半導(dǎo)體功率開關(guān)和用于制造半導(dǎo)體功率開關(guān)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體功率開關(guān)以及一種用于制造半導(dǎo)體功率開關(guān)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]HEMT晶體管(HEMT晶體管=高電子迀移率晶體管=具有高的電子移動(dòng)性的晶體管)是場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一種特別的結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式的特征在于具有高的載流子移動(dòng)性的導(dǎo)電溝道。但是，在此特別困難的是具有足夠高的擊穿電壓的功率晶體管的實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在該背景下，利用本發(fā)明提出根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的半導(dǎo)體功率晶體管以及用于制造半導(dǎo)體功率晶體管的方法。有利的設(shè)計(jì)方案從相應(yīng)的從屬權(quán)利要求和以下的描述中得出。
[0004]當(dāng)前提出具有以下特征的半導(dǎo)體功率晶體管:
一載體襯底；
一施加在載體襯底上的由第一半導(dǎo)體材料構(gòu)成的第一半導(dǎo)體層；
一施加在第一半導(dǎo)體層上的由第二半導(dǎo)體材料構(gòu)成的第二半導(dǎo)體層，其中第一半導(dǎo)體材料的帶間距與第二半導(dǎo)體材料的帶間距不同；
一漏端子和源端子，其至少被嵌入在第二半導(dǎo)體層中，其中借助漏端子和源端子至少能夠電接觸第一和第二半導(dǎo)體材料之間的分界層；
一漏端子和源端子之間的溝道區(qū)域，其中構(gòu)造溝道區(qū)域，以便用作電功率開關(guān)；以及一柵端子，其至少部分地覆蓋溝道區(qū)域。
[0005]功率開關(guān)可以理解為開關(guān)元件，該開關(guān)元件被構(gòu)造用于開關(guān)電流和/或電壓，該電壓/電流大于預(yù)先確定的最小數(shù)值。在此，可以設(shè)計(jì)功率開關(guān)，使得功率開關(guān)可以開關(guān)明顯位于半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)的領(lǐng)域中的元件中所使用的電流和/或電壓之上的電流和/或電壓。載體襯底例如可以理解為半導(dǎo)體襯底或晶體，在該載體襯底上可以施加另外的(半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)，使得載體襯底形成另外的結(jié)構(gòu)的保持元件。帶間距可以理解為帶隙或“禁止區(qū)”，該帶隙表示固體的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量間距。溝道區(qū)域例如可以理解為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道。
[0006]在此提出的方案基于以下知識(shí)，兩個(gè)半導(dǎo)體層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以用于開關(guān)大電流和/或電壓，其中在所述兩個(gè)層中使用的半導(dǎo)體材料具有不同的帶隙。因此可以實(shí)現(xiàn)很快速開關(guān)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。特別是通過使用第一或第二半導(dǎo)體層之間的具有特別高的電子移動(dòng)性的界面，因此可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體功率開關(guān)，該半導(dǎo)體功率開關(guān)除了開關(guān)大功率的能力之外還可以通過相對(duì)簡(jiǎn)單的技術(shù)上的制造方法來實(shí)現(xiàn)。因此也可以成本適宜地制造這樣的半導(dǎo)體功率開關(guān)。
[0007]當(dāng)前還提出一種用于制造半導(dǎo)體功率開關(guān)的方法，其中該方法具有以下步驟:
一提供載體襯底； 一將由第一半導(dǎo)體材料構(gòu)成的第一半導(dǎo)體層施加在載體襯底上并且將由第二半導(dǎo)體材料構(gòu)成的第二半導(dǎo)體層施加在第一半導(dǎo)體層上，其中第一半導(dǎo)體材料的帶間距與第二半導(dǎo)體材料的帶間距不同；
一構(gòu)造漏端子和源端子，其至少被嵌入在第二半導(dǎo)體層中，其中借助漏端子和源端子至少能夠電接觸第一和第二半導(dǎo)體材料之間的分界層并且通過漏端子和源端子定義漏端子和源端子之間的溝道區(qū)域，其中構(gòu)造溝道區(qū)域，以便用作電功率開關(guān)；
