用于常关化合物半导体晶体管的栅极堆叠制造技术

本公开的实施例涉及一种用于常关化合物半导体晶体管的栅极堆叠。常关化合物半导体晶体管包括异质结构体和在异质结构体上的栅极堆叠。异质结构体包括源极、与源极间隔开的漏极和用于连接源极和漏极的沟道。沟道包括由于压电效应在异质结构体中出现的第一极性的第一二维电荷载流子气。栅极堆叠控制栅极堆叠下方的异质结构体区域中的沟道。栅极堆叠包括至少一种III族氮化物材料，该材料由于压电效应在栅极堆叠中或在栅极堆叠下方的异质结构体中产生与第一极性相反的第二极性的第二二维电荷载流子气。第二二维电荷载流子气使第一二维电荷载流子气中的极化电荷反向平衡，从而沟道在栅极堆叠下方被破坏。

【技术实现步骤摘要】
用于常关化合物半导体晶体管的栅极堆叠
本申请涉及化合物半导体晶体管，并且更特别地涉及常关的基于III族氮化物(III-nitride)的晶体管。
技术介绍
常规HEMT(高电子迁移率晶体管)典型地以GaN技术制作,并且通常表征为负阈值电压。也就是，即使在不向栅极电极施加任何电压以开启晶体管的情况下，电流也在器件的源极端子和漏极端子之间流动。实际上，在GaN技术中，经由源极端子和漏极端子之间的应变和极化效应，在不向栅极电极施加任何电压的情况下，自动创建薄沟道(反型层)。这样，该器件通常称为常开。HEMT的常开特征是GaN技术的内在特性，并且将GaN技术的应用范围限制为其中电源可用于生成关闭GaN器件所需的负电压的那些应用。而且，常开特征使驱动GaN晶体管所需的电路的设计复杂化。已经试图制造常关GaNHEMT，即具有正阈值电压的GaN晶体管。例如，可以在栅极电极下方形成较厚(典型地为100nm或更大)的p型掺杂GaN材料。该厚的p型GaN层使栅极电极下方的反型层耗尽，使阈值电压偏移到正值。p型GaN层必需足够厚以创建垂直电场，其使自然出现的反型沟道耗尽并使反型沟道分布在势垒层下方，势垒层典型地为AlGaN层。此外，由施加到栅极电极的电压生成的垂直电场允许反型层的开关调制。然而，与常规硅技术不同，诸如GaN的大带隙材料的掺杂并不是微不足道的。实际上，薄p型掺杂GaN层的制造需要非常复杂化的处理。而且，由于GaN层的非均匀掺杂，并且特别是由于露出GaN表面处p型掺杂剂元素的表面积累，会引起阈值电压不稳定性。此外，可以由器件耐受的最大栅极电压受pn结在栅极电极下方的存在所限制。一旦达到pn结的内建电压，大且可能有害的栅极泄漏就直接从栅极接触向源极电极和漏极电极流动。在栅极电极下方使用厚p型掺杂GaN层也限制器件的跨导，因为栅极电极进一步与反型沟道间隔开与p型GaN层的厚度对应的距离。p型掺杂GaN层产生约1V的阈值电压。
技术实现思路
根据常关化合物半导体晶体管的一个实施例，常关晶体管包括异质结构体和在异质结构体上的栅极堆叠。异质结构体包括源极、与源极间隔开的漏极以及用于连接源极和漏极的沟道。沟道包括由于压电效应在异质结构体中产生的第一极性的第一二维电荷载流子气。栅极堆叠控制异质结构体区域中的在栅极堆叠下方的沟道。栅极堆叠包括至少一种III族氮化物材料，其由于压电效应在栅极堆叠下方的异质结构体中或在栅极堆叠中产生与第一极性相反的第二极性的第二二维电荷载流子气。第二二维电荷载流子气使第一二维电荷载流子气中的极化电荷反向平衡，从而沟道在栅极堆叠下方被破坏，使晶体管呈现常关。根据制造常关化合物半导体晶体管的方法的一个实施例，该方法包括：形成异质结构体，该异质结构体包括源极、与源极间隔开的漏极和用于连接源极和漏极的沟道，该沟道包括由于压电效应在异质结构体中产生的第一极性的第一二维电荷载流子气；以及在异质结构体上形成栅极堆叠，用于控制在栅极堆叠下方的异质结构体区域中的沟道，栅极堆叠包括至少一种III族氮化物材料，其由于压电效应在栅极堆叠中或在栅极堆叠下方的异质结构体中产生与第一极性相反的第二极性的第二二维电荷载流子气，第二二维电荷载流子气使第一二维电荷载流子气中的极化电荷反向平衡，从而沟道在栅极堆叠下方被破坏。