CN101410975A - Iii族-氮化物功率半导体器件 - Google Patents
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Abstract
一种包括二维电子气的III族－氮化物功率半导体器件，该二维电子气具有在所述功率半导体器件的栅极下方的减小的电荷区域。
Description
相关申请
本申请是基于并且要求2006年3月20日提交的美国临时申请序号60/784,054和2007年3月19日提交的美国专利申请序号(等待分配)的优先权，其中公开的所有内容均被引入此处。
定义
此处所述的III族-氮化物(或III-N)指来自InAlGaN系统的半导体合金，其至少包括氮和另外一个来自III族的合金元素。AlN、GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN或包括氮和至少一个来自III族的元素的任何组合是III族-氮化物合金的实施例。
背景技术
参考图1，常规的III族-氮化物功率半导体器件包括III族-氮化物异质结主体10。III族-氮化物异质结主体10包括由一种III族-氮化物半导体合金(例如GaN)形成的第一III族-氮化物半导体主体12和位于该主体12上的由另一种III族-氮化物半导体合金(例如AlGaN)形成的第二III族-氮化物半导体主体14，该第二III族-氮化物半导体主体14具有与第一III族-氮化物半导体主体12不同的带隙。
众所周知的，选择每个III族-氮化物半导体主体12和14的组成和厚度，从而在两个主体12和14的异质结处产生二维电子气(electron gas)16(2-DEG)。
如此产生的2-DEG 16具有充足的载流子，并作为第一功率电极18(例如源极)和第二功率电极20(例如漏极)之间的传导沟道，其中第一功率电极18欧姆耦合到第二III族-氮化物主体14，第二功率电极20欧姆耦合到第二III族-氮化物主体14。为了控制第一功率电极18和第二功率电极20之间的传导状态，在第一功率电极18和第二功率电极20之间设置位于第二III族-氮化物主体14之上的栅极排列22。栅极排列22，例如可以包括与第二III族-氮化物主体14的肖特基接触的肖特基体，或者可替换地，包括栅绝缘体和通过栅绝缘体电容耦合到2-DEG 16的栅极。
在常规设计中，III族-氮化物异质结10置于衬底28上方。代表性地是，传输体30置于衬底28和异质结10之间。钝化体32也被提供用来保护异质结10的活性部分，电极18和20通过钝化体32和主体14连接。
观察到了内建于栅极排列附近的高电场导致栅极击穿(尤其是最靠近器件漏极的边缘)。其它缺点包括低漏极-源极击穿电压和归因于热载流子和电荷捕获的随时间而减低的器件参数。图3示意性地示出了图1中器件的栅极排列22边缘的电场线24。
参考图2，为了提高III族-氮化物器件抵抗其栅极边缘的击穿的性能，提供了场板26，该场板26从例如器件的栅极向器件的功率电极(例如漏极)侧面延伸，所述栅极在钝化体32上方。如图4示意性示出地，场板26的构造通过展开电场线27而减小了栅极排列22边缘的电场强度。
虽然场板26能够减小电场强度并提高器件的击穿电压，但是仍是不利的，因为：
1.其增加了器件的活性面积；
2.虽然其引起高电场的位置移动到场板25的边缘，但其仍然允许发生改变；
3.栅-漏交迭电容的增加降低了高频切换并增加切换损耗，其被密勒效应恶化。
发明内容
在本发明的器件中，通过选择性地减小传导性2-DEG中的移动电荷浓度，可以减小栅极边缘和顶角处的高峰电场。
根据本发明的一个方面，在位于栅极之下的区域中减小移动电荷浓度，并且所述区域向侧面延伸等于或超过栅极的宽度，但是移动电荷浓度被控制到特别高以将寄生源-漏极串联电阻保持到低值。
根据本发明的功率半导体器件包括第一III族-氮化物主体和第二III族-氮化物主体，该第二III族-氮化物主体具有与所述第一III族-氮化物主体不同的带隙，并且设置在所述第一III族-氮化物主体上以形成III族-氮化物异质结；第一功率电极，该第一功率电极耦合到所述第二III族-氮化物主体；第二功率电极，该第二功率电极耦合到所述第二III族-氮化物主体；栅极排列，该栅极排列设置在所述第一功率电极和所述第二功率电极之间；以及传导沟道，该传导沟道包括处于传导状态的二维电子气，该二维电子气包括位于所述栅极排列下方的减小的电荷区域，该减小的电荷区域比其邻近区域的传导性低。
在一个实施例中，在所述第二III族-氮化物主体中栅极排列的下方形成注入区域，以形成所述减小的电荷区域。
在另一个实施例中，所述栅极排列位于所述减小的电荷区域上方的凹槽内，其形成所述减小的电荷区域。
