專利名稱：增強(qiáng)模式Ⅲ族氮化物場效應(yīng)晶體管的制作方法
增強(qiáng)模式HI族氮化物場效應(yīng)晶體管相關(guān)申請的交叉引用
本申請是基于美國臨時(shí)申請，并且要求了它的權(quán)利，其申請?zhí)?是No.60/538795，申請日是2004年1月23日，名稱是基于蝕刻柵極的增 強(qiáng)模式場效應(yīng)晶體管，因此本申請要求了其優(yōu)先權(quán)并且將參考它的內(nèi)容合 為一體進(jìn)4亍7>開。發(fā)明的背景技術(shù)領(lǐng)域
—般來說，本發(fā)明涉及一類基于III族氮化物材料的場效應(yīng)晶 體管，并且更特別是一種增強(qiáng)模式的場效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
目前已知III族氮化物半導(dǎo)體目前顯示出大于2.2MV/cm的大的介質(zhì)擊穿電場。m族氮化物異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)也可以承載極高的電流，這使得由III族氮化物系材料制造的器件在功率應(yīng)用方面表現(xiàn)卓越。
—般來說，基于m族氮化物材料器件的發(fā)展目標(biāo)是高功率-高 頻率的應(yīng)用，比如移動(dòng)電話基站的發(fā)射器。為這些類型應(yīng)用制造的器件是 基于一般的器件結(jié)構(gòu)，這些器件結(jié)構(gòu)顯示出高電子遷移率，并參考了多種器件，諸如異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)，高電子遷移率晶體管(High electron mobility transistor ) ( HEMT )或調(diào)制摻雜型場效應(yīng)晶體管 (MODFET)。典型地，這些類型的器件在典型范圍是2-100GHz的高頻率 下運(yùn)^f亍時(shí)，可以經(jīng)受IOOV的高電壓。可以對這些類型的器件進(jìn)行變更以 作多種應(yīng)用，^a典型地是通過對壓電;f及化場的使用以產(chǎn)生一種二維電子氣(2DEG)進(jìn)而操作這些器件，該二維電子氣^L允許具有非常低電阻損耗的非 常高電流密度的傳輸。在這些常規(guī)的III族氮化物HEMT器件中，2DEG 形成于鋁鎵氮(AlGaN)和氮化鎵(GaN)材沖牛的界面上。由于AlGaN/GaN 界面的特性和在界面形成的2DEG，由m族氮化物材料系統(tǒng)中形成的器件 名義上趨向?qū)ɑ蛘咦鳛楹谋M型的器件。位于AlGaN/GaN層界面的2DEG 的高電子遷移率允許III族氮化物器件，比如HEMT器件，在沒有4冊極電 位應(yīng)用的情況下導(dǎo)電。先前制造的HEMT器件名義上導(dǎo)通的特性限制了 其在功率管理上的適用性。在能夠用III族氮化物HEMT器件安全地控制 功率以前，觀測到名義上導(dǎo)通的功率器件的局限在于需要具有 一個(gè)被充電 并可供使用的控制電路。因此，期待發(fā)明一種名義上截止的III族氮化物 HEMT器件以便在開啟和其他模式期間避免電流傳導(dǎo)的問題。
那些允許具有低電阻損耗高電流密度m族氮化物HEMT器件 的一種缺點(diǎn)在于在應(yīng)變AlGaN/GaN系統(tǒng)中只能獲得有限的厚度。這些類 型材料的晶格結(jié)構(gòu)的差異產(chǎn)生了一種的應(yīng)變，該應(yīng)變能夠?qū)е卤∧どL的 位移，以產(chǎn)生不同的層。例如，這導(dǎo)致了勢壘層中的泄漏水平^f艮高。 一些 先前的設(shè)計(jì)集中在降低AlGaN層的平面內(nèi)晶格常數(shù)至接近松弛點(diǎn)，來降低 位移的產(chǎn)生和泄漏。然而，這些設(shè)計(jì)沒有提到解決有限厚度的問題。
另一種解決方案是增加絕緣層來防止泄漏問題。絕緣層的增加 可以降低通過勢壘層的泄漏，并且用于這個(gè)目的的典型層是氧化v洼，氮化 硅，藍(lán)寶石，或其他絕緣體，置于AlGaN和金屬柵極層之間。這種類型的 器件經(jīng)常參考自 一種金屬絕緣物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管 (MISHFET),并且具有一些沒有絕緣層的傳統(tǒng)器件所沒有的優(yōu)點(diǎn)。
