基于iii-v族半導(dǎo)體材料的ac開關(guān)的制作方法
【專利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]II1-V族化合物是通過將選自元素周期表的第III族和第V族的元素組合所形成的化合物。III族元素包括硼(B)、鋁(A1)、鎵(Ga)、銦(In)和鈦(Ti)。V族元素包括氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)和鉍(Bi)。
[0002]諸如氮化鎵(GaN)的II1-V族化合物有時(shí)用作用于半導(dǎo)體器件的制造材料。例如，基于ΙΙΙ-ν半導(dǎo)體的(II1-V semiconductor based)半導(dǎo)體器件可以是如下的半導(dǎo)體器件:其至少部分地形成在沉積于半導(dǎo)體裸片襯底(例如娃(Si)襯底、碳化娃(SiC)襯底、或由展現(xiàn)了與Si或SiC類似的電學(xué)和化學(xué)特性的材料所制成的其他類似類型的襯底)頂部上的GaN層或其他II1-V族半導(dǎo)體材料層內(nèi)。
[0003]在半導(dǎo)體器件制造中使用諸如GaN的II1-V族材料的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于，II1-V半導(dǎo)體材料具有應(yīng)變誘導(dǎo)的(strain-1nduced)壓電電荷特性，其允許固有地具有低導(dǎo)通電阻(RdsJ的導(dǎo)電溝道(例如二維電子氣區(qū)域[2DEG])形成在II1-V族半導(dǎo)體材料層內(nèi)而并未對(duì)II1-V族半導(dǎo)體材料層摻雜。通過消除對(duì)II1-V族半導(dǎo)體材料層的摻雜的需求，降低了與基于II1-V族半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體器件相關(guān)聯(lián)的總的雜質(zhì)散射效應(yīng)，因此與其他半導(dǎo)體器件相比，允許本征載流子迀移率更容易地形成在導(dǎo)電溝道中。
[0004]不幸的是，II1-V半導(dǎo)體材料層對(duì)于“陷阱”敏感。陷阱是由于與II1-V族半導(dǎo)體材料相關(guān)聯(lián)的潛在地較大的帶隙而在πι-ν族半導(dǎo)體材料中形成的區(qū)域。與允許移動(dòng)載流子行進(jìn)通過相鄰的導(dǎo)電溝道不同地，II1-V半導(dǎo)體層傾向于通過從導(dǎo)電溝道俘獲或拉出移動(dòng)載流子、并且將該移動(dòng)載流子保留在II1-V族半導(dǎo)體層的陷阱內(nèi)，而在導(dǎo)電溝道處造成“電流崩塌”。半導(dǎo)體器件的R_直接正比于其俘獲率以及電流崩塌的量。例如，電流崩塌可以使得基于II1-V半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件以一百的因子而增大其額定rDS(]N。至少部分地形成在設(shè)置在半導(dǎo)體本體的襯底頂部上的II1-V族半導(dǎo)體層內(nèi)的基于II1-V半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件、尤其是基于GaN的半導(dǎo)體器件，可以具有比其他半導(dǎo)體器件反常地更高的陷阱率。得到的高RDS(]N可以使得基于πι-ν半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件無(wú)法用于一些(如果不是所有的話)高電子迀移率效應(yīng)晶體管(HEMT)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]通常，本公開的電路和技術(shù)可以使得能夠動(dòng)態(tài)配置半導(dǎo)體裸片，以便于:在形成于單個(gè)共同襯底頂部上的πι-ν族半導(dǎo)體材料的層中防止電流崩塌；并且允許半導(dǎo)體裸片支持多個(gè)基于II1-V半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件(例如用作雙向開關(guān))至少部分地形成并集成在II1-V族半導(dǎo)體層內(nèi)，以用于向AC負(fù)載供電。耦合結(jié)構(gòu)(例如，作為半導(dǎo)體裸片的外部部件，或者集成在裸片自身上)可以確保半導(dǎo)體裸片的共同襯底耦合至可用的最低電位(例如雙向開關(guān)的最低電位負(fù)載端子)。通過確保共同襯底的電位處于或者近似處于與可用最低電位相同的電位下(例如，在幾伏內(nèi))，甚至當(dāng)可用最低電位的位置改變時(shí)，耦合結(jié)構(gòu)也動(dòng)態(tài)地配置半導(dǎo)體裸片以將行進(jìn)在導(dǎo)電溝道內(nèi)的移動(dòng)載流子排斥遠(yuǎn)離II1-V半導(dǎo)體層的陷阱。
