專利名稱：具有低正向偏置集成二極管的高電子遷移率晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高電子遷移率晶體管，具體涉及具有低正向偏置集成二極管的高電子遷移率晶體管。
背景技術(shù)：
以GaN/AlGaN技術(shù)制成的傳統(tǒng)高電子遷移率晶體管(HEMT)通常為多數(shù)載流子器件，即，在確定器件的電氣性能時主要僅涉及一種載流子(電子或空穴)。與傳統(tǒng)硅體二極管相比，上述特征對III-V族二極管特別有利。就硅體二極管而言，其主要的電氣性能是通過摻雜和器件尺寸控制，并且少數(shù)和多數(shù)載流子均影響器件操作。具體地，在開關(guān)操作器件，傳統(tǒng)硅器件會經(jīng)歷所謂的“反向恢復(fù)時間”，它表示器件能進入阻斷模式操作之前移走在器件導(dǎo)通期間存儲的電荷所需的時延。該反向恢復(fù)時間延遲特別有害，因為它會極大地增加開關(guān)損耗。為了這一特殊原因，在不能容忍由于二極管反向恢復(fù)時間所導(dǎo)致的更高損耗的應(yīng)用中，肖特基二極管以及一般多數(shù)載流子器件是優(yōu)選的。與傳統(tǒng)硅技術(shù)相比，GaN/AlGaN技術(shù)由于在電路驅(qū)動能力、擊穿強度以及開關(guān)頻率等方面具有更高性能而代表著功率電子學(xué)上的一大進步。傳統(tǒng)的現(xiàn)代GaN/AlGaN技術(shù)的一個主要特征是其難于在器件內(nèi)準(zhǔn)確控制并進行摻雜，這也是對于形成集成二極管的不利條件。事實上，典型GaN/AlGaN器件的主要電氣性能是通過允許在不使用摻雜的情況下調(diào)節(jié)器件性能的極化電荷控制?？刂艻II-V族材料內(nèi)的摻雜(尤其是P型摻雜)的難度呈現(xiàn)了設(shè)計高阻塞模式和低正向偏置二極管的主要障礙。就典型的GaN/AlGaN HEMT而言，沒有通常在典型硅器件中呈現(xiàn)的真正的體二極管。然而，當(dāng)HEMT器件處于關(guān)斷狀態(tài)(off-state)條件時，S卩，在柵電極下方?jīng)]有電子溝道的情況下，可以觀察到將源端子連接至漏端子的偽體二極管(pseudo-body diode)。偽體二極管溝道內(nèi)的電子必須克服一定高度的能量勢壘以便從源電極移至漏電極。與傳統(tǒng)硅技術(shù)不同的是，在GaN技術(shù)中，該勢壘高度不是由摻雜分布固定，而是由材料性能(帶隙，bandgap)還有施加到柵電極的電壓固定。夾斷狀態(tài)下器件偏置得越強烈，偽體二極管的正向偏置越高。 如果向漏電極施加負(fù)電壓，同時器件處于關(guān)斷狀態(tài)條件下，漏極側(cè)的導(dǎo)帶被上拉，從而使得有效勢壘高度(載流子必須克服該高度從而到達(dá)源電極)得以降低。當(dāng)達(dá)到一定閾值電壓時，偽體二極管打開并允許電流在源電極和漏電極之間流動。然而，GaN技術(shù)中這種偽體二極管的典型正向偏置電壓約為3V，并且當(dāng)器件在關(guān)斷狀態(tài)條件下偏置得越強烈時該電壓增加(變成更大的負(fù)電壓)。偽體二極管的這種特性對需要低正向偏置體二極管的所有應(yīng)用中的功率晶體管的開關(guān)行為均帶來負(fù)面影響。一些傳統(tǒng)方法是將具有低正向偏置的橫向肖特基二極管與HEMT結(jié)合。然而，由于串聯(lián)橫向器件的結(jié)合，該方法會導(dǎo)致面積損失。此夕卜，先前存在的GaN基線工藝必須修改從而包括低正向偏置肖特基二極管，這增加了成本。另外，由于表面效應(yīng)，肖特基二極管可能變得不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本文所述實施方式，高電子遷移率晶體管(HEMT)設(shè)置有具有低正向偏置、穩(wěn)定的閾值電壓以及高電流驅(qū)動能力的集成二極管。根據(jù)HEMT的實施方式，HEMT包括源極，柵極，以及漏極，具有提供了在源極和漏極之間的、能夠由柵極控制的第一導(dǎo)電溝道的二維電子氣(2DEG)的第一 III-V族半導(dǎo)體區(qū)，以及在第一 III-V族半導(dǎo)體區(qū)下方并具有連接至源極或漏極且不能夠由柵極控制的第二導(dǎo)電溝道的第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)。第一和第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)由高電子遷移率晶體管中的、具有不同于第一和第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)帶隙的區(qū)而彼此分開。