[发明专利]具有垂直结构的异质结晶体管

说明书

本发明涉及一种异质结场效应晶体管(1)，其包括：‑形成电子气体层或空穴层(15)的III‑N型第一和第二半导体层(14、13)的堆叠；‑与该气体层电接触的第一传导电极(21)以及第二传导电极(22)；‑分离层(12)，其与第一电极对齐且位于第二半导体层(13)的下方；‑第三半导体层(11)，其布置在分离层(12)下方并且与第二电极电接触；‑导电元件(24)，其与所述气体层(15)电接触并且电连接第三半导体层(11)和所述气体层(15)；‑位于所述导电元件(24)和第一传导电极(21)之间的控制栅极(23)。

本发明涉及异质结晶体管，特别是具有垂直结构的异质结晶体管。

现在许多电子应用需要性能的改进，例如特别是在用于汽车和陆地运输的嵌入式电子产品中、航空中、医疗系统中或家庭自动化解决方案中的电子应用。这些应用需要在通常大于兆赫的频率范围内操作高功率开关。

历史上，长期以来，高频率开关一直使用基于通常是硅的半导体沟道的场效应晶体管。对于较低频率，结型晶体管是优选的，因为结型晶体管支持更高的电流密度。然而，由于这些晶体管中的每一个的击穿电压相对有限，功率应用需要使用大量的串联晶体管或具有较大空间电荷区的晶体管，这导致更高的流阻力。无论是在稳态条件下还是在开关期间，通过这些串联晶体管的损耗是相当大的。

功率开关的替代方案(尤其是在高频率下)是使用异质结场效应晶体管，也称为异质结构场效应晶体管。这种晶体管尤其包括高电子迁移率晶体管(HEMT)。

特别地，高电子迁移率晶体管包括具有不同带隙的两个半导体层的叠加，这两个半导体层在它们的界面处形成量子阱。电子被限制在该量子阱中，形成二维电子气体。出于耐高压和高温的原因，选择这些晶体管以便具有宽的能量带隙。

异质结晶体管最常见的结构是基于衬底上的半导体层的垂直堆叠。这种类型的晶体管据说是横向结构的，晶体管的源极、漏极和栅极设置在其顶部，并且源极和漏极位于栅极的任一侧。

然而，对于高电流密度，横向晶体管需要很大的空间以用于容纳足够大的电子气体层。这种横向晶体管除了占用衬底的大部分区域之外，这些晶体管的尺寸还受到限制：用于形成电子气体层的半导体材料中的缺陷水平对于面积超过大约50mm²的晶体管是个问题。除了这种面积之外，在制造方法中的失效晶体管的比率也极大地影响了其赢利。另外，高密度电流所必需的源极和漏极占据了该衬底表面的很大比率，这进一步限制了电子气体层的可用宽度。

为此，开发了具有垂直结构的异质结晶体管。由加利福利亚圣芭芭拉大学M.RamyaYeluri于2015年5月21日在《应用物理学快报》第106卷中发表的文献“Vertical GalliumNitride transistors with buried p-type current blocking”描述了一种具有垂直结构的异质结晶体管的配置示例。该晶体管包括在背面上的n掺杂的第一GaN层。在该第一GaN层下面形成金属漏极。该第一GaN层被具有较低浓度的n掺杂的第二GaN层覆盖。第二GaN层被p型掺杂的第三GaN层覆盖。第二层形成通过第三层的延长部分，该延长部分由术语“开口”表示。第三GaN层被未特意掺杂类型的第四GaN层覆盖。开口与该第四GaN层接触。由于在第四GaN层下面存在第三pGaN层，不仅通过第二层的厚度而且通过源极和开口之间的第四层的长度提供对电压击穿的抵抗力，从而减小源极和漏极之间的GaN中的电场幅度。

第四GaN层被AlGaN层覆盖，以便在它们的界面附近形成电子气体层。在AlGaN层上开口正上方形成栅极绝缘体。该栅极绝缘体被金属栅极覆盖。源极形成在栅极的任一侧，相对于开口横向偏移。源极与电子气体层电接触。由于传导路径使用晶体管表面的大部分，因此相对于横向结构的晶体管，较小的衬底表面积就可以得到大的电流密度。在断开状态下，源极和漏极之间的漏电流也会减小。此外，将漏极移至背面允许进一步减小衬底上的晶体管的表面积。