[发明专利]III族氮化物金属绝缘体半导体场效应晶体管

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求在2011年7月29日提交的美国临时申请No.61/513426的优先权，此临时申请被全文引用并入本文。本申请涉及在2010年10月21日提交的美国专利申请No.12/909,497,其于2012年2月28日发布为美国专利No.8,124,505。

技术领域

本发明涉及一种III族氮化物场效应晶体管（FET），尤其涉及

金属绝缘体半导体场效应晶体管的器件结构与制造方法。

背景技术

由于GaN绝佳的材料特性，由其制造的晶体管适用于高压、高温与高速操作。GaN晶体管的一个关键应用为制造开关器件，能够控制电功率流。对于功率开关应用，其强烈需求使用常闭型晶体管。为了实现常闭操作，必须存在一个栅极介电层，其允许在栅极上施加正向偏压，且同时不会有俘获或泄露问题。

在现有技术中，栅极介电层通常包括二氧化硅（SiO2）、氮化硅（SiN）与氧化铝（Al₂O₃）。虽然这些介电层均为阻挡电流泄露的有效候选材料，但这些栅极绝缘层与III族氮化物半导体界面处存在较高的界面陷阱态密度。这些陷阱态会引起不期望的阈值电压漂移。这些陷阱态也会在源极与漏极之间带来一个附加的泄露通道。

在以下文献中描述了使用AlN介质层作为栅极绝缘层：T.Hashi zume,E.Alekseev,D.Pavlidis,K.Boutros,and J.Redwing,“Capacita nce-Voltage Characterization of AlN/GaN Metal-Insulator-Semicond uctor Structures Grown on Sapphire Substrate by Metalorganic Ch emical Vapor Deposition,”Jounal of Applied Physics,vol.88,no.4,pp.1983-1986,Aug2000；以及T.Chen,G.Jiao,Z.Li,F.Li,K.Sh ao,and N.Yang,“AlGaN/GaN MIS HEMT with ALD Dielectric,”Digest of CS MANTECh Conference,pp.227-230,April2006。

在上述参考文献中描述的由AlN形成的栅极绝缘层或介电层具有正向栅极泄漏电流仍然过高的缺点，其在正向栅极偏压为3V时的典型正向栅极泄漏电流超过10μA/mm。

S.D.Burnham,K.Boutros,P.Hashimoto,C.Butler,D.W.S.Wong,M.Hu,and M.Micovic,“Gate-recessed Normally-off GaN-on-Si HEMT using a new O2/BCl3Digital Etching Technique,”at ICNS-8Jeju,Korea,2009；以及在2010年10月21日提交的美国专利申请No.12/909,497中描述了用于实施一个精确深度控制与良好均匀性的栅极凹槽刻蚀的方法。

具有低界面陷阱密度与低泄露的栅极介电层是GaN器件的长期需求。研究人员尝试在III族氮化物半导体内使用各种不同的介电层以用于栅极绝缘层。如上述讨论，尽管研究了多年，但并未成功地同时获得低栅极泄漏电流以及由阈值电压滞回、最大漏极电流密度与截止状态漏极泄露电流显示的低界面陷阱密度，尤其是在常闭型晶体管中。

因此，需要可以与III族氮化物半导体形成良好界面、并且具有低界面陷阱密度与极低泄露电流的栅极绝缘层。同时还需要阈值电压大于3V、阈值电压滞回小于0.3V、栅极泄漏电流密度小于10μA/mm、截止状态漏极泄露电流小于10μA/mm、最大漏极电流密度大于150mA/mm。本发明公开的实施例尝试满足这些与其他需求。

发明内容

在本发明的第一个实施例中，一种场效应晶体管（FET）包括：III族氮化物沟道层；III族氮化物势垒层，其位于沟道层上，其中势垒层的能带带隙大于沟道层的能带带隙；源极，其与一个III族氮化物层电耦接；漏极，其与一个III族氮化物层电耦接；栅极绝缘层叠层，其用于将栅极与势垒层和沟道层电绝缘，该栅极绝缘层叠层包括例如SiN的绝缘层和AlN层；以及栅极，其位于源极与漏极之间的区域，并与绝缘层接触，以及其中AlN层与一个III族氮化物层接触。