[发明专利]氮化镓晶体管

说明书

本文公开了一种III族氮化物半导体基异质结功率器件，包括：衬底(305)；形成在衬底上方的III族氮化物半导体区域；操作性连接到III族氮化物半导体区域的源极(340)；与源极横向间隔开并操作性连接到III族氮化物半导体区域的漏极(320)；形成在III族氮化物半导体区域上方的栅极(335)，栅极形成在源极和漏极之间。III族氮化物半导体区域包括：形成在源极和栅极之间的第一部分。源极与第一部分接触，并且第一部分包括具有二维载气的异质结(327)；形成在栅极和漏极之间的第二部分，其中漏极与第二部分接触，并且第二部分包括具有二维载气的异质结。III族氮化物半导体区域的第一部分和第二部分中至少之一包括：形成在III族氮化物半导体区域内具有竖直侧壁的至少一个沟槽(380)；平台区域(385)，各自从至少一个沟槽的每个竖直侧壁延伸离开。二维载气沿着平台区域以及沿着至少一个沟槽定位。分别与第一部分和第二部分中至少之一接触的源极和漏极中至少之一与沿着III族氮化物半导体区域的第一部分和第二部分中至少之一的至少一个沟槽以及沿着平台区域定位的二维载气接触。

技术领域

本发明涉及基于氮化镓的半导体器件，特别地但不排他地，涉及GaN晶体管，其中构成晶体管沟道的二维载气具有三维折叠几何形状。

背景技术

功率半导体器件是所有功率电子系统的核心。它已经演进成世界上至少50％的电耗发生在包含功率器件的系统中[1]。两个主要参量从应用范围方面对功率器件进行特征化。这些是(i)导通状态操作中的电流额定值；(ii)截止状态操作中的击穿电压。另一参数是导通电阻Ron，因为这直接将功率器件与其导通状态功耗相关联。Ron越小，功率传导损失越小。在截止状态可承受的最大电压(也即，击穿电压BV)与导通电阻之间存在一种平衡。因此，具有相对较高击穿电压的器件承受较高的导通电阻。到目前为止，硅(Si)一直是功率器件的主要半导体选择。由于Si的多功能性和易于制造，它已被应用于功率器件技术，特别是覆盖从几伏特到10kV击穿电压的广泛功率应用范围。然而，Si的带隙很小(Eg＝1.12eV)，这使得它在失效(临界电场)前承受比宽带隙半导体器件更少的每厘米电压。这导致额定电压下半导体区域的浪费。

宽带隙材料，诸如氮化镓(GaN)，其优势在于具有更高的临界电场。而且，基于氮化铝镓(AlGaN)/GaN异质结构的器件，诸如高电子迁移率晶体管(HEMT)，已被证明相比于等效的硅对应物具有更好的Ron对BV平衡。这归因于以下主要性能：(i)它们的压电属性使得AlGaN/GaN界面处的电荷密度非常高(例如，1e13cm^-2)；以及(ii)上面提到的更高的临界电场(～3MV/cm)。

基本AlGaN/GaN HEMT(也称为异质结构场效应晶体管(HFET)或调制FET(MODFET))基于在AlGaN/GaN界面处形成的导电沟道，AlGaN/GaN界面形成在水平平面上并且连接到欧姆源极和漏极接触。在异质结构的顶部沿源-漏距离放置一个肖特基栅极接触，该接触对沟道中的电荷进行调制[2]。

在图1中示意性示出了HEMT结构，其是常导通或耗尽模式的器件，即当在栅极端子110上施加零偏置时，沟道105已经形成。在功率电子应用中优选常关断操作，因为它更安全并且也支持简单的栅极驱动电路。迄今已经提议了几种技术来获得常关断(或增强模式)器件。其中氟基等离子体处理栅[3]、凹栅[4]p掺杂栅[5]、和绝缘栅[6]或它们的组合(在[7]中，提议了注入氟和部分凹栅的组合)。这些解决方案通过在零偏置下耗尽栅极接触110下面的沟道部分，已证明在确保常关操作方面是有效的。

图2示出使用了绝缘栅技术的HEMT的示意性表示。绝缘栅技术为常开问题提供了解决方案，因为它为阈值电压提供一个稳定的高值(＞1.5V)以及通过栅接触的低漏电流。提议了对图2所示的以在AlGaN层215中部分凹进绝缘栅205为特征的这一基本结构的变体，其目的在于通过沿着沟槽的侧壁将反型沟道形成在p掺杂GaN层210中，以改进沟道迁移性[7]，增加和更好地控制阈值电压[8，9]。