專利名稱：具有改進(jìn)柵極特性的增強(qiáng)型氮化鎵晶體管的制作方法
具有改進(jìn)柵極特性的增強(qiáng)型氮化鎵晶體管
背景技術(shù)：
近期研發(fā)了增強(qiáng)型氮化鎵(GaN)晶體管。在GaN晶體管中，在鋁鎵氮(AWaN)/GaN 結(jié)構(gòu)的頂部上生長P-型GaN(PGaN)柵極以便產(chǎn)生正的閾值電壓。但是，已知的pGaN柵極結(jié)構(gòu)不具有最佳的厚度，如果PGaN結(jié)構(gòu)過厚則可導(dǎo)致電介質(zhì)失效，或者如果pGaN柵極結(jié)構(gòu)過薄則可導(dǎo)致電流的過電導(dǎo)(over-conductance)現(xiàn)象。圖1示出已知GaN晶體管1的橫斷面。GaN晶體管1具有位于無摻雜的GaN層6 頂部上的AKiaN層5，在這兩層之間具有二維電子氣QDEG)異質(zhì)結(jié)9。源極2、漏極3以及柵極4位于AlGaN層5上。柵極4具有在柵極金屬4和AlGaN層5之間的pGaN結(jié)構(gòu)7。電介質(zhì)8覆蓋被暴露的AlGaN層以及柵極4和pGaN結(jié)構(gòu)7的側(cè)壁。pGaN結(jié)構(gòu)7具有厚度t。 柵極電介質(zhì)7由柵極4和AWaN層5之間的側(cè)壁確定。二維電子氣異質(zhì)結(jié)9由柵極4調(diào)制。圖2示出圖1所示的已知GaN晶體管1的電路圖。圖2示出電介質(zhì)8與柵極二級管是并聯(lián)的。應(yīng)該理解，在此使用的附圖標(biāo)記適用于圖1和圖2。圖3示出柵極的跨導(dǎo)(輸入電壓對輸出電流)隨著具有不同厚度t的pGaN結(jié)構(gòu)如何變化。當(dāng)PGaN厚度t增加時，跨導(dǎo)降低并且柵極二級管的正向壓降增加。具體的，圖 3示出具有厚度為300埃的pGaN結(jié)構(gòu)的柵極跨導(dǎo)大于具有厚度為600埃的pGaN結(jié)構(gòu)的柵極跨導(dǎo)，具有厚度為600埃的pGaN結(jié)構(gòu)的柵極跨導(dǎo)大于具有厚度為1000埃的pGaN結(jié)構(gòu)的柵極跨導(dǎo)。需要更高的柵極電壓來充分增強(qiáng)具有較厚PGaN結(jié)構(gòu)的器件。如果在器件充分增強(qiáng)之前，柵極電介質(zhì)失效，則不能夠獲得器件的最佳性能。所有已知的增強(qiáng)型GaN晶體管包括具有厚度至少為1000埃的pGaN結(jié)構(gòu)的柵極。 例如，X. Hu等人的“具有選擇生長的pn結(jié)柵極的增強(qiáng)型AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管 (Enhancement mode AIGaN/GaN HFET with selectively grown pn junction gate)36 電子學(xué)報(bào)(Electron ic Letters)，第 8 期，第 753- 頁(2000 年 4 月 13 日)教導(dǎo)了 1000 埃的PGaN結(jié)構(gòu)。此外，公開號為2006/0273347的美國專利申請教導(dǎo)了具有1000埃厚度的 pGaN結(jié)構(gòu)。但是，如下所述，pGaN厚度大于或等于1000埃會導(dǎo)致電介質(zhì)失效。圖5示出具有厚度t為1000埃的pGaN結(jié)構(gòu)的柵極的I_V特性。圖5中的數(shù)據(jù)示出當(dāng)將8V-12V的電壓施加到柵極時，具有厚度t為1000埃的pGaN結(jié)構(gòu)的柵極失效。因?yàn)闁艠O的表現(xiàn)類似于電介質(zhì)，因此對于PGaN結(jié)構(gòu)而言，1000埃的厚度太厚。電介質(zhì)失效是災(zāi)難性的，且可在二維電子氣異質(zhì)結(jié)充分增強(qiáng)之前發(fā)生或在快速開關(guān)切換的過程中由于柵極過沖(如下所示)而發(fā)生。圖6示出具有厚度t為1000埃的pGaN結(jié)構(gòu)的柵極的I_V特性。從圖3中的曲線圖可見，具有厚度t為1000埃的PGaN結(jié)構(gòu)的柵極在6伏時不能被完全導(dǎo)通，這就增加了電介質(zhì)失效的危險(xiǎn)。圖7示出與柵極相關(guān)聯(lián)的過沖。從曲線圖中可見，電壓波動在所示最高開關(guān)切換速度下是最高的。如果柵極的閾值電壓與電介質(zhì)的耐受電壓接近，則由于可超過耐受電壓水平的柵極過沖，電介質(zhì)將很可能被破壞。具有比耐受電壓低很多的厚度t的pGaN結(jié)構(gòu)的柵極不大可能受到柵極過沖的負(fù)面影響，因?yàn)槭┘右员慵せ顤艠O的電壓將不接近耐受電壓，也就意味著柵極過沖不太可能達(dá)到或超過耐受電壓。從前述可以明了，1000埃對于增強(qiáng)型GaN晶體管中的pGaN柵極結(jié)構(gòu)過厚。因此希望提供一種增強(qiáng)型GaN晶體管，具有足夠薄以避免電介質(zhì)失效的pGaN柵極。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種具有足夠薄以避免電介質(zhì)失效的PGaN柵極結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型GaN 晶體管。在一個實(shí)施例中，對于5V柵極電壓的應(yīng)用而言，該厚度在400埃到900埃的范圍內(nèi)。在優(yōu)選實(shí)施例中，該厚度為600埃。這些厚度足夠厚以避免電流的過電導(dǎo) (over-conductance)0