根據(jù)HEMT的另一個實施方式，HEMT包括二極管、提供了設(shè)置在III-V族半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的第一導(dǎo)電溝道的2DEG，第一 2DEG和漏極形成二極管的陰極，以及第一導(dǎo)電溝道下方 的第二導(dǎo)電溝道，第二導(dǎo)電溝道和源極形成二極管的陽極。二極管在高電子遷移率晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)時具有足夠低的能量勢壘以使在關(guān)斷狀態(tài)時二極管具有小于IV的正向偏置電壓。根據(jù)HEMT的又一個實施方式，HEMT包括源極，柵極和漏極，具有提供在源極和漏極之間的、能夠由柵極控制的第一導(dǎo)電溝道的2DEG的第一 GaN區(qū),第一 GaN區(qū)下方并具有第二導(dǎo)電溝道的第二 GaN區(qū)，以及置于第一和第二 GaN層之間的多個AlGaN層以使第一和第二導(dǎo)電溝道由多個AlGaN層而彼此分開。根據(jù)制造具有源極、漏極和柵極的HEMT的方法的一個實施方式，該方法包括設(shè)置第一 III-V族半導(dǎo)體區(qū)，該第一 III-V族半導(dǎo)體區(qū)具有提供了在源極和漏極之間、能夠由柵極控制的第一導(dǎo)電溝道的2DEG ;將第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)設(shè)置在第一 III-V族半導(dǎo)體區(qū)下方，并且第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)具有連接至源極或漏極且不由柵極控制的第二導(dǎo)電溝道；以及設(shè)置具有不同于第一和第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)的帶隙并置于第一和第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)之間的高電子遷移率晶體管區(qū)。本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了以下詳細(xì)描述并且看到附圖之后會認(rèn)識到另外的特性和優(yōu)點。


附圖元件不一定互成比例。相同的參考標(biāo)號表示相應(yīng)的類似部件。各種示出的實施方式的特征可以互相結(jié)合，除非它們彼此排斥。實施方式在附圖中進行了描述并在下列說明書中得到更詳細(xì)說明。圖I示出了具有低正向偏置集成二極管的HEMT的實施方式的橫截面透視圖。圖2示出了包含在圖I的HEMT中的補償結(jié)構(gòu)的實施方式的橫截面透視圖。圖3示出了包含在圖I的HEMT中的補償結(jié)構(gòu)的另一個實施方式的橫截面透視圖。圖4示出了圖I中的集成二極管以及傳統(tǒng)HEMT中所包括的偽二極管的I_V特征的圖示。圖5示出了具有低正向偏置集成二極管的HEMT的另一個實施方式的橫截面透視圖。
具體實施方式
圖I示出了具有集成二極管102的高電子遷移率晶體管(HEMT)IOO的一個實施方式，該集成二極管具有低正向偏置、穩(wěn)定的閾值電壓以及高電流驅(qū)動能力。二極管102在圖I中示意性示出。HEMT100適用于(例如)范圍為約30V至100V的低電壓應(yīng)用。HEMT100包括諸如Si、SiC或藍(lán)寶石晶片的半導(dǎo)體襯底104，并且根據(jù)所用襯底的材料類型可包括形成于襯底104上的諸如AlN層的可選的絕緣層106。諸如GaN層的下III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)108形成于可選的絕緣層106上或直接形成于襯底104上。補償結(jié)構(gòu)110形成于下III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)108上，并且諸如GaN層的上III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)116形成于補償結(jié)構(gòu)110上以使補償結(jié)構(gòu)110介于上III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)116和下III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)108之間。