第III族氮化物常关晶体管的层结构制造技术

技术编号:12424013 阅读:21 留言:0更新日期:2015-12-03 09:58
常关晶体管的层结构(100),其包括由第III族氮化物材料制成的供电子层(910)、由第III族氮化物材料制成的背势垒层(906)、在供电子层(910)和背势垒层(906)之间由具有比其他所述层的带隙能更低的带隙能的第III族氮化物材料制成的沟道层(908)。背势垒层(906)的材料具有p型导电性,而供电子层(910)的材料和沟道层(908)的材料则不具有p型导电性,供电子层(910)的带隙能小于背势垒层(906)的带隙能;在不施加外加电压的情况下,在沟道层(908)中第三第III族氮化物材料导带下边沿在能量上高于沟道层(908)中的材料的费米能级。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及常关晶体管的第III族氮化物层结构。本专利技术还涉及在基底上包括层 结构的晶片,涉及常关晶体管,特别是高电子迀移率晶体管(HEMT),及涉及集成电路。
技术介绍
针对大功率开关应用,有人广泛地研究了第III族氮化物异质结场效应晶体管 (HFETs)。大多数报道的HFETs是常开型AlGaN/GaN HFETs,其优点是由固有极化电场产生 的固有的高的载流子面密度。 然而,常开HFETs无法用于实际的功率开关应用,其中安全关闭运行是主要的关 切。因此,在这些应用中,目前唯独使用Si基功率MOSFETs/IGBTs。 常关运行,即栅源电压为OV或者更一般而言栅源电压低于阈值电压值时的关 状态的晶体管运行,对于AlGaN/GaN HFETs是特别期望的。同时期望获得晶体管的低 的开状态电阻。为了符合这些要求,需要降低在栅压〈0V的栅下方的沟道中的二维电 子气(2DEG)密度。因为2DEG是由在GaN和AlGaN层之间在异质界面处极化诱发的 固定电荷的不同造成的,减少Al摩尔分数或AlGaN的厚度有效地减少这些载流子,并 由此使开状态运行的阈值电压Vth向着正方向漂移。该方法报道于文献M.A.Khan,Q. Chen, C. J. Sun, J. ff. Yang, M. Blasingame, M. S. Shur, and H. Park, "Enhancement and depletion mode GaN/AlGaN heterostructure field effect transistors^AppI. Phys. Lett, vol. 68, no. 4, 514-516 (1996),下面称作Khan等人。该方法可以产生常关运行。然而, 产生的漏电流非常小,因为可用的正栅压受到在GaN/AlGaN异质界面处比较低的势皇高度 连同高薄层电阻的限制。因此,该方法限制了所期望的开状态电阻的降低。该方法也缺少 典型地以高的正电压驱动栅的能力。替代性地,驱动电压典型地被限制到小于2V。Khan等 人描述了一种器件,其特征在于阈值电压Vth〈50mV的非常薄的AlGaN势皇层。 在过去几年有人公布了设计常关HEMTs的若干不同方法。在Kumar V,Kuliev A,Tanaka T,Otoki Υ, Adesida I. , "High transconductance enhancement mode AlGaN/ GaN HEMTs on SiC substrate",Electron Lett. 2003 ;39 (24) :1758-60 中找到一种结构。 作者针对凹栅器件报道了 Vth = 75mV。 Cai 等人在 Cai Y, Zhou Y, Chen K, Lau K.,"High-performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasma treatment',, IEEE Elec Dev Lett. 2005 ; 26(7) :435-7中依赖基于氟化物的等离子体处理以实现阈值电压Vth = 900mV。虽然后一 方法可以提供常关器件,但是稳定性关切以及由于凹槽蚀刻或F离子处理在高电压和高温 下运行时导致的器件性能的损害将该方法限制到仅研发工作。 由 Mizutani 等人在 Mizutani T, Ito M, Kishimoto S, Nakamura F.,"AlGaN/ GaN HEMTs with thin InGaN cap layer for normally off operation',,IEEE Elec Dev Lett. 2007 ;28 (7) :549-51中建议的更加新近的方法使用薄的InGaN盖层,其升高导带,由 此实现常关运行。