圖1是增強(qiáng)型GaN晶體管的橫斷面視圖。圖2是增強(qiáng)型GaN晶體管的電路圖。圖3是示出對于柵極而言，跨導(dǎo)隨著厚度變化而如何變化的曲線圖。圖4是示出具有不同厚度柵極的器件的柵極P-N結(jié)I-V特性的曲線圖。圖5示出具有厚度t為1000埃的pGaN結(jié)構(gòu)的柵極的柵極P-N結(jié)I-V特性。圖6是示出具有厚度t為1000埃的pGaN結(jié)構(gòu)與具有厚度t為600埃的結(jié)構(gòu)的柵極P-N結(jié)I-V特性的曲線圖，該曲線圖示出具有1000埃柵極的器件在6V時未被導(dǎo)通(從而允許電流流動)，這使得電介質(zhì)失效的危險(xiǎn)增加。圖7是示出與現(xiàn)有技術(shù)柵極相關(guān)聯(lián)的過沖的曲線圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及具有厚度在400埃至900埃范圍內(nèi)的pGaN結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型GaN晶體管。 該范圍足夠薄以避免電介質(zhì)失效。如下所述，該范圍也足夠厚以避免與PGaN柵極過薄相關(guān)的問題。在優(yōu)選實(shí)施例中，PGaN柵極厚度為600埃。pGaN柵極結(jié)構(gòu)是摻雜鎂的并且激活成P-型導(dǎo)電性。在一個實(shí)施例中，所述pGaN 柵極結(jié)構(gòu)是摻雜鎂的且用氫補(bǔ)償?shù)陌虢^緣GaN。如圖4中所示，具有厚度為600埃的pGaN結(jié)構(gòu)的柵極足夠厚以便傳導(dǎo)可測量的電流量。圖4還示出在施加任意量的正壓或負(fù)壓的情況下，具有厚度t為300埃的pGaN結(jié)構(gòu)的柵極傳導(dǎo)不可測量的電流量。因此，300埃的厚度對于pGaN結(jié)構(gòu)而言過薄。如圖6中所示，具有厚度為600埃的pGaN結(jié)構(gòu)的柵極在電介質(zhì)發(fā)生失效之前被導(dǎo)通，因此避免了電介質(zhì)失效。在具有厚度為600埃的pGaN結(jié)構(gòu)的柵極的情況下，電介質(zhì)失效不大可能，因?yàn)闁艠O在比電介質(zhì)的耐受電壓低很多的電壓下導(dǎo)通，也就意味著柵極過沖不太可能使柵極電壓接近耐受電壓。上述柵極厚度和測量涉及在5V額定柵極電壓下工作的器件。顯然，在較低的額定柵極電壓下，PGaN結(jié)構(gòu)的厚度將相應(yīng)減小。上述說明和附圖僅僅被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)本文所述特征和優(yōu)勢的本發(fā)明特定實(shí)例的示例性說明?？蓪唧w的工藝條件進(jìn)行改變和替換。因此，不應(yīng)該認(rèn)為本發(fā)明受到前述說明和附圖的限制。
權(quán)利要求
1.一種增強(qiáng)型GaN晶體管，具有厚度為400埃至900埃的pGaN柵極結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)型GaN晶體管，其中所述pGaN柵極的厚度為600埃。
3.一種增強(qiáng)型GaN晶體管，具有厚度為系數(shù)AX GOO埃至900埃)的pGaN柵極結(jié)構(gòu)， 其中系數(shù)A等于額定柵極電壓/5V的比率。
全文摘要
一種增強(qiáng)型GaN晶體管，具有避免電介質(zhì)失效的厚度的柵極pGaN結(jié)構(gòu)。在一個實(shí)施例中，該厚度在400埃到900埃的范圍內(nèi)。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，該厚度為600埃。
文檔編號H01L21/337GK102388443SQ201080015436
公開日2012年3月21日 申請日期2010年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月8日
發(fā)明者亞力山大·利道, 曹建軍, 羅伯特·比奇, 趙廣元, 阿蘭娜·納卡塔 申請人:宜普電源轉(zhuǎn)換公司