[0006]在一個(gè)示例中，功率電路包括半導(dǎo)體裸片，該半導(dǎo)體裸片包括共同襯底以及形成在該共同襯底頂部上的II1-V族半導(dǎo)體層。至少一個(gè)雙向開關(guān)器件至少部分地形成在II1-V族半導(dǎo)體層內(nèi)，并且該至少一個(gè)雙向開關(guān)至少包括第一負(fù)載端子和第二負(fù)載端子。功率電路也包括耦合結(jié)構(gòu)，該耦合結(jié)構(gòu)配置用于將半導(dǎo)體裸片的共同襯底動(dòng)態(tài)地耦合至在第一負(fù)載端子的第一電位和第二負(fù)載端子的第二電位之中的最低電位。
[0007]在另一示例中，半導(dǎo)體裸片包括共同襯底以及形成在該共同襯底頂部上的ΙΙΙ-ν族半導(dǎo)體層。半導(dǎo)體裸片也包括雙向開關(guān)器件，該雙向開關(guān)器件至少部分地形成在II1-V族半導(dǎo)體層內(nèi)，并且該雙向開關(guān)器件至少具有第一負(fù)載端子和第二負(fù)載端子。半導(dǎo)體裸片也包括耦合結(jié)構(gòu)，該耦合結(jié)構(gòu)配置用于將共同襯底動(dòng)態(tài)地耦合至第一負(fù)載端子的第一電位和第二負(fù)載端子的第二電位之中的最低電位。
[0008]在另一示例中，一種方法包括，操作半導(dǎo)體裸片，該半導(dǎo)體裸片包括共同襯底以及形成在該共同襯底頂部上的II1-V族半導(dǎo)體層，其中至少一個(gè)雙向開關(guān)器件至少部分地形成在II1-V族半導(dǎo)體層內(nèi)，該至少一個(gè)雙向開關(guān)至少具有第一負(fù)載端子和第二負(fù)載端子。該方法還包括，將半導(dǎo)體裸片的共同襯底動(dòng)態(tài)地耦合至第一負(fù)載端子的第一電位和第二負(fù)載端子的第二電位之中的最低電位。
[0009]在下文中在附圖和說(shuō)明書中列出了一個(gè)或多個(gè)示例的細(xì)節(jié)。從說(shuō)明書和附圖以及從權(quán)利要求書，本公開的其他特征、目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1 一圖3是示出了根據(jù)本公開一個(gè)或多個(gè)方面的用于向AC負(fù)載供電的示例性系統(tǒng)的方框圖。
[0011]圖4A和圖4B是示出了圖1 一圖3中所示的示例性系統(tǒng)的示例性M0SFET型AC開關(guān)的電路圖。
[0012]圖5A —圖5C是示出了圖1 一圖3中所示的示例性系統(tǒng)的示例性基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)的電路圖。
[0013]圖6是示例性基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)的分層剖視圖。
[0014]圖7A和圖7B是示出了根據(jù)本公開一個(gè)或多個(gè)方面的用于動(dòng)態(tài)地配置基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)的示例性供電電路的電路圖。
[0015]圖8A是示出了圖7A中所示功率電路的電壓特性的定時(shí)圖。
[0016]圖8B是示出了圖7B中所示功率電路的電壓特性的定時(shí)圖。
[0017]圖9A是示例性半導(dǎo)體裸片的分層剖視圖，其包括與共用了與圖5A所示的示例性基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)相同結(jié)構(gòu)的示例性雙向基于ΙΙΙ-ν半導(dǎo)體的開關(guān)橫向地集成的圖7A的耦合結(jié)構(gòu)的示例。
[0018]圖9B是示出了用于圖9A中所示示例性半導(dǎo)體裸片的示例性接合可選例的概念圖。
[0019]圖10是示例性半導(dǎo)體裸片的分層剖視圖，其包括與共用了與圖5A所示的示例性基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)相同結(jié)構(gòu)的示例性雙向基于ΙΙΙ-ν半導(dǎo)體的開關(guān)橫向地集成的圖7A的耦合結(jié)構(gòu)的附加示例。
[0020]圖11A和圖11B是示例性半導(dǎo)體裸片的分層剖視圖，其包括與共用了與圖5A所示示例性基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)相同結(jié)構(gòu)的示例性雙向基于II1-V半導(dǎo)體的開關(guān)橫向地集成的圖7A的耦合結(jié)構(gòu)的附加示例。
[0021]圖11C是示出了圖11A和圖11B的耦合結(jié)構(gòu)的附加示例的示例性元件的電路圖。
[0022]圖12是示例性半導(dǎo)體裸片的分層剖視圖，其包括與共用了與圖5B所示示例性基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)相同結(jié)構(gòu)的示例性雙向基于II1-V半導(dǎo)體的開關(guān)橫向地集成的圖7A的耦合結(jié)構(gòu)的附加示例。
