本发明属于半导体器件，具体涉及一种高耐压低导通电阻双极化超结型氮化镓基双向开关功率器件结构及其制备方法。
背景技术：
1、随着全球变暖，环境污染加剧，全球能源危机日益严重，为了缓解节能减排的压力，工业界要求尽可能减小电能转化过程中的损耗。从功率器件着手提高整个功率电子系统的工作效率，降低功耗，减少能量损失，使电能被高效、舒适和安全地利用是当前有效的可行方案。
2、目前以金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor，mosfet)和绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolartransistor，igbt)为主的硅基功率器件的性能指标已趋近其材料的理论极限，无法满足新一代电力电子系统改善电能损耗的需求。而氮化镓(gan)材料作为第三代宽带隙半导体材料的代表之一，相比于第一、二代半导体材料硅(si)和砷化镓(gaas)等，具有更宽的禁带宽度(3.4ev)、更高临界击穿电场(3.6mv/cm)、高电子饱和速率(2.7×107cm/s)以及高工作温度等特点，baliga优值更是si材料的1450倍，在功率应用方面具备更明显的优势。此外，其异质结(如algan/gan和ingan/gan)可以诱导出高密度和高迁移率的二维电子气(two-dimensional electron gas，即2deg)，迁移率可达到近2000cm2/v·s，超越gan体材料，使其在高频器件、功率转换、微波通信领域展现出极其突出的应用潜力和优势。
3、凭借功率密度大、开关频率高、开关损耗低和高温稳定性等优势，gan基功率器件在消费电子、电动汽车、智能电网和卫星通讯等领域的需求逐渐增加，成为当前功率电子系统实现功率转换和提高能源转换效率的研究重点之一。而在光伏产业、车载充电机和变电站等领域中，ac-ac矩阵变换器、多电平t型逆变器、双向升降压pfc整流器、固态变压器等功率转换和控制系统都需要控制双向功率的流动。具有双向导通和双向阻断能力的双向功率开关能够实现这些应用，但传统氮化镓基高电子迁移率晶体管(gan-basedhighelectronmobility transistor，gan-based hemt)没有双向阻断能力，因此，结合第三代半导体材料gan的优异性能，研究高效率、高阻断电压能力和可减小系统体积的gan基双向功率开关具有重要的现实意义。
4、双向开关可以通过四种主流的拓扑结构实现，如图1-图4所示，包括二极管桥内嵌功率开关结构、反并联双向阻断功率开关结构、共源极结构和共漏极结构。其中二极管桥内嵌功率开关的结构仅需一个栅极驱动电路，降低了控制电路的复杂性，但在导通时需流经两个二极管，导致较高的开启电压和导通损耗；共源极和共漏极结构除了栅极驱动个数的区别，在导通时都需要流经两个晶体管，电流通道较长，导通损耗较高；而反并联双向阻断功率开关结构在任意导通模式下电流只流经一个器件，即使属于双栅驱动，电路复杂性较高，但仍是实现单片集成双向开关的首选结构。因此，利用gan材料在高功率和高效率应用中的优势，实现高性能和高可靠性的gan基双向阻断功率开关是开展gan基双向功率开关研究的重点方向。
5、目前gan基双向开关面临着开启电压高和击穿电压低的问题，无法完全满足高效率、高功率电子变换系统的需求。本发明申请提出一种双极化超结型氮化镓基双向开关功率器件，在减小开启电压的同时引入极化结的概念改善击穿电压低的技术难题，能够兼顾低导通电阻和高击穿电压的优异性能。极化结(polarizationjunction，pj)的概念是在2006年被日本产业技术综合研究所提出，双异质结(gan/algan/gan)界面形成的二维空穴气(two-dimensional hole gas，即2dhg)和2deg在阻断状态下被耗尽而构成极化结，能够调制优化高压下漂移区表面电场分布，在提高宽带隙半导体功率器件击穿电压的同时保持低导通电阻。研究证明极化结能够提高gan hemt和gan肖特基二极管(schottkybarrierdiode，sbd)的击穿电压，因此可以用于提高双向阻断gan hemt结构的耐压能力，从而改善gan基双向开关的耐压能力。