補償結(jié)構(gòu)110具有不同于上III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)116以及下III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)108的帶隙(例如，具有更高帶隙)。根據(jù)一個實施方式，補償結(jié)構(gòu)110包括至少一個含有Al且在下III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)108上形成的層112。能夠選擇補償結(jié)構(gòu)110中最下層112的Al含量，以使二維電子氣(2DEG) 114出現(xiàn)在下III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)108內(nèi)。 2DEG114自動地在下III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)108內(nèi)形成薄導(dǎo)電溝道(反轉(zhuǎn)層)?？商鎿Q地，下III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)108的上層或補償結(jié)構(gòu)110的最下層112可以n+摻雜，例如摻雜濃度至少為lX1018cm_3，以便在下III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)108內(nèi)形成溝道。在任一種情況下(通過應(yīng)變和極化效應(yīng)或摻雜)，下III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)108具有導(dǎo)電溝道。如圖I所示，補償結(jié)構(gòu)110介于上半導(dǎo)體緩沖區(qū)116和下III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)108之間。例如，含有Al的阻擋層(barrier layer) 118 (諸如AlGaN層)形成于上III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)116上。阻擋層118的Al含量足夠高以使2DEG120通過應(yīng)變和極化效應(yīng)出現(xiàn)在上III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)116內(nèi)。2DEG120自動地在高III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)116內(nèi)形成薄導(dǎo)電溝道。這樣，HEMT100具有由補償結(jié)構(gòu)110而彼此分開的上2DEG120及相應(yīng)的上溝道與下溝道(根據(jù)是否采用應(yīng)變和極化效應(yīng)或摻雜來形成上述下溝道來看，可能還具有相應(yīng)的下2DEG114)。諸如GaN層的蓋帽層122形成于阻擋層118上并且柵極(G)形成于蓋帽層122上方以控制HEMT100的溝道(反轉(zhuǎn)層)。由上2DEG120產(chǎn)生的上溝道連接HEMT100的源極(S)和漏極(D)并形成器件的主溝道。柵極控制上溝道是否連續(xù)(導(dǎo)電溝道)以使HEMT100可以在導(dǎo)通狀態(tài)(on-state)中進行操作或者是否夾斷(非導(dǎo)電溝道)以使HEMT100可以經(jīng)由柵電壓在關(guān)斷狀態(tài)中進行操作。正向閾值電壓HEMT通常指“常閉型”HEMT。然而，相反地，HEMT100可以是晶體管具有負(fù)向閾值電壓的“常開型’ ΕΜΤ。集成二極管102不依賴于特定的晶體管配置，例如，常開型或常閉型。相反地，二極管102可以在不進行額外改變的情況下集成至任意類型的HEMT器件。在這個條件下，通過向柵級施加高于閾值電壓的電壓可將HEMT100置于導(dǎo)通狀態(tài)。在導(dǎo)通狀態(tài)下，電流經(jīng)由上溝道從源極(S)流向漏極(D)。通過向柵極施加低于閾值電壓的電壓可將HEMT100置于關(guān)斷狀態(tài)。在關(guān)斷狀態(tài)中，上溝道被夾斷以使得沒有電流(或有最小的電流)從源極流向漏極。在進入關(guān)斷狀態(tài)的阻斷模式之前，通過向漏極施加負(fù)電壓以移走額外的電荷載流子使HEMT100可能有望進入反向關(guān)斷狀態(tài)模式(reverse off-state mode)。在反向關(guān)斷狀態(tài)模式中，HEMT100仍然處于關(guān)斷狀態(tài)，同時上溝道被夾斷。此外，集成二極管102正向偏置并允許電流從源極流過下溝道以及補償結(jié)構(gòu)110，再流過上III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)116，最終集中于漏極。
