專利名稱：高性能功率開(kāi)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
AWaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)近年來(lái)由于它們尤其是在低損耗快速開(kāi)關(guān)、高擊穿電壓(BV)、高工作溫度和良好耐輻射性方面的潛力，對(duì)于高功率和高頻應(yīng)用具有很大的吸引力。在功率調(diào)節(jié)應(yīng)用中，改善了高頻開(kāi)關(guān)的效率，因此該器件也可以被用作以脈沖工作的RF功率放大器。然而，AlGaN/GaN HFET受到諸如電流陡降以及高的柵極和漏極漏電流這樣的問(wèn)題困擾，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)際的應(yīng)用，這些問(wèn)題必須解決。電流陡降可能造成開(kāi)關(guān)能力的退化和導(dǎo)通電阻的增加。鈍化作為通過(guò)封裝表面狀態(tài)而抑制電流陡降的解決方案被廣泛研究。然而，盡管傳統(tǒng)的鈍化層，如Si3N4，可以緩和電流陡降現(xiàn)象(見(jiàn)下面的參考文獻(xiàn)1)，但它們是不容易再現(xiàn)的，并且往往使擊穿特性惡化(見(jiàn)下面的參考文獻(xiàn)2-3)。其它方法，諸如預(yù)鈍化等離子處理、退火和/或利用場(chǎng)極板等等，也能夠緩和電流陡降(見(jiàn)下面參考文獻(xiàn)4-6)，然而，它們往往增大了導(dǎo)通電阻和/或引起其它問(wèn)題。對(duì)于肖特基柵極，高的漏電流阻止了高擊穿電壓的實(shí)現(xiàn)，并且也引起高功耗。最近，有許多關(guān)于在絕緣體作為柵極電介質(zhì)和/或器件鈍化的應(yīng)用方面的報(bào)告(見(jiàn)下面的參考文獻(xiàn)7-9)。雖然某些可以抑制柵極漏電流，但它們往往引起電流陡降(current slump)、 降低BV、或增加導(dǎo)通電阻。希望有一種用于高功率快速開(kāi)關(guān)器件的解決方案，它可以解決電流陡降、持續(xù)的柵極泄漏、以及過(guò)早擊穿的問(wèn)題，同時(shí)保持低的導(dǎo)通電阻。有許多應(yīng)對(duì)與功率開(kāi)關(guān)有關(guān)的材料或器件的優(yōu)化的參考文獻(xiàn)或現(xiàn)有技術(shù)。例如， 下面提到的參考文獻(xiàn)1-13 :(這些文獻(xiàn)也在本說(shuō)明書的通篇引用。)1. B. M. Green, K. K. Chu, Ε. Μ. Chumbes, 1. Α. Smart, 1. R. Shealy, L. F. Eastman, IEEE Electron Dev. Lett. 21，268(2000)。2. Y. Ando, Y. Okamoto, H. Miyamoto, N. Hayama, T. Nakayama, K. Kasahara, and M. Kuzuhara, IEDM Tech. Dig.，381 (2001)。3. H. Kim, R. M. Thompson, V. Tilak, T. R. Prunty, 1. R. Shealy, and L. F. Eastman, IEEE Electron Dev. Lett. 24,421(2003) 4. A. P. Edwards, 1. A. Mittereder, S. C. Binari, D. S. Katzer, D. F. Storm, and 1. A. Roussos, IEEE Electron Dev. Lett. 26，225(2005)。