6、近年来国内外的研究人员提出了很多基于gan hemt的单片集成双向开关器件，能够减小器件尺寸和分立器件串并联的寄生参数，从而改善功率系统的转换效率。目前gan基单片集成双向开关主要通过共漏极、共源极、二极管桥、反并联双向阻断gan hemt结构和反串联双向导通gan hemt结构实现。共漏极和共源极结构的特点是单片集成的两个hemt共用一个有源区，能够成功实现双向开关特性，但工作在二极管单向导通模式时，gan hemt栅极关断时的高反向导通电压会导致器件的开启电压较大，且随着hemt阈值电压的升高而增大。二极管桥内嵌gan hemt的结构如上述所说，在导通时需流经两个gan基肖特基二极管，导致较高的开启电压和导通损耗。反串联双向导通hemt的电流通路较长，会导致较大的开启电压和导通损耗。反并联双向阻断hemt结构在开启电压方面虽然优于二极管桥结构和共漏极结构的二极管模式，但其中的双向阻断hemt仍存在反向漏电大，击穿电压低等问题，尤其是在提升击穿电压和降低导通电阻的平衡问题上缺少有力的解决方案，限制了gan基双向开关在高压系统方面的应用。
7、目前改善双向开关耐压性能的主要方式是加入多层场板分摊栅极靠近漏端边缘的集中电场，但场板的设计在调控电场的同时会引入寄生电容，影响器件的高频和开关性能，还会增加器件尺寸。
技术实现思路
1、为了解决上述存在的问题，本发明提出：一种高耐压低导通电阻双极化超结型氮化镓基双向开关功率器件结构，以反并联双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件的结构实现双向开关功能，双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件结构的衬底上面依次外延生长缓冲层、i-gan沟道层、势垒层、i-gan间隔层、p型半导体层、重掺p型半导体层，在栅端和漏端各形成一个极化结结构，并在其上方通过p型半导体与2dhg形成欧姆接触的电场调控电极b1、电场调控电极b2，栅极金属与电场调控电极b1所在的极化结直接接触，漏极金属与电场调控电极b2所在的极化结也直接接触。
2、进一步地，所述双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件的源极和漏极均与下方沟道2deg形成欧姆接触，栅极包括凹栅mis结构和p型栅结构两种用于形成常关型器件。
3、进一步地，所述双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件的栅极金属、漏极金属与电场调控电极的间距可调，范围为100nm～10μm。
4、进一步地，所述双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件的两个极化超结之间的间距可调，范围为1μm～100μm。
5、进一步地，所述双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件中的极化结的一种实现方式如下：采用p型半导体/i-gan/势垒层/i-gan结构，电极b1通过p型半导体与2dhg形成欧姆接触。
6、进一步地，所述双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件中的极化结的另一种实现方式如下：采用重掺p型半导体/p型半导体/i-gan/势垒层/i-gan结构，在上方i-gan/势垒层界面引入n型si的δ掺杂用于增强2deg的密度，加厚p型半导体，并增加重掺p型半导体层用于形成欧姆接触，形成极化超结。
7、进一步地，漏极与电极b2通过金属互连，通过额外的漏端欧姆电流降低开启电压，并且导通时b2电极注入空穴，增强下方2deg浓度，增加电流密度；而在器件关断时，从源极s到漏极d方向的电流由于b2所在的极化结形成的势垒被阻断，并通过极化结的电场调制作用提高反向耐压；
