具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1：

如图1所示，本实施例设计了一种引入Al组分渐变AlGaN的沟槽型GaN绝缘栅双极型晶体管结构(IGBT 1)，该器件结构左右对称，左半边结构包括P+集电极1、N-漂移区2、P-沟道区3、N+发射极衬底4、绝缘介质层(Al₂O₃)5、栅极金属(Al)接触区6、集电极金属(Al)接触区7、发射极金属(Ti/Al/Ti/Au)接触区Ⅰ8、发射极金属(Ni/Al)接触区Ⅱ9和Al组分渐变区10。

P+集电极1介于集电极金属Ni接触区7下表面与Al组分渐变区10上表面，P+集电极1为厚度h1＝0.5μm，宽度w1＝w3＝8μm的Al_0.2Ga_0.8N，且P+集电极1掺入浓度选择为17次方；

N-漂移区2位于Al组分渐变区10下表面，与P-沟道区3右部分上表面接触，右下表面与绝缘介质层5左表面上部分接触，N-漂移区2为厚度h3＝8μm，宽度w1＝w3＝8μm的GaN，且N-漂移区2掺入浓度选择为16次方；

P-沟道区3介于N-漂移区2下表面与N+发射极衬底4上表面，右表面与绝缘介质层5左表面中间部分接触，P-沟道区3为厚度h4＝1μm，宽度为10μm的GaN，且P-沟道区3掺入浓度选择为17次方；

N+发射极衬底4位于P-沟道区3下表面和绝缘介质层5下表面，与发射极金属接触区Ⅰ8上表面接触，N+发射极衬底4为厚度h5＝2μm，宽度w1+w2+w3＝24μm的GaN，且N+发射极衬底4掺入浓度选择为18次方；

绝缘介质层5与N-漂移区2右下表面接触，与P-沟道区3右表面接触，与N+发射极衬底4上中表面接触，厚度为0.1μm；

Al组分渐变区10介于N-漂移区2上表面与P+集电极1下表面，Al组分渐变区10为厚度h2＝50nm，宽度8μm的Al_xGa_1-xN，Al_xGa_1-xN的x取值从上至下在0.2～0范围内渐变，且Al组分渐变区10掺杂浓度选择为17次方。

实施例2：

如图2所示，本实施例设计了一种异质结注入的沟槽型GaN绝缘栅双极型晶体管结构，该器件结构左右对称，左半边结构包括P+集电极1、N-漂移区2、P-沟道区3、N+发射极衬底4、绝缘介质层(Al₂O₃)5、栅极金属(Al)接触区6、集电极金属(Al)接触区7、发射极金属(Ti/Al/Ti/Au)接触区Ⅰ8和发射极金属(Ni/Al)接触区Ⅱ9。

基于实施例1的结构基础上，本实施例结构删去了实施例1中的Al组分渐变区10，其余结构与实施例1相同。

实施例3：

本实施例设计了一种与实施例2(IGBT 2)同尺寸的GaN IGBT结构图，该器件结构左右对称，左半边结构包括P+集电极1、N-漂移区2、P-沟道区3、N+发射极衬底4、绝缘介质层(Al₂O₃)5、栅极金属(Al)接触区6、集电极金属(Ni)接触区7、发射极金属(Ti/Al/Ti/Au)接触区8、发射极金属(Ni/Al)接触区9。

实施例4：

如图3所示，本实施例设计了一种与实施例2(IGBT 2)同尺寸的GaN MOS管结构，该器件结构左右对称，左半边结构包括N+漏极区11、N-漂移区2、P-沟道区3、N+发射极衬底4、绝缘介质层(Al₂O₃)5、栅极金属(Al)接触区6、漏极金属(Ti/Al/Ti/Au)接触区12、发射极金属(Ti/Al/Ti/Au)接触区Ⅰ8、发射极金属(Ni/Al)接触区Ⅱ9。

基于实施例2的结构基础上，本实施例结构将实施例2中的P+集电极1替换为N+漏极区11，将集电极金属接触区7替换为漏极金属接触区12，其余结构保持不变。其中，漏极金属接触区12的厚度h6＝0.1μm，宽度W1＝W3＝8μm，掺入浓度选择为17次方。

各结构性能对比分析：

图4是室温下T＝300K，在N-漂移区2浓度为1×10¹⁶cm^-3，P-沟道区3掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3时，实施案例1(IGBT 1)和同尺寸GaN IGBT、MOS管阈值电压曲线，由Silvaco仿真得到的数据结果再通过Origin工具绘制如图4所示，可以看出，在P-沟道区3掺杂浓度和氧化层厚度相同时，阈值电压基本相同，其阈值电压在4.3V左右，而MOS管阈值电压在5.5V左右，MOS管阈值电压高出IGBT 1.2V。

图5是室温下T＝300K，在漂移区2浓度为1×10¹⁶cm^-3，P-沟道区3的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3时，实施案例1(IGBT 1)输出特性曲线，由Silvaco仿真得到的数据结果再通过Origin工具绘制如图5所示，可以看出，即在V_g＝5V时器件已经开启，在P-沟道区3和绝缘介质层5接触面的沟道层一侧形成反型层，使N-漂移区2和N+发射极衬底4导通，电子从N+发射极衬底4移动到N-漂移区2形成电子电流，此电子电流又促使P+集电极1往N-漂移区2注入空穴，形成电导调制作用。由图5可以看出沟道开启后，输出电流随着P+集电极1电压增加先增加而后逐渐达到饱和，而随着栅极电压增加饱和电流也逐渐增加。由图可以看出在V_d小于3V时，虽然沟道开启，但是也没有形成电流，是因为P+集电极1与N-漂移区2之间形成一个PN结，当集电极电压大于此PN结的结电压时才能形成电流。

图6是室温下T＝300K，在漂移区浓度为1×10¹⁶cm^-3，P-沟道区3掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3时，同尺寸GaN IGBT(图6(a))和MOS管(图6(b))输出特性曲线。从图6中可以看出，实施例1(IGBT 1)与GaN IGBT，沟道浓度和漂移区浓度一样时，在栅极和集电极施加分别相同的电压，IGBT 1的最大输出电流相比于GaN IGBT最大输出电流提高了25％，相比于GaNMOS最大电流提高了177.8％，这主要是因为实施例1中引入Al_xGa_1-xN/GaN异质结，而且实施案例1中还设置了Al组分渐变区10，相比于GaN IGBT，异质结Al_xGa_1-xN/GaN向漂移区空穴注入比更大，而MOS管内只有电子一种载流子形成电流。

图7所示为室温下T＝300K，在漂移区浓度为1×10¹⁶cm^-3，P-沟道区3掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3时，实施例1(IGBT 1)在不同栅压下，坐标y＝9μm，9.92μm≤x≤10.04μm(图1中直线BB’所示)范围内电子浓度横向分布图，即沟道反型层处的电子浓度。结合图5分析得出，显然栅极所加电压越大，反型层处电子的浓度也就越高，在绝缘介质层5和P-沟道区3的交界处的沟道层这一侧形成的反型层越宽，从而单位时间内通过沟道区的电子数量越多，形成的电子饱和电流就越大。

图8所示为室温下T＝300K，在漂移区浓度为1×10¹⁶cm^-3，P-沟道区3掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3时，GaN IGBT(图8(a))和MOS管(图8(b))在不同栅压下，坐标y＝9μm，9.92μm≤x≤10.04μm(图2中直线B₁B₁’和图3中直线B₂B₂’所示)范围内电子浓度横向分布图，即沟道反型层处的电子浓度。结合图7分析得出，显然栅极所加电压越大，反型层处电子的浓度也就越高，在绝缘介质层5和P-沟道区3的交界处的沟道层这一侧形成的反型层越宽，从而单位时间内通过沟道区的电子数量越多，形成的电子饱和电流就越大。对比图7和图8可以发现GaN IGBT的电子浓度比实施例1(IGBT 1)和GaN MOS管的都稍微高了一些。

图9所示为室温下T＝300K，在漂移区浓度为1×10¹⁶cm^-3，P-沟道区3掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3时，实施例1(IGBT 1)在不同栅压下，坐标x＝4μm，0μm≤y≤8μm(图1中直线AA’所示)范围内空穴浓度纵向分布图，从图9中可以看出，在0μm≤y≤0.55μm范围内，空穴浓度逐渐增大，而且空穴浓度高于本身掺杂浓度，是因为Al_xGa_1-xN/GaN异质结处，在AlGaN内会积累大量空穴。器件导通时，由于发射极电子浓度高于漂移区电子浓度，所以电子会流向漂移区，致使集电极区空穴注入漂移区，发生电导调制作用，从图中也可以看出在0.55μm≤y≤8μm的漂移区范围内，集电极注入的空穴浓度逐渐降低。随着栅极电压的增加，发射极流向漂移区的电子量逐渐增加，集电极往漂移区的空穴注入量也逐渐增加。

