一种具有p型AlN基异质集电极的氧化镓绝缘栅双极型晶体管

本发明涉及晶体管，尤其涉及一种具有p型aln基异质集电极的氧化镓绝缘栅双极型晶体管。

背景技术：

1、目前，β-氧化镓（β-ga2o3）以其超宽禁带和极高理论临界击穿电场强度，在新一代的功率半导体材料中备受关注。相比氮化镓（gan）和碳化硅（sic），氧化镓在高压功率器件的漂移层设计上具有更大的理论优势，且n型掺杂工艺成熟，单晶衬底可通过熔体法低成本、大尺寸制备。然而，氧化镓的空穴有效质量极大、极易自陷，p型掺杂迄今无法实现。这一本征限制使氧化镓功率器件长期停留于肖特基二极管、金属氧化物场效应晶体管（mosfet）等单极形式，无法通过电导调制突破漂移层电阻随耐压等级升高而急剧增大的根本瓶颈。

2、绝缘栅双极型晶体管（igbt）是将金属氧化物场效应晶体管的栅控特性与双极型晶体管的少子注入特性相结合的复合功率器件，其核心工作机制在于导通时p+集电极向n-漂移区大量注入空穴，使漂移区形成高浓度电子-空穴等离子体，通过电导调制大幅降低漂移区等效电阻，从而在维持高耐压能力的同时实现远低于单极器件的导通损耗。绝缘栅双极型晶体管的这一机制，决定了绝缘栅双极型晶体管广泛应用于高压、大电流功率变换领域。

3、为了绕开p型氧化镓缺失的障碍，研究者转而探索以外部p型材料与n型氧化镓直接键合或外延生长的方式构建异质p-n结，借助异质集电极向氧化镓漂移区注入空穴。例如，在n-ga2o3漂移区背面沉积p型材料形成异质集电结，正面以p型材料（p-niox、p-cu2o或p-金刚石等）构建体区和金属氧化物场效应晶体管沟道，通过栅极电压控制沟道导通，正向导通时由集电极侧p型材料向漂移区注入空穴以触发电导调制，有纵向和横向两种实现形式。现有研究表明，p-niox/n-ga2o3异质结在二极管结构中已能实现有效的双极电导调制，验证了异质注入这一思路的物理可行性，由此推动了基于异质集电极的氧化镓绝缘栅双极型晶体管概念的提出。还有报道p-niox/n-ga2o3异质结功率二极管，通过nio与氧化镓构建的异质p-n结，在正向偏置下向漂移区注入空穴，可在氧化镓中触发电导调制，实现超高击穿电压与较低比导通电阻的结合。另有报道n-β-ga2o3/p-gan/n-gan异质结双极晶体管（hbt）结构，以β-ga2o3为发射极、p-gan为基区、n-gan为集电区，仿真结果中显示具有一定电流增益。

4、但是，上述方案自身也存在固有缺陷。例如，p型材料作为氧化镓绝缘栅双极型晶体管的异质集电极，其主要缺陷在于p型材料与β-ga2o3之间的界面价带偏移较大，空穴注入须克服较高的界面势垒，需依赖较高正向偏压或界面态辅助隧穿方能有效注入漂移区，不利于实现低导通压降的集电结设计。此外，p型材料与β-ga2o3在热稳定性和界面化学相容性方面存在不足，器件长期可靠性面临工艺挑战。p-niox/n-ga2o3异质结功率二极管虽验证了异质空穴注入的物理可行性，但这一方案为无栅控的两端器件，不具备电压可控的开关能力，无法直接应用于需要主动控制导通与关断的功率开关场合。n-β-ga2o3/p-gan/n-gan异质结双极晶体管采用电流控制型拓扑而非电压控制型绝缘栅双极型晶体管，不具备绝缘栅驱动特性；氧化镓仅作为发射极而非漂移区，未能发挥其超高耐压潜力；p型区为gan，禁带宽度相对较窄，集电结在超高压工作条件下的稳定性受限。

5、因此，开发一种性能更佳的氧化镓绝缘栅双极型晶体管，对绝缘栅双极型晶体管的发展具有重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种具有p型aln基异质集电极的氧化镓绝缘栅双极型晶体管，本发明提供的具有p型aln基异质集电极的氧化镓绝缘栅双极型晶体管，通过氮化铝/氧化镓（aln/ga2o3）异质结实现集电极空穴注入与漂移区电导调制，从而突破氧化镓器件单极导通机制对导通电阻的限制，并提升集电结界面质量与器件可靠性。

2、本发明提供了一种具有p型aln基异质集电极的氧化镓绝缘栅双极型晶体管，栅极结构为沟槽栅或平面栅（planar gate）；沟槽栅的结构包括：沿横向为周期性单元结构，沿纵向自上而下依次包括发射极金属层、n+源区与p+体接触区、p型体区、n-氧化镓漂移区、p型aln基异质集电极层和集电极金属；还包括与发射极金属层、n+源区与p+体接触区、p型体区并排、位于中心的沟槽栅结构，沟槽栅结构自上而下依次包括栅极、包裹栅极底面和侧面的绝缘层，绝缘层和p型体区共同覆盖n-氧化镓漂移区，绝缘层的侧面自上而下依次与发射极金属层、n+源区、p型体区和部分n-氧化镓漂移区接触；平面栅的结构包括：沿横向为周期性单元结构，沿纵向自上而下依次包括发射极金属层与平面栅结构、n+源区与p+体接触区、p型体区、n-氧化镓漂移区、p型aln基异质集电极层和集电极金属；平面栅结构自上而下依次包括栅极、包裹栅极底面和侧面的绝缘层，绝缘层和p型体区共同覆盖n-氧化镓漂移区，p型体区的内侧面和n-氧化镓漂移区的部分侧面接触。

