[发明专利]增强模式Ⅲ族氮化物场效应晶体管

说明书

相关申请的交叉引用

[0001]本申请是基于美国临时申请，并且要求了它的权利，其申请号是No.60/538795，申请日是2004年1月23日，名称是基于蚀刻栅极的增强模式场效应晶体管，因此本申请要求了其优先权并且将参考它的内容合为一体进行公开。

发明的背景

技术领域

[0002]一般来说，本发明涉及一类基于III族氮化物材料的场效应晶体管，并且更特别是一种增强模式的场效应晶体管。

背景技术

[0003]目前已知III族氮化物半导体目前显示出大于2.2MV/cm的大的介质击穿电场。III族氮化物异质结结构也可以承载极高的电流，这使得由III族氮化物系材料制造的器件在功率应用方面表现卓越。

[0004]一般来说，基于III族氮化物材料器件的发展目标是高功率-高频率的应用，比如移动电话基站的发射器。为这些类型应用制造的器件是基于一般的器件结构，这些器件结构显示出高电子迁移率，并参考了多种器件，诸如异质结场效应晶体管(HFET)，高电子迁移率晶体管(Highelectron mobility transistor)(HEMT)或调制掺杂型场效应晶体管(MODFET)。典型地，这些类型的器件在典型范围是2-100GHz的高频率下运行时，可以经受100V的高电压。可以对这些类型的器件进行变更以作多种应用，但典型地是通过对压电极化场的使用以产生一种二维电子气(2DEG)进而操作这些器件，该二维电子气被允许具有非常低电阻损耗的非常高电流密度的传输。在这些常规的III族氮化物HEMT器件中，2DEG形成于铝镓氮(AlGaN)和氮化镓(GaN)材料的界面上。由于AlGaN/GaN界面的特性和在界面形成的2DEG，由III族氮化物材料系统中形成的器件名义上趋向导通或者作为耗尽型的器件。位于AlGaN/GaN层界面的2DEG的高电子迁移率允许III族氮化物器件，比如HEMT器件，在没有栅极电位应用的情况下导电。先前制造的HEMT器件名义上导通的特性限制了其在功率管理上的适用性。在能够用III族氮化物HEMT器件安全地控制功率以前，观测到名义上导通的功率器件的局限在于需要具有一个被充电并可供使用的控制电路。因此，期待发明一种名义上截止的III族氮化物HEMT器件以便在开启和其他模式期间避免电流传导的问题。

[0005]那些允许具有低电阻损耗高电流密度III族氮化物HEMT器件的一种缺点在于在应变AlGaN/GaN系统中只能获得有限的厚度。这些类型材料的晶格结构的差异产生了一种的应变，该应变能够导致薄膜生长的位移，以产生不同的层。例如，这导致了势垒层中的泄漏水平很高。一些先前的设计集中在降低AlGaN层的平面内晶格常数至接近松弛点，来降低位移的产生和泄漏。然而，这些设计没有提到解决有限厚度的问题。

[0006]另一种解决方案是增加绝缘层来防止泄漏问题。绝缘层的增加可以降低通过势垒层的泄漏，并且用于这个目的的典型层是氧化硅，氮化硅，蓝宝石，或其他绝缘体，置于AlGaN和金属栅极层之间。这种类型的器件经常参考自一种金属绝缘物半导体异质结构场效应晶体管(MISHFET)，并且具有一些没有绝缘层的传统器件所没有的优点。

[0007]虽然附加的绝缘层能够形成较厚的应变的AlGaN/GaN系统，但是由于GaN/绝缘体界面上电子产生的散射效应，由附加绝缘层产生的限制层导致了较低的载流量。同时，附加的绝缘层可以允许较厚的应变的AlGaN/GaN系统的构成。同样，AlGaN层和绝缘体之间的附加界面还导致界面陷阱状态的产生，减缓了器件的响应。氧化物的附加厚度，加上两层之间的附加界面，也导致了使用更大的栅极驱动电压来开关该器件。

[0008]常规器件的设计使用氮材料来获得名义上的截止器件，该器件依靠该附加绝缘体作为限制层，并且可能减少或消除顶部的AlGaN层。然而，由于GaN/绝缘体界面处的散射，这些器件典型地具有较低的载流量。

[0009]因此，需要生产一种名义上截止的HEMT开关器件或者是一种具有低泄漏特性的场效应晶体管(FET)、该FET还具有较少的界面和层，但仍能经得起高电压和并产生具有低电阻损耗的高电流密度。目前，通过许多技术使用GaN和AlGaN合金来制备平面型器件，这些技术包括包括MOCVD(金属有机化学汽相沉积)以及分子束外延(MBE)和氢化物汽相外延(HVPE)。