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CN101897029B - 绝缘栅e模式晶体管 - Google Patents

绝缘栅e模式晶体管 Download PDF

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CN101897029B CN200880120050.6A CN200880120050A CN101897029B CN 101897029 B CN101897029 B CN 101897029B CN 200880120050 A CN200880120050 A CN 200880120050A CN 101897029 B CN101897029 B CN 101897029B
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Abstract

本文描述了一种增强模式III族氮化物晶体管，其具有截止状态下的大的源极到漏极势垒、低的截至状态泄漏、和接入区中的低沟道电阻。该器件可以包括在栅极下面的电荷耗尽层和/或在栅极区外面即在接入区中的电荷增强层。

Description

绝缘栅E模式晶体管
技术领域
本发明涉及晶体管，更特别地涉及III族氮化物型晶体管。
背景技术
作为III-V或III族氮化物型器件的氮化镓(GaN)半导体器件作为功率半导体器件的有吸引力的候选而出现，因为GaN器件能够载送大的电流并支持高电压。此类器件还能够提供非常低的导通电阻和快速切换时间。高电子迁移率晶体管(HEMT)是可以基于GaN材料制造的一类功率半导体器件。如这里使用的，适合于晶体管的GaN材料包括二元、三元、或四元材料，其是基于改变AlxInyGa1-x-yN中的III族元素Al、In、Ga的相对量，使得0≤x≤1、0≤y≤1且0≤1-x-y≤1。此外，GaN材料可以包括AlInGaN的各种极性，诸如镓极性、氮极性、半极性或非极性。
参照图1，例如GaN HEMT器件的场效应晶体管(FET)可以包括具有在其上面形成的至少两个III族氮化物层的III族氮化物半导体主体。例如可以是AlGaN的形成III族氮化物层12的材料具有比可以是GaN的形成缓冲层11的材料大的带隙。由于相邻III族氮化物层中的不同材料而引起的极化场在两个层的结9附近、特别是在具有较窄带隙的层中感生导电二维电子气(2DEG)区域。2DEG区域在图中自始至终被示为虚线。传导电流的层之一是沟道层。在这里，将载流沟道或2DEG所在的较窄带隙层称为沟道层。该器件还包括肖特基栅极电极18和在栅极电极18的任一侧的欧姆源极和漏极电极16、17。允许传导电流通过器件的栅极和漏极之间与栅极和源极之间的区是接入区7。栅极电极18下面的区是栅极区6。
图1示出典型的标准AlGaN/GaN HEMT结构，其可以被设计为具有-3V的阈值电压。层10是诸如SiC、蓝宝石、Si、GaN这样的衬底，层11是GaN缓冲层，且层12是AlGaN，具有例如20％的Al成分(Al.2Ga.8N)。层11和12两者是Ga面材料。虚线表示存在于此结构中的二维电子气(2DEG)。要求有负栅极电压以使栅极下面的2DEG耗尽并从而使器件截止。
栅极电极18调节栅极接触下面的2DEG。诸如图1所示的标准AlGaN/GaN HEMT及相关器件通常是常开的(即耗尽模式器件)，因此能够在0栅极电压下传导电流。耗尽模式器件在向栅极施加0V时要求栅极区和接入区两者中的传导沟道。在功率电子装置中可以期望的是，具有常闭器件(即增强模式器件)，该常闭器件在0栅极电压下不进行传导以通过防止器件的任何意外导通来避免对器件或其它电路组件造成损坏。
发明内容
描述了增强模式(e模式)基于GaN的HEMT，其具有截止状态下的大的源极到漏极势垒、低截止状态泄漏、和接入区中的低沟道电阻。这里所述的器件可以包括以下特征中的一个或多个。e模式器件可以包括栅极下的电荷耗尽层。e模式器件可以包括在栅极区外面、即在接入区中的电荷增强层。电荷耗尽层和/或电荷增强层可以应用于Ga面或N面中的一者或两者。
在一个实施例中，描述了一种III族氮化物HEMT器件，其具有栅极电极、源极电极和漏极电极、形成具有与源极和漏极电极形成欧姆接触的最上层的N面堆叠的一系列III族氮化物层、和在栅极电极与N面堆叠的最上层之间的沟道耗尽部分。沟道耗尽部分未一直延伸到源极电极。
在另一实施例中，描述了一种III族氮化物HEMT器件。该器件包括栅极电极、源极电极和漏极电极、形成具有最上层和与源极和漏极电极形成欧姆接触的沟道层的Ga面堆叠的一系列III族氮化物层、在最上层上和器件的接入区之上的电介质层、在栅极与N面堆叠的最上层之间的沟道耗尽部分、以及在电介质层与最上层之间并围绕沟道耗尽部分的电荷增强III族氮化物层。沟道耗尽部分未一直延伸到源极电极。
