一种ＨＦＥＴ的氮化镓半导体功率器件，包括：两种不同带隙的第一半导体层与第二半导体层相交界，从而产生一个２ＤＥＧ层的交界层。该功率器件还包括一个源极电极和一个漏极电极，位于栅极电极的两个对边上，栅极电极设置在异质结结构上方，用于控制２ＤＥＧ层中源极和漏极电极之间的电流。该功率器件还包括一个位于栅极电极和异质结结构之间的浮栅，其中栅极电极通过一个绝缘层，与浮栅绝缘，其中浮栅设置在一个薄绝缘层上方，同异质结结构之间垫有薄绝缘层，浮栅充有电荷，在２ＤＥＧ层上持续加载电压，以夹断源极和漏极电极之间２ＤＥＧ层中的电流，使ＨＦＥＴ半导体功率器件为一个常态关闭器件。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术主要涉及一种半导体功率器件的结构和制备方法。更确切地说，本专利技术涉 及一种用新型器件结构和制备方法制成的基于氮化镓(GaN)的场效应管，该常态关闭的基 于GaN的场效应管在传导大电流时，具有极低的导通电阻。
技术介绍
配置与制备基于氮化镓(GaN)的场效应管(FET)的传统方法，仍然受到提供具有 简便的制备和操作配置的常态关闭FET晶体管等技术问题的挑战。更确切地说，配置基于 氮化镓(GaN)的FET，以制备高电子迁移率晶体管(HEMT)。对于功率晶体管器件，这种类 型的晶体管可以取代一些现在常见地广泛使用的基于硅的半导体，带有功率金属-氧化 物-半导体(MOS)场效应管的功率器件。与基于硅的MOS-FET (或M0SFET)半导体功率器 件相比，基于GaN的晶体管利用宽带隙的半导体材料特性，能够进一步降低导通电阻，并获 得更高的击穿电压。另外，相对于基于硅的MOSFET器件的性能，这种高电子迁移率晶体管 还能够提供高速转换以及高灵敏度操作。获得高电子迁移率的基本原则是，结合两种带有不同带隙的不同半导体材料。在 界面处生成一个二维电子气ODEG)层，作为一个由在该电子气层中的一个电子流组成的 电流通路。图1表示一个典型的示例，在氮化镓(GaN)层上方外延生长氮化铝镓(AWaN)。 凭借这两种材料不同的带隙，会在这两种半导体材料之间的边界处产生一个二维电子气层 (2DEG)，称为AWaN/GaN异质结。典型的AlGaN/GaN异质结结构位于蓝宝石等绝缘衬底上。 该晶体管还包括一个源极电极S和一个漏极电极D，位于栅极电极G的两个对边上，栅极电 极G形成在AWaN层上，AWaN层在源极电极S和漏极电极D之间延伸。AKiaN层作为电子供应层，给未掺杂的GaN层中的2DEG提供电子，当栅极没有加 载控制电压时，电子气层中的电子在源极电极和漏极电极之间传输。除非栅极上加载的电 压夹断源极和漏极电极之间的电流，否则如图1所示的高电子迁移率晶体管(HEMT)结构就 在常开模式下工作。为了关闭晶体管，要求在栅极上连续加载夹断电压，会导致额外的功率 损耗，有时还会为了电子器件中使用这种晶体管，引起更复杂的器件控制过程。此外，大多 数的应用都是为了常态关闭晶体管设计的，因此这种器件并不适合那些应用。基于上述原 因，有必要提出制备基于GaN的晶体管的新型改良结构，使这种器件无需在栅极加载夹断 电压，就能常态关闭。为了获得很低的RdsA电阻(漏极至源极电阻*面积)，大多数的AWaN/GaN异 质结场效应管(HFET)都是作为耗尽型金属-半导体FET (MESFET)。已经有人提出了增强 型MESFET器件，其阈值电压Vth在0. 3至0. 7伏之间。但是，这种类型的晶体管无法用10 至15伏传统的栅极电压驱动。而且，已经尝试了各种方式，利用氮化硅(Si3N4)、二氧化硅 (SiO2)和氧化钆(Gd2O3)等不同的栅介质，在一个P-GaN层上制造增强型金属绝缘体半导体 FET (MISFET)。然而，当对器件加载偏压使其击穿时，这种器件都受到低反转迁移率和氧化 物中高电场的不利影响，从而引起器件的可靠性问题。为了解决此问题，我们增加了氧化层的厚度，但这会降低跨导，并导致不必要的较高的RdsA。