配置为通过将低电位施加于公共衬底来减小或消除一个或多个GaN器件的电流崩塌。在一些示例中，低电位可通过电源电路直接施加于GaN器件，并且施加于衬底的低电位可直接来自于电源电路。在其他示例中，电源电路可经由二极管和/或开关来施加低电位。
[0005]系统可包括耦合至电源电路的控制器单元，其输入端用于接收来自功率源的功率。根据本文所描述的技术，控制器单元可确定系统的低电位并利用至少一个控制器将命令和/或信号传送至电源电路，以控制二极管和/或开关的打开和/或闭合，从而将低电位施加于公共衬底。
[0006]在一个示例中，电源电路包括半导体主体，半导体主体包括公共衬底以及基于氮化镓(GaN)的衬底，基于氮化镓(GaN)的衬底包括与公共衬底的前侧相邻的一个或多个GaN器件，其中公共衬底电耦合至电源电路的节点，该节点处于特定电位，特定电位等于一个或多个GaN器件的一个或多个负载端处的电位或者比一个或多个GaN器件的一个或多个负载端处的电位更小(more negtive)。
[0007]在另一示例中，半导体器件包括电耦合至电源电路的节点的公共衬底以及一个或多个氮化镓(GaN)器件，一个或多个GaN器件包括与公共衬底的前侧相邻的GaN衬底、与GaN衬底相邻且与公共衬底的前侧相对的二维电子气(2DEG)区域、与2DEG区域相邻且与GaN衬底相对的氮化铝镓(AlGaN)层以及一个或多个负载端，其中，2DEG区域包括至少部分地基于与公共衬底电耦合的电源电路的节点处的特定电位从GaN衬底向AlGaN层排斥的电子，以及其中特定电位等于一个或多个负载端处的电位或比一个或多个负载端处的电位更小。
[0008]在另一示例中，一种方法包括:确定电源电路的节点处的特定电位，该特定电位等于或小于一个或多个氮化镓(GaN)器件的一个或多个负载端处的端电位，其中一个或多个GaN器件的每一个均包括在半导体主体的一个或多个GaN衬底上，一个或多个GaN衬底与半导体主体的公共衬底的前侧相邻；以及向半导体主体的公共衬底施加电源电路的节点处的特定电位，其中施加特定电位减少了半导体主体中的电流崩塌量。
【附图说明】
[0009]在附图和以下描述中阐述了一个或多个示例的细节。本公开的其他特征、目的和优点将从描述和附图以及权利要求中明显得出。
[0010]图1是示出根据本公开的一个或多个方面的用于对负载供电的示例性系统的框图。
[0011]图2是示出根据本公开的一个或多个方面的图1所示示例性系统的电源电路的一个示例的框图。
[0012]图3是示出作为图2的电源电路的一个示例的单相整流器的示例的框图。
[0013]图4A和图4B是示出节点之间的压差以及流过图3所示示例性电源电路6A的半导体主体的电流的示例的概念图。
[0014]图5是示出作为图2的电源电路的附加示例的图腾柱(totem pole)功率因数校正级的示例的框图。
[0015]图6是示出作为图2的电源电路的附加示例的反相器的示例的框图。
[0016]图7是示出作为图2的电源电路的附加示例的三相维也纳整流器的示例的框图。
[0017]图8A至图SC是分别示出作为图2的电源电路的附加示例的单相维也纳整流器的示例的框图。
[0018]图9A至图9C是分别示出图2所示示例性半导体主体的基于开关的半导体主体的示例的截面分层图。
[0019]图10是示出图2所示示例性半导体主体的基于二极管的半导体主体的示例的截面分层图。
[0020]图11至图13是分别示出根据本公开的一个或多个方面的包括图2所示示例性电源电路的示例性半导体封装件的框图。
[0021]图14是示出根据本公开的一个或多个方面的在半导体主体上具有GaN 二极管和GaN双向开关的封装件的示例的框图。
[0022]图15是示出根据本公开的一个或多个方面的用于减少示例性电源电路的电流崩塌的示例性操作的流程图。
【具体实施方式】
[0023]一些电子器件(例如，晶体管、二极管、开关等)是基于半导体的，或者换句话说，由诸如硅(Si)、氮化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等的半导体材料制成。例如，双向GaN开关可包括具有AlGaN层且粘附至衬底和/或衬底组合(诸如GaN衬底和Si衬底的组合)的一个或多个GaN器件(例如，两个GaN开关)。在一些示例中，使用多于一个的Si衬底层等可降低GaN衬底与Si衬底之间的晶格失配。
