HEMT器件包括III族氮化物材料衬底，所述III族氮化物材料衬底的表面沿着与III族氮化物材料的C-面不平行的平面；在所述衬底上生长的III族氮化物材料的外延层；在所述外延层中蚀刻的凹槽，其具有与III族氮化物材料的极性平面平行的至少一个平面壁；在凹槽的一部分平面壁上形成的载流子供应层，使得沿凹槽的所述部分平面壁形成2DEG区；在所述外延层的表面处形成的掺杂源区使得所述掺杂源区与所述2DEG区被外延层的沟道区隔开；在外延层的沟道区上形成的栅极绝缘层；和在栅极绝缘层上形成的栅极接触层。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】HEMT器件和方法相关串请本申请要求于2013年7月15日提交的美国申请系列号61/846，489的优先权并要求保护该申请的权益，该申请的全部内容通过弓I用并入本文中。本申请还要求于2014年7月11日提交的美国申请系列号14/329，745的优先权并要求保护该申请的权益，该申请的全部内容通过引用合并于本文中。
本技术总体上涉及具有利用二维电子气(2DEG)操作的元件的集成电路或器件，并且特别地涉及利用2DEG操作的III族氮化物高电压垂直HEMTS。本技术提出了具有垂直形成的二维电子气的垂直III族氮化物半导体器件。术语“HEMT”是指高电子迀移率晶体管器件。
技术介绍
在已知的用于电力应用中的III族氮化物HEMT器件中，存在导通状态电阻和击穿电压(BV)之间的折衷设计。已知的高电压GaN HEMT器件使用基于横向器件结构的技术和工序流程，在横向器件结构中大的漂移区支持横向延伸的断态电压，并且其中高迀移率2DEG面水平地取向。图1图示了现有技术高电压HEMT 10的一部分的横截面，HEMT 10包括例如在缓冲结构14的顶部上形成的未掺杂GaAs或GaN的窄带隙沟道层12，或载流子承载层(carriercarrying layer)，所述缓冲结构14本身在衬底16诸如娃衬底的顶部上形成。宽带隙载流子供给层18或阻挡层，例如高度掺杂的η-型AlGaAs或AlGaN层，在沟道层12的顶部上形成。HEMT 10包括在沟道层12中在导电源极接触区22和导电漏极接触区24之间形成的沟道区20，导电源极接触区22和导电漏极接触区24两者均穿过载流子供给层18形成在沟道层12中。钝化层26覆盖沟道区20上方的载流子供给层18和被绝缘体层30绝缘的栅极接触区28，穿过钝化层26进入到载流子层18中。可选的是，被绝缘体层30绝缘的栅极接触区28可以穿过钝化层26与载流子层18的表面接触。除此之外，HEMT 10包括场板32，34，所述场板32，34分别连接到栅极接触区28和源极接触区22。在HEMT 10中，在断开状态操作期间，从栅极区28的边缘延伸到漏极接触区的漂移区水平地取向，具有支持高漏源电压和高漏栅电压的功能。HEMT 10的第二个重要特征是二维电子气层36，该层36刚好在载流子供应层18 (AlGaN)和载流子承载层(GaN层)之间的界面下方形成。这层具有高的载流子迀移率，所述高载流子迀移率例如可以达到2100cm2/V.sec。如果AlGaN层厚度增加到超过一定值，则2DEG将在该界面下方形成，其中2DEG的密度随着AlGaN层的厚度和铝的摩尔分数两者的增加而增加。基于水平2DEG HV GaN的HEMT诸如横向HEMT 10由于其较佳的材料特性诸如高临界电场、宽带隙和高饱和速度以及利用可以以高迀移率在2DEG层中移动的高密度片电荷的能力而被认为是目前引领电力电子学路线图的优选候选物。然而，对于额定值例如高于600V的较高电压器件，水平漂移区变得相当大，这又导致较大的单元栅距以及导通状态电阻和芯片面积的较大乘积Ron.A，其中A是器件芯片的面积。乘积Ron.A是功率器件中很重要的品质因数，因为它直接影响模具的成本。对模具成本的进一步影响来自与较大的模具面积相关联的较低产率，这对于横向GaN是特别显著的。虽然仍然比它们的硅形式更有利，但由于需要较长的漂移区来支持断开状态漏电压，随着阻塞电压的增加基于高电压GaN的横向HEMT不如基于垂直GaN的器件更有吸引力。在垂直配置(垂直功率器件)中，单元栅距显著减小，因为漂移区垂直延伸。在这样的结构中横向维度仅由工艺约束和对穿通击穿的考虑限制。这意味着与横向器件相比，对于垂直器件来说Ron.A乘积将低得多，并且对于更高的电压额定值尤其如此。图2图示了已知的垂直GaN FET 40的一部分的横截面，所述垂直GaN FET 40包括衬底42，例如由N+GaN制成，在其顶部上配置有漂移层44，例如漂移层44由低掺杂的N_GaN制成。