5. H. Kim, 1. Lee, D. Liu, and W. Lu, App 1. Phys. Lett. 86，143505 (2005)。6. A. Brannick, N. A. Zakhleniuk, B. K. Ridley, 1. R. Shealy, W. 1. Schaff, and L. F. Eastman, IEEE Electron Dev. Lett. 30,436(2009)。7. C. Liu, E. F. Chor, and L. S. Tan, Semicond. Sci. Technol. 22，522 (2007)。8. S. Yagi, M. Shimizu, M. Inada, Y. Yamamoto, G. Piao, H. Okumura, Y. Yano, N. Akutsu，H.Ohashi，Solid State Electron. 50,1057(2006) 9. A. Koudymov, N. Pala, V. Tokranov, S. Oktyabrsky, M. Gaevski, R. Jain, 1. Yang, X. Hu, M. Shur, R. Gaska, and G. Simin, IEEE Electron Dev. Lett. 30,478(2009)。10. M. A. Khan,G. Simin, 1. Yang, 1. Zhang, A. Koudymov,M. S. Shu r, R. Gaska, X. Hu, and A. Tarakj i, IEEE Trans. Microw. Theory Tech.51,624 (2003)。11. G. Simin, X. Hu, A. Tarakji, 1. Zhang, A. Koudymov, S. Saygi, 1. Yang, M. A. Khan, M. S. Shur, and R. Gaska, Jpn. 1. App 1. Phys. 40，L1142 (2001)。12. X. Hu, A. Koudymov, G. Simin, 1. Yang, M. A. Khan, A. Tarakji, M. S. Shur, and R. Gaska, App 1. Phys. Lett. 79，2832 (2001)。13. Y. C. Choi, 1. Shi, M. Pophristic, M. G. Spencer, and L. F. Eastman, 1. Vac. Sci. Technol. B 25，1836(2007)。然而，在這里引入了新的器件和用于生產(chǎn)這樣的器件的方法，以使得性能進(jìn)一步優(yōu)化，具有新的特征，如在下面詳細(xì)描述的。發(fā)明人構(gòu)建本發(fā)明部分是基于以下論文標(biāo)題為“High Performance AlGaN/GaN Power Switch with HfO2 Insulation，，,作者為 Junxia Shi 禾口 Lester F. Eastman (來(lái)自 School of Electrical and Computer Engineering, Cornell University, Ithaca, New York 14853)，以及Xiaobin Xin 和Milan Pophristic (來(lái)自 Velox Semiconductor Corp., Somerset, New Jersey 08873)。但是請(qǐng)注意，所有的發(fā)明和創(chuàng)造性步驟是在康奈爾大學(xué)由兩名康奈爾研究人員、 即在本申請(qǐng)的發(fā)明人列表中的當(dāng)前(和僅有的)兩個(gè)發(fā)明人完成的。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，高性能AWaN/GaN金屬-絕緣體-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MISHFET)是使用HfO2(二氧化鉿)作為表面鈍化和柵極絕緣體來(lái)制作的。柵極和漏極漏電流在擊穿之前被急劇減小到幾十nA。在沒(méi)有場(chǎng)極板的情況下，對(duì)于10 μ m的柵極-漏極間隔，關(guān)斷狀態(tài)擊穿電壓是1035V，具有0. 9mQ-cm2的單位導(dǎo)通電阻。另外，從脈沖測(cè)量結(jié)果沒(méi)有觀察到電流陡降。這是對(duì)藍(lán)寶石上基于fei-N的快速功率開(kāi)關(guān)器件的至今為止所報(bào)告的最佳的性能，其有效地將優(yōu)越器件的正向特性、反向特性和開(kāi)關(guān)特性結(jié)合起來(lái)。