[0024]使用基于GaN的部件(诸如GaN高电子迀移率晶体管(HEMT))的一些优势在于，基于GaN的部件被认为与其他类型的HEMT或类似类型的半导体部件相比具有高性能和低成本。例如，不同于其他类型的半导体部件，基于GaN的部件可具有高饱和速度(例如，与Si的Ix 107cm/s相比，GaN为2.5x 107cm/s)和击穿电场强度(与Si的?3x 105V/cm相比，GaN为5x 106V/cm)。基于GaN的部件还具有直接和较大的带隙(与Si的1.1eV相比，GaN为3.4eV)，这实现了较低的导通阻抗(“RDSW”)和高操作温度。
[0025]GaN的一种主要优点是GaN具有应变引入的压电电荷，这使得传导通道(例如，二维电子气(2DEG)区域)形成在基于GaN的半导体器件内而不需要掺杂GaN。消除掺杂GaN的需要可以减少半导体器件的杂质散射效应，这允许本征载流子迀移率在具有低导通阻抗(Rdson)的电流传导通道(例如，2DEG区域)中形成。
[0026]然而，GaN可包含陷阱，由于与GaN相关联的潜在较大的带隙，其会在GaN内捕捉或拉动和保持活动载流子。这些陷阱会导致与基于GaN的半导体器件相关联的已知为电流崩塌的不利效果，使得电流传导通道中的活动载流子的数量减少。半导体器件可依赖于GaN衬底和公共衬底(例如，硅(Si)衬底、碳化硅(SiC)衬底或由显示出与Si或SiC类似的电和化学特性的材料制成的其他类似类型的衬底)的组合，以提高半导体器件相对于其他类型的半导体器件的性能而不增加成本。然而，依赖于GaN衬底和公共衬底的组合的半导体器件会遭受异常高速的陷阱。高速陷阱可使基于GaN的半导体器件无效且不能用作高电子迀移率场效应晶体管(HEMT)。例如，基于GaN的半导体器件中的电流崩塌可使基于GaN的半导体器件的Rdsm增加100倍，并且实际上使得基于GaN的半导体器件不能用于大多数HEMT应用。
[0027]作为HEMT类型的基于GaN的半导体器件的无效还会阻止横向GaN器件结构的使用，这种横向GaN器件结构可以与非常高欧姆的结构(诸如Si衬底层)组合来允许多于一个开关的集成。因此，电流崩塌会阻止一个或多个双向GaN开关在公共衬底上的集成。
[0028]用于减少电流崩塌的一种技术涉及AlGaN/GaN器件的顶面的钝化。例如，可通过在AlGaN/GaN器件的表面上增加SiN沉积和退火后温度来减少电流崩塌。可以在AlGaN/GaN器件的表面钝化中使用其他沉积组合(诸如疏水钝化来防止DC-RF分散)以减少电流崩塌。然而，器件的顶面钝化不减少AlGaN层或GaN衬底(即，GaN缓冲器)处的界面陷阱。
[0029]用于减少电流崩塌的另一种技术包括向AlGaN层和GaN衬底之间的传导通道添加氮化铟镓(InGaN)。向传导通道添加InGaN可通过抑制与表面状态相关的电流崩塌来提高电子传送特性。然而，添加InGaN会在AlGaN层和GaN衬底之间增加附加材料，这会增加成本。
[0030]用于减少AlGaN/GaN HEMT中的电流崩塌的另一种技术是在GaN衬底的底部中采用背侧掺杂(即，磷)。通过用磷掺杂GaN衬底的背侧，可以调整能量带结构，并且更多的电子可累积在通道中而不是半导体器件的其他区域中。
[0031]总的来说，本公开的电路和技术能够通过消除或至少部分地减少电流崩塌使得半导体器件(例如，“半导体主体”)具有一个或多个GaN器件以及“公共”衬底。至少部分地通过公共衬底的极性的谨慎选择，实现了半导体器件具有一个或多个GaN和公共衬底的能力。公共衬底相对于GaN HEMT的源电位的正电位可以吸引来自2DEG区域的电子朝向GaNHEMT的背侧。在2DEG区域下方，在GaN衬底中存在的陷阱(主要为碳)将捕获这些逃逸的电子。由于碳陷阱位于GaN衬底的带隙内，所以GaN衬底将在室温操作的同时有效地捕获逃逸的电子。