8、栅极或源极与电极b1通过金属互连，器件关断时同步调整b1电压使其所在的极化结下方产生平坦的电场分布，阻断由漏极d到源极s方向的电流，从而提高正向耐压。
9、进一步地，漏极与电极b2不连通，分开调控，通过极化结界面可调极化电荷调控沟道2deg浓度，实现超低漏极开启电压和较高的电流密度；而在器件关断时，从源极s到漏极d方向的电流由于b2所在的极化结形成的势垒被阻断，并通过极化结的电场调制作用提高反向耐压；
10、栅极或源极与电极b1不连通，分开调控，器件关断时同步调整b1电压使其所在的极化结下方产生平坦的电场分布，阻断由漏极d到源极s方向的电流，从而提高正向耐压。
11、一种高耐压低导通电阻双极化超结型gan基双向开关功率器件制备方法，包括如下步骤：
12、s1、衬底准备：准备硅、碳化硅、蓝宝石、gan、金刚石等其中任一种材料作为衬底，通过有机、无机清洗去除样品表面的沾污和污染物；
13、s2、外延生长：利用金属有机化合物化学气相淀积、分子束外延、氢化物气相外延其中任一种方式依次外延生长缓冲层、i-gan/势垒层/i-gan双异质结结构、p型半导体层；
14、s3、极化结刻蚀：外延生长后的样品经过光刻显影后，利用半导体刻蚀工艺进行p型半导体和i-gan间隔层刻蚀，制作出极化结区域，p型栅结构还需要刻蚀出栅极区域；
15、s4、台面刻蚀：在p型半导体刻蚀完成的基础上经过光刻显影，利用半导体刻蚀工艺制作出器件所需的台面，通过基于cl基气体的感应耦合等离子体刻蚀技术将表面刻蚀300nm～1μm，实现台面隔离；
16、s5、源、漏区域浅刻蚀：在台面隔离完成的基础上经过光刻显影，利用半导体刻蚀工艺制作出源、漏区域所需的浅台阶；
17、s6、源、漏欧姆电极与极化结电极制作：通过光刻显影定义出n型欧姆接触区域，再利用如磁控溅射、电子束蒸发系统沉积叠层金属，通过高温快速热退火工艺形成良好的欧姆接触；
18、s7、栅槽制作：凹栅型结构需要通过光刻显影定义出栅槽区域，再利用半导体刻蚀技术制作出栅极的凹槽；
19、s8、栅介质沉积：凹栅型结构沉积氧化铝、氧化硅、氮化硅或多层复合介质等薄膜作为栅介质层；
20、s9、栅电极制作：通过光刻显影定义出栅极金属区域，再利用如磁控溅射、电子束蒸发系统沉积栅极金属；
21、s10、表面钝化开口及金属互连：在器件表面沉积钝化层，采用半导体光刻工艺定义源、漏、栅和极化结电极的开口区域，利用半导体刻蚀工艺去除电极上方的钝化层形成窗口，再利用如磁控溅射、电子束蒸发系统沉积金属完成栅极与电极b1、漏极与电极b2以及两个gan基双向阻断hemt反并联的金属互连。
22、本发明的有益效果为：本发明申请提出一种高耐压低导通电阻双极化超结型氮化镓基双向开关功率器件技术方案，主要有三方面的技术优势：
23、1)漏端处增加极化结结构充当gan基双向阻断hemt中的二极管，pn结二极管的反向漏电流更低，耐压高于肖特基二极管，因此对比现有技术中漏端嵌入的gan sbd具有更高的反向击穿电压；
24、2)栅端和漏端引入极化结结构，基于极化调控理论，双异质结界面形成的二维空穴气和二维电子气在阻断状态下被耗尽，能够调制优化高压下电场分布为近似平坦的矩形分布，提高双向耐压性能，并且在提升器件击穿电压的同时保持低导通电阻；
25、3)漏端与极化结上欧姆电极相连，当正向偏压小于二极管的导通电压时，沟道下方2deg并未完全耗尽，电流可以通过漏极流向源极；当正向偏压大于二极管导通电压时，正向电流由漏端欧姆电流和pn结电流共同组成。额外的漏端欧姆电流能降低开启电压，并且导通时极化结上欧姆电极注入空穴，有助于增强下方2deg浓度，增加电流密度。
26、本发明技术方案带来的有益效果，首先与传统gan基双向阻断hemt中嵌入的肖特基二极管相比，极化结形成的pn结二极管可以使该器件拥有更高的反向耐压。其次，引入了极化结结构，能够调控高压下的漂移区电场分布，使其更加均匀，从而在保证较低导通电阻的情况下提高击穿电压。最后是在漏端形成了极化结与欧姆接触的复合结构，能够降低开启电压，增加电流密度。本方案制作的高耐压低导通电阻双极化超结型氮化镓基双向开关功率器件未来有望广泛应用于光伏产业、车载充电机和变电站等领域中。