3、优选的，具有p型aln基异质集电极的氧化镓绝缘栅双极型晶体管中，价带偏移的范围为-0.2~-2ev；导带偏移的范围为-1.0~-3.0ev。

4、优选的，n+源区为n+gan源区或n+algan源区；p+体接触区为mg重掺杂p+gan区域或p+algan区域。

5、优选的，p型体区为p-gan或p-algan。

6、优选的，n-氧化镓漂移区和p型aln基异质集电极层之间还设置n+氧化镓场截止层。

7、优选的，p型aln基异质集电极层和n-氧化镓漂移区之间设置有aln超薄层；aln超薄层的厚度为1~3nm。

8、优选的，p型aln基异质集电极层包括mg掺杂p-aln单层、mg掺杂p-algan层、p-alinn三元合金、δ掺杂aln、p-aln/algan超晶格、aln/gan超晶格、p-aln/p-gan复合层、p-algan/aln复合层、p-gan欧姆接触帽层和p-algan欧姆接触帽层中的一种或几种；δ掺杂aln为周期性mg δ掺杂aln。

9、优选的，沟槽栅的沟槽几何形貌为标准矩形沟槽栅、斜角沟槽栅、圆角沟槽栅或圆弧沟槽栅。

10、优选的，沟槽栅还包括屏蔽电极，屏蔽电极设置在沟槽的下部，与集电极短接。

11、本发明还提供了上述方案的具有p型aln基异质集电极的氧化镓绝缘栅双极型晶体管的制备方法，为正向外延法、背面集成法、表面活化键合法（sab）、原子层沉积法（ald）或磁控溅射法。

12、优选的，正向外延法包括以下步骤：在衬底上生长p型aln基异质集电极层，随后p型aln基异质集电极层上外延n-氧化镓漂移区，n-氧化镓漂移区上方选择性外延或沉积p型体区，p型体区上形成n+源区和p+体接触区，干法刻蚀沟槽，沉积栅介质和栅极导体，发射极与栅极金属化，背面减薄或去除生长衬底，在暴露的p型aln基异质集电极层的背面进行集电极金属欧姆接触，得到具有p型aln基异质集电极的氧化镓绝缘栅双极型晶体管。

13、优选的，背面集成法包括以下步骤：制备n-氧化镓漂移区的外延片，选择性生长p型体区，p型体区上形成n+源区和p+体接触区，干法刻蚀形成沟槽，沉积栅介质和栅极导体，发射极与栅极金属化，n-氧化镓漂移区背面减薄后集成p型aln基异质集电极层，集电极金属化，得到具有p型aln基异质集电极的氧化镓绝缘栅双极型晶体管。

14、优选的，表面活化键合法的制备方法与正向外延法相同，不同之处在于，p型aln基异质集电极层上外延n-氧化镓漂移区替换为：将独立制备的p型aln基异质集电极层的外延片与n-氧化镓漂移区的外延片直接键合。

15、优选的，原子层沉积法的制备方法与正向外延法相同，不同之处在于，在衬底上生长p型aln基异质集电极层替换为：原子层沉积法沉积aln，背面mg离子注入，退火激活。

16、优选的，磁控溅射法的制备方法与正向外延法相同，不同之处在于，在衬底上生长p型aln基异质集电极层替换为：以磁控溅射mg-al合金靶，在n-氧化镓漂移区的背面沉积mg掺杂aln，退火。

17、本发明还提供了上述方案具有p型aln基异质集电极的氧化镓绝缘栅双极型晶体管在高压大功率电子领域中的应用。

18、本发明还提供了p-aln/n-ga2o3异质结在两端功率二极管领域的应用。

19、与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

20、本发明针对氧化镓缺乏p型掺杂、传统氧化镓器件难以实现绝缘栅双极型晶体管双极导通的问题，提出一种新结构的具有p型aln基异质集电极的氧化镓绝缘栅双极型晶体管，通过aln/ga2o3异质界面实现集电极空穴注入与漂移区电导调制，从而突破氧化镓器件单极导通机制对导通电阻的限制，并提升集电结界面质量与器件可靠性。

21、本发明利用aln/ga2o3异质结在特定制备及界面条件下可形成ii型能带排列所对应的较低界面价带势垒，在合理正向偏压下实现集电极空穴注入与漂移区电导调制，克服现有异质集电极方案注入势垒偏高和材料兼容性不足的缺陷；同时借助aln超宽禁带所带来的较大界面导带偏移抑制电子反向注入，提升集电结高压稳定性；并通过超晶格、δ掺杂、极化增强及p-gan接触帽层等复合层工程化手段解决p型aln掺杂效率低和欧姆接触困难的实用化问题，兼具能带优势与工程可行性。