FET 40不包括2DEG。例如未掺杂GaN的沟道层46，配置在漂移区44的顶部上并被源极接触区48覆盖。源极接触区48和沟道区46被延伸到漂移区44中的栅极沟槽50横贯。栅极绝缘层52沿着栅极沟槽50并且栅极接触层54填充由栅极绝缘层52在栅极沟槽中留下的空间。漏电极56被配置在衬底42的底面上；在FET 40的顶面上，源电极和栅电极接触源极接触区和栅极接触区。FET40包括垂直地在漂移层44中延伸的漂移区58，由此FET40中的电流传导是垂直的并且横跨处于断开状态的器件的电压在整个垂直取向的漂移区中得到支持。FET40的垂直配置转化为具有高额定电压的晶体管的单元栅距明显减少。对于如FET40的垂直器件的单元栅距主要通过光刻法、为实现垂直结构的工艺约束和对穿通的考虑来确定。对于给定的技术成熟度水平的垂直功率器件诸如GaN FET40和横向功率器件诸如Gan HEMT 10，就价值主张而言设置额定电压值的盈亏平衡点。在盈亏平衡点下方，横向配置更具商业意识，在盈亏平衡点上方则垂直配置更有利。盈亏平衡点可以通过漂移区长度(其与设计相关)、单元栅距，除工艺复杂性之外的原材料成本和两种配置中每种的掩模计数来确定。已知的基于垂直GaN的器件依赖于本体GaN漂移区，在本体GaN漂移区中不存在高电子密度和高迀移率层。本体GaN器件依赖于本体迀移率，这大大低于2DEG迀移率。本专利技术人已经注意到，对于额定电压大于600V的高电压器件，与横向GaN HEMT和垂直本体GaN相比，垂直GaN HEMT往往更优选。Furukawa的于2006年5月2日授权的美国专利号:US 7，038, 253 B2，公开了一种常闭型的基于GaN的场效应晶体管，其在操作期间具有非常小的导通电阻，并且能够大电流操作，其包括源电极和漏电极；由第一基于GaN的半导体材料制成的沟道部分，所述第一基于GaN的半导体材料是基于1-GaN的半导体材料或基于ρ-GaN的半导体材料。如此形成沟道部分从而与源电极和漏电极电连接。由第二基于GaN的半导体材料制成的第一和第二电子供应部分具有比第一基于GaN的半导体材料更大的带隙能，所述第一和第二电子供应部分被加入到沟道部分并且彼此分开定位。在沟道部分的表面上形成的绝缘层，在第一和第二电子供应部分之间延展；以及栅电极被布置在绝缘层上。Hirotaka的题为“氮化物半导体器件和制备氮化物半导体器件的方法”的罗姆公司(Rohm C0.)美国专利申请公开号US 2009/0057684公开了一种氮化物半导体期间，其包括:由具有由非极性平面或半极性平面限定的主平面的导电III族氮化物半导体制成的半导体基层；在半导体基层的主平面上形成的绝缘层，其具有部分地暴露主平面的孔；氮化物半导体多层结构部分，其在从所述孔延伸到绝缘层上的区域上形成，具有平行于半导体基层的主平面的平行表面以及相对于半导体基层的主平面倾斜的+c-轴侧第一斜面和-c-轴侧第二斜面并且包括至少具有不同晶格常数的两种类型的III族氮化物半导体层；形成为与第二斜面相对的栅电极；被布置为与III族氮化物半导体层电连接的源电极；和在与主平面相对的半导体基层的背面上形成的漏电极。Cl本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种HEMT器件，包括：III族氮化物材料衬底，所述III族氮化物材料衬底的表面沿着与所述III族氮化物材料的C‑面不平行的平面；在所述衬底上生长的III族氮化物材料的外延层；在所述外延层中蚀刻的凹槽，所述凹槽具有与所述衬底的所述表面不平行的至少一个平面壁；所述至少一个平面壁与所述III族氮化物材料的极性平面平行；在所述凹槽的所述至少一个平面壁的至少一部分上形成的至少一个载流子供应层，使得沿所述凹槽的所述至少一个平面壁的所述至少一部分形成2DEG区；在所述外延层的所述表面处形成的掺杂源区使得所述掺杂源区与所述2DEG区被所述外延层的沟道区隔开；在所述外延层的所述沟道区上形成的栅极绝缘层；和在所述栅极绝缘层上形成的栅极接触层。
【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：萨迈赫·G·卡里尔，安德里亚·科林，卡里姆·S·布特罗斯，
申请(专利权)人：HRL实验室有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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