在正常的器件操作期間，二極管102不會影響HEMT100的運轉(zhuǎn)，在導(dǎo)通狀態(tài)(例如，針對常開型器件的正向柵電壓和正向漏電壓)和關(guān)斷狀態(tài)(針對常開型器件的負(fù)向柵電壓和正向漏電壓)兩種條件下，電流平行于阻擋/上緩沖界面124橫向流動。當(dāng)負(fù)電壓施加到處于關(guān)斷狀態(tài)的漏極，HEMT100進入反向關(guān)斷狀態(tài)模式并且二極管102以低電壓正向偏置。即，當(dāng)漏電壓比源電壓低了正向電壓降時，二極管102正向偏置。HEMT100的源極和漏極穿過蓋帽層122和阻擋層118延伸至上III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)116并在導(dǎo)通狀態(tài)下由上溝道連接。源極或漏極中的任一個進一步延伸至下溝道(例如，延伸至圖I所示的下2DEG114)以便形成與集成二極管102的電連接。圖I示出了延伸至下2DEG114的源極。在一個可替換實施方式中，如括號中表明的，漏極而不是源極更深地延伸至下2DEG114。如上所述，如果采用摻雜而不是應(yīng)變和極化效應(yīng)來形成下溝道，只有下溝道而沒有下2DEG114存在于HEMT100下部。在任何一種情況下，下溝道形成在與下2DEG114大致相同的區(qū)域內(nèi)，因此針對下溝道的單獨參考號未在圖I中示出，針對沿著上2DEG120形成的上溝道的單獨參考號也未示出。在每種情況下，集成二極管102具有由上2DEG 120和漏極形成的陰極以及由下溝·道與源極形成的陽極。HEMT100的溝道和上2DEG 120不受二極管102影響。此外，在HEMT100關(guān)斷狀態(tài)下，二極管102具有足夠低的能量勢壘以使二極管102以IV或更少的電壓(參考負(fù)向漏電壓)正向偏置以進入反向關(guān)斷狀態(tài)模式，在反向關(guān)斷狀態(tài)模式下HEMT 100的溝道保持夾斷(未導(dǎo)通)并且二極管102和下溝道(在一些實施方式中還有2DEG 114)在相反方向(即，從漏極至源極)傳導(dǎo)電流。在一個實施方式中，關(guān)斷狀態(tài)下的二極管102具有足夠低的能量勢壘以使二極管102具有低于O. 8V，甚至低于O. 6V的正向偏置電壓。在一些實施方式中，二極管102的正向偏置電壓在O. IV和O. 6V之間。這種低正向偏置二極管102是通過將補償結(jié)構(gòu)110并入HEMT 100的上2DEG120和下溝道(在一些實施方式中還有下2DEG114)之間而實現(xiàn)的。在一個實施方式中，如上所述，補償結(jié)構(gòu)110含有足夠量的Al以形成下2DEG114(以及下溝道)。通過含有Al的補償結(jié)構(gòu)110可用的極化電荷和不同帶隙形成獨特的導(dǎo)帶分布以使補償結(jié)構(gòu)110具有相對平坦的能量勢壘高度區(qū)，其中電場接近于零。上、下溝道由補償結(jié)構(gòu)110的相對平坦的能量勢壘高度區(qū)分隔。與二極管102相比，HEMT處于關(guān)斷狀態(tài)時上溝道和上III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)116之間的結(jié)具有更高的能量勢壘高度。二極管102的勢壘高度形成較低正向偏置。在一個實施方式中，勢壘高度小于leV，例如為O. 6eV至O. 8eV以便實現(xiàn)具有小于IV的低正向偏置的二極管102。在HEMT100的該下部區(qū)域，例如，小于IeV的低勢壘高度可以通過選擇補償結(jié)構(gòu)110的Al含量以使低導(dǎo)電區(qū)的電場和勢壘高度形成上述形狀而實現(xiàn)。一旦載流子(電子)跨過該勢魚，它們經(jīng)由下溝道(如有，也經(jīng)由下2DEG114)自由地從漏極流向源極。如圖I所示，補償結(jié)構(gòu)110可以包括多個層112，其中一個或多個層含有Al。設(shè)置含有Al的補償結(jié)構(gòu)110不僅能經(jīng)由極化電荷形成下2DEG114，還能固定二極管102的勢壘高度以及兩個載流子儲存器(例如，兩個2DEG)之間的距離。然而，如果上2DEG120和下2DEG114之間的間隔不夠，二極管102可能具有不良雙極行為(例如，二極管可以在兩個方向上傳輸電流)。