雖然附加的絕^彖層能夠形成較厚的應(yīng)變的AlGaN/GaN系統(tǒng)， 但是由于GaN/絕緣體界面上電子產(chǎn)生的散射效應(yīng)，由附加絕緣層產(chǎn)生的限 制層導(dǎo)致了較低的載流量。同時(shí)，附加的絕緣層可以允許較厚的應(yīng)變的AlGaN/GaN系統(tǒng)的構(gòu)成。同樣，AlGaN層和絕緣體之間的附加界面還導(dǎo)致 界面陷阱狀態(tài)的產(chǎn)生，減緩了器件的響應(yīng)。氧化物的附加厚度，加上兩層 之間的附加界面，也導(dǎo)致了使用更大的柵極驅(qū)動(dòng)電壓來開關(guān)該器件。
常規(guī)器件的設(shè)計(jì)使用氮材料來獲得名義上的截止器件，該器件 依靠該附加絕緣體作為限制層，并且可能減少或消除頂部的AlGaN層。然 而，由于GaN/絕緣體界面處的散射，這些器件典型地具有l(wèi)支j氐的載流量。
因此，需要生產(chǎn)一種名義上截止的HEMT開關(guān)器件或者是一 種具有低泄漏特性的場效應(yīng)晶體管(FET)、該FET還具有較少的界面和 層，但仍能經(jīng)得起高電壓和并產(chǎn)生具有低電阻損耗的高電流密度。目前， 通過許多技術(shù)使用GaN和AlGaN合金來制備平面型器件，這些技術(shù)包括 包括MOCVD (金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積)以及分子束外延(MBE)和氫化 物汽相外延(HVPE)。
氮化鎵材料系統(tǒng)中的材料可以包括氮化鎵(GaN)及其合金， 比如氮化鎵鋁(AlGaN),氮化鎵銦(InGaN)和氮化鎵銦鋁(InAlGaN)。 這些材料是具有相對寬的直接帶隙的半導(dǎo)體化合物，該帶隙能夠允許高能 電子躍遷的發(fā)生。氮化鎵材料已經(jīng)被形成在許多不同的襯底上，包括碳化 硅(SiC)，藍(lán)寶石和硅。硅襯底是容易得到的并且相對不貴，并且硅處理 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得很完善。
然而，在硅襯底上形成氮化鎵材料來制造半導(dǎo)體器件出現(xiàn)了挑 戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)來自于硅和氮化鎵之間的晶格常數(shù)，熱膨脹和帶隙的不同。
伴隨GaN和傳統(tǒng)襯底材料之間的晶格不匹配問題在涉及GaN 和GaN合金的材料層結(jié)構(gòu)中依然是普遍的。例如，GaN和AlGaN材料具 有晶;格結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有足夠大的差異從而在層間產(chǎn)生界面應(yīng)變，形成壓電 極化。在許多先前的器件中，將由壓電極化產(chǎn)生的場進(jìn)行控制以變更器件 的特性。AlGaN /GaN層結(jié)構(gòu)中鋁含量的改變趨向于改變材;阡之間的晶格不匹配，從而獲得不同的器件特性，諸如獲得改善了的電導(dǎo)率或絕緣勢壘。
—種類型的器件能夠從一個(gè)名義上截止的FET器件的實(shí)現(xiàn)中 獲得很大的好處，該器件就是一個(gè)能夠作為半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)的雙向開關(guān)。 許多申請通過雙向開關(guān)的實(shí)現(xiàn)來獲得很大的改善，所述雙向開關(guān)是作為增 強(qiáng)模式器件，這是有潛力的。目前，雙向器件有些復(fù)雜并且典型地是由分 立集成電路(IC)器件組成。雖然名義上導(dǎo)通的III族氮化物雙向開關(guān)對 在許多應(yīng)用中有優(yōu)勢，但是將更喜歡把名義上截止，或者是增強(qiáng)4莫式的器 件用于應(yīng)用的變化，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)和功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明，提供了一種名義上截止或者增強(qiáng)模式的FET器 件，該器件在III族氮化物材料體系中實(shí)現(xiàn)，該器件可以通過對冊^l偏壓的應(yīng)用來開啟。根據(jù)本發(fā)明的FET包括一個(gè)形成在底部m族氮化物材料上的頂部III族氮化物材料。這兩個(gè)III族氮化物材料具有不同的平面內(nèi)晶格 常數(shù)或者不同的帶隙。根據(jù)本發(fā)明的FET能夠承載高電流，這歸因于m 族氮化物材料體系的性質(zhì)，其中壓電和自發(fā)極化場對形成2DEG做出貢獻(xiàn)， 該2DEG允許高載流子遷移率和大的電流通過量。
