[发明专利]绝缘栅E模式晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及晶体管，更特别地涉及III族氮化物型晶体管。

背景技术

作为III-V或III族氮化物型器件的氮化镓(GaN)半导体器件作为功率半导体器件的有吸引力的候选而出现，因为GaN器件能够载送大的电流并支持高电压。此类器件还能够提供非常低的导通电阻和快速切换时间。高电子迁移率晶体管(HEMT)是可以基于GaN材料制造的一类功率半导体器件。如这里使用的，适合于晶体管的GaN材料包括二元、三元、或四元材料，其是基于改变Al_xIn_yGa_1-x-yN中的III族元素Al、In、Ga的相对量，使得0≤x≤1、0≤y≤1且0≤1-x-y≤1。此外，GaN材料可以包括AlInGaN的各种极性，诸如镓极性、氮极性、半极性或非极性。

参照图1，例如GaN HEMT器件的场效应晶体管(FET)可以包括具有在其上面形成的至少两个III族氮化物层的III族氮化物半导体主体。例如可以是AlGaN的形成III族氮化物层12的材料具有比可以是GaN的形成缓冲层11的材料大的带隙。由于相邻III族氮化物层中的不同材料而引起的极化场在两个层的结9附近、特别是在具有较窄带隙的层中感生导电二维电子气(2DEG)区域。2DEG区域在图中自始至终被示为虚线。传导电流的层之一是沟道层。在这里，将载流沟道或2DEG所在的较窄带隙层称为沟道层。该器件还包括肖特基栅极电极18和在栅极电极18的任一侧的欧姆源极和漏极电极16、17。允许传导电流通过器件的栅极和漏极之间与栅极和源极之间的区是接入区7。栅极电极18下面的区是栅极区6。

图1示出典型的标准AlGaN/GaN HEMT结构，其可以被设计为具有-3V的阈值电压。层10是诸如SiC、蓝宝石、Si、GaN这样的衬底，层11是GaN缓冲层，且层12是AlGaN，具有例如20％的Al成分(Al_.2Ga_.8N)。层11和12两者是Ga面材料。虚线表示存在于此结构中的二维电子气(2DEG)。要求有负栅极电压以使栅极下面的2DEG耗尽并从而使器件截止。

栅极电极18调节栅极接触下面的2DEG。诸如图1所示的标准AlGaN/GaN HEMT及相关器件通常是常开的(即耗尽模式器件)，因此能够在0栅极电压下传导电流。耗尽模式器件在向栅极施加0V时要求栅极区和接入区两者中的传导沟道。在功率电子装置中可以期望的是，具有常闭器件(即增强模式器件)，该常闭器件在0栅极电压下不进行传导以通过防止器件的任何意外导通来避免对器件或其它电路组件造成损坏。

发明内容

描述了增强模式(e模式)基于GaN的HEMT，其具有截止状态下的大的源极到漏极势垒、低截止状态泄漏、和接入区中的低沟道电阻。这里所述的器件可以包括以下特征中的一个或多个。e模式器件可以包括栅极下的电荷耗尽层。e模式器件可以包括在栅极区外面、即在接入区中的电荷增强层。电荷耗尽层和/或电荷增强层可以应用于Ga面或N面中的一者或两者。

在一个实施例中，描述了一种III族氮化物HEMT器件，其具有栅极电极、源极电极和漏极电极、形成具有与源极和漏极电极形成欧姆接触的最上层的N面堆叠的一系列III族氮化物层、和在栅极电极与N面堆叠的最上层之间的沟道耗尽部分。沟道耗尽部分未一直延伸到源极电极。

在另一实施例中，描述了一种III族氮化物HEMT器件。该器件包括栅极电极、源极电极和漏极电极、形成具有最上层和与源极和漏极电极形成欧姆接触的沟道层的Ga面堆叠的一系列III族氮化物层、在最上层上和器件的接入区之上的电介质层、在栅极与N面堆叠的最上层之间的沟道耗尽部分、以及在电介质层与最上层之间并围绕沟道耗尽部分的电荷增强III族氮化物层。沟道耗尽部分未一直延伸到源极电极。

在另一实施例中，描述了一种III族氮化物HEMT器件。该器件具有栅极电极、源极电极和漏极电极、形成具有最上层和与源极和漏极电极形成欧姆接触的沟道层的Ga面堆叠的一系列III族氮化物层、在栅极电极与Ga面堆叠的最上层之间的沟道耗尽部分、在最上层之上并围绕沟道耗尽部分的电荷增强III族氮化物层和在电荷增强III族氮化物层与最上层之间的GaN层。沟道耗尽部分未一直延伸到源极电极。