氮化镓晶体管电路及氮化镓晶体管的制造方法与流程

本发明涉及半导体器件，特别是涉及一种氮化镓晶体管电路，还涉及一种氮化镓晶体管的制造方法。

背景技术：

1、氮化镓高电子迁移率晶体管（gan-hemt）是一种异质结场效应晶体管，在电力电子领域具有广泛应用。其主要利用algan/gan异质结形成的二维电子气（2deg）作为导通沟道，具有低导通电阻、低导通损耗兼具高频开关等优异的电学特性，已广泛应用于高频电能转换系统。氮化镓晶体管的源极漏极之间不存在寄生二极管，因此在高功率和高频应用中展现出更好的性能和更有前景的发展。

2、在高频电路中，各个器件在状态转换存储的栅电荷以及比导通电阻之间需要做一个基本的权衡。目前发展成熟的硅基功率mosfet（金属氧化物半导体场效应管）随着尺寸缩小，隧穿效应愈发明显，导致泄漏电流增加，对功耗的控制也变得更困难。而且若要实现硅基mosfet转换器的续流，需要外接二极管，或者用p型注入阱与n型外延层形成的寄生二极管。这些不仅对制造工艺有更高的要求，对集成电路的金属互连也有更高挑战。

3、与之对比，gan晶体管的电流可以在源极、漏极之间实现双向传输，自身承担电感续流作用。然而，在氮化镓双向功率器件中，浮动的氮化镓晶体管衬底会影响开关切换性能。因为高频高压电路中，浮空电极会出现电位不稳定现象。由于氮化镓外延层的纵向体电容不可忽视，衬底的电位变化会引起体电容不断充放电，导致开关功耗显著提高。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种具有衬底电位管理功能的氮化镓晶体管电路，对氮化镓晶体管的衬底电位进行控制。

2、一种氮化镓晶体管电路，包括：氮化镓晶体管，所述氮化镓晶体管的衬底与栅极连接，通过所述氮化镓晶体管的栅极电位对衬底电位进行管理，让所述衬底电位与所述氮化镓晶体管的漏极电位和源极电位解耦，从而使得衬底电位跟随栅极电位变化；开关管，所述开关管的第一端连接所述氮化镓晶体管的源极，所述开关管的第二端接地；驱动电路，包括自举电容，所述自举电容的第一端连接所述栅极，所述自举电容的第二端连接所述源极；所述驱动电路还包括与所述开关管的受控端连接的第一电压输出端，以及与所述自举电容的第一端连接的第二电压输出端；所述驱动电路通过第一电压输出端控制所述开关管的导通与关断，通过第二电压输出端为所述自举电容提供充电电压，通过接于所述栅极和所述源极之间的所述自举电容，来维持所述氮化镓晶体管的栅源电位差，以保证氮化镓晶体管正常开启。

3、上述氮化镓晶体管电路，将氮化镓晶体管的衬底与栅极连接，使得衬底电位跟随栅极电位变化，以保证衬底电位的稳定性。并设置开关管和驱动电路，通过接于之间氮化镓晶体管栅极和源极的自举电容，来维持氮化镓晶体管栅源的电位差以保证氮化镓晶体管正常开启，通过驱动电路控制氮化镓晶体管和开关管，实现开关管与氮化镓晶体管同步转换状态。

4、在其中一个实施例中，所述开关管是nmos管，所述开关管的第一端是nmos管的漏极，所述开关管的第二端是nmos管的源极，所述开关管的受控端是nmos管的栅极。