本发明的其它特征和优点可以通过下述的发明描述中看到，所述描述参考了附图。
附图描述
图1示出了现有技术中一个III族-氮化物器件活性区域的截面部分。
图2示出了现有技术中另一个III族-氮化物器件活性区域的截面部分。
图3示意性地示出了图1中所示器件的栅极附近的电场线。
图4示意性地示出了图2中所示器件的栅极附近的电场线。
图5示出了根据本发明第一实施例的III族-氮化物器件的活性区域的截面部分。
图6示出了根据本发明第二实施例的III族-氮化物器件的活性区域的截面部分。
图7示出了根据本发明第三实施例的III族-氮化物器件的活性区域的截面部分。
图8示出了根据本发明第四实施例的III族-氮化物器件的活性区域的截面部分。
图9A-9C示出了本发明的不同实施例。
具体实施方式
参考图5，其中相同的数字表示相同的特征，在根据本发明的器件中，2-DEG 16包括位于栅极排列22下方的减小的电荷区域34。减小的电荷区域34的宽度优选为栅极排列宽度的两倍，其向外延伸超过栅极排列22的至少一个边缘，并且当2-DEG为传导状态时，减小的电荷区域34比2-DEG 16的邻近区域的传导性低。更确切地说，当处于开通状态时(当功率电极18和29之间具有传导)，区域34比2-DEG 16的邻近其每一边的区域包括更少的载流子。结果，当该器件处于关闭状态时，邻近栅极排列22边缘的电场相比现有技术中的弱，此时可以允许省略场板。注意到减小的电荷区域34不需要相对于第一功率电极18(源极)和第二功率电极20(漏极)或关于栅极排列22呈对称地设置。这样，减小的电荷区域34可能是不连续的并在栅极排列22的一边排列成两部分34′和34″(图9A)，可以在漏极的方向上延伸得更远(图9B)，或可以仅在漏极的方向上延伸(图9C)并且没有朝向源极延伸超出栅极排列22的部分。该区域34的宽度可以被优化并且被期望处于几十到几千纳米之间。
在根据图5所示实施例的器件中，栅极排列22包括肖特基体36，其为耦合到第二III族-氮化物主体14的肖特基。肖特基体36可以是任何合适的肖特基金属，例如镍/金叠层，其中金在镍的顶上。
参考图6，其中相同的数字表示相同的技术特征，在替代实施例中，栅极排列22包括在第二III族-氮化物主体14之上的栅绝缘体38，和通过栅绝缘体38电容性地耦合到2-DEG 16(并且尤其到减小的电荷区域34)的栅极40。栅绝缘体38可由氮化硅、二氧化硅或任何合适的栅绝缘材料组成，同时栅极40可由任何金属性或非金属性的传导性材料组成。适合栅极40的材料例如为镍、钛钨、氮化钛和多晶硅。
为了得到在图5和6中所示实施例的减小的电荷区域34，可在第二III族-氮化物主体14中引入负电荷以排斥栅极排列22下方的区域34中的负载流子(电子)。可以通过注入阴性充电的离子或通过等离子体表面处理来引入负电荷。
参考图7和8，其中相同的数字表示相同的技术特征，为了形成根据替代实施例中的减小的电荷区域34，可在第二III族-氮化物主体14中形成凹槽42，其中容纳栅极排列22。
可以设定凹槽42的深度和宽度以部分地减轻第二III族-氮化物主体14中的应力，如此可以得到本发明的减小的电荷区域34。注意到凹槽42可以和栅极排列22一样宽，但也可以更宽(如图所示意)，并不背离本发明的范围和精神。
注意到尽管根据本发明提供减小的电荷区域34可以允许省略场板，但是加上场板可以更进一步地提高本发明器件的击穿能力，并不背离本发明的范围和精神。
得到减小的电荷区域34的其它方法是表面等离子体处理、表面化学处理和沉积适合的薄膜。
在根据优选实施例的器件中，第一功率电极18和第二功率电极20可由Ti、Al、Ni、Au或任何其他适合的金属性或非金属性传导性材料组成，第一III族-氮化物主体12可由GaN组成，第二III族-氮化物主体14可由AlN组成，传输层30可由诸如AlGaN的III族-氮化物材料组成，以及衬底28可由硅组成。其他适合衬底的材料为碳化硅、或刚玉、或III族-氮化物系统本有的材料，例如GaN衬底。
尽管本发明已经通过相关特殊实施例进行了描述，但是本领域技术人员可以采用其它替代和变形以及应用。优选的是，本发明不被这里公开的特殊内容所限制，而仅由权利要求所限制。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1、一种功率半导体器件，该器件包括：
III族-氮化物异质结主体，该主体包括第一III族-氮化物主体和第二III族-氮化物主体，所述第二III族-氮化物主体具有与所述第一III族-氮化物主体不同的带隙；
第一功率电极，该第一功率电极耦合到所述第二III族-氮化物主体；
第二功率电极，该第二功率电极耦合到所述第二III族-氮化物主体；