一布置柵端子，其至少部分地覆蓋溝道區(qū)域。
[0008]特別有利的是本發(fā)明的一種實(shí)施方式，其中構(gòu)造溝道區(qū)域，以便無損地傳導(dǎo)至少一安培的電流、特別是至少10安培的電流和/或其中構(gòu)造溝道區(qū)域，以便無損地截止至少50伏特的電壓、特別是大于100伏特的電壓。本發(fā)明的這樣的實(shí)施方式提供以下優(yōu)點(diǎn)，能夠由半導(dǎo)體功率開關(guān)來開關(guān)大電流或電壓，而不損害功率開關(guān)本身。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式，第一和第二半導(dǎo)體材料可以形成III/V化合物開關(guān)復(fù)合體。本發(fā)明的這樣的實(shí)施方式提供第一和第二半導(dǎo)體材料之間的分界處的特別好的之如很尚的電子移動(dòng)性的優(yōu)點(diǎn)。因此可以實(shí)現(xiàn)特別快開關(guān)的功率開關(guān)。
[0010]此外有利的是本發(fā)明的一種實(shí)施方式，其中第一半導(dǎo)體材料包括AlGaN并且第二半導(dǎo)體材料包括GaN，或第一半導(dǎo)體材料包括GaN并且第二半導(dǎo)體材料包括AlGaN。本發(fā)明的這樣的實(shí)施方式提供以下優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)上可特別好并且簡(jiǎn)單處理的半導(dǎo)體材料可以用于功率開關(guān)，使得這樣的功率開關(guān)除了其良好的開關(guān)特性之外也還可以十分成本適宜地來制造。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式，載體襯底可以具有由保持材料構(gòu)成的保持層，其中保持材料與載體襯底的主要材料不同，特別是其中載體襯底的主要材料具有硅，其中第一半導(dǎo)體材料布置在保持層上。本發(fā)明的這樣的實(shí)施方式提供以下優(yōu)點(diǎn)，在使用合適的緩沖層為前提下可以實(shí)現(xiàn)第一半導(dǎo)體層的好的晶體質(zhì)量并且同時(shí)可以使用大面積的和成本適宜的襯底。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一種特別有利的實(shí)施方式，柵端子可以與溝道區(qū)域通過柵氧化層電絕緣地分離，特別是其中至少一種預(yù)先確定類型的載流子被嵌入到柵氧化層中和/或其中柵氧化層具有載流子的預(yù)先確定的密度。本發(fā)明的這樣的實(shí)施方式提供能夠設(shè)定功率開關(guān)的導(dǎo)通類型的優(yōu)點(diǎn)、特別是功率開關(guān)表現(xiàn)為自截止或自導(dǎo)通的優(yōu)點(diǎn)。還可以通過柵氧化層的厚度和/或柵氧化層中的預(yù)先確定的載流子的密度來設(shè)定擊穿電壓或激活電壓。
【附圖說明】
[0013]隨后借助附圖示例性地詳細(xì)解釋本發(fā)明。其中:
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體功率開關(guān)的橫截面圖；
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法的流程圖；以及圖3示出材料中的能級(jí)的圖示，所述材料沿著圖1中示出的橫截面圖出現(xiàn)。
[0014]
在本發(fā)明的有利的實(shí)施例的隨后的描述中，對(duì)于在不同的圖中示出的并且相似作用的元件使用相同或相似的附圖標(biāo)記，其中放棄對(duì)這些元件的重復(fù)描述。
【具體實(shí)施方式】
[0015]
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體功率開關(guān)100的橫截面圖。功率開關(guān)100包括半導(dǎo)體或載體襯底110，該半導(dǎo)體或載體襯底包括主要組成部分115(例如具有111-晶格結(jié)構(gòu)的硅晶體)和施加在主要組成部分115上的緩沖層120。緩沖層120例如可以由A1N晶種層跟著具有逐漸下降的A1濃度的AlGaN層的序列組成。為了改進(jìn)擊穿強(qiáng)度，該緩沖結(jié)構(gòu)的至少一部分的利用例如碳或鐵雜質(zhì)原子的有針對(duì)性的摻雜可以用于載流子補(bǔ)償。
[0016]緩沖層120在此用于在緩沖層120上布置的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)125的很好的粘附基礎(chǔ)。
