[發明專利]在斷態期間具有高應力順應性的HEMT晶體管及其制造方法

有效

• 申請號: 201810597967.0
• 申請日: 2018-06-11
• 公開（公告）號: CN109037324B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: F·尤克拉諾;A·齊尼
• 申請（專利權）人: 意法半導體股份有限公司
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L21/335
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 王茂華;呂世磊

本公開涉及在斷態期間具有高應力順應性的HEMT晶體管及其制造方法。HEMT包括緩沖層、緩沖層上的空穴供應層、空穴供應層上的異質結構、以及源極電極。空穴供應層由P型摻雜半導體材料制成，緩沖層摻雜有碳，并且源極電極與空穴供應層直接電接觸，使得空穴供應層可以被偏置以促進空穴從空穴供應層到緩沖層的傳輸。

技術領域

本公開涉及高電子遷移率場效應晶體管(HEMT)和用于制造HEMT晶體管的方法。具體地，本公開涉及在斷態期間具有高應力順應性的HEMT晶體管。

背景技術

基于在異質結處(即具有不同帶隙的半導體材料之間的界面處)形成高遷移率二維電子氣(2DEG)層的高電子遷移率場效應晶體管(HEMT)是已知的。例如，基于氮化鋁鎵(AlGaN)層和氮化鎵(GaN)層之間的異質結的HEMT晶體管是已知的。

基于AlGaN/GaN異質結的HEMT晶體管提供了各種優點，使得它們特別適合并被廣泛用于一系列不同的應用中。例如，HEMT晶體管的高擊穿閾值被高性能功率開關使用；導電溝道中電子的高遷移率使得構建高頻放大器成為可能。此外，2DEG中的高濃度電子可以實現低通態電阻(R_ON)。

由于氮化鎵襯底的高成本，基于AlGaN/GaN異質結的HEMT晶體管通常通過在硅襯底上生長GaN和AlGaN層來制造。因此，以這種方式構建的HEMT晶體管是平面的，即具有在平行于襯底的平面上排列的源極電極、柵極電極和漏極電極。

當用于功率應用時，取決于電源電壓，在HEMT晶體管的斷態條件下，源極電極和漏極電極之間的電位降V_{DS_OFF}可能達到幾百伏。因此，HEMT晶體管中的故障機制是由于在斷態條件下在柵極電極和漏極電極之間的區域中形成高電場并因此導致擊穿而引起的。因此，HEMT晶體管的擊穿閾值是HEMT晶體管的重要品質因數。

HEMT晶體管的另一個重要品質因數是通態電阻R_ON，其應該被最小化以節省功耗。

此外，已知的HEMT晶體管中的已知問題涉及由于在斷態下的高電壓V_{DS_OFF}引起的應力而導致的通態電阻R_ON的增加。所述R_ON的可逆增加可歸因于一系列因素，包括HEMT晶體管的緩沖層中的陷阱狀態內的發射/捕獲現象。在已知的HEMT晶體管中，緩沖層根據陷阱狀態的量發射空穴，繼續在其內部形成負電荷層。該負電荷層導致2DEG的部分清空，從而增加通態電阻R_ON。

用于單獨優化HEMT晶體管的上述品質因數的一系列不同解決方案是已知的。然而，優化一個品質因數通常會對一個或多個其他品質因數有負面影響。

例如，HEMT晶體管的擊穿閾值可以通過增加HEMT晶體管的柵極電極和漏極電極之間的距離來增加，由此降低用于相同電源電壓的電場。然而，這種解決方案也會導致通態電阻R_ON的不希望的增加。

另一種已知的解決方案被公開在Tanaka,K.等人的“Suppression of currentcollapse by hole injection from drain in a normally off GaN based hybriddrain embedded gate injection transistor”,Appl.Phys.Lett.,107,163502(2015)。所述文獻涉及HEMT晶體管，其中P型摻雜氮化鎵(p GaN)層通過在氮化鋁鎵的阻擋層上生長來形成，并且其被連接到漏極電極。該晶體管具有增加的R_ON，是由于斷態下的應力基本可以忽略不計(V_{DS_OFF}＝800V)。盡管如此，無論應力如何，R_ON的增加在靜態條件下仍可被觀察到。

因此，提供一種對于擊穿閾值沒有負面影響的、防止R_ON由于HEMT晶體管中的斷態下的應力而增加的方法是特別重要的。

發明內容