阅读说明：本技术 一种栅控双极-场效应复合氮化镓横向双扩散金属氧化物半导体晶体管 (gate-controlled bipolar-field effect composite gallium nitride transverse double-diffusion metal oxide semiconductor transistor ) 是由 段宝兴 董自明 智常乐 张一攀 杨银堂 于 2019-08-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种栅控双极-场效应复合氮化镓横向双扩散金属氧化物半导体晶体管。该器件通过采用基区与栅极相连的电极连接方式,代替传统的氮化镓LDMOS中基区与源极短接的电极连接方式。工作在关态时,器件的耐压特性与传统的氮化镓LDMOS的一致,器件的栅极,基区和源极接地,漏极接高电位；工作在开态时,寄生的双极型晶体管开启,提供了一个新的导电通道,沟道同样能正常开启进行导电。该结构采用栅极与基区相连的电极连接方式,与采用传统的氮化镓LDMOS器件相比,在保证器件具有相同击穿电压的同时,大幅度提高器件的导通电流,极大改善氮化镓晶体管的导通性能。(the invention discloses a grid-controlled bipolar-field effect composite gallium nitride transverse double-diffusion metal oxide semiconductor transistor. The device replaces the traditional electrode connection mode of short circuit between the base region and the source electrode in the gallium nitride LDMOS by adopting the electrode connection mode of connecting the base region and the grid electrode. When the device works in an off state, the voltage-resistant characteristic of the device is consistent with that of the traditional gallium nitride LDMOS, the grid electrode, the base region and the source electrode of the device are grounded, and the drain electrode is connected with a high potential; when the bipolar transistor works in an on state, the parasitic bipolar transistor is turned on, a new conductive channel is provided, and the channel can be also normally turned on to conduct electricity. The structure adopts an electrode connection mode that the grid electrode is connected with the base region, and compared with the traditional gallium nitride LDMOS device, the structure ensures that the device has the same breakdown voltage, greatly improves the conduction current of the device and greatly improves the conduction performance of a gallium nitride transistor.)

一种栅控双极-场效应复合氮化镓横向双扩散金属氧化物半 导体晶体管

技术领域

本发明涉及半导体功率器件技术领域，具体涉及一种横向双扩散晶体管。

背景技术

与传统的窄带隙半导体相比，宽带隙氮化镓具有更加优越的物理特性，例如高禁带宽度、高击穿电场、高电子迁移率、耐酸碱等特点，适合用于制备在高温、高压与高频等条件下工作的功率电子器件，在军事和民工等发面都有着广泛的前景。氮化镓材料的生长目前已经有了比较成熟的解决办法，利用HVPE的优势能够制备出高质量的厚膜氮化镓外延层。因此，利用氮化镓材料制备的电力电子器件已成为目前半导体领域一个热门的研究领域。

LDMOS是功率MOS场效应晶体管发展过程中非常重要的一种结构，由于更容易与CMOS工艺兼容而被广泛采用。为了实现高压和大电流，LDMOS版图面积大，芯片成本高，其导通电阻和击穿电压之间的折衷是主要缺点。

传统的LDMOS没有对寄生的双极型晶体管给予足够的重视，采用基区与源区之间短接的电极连接方式。在开启状态下，由于基区与源区短接，寄生的双极型晶体管不会开启，器件只能在正常开启的沟道中导电。

发明内容

本发明提出了一种栅控双极-场效应复合氮化镓横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，旨在满足耐压要求的前提下进一步有效增加器件导通电流(降低器件导通电阻)。

本发明的技术方案如下：

一种栅控双极-场效应复合氮化镓横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，包括：

硅材料的衬底；

在所述衬底上生成氮化镓材料的外延层；

在所述外延层上形成的基区和漂移区；

在所述基区上部中间区域形成的源区以及相应的沟道；

在所述漂移区上远离基区一端形成的漏区；

栅绝缘层，覆盖所述沟道以及漂移区邻接沟道的部分(而靠近漏区的部分主要是作为钝化层)；

栅极，位于沟道上方的栅绝缘层表面；

基极，位于远离沟道一端的基区表面；

源极，位于源区表面；

漏极，位于漏区表面；

所述基极与源极隔离，与栅极电连接，满足：栅极接入电压时，基区获得的电压使得器件寄生的双极型晶体管开启。

上述基极与栅极之间的连接材料可以是导体材料，使得栅极接入电压时基极与栅极电位一致。导体材料优选铜或铝。

上述基极与栅极之间的连接材料也可以是半导体材料，使得基极接入电压时基极电位大于栅极电位，栅极接入电压时栅极电位大于基极电位。半导体材料优选半绝缘多晶硅。

上述硅衬底优选未掺杂的单晶硅材料。

上述器件各区域的参数优化如下：

基区长度为4～6μm，基区厚度为1～3μm，基区的镁掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁸cm^-3；源区的长度为1～2μm，源区的硅掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁸cm^-3；漏区的长度为1～2μm，漏区的硅掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁸cm^-3；漂移区长度为10～90μm，漂移区厚度为1～3μm，漂移区的硅掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～2×10¹⁶cm^-3。