4艮據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，該器件包括一種變更，這種變更產(chǎn)生 作用從而改變2DEG密度，這樣，當(dāng)其柵極沒有應(yīng)用偏壓時(shí)該器件是截止 的。優(yōu)選的變更是在一個(gè)III族氮化物材料(最好是頂部的III族氮化物材 料)中，在柵極下面形成一個(gè)凹槽，但可以是一個(gè)離子注入?yún)^(qū)， 一個(gè)擴(kuò)散 區(qū)，氧化，或者氮化。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該變更形成在頂部III族 氮化物材料中。然而，根據(jù)本發(fā)明的器件可以包括在底部III族氮化物材 津+中的一個(gè)變更。
依照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，形成一個(gè)具有凹槽柵極的名義上截止的開關(guān)，以便允許在柵電壓應(yīng)用時(shí)，在柵極下方形成一個(gè)2DEG。當(dāng)沒有電壓應(yīng)用到棚-才及因此2DEG不能導(dǎo)通時(shí)，這個(gè)變更改變了 該2DEG的密度，^旦是當(dāng)在柵極應(yīng)用偏壓時(shí)，該2DEG恢復(fù)并且具備導(dǎo)通 的能力。
與本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式一致，提供了一個(gè)由氮化鎵材料層組 成的FET器件及操作方法，例如生長在GaN上的AlGaN,并且包括兩個(gè) 源/漏電極和一個(gè)柵電極。
有利地是，覆面層和接觸層可以生長在有源區(qū)域上方或下方。 其他已知的用于生成電才及，絕^彖層等的工藝也可應(yīng)用在本發(fā)明中。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特性，提供一個(gè)好的GaN絕緣體界面來改 善載流能力，而不是在有源區(qū)提供附加的絕緣層或結(jié)構(gòu)。沒有附加的絕緣 層，當(dāng)在2DEG中的電子被累積起來的時(shí)候，這里描述的異質(zhì)界面的外延 特性導(dǎo)致這些電子的遷移率更高量級。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，在III族氮化物材料體系中實(shí) 現(xiàn)的名義上截止的雙向開關(guān)提供了一個(gè)AlGaN /GaN界面為2DEG的形成 提供位置。AlGaN層中圍繞柵極接觸的區(qū)域被蝕刻掉，以便消除局部的 2DEG,從而獲得增強(qiáng)模式器件。依照本發(fā)明的一個(gè)特性，柵電極與任一 個(gè)源電極是等距的，該源電極為雙向開關(guān)形成載流路徑。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，提供了一個(gè)具有雙柵極的雙向 開關(guān)，其中一個(gè)柵電極與一個(gè)源電極配對來獲得一個(gè)具有多柵極的雙向開 關(guān)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特性，將柵極周圍區(qū)域中的AlGaN層蝕刻掉從而形 成一個(gè)增強(qiáng)模式器件，其中AlGaN/GaN層之間的2DEG被局部消除。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施方式， 一種在III族氮化物材料體系 中構(gòu)造FET的方法，提供用補(bǔ)償GaN層覆蓋襯底，該補(bǔ)償GaN層由AlGaN 覆蓋，并且隨后覆蓋摻雜的GaN層。可以將該摻雜的GaN層進(jìn)行蝕刻并且形成源/漏電極。將該AlGaN層蝕刻，以便在層界面處的2DEG中形成 障礙，成為一個(gè)名義上截止的開關(guān)。例如可以通過絕l彖層形成^f冊電^0并 利用適當(dāng)?shù)牟牧蠈⑵浣饘倩?，例如鈦鴒(TiW)。也通過絕緣體層來形成源 /漏極接觸并對其進(jìn)行金屬化處理以便提供適當(dāng)?shù)慕佑|。 III族氮化物半導(dǎo)體材料體系中的大介質(zhì)擊穿場允許構(gòu)造名義 上截止的功率器件，該器件具有減少了尺寸的隔開區(qū)域。該材料體系也允 許制備器件，該器件與已知相似額定電壓的器件相比具有減少了的阻抗特 性器件的產(chǎn)生。