[0023]圖13是示例性半導(dǎo)體裸片的分層剖視圖，其包括與共用了與圖5B所示示例性基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)相同結(jié)構(gòu)的示例性雙向基于II1-V半導(dǎo)體的開關(guān)橫向地集成的圖7A的耦合結(jié)構(gòu)的附加示例。
[0024]圖14A和圖14B是示例性半導(dǎo)體裸片的分層剖視圖，其包括與共用了與圖5B所示示例性基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)相同結(jié)構(gòu)的示例性雙向基于II1-V半導(dǎo)體的開關(guān)橫向地集成的圖7A的耦合結(jié)構(gòu)的附加示例。
[0025]圖15是示例性半導(dǎo)體裸片的分層剖視圖，其包括與共用了與圖5C所示示例性基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)相同結(jié)構(gòu)的示例性雙向基于II1-V半導(dǎo)體的開關(guān)橫向地集成的圖7A的耦合結(jié)構(gòu)的示例。
[0026]圖16是示例性半導(dǎo)體裸片的分層剖視圖，其包括與共用了與圖5C所示示例性基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)相同結(jié)構(gòu)的示例性雙向基于II1-V半導(dǎo)體的開關(guān)橫向地集成的圖7A的耦合結(jié)構(gòu)的附加示例。
[0027]圖17A和圖17B是示例性半導(dǎo)體裸片的分層剖視圖，其包括與共用了與圖5C所示示例性基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)相同結(jié)構(gòu)的示例性雙向基于II1-V半導(dǎo)體的開關(guān)橫向地集成的圖7A的耦合結(jié)構(gòu)的附加示例。
[0028]圖18是示例性半導(dǎo)體裸片的分層剖視圖，其包括與共用了與圖5A所示示例性基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)相同結(jié)構(gòu)的示例性雙向基于II1-V半導(dǎo)體的開關(guān)橫向地集成的圖7B的耦合結(jié)構(gòu)的附加示例。
[0029]圖19是示例性半導(dǎo)體裸片的分層剖視圖，其包括與共用了與圖5B所示示例性基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)相同結(jié)構(gòu)的示例性雙向基于II1-V半導(dǎo)體的開關(guān)橫向地集成的圖7B的耦合結(jié)構(gòu)的附加示例。
[0030]圖20是示例性半導(dǎo)體裸片的分層剖視圖，其包括與共用了與圖5C所示示例性基于II1-V半導(dǎo)體的AC開關(guān)相同結(jié)構(gòu)的示例性雙向基于II1-V半導(dǎo)體的開關(guān)橫向地集成的圖7B的耦合結(jié)構(gòu)的附加示例。
[0031]圖21是示出了根據(jù)本公開一個(gè)或多個(gè)方面的圖7B中所示示例性功率電路的示例性操作的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]—些電子器件(例如晶體管、二極管、開關(guān)等)是基于半導(dǎo)體的，或者換言之，形成在由半導(dǎo)體材料制成的半導(dǎo)體裸片上。在一些應(yīng)用中，II1-V化合物用作用于半導(dǎo)體器件的制造材料。II1-V化合物通過將選自元素周期表的III族或V族的元素組合而形成。II1-V化合物的示例包括氮化硼(BN)、磷化硼(BP)、砷化硼(BAs)、氮化鋁(A1N)、磷化鋁(A1P)、砷化鋁(AlAs)、銻化鋁(AlSb)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、銻化鎵(GASb)、氮化銦(InN)、磷化銦(InP)、砷化銦(InAs)、銻化銦(InSb)、氮化鈦(TiN)、磷化鈦(TiP)、砷化鈦(TiAs)和銻化鈦(TiSb)。使用II1-V半導(dǎo)體材料形成的半導(dǎo)體器件，在此稱作基于ΙΙΙ-ν半導(dǎo)體的器件。例如，基于II1-V半導(dǎo)體的器件的一個(gè)示例是基于GaN的雙向開關(guān)?；贕aN的雙向開關(guān)可以由至少部分地形成在層疊于例如由娃(Si)或碳化娃(SiC)制成的襯底頂部的GaN層內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)基于GaN的器件(例如兩個(gè)GaN開關(guān))制造。該一個(gè)或多個(gè)GaN器件可以形成在位于層疊于GaN層頂部上的氮化鋁鎵(AlGaN)層的界面處，并且該一個(gè)或多個(gè)GaN器件的導(dǎo)電溝道可以位于GaN層的邊界或鄰接AlGaN層的部分內(nèi)。