氮化镓外延层的厚度为10～50μm。

源区与源极、漏区与漏极为欧姆接触，基极与基区为肖特基接触。

本发明技术方案的有益效果如下：

该栅控双极-场效应复合氮化镓横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，应用氮化镓材料，将传统的基区与源区之间短接的电极连接方式，改为采用基区电极与栅极相连接的电极连接方式。其工作在关态时，器件的击穿特性与氮化镓器件的击穿特性一致。器件的栅极，基区和源极接地，漏极接高电位，所以器件关态工作时源区，基区和漂移区之间寄生的双极型晶体管不工作，防止二次击穿，器件的击穿特性与传统器件击穿特性相同。而当其工作在开态时，由于栅极与基区电极相连，当栅极接入栅压时，基区也接入一定电压，使得器件寄生的双极型晶体管开启，提供了一个新的导电通道；与此同时，器件的沟道同样能正常开启进行导电。

本发明与传统的氮化镓LDMOS器件相比，在保证器件具有相同击穿电压的同时，大幅度提高器件的导通电流，极大改善氮化镓晶体管的导通性能。

附图说明

图1为本发明的一种栅控双极-场效应复合氮化镓横向双扩散金属氧化物半导体晶体管结构示意图。

图2基于图1所示结构示意了导电通道。其中，A为沟道形成的导电通道，B为寄生的双极型晶体管开启形成的导电通道。

附图标号说明：

1-硅衬底；2-氮化镓外延层；3-基区；4-源区；5-漏区；6-漂移区；7-源极；8-栅极；9-漏极；10-基极。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的栅控双极-场效应复合氮化镓横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，包括：

硅衬底1，采用未掺杂的单晶硅材料，便于在其上生长较大尺寸的氮化镓；

在硅衬底1上生长氮化镓外延层2，氮化镓外延层厚度10～50μm；

在氮化镓外延层2上形成P型基区3和漂移区6，器件表面形成有源区；

在有源区上形成栅绝缘层，并在栅绝缘层上方形成栅极8；

在基区上形成源区4，同时形成沟道；

在漂移区上形成漏区5；

基区长度为4～6μm，基区厚度为1～3μm，基区的镁掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁸cm^-3；源区的长度为1～2μm，源区的硅掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁸cm^-3；漏区的长度为1～2μm，漏区的硅掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁸cm^-3；漂移区长度为10～90μm，漂移区厚度为1～3μm，漂移区的硅掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～2×10¹⁶cm^-3；

在基区3、源区4和漏区5上分别生成基极10、源极7和漏极9；其中源区与源极、漏区与漏极为欧姆接触，基极与基区为肖特基接触。

器件的基极10与栅极8相连接。具体来说：

基区2与栅极8之间的连接材料可为导体材料(如铜和铝等)，栅极8接入电压时，基区与栅极8电位一致。

基区2与栅极8之间的连接材料可为电阻材料(如半绝缘多晶硅等)。基区2接入电压时，则基区2电位大于栅极8电位；栅极8接入电压时，则栅极8电位大于基区2电位。

需要说明的是，附图中所示栅极与基极共接引出接线端子为拓扑示意，实际产品中基极和栅极相连后引出的电极，它可以从基极处直接引出或是从栅极处直接引出。所以会因基极和栅极间的电阻以及引出电极位置的不同导致栅极与基极的电位存在差异。

该栅控双极-场效应复合氮化镓横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，其工作在关态时，器件的击穿特性与氮化镓器件的击穿特性一致。器件的栅极，基区和源极接地，漏极接高电位，所以器件关态工作时源区，基区和漂移区之间寄生的双极型晶体管不工作，防止二次击穿，器件的击穿特性与传统器件击穿特性相同。其工作在开态时，由于栅极与基区电极相连，当栅极接入栅压时，基区也接入一定电压。由源区，基区和漂移区之间寄生的双极型晶体管的开启，增加了一个新的导电通道B。与此同时，器件的沟道同样能正常开启进行导电。使器件导通电流大幅度增加，从而大大降低器件的导通电阻。

本发明较之于氮化镓器件的导通电流密度大幅度提升，两种器件的在漂移区相同、相同击穿电压的情况下，器件的导通电流密度提升了一到三个数量级。

当然，本发明中的LDMOS也可以为P沟道，其结构与N沟道LDMOS相同，在此不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换的方案也落入本发明的保护范围。