CN101562182A - 集成的hemt和横向场效应整流器组合、方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种集成的HEMT和横向场效应整流器组合、方法及系统。本发明公开了基于GaN或其它类似半导体材料的集成高效率横向场效应整流器和HEMT的器件、这种集成器件的制造方法及包括这种集成器件的系统。所述横向场效应整流器具有阳极，该阳极包括短接的欧姆接触和肖特基接触；阴极，该阴极包括欧姆接触，而HEMT优选具有包括肖特基接触的栅极。二个具有氟离子的区域分别形成于所述整流器与HEMT所包括的肖特基接触的正下方以夹断两个结构中外延层之间的异质界结面的(电子气)沟道。

Description

集成的HEMT和横向场效应整流器组合、方法及系统
本申请要求于2008年4月2日提出的美国临时专利申请No.61/064,899的优先权，其内容以引文方式并入此文。
技术领域
本发明涉及GaN功率集成电路，尤其涉及具有单片集成AlGaN/GaN HEMT和横向功率场效应整流器的GaN功率集成电路以及其制造方法。
背景技术
功率半导体器件包括三端晶体管开关器件和两端功率整流器两类。这些整流器和晶体管都是切换式开关电源、功率驱动电路等必不可少的组成部分。
在晶体管方面，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)通常是最好的选择。诸如包括AlGaN/GaN的III-氮化物(IIl-N)化合物半导体具有禁带宽度大、临界击穿电场高、导热系数大等优点，因此基于该材料的异质结场效应晶体管已经取得广泛的应用。特别是具有宽禁带的AlGaN/GaN异质结构系统，由于其自发极化和压电极化效应而产生的二维电子气(2DEG)沟道具有高的电子浓度和高的电子迁移率，这使得AlGaN/GaN HEMT微波器件具有极高的输出功率密度。
用于功率电子领域的AlGaN/GaN异质结构能在比其它类型器件高的温度和开关频率下工作。与此同时，GaN材料临界击穿电压比硅(Si)高近一个数量级，GaN器件的导通电阻(Ron)比Si器件低近三个数量级，因此其制作的功率器件突破了主流Si功率器件的理论极限。在要求高转换效率和高温工作的功率电子领域，具有高速和高温可靠性的GaN器件是Si器件的理想替代者。
作为功率器件重要分支的功率整流器是切换式开关电源、功率因数校正电路等必不可少的组成部分。理想的功率整流器应该具有高的击穿电压、低的正向开启电压、低的导通电阻和短的反向恢复时间等。在高压功率电子领域(例如在开关电源和功率因子校正电路)中，具有低的正向开启电压(VF，ON)、低的比导通电阻(RON，sp)和高的反向击穿电压(BV)的二维功率整流器是理想的。对于给定截止态击穿电压，低的导通电阻和短的反向恢复时间对于功率转换效率来说是重要的。
为了改善功率整流器的整体性能，研究者们一方面提出新的器件结构来改善功率器件的性能。例如JBS(junction barrierSchottky，结势垒肖特基)二极管，MPS(merged p-i-n Schottky，混合p-i-n肖特基)二极管和同步整流器等。另一方面，基于新材料的功率整流器也是研究者们研究的重点之一。近年来，基于GaN体材料的肖特基势垒二极管(SBD，图1)和p-i-n二极管被广泛研究，该类器件在实现高击穿电压的同时具有低的导通电阻。
然而，由于GaN SBD或p-i-n二极管的外延结构与AlGaN/GaNHEMT结构不兼容，因此，在不损失性能的情况下，现有的SBD或p-i-n二极管整流器与AlGaN/GaN HEMT器件不能成功集成。虽然在AlGaN/GaN异质结构材料上能够直接实现SBD器件，但是其存在的AlGan/GaN异质结和金属/AlGaN肖特基结却会使得该类器件具有较高的正向开启电压和较高的导通电阻。
为了减小开启电压而不影响器件的反向耐压，研究者提出具有双金属阳极的AlGaN/GaN SBD功率整流器结构(参见图2)。该结构利用具有金属功函数低的金属(Al/Ti)来实现低的开启电压，与此同时，用金属功函数高的金属(Pt)来实现高的击穿电压。但是该结构需要增加额外的工艺步骤，且与传统的采用Ni/Au栅金属的HEMT器件不兼容。
发明内容
本申请公开一种新型结构与方法，其中将混合整流器(如，肖特基结场效应二极管)与HEMT型晶体管在III-氮化物或类似半导体材料上集成。从而在一个工艺中实现了高性能整流器和晶体管的单片。本申请同时公开多种成功采用所述结构与方案法的系统。
本申请所公开的集成结构及基于此所制造的电子器件能够工作于高功率、高温、及高噪声环境。因此，特别适合于小型或高效率功率转换器、马达驱动电路、音频放大器、内燃机引擎、各种航空航天器以及用于石油和天然气开采。
在一个优选实施例中，所述集成器件包括一个低开启电压、低导通电阻、高击穿电压和高开关速度的功率整流器和一个兼容的常关型AlGaN/GaN HEMT。而且两个器件可以采用同一工艺制作在同一外延衬底上。
在一个优选实施例中，所述整流器包括一个与阴极(C)和阳极(A)欧姆接触的肖特基栅控2DEG沟道。