通过阅读下面的详细描述并且通过查看附图，本领域技术人员将认识到附加特征和优势。附图说明附图中的组件不一定按比例绘制，相反强调的是图示本专利技术的原理。此外，在附图中，类似的参考标号标示对应的部分。在附图中：图1图示了常关化合物半导体晶体管的一个实施例的局部截面图；图2图示了常关化合物半导体晶体管的另一实施例的局部截面图；图3图示了常关化合物半导体晶体管的又一实施例的局部截面图；图4图示了常关化合物半导体晶体管的又一实施例的局部截面图；图5A至图5E图示了根据一个实施例的制造常关化合物半导体晶体管的方法的不同阶段期间半导体结构的相应局部截面图；图6A至图6E图示了根据另一实施例的制造常关化合物半导体晶体管的方法的不同阶段期间半导体结构的相应局部截面图。具体实施方式根据本文中描述的一些实施例，提供一种化合物半导体晶体管具有导电沟道反型区域，该导电沟道反型区域由于压电效应自动地出现在异质结构体中。同样由于压电效应，通过生成与沟道区域相反的极性的第二反型区域，使化合物半导体晶体管常关。第二反型区域使沟道反型区域中的极化电荷反向平衡，从而在晶体管的栅极堆叠下方沟道区域被破坏。例如，在具有电子气反型区域作为沟道的nMOS型GaNHEMT的情况下，通过压电效应在栅极堆叠下方的异质结构体中或在栅极堆叠中形成空穴气反型区域，以使栅极堆叠之下的异质结构体区域中的沟道耗尽并实现常关器件。通过使两个反型层的极性反转，该构思可以适用于nMOS型GaN器件和pMOS型GaN器件两者。这样的化合物半导体晶体管具有可调谐阈值电压(通过变化栅极堆叠的厚度和/或分子含量)、高电流驱动能力和高跨导(由于与具有厚的p型栅极结构的常规常关GaNHEMT相比更薄的栅极堆叠)。术语HEMT通常也称为HFET(异质结构场效应晶体管)、MODFET(调制掺杂FET)和MESFET(金属半导体场效应晶体管)。术语HEMT、HFET、MESFET和MODFET本文中可互换使用，以指代在具有不同带隙的两种材料之间引入结(即异质结)作为沟道的任何基于III族氮化物的化合物半导体晶体管。例如，GaN可以与AlGaN或InGaN结合以形成作为沟道的电子气反型区域。化合物半导体器件可以具有AlInN/AlN/GaN势垒/间隔物/缓冲层结构。通常，常关化合物半导体晶体管可以使用任意合适的诸如GaN之类的III族氮化物技术来实现，III族氮化物技术由于压电效应允许形成相反极性反型区域。特别是关于GaN技术，由于压电效应而在基于GaN的异质结构体中存在极性电荷和应变效应，这在以非常高载流子密度和载流子迁移率为特征的异质结构体中产生二维电荷载流子气。这样的二维电荷载流子气诸如2DEG(二维电子气)或2DHG(二维空穴气)在例如GaN合金势垒区域和GaN缓存区域之间的界面附近形成HEMT的导电沟道。可以在GaN缓存区域和GaN合金势垒区域之间提供薄的例如1-2nm的AlN层，以使合金散射最小化并增强2DEG迁移率。在广义上讲，本文中描述的化合物半导体晶体管可以由任意二元、三元或四元III族氮化物化合物半导体材料形成，其中压电效应导致器件概念。图1图示了实现为nMOS型HEMT的常关化合物半导体晶体管的一个实施例的局部截面图。NMOS型HEMT包括异质结构体100，其具有源极(S)、与源极间隔开的漏极(D)以及用于连接源极和漏极的沟道102。根据该实施例，异质结构体100包括在GaN104上的AlGaN106。本文中使用的术语“AlGaN”指代通用化学成分AlxGa1-xN。