圖1示出了所制作的HfO2 AlGaN/GaN MISHFET的示意性截面圖。(Ls/Ld 源極/ 漏極歐姆接觸長(zhǎng)度，Lsg 源極-柵極間隔，Lg 柵極長(zhǎng)度，Lgd 柵極-漏極間隔)。圖2示出了所制作的HfO2 AlGaN/GaN MISHFET的導(dǎo)通狀態(tài)直流特征(JDS，max=575mA/mmiVGS = +IV, ARon = 0. 9m Ω -cm2)。傳輸特性(未示出)表明對(duì)于 MISHFET， gm, max = 160mS/mm, VT = -6V，而對(duì)于在同一晶片上制作的 HFET，gm, max = 182mS/mm, VT =-4. 5V0圖3示出了在同一晶片上制作的HfO2 AlGaN/GaN MISHFET和HFET的脈沖I-V特性。脈寬為10μ s，占空比為50%。返回的電流在消除柵極脈沖后立即被測(cè)量。返回電流從在零柵極偏置的DC值IDS(O)的減小表示電流陡降。圖4示出了所制作的HfO2 AlGaN/GaN MISHFET (Lgd =IOym)的關(guān)斷狀態(tài)擊穿特性。正好在1035V擊穿之前的柵極和漏極漏電流是50nA/mm。圖5示出了對(duì)于在本工作中在藍(lán)寶石上制作的HfO2 AlGaN/GaN MISHFET (Lgd = 10 μ m)和按照參考文獻(xiàn)13 (同一個(gè)研究小組)制作的HFET的單位導(dǎo)通電阻(ARon)與擊穿電壓(BV)之間的關(guān)系。圖6a_b分別示出了沉積的HfO2層的進(jìn)行緩沖的HF預(yù)處理和不進(jìn)行緩沖的HF預(yù)處理的漏電流測(cè)試的結(jié)果。對(duì)于沉積的HfO2層進(jìn)行緩沖的HF預(yù)處理，漏電流顯著減小。圖7a_b分別示出了 HfO2層的進(jìn)行后處理和不進(jìn)行后處理的關(guān)斷狀態(tài)擊穿測(cè)試的結(jié)果。對(duì)于進(jìn)行后處理的情況，擊穿電壓為1035V。對(duì)于不進(jìn)行后處理的情況，擊穿電壓為 720V。
具體實(shí)施例方式在一個(gè)實(shí)施例中，得到無(wú)電流陡降的HfO2金屬-絕緣體-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MISHFET)，其具有10 μ m的柵極-漏極間隔，0. 9m Ω -cm2的單位導(dǎo)通電阻(ARon)和 1035V的BV，沒(méi)有任何場(chǎng)極板設(shè)計(jì)。另外，在硬擊穿之前的柵極/漏極漏電流低至幾十nA。在一個(gè)實(shí)施例中，材料結(jié)構(gòu)從在藍(lán)寶石襯底上的30nm的AlN成核層開(kāi)始，在該AlN 成核層的頂部通過(guò)金屬-有機(jī)物化學(xué)蒸汽沉積(CVD)形成AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，可以使用不同的襯底，例如但不限于碳化硅、硅、藍(lán)寶石、氧化鋅、石英、熔融的硅、 硅、陶瓷襯底、或者甚至是自支撐GaN。在一些實(shí)施例中，外延結(jié)構(gòu)可以是任何III族氮化物材料，例如但不限于AWaN/GaN(在本例中所使用)、InAlN/GaN和AIN/GaN。在AlGaN阻隔層與GaN緩沖層之間有Inm的AlN間隔層(厚度可以是從0. 7nm至Ij 1.5nm)，以更好地限制載流子，并使得交界面(interface)散射最小化。緩沖層被優(yōu)化以增強(qiáng)電阻率。盡管在本實(shí)施例中阻隔層為23nm，Al的百分比為27%，但在其它實(shí)施例中，該阻隔層的厚度和Al的百分比也可以為不同數(shù)值。該結(jié)構(gòu)用2nm的GaN覆蓋，以增強(qiáng)源極與漏極接觸導(dǎo)電率，并限定了它們之間的主動(dòng)區(qū)。室溫C-V測(cè)量結(jié)果顯示在二維電子氣體通道中的載流子密度為9. 3X1012cm_2，在緩沖層中的載流子密度低于lX1013cm_3。對(duì)于本實(shí)施例所制作的器件的示意性截面圖在圖1中示出。Cr/Pt被敷設(shè)作為步進(jìn)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(st印per alignment mark)。