[發明專利]用于常關化合物半導體晶體管的柵極堆疊

有效

• 申請號: 201410270020.0
• 申請日: 2014-06-17
• 公開（公告）號: CN104241350B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: G·庫拉托拉
• 申請（專利權）人: 英飛凌科技奧地利有限公司
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/423;H01L29/06;H01L21/335;H01L21/28
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所11256
• 代理人: 王茂華,張寧

技術領域

本申請涉及化合物半導體晶體管，并且更特別地涉及常關的基于III族氮化物(III-nitride)的晶體管。

背景技術

常規HEMT(高電子遷移率晶體管)典型地以GaN技術制作,并且通常表征為負閾值電壓。也就是，即使在不向柵極電極施加任何電壓以開啟晶體管的情況下，電流也在器件的源極端子和漏極端子之間流動。實際上，在GaN技術中，經由源極端子和漏極端子之間的應變和極化效應，在不向柵極電極施加任何電壓的情況下，自動創建薄溝道(反型層)。這樣，該器件通常稱為常開。

HEMT的常開特征是GaN技術的內在特性，并且將GaN技術的應用范圍限制為其中電源可用于生成關閉GaN器件所需的負電壓的那些應用。而且，常開特征使驅動GaN晶體管所需的電路的設計復雜化。

已經試圖制造常關GaN HEMT，即具有正閾值電壓的GaN晶體管。例如，可以在柵極電極下方形成較厚(典型地為100nm或更大)的p型摻雜GaN材料。該厚的p型GaN層使柵極電極下方的反型層耗盡，使閾值電壓偏移到正值。p型GaN層必需足夠厚以創建垂直電場，其使自然出現的反型溝道耗盡并使反型溝道分布在勢壘層下方，勢壘層典型地為AlGaN層。此外，由施加到柵極電極的電壓生成的垂直電場允許反型層的開關調制。

然而，與常規硅技術不同，諸如GaN的大帶隙材料的摻雜并不是微不足道的。實際上，薄p型摻雜GaN層的制造需要非常復雜化的處理。而且，由于GaN層的非均勻摻雜，并且特別是由于露出GaN表面處p型摻雜劑元素的表面積累，會引起閾值電壓不穩定性。此外，可以由器件耐受的最大柵極電壓受pn結在柵極電極下方的存在所限制。一旦達到pn結的內建電壓，大且可能有害的柵極泄漏就直接從柵極接觸向源極電極和漏極電極流動。在柵極電極下方使用厚p型摻雜GaN層也限制器件的跨導，因為柵極電極進一步與反型溝道間隔開與p型GaN層的厚度對應的距離。p型摻雜GaN層產生約1V的閾值電壓。

發明內容

根據常關化合物半導體晶體管的一個實施例，常關晶體管包括異質結構體和在異質結構體上的柵極堆疊。異質結構體包括源極、與源極間隔開的漏極以及用于連接源極和漏極的溝道。溝道包括由于壓電效應在異質結構體中產生的第一極性的第一二維電荷載流子氣。柵極堆疊控制異質結構體區域中的在柵極堆疊下方的溝道。柵極堆疊包括至少一種III族氮化物材料，其由于壓電效應在柵極堆疊下方的異質結構體中或在柵極堆疊中產生與第一極性相反的第二極性的第二二維電荷載流子氣。第二二維電荷載流子氣使第一二維電荷載流子氣中的極化電荷反向平衡，從而溝道在柵極堆疊下方被破壞，使晶體管呈現常關。

根據制造常關化合物半導體晶體管的方法的一個實施例，該方法包括：形成異質結構體，該異質結構體包括源極、與源極間隔開的漏極和用于連接源極和漏極的溝道，該溝道包括由于壓電效應在異質結構體中產生的第一極性的第一二維電荷載流子氣；以及在異質結構體上形成柵極堆疊，用于控制在柵極堆疊下方的異質結構體區域中的溝道，柵極堆疊包括至少一種III族氮化物材料，其由于壓電效應在柵極堆疊中或在柵極堆疊下方的異質結構體中產生與第一極性相反的第二極性的第二二維電荷載流子氣，第二二維電荷載流子氣使第一二維電荷載流子氣中的極化電荷反向平衡，從而溝道在柵極堆疊下方被破壞。

通過閱讀下面的詳細描述并且通過查看附圖，本領域技術人員將認識到附加特征和優勢。

附圖說明

附圖中的組件不一定按比例繪制，相反強調的是圖示本發明的原理。此外，在附圖中，類似的參考標號標示對應的部分。在附圖中：

圖1圖示了常關化合物半導體晶體管的一個實施例的局部截面圖；

圖2圖示了常關化合物半導體晶體管的另一實施例的局部截面圖；

圖3圖示了常關化合物半導體晶體管的又一實施例的局部截面圖；

圖4圖示了常關化合物半導體晶體管的又一實施例的局部截面圖；

圖5A至圖5E圖示了根據一個實施例的制造常關化合物半導體晶體管的方法的不同階段期間半導體結構的相應局部截面圖；

圖6A至圖6E圖示了根據另一實施例的制造常關化合物半導體晶體管的方法的不同階段期間半導體結構的相應局部截面圖。

具體實施方式