5、在其中一个实施例中，所述驱动电路还包括二极管，所述二极管的负极连接所述自举电容的第一端，正极连接所述第二电压输出端。

6、在其中一个实施例中，所述衬底与栅极是通过导线直接连接，或者是通过电阻连接，或者是通过二极管连接且二极管的正极连接所述栅极、负极连接所述衬底。

7、在其中一个实施例中，所述氮化镓晶体管包括：衬底；沟道层，位于所述衬底上；势垒层，位于所述沟道层上；源电极，位于所述沟道层上；漏电极，位于所述沟道层上；p型氮化镓，位于所述势垒层上，且位于所述源电极和漏电极之间；栅电极，位于所述p型氮化镓上；第一介质层，覆盖所述源电极、漏电极及栅电极；第一金属层，位于所述第一介质层上，所述第一金属层通过所述栅电极上的第一接触孔中的导电材料与所述栅电极电性连接；位于第二接触孔中的导电材料，所述第二接触孔向下贯穿所述第一介质层、势垒层及沟道层至所述衬底，所述第一金属层通过所述第二接触孔中的导电材料与所述衬底电性连接。

8、在其中一个实施例中，所述氮化镓晶体管包括：衬底；沟道层，位于所述衬底上；势垒层，位于所述沟道层上；第一源电极，位于所述沟道层上；第一漏电极，位于所述沟道层上；第一p型氮化镓，位于所述势垒层上，且位于所述第一源电极和第一漏电极之间；第一栅电极，位于所述第一p型氮化镓上；第二源电极，位于所述沟道层上；第二漏电极，位于所述沟道层上；第二p型氮化镓，位于所述势垒层上，且位于所述第二源电极和第二漏电极之间；第二栅电极，位于所述第二p型氮化镓上；第一介质层，覆盖所述第一源电极、第一漏电极、第一栅电极、第二源电极、第二漏电极及第二栅电极；第一金属层，位于所述第一介质层上，所述第一金属层通过所述第一栅电极上的第一接触孔中的导电材料与所述第一栅电极电性连接；位于第二接触孔中的导电材料，所述第二接触孔向下贯穿所述第一介质层、势垒层及沟道层至所述衬底；位于第三接触孔中的导电材料，与所述第二漏电极电性连接，所述第三接触孔位于所述第二漏电极上，所述第二接触孔中的导电材料与所述第三接触孔中的导电材料通过第二、第三接触孔上方的金属层电性连接；位于第四接触孔中的导电材料，与所述第二栅电极电性连接，所述第四接触孔位于所述第二栅电极上；位于第五接触孔中的导电材料，与所述第二源电极电性连接，所述第五接触孔位于所述第二源电极上，所述第四接触孔中的导电材料与所述第五接触孔中的导电材料通过第四、第五接触孔上方的金属层电性连接，且该金属层通过所述第一金属层电性连接所述第一栅电极。

9、在其中一个实施例中，所述氮化镓晶体管包括：衬底；沟道层，位于所述衬底上；势垒层，位于所述沟道层上；源电极，位于所述沟道层上；漏电极，位于所述沟道层上；p型氮化镓，位于所述势垒层上，且位于所述源电极和漏电极之间；栅电极，位于所述p型氮化镓上；第一电极，位于所述沟道层上；第二电极，位于所述沟道层上；第一介质层，覆盖所述源电极、漏电极、栅电极、第一电极及第二电极；第一金属层，位于所述第一介质层上；位于第二接触孔中的导电材料，所述第二接触孔向下贯穿所述第一介质层、势垒层及沟道层至所述衬底；位于第三接触孔中的导电材料，与所述第一电极电性连接，所述第三接触孔位于所述第一电极上，所述第二接触孔中的导电材料与所述第三接触孔中的导电材料通过第二、第三接触孔上方的金属层电性连接；位于第四接触孔中的导电材料，所述第四接触孔位于所述第二电极上；所述第一金属层通过下方的所述位于第四接触孔中的导电材料与所述第二电极电性连接；第一电极底部与第二电极底部之间的二维电子气形成所述第一电极和第二电极之间的电阻器。