此后，在ICP-RIE蝕刻設(shè)備中使用基于氯的氣體混合物執(zhí)行臺(tái)面型晶體蝕刻(mesa etching)。隨后，Ta/Ti/Al/Mo/Au歐姆金屬疊層被蒸發(fā)。在快速熱退火后，片上轉(zhuǎn)移長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果顯示具有0.6 Ω-mm的歐姆接觸轉(zhuǎn)移電阻率和390Ω/平方單位的片電阻率。接著，通過(guò)原子層沉積(ALD)敷設(shè)15nm的Hf02。然后， Ti/Au金屬疊層被蒸發(fā)和剝離，作為柵極觸點(diǎn)。最后，通過(guò)等離增強(qiáng)的CVD敷設(shè)Si3N4附加層，作為封裝層，以避免諸如由于環(huán)境條件而造成的電弧這樣的問(wèn)題。源極-漏極間隔Lsg被固定在1.5μπι，柵極長(zhǎng)度Lg為Ιμπι。柵極寬度Wg為125 μ mX 2。柵極-漏極間隔Lgd 為10 μ m。源極/漏極接觸長(zhǎng)度Ls/Lg被固定在7 μ m。如圖2所示的導(dǎo)通狀態(tài)直流JDS-VDS曲線用HP4142B模塊化源/監(jiān)視器和微波探頭進(jìn)行測(cè)量，VGS以-IV的步長(zhǎng)從+IV掃描到6V。最大電流密度JDS，max為575mA/mm。導(dǎo)通狀態(tài)JDS-VDS特性的負(fù)斜率是由于因藍(lán)寶石襯底的低導(dǎo)熱率而引起的加熱效應(yīng)。器件主動(dòng)區(qū)A由臺(tái)面型晶體蝕刻處理而限定，它包括源極到漏極區(qū)域和源極/漏極接觸區(qū)域(A = (Ls+Lsg+Lg+Lgd+Ld) xffg)。器件導(dǎo)通電阻Ron是在VGS = OV時(shí)在導(dǎo)通狀態(tài)直流JDS-VDC 曲線的JDS = JDS,max/2處測(cè)得的。單位導(dǎo)通電阻ARon被定義為Ron與A的乘積，它的測(cè)量值為 0. 9m Ω-cm2。傳輸特性是在5V的VDS下測(cè)量的。MISHFET的峰值跨導(dǎo)gm，max為160mS/mm，閾值電壓VT為-6V。為了進(jìn)行比較，在同一晶片上制作的HFET的gm，max和VT分別為lS^iiS/ mm和-4.5V。由于與低介電常數(shù)絕緣體相比，HfO2具有高介電常數(shù)(約21)，其轉(zhuǎn)換成有效的柵極調(diào)制，因此與HFET相比，MISHFET的跨導(dǎo)的減小小于15%，并且閾值的增加很小。還應(yīng)當(dāng)提出的是，與HFET相比，MISHFET的柵極電壓波動(dòng)增加約20%，假設(shè)有更為線性的表現(xiàn)，因此得到開(kāi)關(guān)應(yīng)用中較低的非線性失真。利用在文獻(xiàn)(參閱參考文獻(xiàn)10-1 中建議和使用的“返回電流”技術(shù)來(lái)執(zhí)行脈沖 I-V,以研究在所制作的HfO2 MISHFET中的電流陡降方面。脈沖發(fā)生器、示波器、直流電源和探頭測(cè)試站被使用于測(cè)量。對(duì)于這些測(cè)量，漏極-源極偏壓被恒定地固定在飽和區(qū)域中的一個(gè)數(shù)值(VDS = 8V)，它通常被用來(lái)揭示電流陡降(參閱參考文獻(xiàn)10-12)。然后，給柵極電壓加上IOOkHz頻率、50%占空比的脈沖。柵極電壓脈沖幅值從負(fù)的數(shù)值VGP變化到OV (開(kāi)路通道)。在柵極電壓返回到零之后立即測(cè)得的電流被稱為“返回電流” IPLS(O)。對(duì)于沒(méi)有電流陡降的器件，對(duì)于任何VGP數(shù)值的返回電流等于在零柵極偏壓IDC(O)時(shí)的穩(wěn)態(tài)直流電流，即IPLS(O)/IDC(O) = 1?！胺祷仉娏鳌迸cIDC(O)的偏差是電流陡降程度的量度。對(duì)于在同一個(gè)芯片上制作的MISHFET和HFET，在零柵極偏壓下被歸一化到直流電流的脈沖返回電流相對(duì)于被歸一化到閾值電壓的柵極電壓的曲線在圖3中示出。對(duì)于HFET，與表面陷阱有關(guān)的電流陡降被清楚地顯示出來(lái)。