在這里討論的GaN/AlGaN器件的情況下，與垂直的幾何 相似物相比較，在額定電壓大約是300V時(shí)，平面器件在阻抗特性方面有 大約100倍的變更。III族氮化物高電子遷移率晶體管(HEMT)器件可以利用對稱 特性來允許名義上截止的雙向開關(guān)的制造，該開關(guān)可以在不犧牲晶片面積 的情況下阻斷兩個(gè)方向的電壓。由于這個(gè)相對傳統(tǒng)開關(guān)僅在單方向上阻斷 電壓的優(yōu)點(diǎn)， 一個(gè)雙向開關(guān)可以代替四個(gè)單方向開關(guān)，并且可以獲得相同 的總阻抗。根據(jù)本發(fā)明，名義上截止的雙向開關(guān)的雙柵極設(shè)計(jì)允許器件中 電壓隔開區(qū)域(standoffregion)的共用。在雙柵極設(shè)計(jì)共享電壓支架區(qū)域的 位置，用來制造具有雙斥冊極的增強(qiáng)才莫式雙向開關(guān)的晶片面積就可以大大降 低。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如， 一對名義上截止的雙向開關(guān)可以 在單一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，從而形成一個(gè)具有公共漏極的雙向半橋電路。 雙向半橋設(shè)置在很多應(yīng)用中都是有用的，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和功率轉(zhuǎn)換器 以及其他已知的功率控制應(yīng)用。例如，許多名義上截止的雙向開關(guān)可以通 過單一器件來實(shí)現(xiàn)，從而產(chǎn)生一個(gè)三相橋電路， 一個(gè)全橋電路或者一個(gè)半 橋電路。另外，也可以將根據(jù)本發(fā)明的器件合并到肖特基橋中。
依照本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
， 一個(gè)具有柵極，源極和漏極 區(qū)域的名義上截止的器件由使用一個(gè)兩層AlGaN /GaN材料來確定，從而 生成一個(gè)III族氮化物HEMT器件。源極和漏極可以根據(jù)已知的方法來形 成，包括離子注入，蝕刻移除源極和漏極上的勢壘區(qū)域以及低阻抗歐姆接 觸形成工藝的應(yīng)用。該器件的特征還在于柵極接觸的低泄漏和來自勢壘層的高擊 穿場。因此，該器件與常規(guī)絕緣體相比，像Si02和SiN，提供了一個(gè)更大 的介電常數(shù)。GaN材料的高臨界場允許薄層經(jīng)得起高電壓而不發(fā)生介質(zhì)擊 穿。GaN材料的介電常數(shù)大約是lO，比Si02強(qiáng)2.5倍。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將參考附圖從以下對其的描述中變 得清楚。


圖i是一個(gè)局部形成m族氮化物器件的剖面2展示了圖1中器件的蝕刻柵極區(qū)域
圖3展示了圖2中的器件具有一個(gè)柵才及接觸圖4是根據(jù)本發(fā)明的絕緣柵極m族氮化物器件的剖面圖
圖5是與本發(fā)明一致的具有雙柵極的m族氮化物器件的剖面
6是局部形成III族氮化物器件的剖面圖說明了根據(jù)本發(fā)明 的一種工藝圖7至11說明了根據(jù)本發(fā)明的器件中的柵極結(jié)構(gòu)的變化
具體實(shí)施例方式在GaN材料器件的構(gòu)造中，許多因素對該器件的功能和性能
產(chǎn)生影響。m族氮化物材料中巨大的晶格不匹配，以及很強(qiáng)的壓電和極化效應(yīng)對III族氮化物異質(zhì)結(jié)器件的電特性有重大影響。到目前為止，幾乎
所有已報(bào)告的基于GaN的HEMT均使用具有合金成分的應(yīng)變的 GaN-AlGaN結(jié)，將這些結(jié)的接合處設(shè)計(jì)成降低應(yīng)變，以此來避免位錯(cuò)，而 這種位錯(cuò)可能會成為器件長期不穩(wěn)定的原因。已^是出多種器件和體系，用 于構(gòu)建異質(zhì)結(jié)器件，從而控制晶格不匹配以及GaN-AlGaN結(jié)的應(yīng)變。特 別將這些器件設(shè)計(jì)成利用壓電和自發(fā)極化效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，并且從而使器件長 期不穩(wěn)定最小化。典型地，GaN/AlGaN HEMT器件具有三個(gè)端子，包括柵極， 漏極和源極端子，用來控制電功率流。施加在柵極端子上的電位控制電流， 1吏其通過導(dǎo)電溝道從漏極端子流向源極端子。