在另一实施例中，描述了一种III族氮化物HEMT器件。该器件具有栅极电极、源极电极和漏极电极、形成具有最上层和与源极和漏极电极形成欧姆接触的沟道层的Ga面堆叠的一系列III族氮化物层、在栅极电极与Ga面堆叠的最上层之间的沟道耗尽部分、在最上层之上并围绕沟道耗尽部分的电荷增强III族氮化物层和在电荷增强III族氮化物层与最上层之间的GaN层。沟道耗尽部分未一直延伸到源极电极。
在另一实施例中，描述了一种常闭III族氮化物HEMT。该器件具有上栅极电极、源极电极和漏极电极、形成具有最上层和与源极和漏极电极形成欧姆接触的沟道层的Ga面堆叠的一系列III族氮化物层、和在上栅极电极与Ga面堆叠的最上层之间的沟道耗尽部分。沟道耗尽部分未一直延伸到源极电极。一系列III族氮化物层包括邻近于该系列的N面上的III族氮化物型覆盖层的p型III族氮化物盖帽层且该覆盖层中的孔使p型III族氮化物盖帽层的一部分暴露。
在另一实施例中，描述了一种III族氮化物HEMT器件。该器件具有栅极电极、源极电极和漏极电极、具有最上层和与所述源极和漏极电极形成欧姆接触的沟道层的一系列半极性或非极性III族氮化物层、和在栅极与半极性或非极性堆叠的最上层之间的沟道耗尽部分，其中，沟道耗尽部分未一直延伸到源极电极。
该器件的实施例可以包括以下特征中的一个或多个。最上层可以是沟道层，其中，在器件的接入区中形成2DEG。沟道层的栅极区在不存在施加于栅极电极的电压的情况下可以不包含2DEG，并且该器件可以是增强模式器件。最上层可以包括栅极区中的凹槽且所述沟道耗尽部分可以在该凹槽中。沟道电荷增强层可以在最上层上，与沟道耗尽部分接触并朝着源极电极和漏极电极延伸。场板可以朝着漏极电极延伸。沟道耗尽部分可以朝着漏极电极部分地延伸。沟道电荷增强层可以包括SiN。p型III族氮化物区可以在沟道耗尽部分与最上层之间。p型III族氮化物区可以从源极电极延伸到漏极电极，并且器件还可以包括在邻近于与最上层相反的一侧的p型III族氮化物的器件的接入区中的附加GaN层。p型III族氮化物区可以包括AlzGaN，其中，0.05≤z≤0.35。沟道耗尽部分可以包括高k电介质。沟道耗尽部分可以由AlSiN、Ta2O5、HfO2或ZrO2形成。沟道耗尽部分可以包括高k电介质。所述沟道耗尽部分可以由AlSiN、Ta2O5、HfO2或ZrO2形成。沟道耗尽部分可以朝着漏极电极部分地延伸，但不接触漏极电极。场板可以朝着漏极电极延伸。AlN的中间层可以在最上层与沟道层之间。GaN层可以在电荷增强III族氮化物层与最上层之间。最上层可以是p型层。最上层可以是n型掺杂的。p型III族氮化物层可以在最上层与上栅极电极之间。下栅极电极可以在覆盖层中的孔中或邻近于该孔。可以用氟来处理最上层的栅极区。
在以下附图和说明中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。通过说明书和附图、以及通过权利要求，本发明的其它特征、目的、和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是耗尽模式III族氮化物器件的示意图。
图2a是栅极区中具有沟道耗尽电介质的增强模式III族氮化物器件的示意图。
图2b是增强模式III族氮化物器件的示意图。
图2c是增强模式III族氮化物器件的示意图。
图3是在栅极区中具有沟道耗尽电介质的N面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图4是在栅极区和凹槽中具有沟道耗尽电介质的N面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图5～6是具有栅极区中的沟道耗尽电介质并具有场板的N面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图7是具有栅极区中的沟道耗尽电介质和盖帽(cap)的N面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图8是具有栅极区中的沟道耗尽电介质、场板和盖帽的N面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图9是具有在栅极区中沟道耗尽电介质的N面增强模式III族氮化物器件的示意图，其覆盖绝缘体的一部分。