[0032]在一些示例中，如以下图3所描述的，GaN器件的极性可频繁改变。例如，当GaN器件被配置为双向开关时，用作双向开关的GaN器件的电源端通常不会在GaN器件的操作过程中提供低电位。相反，在一些示例中，可连续用于这种GaN器件的低电位仅可在使用GaN器件的电源电路的输入端或输出端处存在。
[0033]在一些示例中，电源电路的半导体主体可与电源电路的一个或多个附加开关集成。在半导体主体的操作过程中，一个或多个附加开关可使得电源电路的节点处的低电位(例如，电位V-)被施加于半导体主体的公共衬底的背侧。换句话说，一个或多个附加开关可将用于半导体主体的电源电路的节点处的电位V-电耦合至半导体主体结构的公共衬底的背侧，以推动来自GaN器件的2DEG区域的电子朝向GaN层和AlGaN衬层之间的界面。通过推动电子朝向界面，可防止电子逃离2DEG区域，这是因为AlGaN层和GaN衬底的异质结处的阻挡。这种阻挡是针对朝向2DEG的顶部上的AlGaN层的电子的物理阻挡，其源于异质结的性质。然而，朝向GaN衬底没有阻挡而仅仅是偏置，这可见为原子价和传导带的弯曲。本公开的电路和技术可提供一种半导体器件(例如，GaN HEMT)，作为具有保持耦合至低电位的公共衬底的结果，不太容易受到电流崩塌的影响。施加于公共衬底的特定电位应该在电路的操作过程中始终比负载端处的最低电位更小或至少等于负载端处的最低电位。在一些示例中，负载端可以是源极端、漏极端、阴极电极或阳极电极中的一个。在又一些示例中，通过施加等于或小于负载端的特定电位，半导体将具有传导带的正偏置，保持2DEG区域中的电子。以这种方式，这些技术和电路可提供具有一个或多个GaN器件(例如，双向开关等)和单个公共衬底的半导体器件，其可以在电源电路中操作而不经受电流崩塌，因此可以相对于其他类型的半导体器件降低制造成本、减小物理尺寸和增加半导体器件的效率。
[0034]图1是示出根据本公开的一个或多个方面的用于为负载4供电的示例性系统I的框图。在图1的示例中，系统I具有多个独立和分立的部件，示为功率源2、电源电路6、负载4和控制器单元5，然而系统I可包括额外部件或更少的部件。例如，功率源2、电源电路6、负载4和控制器单元5可以是四个单独的部件，或者可以表示提供如本文所述系统I的功能的一个或多个部件的组合。
[0035]系统I包括功率源2，其以功率的形式向系统I提供电能。存在功率源2的多个示例，并且可以包括但不限于电网、发电机、功率变换器、电池、太阳能面板、风车、退行性制动系统、水轮发电机或任何能够为系统I提供电能的电能设备的其他形式。
[0036]系统I包括用作中间器件的电源电路6，如用于功率负载4 一样用于控制功率源2提供的电能的流动。例如，电源电路6可以是单个开关，或者可以是多个开关，用于接通和/或断开电能从源2到负载4的流动。在一些示例中，开关可以是双向(例如，“双边”)开关和/或二极管。
[0037]在一些示例中，电源电路6可以是基于开关的功率转换器，其将功率源2提供的电能转换为用于负载4的电能的可用形式。例如，电源电路6可以是AC-DC转换器，其输出从AC-DC转换器的输入端处接收的AC电压所转换的具有整流DC电压的功率。这种AC-DC转换器的一个示例可以称为整流器。在一些示例中，整流器可具有半桥结构或全桥结构。在其他示例中，整流器可包括开关，诸如双向开关和二极管。电源电路6也可以包括DC-AC转换器，其被配置为输出从DC-AC转换器的输入端处接收的DC电压所转换的具有AC电压的功率。这种DC-AC转换器的一个示例可称为反相器。在一些示例中，反相器可使用四个开关，诸如H桥结构的双向开关来将DC电压转换为AC电压。在又一些示例中，电源电路6可以是DC-DC转换器，其能够输出具有高于或低于输入DC电压的DC电压的功率。电源电路6的示例可包括电池充电器、微处理器电源等。系统I包括负载4，其接收由电源电路6所转换的电能(例如，电压、电流等)，并且在一些示例中使用电能来执行功能。具有负载4的多个示例，并且可以包括但不限于计算器件和相关部件，诸如微处理器、电子部件、电路、膝上型计算机、桌上型计算机、平板计算机、移动电话、电池、扬声器、照明单元、汽车/海事/航空航天/火车相关的部件、马达、变压器或者接收来自功率变换器的电压或电流的任何其他类型的电子器件和/或电路。