然而，對(duì)于MISHFET， 在負(fù)的柵極脈沖電壓下的器件電流返回到它的直流值，表明HfO2層的存在完全消除了電流陡降。還可以觀察到對(duì)于MISHFET電流稍有增加，這可能是由于在脈沖測(cè)量下的熱量生成減小50%而造成的。HfO2 MISHFET的脈沖和直流傳輸曲線也在圖3中示出。應(yīng)當(dāng)注意的是，MISHFET的閾值電壓在脈沖和直流的條件下是相同的。這說(shuō)明在 HfO2AWaN之間的交界面上的缺陷密度在所施加的頻率下是非常低的。低的交界面缺陷密度可能是抑制電流陡降的主要原因。在該文獻(xiàn)中，有關(guān)于從AlGaN/GaN FET得到的高擊穿電壓的許多報(bào)告。然而，受限于材料質(zhì)量和工藝技術(shù)，擊穿電壓在ImA/mm那樣高的電流水平下被寬泛地定義。按照這一標(biāo)準(zhǔn)，在高的工作電壓下關(guān)斷狀態(tài)功率消耗過(guò)高，使得(在文獻(xiàn)中報(bào)告的)這些器件對(duì)于實(shí)際應(yīng)用是不現(xiàn)實(shí)的。相反，對(duì)于我們的器件，對(duì)于當(dāng)前例子的測(cè)試，所制作的MISHFET的關(guān)斷狀態(tài)擊穿特性通過(guò)使用Tektronix 370A曲線示蹤器在-8V的VGS下進(jìn)行測(cè)量。幾乎測(cè)量的所有器件被施加偏壓以至被破壞。如圖4所示，恰好在器件擊穿之前的柵極漏電流和漏極漏電流低至50nA/mm。對(duì)于具有10 μ m的柵極-漏極間隔、沒(méi)有任何場(chǎng)極板設(shè)計(jì)的MISHFET，重復(fù)測(cè)試到在1035V時(shí)的硬擊穿。圖5(連同來(lái)自康奈爾大學(xué)的同一研究小組的參考文獻(xiàn)13的某些先前結(jié)果一起) 表明了具有Lgd = 10 μ m的所制作的MISHFET的BV-ARon關(guān)系。具有0. 9mΩ-cm2的Aron 的1035V的BV的性能，比起已知的最好結(jié)果來(lái)說(shuō)，是對(duì)在藍(lán)寶石襯底上制作的基于GaN的 FET曾經(jīng)報(bào)告的最佳的性能。功率器件品質(zhì)因數(shù)(figureof merit) (BV2/ARon)約為 1. ^clO9V2/( Ω-cm2)。如通過(guò)模擬普通器件工作的脈沖測(cè)量所顯示的那樣，電流陡降的完全消除和顯著較低的漏電流使得HfO2 MISHFET成為高功率和快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用的卓越備選器件。耐·跳■白垂_口 /雕處_ 利用HfO2層的預(yù)處理和后處理的實(shí)施例顯示了改善的電流和擊穿電壓性能。圖 6Α和6Β分別示出了沉積的HfO2層進(jìn)行緩沖的HF預(yù)處理和不進(jìn)行緩沖的HF預(yù)處理的漏電流測(cè)試的結(jié)果。對(duì)于沉積的HfO2層進(jìn)行緩沖的HF預(yù)處理，漏電流顯著減小。類似地，圖7Α和7Β 分別示出了沉積的HfO2層進(jìn)行后處理和不進(jìn)行后處理的關(guān)斷狀態(tài)擊穿測(cè)試的結(jié)果。對(duì)于進(jìn)行后處理，擊穿電壓是1035V。對(duì)于不進(jìn)行后處理，擊穿電壓是720V。在這個(gè)實(shí)施例中，器件制作是從在片上形成對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記后進(jìn)行臺(tái)面型晶體蝕刻以實(shí)現(xiàn)器件隔離開(kāi)始的。這是在基于氯的氣體混合物中在幾分鐘內(nèi)完成的，取決于特定的條件 (例如在10到15毫托的壓力下，具有40W的RIE功率的BC13/C12/Ar，其具有在100至Ij 120V范圍內(nèi)的直流偏壓，約400W的ICP功率，在1到2分鐘內(nèi))。隨后，通過(guò)光刻限定歐姆幵口 (ohmic openings) οA. Basu等開(kāi)發(fā)出了歐姆金屬層堆疊，通過(guò)使用Mo/Al/Mo/Au金屬疊層，在低溫(500C)下退火，進(jìn)行SiCl4等離子體處理，如在J. Vac. ki. Technol. B 24，L 16-L1 8(2006)中提及的。在歐姆金屬蒸發(fā)之前，進(jìn)行等離子處理。該等離子處理可以在任何等離子蝕刻工具中完成。所使用的化學(xué)物質(zhì)是SiCl4,具有約20到30SCCm的流率，壓力在從20毫托到30 毫托的范圍內(nèi)。所使用的RIE功率在130到170W的范圍內(nèi)。處理時(shí)間是從1到2分鐘。在等離子體處理后，芯片被立即傳送到蒸發(fā)器，以進(jìn)行歐姆金屬沉積。由于存在 AlN間隔層，采用Ta/Ti/Al/Mo/Au金屬層方案。Ta厚度可以是從70到150八，Ti厚度可以是約150A，Al約為900A，Mo約為450A，以及Au約為500八。此后，芯片在N2中在500到600C下被退火約1到3分鐘。使用片上轉(zhuǎn)移長(zhǎng)度法來(lái)檢驗(yàn)接觸電阻率和片電阻率。觀察到的通道傳導(dǎo)性沒(méi)有降低。在這個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)晶片表面通過(guò)緩沖的HF和/或HCl進(jìn)行清洗約0. 5到2分鐘時(shí)，半導(dǎo)體表面的緩沖HF預(yù)處理在電介質(zhì)(HfO2)原子層沉積之前發(fā)生。用于HfO2電介質(zhì)沉積的溫度可以是從100到400C，推薦的范圍是從200到300C。 然而，其它類似的溫度范圍基本上同樣可行，得到類似的結(jié)果。電介質(zhì)的厚度可以是在50 至丨J200A的范圍內(nèi)。隨后，電介質(zhì)層在300到450C的溫度范圍內(nèi)被退火01 )2層的后處 S) 20到45分鐘。
作為替代，HfO2層的后處理可以由包含等離子體的遠(yuǎn)端F和H進(jìn)行處理。后處理可以在諸如H2、NH3、02j2或它們的組合那樣的氣體源的環(huán)境下進(jìn)行。然后，厚度為1000到 1500 A的附加的Si3N4封裝層通過(guò)等離子增強(qiáng)化學(xué)蒸汽沉積而被敷設(shè)。這個(gè)封裝層可以是 Si3N4, SiO2, HfO2^Al2O3或其它類似的材料。沉積的溫度可以在250到400C的范圍內(nèi)變化。隨后，通過(guò)光刻限定柵極開(kāi)口，封裝層通過(guò)使用CHF3/02氣體混合物而被干蝕刻，Ti/Au金屬疊層被沉積作為柵極。作為替代， 柵極層沉積可以在封裝層沉積之前進(jìn)行。本實(shí)施例中制作的器件具有0. 9 Ω -cm2的低的單位導(dǎo)通電阻，以及對(duì)于ΙΟμπι的柵極-漏極間隔(Lgd)的1035V的高擊穿電壓，其中沒(méi)有采用任何場(chǎng)極板。在硬擊穿之前的柵極和漏極漏電流低至約50nA/mm，在脈沖電流-電壓測(cè)量下沒(méi)有觀察到電流陡降/擴(kuò)散?？偟膩?lái)說(shuō)，在一個(gè)實(shí)施例中，我們制造、設(shè)計(jì)和研究了使用HfO2作為鈍化和柵極電介質(zhì)的某些MISHFET，如AlGaN/GaN MISHFET.除了基本上沒(méi)有電流陡降和直至硬擊穿之前漏電流非常低以外，MISHFET表現(xiàn)出具有0. 9 Ω -cm2的低的單位導(dǎo)通電阻和對(duì)于10 μ m的柵極-漏極間隔的1035V的擊穿電壓的優(yōu)越性能，其中沒(méi)有采用任何場(chǎng)極板設(shè)計(jì)。本實(shí)施例提供了可以保持超過(guò)1000伏和更高的高擊穿電壓、并具有50nA/mm數(shù)量級(jí)的超低漏電流的晶體管，同時(shí)其表現(xiàn)出具有低于1 Ω-cm2的導(dǎo)通電阻，以及在脈沖電流-電壓測(cè)量中展現(xiàn)了最小的電流陡降/擴(kuò)散。這些特性對(duì)于功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用是特別有利的。通過(guò)比較，RF開(kāi)關(guān)可被用于接通和關(guān)斷相對(duì)較低功率的微波或射頻信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，RF開(kāi)關(guān)的切換速率不快，切換電壓不高。