图10所示为室温下T＝300K，在漂移区浓度为1×10¹⁶cm^-3，P-沟道区3掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3时，GaN IGBT在不同栅压下，坐标x＝4μm，0μm≤y≤8μm(图1中直线AA’所示)范围内空穴浓度纵向分布图，从图中10中可以看出，在0.5μm≤y≤8μm的漂移区范围内，集电极注入的空穴浓度逐渐降低。随着栅极电压的增加，发射极流向漂移区的电子量逐渐增加，集电极往漂移区的空穴注入量也逐渐增加。对比图9可以看出，在GaN IGBT中没有Al_xGa_1-xN/GaN异质结，所以在0μm≤y≤0.5μm范围内，IGBT 1空穴浓度要高于GaN IGBT空穴浓度，而且空穴注入量也高于GaN IGBT，从而IGBT 1输出电流高于GaN IGBT输出电流。也是因为实施例1(IGBT 1)和GaN IGBT内存在空穴注入，即电导调制，所以IGBT器件的输出电流要比MOS管大。

图11所示为室温下T＝300K，实施例1(IGBT 1)、GaN IGBT和GaN MOS管正向耐压曲线图。对于IGBT而言，P+集电极1施加正电压，P+集电极1和N-漂移区2的PN结J₁正偏，N-漂移区2和P-沟道区3的PN结J₂反偏，由于N-漂移区沟道区3掺杂浓度高于N-漂移区2掺杂浓度，所以在J₂处的耗尽区向N-漂移区2扩展，器件的耐压主要由漂移区2的尺寸和掺杂浓度决定。而MOS管耐压也是在N-漂移区2和P-沟道区3之间的PN结处，从图11中可以看出，随着集电极电压的逐渐增加，器件集电极电流会在某一点突然明显增大，此时器件发生雪崩击穿，IGBT 1和GaN IGBT在N-漂移区2掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，P-沟道区3浓度为1×10¹⁷cm^-3时，IGBT 1耐压达到1100V，比GaN IGBT和MOS管的耐压高40V，主要是因为IGBT 1内存在异质结，形成内建电场，导致IGBT 1器件耐压略高。

图12为室温下T＝300K，实施例1(IGBT 1)、GaN IGBT和GaN MOS正向耐压时，坐标x＝7.99μm，0μm≤y≤10μm(图1中直线AA’、图2中直线A₁A₁’和图3中直线A₂A₂’所示)范围内电场浓度纵向分布图。从图12中可以看出，在坐标x＝7.99μm，0μm≤y≤0.55μm范围内，IGBT 1的电场高于GaN IGBT和MOS管，主演是因为IGBT 1内引入了Al_xGa_1-xN/GaN异质结，形成了内建电场，所以器件的IGBT 1的耐压高于GaN IGBT和MOS管。三种器件的电场浓度均在y＝6.5μm处达到一个峰值，并发生击穿现象，此处电场浓度为4MV/μm。之所以在此处击穿，是因为本专利提出结构中，x＝8μm、y＝6.5μm处为漂移区2的拐角，导致电场在此处比较集中。从图12中还可以看出在y＝6.5μm处IGBT 1的电场比GaN IGBT高，主要是因为IGBT 1的P+集电极1往N-漂移区2的空穴注入量要高于GaN IGBT。

图13所示为是室温下T＝300K，在P-沟道区3掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，N-漂移区2掺杂浓度在5×10¹⁵cm^-3到4×10¹⁶cm^-3变化时，实施例1(IGBT 1)和GaN IGBT击穿电压的变化曲线对比图。由图13可以看出，击穿电压随着N-漂移区2掺杂浓度的增加而减小，在所给出的数据中，在N-漂移区2掺杂浓度最小值为5×10¹⁵cm^-3时，IGBT 1和GaN IGBT击穿电压达到最大值，达到1388V左右，此时GaN材料的耐压级别可达173.5V/μm，但是由于GaN材料自身的限制，还不能实现N型过低浓度的掺杂，所以本发明N-漂移区2选择掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3。随着N-漂移区2浓度的增加，N-漂移区2和P-沟道区3的PN结J₂处向N-漂移区2扩展的深度逐渐减小，致使器件的耐压逐渐也降低。从图13中还可以看出，在漂移区掺杂浓度高于1×10¹⁶cm^-3时，IGBT 1耐压比GaN IGBT均高100V左右，这主要是因为IGBT 1引入异质结，在P+集电极1和N-漂移区2之间异质结处形成内建电场，从而提高了器件的耐压。