[0017]該半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)125例如可以是不同半導(dǎo)體材料的兩個(gè)層的堆。例如所述不同的半導(dǎo)體材料可以包括或由具有不同帶隙或不同帶間距的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。異質(zhì)結(jié)構(gòu)125的半導(dǎo)體材料在此可以作為第一半導(dǎo)體層130 (由第一半導(dǎo)體材料構(gòu)成)和布置在第一半導(dǎo)體層上的第二半導(dǎo)體層135 (由第二半導(dǎo)體材料構(gòu)成)來布置并且形成II1-V半導(dǎo)體復(fù)合體或II1-V半導(dǎo)體復(fù)合體系統(tǒng)。這意味著，第一半導(dǎo)體層130的半導(dǎo)體材料可以是II1-材料(即周期表的第三主族中的材料)，而第二半導(dǎo)體層135的半導(dǎo)體材料可以是V-材料(SP周期表的第五主族中的材料)。也可以第一半導(dǎo)體材料是V-材料并且第二半導(dǎo)體材料是II1-材料。特別是第一半導(dǎo)體材料可以是AlGaN并且第二半導(dǎo)體材料可以是GaN (或相應(yīng)地包括這些材料)或相反。
[0018]在兩個(gè)半導(dǎo)體材料之間構(gòu)造有分界層140，其中電子具有特別高的移動(dòng)性。該分界層140在此用作二維電子氣(2DEG)并且為大功率、即大電流和/或電壓提供很好的開關(guān)能力。為了能夠電接觸分界層140，設(shè)置漏端子145和源端子150，該漏端子和源端子穿過第二半導(dǎo)體層135直至達(dá)到分界層140或達(dá)到第一半導(dǎo)體層中。在漏端子145或源端子150的側(cè)面、即朝向分別與另外的端子相背離的側(cè)設(shè)置側(cè)向的絕緣層153，該絕緣層阻止電子從漏端子145和源端子150之間的溝道區(qū)域160中流出。
[0019]在第二半導(dǎo)體層135的表面160上還布置有柵氧化層165作為柵電介質(zhì)。在柵氧化層165上，在溝道區(qū)域155的區(qū)域中設(shè)置有柵端子170，使得半導(dǎo)體功率開關(guān)100被構(gòu)造為場(chǎng)效應(yīng)晶體管。就此而言，溝道區(qū)域155也可以理解為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道。
[0020]為了現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)特別好地設(shè)定半導(dǎo)體功率開關(guān)100的使用電壓，現(xiàn)在將載流子有針對(duì)性地引入到柵氧化層165中，使得形成相應(yīng)的電場(chǎng)，該電場(chǎng)等效于在柵電極上施加外部電壓。因此晶體管的使用電壓可以被控制地推移，以便實(shí)現(xiàn)例如正的使用電壓、即自截止器件。這樣修改的晶體管的使用電壓在此與載流子的面密度和分布有關(guān)。
[0021]載流子可以通過不同的方法被引入到電介質(zhì)中。例如可以借助離子注入將帶電的雜質(zhì)原子引入到柵電介質(zhì)中。
[0022]根據(jù)另一種變型，電荷到柵電介質(zhì)中的該引入可以通過以下方式進(jìn)行，進(jìn)行層堆的沉積，該層堆具有與存儲(chǔ)單元技術(shù)(例如EPR0M或EEPR0M器件)相似的特性。在該層堆中可以的是，通過施加合適的柵電壓，在層堆中持久地存儲(chǔ)確定的電荷量。在此，電子通過施加合適的柵電壓到控制氧化物上而被注射到氮化物層的陷講(Haftstellen)中。在該變型中也可以使用存儲(chǔ)器技術(shù)的消除方法、例如局部的UV輻照，以便在芯片上同時(shí)產(chǎn)生具有標(biāo)準(zhǔn)使用電壓的器件以及具有修改的使用電壓的器件。這例如能夠在建造可單片集成的電路時(shí)是有利的。在另一種變型中，電荷的有針對(duì)性的引入可以通過選擇合適的材料和執(zhí)行合適的退火方法(例如Si02/Al203層堆以1000-1200°C之間的高溫下的退火方法，例如參見“氣體傳感器和用于制造這樣的氣體傳感器的方法”，R341737)。
[0023]就此而言，半導(dǎo)體功率開關(guān)100的所示出的結(jié)構(gòu)可以被稱為具有柵電介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)HEMT結(jié)構(gòu)。從構(gòu)造上，HEMT晶體管由具有不同大小的帶隙的不同半導(dǎo)體材料的層構(gòu)成(所謂的異質(zhì)結(jié)構(gòu))。對(duì)此適用的特別是化合物半導(dǎo)體，所述化合物半導(dǎo)體由周期表的III/V族的元素構(gòu)成。例如可以使用材料系統(tǒng)GaN/AlGaN。如果彼此重疊地沉積這兩種材料，則在GaN的兩側(cè)上在所述材料的界面處形成二維電子氣，該電子氣可以用作