[0033]基于II1-V半導(dǎo)體的器件、諸如基于GaN的半導(dǎo)體器件，與其他類型半導(dǎo)體器件相比，可以以較低成本具有更高程度的性能?；贕aN的半導(dǎo)體器件具有高的飽和速度(例如，與Si的lX107cm/s相比，對(duì)于GaN為2.5X107cm/s)以及改進(jìn)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)(例如與Si的?3 X 105V/cm(3MV/cm)相比，對(duì)于 GaN 為 5 X 105V/cm(3MV/cm))。基于 GaN 的半導(dǎo)體器件也可以具有直接和大的帶隙(與硅的1.leV相比，對(duì)于GaN例如為3.4eV)，允許較低的比導(dǎo)通電阻(“RDS(]N”)和高的工作溫度。
[0034]使用GaN層的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，GaN具有應(yīng)變誘導(dǎo)的壓電電荷，該應(yīng)變誘導(dǎo)的壓電電荷允許導(dǎo)電溝道(例如二維電子氣(2DEG)區(qū)域)形成在基于GaN的半導(dǎo)體器件內(nèi)而無(wú)需摻雜GaN材料。消除了對(duì)GaN材料摻雜的需求，可以減少基于GaN的半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)散射效應(yīng)，這可以允許本征載流子迀移率自由地形成在具有低導(dǎo)通電阻(RdsJ的當(dāng)前導(dǎo)電溝道(例如2DEG區(qū)域)中。
[0035]不幸的是，GaN層對(duì)所謂的“陷阱”敏感。陷阱通常指由于與GaN材料相關(guān)聯(lián)的潛在地大的帶隙而可以在GaN層中形成的區(qū)域。也即，陷阱是GaN層中的局部缺陷，諸如碳原子，該碳原子引入了恰好位于價(jià)帶和導(dǎo)帶之間能級(jí)。根據(jù)Shockley-Read-Hall統(tǒng)計(jì)，如果陷阱的能級(jí)位于價(jià)帶和導(dǎo)帶中間，那么該陷阱對(duì)于捕獲電子是特別有效的。與允許移動(dòng)載流子行進(jìn)通過導(dǎo)電溝道不同，GaN層傾向于通過從導(dǎo)電溝道捕獲或拉出移動(dòng)載流子并且將移動(dòng)載流子保留在GaN層陷阱內(nèi)，而在導(dǎo)電溝道處引起“電流崩塌”。也即，當(dāng)正在經(jīng)歷電流崩塌時(shí)，由于缺乏移動(dòng)通過導(dǎo)電溝道的移動(dòng)載流子，導(dǎo)致基于GaN的器件可能不再支持滿載電流。電流崩塌可以引起跨基于GaN的器件的正向電壓降的顯著增大(例如從1或2V至近似400V)。
[0036]半導(dǎo)體器件的RDS(]N可能由于從導(dǎo)電溝道捕獲移動(dòng)載流子而惡化。術(shù)語(yǔ)“動(dòng)態(tài)RDSQN”描述了器件的RDSQN可以由于之前施加的阻斷電壓而惡化的事實(shí)；也即，來(lái)自2DEG的可用移動(dòng)載流子的一部分被捕獲在陷阱中并且僅非常緩慢地釋放(例如在ms至秒的時(shí)間范圍內(nèi))。例如，陷阱可以導(dǎo)致以一百的因子而增大基于πι-ν半導(dǎo)體的器件的額定RDS(]N。基于II1-V半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件、尤其是具有πι-ν半導(dǎo)體層以及Si或SiC的共同襯底兩者的基于II1-V半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件，與其他半導(dǎo)體器件相比，可以具有更高的陷阱率。由更高陷阱率所導(dǎo)致的更高RDS(]N，可以使得基于II1-V半導(dǎo)體的半導(dǎo)體不可用于一些(如果不是所有的話)功率器件或其他應(yīng)用。
[0037]使得基于II1-V半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件不可用作HEMT的相同的高R_也可以防止m-V半導(dǎo)體用于形成橫向器件結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)與非常高歐姆襯底(諸如Si或SiC襯底)組合在一起時(shí)，由πι-ν半導(dǎo)體層所引起的電流崩塌可能阻礙在單個(gè)共用的或共同的襯底上集成多于一個(gè)基于πι-ν半導(dǎo)體的器件(例如開關(guān))。
[0038]在II1-V半導(dǎo)體層中發(fā)現(xiàn)的陷阱，對(duì)于施加至共同襯底的背面接觸的電壓是極端敏感的。尤其是在低電阻的Si襯底的情形中，其通常用于制造Si上GaN技術(shù)。由于上述的對(duì)于施加至襯底的背面接觸的電壓的極端敏感，背面電位立即傳輸?shù)溅笑?v半導(dǎo)體層表面處，并且在一些示例中，可以激活在II1-V半導(dǎo)體層中陷阱與2DEG區(qū)域之間的交互，并且從而導(dǎo)致性能損失。
[0039]通常，本公開的電路和技術(shù)可以使得能夠動(dòng)態(tài)配置基于II1-V半導(dǎo)體的半導(dǎo)體裸片，以便于防止在其ΙΙΙ-ν半導(dǎo)體層中電流