在HEMT100中補償結(jié)構(gòu)110的插入將二極管102的勢壘高度固定至適合具有低正向偏置的值。此外，與非補償電場的情況不同，二極管102的勢壘高度不隨著上、下溝道之間的距離增大而增高。相反地，補償結(jié)構(gòu)110的存在提供了相對平坦的中央?yún)^(qū)，如上所述，通常導(dǎo)帶分布在該區(qū)內(nèi)是平坦的。補償結(jié)構(gòu)110可以制作成足夠厚以避免二極管發(fā)生雙極行為。二極管102被設(shè)計為具有如上所述的低勢壘高度(因而具有低正向偏置)，通過補償結(jié)構(gòu)110在上、下溝道之間設(shè)置足夠的間隔以使二極管102能在一個方向上但不在相反方向上傳導(dǎo)電流。通過在補償結(jié)構(gòu)110內(nèi)提供厚度適當(dāng)和含有Al的補償層，從而在HEMT100內(nèi)形成具有零電場的中央?yún)^(qū)，如上所述。這種結(jié)構(gòu)在上、下溝道之間提供足夠的間隔，而沒有不利地增加二極管102的正向偏置電壓。在一個實施方式中，上、下溝道至少隔開300nm并且二極管102具有IV或更少的正向偏置電壓。通過恰當(dāng)?shù)剡x擇補償結(jié)構(gòu)110的層厚度以及帶隙，上、下溝道能夠至少隔開500nm，或其間隔介于500nm和I μ m之間或更遠(yuǎn)，并且二極管102仍具有約IV或更低的正向偏置電壓。通常，補償結(jié)構(gòu)110消除了上、下溝道之間的距離對于二極管102的勢壘高度的影響。 圖2示出了圖I的虛線區(qū)126中的、補償結(jié)構(gòu)110的一個實施方式的分解圖。根據(jù)該實施方式，補償結(jié)構(gòu)Iio包括介于上GaN緩沖區(qū)116和下GaN緩沖區(qū)108之間的四個AlGaN層200、210、220、230。上GaN緩沖區(qū)116和下GaN緩沖區(qū)108均具有如本文先前所述的2DEG。圖2中僅下2DEG114可見。補償結(jié)構(gòu)110的層200、210、220、230具有相同或不同的Al含量。在一個實施方式中，補償結(jié)構(gòu)110最上面的層200含有最多Al，例如約4%，在最上層200緊下方的層210含有，例如，約1%的鋁，并且緊靠最下層的層220含有，例如，約2%的Al。補償結(jié)構(gòu)110的最下層230能包括足夠量的Al以通過極化效應(yīng)在下GaN緩沖區(qū)108內(nèi)形成下2DEG114。圖3示出了補償結(jié)構(gòu)110的示例性實施方式。圖3所示結(jié)構(gòu)110類似于圖2所示結(jié)構(gòu)，然而，補償結(jié)構(gòu)110的最下層300不含有可感知的Al，相反地，該層300為n+重?fù)诫s，例如，濃度至少為IXlO1W0同樣地，補償結(jié)構(gòu)110中含有Al的層200、210、220介于上GaN緩沖區(qū)116和補償結(jié)構(gòu)110的最下?lián)诫s(不含有鋁)層300之間。最下層300摻雜足以在補償結(jié)構(gòu)110的最下層300形成導(dǎo)電溝道302，而不必在HEMT100的下部使用2DEG。在每一種情況下，設(shè)置上、下溝道并且補償結(jié)構(gòu)110的厚度以及帶隙確保集成二極管102在HEMT關(guān)斷狀態(tài)下具有低正向偏置、穩(wěn)定的閾值電壓以及高電流驅(qū)動能力。同樣，在每種情況下，補償結(jié)構(gòu)110的層能夠具有相同或不同的厚度。在一個實施方式中，補償結(jié)構(gòu)Iio的層具有接近(例如)約IOnm至20nm的相同厚度。圖4示出了當(dāng)負(fù)向電壓施加到漏電極時關(guān)斷狀態(tài)條件下GaN HEMT的電特性的對t匕。圖表繪制了電壓(X軸)比電流(y軸)。傳統(tǒng)的GaN HEMT (由標(biāo)有“具有二極管”的曲線表示)和本文所述具有集成二極管102的HEMT100 (由標(biāo)有“不具有二極管”的曲線表示)進行了對比。在兩種情況下，晶體管在關(guān)斷狀態(tài)條件下均被偏置，即，主溝道在柵極下方減弱以避免通過溝道從源極到漏極的直流電。隨后負(fù)電壓施加到漏極，并且當(dāng)該電壓到達(dá)充分負(fù)值時，二極管102打開并且電流得以流動。當(dāng)然，相反的柵極和漏極電壓極性用于常開型器件。在傳統(tǒng)的GaN HEMT中，在背景技術(shù)中所描述的偽二極管以大約3V的電壓打開，而本文所描述的集成二極管102具有IV或更少的顯著低正向偏置，例如，約為O. IV至O. 6V(參考負(fù)向漏電壓)。