图10是具有栅极区中的沟道耗尽电介质、钝化层和场板的Ga面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图11是具有栅极区中的沟道耗尽电介质和钝化层的Ga面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图12是具有栅极区中的沟道耗尽电介质、钝化层和场板的Ga面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图13是具有栅极区中的沟道耗尽电介质和中间层的Ga面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图14是具有栅极区中的沟道耗尽电介质和中间层的Ga面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图15是具有栅极区中的沟道耗尽电介质和中间层的Ga面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图16是具有栅极区中的沟道耗尽电介质、钝化层和多层III族氮化物材料的Ga面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图17是具有栅极区中的沟道耗尽电介质和多层III族氮化物材料的Ga面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图18是具有栅极区中的沟道耗尽电介质、钝化层和多层III族氮化物材料的Ga面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图19是具有栅极区中的沟道耗尽电介质、钝化层、多层III族氮化物材料和场板的Ga面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图20是具有栅极区中的沟道耗尽电介质和中间层的Ga面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图21是具有栅极区中的沟道耗尽电介质、钝化层和p型盖帽的Ga面增强模式III族氮化物器件的示意图。
图22是Ga面增强模式III族氮化物器件的示意图，其具有栅极区中的沟道耗尽电介质，并且在器件两侧形成栅极(gating)。
图23是Ga面增强模式III族氮化物器件的示意图，其具有栅极区中的沟道耗尽电介质，并且在器件两侧形成栅极，在形成栅极的区域中进行了氟处理。
图24是具有半极性层的增强模式III族氮化物器件的示意图。
图25是具有非极性层的增强模式III族氮化物器件的示意图。
相同的附图标记在各种图中指示相同的元件。
具体实施方式
描述了实现基于贡献负电荷的沟道耗尽栅极电介质的常闭氮化镓晶体管器件的结构和方法、以及通过表面层或表面处理来改变接入区导电性的方法。也就是说，沟道耗尽材料或区至少在栅极区中且沟道电荷增强层或区在接入区中。沟道耗尽电介质可以具有负电荷并耗尽来自沟道的负电荷。这样实现的常闭器件展现出高的正阈值电压(诸如2～3伏)、在0偏压下从源极到漏极的高的内势垒(诸如0.5～2eV)和高的接入区导电性(诸如表面电阻＜750欧姆/平方)以及高击穿电压(600/1200伏)和低导通电阻(对于600/1200V，分别为＜5或＜10mohm-cm2)。这里示出了用于特定N极性、Ga极性、半极性和非极性结构的示例。然而，可以将一般方法应用于基于Ga极性、Ga面、N极性、N面、半极性或非极性GaN晶体取向的所有结构。
虽然不可能通过在AlGaN/GaN器件的栅极下面插入标准电介质来制造增强模式器件，否则可能是耗尽模式器件，如图2a所示，但可以通过在标准AlGaN/GaN器件的栅极下面插入沟道耗尽电介质来制造增强模式器件，否则可能是耗尽模式器件。诸如图2a中的层13这样的沟道耗尽电介质减小了直接在其下面的沟道层中的负电荷的量，例如，因为电介质包含负电荷，或者其在电介质与下层之间的界面处感生了负电荷，或者通过某些其它机制。在应用于GaN晶体管时可以充当电荷耗尽电介质的绝缘体的示例包括但不限于HfO2、Ta2O5、ZrO2、和AlSiN。用如图1所示的器件的设计，很难获得正阈值电压。然而，如图2a所示，如果将沟道耗尽电介质层13插入栅极电极18下面，则可以在零栅极偏压下完全耗尽栅极下面的2DEG，因此，要求有正栅极电压以使器件导通，同时接入区中的2DEG沟道不受影响。栅极区6和接入区7在图2a中指出。虽然出于简化附图的目的在以下图中未示出这些区域，但其在每个器件中位于相同的位置上。
参照图2b和图2c，在增强模式器件中，对栅极和接入区的要求与在耗尽模式器件中不同。该器件包括衬底20′，GaN缓冲层21′和AlGaN层12′位于其上面。AlGaN层12′包括栅极区6中的凹槽。栅极区6在施加0栅极电压时被耗尽。优选地，阈值电压应是尽可能高的正值(例如，约3伏是期望的)，并且源极到漏极势垒在器件处于截止状态时应尽可能高以保证低的源极-漏极泄漏。势垒的适当能带图可以在2007年9月17日提交的美国申请No.11/856,687中找到。接入区7需要尽可能具有导电性，这通过始终保持这些区域中的高沟道电荷来实现。一般难以实现同时在接入区中保持高导电性且在0V栅极偏压下不传导电流的晶体管。
虽然可以通过在栅极下面包括凹槽来制造具有大于0的阈值电压的标准AlGaN/GaN器件，但很难同时保证截止状态下的从源极到漏极的高势垒。参照图2c，通过利用栅极下面和栅极区中的例如电介质等标准绝缘体14，始终可以使增强模式器件的阈值电压更正地移位，但器件在0V栅极偏压下将具有从源极到漏极的相同低势垒。虽然在栅极下面插入标准绝缘体可能导致耗尽和增强模式器件两者的阈值电压中的正移位，但不能通过在器件的栅极下面插入标准电介质来实现增强模式器件，否则将是耗尽模式器件。
描述了增强模式GaN基的HEMT，其具有截止状态下的大的源极到漏极势垒、低截止状态泄漏、和接入区中的低沟道电阻。在某些实施例中，使用Ga面III族氮化物材料层，并且在其它实施例中，使用N面III族氮化物材料层。可以利用以下技术中的一种或多种来实现增强模式器件。一种技术是同时和独立使用在晶体管的栅极区中的沟道电荷耗尽处理/层和接入区中的沟道电荷增强处理/层。沟道电荷增强处理可以是钝化层(诸如SiN)或后面是适当钝化层的单独处理(诸如扩散或注入)。可以通过在具有感生沟道电荷的期望性质的GaN或AlGaN上得到SiN的技术能够沉积接入区沟道电荷增强层(如果是SiN)。某些技术包括但不限于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、催化化学气相沉积(CATCVD)、金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)、和溅射沉积。或者，可以将诸如离子注入或掺杂剂扩散等方法用于沟道电荷增强层。沟道耗尽层可以是高介电常数(高k)电介质，诸如HfO2、Ta2O5、或ZrO2。其有利之处在于与其中使用较低介电常数的电介质的结构相比，其增大栅极电容，并从而增大器件跨导。可以使用多种沉积方法来沉积这些栅极电介质膜，包括但不限于分子束外延(MBE)、金属有机分子束外延(MOMBE)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、脉冲激光沉积、溅射沉积、和蒸发。Ta2O5作为栅极电介质材料尤其具有吸引力，因为其热膨胀系数与SiN类似。由于在封装期间通常用SiN覆盖器件，所以Ta2O5的使用可以减小某些器件层中的应变。
N面器件
参照图3，增强模式器件包括在其上面形成一系列III族氮化物型层的衬底20。衬底20可以由诸如GaN、AlN、SiC、Si、蓝宝石等适当材料或在其上面生长N面III族氮化物材料的其他材料形成。或者，衬底20可以是承载晶圆，其被键合到覆盖层，这在下文中进一步描述。GaN缓冲层21在衬底20上形成。AlGaN层22在GaN缓冲层21上形成。GaN层23在AlGaN层22上形成。每个层21、22、23具有距衬底20最远的N面。AlGaN层22可以由AlxInyGa1-x-yN形成，其中，x和y被选择为使得在接入区的沟道部分中形成2DEG。应理解的是，可以实现图3中的此外延结构的基本变更，诸如在仅在栅极下面的区域中的GaN层23的顶部添加另一AlGaN层以进一步辅助栅极下面的耗尽电荷。
在GaN层23上形成有进行欧姆式接触的源极电极27和漏极电极28。在栅极区中，在源极与漏极之间形成有沟道耗尽电介质区25，在其上面形成有栅极电极29。层22和23的厚度和组成被选择为使得在接入区中存在2DEG。在栅极区中，电介质区25促使沟道在0栅极电压下被耗尽电荷，破坏2DEG。因此，必须施加正栅极电压以使器件导通。电介质区25可以包括例如AlSiN的任何电介质材料或由其组成，电介质材料引起器件阈值电压的正移位并同时增大器件处于截止状态时的从源极到漏极的势垒。在某些实施例中，电介质区25是高k电介质，诸如HfO2、Ta2O5、或ZrO2。高K电介质保证晶体管的高跨导，亦即增益。高k电介质可以是具有比二氧化硅的介电常数大的介电常数的电介质材料，诸如k＞4，但通常具有介电常数k＞15。
参照图4，类似于图3所示器件的增强模式器件包括具有衬底20、GaN缓冲层21和AlGaN层22的主体。然而，GaN层23′的不同之处在于该层包括栅极下面的凹槽。该凹槽允许电介质区25更接近于AlGaN层22。该凹槽增大器件的阈值电压，以及增大器件处于截止状态时的从源极到漏极的势垒。
参照图5和6，类似于图4所示器件的增强模式器件包括具有衬底20、Ga缓冲层21、AlGaN层22和凹陷GaN层23的主体。这两个器件还包括电介质层24，其在GaN层23′的与AlGaN层22相反的一侧。可以是SiN的电介质层24增大接入区中的2DEG电荷密度，由此减小接入电阻。电介质层24还可以充当钝化层。在某些实施例中，在沉积电介质层24之前，向栅极区外面和接入区中的凹陷GaN层23′施加特定处理(诸如扩散、注入或其它电荷感生表面层)。
包括场板(被示为栅极29′的一部分)以增大器件击穿电压并改善性能。示出了两种不同的场板构造，一个在图5中且一个在图6中。图5示出一种场板构造，其中，电介质层24之上的栅极电极29′在接入区的顶部上且朝着漏极电极28的延伸导致器件中的峰值电场的减小。图6示出一种场板，其是通过使电介质层24之上的沟道耗尽栅极电介质区25′朝着漏极电极28延伸并使电介质区25′上的栅极电极29′朝着漏极电极28延伸而形成的。电介质区25′和栅极电极29′的延伸形成场板，并且每个用于减小器件中的峰值场。在图6中，栅极电极29′比电介质区25′更远地朝着漏极电极28延伸。因此，栅极电极29′的一部分直接在电介质层24上。然而，在某些实施例中，电介质区25′比栅极电极29′更远地朝着漏极电极28延伸，使得栅极电极29′完全位于电介质区25′的顶部。在其它实施例中，电介质层25′朝着漏极延伸，但栅极电极29′不是，因此仅由层25′的延伸形成场板。用于图5或图6中的任一器件的其它场板构造包括多个金属层，每个被绝缘体分开，其中的某些或全部可以连接到栅极金属或源极金属。
参照图7和8，示出了与图3和6所示的那些类似的增强模式器件。该器件包括GaN层23与电介质区25之间的p型AlzGaN区26，其中，z在0与1之间，诸如0.05＜z＜0.35，诸如z约为0.2或0.25。p型AlzGaN区26进一步增大阈值电压以及增大器件处于截止状态时的从源极到漏极的势垒。在某些实施例中，用诸如硅这样的n型掺杂剂离子在接入区中对AlGaN层22进行离子注入。如这里所述，可以用这里所述的任何器件来执行离子注入。参照图9，增强模式器件包括在衬底20上的GaN缓冲层21、AlGaN层22和GaN层23的堆叠。在GaN层23上的是在源极27与漏极电极28之间延伸的p型AlzGaN层26′。沟道耗尽电介质区25在p型AlzGaN层26′上的栅极区中。在沟道耗尽电介质区25的任一侧，即在接入区上，是GaN层50。在栅极区中，p型AlzGaN层26′进一步增大阈值电压以及增大器件处于截止状态时的从源极到漏极的势垒。在接入区中，层26′减少2DEG中的电荷。接入区电荷的减少被增加接入区中的2DEG的GaN层50抵消。
Ga面器件
参照图10～13，示出了Ga面III族氮化物器件。每个器件具有栅极凹槽。参照图10，衬底20′是可以在其上面形成Ga  面III族氮化物层的衬底，诸如GaN、AlN、SiC、Si或蓝宝石。在衬底20′和GaN缓冲层21′上形成AlxGaN层33。在接入区中的AlxGaN层33上的是AlyGaN层36和电介质层34。层33和36中的铝成分x和y及层的厚度被选择为使得净极化在接入区的沟道部分中形成2DEG，其中，x＝y，x＜y或x＞y。或者，AlxGaN层33由AlxInzGa1-x-zN组成，层36由AlyInwGa1-y-wN组成，其中，x、z、y和w以及层的厚度被选择为使得在接入区的沟道部分中形成2DEG。
电介质层34充当钝化层且可以增加接入区中的2DEG电荷密度，由此减小接入电阻。用于电介质层34的适当材料是SiN。在某些实施例中，在处理的中间级将掺杂剂扩散层包括在器件中以感生电荷，并在器件完成之前去除，所述掺杂剂扩散层被放置在发现电介质层34的位置处。
在AlxGaN层33的顶部上是电介质区35，其至少在栅极区中。在图10所示的器件中，电介质区35的一部分在电介质层34之上并在接入区的一部分中延伸。电介质区35由如此的材料形成，即，该材料引起器件阈值电压的正移位并同时增大器件处于截止状态时的从源极到漏极的势垒，即沟道耗尽电介质，诸如Ta2O5、HfO2、AlSiN、或ZrO2。在某些实施例中，电介质区35是高K电介质。在某些实施例中，如图11所示，电介质区35′覆盖整个栅极区，但不覆盖接入区或电介质层34的一部分。在其它实施例中，如图10、12和13所示，电介质区35和35″也部分地延伸到源极和漏极。并且在其它实施例中，电介质区一直延伸到源极和漏极(未示出)。
参照图12，电介质区35″可以形成场板的一部分。场板可以增大器件击穿电压并改善器件性能。场板还可以包括金属层与电介质层的组合，某些或全部金属层可以外部连接到源极或栅极，所述电介质层是电介质区35″的延伸。
参照图13，栅极电极29不延伸超过栅极区。然而，电介质区35横向地在钝化层34上延伸超过栅极区并朝着源极和漏极两者、仅仅朝着源极、或仅仅朝着漏极延伸，但不一直延伸到源极和/或漏极。
参照图14～15，类似于图10～12所示的器件，示出了Ga面III族氮化物器件。然而，AlN层32、即AlN中间层在GaN缓冲层21′与AlxGaN层33之间。AlN层32是薄的，诸如在约0.2与0.7nm之间，诸如厚度约为0.5nm。AlN层32增大最大器件电流并减小接入电阻。栅极凹槽和在栅极下面的沟道耗尽电介质材料的组合引起器件阈值电压的正移位并同时增大源极到漏极的势垒。这导致阈值电压中的足够大的正移位从而使得能够实现具有AlN中间层的增强模式器件。
参照图16～19，类似于图10～12所示的器件，示出了Ga面III族氮化物器件。虽然类似于图11，但图16和17中的器件具有AlxGaN层33与AlyGaN层36之间的GaN层40。图17中的器件与图16所示的器件相同，不同之处在于该器件缺少图11中的器件具有的表面钝化层或电介质层34。图18示出朝着源极和漏极电极27、28在电介质层34上部分地延伸的电介质区35。在某些实施例中，电介质区35一直从栅极区延伸到源极和漏极。
由于图16～18所示的器件中的GaN层40和下面的AlxGaN层33具有不同的蚀刻特性，所以可以使用AlxGaN层33作为蚀刻终止层。这使得能够实现精确的蚀刻深度。因此，电介质区35在AlxGaN层33的顶面上并具有与GaN层40的底面齐平的底面。参照图19，电介质区35″和栅极电极29″可以形成场板。电介质区35″朝着漏极电极28在电介质层34上部分地延伸，并且栅极电极29″朝着漏极电极28在电介质区35″上整个地且在电介质层34上部分地延伸并超过电介质区35″的边缘。
参照图20，示出了类似于图16所示器件的增强模式器件。然而，AlN层32在GaN缓冲层21与AlxGaN层33之间。AlN层32增大最大器件电流并减小接入电阻。栅极凹槽与栅极下面的沟道耗尽电介质的组合引起器件阈值电压的正移位并同时增大从源极到漏极的势垒，导致阈值电压的足够大的正移位而从而能够实现具有AlN中间层的增强模式器件。当使用AlN层32时，由这些特征中的任何一个引起的单独的正阈值移位可能没有达到足以使得能够实现增强模式器件。如同其它实施例一样，电介质区35可以朝着源极和漏极电极在电介质层34上一直或部分地延伸。在某些实施例中，此器件形成有场板(未示出)。
参照图21，示出了类似于图20所示器件的增强模式器件。然而，用p型AlxGaN层41代替AlxGaN层33。如同其它实施例一样，电介质区35′可能在范围方面限于在栅极区内或朝着源极和漏极电极在电介质层34上一直或部分地延伸。在某些实施例中，此器件形成有场板。直接在栅极电极29下面用p型AlxGaN层41代替AlxGaN层33引起阈值电压的正移位以及器件处于截止状态时的源极到漏极势垒的增大。在接入区中，可以通过调整AlyGaN层36的厚度和Al成分来减轻与插入p型AlxGaN层41相关的沟道电荷的损失，以便在保持小接入电阻的同时增大器件阈值电压。在某些结构中，p型层可以仅在栅极下面。
参照图22，Ga面增强模式III族氮化物器件被形成为具有在栅极电极29下面的沟道耗尽电介质区35′和在辅助栅极电极51与p型GaN层54之间的沟道耗尽电介质区60的横向器件。辅助栅极电极51也在器件的N面上。该器件包括在Ga面上的p型AlzGaN盖帽55和从器件的N面接入的p型AlyGaN盖帽层(被示为p型GaN层54)，其中，0≤y≤1且0≤z≤1。在某些实施例中，p型AlzGaN盖帽55或p型AlxGaN层33中的任何一个是梯度层，即，在层的不同深度处包括或多或少的铝。该器件包括在p型GaN层54的N面上的GaN层52。GaN层52包括使p型GaN层54暴露的凹槽。沟道耗尽电介质区60在底栅极电极51与p型GaN层54之间。
在p型GaN层54的相对侧的是GaN沟道层53。邻近于GaN沟道层53并与p型GaN盖帽层54相反的AlxGaN层33对GaN沟道层53中的2DEG有贡献。p型AlzGaN盖帽55在AlxGaN层33上、栅极区中和栅极29下面。
在某些实施例中，AlxGaN/GaN层33、53被生长得足够薄，以便p型AlzGaN或GaN层55、54的表面销接(pinning)位置使在栅极区中AlxGaN/GaN层界面处的2DEG耗尽。例如，当器件包括全耗尽p型层时，AlxGaN/GaN层33、54生长得很薄。如果器件具在顶部具有厚的p型层，则由p型AlzGaN/AlxGaN结产生的势垒使2DEG耗尽。耗尽来自两个表面的2DEG增大内势垒和阈值电压。高p-AlxGaN或GaN势垒的存在还导致高的栅极导通电压和栅极泄漏电流的减小。可以在栅极(29或51)与各p型层(55和54)之间施加附加绝缘层。
在某些实施例中，栅极电极29、51之一在器件上是可选的。在某些实施例中，电介质区35′或60是可选的。
在没有p型AlzGaN盖帽55和沟道耗尽电介质35′的情况下，AlxGaN/GaN层33、53中的极化场允许在接入区中的AlxGaN/GaN界面处的2DEG。因此，将AlxGaN层33的厚度控制为保持适当的2DEG和低的导通电阻。类似器件在于2007年9月17日提交的美国申请No.11/856,687中有所描述，为了所有目的其通过引用合并到这里。
在图22所示的器件的替换实施例中，AlyGaN层在AlxGaN层33上形成并围绕p型AlzGaN盖帽55。
参照图23，示出了具有Ga和N面上形成栅极的增强模式III族氮化物器件的另一实施例，其中对器件进行了氟处理。该器件包括已经用氟化合物处理过的在栅极下面的Ga面上和在栅极下面的N面上的区域(或者在图23中看时在下栅极电极51之上)。该氟处理可以是基于氟的等离子体处理。Ga面和N面两者上的氟处理增大器件的内势垒和阈值电压。
上栅极29下面的结构是AlxGaN层61上的GaN沟道层53上的一层AlyGaN 62，所述AlxGaN层61在GaN层52上。GaN层52中的凹槽使AlxGaN层61的一部分暴露。该凹槽在栅极电极29下面但不在接入区下面。用氟化合物的等离子体处理AlxGaN层61的暴露部分63。同样地，用等离子体来处理AlyGaN层62的栅极区64。不对接入区施加基于氟的处理。
在某些实施例中，在N面的氟处理之后在凹槽中形成底栅51。在某些实施例中，栅极电极29、51之一和/或绝缘层35′、60之一是可选的。类似器件在于2007年9月17日提交的美国申请No.11/856,687中有所描述。
非极性和半极性器件
参照图24和25，增强模式器件包括在其上面形成一系列非极性73、74或半极性70、71III族氮化物型层的衬底10。衬底10可以由诸如GaN、AlN、SiC、硅、蓝宝石这样的适当材料或可以在其上面生长非极性或半极性氮化物材料的另一材料形成。半极性或非极性GaN缓冲层71、74在衬底10上形成。半极性或非极性AlGaN层70、73在GaN缓冲层71、74上形成。欧姆源极和漏极接触16、17在任一侧形成。在AlGaN层70、73顶部的栅极区中形成有沟道耗尽电介质层25，在其顶部形成有栅极电极18。在非极性器件中，AlGaN层73的一部分75是n型掺杂的，以便在器件的接入区中感生电荷。
耗尽模式器件
虽然这里已描述的器件是具有沟道耗尽电介质的增强模式III族氮化物器件，但也可以设计具有沟道耗尽电介质的耗尽模式III族氮化物器件。在一个实施例中，例如通过保证AlxGa1-xN层22具有诸如x≥0.2的足够大的Al浓度，将图3中的器件设计使得2DEG沟道在0栅极电压下一直从源极27延伸到漏极28。在本实施例中，栅极电极下面的2DEG的一部分中的电荷浓度比在接入区中小。与没有栅极下面的沟道耗尽部分的耗尽模式器件相比，本实施例可以表现出更好的线性度。同样地，可以诸如通过保证AlxGa1-xN层22具有诸如x≥0.2的足够大的Al浓度，将图4～9所示的器件全部设计为使得其包含在0栅极电压下一直从源极27延伸到漏极28的2DEG沟道。在其它实施例中，诸如通过保证AlxGa1-xN层33具有诸如x≥0.2的足够大的Al浓度，将图10～20所示的器件全部设计为使得其包含在0栅极电压下一直从源极27延伸到漏极28的2DEG沟道。
描述了增强模式III族氮化物型器件的多个实施例。用于各种类型的GaN器件的典型材料生长方法包括但不限于分子束外延、金属有机分子束外延、化学气相沉积、原子层沉积、脉冲激光沉积、溅射沉积、和蒸发。另外，在于2007年9月17日提交的美国申请No.11/856,687中进一步描述了用于形成N面器件的方法。此类方法可以包括形成III族氮化物层的Ga面组件。诸如通过使用基于金属的粘合剂或电解质粘合剂或其它适当粘合剂将承载晶圆或衬底粘结到组件的顶部上。如果承载晶圆最后将充当最终衬底，则该承载晶圆可以是导热且电绝缘的。在某些实施例中，承载晶圆与顶部III族氮化物层之间的粘合剂是不导电的。然后将具有载具层的组件倒转，以便承载晶圆在组件的底部上并充当衬底。使用适合于衬底材料的技术来去除顶部衬底，诸如用于蓝宝石衬底的激光剥离、用于基于SiC衬底的搭接或等离子体蚀刻、或用于硅衬底的湿法或干法蚀刻。根据需要，还可以去除III族氮化物组件的附加层。该结构现在是N面结构，该N面结构准备好完成以形成这里所述的N面器件。
可以用诸如SiN这样的适当电介质来钝化本文所述的任何器件。可期望用SiN或适当电介质进行钝化以使俘获电荷的效应最小化并保证良好的器件操作。这里，可以在N面和Ga面III-N晶体管中使用SiN或其它适当钝化。
通过单个或多个场板进行的场电镀可以通过减小栅极附近的峰值电场增大器件的击穿电压并进一步使俘获的影响最小化。在这里已描述了可以用于获得高击穿电压的各种场板几何结构。另外，可以提供用于使益处最大化的倾斜场板。还可以使用诸如Ta2O5或HfO2这样的沟道耗尽电介质层使高场区中的电场分布成形并由此起到与标准场板相同的作用。在实施例中，此层可以由栅极电极下面所使用的相同材料形成。
N面GaN在化学上比Ga面GaN更敏感。在某些实施例中，在器件形成开始时使用诸如SiN这样的薄盖帽层以保证N面器件中的N面表面的稳定性。该盖帽保证除需要之外表面在制造期间不暴露于可能损坏表面的元件。可以使此保护层更厚且其也可以充当钝化层。
在这里所述的器件中，缓冲层和/或沟道层材料由GaN组成。在不违背本发明的范围的情况下，还可以对这些层使用AlwGaN。仍将器件设计为使得在接入区中存在2DEG，这可以通过使用其中Al成分小的AlwGaN缓冲层来实现，诸如z＜0.05。