相反，本發(fā)明的實(shí)施例之一提供了能夠在低占空比下進(jìn)行高電流、高電壓、高功率和在幾十到幾百M(fèi)Hz范圍內(nèi)的快速切換的器件。它允許當(dāng)在這樣的應(yīng)用中使用時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的功率調(diào)節(jié)。對(duì)于一個(gè)實(shí)施例，提供了包含HfO2鈍化層的功率開(kāi)關(guān)異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶體管。對(duì)于一個(gè)實(shí)施例，提供了功率開(kāi)關(guān)異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶體管，其中鈍化層是非晶形的。對(duì)于一個(gè)實(shí)施例，提供了制作功率開(kāi)關(guān)異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶體管的方法，包括對(duì)HfO2鈍化層進(jìn)行預(yù)處理，形成HfO2鈍化層；并對(duì)于HfO2鈍化層進(jìn)行后處理。對(duì)于一個(gè)實(shí)施例，提供了獲得歐姆接觸電阻的方法。對(duì)于一個(gè)實(shí)施例，提供了氧化處理方法。對(duì)于一個(gè)實(shí)施例，提供了改善漏電流和擊穿電壓的方法。應(yīng)當(dāng)注意的是，圖2-7示出了對(duì)于卓越的和破紀(jì)錄的器件結(jié)果來(lái)說(shuō)，來(lái)自本發(fā)明的實(shí)施例的預(yù)料不到的結(jié)果和協(xié)同作用相對(duì)于所有現(xiàn)有技術(shù)或它們的組合是非顯而易見(jiàn)的。在這樣描述了高性能和快速功率開(kāi)關(guān)的幾個(gè)實(shí)施例后，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員更為清楚的是，以上詳細(xì)描述的內(nèi)容意圖僅僅作為示例而給出，并非起限制作用。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，能夠做出和預(yù)期各種替代方案、改進(jìn)和修改，盡管這里沒(méi)有明確闡述。這些替代方案、改進(jìn)和修改這里是作為建議，它們均落入到要求保護(hù)的本發(fā)明的主旨和范圍內(nèi)。雖然這里對(duì)所描述的實(shí)施例公開(kāi)了特定的定值點(diǎn)和范圍，但其它實(shí)施例也可以采用其它定值點(diǎn)、尺度和范圍，其仍落入到要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍內(nèi)。在所公開(kāi)的實(shí)施例中描述的方法或過(guò)程步驟僅僅是示例。對(duì)于這里所描述的過(guò)程步驟(或操作)可以有許多變體而不背離本發(fā)明的主旨。 例如，這些步驟可以以不同的次序被執(zhí)行，或者可以增加、刪除或修改步驟。所有的這些變體被認(rèn)為是要求保護(hù)的本發(fā)明的一部分。另外，除了如在權(quán)利要求中規(guī)定的以外， 處理單元或序列的提及次序、或者數(shù)目、字母或其它指代的使用并不意圖把要求保護(hù)的方法過(guò)程限制為任何次序。因此，要求保護(hù)的本發(fā)明僅僅由所附權(quán)利要求書及其等同來(lái)限定。 以上指導(dǎo)的任何變體也將被本專利申請(qǐng)所覆蓋。
權(quán)利要求
1.一種晶體管器件，所述晶體管器件包括 第一半導(dǎo)體層；第二半導(dǎo)體層；以及由HfO2或者任何鉿和氧化物復(fù)合物的變體構(gòu)成的鈍化層。
2.—種生產(chǎn)或制作晶體管器件的方法，所述方法包括以下步驟 沉積第一半導(dǎo)體層；沉積第二半導(dǎo)體層；以及沉積由HfO2或者任何鉿和氧化物復(fù)合物的任何變體構(gòu)成的鈍化層。