該導(dǎo)電溝道由兩種不同半導(dǎo) 體材料之間的至少 一個(gè)異質(zhì)界面來確定。當(dāng)AlGaN/GaN材料組成HEMT中的半導(dǎo)體材料時(shí)，以及使用 AlGaN作為勢壘層時(shí)，出現(xiàn)了由AlGaN的自發(fā)極化特性產(chǎn)生的壓電電荷 及已知作為壓電極化場的應(yīng)變誘導(dǎo)特性。在構(gòu)建HEMT器件中，對這些場 形成的控制導(dǎo)致其具有不同的特性，這些特性根據(jù)這些器件如何表現(xiàn)其特 點(diǎn)使GaN基HEMT器件適合范圍更寬的應(yīng)用。由GaN材料形成的典型HEMT器件包括一個(gè)置于溝道層上的 AlGaN勢壘層，以便誘導(dǎo)一個(gè)2DEG,該2DEG在溝道中產(chǎn)生高濃度電子， 從而因此增加該溝道的導(dǎo)電特性。由于形成在GaN/AlGaN層界面的2DEG 的存在，根本上，形成的HEMT是名義上導(dǎo)通的，這是因?yàn)闇系赖拇嬖谠?i午源才及和漏才及之間的導(dǎo)通?，F(xiàn)在參考圖I，將本發(fā)明中器件形成的最初階段描述為器件IO。 器件10包括一個(gè)襯底12， 一個(gè)絕緣的GaN層14和有源AlGaN層16。歐 姆接觸18形成在AlGaN層16之上作為由此形成的HEMT器件中源才及和/ 或漏極端子之間的連接。GaN/AlGaN界面15形成一個(gè)具有2DEG的導(dǎo)電溝道，該2DEG允許歐娟:接觸18之間有電流。器件10中的GaN層14具有一個(gè)比AlGaN層16大的平面內(nèi) 晶格常數(shù)。很明顯的是，只要界面允許形成一個(gè)供電流導(dǎo)通的溝道，那么
可以使用其他m族氮化物材料來形成器件io。襯底12是一個(gè)絕緣襯底， 但可以是高電阻的，并且典型地是由熟知的材料形成的，比如碳化硅，硅， 藍(lán)寶石和其他熟知的襯底材料。參考圖2和圖3，根據(jù)本發(fā)明的器件包括一個(gè)變體，該變體的 功能是改變2DEG的密度，因此該器件變成名義上截止的，也就是說2DEG 是阻斷的。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，將一個(gè)凹槽20蝕刻在AlGaN層 16中。凹槽20包括傾斜的側(cè)壁22，但是不必依照任何特定的幾何圖形來 構(gòu)造。凹槽20允許將一個(gè)柵極接觸30沉積在與AlGaN層16和GaN層 14之間界面十分接近的地方。柵極接觸30由肖特基金屬組成，例如，在 由2DEG建立的溝道中，作為電流的控制端子。通過將柵極接觸30沉積 在凹槽20中，柵極接觸下方的2DEG被消除，從而阻斷器件31中的載流 溝道。在一個(gè)不活躍的狀態(tài)中，器件31在歐姆接觸18之間不導(dǎo)電，因?yàn)?由2DEG建立的載流溝道在柵極接觸30下方^皮阻斷。當(dāng)電壓應(yīng)用于柵極 30,以重建2DEG并在歐姆接觸18之間提供載流溝道時(shí)，可操作器件31 從而在歐姆接觸18載流。在一個(gè)實(shí)施例中，施加在棚4及接觸30上的使器 件31導(dǎo)通的電壓比閾值電壓具有更大的正向電壓，該閾值電壓與應(yīng)用于 由歐娟t接觸18形成的載流電極上的最大電壓有關(guān)。柵極接觸30可以由位于AlGaN層16之上，沉積在凹槽20中 的肖特基金屬組成。由以上可知，只要層16的平面內(nèi)晶格常數(shù)小于層14 的平面內(nèi)晶格常數(shù)，AlGaN層16就可以由任意III族氮化物材料層替換。對于歐姆接觸18和柵極接觸30,器件31可以用4艮多不同的幾 何圖形來構(gòu)建。例如，柵極接觸30可以是一個(gè)圍繞歐姆接觸18的肖特基接觸。也可以將柵極接觸30形成于圍繞歐姆接觸18的一部分，其具有缺 口或蝕刻區(qū)域這些缺口或區(qū)域形成用來限制器件31中特定方向或者特定 區(qū)域的電流量。歐姆接觸18和作為肖特基接觸的柵極接觸30也可以在空 間上相互隔開不同的距離，從而增加或減少擊穿電壓和開啟電阻參數(shù)。柵極接觸30下方的凹槽20阻止了柵極接觸下方2DEG的形 成，導(dǎo)致柵極接觸下方的鉗位電流。通過在AlGaN層16上提供一個(gè)帶凹 槽的柵極接觸，將器件31的電流電壓特性進(jìn)行改變從而獲得一個(gè)名義上 截止而不是名義上導(dǎo)通的器件。因此，器件31運(yùn)行于增強(qiáng)模式，而不是 耗盡模式，并且允許使用器件31作為高功率開關(guān)，該開關(guān)在啟動(dòng)時(shí)不需 要補(bǔ)償，以便當(dāng)控制電路系統(tǒng)中加電的時(shí)候避免導(dǎo)通。