圖5示出了 HEMT100的另一個實施方式。圖5所示實施方式類似于圖I所示實施方式。然而，不同的是，源極(或漏極)包括從器件頂側(cè)402延伸至上III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)116的上部400以及從器件的對底側(cè)406延伸至下III-V族半導(dǎo)體緩沖區(qū)108的下部404。上源極(或漏極)區(qū)400與上2DEG120電接觸，下第二源極(或漏極)區(qū)404與下溝道(如存在，則還有下2DEG114)電接觸。源極(或漏極)的上部區(qū)400和下部區(qū)404由補償結(jié)構(gòu)110彼此分開。這樣，能夠從頂側(cè)402和底側(cè)406接觸源極(或漏極)。在導(dǎo)通狀態(tài)下，電流通過上溝道和2DEG120從上源極區(qū)400流經(jīng)溝道流入漏極。在反向關(guān)斷狀態(tài)模式中，上溝道被夾斷，電流通過下溝道(如有，通過下2DEG114)和正向偏置二極管102從下源極區(qū)404流入漏極。
本文所述集成二極管102利用能夠由根據(jù)期望的二極管正向偏置點調(diào)節(jié)的勢壘高度而分開的兩個不同溝道。本文所述集成二極管102可以利用極化電荷以實現(xiàn)上2DEG區(qū)120和下2DEG區(qū)114 (或至少上2DEG120，其中下2DEG114可以通過如本文，例如，參考圖3所述的摻雜實現(xiàn))。設(shè)置AlGaN堆疊層作為補償結(jié)構(gòu)110從而將二極管102的勢壘高度固定至期望值。利用足夠的厚度和帶隙，通常補償結(jié)構(gòu)110能抑制二極管雙極行為，同時消除上、下溝道之間的距離對二極管勢壘高度的影響。諸如“在…下面”、“下方”、“下面”、“上方”和“上面”等的空間相對術(shù)語用于簡化說明，用來解釋一個元件相對于第二個元件的位置。除了附圖中所述的不同方位之外，這些術(shù)語還旨在涵蓋了器件的不同方位。另外，諸如“第一”、“第二”等術(shù)語還用于說明各種元件、區(qū)域、部分等并且也不用于限制。整個說明書中相同的術(shù)語表示相同的元件。如本文所用，術(shù)語“具有”、“含有”、“包括”、“包含”以及類似術(shù)語為開放性術(shù)語，它們表示存在已表述的元件或特征，但不排除另外的元件或特征。除非文中另有詳細(xì)指示，冠詞“一個”、“一個”以及“這個”包括復(fù)數(shù)，也包括單數(shù)。應(yīng)理解的是，除非另有明確說明，本文所述各種實施方式的特征可以互相結(jié)合。盡管本文已經(jīng)闡述說明了特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解的是，在不背離本發(fā)明范圍的情況下可用多種可選和/或等效實施方案代替特定實施方式。本申請旨在覆蓋本文所討論的特定實施方式的修改或變形。因此，本發(fā)明只由權(quán)利要求及其同等物限制。
權(quán)利要求
1.一種高電子遷移率晶體管，包括 源極、柵極和漏極； 具有二維電子氣(2DEG)的第一 IIΙ-v族半導(dǎo)體區(qū)，所述二維電子氣(2DEG)提供所述源極和漏極之間的、能夠由所述柵極控制的第一導(dǎo)電溝道； 第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)，在所述第一 III-V族半導(dǎo)體區(qū)下方并具有連接至所述源極或漏極且不能夠由所述柵極控制的第二導(dǎo)電溝道；以及 其中，所述第一和第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)由所述高電子遷移率晶體管的、具有不同于所述第一和第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)的帶隙的區(qū)彼此分隔開。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述第一和第二導(dǎo)電溝道至少分隔開300nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述第一和第二導(dǎo)電溝道至少分隔開500nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述第一和第二導(dǎo)電溝道的間隔在500nm和Iym之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高電子遷移率晶體管，其中，當(dāng)所述高電子遷移率晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，所述第一導(dǎo)電溝道可操作地連接所述源極和所述漏極，并且當(dāng)所述高電子遷移率晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)時，所述第二導(dǎo)電溝道可操作地以反向偏置連接所述源極和所述漏極。