一种低功耗GaN双向开关器件及其制备方法

本发明属于半导体功率器件，具体涉及一种低功耗gan双向开关器件及其制备方法。

背景技术：

1、随新型功率转换系统应用的不断发展，矩阵变换器（ac/ac）、固态继电器（ssr）、以及逆变器（dc-ac）等拓扑架构和性能主要受双向开关器件的性能制约。传统双向开关主要是采用2个si mosfet或igbt背靠背连接构成，体积大且损耗高。

2、相比较于传统si功率器件的拓扑方案，gan双向开关可单片集成双栅结构，在集成度大幅提升的同时可显著降低拓扑的导通损耗和寄生电感。但双栅结构的gan双向开关耐压特性的提升需要增加两个栅极之间的间距，进而导致器件导通电阻的非线性大幅升高。此外，现有gan双向开关多采用场板结构实现电场调制，降低栅极侧端的峰值电场。gan双向开关需设置多层栅场板和源场板，其场板结构较常规gan器件也更为复杂，且双栅场板的引入也带来更复杂的寄生电容影响，严重影响高频高功率应用中的交流电能变换拓扑可靠性。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种低功耗gan双向开关器件及其制备方法，以兼顾增强型工作、低导通损耗、较小芯片面积和较小寄生参数。

2、为实现上述目的，如图1所示，本发明提供的双向开关器件自下而上依次设置衬底（1）、缓冲层（2）、gan层1（3）、algan势垒层（4）和gan层2（5），源极1（6）和源极2（7）分别设置在器件两端的algan势垒层（4）表面，gan层2（5）上间隔设置有两个p-gan层（8），两个p+-gan层（9）分别设置于所述两个p-gan层（8）上，栅极1（10）和栅极2（11）分别设置于所述两个p+-gan层（9）上。

3、在本发明中，所述衬底（1）的材料可以为蓝宝石、sic、si、gan中的一种；

4、在本发明中，所述gan层1（3）厚度为300～500 nm；

5、在本发明中，所述algan势垒层（4）厚度为10～20 nm，al组分为0.20～0.25；

6、在本发明中，所述gan层2（5）厚度为30～40 nm；

7、在本发明中，所述p-gan层（8）厚度为50～70 nm；

8、在本发明中，所述p+-gan层（9）厚度为2～4 nm；

9、在本发明中，所述p-gan层（8）中mg的掺杂浓度为1×1017 ～1×1019 cm-3；

10、在本发明中，所述p+-gan层（9）中mg的掺杂浓度为1×1019 ～3×1020 cm-3；

11、在本发明中，所述源极1（6）、源极2（7）均与所述algan势垒层（4）形成欧姆接触；栅极1（10）和栅极2（11）分别与p+-gan层（9）形成欧姆接触。

12、两个栅极之间的gan层2（5）、algan势垒层（4）和gan层1（3）构成共享极化超结漂移区。所述共享极化超结漂移区利用gan层2（5）/algan势垒层（4）/gan层1（3）异质结界面上的正负极化电荷之间的电荷补偿效应来调制双栅之间的横向电场分布。

13、本发明还提供了一种低功耗gan双向开关器件的制备方法，所述制备方法包括：

14、s1：在衬底（1）上依次生长缓冲层（2）、gan层1（3）、algan势垒层（4）、gan层2（5）、p-gan层（8）、p+-gan层（9），形成外延结构。

15、s2：采用光刻和感应耦合等离子刻蚀工艺，对所述外延结构中所述gan层1（3）的预设水平面以上的部分进行台面刻蚀，形成下方投影面积大于上方投影面积的台面结构以实现器件隔离。

16、s3：在得到的台面结构中采用光刻和感应耦合等离子刻蚀工艺，去除非栅区域的p-gan层（8）和p+-gan层（9），并在暴露gan层2（5）的上表面时停止刻蚀。

17、s4：采用光刻和感应耦合等离子刻蚀工艺，刻蚀gan层2（5）两侧，并在暴露algan势垒层（4）上表面时停止刻蚀，从而形成gan层2（5）台面以及位于所述台面两侧的源极接触区域。

18、s5：通过光刻、金属沉积和剥离工艺，在器件两端暴露的algan势垒层（4）表面分别形成源极1（6）和源极2（7）；随后进行快速热退火，形成n型欧姆接触。

19、s6：通过光刻、金属沉积和剥离工艺，在p+-gan层（9）分别形成栅极1（10）和栅极2（11）；随后进行快速热退火，形成p型欧姆接触。

20、本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

21、gan超结双向开关可利用双栅间的超结结构改善栅极之间的电场分布，使得栅极之间的电场呈现出近似矩形分布。因此，器件的击穿电压和导通电阻随两个栅极之间的间距的增加而呈近似线性增加趋势。相比较于场板结构的gan双向开关器件，在相同耐压规格下gan超结双向开关可呈现出更小的尺寸、更低的寄生参数和更低的导通损耗。

1.一种低功耗gan双向开关器件，其特征在于，包括：自下而上依次设置衬底（1）、缓冲层（2）、gan层1（3）、algan势垒层（4）和gan层2（5），源极1（6）和源极2（7）分别设置在器件两端的algan势垒层（4）表面，gan层2（5）上间隔设置有两个p-gan层（8），两个p+-gan层（9）分别设置于所述两个p-gan层（8）上，栅极1（10）和栅极2（11）分别设置于所述两个p+-gan层（9）上；

2.根据权利要求1所述的双向开关，其特征在于，gan层1（3）厚度为300～500 nm。

3.根据权利要求1所述的双向开关，其特征在于，algan势垒层（4）厚度为10～20 nm，al组分为0.20～0.25。

4.根据权利要求1所述的双向开关，其特征在于，gan层2（5）厚度为30～40 nm。

5.根据权利要求1所述的双向开关，其特征在于，p-gan层（8）厚度为50～70 nm，mg的掺杂浓度为1×1017 ～1×1019 cm-3。

6.根据权利要求1所述的双向开关，其特征在于，p+-gan层（9）厚度为2～4 nm，mg的掺杂浓度为1×1019 ～3×1020 cm-3。

7.一种低功耗gan双向开关器件的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1～6任意一项所述的低功耗gan双向开关器件，包括以下步骤：