另外，由于器件31 是增強(qiáng)模式的器件，也可以將器件31用于控制啟動(dòng)時(shí)的功率輸出。也就 是，器件31也可以用作為一個(gè)邏輯功率元件在啟動(dòng)和普通運(yùn)^ft時(shí)控制功 率流?，F(xiàn)在參考圖4,本發(fā)明中另一個(gè)實(shí)施方式顯示了作為器件41 的本發(fā)明的一個(gè)替代的實(shí)施方式。器件41與器件31實(shí)質(zhì)上是相似的，除 了柵極接觸40是由絕緣層42上的導(dǎo)電材料形成的。因此，斥冊極、接觸是絕 緣接觸而不是肖特基接觸，并且能包括任意形式的金屬導(dǎo)體來對柵極進(jìn)行 操作。對器件41的操作與對器件31的搡作實(shí)質(zhì)上是相同的，柵極40下 的2DEG^^皮阻斷來形成一個(gè)名義上截止的器件。應(yīng)用于棚4及接觸40的電 壓造成柵極接觸40下面2DEG的形成，這個(gè)電壓比應(yīng)用于任何歐姆接觸 18上的電壓大，并且器件41可以在歐姆接觸18之間傳導(dǎo)電流。絕緣層 42也允許獲得良好的密封和減少的泄漏?，F(xiàn)在參考圖5，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式被描述為器件56。器 件56是一個(gè)具有兩個(gè)柵電極50, 52的雙向場效應(yīng)晶體管。如器件31和 41, 4冊4及50和52形成在AlGaN層16的凹槽中來4是供一個(gè)名義上截止的開關(guān)。也就是說，柵電極50和52各自局部阻斷柵極接觸下方的2DEG, 從而阻斷由界面15提供的導(dǎo)通溝道。當(dāng)兩個(gè)柵極接觸50, 52凈皮觸發(fā)時(shí)， 允許載流電極54， 55之間的導(dǎo)通。例如，兩4冊極接觸50, 52獲4尋的電位 比任意電流承載電極54, 55的大，以便在柵電極50， 52下形成2DEG, 從而在電極54, 55之間形成完整的導(dǎo)通溝道。
通過絕緣層51， 53柵極接觸50, 52與AlGaN層16絕緣，并 且這兩個(gè)接觸可由任何導(dǎo)電材料組成。換句話說，柵極接觸50， 52可以 是肖特基金屬接觸，與器件31中的柵極接觸30相似。在這種情況下，由 任意具有比層14小的平面內(nèi)晶格常數(shù)III族氮化物材料組成的片冊極接觸 50, 52將能夠與AlGaN層16直接接觸。
雙向器件56提供電極54， 55之間平衡的電流傳導(dǎo)，當(dāng)其與各 自的柵極接觸50， 52的間隔維持相等時(shí)。換句話說，通過在電極54和柵 極接觸50之間形成與電極55和柵極接觸52之間相等距離的方式，能夠 平衡擊穿電壓，導(dǎo)通電阻及其他開關(guān)特性，這樣不論電流是從電極54流 向電極55還是相反，器件56的運(yùn)行實(shí)質(zhì)上是相同的。有源柵極是指表示 通過高于閾值電壓的電壓對柵極進(jìn)行操作，從而使開關(guān)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。有源柵 極還是指表示在一個(gè)名義上截止的器件中該柵極處于允許電流導(dǎo)通的狀 態(tài)。
柵極接觸50, 52二者被觸發(fā)以便允許電流從電極54, 55流入 /出。如果柵極接觸50， 52二者或其中之一沒有被觸發(fā)，在電極54, 55之 間就沒有電流。因此，雙向器件56作為一個(gè)邏輯功率與門來操作，其中 僅當(dāng)兩個(gè)"輸入"都是有效時(shí)開關(guān)才是有源的，也就是柵極接觸50, 52 是有源的。器件56因此可以被用作功率邏輯器件，對于啟動(dòng)時(shí)和普通運(yùn) 行條件下的功率控制是特別有用的。另外，通過對故障事件的才僉測和功率 控制，可以使用器件56響應(yīng)來對故障條件進(jìn)行偵測或響應(yīng)。
現(xiàn)在參考圖6，描述了用于制造器件60的工藝，可以使用該工 藝用來加工形成器件56。將一個(gè)光致抗蝕劑層62應(yīng)用于62 III族氮化物 勢壘層16上，并將開口 64, 65形成在光致抗蝕劑層62上。開口 64, 65 具有傾斜的側(cè)壁來允許一個(gè)蝕刻工序從而將傾斜的幾何圖形轉(zhuǎn)移到III族 氮化物勢壘層16上。圖2中描述的傾斜的側(cè)壁22可以根據(jù)該工藝來形成。 典型地，III族氮化物勢壘層16由AlGaN組成，同時(shí)與光致抗蝕劑層62 和開口 64， 65 —起使用一個(gè)適當(dāng)?shù)奈g刻工藝從而確定了具有傾斜側(cè)壁的 層16中的凹槽。