3.如在權(quán)利要求1中所述的晶體管器件，其中所述晶體管器件包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)交界面。
4.如在權(quán)利要求1中所述的晶體管器件，其中所述晶體管器件是功率開(kāi)關(guān)晶體管。
5.如在權(quán)利要求1中所述的晶體管器件，其中所述晶體管器件是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
6.如在權(quán)利要求1中所述的晶體管器件，其中所述晶體管器件是AlGaN/GaN晶體管。
7.如在權(quán)利要求1中所述的晶體管器件，其中所述鈍化層是非晶形的。
8.—種生產(chǎn)或制作晶體管器件的方法，所述方法包括以下步驟 對(duì)于HfO2鈍化層進(jìn)行預(yù)處理；形成所述HfO2鈍化層；以及對(duì)所述HfO2鈍化層進(jìn)行后處理。
9.如在權(quán)利要求1中所述的晶體管器件，其中所述晶體管器件包括一個(gè)或多個(gè)III-V 族化合物層。
10.如在權(quán)利要求1中所述的晶體管器件，其中所述晶體管器件包括一個(gè)或多個(gè)非晶、 多晶或晶體層。
11.如在權(quán)利要求1中所述的晶體管器件，其中所述晶體管器件包括一個(gè)或多個(gè)贗晶層。
12.如在權(quán)利要求1中所述的晶體管器件，其中所述晶體管器件包括一個(gè)或多個(gè)金屬層。
13.如在權(quán)利要求1中所述的晶體管器件，其中所述晶體管器件包括一個(gè)或多個(gè)半絕緣的、絕緣的、或氧化物的層。
14.如在權(quán)利要求1中所述的晶體管器件，其中所述晶體管器件是金屬-絕緣體-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
15.如在權(quán)利要求1中所述的晶體管器件，其中所述晶體管器件包括柵極絕緣體。
16.如在權(quán)利要求8中所述的方法，其中對(duì)所述HfO2鈍化層進(jìn)行所述后處理包括以下步驟中的一個(gè)或多個(gè)用包含等離子體的遠(yuǎn)端F和H進(jìn)行處理，在Η2、ΝΗ3、02、Ν2或它們的組合的環(huán)境下進(jìn)行后處理，或者沉積包含Si3N4、SiO2, HfO2或AlO3的封裝層。
17.如在權(quán)利要求1中所述的晶體管器件，其中所述晶體管器件是在從以下材料中的一種或多種中選擇的襯底上產(chǎn)生或制作的碳化硅、硅、藍(lán)寶石、氧化鋅、石英、熔融的硅、 硅、陶瓷襯底或自支撐GaN。
18.如在權(quán)利要求1中所述的晶體管器件，其中所述晶體管器件包括AlN間隔層。
19.如在權(quán)利要求1中所述的晶體管器件，其中所述晶體管器件包括Mo/Al/Mo/Au金屬置層。
20.如在權(quán)利要求8中所述的方法，其中對(duì)所述HfO2鈍化層進(jìn)行所述預(yù)處理包括以下步驟中的一個(gè)或多個(gè)通過(guò)緩沖的HF和/或HCl來(lái)清洗表面。
全文摘要
在一個(gè)例子中，描述了一種新的高性能AlGaN/GaN金屬-絕緣體-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MISHFET)，其使用HfO2作為表面鈍化和柵極絕緣體來(lái)制作。在擊穿之前，柵極和漏極漏電流被急劇減小到幾十nA。在無(wú)場(chǎng)極板的情況下，對(duì)于10μm的柵極-漏極間隔，關(guān)斷狀態(tài)擊穿電壓是1035V，具有0.9mΩ-cm2的單位導(dǎo)通電阻。另外，從脈沖測(cè)量結(jié)果沒(méi)有觀察到電流陡降。這是對(duì)藍(lán)寶石上的基于GaN的快速功率開(kāi)關(guān)器件的至今為止所報(bào)告的最佳的性能，它有效地將優(yōu)越器件的正向特性、反向特性和開(kāi)關(guān)特性結(jié)合起來(lái)。這里還提及了其它的變體、特征和例子。
文檔編號(hào)H01L29/04GK102473720SQ201080031624
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月13日
發(fā)明者石俊夏, 萊斯特·F·伊士曼 申請(qǐng)人:康奈爾大學(xué)