由于压电效应，在异质结构体100的AlGaN106和GaN104之间的界面附近出现二维电子气(2DEG)，形成nMOS型HEMT的导电沟道102。更具体而言，AlGaN106的总极化比下置的驰豫GaN104的总极化强。两个层104、106的负自发极化和拉伸应变下的负压电极化沿着[0001]轴从氮原子指向最近的镓原本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种常关化合物半导体晶体管，包括：异质结构体，包括源极、与所述源极间隔开的漏极和用于连接所述源极和所述漏极的沟道，所述沟道包括由于压电效应在所述异质结构体中出现的第一极性的第一二维电荷载流子气；以及在所述异质结构体上的栅极堆叠，用于控制所述栅极堆叠下方的异质结构体区域中的沟道，所述栅极堆叠包括至少一种III族氮化物材料，所述至少一种III族氮化物材料由于压电效应在所述栅极堆叠中或在所述栅极堆叠下方的异质结构体中产生与所述第一极性相反的第二极性的第二二维电荷载流子气，所述第二二维电荷载流子气使所述第一二维电荷载流子气中的极化电荷反向平衡，从而所述沟道在所述栅极堆叠下方被破坏。

【技术特征摘要】
2013.06.19 US 13/921,6301.一种常关化合物半导体晶体管，包括：异质结构体，包括源极、与所述源极间隔开的漏极和用于连接所述源极和所述漏极的沟道，所述沟道包括由于压电效应在所述异质结构体中出现的第一极性的第一二维电荷载流子气；以及在所述异质结构体上的栅极堆叠，用于控制所述栅极堆叠下方的异质结构体区域中的沟道，所述栅极堆叠包括至少一种III族氮化物材料，所述至少一种III族氮化物材料由于压电效应在所述栅极堆叠中或在所述栅极堆叠下方的异质结构体中产生与所述第一极性相反的第二极性的第二二维电荷载流子气，所述第二二维电荷载流子气使所述第一二维电荷载流子气中的极化电荷反向平衡，从而在缺乏施加至所述栅极堆叠的栅极电压的情形下，所述沟道在所述栅极堆叠下方被破坏，其中所述第二二维电荷载流子气与所述源极和所述漏极间隔开，并且与所述源极和所述漏极在电学上断开，其中所述异质结构体包括GaN缓存区和在所述GaN缓存区上的GaN合金势垒区，其中所述GaN缓存区、所述GaN合金势垒和所述栅极堆叠的所述至少一种III族氮化物是平面的；其中所述栅极堆叠不具有P型掺杂的III族氮化物材料。2.根据权利要求1所述的常关化合物半导体晶体管，其中所述栅极堆叠包括具有不同带隙的至少两种III族氮化物材料，所述至少两种III族氮化物材料在所述栅极堆叠中产生所述第二二维电荷载流子气。3.根据权利要求2所述的常关化合物半导体晶体管，其中所述栅极堆叠的所述至少两种III族氮化物材料的总厚度在100nm至10nm的范围内。4.根据权利要求3所述的常关化合物半导体晶体管，其中所述栅极堆叠的所述至少两种III族氮化物材料的所述总厚度在10nm到30nm的范围内。5.根据权利要求1所述的常关化合物半导体晶体管，其中所述栅极堆叠还包括在所述至少一种III族氮化物材料上的金属。6.根据权利要求5所述的常关化合物半导体晶体管，其中所述栅极堆叠还包括插入在所述金属与所述至少一种III族氮化物材料之间的氧化物。7.根据权利要求1所述的常关化合物半导体晶体管，其中所述GaN合金势垒区包括在所述GaN缓存区上的AlGaN，所述第一二维电荷载流子气是在所述AlGaN势垒区和事所述GaN缓存区之间的界面附近出现的二维电子气，所述栅极堆叠包括在所述AlGaN缓存区上的GaN和在所述栅极堆叠的GaN上的InGaN，并且所...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·库拉托拉，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT