常关型高电子迁移率晶体管制造技术

本实用新型专利技术涉及一种常关型高电子迁移率晶体管，包括：异质结构，异质结构包括沟道层和沟道层上的势垒层；异质结构中的2DEG层；与势垒层的第一区域接触的绝缘层；以及穿过绝缘层的整个厚度的栅极电极，栅极电极终止于与势垒层的第二区域接触。势垒层和绝缘层具有晶格常数的失配(“晶格失配”)，晶格常数的失配仅在势垒层的第一区域中生成机械应力，引起在位于势垒层的第一区域下方的二维传导沟道的第一部分中的第一电子浓度，第一电子浓度大于位于势垒层的第二区域下方的二维传导沟道的第二部分中的第二电子浓度。

High Electron Mobility Transistor

【技术实现步骤摘要】
常关型高电子迁移率晶体管
本公开涉及常关型高电子迁移率场效应晶体管(“高电子迁移率晶体管”或HEMT)以及用于制造HEMT晶体管的方法。具体地，本公开涉及并入氧化镍的外延层的常关型HEMT晶体管。
技术介绍
已知基于在异质结处(即，在具有不同带隙的半导体材料之间的界面处)的高迁移率二维电子气(2DEG)层的形成的高电子迁移率场效应晶体管(“高电子迁移率晶体管”或HEMT)。例如，已知基于氮化铝镓(AlGaN)层和氮化镓(GaN)层之间的异质结的HEMT晶体管。基于AlGaN/GaN异质结的HEMT晶体管提供了许多优点，这使得它们特别适合并广泛用于各种应用。例如，HEMT晶体管用于高性能功率开关的高击穿阈值；传导沟道中电子的高迁移率使得能够制造高频放大器；此外，2DEG中的高浓度电子提供低导通电阻(RON)。由于氮化镓衬底的高成本，通常通过在硅衬底上生长AlGaN和GaN层来制造基于AlGaN/GaN异质结的HEMT晶体管。因此，由此制成的HEMT晶体管是平面型的；即，它们具有在平行于衬底的平面上排列的源极电极、栅极电极和漏极电极。为了便于在高功率应用中使用HEMT晶体管，引入了常关型沟道HEMT晶体管。用于生产常关型HEMT晶体管的已知解决方案在于使用凹入式栅极端子。在WantaeLimetal.,“NormallyOffOperationofRecessedGateAlGaN/GaNHFETsforHighPowerApplications”,Electrochem.SolidStateLett.2011,volume14,issue5,H205H207中已知该类型器件的一个示例。然而，该解决方案由于在栅极区域下方的区域中的低电子迁移率而具有缺陷，并且由于栅极区域和漏极区域之间的高电场引起可能的击穿，使得栅极电介质的可靠性差。另一常关型HEMT晶体管是所谓的“p型GaN”栅极晶体管，其中栅极区域包括在p型GaN区域上延伸的栅极电极。该解决方案具有诸如从栅极区域观察到的高薄层电阻的缺陷，并且需要将施加到栅极电极的电压限制在低于6V的值的缺陷。因此，已认为有必要提供克服上述问题中的至少一些的常关型HEMT晶体管。
技术实现思路
为了解决现有技术的问题，本技术提出一种常关型HEMT晶体管，使得可以在不降低栅极区域下方的迁移率的情况下并且在不受栅极区域中存在泄漏电流的性能限制的情况下，提供常关型晶体管条件。根据本公开的一个方面，常关型HEMT晶体管包括：包括半导体沟道层和沟道层上的半导体势垒层的半导体异质结构；异质结构内的二维传导沟道；与势垒层的第一区域接触的绝缘层；以及延伸穿过绝缘层的整个厚度的栅极电极，栅极电极终止于与势垒层的第二区域接触。势垒层和绝缘层具有晶格常数的失配(“晶格失配”)，晶格常数的失配在势垒层的第一区域中生成机械应力，引起位于势垒层的第一区域下方的在二维传导沟道的第一部分中的第一电子浓度，该第一电子浓度大于位于势垒层的第二区域下方的二维传导沟道的第二部分中的第二电子浓度。根据某些实施例，所述二维传导沟道的所述第二电子浓度基本上为零。根据某些实施例，所述异质结构被配置为使得在没有所述外延绝缘层的情况下，不形成二维传导沟道。根据某些实施例，所述沟道层和所述势垒层由相应化合物材料制成，所述化合物材料包括III-V族元素，并且其中所述外延绝缘层由使得所述外延绝缘层和所述势垒层之间的所述晶格失配处在1％至20％的范围内的材料制成。根据某些实施例，所述外延绝缘层由氧化镍制成，并且其中所述势垒层由氮化铝镓制成，所述势垒层具有处在5％至20％的范围内的铝的摩尔浓度，并且所述势垒层具有5nm至30nm范围内的厚度。根据某些实施例，所述栅极电极包括栅极电介质和栅极金属化物，所述栅极电介质与所述势垒层的所述第二区域接触，而不产生将形成所述二维传导沟道的机械应力。根据某些实施例，所述的常关型HEMT晶体管还包括：源极电极，在所述栅极电极的第一侧上延伸穿过所述绝缘层和所述势垒层的整个厚度，终止于所述势垒层和所述沟道层之间的界面处；以及漏极电极，在所述栅极电极的第二侧上延伸穿过所述绝缘层和所述势垒层的整个厚度，并终止于所述势垒层和所述沟道层之间的所述界面处，所述栅极电极的所述第二侧与所述栅极电极的所述第一侧相对。根据某些实施例，所述的常关型HEMT晶体管还包括：在所述沟道层下方延伸的缓冲层，所述缓冲层包括被配置为生成陷阱态的杂质，所述陷阱态促进从所述缓冲层发射空穴，由此在所述缓冲层内形成负电荷层；在所述缓冲层和所述沟道层之间延伸的P型掺杂半导体材料的空穴提供层；源极电极，在所述栅极电极的第一侧上延伸并且与所述空穴提供层直接电接触；以及漏极电极，在所述栅极电极的第二侧上延伸穿过所述绝缘层的整个厚度并穿过所述势垒层，并终止于所述势垒层和所述沟道层之间的界面处，所述栅极电极的所述第二侧与所述栅极电极的所述第一侧相对。本技术提出的一种常关型HEMT晶体管使得可以在不降低栅极区域下方的迁移率的情况下并且在不受栅极区域中存在泄漏电流的性能限制的情况下，提供常关型晶体管条件。附图说明为了更易于理解本公开，现在将参考附图、纯粹通过非限制性示例来描述本技术的优选实施例，其中：图1以截面图示出了根据本公开的一个实施例的HEMT晶体管；图2以截面图示出了根据本公开的另一实施例的HEMT晶体管；图3以截面图示出了根据本公开的又一实施例的HEMT晶体管；图4示出了根据图1-图3中所示的任何实施例的HEMT晶体管的相应区域中2DEG层中的电子浓度的变化；以及图5A至图5F示出了制造图1的HEMT晶体管的步骤。具体实施方式图1示出了在具有彼此正交的轴线X、Y、Z的三轴线系统中的常关型HEMT器件1，HEMT器件1包括：由例如硅或碳化硅(SiC)或蓝宝石(Al2O3)制成的衬底2；本征氮化镓(GaN)的沟道层4，沟道层4在衬底2之上延伸并具有在约1μm至5μm范围内的厚度；本征氮化铝镓(AlGaN)的势垒层6，或者更一般地，基于氮化镓的三元或四元合金(例如，AlxGa1-xN、AlInGaN、InxGa1-xN、AlxIn1-xAl)的化合物的势垒层6，势垒层6在沟道层4上延伸并具有在约5nm至30nm范围内的厚度tb；电介质材料(例如，氧化镍(NiO))的绝缘层7，绝缘层7在势垒层6的上侧6a上延伸；以及延伸到源极区域10和漏极区域12之间的绝缘层7中的栅极区域8。沟道层4和势垒层6形成异质结构3。衬底2、沟道层4和势垒层6在下文中由术语“半导体本体”5整体表示。异质结构3因此在沟道层4的下侧4a(是与下层衬底2的界面的一部分)以及势垒层6的上侧6a之间延伸。沟道层4和势垒层6通常由这样的材料制成，即，当如图1所示耦合在一起时，它们形成允许形成区域13或二维气体(2DEG)层的异质结。栅极区域8通过绝缘层7的相应部分与源极区域10和漏极区域12横向(即，沿X)分离。栅极区域8为凹型；即，栅极区域8延伸穿过绝缘层7的深度，以到达势垒层6。换言之，栅极区域8形成在被挖掘而穿过绝缘层7的沟槽9中；可选地，沟槽9延伸穿过势垒层6的一部分并终止于势垒层6内。可选地，根据另一实施例，沟槽9完全延伸穿过势垒层6的一部分。栅极电介质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种常关型高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括：半导体异质结构，包括半导体沟道层以及在所述沟道层上的半导体势垒层；所述异质结构内的二维传导沟道；与所述势垒层的第一区域接触的外延绝缘层；以及延伸穿过所述外延绝缘层的整个厚度的栅极电极，所述栅极电极终止于与所述势垒层的第二区域接触，其中所述势垒层和所述外延绝缘层具有晶格常数的失配，所述晶格常数的失配在所述势垒层的所述第一区域中生成机械应力，引起在位于所述势垒层的所述第一区域下方的所述二维传导沟道的第一部分中的第一电子浓度，所述第一电子浓度大于位于所述势垒层的所述第二区域下方的所述二维传导沟道的第二部分中的第二电子浓度。

【技术特征摘要】
2017.06.09 IT 1020170000641471.一种常关型高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括：半导体异质结构，包括半导体沟道层以及在所述沟道层上的半导体势垒层；所述异质结构内的二维传导沟道；与所述势垒层的第一区域接触的外延绝缘层；以及延伸穿过所述外延绝缘层的整个厚度的栅极电极，所述栅极电极终止于与所述势垒层的第二区域接触，其中所述势垒层和所述外延绝缘层具有晶格常数的失配，所述晶格常数的失配在所述势垒层的所述第一区域中生成机械应力，引起在位于所述势垒层的所述第一区域下方的所述二维传导沟道的第一部分中的第一电子浓度，所述第一电子浓度大于位于所述势垒层的所述第二区域下方的所述二维传导沟道的第二部分中的第二电子浓度。2.根据权利要求1所述的常关型高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述二维传导沟道的所述第二电子浓度为零。3.根据权利要求1所述的常关型高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述异质结构被配置为使得在没有所述外延绝缘层的情况下，不形成二维传导沟道。4.根据权利要求1所述的常关型高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述沟道层和所述势垒层由相应化合物材料制成，所述化合物材料包括III-V族元素，并且其中所述外延绝缘层由使得所述外延绝缘层和所述势垒层之间的所述晶格常数的失配处在1％至20％的范围内的材料制成。5.根据权利要求1所述的常关型高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·尤克拉诺，G·格雷克，F·罗卡福尔特，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：新型
国别省市：意大利,IT