可以在HEMT中使用栅极电介质来减少栅极泄漏并增大器件击穿电压。栅极电介质在形成GaN基的增强模式器件时是有用的，因为其可以引起器件阈值电压的正移位。优选的是使用具有高介电常数的电介质，即，所谓的高k电介质，诸如HfO2、ZrO2或Ta2O5，因为对于给定电介质厚度而言，具有较高介电常数的电介质导致具有较大栅极电容和相应的较大跨导的器件。另外，已示出了诸如HfO2和Ta2O5这样的某些栅极电介质以耗尽来自沟道的电荷，因为它们包含负电荷或在其与下层材料共享的表面上感生负电荷，这导致使用它们的器件的阈值电压的正移位。其它电介质也可以拥有这些特性并称为“沟道耗尽电介质”。与标准电介质不同，通过在具有负阈值电压的标准AlGaN/GaN器件的栅极下面插入带负电的沟道耗尽电介质，可以使阈值电压向正值移位。而且，与标准电介质的情况不同，通过插入沟道耗尽电介质而使阈值电压移位至更大的正值导致器件处于截止状态时的源极到漏极势垒的增大。
已描述了本发明的许多实施例。然而，应理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。例如，在某些实施例中，Ga面是Ga极性面。因此，其它实施例在权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种III族氮化物HEMT器件，包括：
栅极电极；
源极电极和漏极电极；
一系列III族氮化物层，其形成具有最上层和与所述源极电极和漏极电极形成欧姆接触的沟道层的Ga面堆叠；
电介质层，其在所述最上层上并在所述器件的接入区之上；
沟道耗尽部分，其在所述栅极电极与所述Ga面堆叠的所述最上层之间，其中，所述沟道耗尽部分未一直延伸到所述源极电极；以及
电荷增强III族氮化物层，其在所述电介质层与所述最上层之间并围绕所述沟道耗尽部分。
2.如权利要求1所述的器件，其中，在所述器件的所述沟道层的接入区中形成2DEG。
3.如权利要求2所述的器件，其中，所述沟道层的栅极区在不存在施加于所述栅极电极的电压的情况下不包含2DEG，并且所述器件是增强模式器件。
4.如权利要求1所述的器件，其中，所述沟道耗尽部分包括高K电介质。
5.如权利要求1所述的器件，其中，所述沟道耗尽部分由AlSiN、Ta2O5、HfO2或ZrO2形成。
6.如权利要求1所述的器件，其中，所述沟道耗尽部分朝着所述漏极电极部分地延伸，但不接触所述漏极电极。
7.如权利要求6所述的器件，还包括朝着所述漏极电极延伸的场板。
8.如权利要求1所述的器件，还包括在所述最上层与所述沟道层之间的AlN的中间层。
9.如权利要求1所述的器件，还包括在所述电荷增强III族氮化物层与所述最上层之间的GaN层。
10.如权利要求8所述的器件，其中，所述最上层是p型层。
11.如权利要求1所述的器件，还包括场板。
12.一种III族氮化物HEMT器件，包括：
栅极电极；
源极电极和漏极电极；
一系列III族氮化物层，其形成具有最上层和与所述源极电极和漏极电极形成欧姆接触的沟道层的Ga面堆叠；
沟道耗尽部分，其在所述栅极电极与所述Ga面堆叠的所述最上层之间，其中，所述沟道耗尽部分未一直延伸到所述源极电极；
电荷增强III族氮化物层，其在所述最上层之上并围绕所述沟道耗尽部分；以及
GaN层，其在所述电荷增强III族氮化物层与所述最上层之间。
13.如权利要求12所述的器件，其中，所述沟道层的栅极区在不存在施加于所述栅极电极的电压的情况下不包含2DEG，并且所述器件是增强模式器件。
14.一种常闭III族氮化物HEMT器件，包括：
上栅极电极；
源极电极和漏极电极；
一系列III族氮化物层，其形成具有最上层和与所述源极电极和漏极电极形成欧姆接触的沟道层的Ga面堆叠，其中，所述一系列III族氮化物层包括与所述一系列III族氮化物层的N面上的III族氮化物型覆盖层相邻的p型III族氮化物盖帽层并且所述覆盖层中的孔暴露出所述p型III族氮化物盖帽层的一部分；以及
沟道耗尽部分，其在所述上栅极电极与所述Ga面堆叠的所述最上层之间，其中，所述沟道耗尽部分未一直延伸到所述源极电极。
15.如权利要求14所述的器件，还包括在所述最上层与所述上栅极电极之间的p型III族氮化物型盖帽部分。
16.如权利要求14所述的器件，还包括在所述覆盖层中的孔中或与所述孔相邻的下栅极电极。
17.如权利要求14所述的器件，其中，用氟来处理所述最上层的栅极区。
18.一种常闭III族氮化物HEMT器件，包括：
上栅极电极；
源极电极和漏极电极；以及
一系列III族氮化物层，其形成具有最上层和与所述源极电极和漏极电极形成欧姆接触的沟道层的Ga面堆叠，其中，所述一系列III族氮化物层包括与所述一系列III族氮化物层的N面上的III族氮化物型覆盖层相邻的下III族氮化物层并且在所述覆盖层中的孔暴露出所述下III族氮化物层的一部分；以及
沟道耗尽部分，其在所述上栅极电极与所述Ga面堆叠的所述最上层之间，其中，所述沟道耗尽部分未一直延伸到所述源极电极；
其中，用氟来处理所述栅极区中的所述最上层或所述下III族氮化物层的暴露部分中的至少一个。
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