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述源極或所述漏極從所述2DEG延伸至所述第二導(dǎo)電溝道。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述源極或所述漏極包括延伸至所述第一 III-V族半導(dǎo)體區(qū)并與所述2DEG電接觸的第一區(qū)；以及延伸至所述第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)并與所述第二導(dǎo)電溝道電接觸的第二區(qū)，所述源極或漏極的所述第一區(qū)和所述第二區(qū)由所述高電子遷移率晶體管的具有不同帶隙的區(qū)而彼此分隔開。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述高電子遷移率晶體管的具有不同帶隙的所述區(qū)包括含有Al并介于所述第一和第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)之間的多個層，從而所述第一和第二導(dǎo)電溝道由所述多個層彼此分隔開。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述多個層具有不同的Al含量。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述多個層中的一個層靠近所述第一 III-V族半導(dǎo)體區(qū)并且Al含量比其他層高。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述多個層中的每個層的厚度至少為10nm。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述多個層中的一個或多個層的Al含量在4%和1%之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高電子遷移率晶體管，還包括置于所述多個層下方的附加層以使所述多個層介于所述第一 III-V族半導(dǎo)體區(qū)和所述附加層之間，其中，所述附加層形成所述第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)并足夠高地?fù)诫s以形成所述第二導(dǎo)電溝道。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述多個層中的一個層靠近所述第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)并含有足夠的Al以使2DEG形成在所述第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)中。
15.一種高電子遷移率晶體管，包括 二極管； 二維電子氣(2DEG)，提供置于III-V族半導(dǎo)體區(qū)中的第一導(dǎo)電溝道，所述第一 2DEG和所述漏極形成所述二極管的陰極；以及所述第一導(dǎo)電溝道下方的第二導(dǎo)電溝道，所述第二導(dǎo)電溝道和所述源極形成所述二極管的陽極，所述二極管在所述高電子遷移率晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)時具有足夠低的能量勢壘以使所述二極管在所述關(guān)斷狀態(tài)時具有小于IV的正向偏置電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的高電子遷移率晶體管，其中，在所述關(guān)斷狀態(tài)下，所述二極管具有小于O. 8V的正向偏置電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的高電子遷移率晶體管，其中，在所述關(guān)斷狀態(tài)下，所述二極管的正向偏置電壓在O. IV和O. 6V之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的高電子遷移率晶體管，其中，在所述關(guān)斷狀態(tài)下，所述二極管具有小于IeV的能量勢壘。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的高電子遷移率晶體管，其中，在所述關(guān)斷狀態(tài)下，所述二極管的能量勢魚小于O. 8eVo