栅极排列，该栅极排列置于所述第一功率电极和所述第二功率电极之间；以及
传导沟道，该传导沟道包括处于传导状态的二维电子气，该二维电子气包括位于所述栅极排列下方的减小的电荷区域，该减小的电荷区域比其邻近的区域传导性弱，该减小的电荷区域的宽度至少是所述栅极排列的宽度的两倍并且超出所述栅极排列的至少一个边缘延伸。
2、根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述栅极排列包括栅极绝缘体。
3、根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述栅极排列包括肖特基体。
4、根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述栅极排列被容纳在所述减小的电荷区域上方的凹槽内。
5、根据权利要求4所述的功率半导体器件，其中所述凹槽被配置以形成所述减小的电荷区域。
6、根据权利要求4所述的功率半导体器件，其中所述凹槽比所述栅极排列宽。
7、根据权利要求1所述的功率半导体器件，该功率半导体器件进一步包括至少一个注入的区域，所述注入的区域位于所述第二III族-氮化物主体内且在所述栅极排列下方，所述注入的区域被配置以形成所述减小的电荷区域。
8、根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述栅极排列不包括场板。
9、根据权利要求1所述的功率半导体器件，该功率半导体器件进一步包括被置于所述III族-氮化物异质结主体上方的钝化体。
10、根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述第一III族-氮化物主体由来自InAlGaN系统的半导体合金组成，而所述第二III族-氮化物主体由来自所述InAlGaN系统的另一合金组成。
11、根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一III族-氮化物主体由GaN组成，而所述第二III族-氮化物主体由AlGaN组成。
12、根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述异质结主体被置于衬底上方。
13、根据权利要求12所述的半导体器件，其中所述衬底由硅组成。
14、根据权利要求12所述的半导体器件，其中所述衬底由碳化硅组成。
15、根据权利要求12所述的半导体器件，其中所述衬底由刚玉组成。
16、根据权利要求12所述的半导体器件，其中所述衬底由III族-氮化物材料组成。
17、根据权利要求16所述的半导体器件，其中所述III族-氮化物材料为GaN。
18、根据权利要求12所述的半导体器件，所述半导体器件进一步包括被置于所述衬底与所述III族-氮化物异质结主体之间的传输体。
19、根据权利要求18所述的半导体器件，其中所述传输体由III族-氮化物材料组成。
20、根据权利要求19所述的半导体器件，其中所述传输体由AlN组成。
21、一种功率半导体器件，该器件包括：
III族-氮化物异质结主体，该III族-氮化物异质结主体包括第一III族-氮化物主体和第二III族-氮化物主体，所述第二III族-氮化物主体具有与所述第一III族-氮化物主体不同的带隙；
第一功率电极，该第一功率电极耦合到所述第二III族-氮化物主体；
第二功率电极，该第二功率电极耦合到所述第二III族-氮化物主体；
栅极排列，该栅极排列被置于所述第一功率电极与所述第二功率电极之间；以及
传导沟道，该传导沟道包括处于传导状态的二维电子气，所述二维电子气包括位于所述栅极排列下方的减小的电荷区域，该减小的电荷区域比其邻近的区域传导性弱，其中该减小的电荷区域超出所述栅极排列的边缘仅朝向所述功率电极中的一个延伸。
22、一种功率半导体器件，该功率半导体器件包括：
III族-氮化物异质结主体，该III族-氮化物异质结主体包括第一III族-氮化物主体和第二III族-氮化物主体，所述第二III族-氮化物主体具有与所述第一III族-氮化物主体不同的带隙；
第一功率电极，该第一功率电极耦合到所述第二III族-氮化物主体；
第二功率电极，该第二功率电极耦合到所述第二III族-氮化物主体；
栅极排列，该栅极排列被置于所述第一功率电极与所述第二功率电极之间；以及
传导沟道，该传导沟道包括处于传导状态的二维电子气，所述二维电子气包括位于所述栅极排列下方的减小的电荷区域，该减小的电荷区域比其邻近的区域传导性弱，其中该减小的电荷区域朝向一个功率电极延伸得比朝向另一个功率电极延伸得更远。
23、一种功率半导体器件，该功率半导体器件包括：