虽然善于获得正的阈值电压,但是仍然要求在栅极接点和漏极接点之间 用于降低开状态电阻的凹槽蚀刻的可靠性是该方法的主要问题。 由于在获得基于氮化物的常关HEMTs中的固有困难,常开HEMT也可以用于与Si FET的栅地阴地放大器配置,从而制成常关器件(US 8, 084, 783)。该方法可以实现阈值电 压最高为4V的常关GaN HEMT,但是也受到额外的芯片集成的困扰,并且依赖Si FET的缓慢 内体(slow internal body)。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面,常关晶体管的第III族氮化物层结构包括 -由至少一种具有第一带隙能的第一第III族氮化物材料制成的供电子层; -由至少一种具有第二带隙能的第二第III族氮化物材料制成的背势皇层; -位于供电子层和背势皇层之间并且由具有低于第一和第二带隙能的第三带隙能 的第三第III族氮化物材料制成的沟道层,其中 -背势皇层的第二第III族氮化物材料具有P型导电性,而供电子层的第一第III 族氮化物材料和沟道层的第三第III族材料不具有P型导电性, -供电子层的第一第III族氮化物材料的第一带隙能小于背势皇层的第二第III 族氮化物材料的第二带隙能。 第III族氮化物层结构下面简写为层结构。 在本申请请求保护的该层结构的实施方案中,在不将外加电压施加至该层结构的 情况下,沟道层中第三第III族氮化物材料的导带下边沿在能量上高于沟道层中第三第 III族氮化物材料的费米能级。 该层结构可以通过比较简单的方法制造。具体而言,本专利技术的层结构允许由根据 优选的实施方案的该层结构制造常关(也称作e模式)晶体管,其器件性能在若干关键参 数上是优越的,并且具有独特的高的在片器件产率。 -个重要的优点是,该层结构允许制造实施方案,其是具有无凹槽的设计的常关 晶体管。这是一个重要的优点,因为基于本专利技术的层结构实现了在制造该层结构之后常关 晶体管的定型加工的明显简化。这又允许大幅降低该晶体管实施方案的成本。 这些优点是在优选的晶体管实施方案中实现的,其利用了本专利技术的层结构的有利 的性质。具体而言,通过避免在使用该层结构的晶体管结构中电子电流损失的双异质结构 设计,本专利技术的层结构实现了非常好的将载流子限制在沟道层。 该效应是通过该层结构的特征的组合实现的。具体而言,本专利技术的层结构利用p 型背势皇层,其在沟道层中在主沟道区下方产生固有的空穴产生的电场,以使导带下边沿 上升而高于费米能级。此外,具有比供电子层更宽的带隙的背势皇层支持该效应。因此,通 过将至少一种第二第III族氮化物材料插入包含具有比供电子层的第一第III族氮化物材 料更高的能量值的能带隙的背势皇层中,此外通过提供背势皇层作为P型层,发现沟道层 的导带下边沿整体处于比费米能级更高的能量值。因此,因为P型掺杂的背势皇层升高了 晶体管结构的主2DEG区处的导带下边沿,所得的器件阈值电压具有正值。 本专利技术的层结构同时实现了良好的导电性调制性质。这一新概念还能够在用该层 结构制成的晶体管中将常关运行和大电流驱动能力相结合,通过施加比较高的正栅压,同 时获得小的栅电流。本专利技术的第III族氮化物层结构还允许获得大的漏电流。 在沟道层下方具有GaN缓冲层的已知的HEMTs中将电子限制到底侧是不充分的, 这即使在小的漏电压和本文档来自技高网
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【技术保护点】
常关晶体管的第III族氮化物层结构,该层结构包括‑由至少一种具有第一带隙能的第一第III族氮化物材料制成的供电子层;‑由至少一种具有第二带隙能的第二第III族氮化物材料制成的背势垒层;‑位于所述供电子层和所述背势垒层之间并且由具有比第一和第二带隙能更低的第三带隙能的第三第III族氮化物材料制成的沟道层,其中‑所述背势垒层的第二第III族氮化物材料具有p型导电性,而所述供电子层的第一第III族氮化物材料和所述沟道层的第三第III族材料则不具有p型导电性,‑所述供电子层的第一第III族氮化物材料的第一带隙能小于所述背势垒层的第二第III族氮化物材料的第二带隙能;其中‑在不将外加电压施加至所述层结构的情况下,所述沟道层中第三第III族氮化物材料的导带下边沿在能量上高于所述沟道层中第三第III族氮化物材料的费米能级。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员:S·吕特根S·穆拉德
申请(专利权)人:阿聚尔斯佩西太阳能有限责任公司
类型:发明
国别省市:德国;DE

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