基于上述原因，迫切需要在不干扰二维电子气QDEG)层的电导的前提下，改善 RdsA很低的器件结构。同时，无需在栅极加载电压，使器件就可以作为一个常态关闭器件， 从而解决上述困难和局限。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种新的改良器件结构和制备方法，这种异质结场效应管 (HFET)功率器件，可以通过简便的制备和操作过程，将HFET器件制成常态关闭器件，从而 解决上述现有技术中的困难和局限。更确切地说，本专利技术的一个方面在于提出改良型器件结构，以及制备半导体基于 GaN的HFET功率器件的方法，该器件带有负电荷的浮栅，当栅极没有加载电压时，使通道耗 尽。制备带负电荷的浮栅，可以通过与在闪存中制备浮栅的工艺类似的方法，这是一种成熟 的普遍方法。加载栅极电压，以抵消带负电荷的浮栅，恢复形成在GaN和AKiaN层之间的异 质结上的2DEG通道。本专利技术的另一方面在于，提出改良型器件结构，以及制备多通道半导体基于GaN 的HFET功率器件的方法，该器件带有负电荷的浮栅作为缠绕浮栅，在栅极没有加载电压 时，耗尽多通道。制备带负电荷的浮栅，是通过与在闪存中制备浮栅的工艺类似的方法。加 载栅极电压，以抵消带负电荷的缠绕浮栅，恢复形成在GaN和AWaN层之间的异质结上的 2DEG通道。本专利技术的另一方面在于，提出改良型器件结构，以及制备半导体基于GaN的HFET 功率器件的方法，该器件带有负电荷的栅极氧化层，在栅极没有加载电压时，使通道耗尽。 制备带负电荷的浮栅，是通过氟处理或与在栅极氧化层中设置固定的负电荷的工艺类似的 方法。加载栅极电压，以抵消带负电荷的栅极氧化物，恢复形成在GaN和AlGaN层之间的异 质结上的2DEG通道。本专利技术的较佳实施例简要说明了一种异质结场效应管(HFET)氮化镓(GaN)半导 体功率器件。该功率器件由一个异质结结构组成，包括两种不同带隙的第一半导体层与第 二半导体层相交界，从而产生一个二维电子气ODEG)层的交界层。该功率器件还包括一 个源极电极和一个漏极电极，位于栅极电极的两个对边上，栅极电极设置在异质结结构上 方，用于控制2DEG层中源极和漏极电极之间的电流。该功率器件还包括一个位于栅极电 极和异质结结构之间的浮栅，其中栅极电极通过一个绝缘层，与浮栅绝缘，其中浮栅设置在 一个薄绝缘层上方，同异质结结构之间垫有薄绝缘层，为浮栅充电，在2DEG层上持续加载 电压，以夹断源极和漏极电极之间2DEG层中的电流，使HFET半导体功率器件为一个常态关 闭器件。在另一个实施例中，第一半导体层为氮化镓(GaN)层，第二半导体层为氮化铝镓 (AlGaN)层，设置在氮化镓层上方。在另一个实施例中，该半导体功率器件还包括一个蓝宝 石衬底，用于承载上面的异质结结构。在另一个实施例中，浮栅带负电荷，将2DEG层的夹断 电压从负夹断电压转化为等于或大于3. OV的正夹断电压。在另一个实施例中，该源极电极 还包括一个延伸的场板，从源极电极延伸并覆盖到栅极电极上方。在另一个实施例中，该源 极电极还包括一个延伸的场板，从源极电极延伸并覆盖到栅极电极上方，其中该场板通过 一个厚绝缘层，与栅极电极绝缘。在另一个实施例中，该异质结结构包括第一和第二半导体层，构成一个矩形块，其纵向从源极电极延伸到漏极电极。而且，带有绝缘层的栅极电极和 浮栅构成一个缠绕栅极，缠绕在侧壁周围的矩形块的中段，以及矩形块中段的顶面，以便控 制第一和第二半导体层之间产生的2DEG层。在另一个实施例中，该异质结结构包括第一和 第二半导体层，构成一个矩形块，其中两种带隙不同的第一和第二半导体层是垂直方向的。 在另一个实施例中，该半导体功率器件还包括至少一个第三半导体层，同具有两种不同带 隙的两个相邻的半导体层结构，相互挨着设置，用于生成至少两个交界层，作为至少两个二 维电子气ODEG)层。