[发明专利]具有浮动和接地的衬底区域的HEMT

说明书

技术领域

本发明涉及III-N族高电子迁移率晶体管（HEMT）且，更具体地，涉及具有浮动的衬底区域和接地的衬底区域的III-N族HEMT。

背景技术

由于其较宽的带隙和较好的电子运输特性，已显示出III-N族高电子迁移率晶体管（HEMT）具有潜在的用于电力电子学的优势。这些材料特性转化成高的击穿电压、低的导通电阻以及快速切换。相比硅基晶体管，III-N族HEMT还可在较高的温度下工作。这些特性使III-N族HEMT良好地适用于高效率的功率调节应用，例如照明和车辆控制。

图1示出图解说明常规III-N族HEMT 100的横截面图。如图1中所示，III-N族HEMT 100包括衬底110，以及形成于所述衬底110的顶表面的分层区域112。所述分层区域112进而包括顶部的阻挡层114、中间的沟道层116，以及位于所述衬底110和所述沟道层116之间的底部的缓冲层118。通常，所述的阻挡层114、沟道层116和缓冲层118各自利用一个或更多个连续的III族氮化层实现，所述的III族包括In、Ga和Al中的一个或更多个。所述的阻挡层114通常形成自AlGaN，且所述的沟道层116通常形成自GaN。

如Mishra等人的文章“AlGaN/GaN HEMTs-An Overview of Device Operation and Applications”Proceedings of the IEEE,Vol.90,No.6,2002年6月,pp.1022-1031中所讨论的，HEMT的沟道层和阻挡层具有不同的极化特性和带隙，其诱导在所述沟道层的顶部形成二维电子气（2DEG）。所述的2DEG（具有高浓度的电子）类似于常规场效应晶体管（FET）中的沟道。由于材料的特有高迁移率并且不存在与掺杂杂质的不希望的碰撞，所以相比硅MOSFET中的电子，这些电子在相对较高的速度下移动。

由于天然的III-N族衬底不容易获得，所以常规利用外延沉积技术，例如金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE），使分层区域112在所述的衬底110上生长。所述的缓冲层118在所述的衬底110和所述的沟道层116之间提供过渡层，从而处理晶格常数的差异并提供最小错位的生长表面。

由于SiC具有合理低的晶格失配（～3%）以及高导热性，所以所述的衬底110通常利用SiC实现。然而，SiC衬底昂贵并具有尺寸限制。由于Si的低成本且可进入Si加工的基础设施，所以所述的衬底110还通常利用Si实现。但是，由于晶片的应力以及随后的弯曲，Si衬底使得6英寸的衬底上缓冲层118的厚度限制于2至3微米（um）。

2至3微米的缓冲层厚度的局限之一在于薄的缓冲层限制了器件的击穿电压，例如，2微米厚度的缓冲层在300V下击穿。提高缓冲击穿电压的一个途径是使衬底浮动。通过使衬底浮动，由于通过两个缓冲层厚度支撑电压，所以漏极到源极的缓冲击穿电压被加倍至600V。

例如，如图1中所示，当Si衬底被浮动且漏极至源极击穿时，击穿电流沿着漏极至源极的路径流动，所述路径包括击穿路径段A、B和C。所述的击穿路径段A和C各自具有大约300V的击穿电压，但是所述的击穿路径段B为欧姆性的。因此，为了达到完全的击穿电压（600V），衬底100必须能浮动达到一半的击穿电压（300V）。

但是，对浮动衬底的需要导致主要的包装问题。如果利用常规的封装体，那么利用非导电性的环氧树脂连接III-N族HEMT。但是，相比导电性的环氧树脂，非导电性的环氧树脂具有较差的导热性。由于III-N族器件旨在用于功率应用且需要具有好的热沉，所以这将导致严重问题。存在具有提高的热沉的封装，其中利用了具有高导热性的中间绝缘层，如AlN。但是，这些是昂贵的并且相比与导电性环氧树脂的直接连接，仍具有较低的导热性。

除了包装以外，对浮动衬底的需求还具有多个其他问题。浮动的衬底可导致来自相邻器件之间的电容耦合的串扰。另外，如果浮动电压快速变化，还需关注EMI辐射。进一步地，由于衬底未被直接接触，所以浮动衬底的电压不受控制。在电路设计中，未调节的电压是不可取的。因此，需要一种替代方法来形成III-N族HEMT。

发明内容