歐姆接觸，肖特基接觸，絕緣層和金屬接觸的構(gòu)建根據(jù)該工藝 來執(zhí)行。另外，鈍化層和覆蓋層可以應(yīng)用在這里描述的增強(qiáng)模式晶體管中， 還應(yīng)用用于形成載流電極和柵極接觸的工藝從而提供一個(gè)完成的器件。
由于器件56包括兩個(gè)沖冊極接觸50， 52，因此產(chǎn)生的雙向開關(guān) 具有一個(gè)共享的漂移區(qū)，/人而允許器件56具有一個(gè)減小的尺寸。由于器 件56在尺寸上減小了 ，減小的開啟阻抗也可以實(shí)現(xiàn)。
典型地，用于建造器件31, 41和56的III族氮化物材料特征 上相對常規(guī)材料展示出更好的阻斷特性，因此由該材料建造的器件，在保 持運(yùn)行參數(shù)值時(shí)，相對常規(guī)材料建造的尺寸更小。由于器件31, 41和56 相對常規(guī)器件可以更小的尺寸來實(shí)現(xiàn)而執(zhí)行相當(dāng)?shù)墓δ?，所以減小的開啟 阻抗可以被實(shí)現(xiàn)來獲得改善的功率效率。
另外，電極54, 55可以由一個(gè)低阻抗歐姆接觸工序來形成， 來進(jìn)一步變更器件56的工作特性。
雖然這里描述的優(yōu)選的變更是一個(gè)形成在m族氮化物材料4冊 極下方的凹槽，但是根據(jù)本發(fā)明的器件變化可以是一個(gè)離子注入?yún)^(qū)域，一 個(gè)擴(kuò)散區(qū)域，氧化，或氮化。
同樣，在優(yōu)選的實(shí)施例中，該變更形成在III族氮化物材料的頂部。然而，依照本發(fā)明的器件可以包^"一個(gè)在III族氮化物材料底部的變更。例如，離子可以被注入到GaN層中想要得到變化的2DEG的位置， 并且然后AlGaN層可以生長在GaN層上。
現(xiàn)在參考圖7，依照一個(gè)變體，根據(jù)本發(fā)明的器件可以包括一 個(gè)離子注入?yún)^(qū)70。離子注入?yún)^(qū)70包括晶格缺陷，該缺陷用于阻斷連接結(jié) 構(gòu)和其下方的2DEG。在顯示的例子中，離子注入?yún)^(qū)70可以形成在凹槽 20下方。然而凹槽20，不是必需的。
現(xiàn)在參考圖8,在另一個(gè)變體中，柵極絕緣體42可以被忽略。
下面參考圖9,柵極絕緣體42可以被一個(gè)P型GaN層72代替。 應(yīng)當(dāng)指出的是，區(qū)域70可以被消除。還應(yīng)當(dāng)知道，參照示于圖9中變體 的器件不需要凹槽20。
下面參考圖10,在另一個(gè)變體中，P型GaN層72可以被清除， 并且代替AlGaN16中區(qū)域74的可以凈皮氧化，氮化，或者是用摻雜劑來擴(kuò) 散。同樣，該變體中的凹槽20也可以被忽略。
這種變更不必形成在AlGaN16中。相反，它可以形成在GaN14 內(nèi)部。例如，參考圖11,依照本發(fā)明的器件可以包括一個(gè)形成在柵電極40 下方GaN14中的P摻雜區(qū)域76。區(qū)域76摻雜了 P型摻雜劑。通過AlGaNl6, 標(biāo)準(zhǔn)注入和退火工序可以被用來形成區(qū)域76,或者區(qū)域76可以被形成在 GaN14內(nèi)，并且然后被另一層GaN覆蓋，然后是AlGaN。用來形成區(qū)域 76的P型摻雜劑可以是鎂，鐵，鉻，鋅，鎂或鋅，它們將會是優(yōu)選的摻雜 劑。
雖然本發(fā)明已經(jīng)描述了其中相對特殊的實(shí)施例，但是i午多其他 變化和變更以及其他應(yīng)用相對本領(lǐng)域4支術(shù)來it是顯而易見的。因此，更好 的是本發(fā)明不能由這里具體公開的內(nèi)容來限制，僅能由附加的權(quán)利要求來 限制。
權(quán)利要求
1. 一種增強(qiáng)模式III族氮化物器件，包括形成在第一III族氮化物材料和第二III族氮化物材料之間界面的導(dǎo)通溝道，這二種III族氮化物材料具有不同的平面內(nèi)晶格常數(shù)或不同的帶隙；耦合至溝道的載流電極，以承載溝道電流；耦合至溝道并且可操作的柵電極，以影響傳導(dǎo)通道從而允許或者禁止傳導(dǎo)溝道中的電流傳導(dǎo)；和形成于III族氮化物層中的一個(gè)上的變更，這樣當(dāng)柵電極不活躍的時(shí)候，界面上的傳導(dǎo)溝道被阻斷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的器件，變更形成在第一III族氮化物材料中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的器件，其中變更形成在第二III族氮化物材料中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中的柵極是一個(gè)肖特基接觸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的器件，進(jìn)一步包括柵電極和一個(gè)III族氮化物層之 