参照以下附图并阅读本专利技术的较佳实施例的详细说明之后，本专利技术的这些以及其 他特点和优势，对于本领域本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种异质结场效应管的氮化镓半导体功率器件，其特征在于，包含：一个异质结结构，包括两种不同带隙的相交界的第一半导体层与第二半导体层，从而产生一个二维电子气层的交界层；一个源极电极和一个漏极电极，设置在栅极电极的两个对边上，栅极电极设置在所述的异质结结构上方，用于控制所述的二维电子气层中源极和漏极电极之间的电流；以及一个位于栅极电极和异质结结构之间的浮栅，其中所述的栅极电极通过一个绝缘层，与所述的浮栅绝缘，其中所述的浮栅设置在一个薄绝缘层上方，薄绝缘层垫衬在浮栅与同异质结结构之间，并且其中所述的浮栅充有电荷，以便对所述的二维电子气层持续加载电压，以夹断在所述的二维电子气层中流动的所述的源极和漏极电极之间的电流，使所述的异质结场效应管的半导体功率器件为一个常态关闭器件。
【技术特征摘要】
US 2009-10-30 12/589,9451.一种异质结场效应管的氮化镓半导体功率器件，其特征在于，包含一个异质结结构，包括两种不同带隙的相交界的第一半导体层与第二半导体层，从而 产生一个二维电子气层的交界层；一个源极电极和一个漏极电极，设置在栅极电极的两个对边上，栅极电极设置在所述 的异质结结构上方，用于控制所述的二维电子气层中源极和漏极电极之间的电流；以及一个位于栅极电极和异质结结构之间的浮栅，其中所述的栅极电极通过一个绝缘层， 与所述的浮栅绝缘，其中所述的浮栅设置在一个薄绝缘层上方，薄绝缘层垫衬在浮栅与同 异质结结构之间，并且其中所述的浮栅充有电荷，以便对所述的二维电子气层持续加载电 压，以夹断在所述的二维电子气层中流动的所述的源极和漏极电极之间的电流，使所述的 异质结场效应管的半导体功率器件为一个常态关闭器件。2.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述的第一半导体层为氮化镓 层，第二半导体层为设置在氮化镓层上方的氮化铝镓层。3.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，还包括一个蓝宝石衬底，用于承 载所述的异质结结构。4.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述的浮栅带负电荷，将二维电 子气层的夹断电压从负夹断电压转化为正夹断电压。5.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述的第一半导体层为N-型氮 化镓层，第二半导体层为设置在氮化镓层上方的N-型氮化铝镓层。6.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述的浮栅带负电荷，将二维电 子气层的夹断电压从负夹断电压转化为等于或大于3. OV的正夹断电压。7.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述的源极电极还包括一个延 伸的场板，从源极电极延伸并覆盖到栅极电极上方。8.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述的源极电极还包括一个延 伸的场板，从源极电极延伸并覆盖到栅极电极上方，其中该场板通过一个厚绝缘层，与栅极 电极绝缘。9.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，其中，...
【专利技术属性】
技术研发人员：安荷叭剌，朱廷刚，
申请(专利权)人：万国半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US
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