III族-氮化物异质结主体，该III族-氮化物异质结主体包括第一III族-氮化物主体和第二III族-氮化物主体，所述第二III族-氮化物主体具有与所述第一III族-氮化物主体不同的带隙；
第一功率电极，该第一功率电极耦合到所述第二III族-氮化物主体；
第二功率电极，该第二功率电极耦合到所述第二III族-氮化物主体；
栅极排列，该栅极排列被置于所述第一功率电极与所述第二功率电极之间；以及
传导沟道，该传导沟道包括处于传导状态的二维电子气，所述二维电子气包括位于所述栅极排列下方的减小的电荷区域，该减小的电荷区域比其邻近的区域传导性弱，其中该减小的电荷区域是不连续的。
Claims (23)
1、一种功率半导体器件，该功率半导体器件包括：
III族-氮化物异质结主体，该III族-氮化物异质结主体包括第一III族-氮化物主体和第二III族-氮化物主体，所述第二III族-氮化物主体具有与所述第一III族-氮化物主体不同的带隙；
第一功率电极，该第一功率电极耦合到所述第二III族-氮化物主体；
第二功率电极，该第二功率电极耦合到所述第二III族-氮化物主体；
栅极排列，该栅极排列被置于所述第一功率电极与所述第二功率电极之间；以及
传导沟道，该传导沟道包括处于传导状态的二维电子气，所述二维电子气包括位于所述栅极排列下方的减小的电荷区域，该减小的电荷区域比其邻近的区域传导性弱。
2、根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述栅极排列包括栅极绝缘体。
3、根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述栅极排列包括肖特基体。
4、根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述栅极排列被容纳在所述减小的电荷区域上方的凹槽内。
5、根据权利要求4所述的功率半导体器件，其中所述凹槽被配置以形成所述减小的电荷区域。
6、根据权利要求4所述的功率半导体器件，其中所述凹槽比所述栅极排列宽。
7、根据权利要求1所述的功率半导体器件，该功率半导体器件进一步包括至少一个注入的区域，所述注入的区域位于所述第二III族-氮化物主体内且在所述栅极排列下方，所述注入的区域被配置以形成所述减小的电荷区域。
8、根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述栅极排列不包括场板。
9、根据权利要求1所述的功率半导体器件，该功率半导体器件进一步包括被置于所述III族-氮化物异质结主体上方的钝化体。
10、根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述第一III族-氮化物主体由来自InAlGaN系统的半导体合金组成，而所述第二III族-氮化物主体由来自所述InAlGaN系统的另一合金组成。
11、根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一III族-氮化物主体由GaN组成，而所述第二III族-氮化物主体由AlGaN组成。
12、根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述异质结主体被置于衬底上方。
13、根据权利要求12所述的半导体器件，其中所述衬底由硅组成。
14、根据权利要求12所述的半导体器件，其中所述衬底由碳化硅组成。
15、根据权利要求12所述的半导体器件，其中所述衬底由刚玉组成。
16、根据权利要求12所述的半导体器件，其中所述衬底由III族-氮化物材料组成。
17、根据权利要求16所述的半导体器件，其中所述III族-氮化物材料为GaN。
18、根据权利要求12所述的半导体器件，所述半导体器件进一步包括被置于所述衬底与所述III族-氮化物异质结主体之间的传输体。
19、根据权利要求18所述的半导体器件，其中所述传输体由III族-氮化物材料组成。
20、根据权利要求19所述的半导体器件，其中所述传输体由AlN组成。
21、根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述减小的电荷区域超出所述栅极排列的边缘仅朝向所述功率电极中的一个延伸。
22、根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述减小的电荷区域朝向一个功率电极延伸得比朝向另一个功率电极延伸得更远。
23、根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述减小的电荷区域是不连续的。
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