图14所示为室温下T＝300K，在P-沟道区3掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，漂移区2掺杂浓度在5×10¹⁵cm^-3到4×10¹⁶cm^-3变化时，实施例1(IGBT 1)和同尺寸GaN IGBT、MOS管导通压降曲线。由图14可以看出，在集电极从开始施加电压到电压V_c达到3V之前，并没有集电极电流输出，主要是因为P+集电极1和N-漂移区2的PN结结压得影响，当V_c大于3V后，集电极电流I_c迅速增加，对IGBT而言，电流达到100A/cm²时器件开启，此时的V_d即IGBT器件的导通压降，所以实施例1(IGBT 1)的开启电压V_on1为3.81V左右，GaN IGBT的开启电压V_on2为3.88V左右。对于MOS管而言，电流达到20A/cm²时器件开启，所以MOS管的开启电压V_on2为0.32V左右。之所以IGBT 1的开启电压比GaN IGBT低，是因为IGBT1中的异质结提高了器件的空穴注入量，加强了器件漂移区的电导调制作用，最终提高了器件集电极电流，降低了器件的导通压降。

图15所示为室温下T＝300K，在沟道区3掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，N-漂移区2掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3时，与实施例1(IGBT 1)同尺寸IGBT管导通压降变化曲线。从图15中可以看出，随着N-漂移区2掺杂浓度的增大，IGBT器件的导通压降逐渐减小，主要是正向导通时P+集电极区往漂移区注入少子空穴量也会逐渐增加，从而增强了IGBT内的电导调制作用，从而减小漂移区的电阻，进而减小了器件的导通压降。因为IGBT 1内引入Al_xGa_1-xN/GaN异质结，增强了P+集电极1往N-漂移区2的空穴注入量，所以IGBT 1的导通压降要小于GaN IGBT。

图16所示为是室温下T＝300K，在P-沟道区3掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，N-漂移区2掺杂浓度在5×10¹⁵cm^-3到4×10¹⁶cm^-3变化时实施案例1(IGBT)和GaN IGBT、MOS管器件比导通电阻的变化曲线。由图16可以看出，随着漂移区掺杂浓度的增大，IGBT器件的导通压降逐渐减小，这是因为随着漂移区浓度的逐渐增加，正向导通时集电极区往漂移区注入少子空穴量也会逐渐增加，从而增强了IGBT内的电导调制作用，从而减小漂移区的电阻，进而减小了器件的导通压降。而MOS管的导通电阻也逐渐减小，是因为随着掺杂浓度的增加，漂移区2的载流子浓度提高，从而降低了器件的比导通电阻。结合图7、图8、图9、图10分析可知，IGBT 1漂移区的空穴注入量更高，电导调制作用更强，从而对器件输出电流的提高更多，最终对器件比导通电阻降低作用更好。相比于GaN MOS管，IGBT 1比导通电阻降低50％。

图17所示为是室温下T＝300K，在N-漂移区2浓度为1×10¹⁶cm^-3，P-沟道区3掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3时，实施例1(IGBT 1)关断特性曲线，由Silvaco仿真得到的数据结果再通过Origin工具绘制。在时间T＝2×10^-6s时，栅极电压由12V降到0V，集电极电压由10V降低到0V。由图17可以看出，在T＝2×10^-6s时，栅压变为0V，沟道关闭，集电极电流迅速降低，关断时间的计算方式是电流从最大电流的90％降低到10％所用的时间，此IGBT的关断时间为14ns。

本发明提出的一种异质结注入的沟槽型GaN绝缘栅双极型晶体管结构，以示意图1为例，其主要工艺流程如图18所示。主要步骤如下：

(1)在发射极区域通过离子注入工艺形成N-GaN层；

(2)在整个N-GaN层表面再外延一层GaN材料，再通过离子注入工艺形成P-GaN；

(3)再次在P-GaN表面外延一层GaN材料，通过离子注入工艺形成N-GaN沟道层；

(4)继续在整个N-GaN沟道层表面外延l层x在0～0.2内变化的Al_xGa_1-xN材料，再外延一层x＝0.2的Al_xGa_1-xN材料，通过两次离子注入工艺形成P-Al_xGa_1-xN；

(5)对器件进行刻蚀并制作栅氧化层；

(6)淀积金属电极。

在实施的过程中，根据具体器件的设计要求，本发明提出的一种N衬底沟槽型GaN绝缘栅双极型晶体管结构，在具体制作时，衬底材料除了可以用碳化硅SiC材料，还可用蓝宝石等材料代替体碳化硅。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。