間的絕緣層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中變更可以是凹槽，離子注入?yún)^(qū)域，擴(kuò) 散，氧化，或者是氮化。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5的器件，其中柵電極是導(dǎo)電材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中導(dǎo)電溝道是由二維電子氣形成的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的器件，其中的變更是一個(gè)具有傾斜邊的凹槽。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中的變更是一個(gè)具有變化濃度曲線的注 入?yún)^(qū)域。
11. 根據(jù)權(quán)利要求i的器件，其中的載流電極為一個(gè)in族氮化物層提 供歐姆接觸。
12. 根據(jù)權(quán)利要求i的器件，進(jìn)一步包括置于柵電極和一個(gè)m族氮化 物材料之間的第三in族氮化物材料。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1的器件，進(jìn)一步包括與溝道耦合的第二電流承載電極用來承載溝道電流，其中通過該溝道，電流能夠在兩個(gè)載流電極之間流動(dòng)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1的器件，進(jìn)一步包括一個(gè)與溝道耦合的第二柵電 極，用來允許或阻止溝道的導(dǎo)通。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13的器件，進(jìn)一步包括一個(gè)與溝道耦合的第二柵電 極，用來允許或阻止溝道中的電流導(dǎo)通。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的器件，其中每一個(gè)柵電極與相應(yīng)的載流電極間 隔開。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的器件，其中柵電極和栽流電極之間的間距對每 一個(gè)柵電極和相應(yīng)的載流電極來說實(shí)質(zhì)上是恒定的。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中的第一III族氮化物材料是AlGaN， 第二 III族氮化物材料是GaN。
19. 一種用于選擇性地允許電流的半導(dǎo)體器件，包括 一個(gè)襯底；一個(gè)襯底上的GaN層； 一個(gè)GaN層上的AlGaN層；一種形成在AlGaN層上的變更，用來阻斷形成在AlGaN層和GaN層 之間界面上的導(dǎo)通溝道；和一個(gè)形成在凹槽中的4冊電才及，用于控制導(dǎo)通溝道從而允許或阻止溝道 中的電流導(dǎo)通。
全文摘要
Ⅲ族氮化物開關(guān)包括一個(gè)帶凹槽的柵極接觸，來產(chǎn)生一個(gè)名義上截止的、或者是一個(gè)增強(qiáng)模式的器件。通過提供一個(gè)帶凹槽的柵極接觸，當(dāng)柵電極不活躍而阻止器件中的電流時(shí)，形成在兩個(gè)Ⅲ族氮化物材料界面上的導(dǎo)通溝道被阻斷。該柵電極可以是一個(gè)肖特基接觸或者是一個(gè)絕緣的金屬接觸。兩個(gè)柵電極可以被提供來形成一個(gè)具有名義上截止特性的雙向開關(guān)。形成在柵電極上的凹槽具有傾斜的側(cè)面。該柵電極以很多幾何形狀來形成，與器件的載流電極相連接。
文檔編號H01L29/08GK101273458SQ200580006925
公開日2008年9月24日 申請日期2005年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月23日
發(fā)明者羅伯特·比克 申請人:國際整流器公司