[发明专利]增强模式Ⅲ-N的HEMT

说明书

技术领域

本发明涉及增强模式III族氮化物器件。

背景技术

包括诸如功率MOSFET和绝缘栅双极性晶体管(IGBT)的器件的大部分功率半导体器件通常由硅(Si)半导体材料来制造。最近，碳化硅(SiC)功率器件由于其优良的特性已经被考虑使用。诸如氮化镓(GaN)的III-N半导体器件现在正作为有吸引力的备选以携载大电流、支持高电压并且提供非常低的导通电阻和快的切换时间。

典型的GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)和相关器件处于常开状态，这意味着它们以零栅电压导通电流。这些常规的器件被称作耗尽模式(D模式)器件。然而，在功率电子器件中更希望的是具有常关的器件-称作增强模式(E模式)器件-其不能以零栅电压导通电流，并因此通过防止器件意外导通而避免了对器件或者其他电路组件的损害。

图1示出现有技术的Ga面GaN HEMT耗尽模式结构。衬底10可以是上面形成有GaN器件的GaN、SiC、蓝宝石、Si或任何其他合适的衬底。GaN缓冲层14和Al_xGaN层18在其顶部沿着[0001](c-面)方向取向。导电沟道由二维电子气(2DEG)区域组成(如图1中GaN缓冲层14中的虚线所示)，其形成在靠近层14和Al_xGaN层18之间的界面附近的层14中。可选地，在GaN层14和Al_xGaN层18之间包括薄的0.6nm的AlN层(未示出)，以便增加2DEG区域中的电荷密度和迁移率。层14在1Q27和栅26之间的区域被称作源接入区。层14在漏28和栅26之间的区域被称作漏接入区。源27和漏28都与缓冲层14接触。当没有施加栅电压时，2DEG区域一直从源27延伸至漏28，从而形成导电沟道并且致使器件处于常开，使其成为耗尽模式器件。必须向栅26施加负电压，以耗尽栅26下方的2DEG区域，由此使器件截止。

另一个相关的现有技术III-N HEMT器件是2007年9月14日提交的、序列号为60/972,481、标题为“III-N Devices with Recessed Gates”的临时专利申请，该专利申请通过引用结合于此。

发明内容

本发明的器件是增强模式HEMT。与耗尽模式HEMT不同的是，增强模式HETM具有两个要求。首先，源和漏接入区应该包含2DEG区域，其导致这些区域的导电率至少与器件处于导通状态时栅下方的沟道区的导电率至少一样大。优选地，这些接入区的导电率尽可能大，因为接入电阻由此减小，因此导通电阻R_on减小(开关器件所需的特性)。增强模式HEMT的第二要求是使在零栅电压下、在栅下方的沟道区没有2DEG。因此，需要正栅电压以感生栅下方的该区域中的2DEG电荷，并因此使器件导通。

因此，在所有的时间(无论器件是导通还是截止)，E模式HEMT在两个接入区中都具有2DEG区。当零伏施加到栅时，栅下方没有2DEG，但是当足够大的电压施加到栅(即，Vgs＞Vth)时，2DEG区形成在栅下方，并且沟道在源和漏之间变为完全导电。

简而言之，所公开的半导体器件包括衬底和所述衬底上的氮化物沟道层，所述沟道层包括栅极区域下方的第一沟道区和所述第一沟道区的相对的侧的两个沟道接入区。所述氮化物沟道层的组分选自由镓、铟和铝的氮化物及其组合组成的组。与所述沟道层相邻的是AlXN层，其中X选自由镓、铟或其组合物组成的组。n掺杂GaN层与所述AlXN层相邻，位于与所述沟道接入区相邻的区域中，而不位于栅极区域下方的所述第一沟道区相邻的区域中。

选择所述AlXN层中的Al的浓度、AlXN层厚度和n掺杂GaN层中的n掺杂浓度和掺杂分布，以在与所述AlXN层相邻的沟道接入区中感生2DEG电荷而没有在栅下方的所述第一沟道区中感生任何实质的2DEG电荷，使得在没有控制电压施加到所述栅的情况下所述沟道是不导电的，但是当控制电压施加到所述栅时所述沟道能够容易地变为导电的。

类似公开的半导体器件包括衬底、在所述衬底上的氮化物沟道层，所述氮化物沟道层包括栅极区域下方的第一沟道区和所述第一沟道区的相对的侧的两个沟道接入区，所述氮化物沟道层的组分选自由镓、铟和铝的氮化物及其组合组成的组。所述器件还具有：第一AlXN层，其与所述沟道层相邻，其中X选自由镓、铟或其组合物组成的组；以及第二AlXN层，其与所述第一AlXN层相邻，所述第一AlXN层中的Al的浓度实质上高于所述第二AlXN层中的Al的浓度。