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述第二導(dǎo)電溝道包括與所述第一導(dǎo)電溝道分隔開的摻雜區(qū)。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述第二導(dǎo)電溝道由與置于所述III-V族半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的所述2DEG分隔開的額外2DEG形成。
22.一種高電子遷移率晶體管，包括 源極、柵極和漏極； 具有二維電子氣(2DEG)的第一 GaN區(qū)，所述二維電子氣提供所述源極和漏極之間的、能夠由所述柵極控制的第一導(dǎo)電溝道； 第二 GaN區(qū)，在所述第一 GaN區(qū)下方并具有第二導(dǎo)電溝道；以及 介于所述第一和第二 GaN層之間的多個AlGaN層，以使所述第一和第二導(dǎo)電溝道由所述多個AlGaN層彼此分隔開。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述多個AlGaN層具有不同的Al含量。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述多個AlGaN層中的一個層靠近所述第一 GaN區(qū)并且Al含量比其他AlGaN層高。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述多個AlGaN層中的每個層的厚度至少為10nm。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述多個AlGaN層中的一個或多個層的Al含量在4%和1%之間。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的高電子遷移率晶體管，還包括置于所述多個AlGaN層下方的附加層，以使所述多個AlGaN層介于所述第一 GaN區(qū)和所述附加層之間，其中，所述附加層是所述第二 GaN區(qū)并足夠高地?fù)诫s以形成所述第二導(dǎo)電溝道。
28.根據(jù)權(quán)利要求22所述的高電子遷移率晶體管，其中，所述多個AlGaN層中的一個層靠近所述第二 GaN區(qū)并含有足夠的Al以使2DEG形成于所述第二 GaN區(qū)中。
29.一種制造具有源極、漏極和柵極的高電子遷移率晶體管的方法，包括 設(shè)置具有二維電子氣(2DEG)的第一 III-V族半導(dǎo)體區(qū)，所述二維電子氣(2DEG)提供所述源極和漏極之間的、能夠由所述柵極控制的第一導(dǎo)電溝道； 設(shè)置第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)，所述第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)在所述第一 III-V族半導(dǎo)體區(qū)下方并且具有連接至所述源極或漏極且不能夠由所述柵極控制的第二導(dǎo)電溝道；以及設(shè)置所述高電子遷移率晶體管的、具有不同于所述第一和第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)的帶隙并介于所述第一和第二 III-V族半導(dǎo)體區(qū)之間的區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有低正向偏置集成二極管的高電子遷移率晶體管。其中，該高電子遷移率晶體管包括源極；柵極；漏極；具有二維電子氣(2DEG)的第一III-V族半導(dǎo)體區(qū)，該二位電子氣提供在源極和漏極之間的、由柵極控制的第一導(dǎo)電溝道；以及在第一III-V族半導(dǎo)體區(qū)下方并具有連接至源極或漏極且不由柵極控制的第二導(dǎo)電溝道的第二III-V族半導(dǎo)體區(qū)。第一和第二III-V族半導(dǎo)體區(qū)由具有不同于第一和第二III-V族半導(dǎo)體區(qū)帶隙的高電子遷移率晶體管區(qū)將其互相隔開。
文檔編號H01L29/10GK102956697SQ20121029816
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者吉貝托·庫拉托拉, 奧利弗·黑貝倫 申請人:英飛凌科技奧地利有限公司