10、还有必要提供一种氮化镓晶体管的制造方法。

11、一种氮化镓晶体管的制造方法，包括：在衬底上形成沟道层和沟道层上的势垒层；在所述势垒层上形成p型氮化镓和所述p型氮化镓上的栅电极；在所述p型氮化镓两侧形成源电极和漏电极；形成覆盖所述源电极、漏电极及栅电极的第一介质层；形成第一接触孔和第二接触孔，并在所述第一接触孔和第二接触孔中填充导电材料；所述第一接触孔穿过所述第一介质层，底部延伸至所述栅电极；所述第二接触孔穿过所述第一介质层、势垒层及沟道层，底部延伸至所述衬底；在所述第一接触孔和第二接触孔上形成与第一、第二接触孔中的导电材料电性连接的第一金属层，从而使得氮化镓晶体管的衬底电位跟随栅电极电位变化。

12、上述氮化镓晶体管的制造方法，通过设置贯穿第一介质层、势垒层及沟道层从而延伸至衬底的第二接触孔，使衬底与栅电极电性连接，使得衬底电位跟随栅电极电位变化，以保证衬底电位的稳定性。

13、在其中一个实施例中，所述在所述势垒层上形成p型氮化镓，和所述p型氮化镓上的栅电极的步骤包括：在所述势垒层上形成第一p型氮化镓和第二p型氮化镓；形成所述第一p型氮化镓上的第一栅电极，和所述第二p型氮化镓上的第二栅电极；所述在所述p型氮化镓两侧形成源电极和漏电极的步骤包括：在所述第一p型氮化镓两侧形成第一源电极和第一漏电极，在所述第二p型氮化镓两侧形成第二源电极和第二漏电极；所述形成覆盖所述源电极、漏电极及栅电极的第一介质层的步骤包括：形成覆盖所述第一源电极、第一漏电极、第一栅电极、第二源电极、第二漏电极及第二栅电极的第一介质层；所述氮化镓晶体管的制造方法还包括：形成第三接触孔、第四接触孔及第五接触孔，并在第三接触孔、第四接触孔及第五接触孔中填充导电材料；所述第三接触孔穿过所述第一介质层，底部延伸至所述第二漏电极；所述第四接触孔穿过所述第一介质层，底部延伸至所述第二栅电极；所述第五接触孔穿过所述第一介质层，底部延伸至所述第二源电极；在所述第三接触孔上形成金属层，并在所述第四接触孔和第五接触孔上形成金属层；所述第三接触孔上的金属层将所述第二接触孔中的导电材料与所述第三接触孔中的导电材料电性连接；第四、第五接触孔上的金属层与所述第一金属层电性连接，且将所述第四接触孔中的导电材料与所述第五接触孔中的导电材料电性连接。

14、在其中一个实施例中，在形成所述第一介质层之前，还包括：形成第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极位于所述沟道层上，第一电极底部与第二电极底部之间的二维电子气形成所述第一电极和第二电极之间的电阻器；在形成所述第一介质层之后，还包括：形成第三接触孔和第四接触孔，并在第三接触孔和第四接触孔中填充导电材料；所述第三接触孔穿过所述第一介质层，底部延伸至所述第一电极；所述第四接触孔穿过所述第一介质层，底部延伸至所述第二电极；其中，所述第一金属层将所述第三接触孔中的导电材料与所述第二接触孔中的导电材料电性连接，并将所述第四接触孔中的导电材料与所述第一接触孔中的导电材料电性连接；第一电极底部与第二电极底部之间的二维电子气形成所述第一电极和第二电极之间的电阻器。

15、在其中一个实施例中，所述第二接触孔位于所述氮化镓晶体管的外侧。

16、本发明的有益效果：上述氮化镓晶体管电路，通过氮化镓晶体管的栅极电位对衬底电位进行管理，让衬底电位与漏极、源极电位解耦，使衬底电位与栅电位的同步变化，保证了在高速电源开关转换过程中，衬底电位的稳定性，从而抑制氮化镓外延层体电容的充放电，保证了传输电流的稳定性，并且维持低转换功耗。驱动电路ic同时控制开关管f1以及氮化镓晶体管的栅电极，氮化镓晶体管的衬底电位与栅电位同步同向变化，实现开关管f1与氮化镓晶体管同步转换状态。连接衬底的第二接触孔位于主氮化镓器件的最外侧，实现主器件的全部衬底电位管理，抵制全部体二极管的充放电。