1.一种高耐压低导通电阻双极化超结型氮化镓基双向开关功率器件结构，其特征在于，以反并联双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件的结构实现双向开关功能，双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件结构的衬底上面依次外延生长缓冲层、i-gan沟道层、势垒层、i-gan间隔层、p型半导体层、重掺p型半导体层，在栅端和漏端各形成一个极化结结构，并在其上方通过p型半导体与2dhg形成欧姆接触的电场调控电极b1、电场调控电极b2，栅极金属与电场调控电极b1所在的极化结直接接触，漏极金属与电场调控电极b2所在的极化结也直接接触。
2.如权利要求1所述的高耐压低导通电阻双极化超结型氮化镓基双向开关功率器件结构，其特征在于，所述双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件的源极和漏极均与下方沟道2deg形成欧姆接触，栅极包括凹栅mis结构和p型栅结构两种用于形成常关型器件。
3.如权利要求1所述的高耐压低导通电阻双极化超结型氮化镓基双向开关功率器件结构，其特征在于，所述双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件的栅极金属、漏极金属与电场调控电极的间距可调，范围为100nm～10μm。
4.如权利要求1所述的高耐压低导通电阻双极化超结型氮化镓基双向开关功率器件结构，其特征在于，所述双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件的两个极化超结之间的间距可调，范围为1μm～100μm。
5.如权利要求1所述的高耐压低导通电阻双极化超结型氮化镓基双向开关功率器件结构，其特征在于，所述双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件中的极化结的一种实现方式如下：采用p型半导体/i-gan/势垒层/i-gan结构，电极b1通过p型半导体与2dhg形成欧姆接触。
6.如权利要求1所述的高耐压低导通电阻双极化超结型氮化镓基双向开关功率器件结构，其特征在于，所述双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件中的极化结的另一种实现方式如下：采用重掺p型半导体/p型半导体/i-gan/势垒层/i-gan结构，在上方i-gan/势垒层界面引入n型si的δ掺杂用于增强2deg的密度，加厚p型半导体，并增加重掺p型半导体层用于形成欧姆接触，形成极化超结。
7.如权利要求1所述的高耐压低导通电阻双极化超结型氮化镓基双向开关功率器件结构，其特征在于，所述双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件的漏极与电极b2通过金属互连，通过额外的漏端欧姆电流降低开启电压，并且导通时b2电极注入空穴，增强下方2deg浓度，增加电流密度；而在器件关断时，从源极s到漏极d方向的电流由于b2所在的极化结形成的势垒被阻断，并通过极化结的电场调制作用提高反向耐压；
8.如权利要求1所述的高耐压低导通电阻双极化超结型氮化镓基双向开关功率器件结构，其特征在于，所述双极化超结型氮化镓基双向阻断功率器件的漏极与电极b2不连通，分开调控，通过极化结界面可调极化电荷调控沟道2deg浓度，实现超低漏极开启电压和较高的电流密度；而在器件关断时，从源极s到漏极d方向的电流由于b2所在的极化结形成的势垒被阻断，并通过极化结的电场调制作用提高反向耐压；
9.一种高耐压低导通电阻双极化超结型gan基双向开关功率器件制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