在一个优选的实施例中，通过氟离子注入(或者等离子体处理)技术在整流器的肖特基栅下引入永久负电荷，该永久负电荷能够有效地耗尽肖特基栅下的2DEG，从而夹断导通通路。本申请所发明的整流器通过将肖特基栅和阳极欧姆接触电气短接在一起，实现了器件开启电压由肖特基栅控的沟道的阈值电压决定，而不受肖特基势垒或者PN结势垒的影响。
在一个优选实施例中，横向场效应整流器和常关型AlGaN/GaNHEMT器件可以在一个工艺中实现单片集成，而且本申请中的HEMT器件仍采用传统的Ni/Au栅金属。
在一个优选实施例中，横向场效应整流器和常关型AlGaN/GaNHEMT器件通过一个自对准工艺实现集成。
本申请的集成器件特别适合功率转换器电路。低的导通电阻有助于降低功率转换电路的功率损耗，从而实现高的转换效率。这意味着GaN功率转换器模块体积更小、重量更轻以及可以用更小的散热器来控制温度。同时，由于GaN器件具有更高的开关频率，因此可采用更小的无源元件而不会影响系统性能。高耐热性使得这种HEMT器件能用在高温和恶劣的环境中。
在本申请的进一步实施中，将所述结构与LED(发光二极管)结构集成。这些实施将带来大量新的应用，包括，如集成故障指示的功率转换器，或完整的多电压和/或LED发光模块。
本申请的各个实施例中的创新提供至少以下优势中的一个或多个。然而，并非本发明中的每一个实施例都具有这些优势，而且以下优势并不是限制所要求的各个发明：
·高温工作能力
·更高抗电子噪声干扰能力
·高功率转换效率
·传统的简易制造工艺
·更低的热致低效率
·更高的开关速度
·降低器件体积和重量
·可使用更小的热沉
·可使用更小的无源元件
·自对准工艺
·单片实现复杂功能集成的新方案
·降低制造成本
附图说明
本申请将结合以下的参考附图来进行说明，其中：
图1示出传统肖特基二极管(SBD)器件的剖面图。
图2示出具有双金属阳极的AlGaN/GaN SBD器件的剖面图。
图3示出本发明所提出的可与AlGaN/GaN HEMT兼容的横向功率场效应整流器的剖面图。
图4(a)-图4(c)示出氟离子注入前后AlGaN/GaN HEMT的导带图和电子浓度的比较效果。
图5(a)-图5(e)示出本发明所提出的可与AlGaN/GaN HEMT兼容的横向功率场效应整流器的制作流程的示例。
图6(a)-图6(d)图示本发明所提出的单片集成的常关型AlGaN/GaN HEMT和横向功率场效应整流器的制作流程的示例。
图7(a)和图7(b)示出本发明所提出的可与AlGaN/GaN HEMT兼容的横向功率场效应整流器的正向和反向特性。
图8(a)示出本发明所提出的可与AlGaN/GaN HEMT兼容的横向功率场效应整流器的比导通电阻和击穿电压二者与漂移区长度之间的关系。
图8(b)示出本发明所提出的可与AlGaN/GaN HEMT兼容的横向功率场效应整流器的漂移区长度为5μm、10μm和15μm时正向偏压I-V特性。
图9示出本发明所提出的可与AlGaN/GaN HEMT兼容的横向功率场效应整流器的正向特性与温度的关系，该图中的电流相对于以室温下正向偏压为3V时的电流进行了归一化。
图10(a)和图(b)示出根据本发明的常关型AlGaN/GaN HEMT的特性：(a)转移特性；(b)源-漏输出特性。
图11(a)示出根据本发明的单片集成了AlGaN/GaN HEMT和横向功率场效应整流器的GaN基Boost转换器的示例。
图11(b)示出图11(a)所示的单片集成的GaN基Boost转换器的测试波形。
图11(c)示出集成的降压(buck)变换器，该变换器包括一个HEMT开关及一个整流器。
图12示出交流-直流转换器，该转换器集成整流器与一个功率HEMT开关。
图13示出智能功率开关的原理框图。
图14示出混合器件结构的等效电路图。
图15示出可集成于同一芯片的多种不同器件结构。
图16(a)-图(c)进一步给出3个集成结构与方法，其中，二极管和晶体管与多种不同LED结构实现集成。
具体实施方式
接下来本申请将利用一些优选的实施例来描述本发明的创新(举例只是为了说明而不是限制本发明)。本申请涉及了多项创新，但以下的具体描述不应该被理解为对权利要求的限制。
为了阐述的简单和清晰起见，附图只是对一般性结构进行了说明，省略了一些众所周知细节说明和阐述，以避免不必要的模糊表达。此外，附图中的基本单元并不一定成比例，某些局部区域或者元件可能被放大以帮助阅读者更好的理解本发明。
本申请的说明书和权利要求中涉及的诸如“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等术语只是用于区分类似的内容，而不一定用于描述某一特定顺序或按时间顺序。应该理解，这些术语是可互换的。此外，本申请中“包括”、“包含”、“具有”和任何类似术语只是表示非排它性的包含，从而过程、方法、条款、设备、或组成部分包含所描述的内容但不必仅限于这些内容，而是可以包括没有明确列出或者过程、方法、条款、器具、或组成部分所固有的内容之外的其它内容。
本申请的设计可能适于其它类型的2DEG整流器和场效应晶体管；但便于阐述，本申请以常规的单层AlGaN/GaN异质结材料进行举例说明，并且该集成器件中只考虑一个整流器和一个HEMT同时集成在同一芯片上。然而，作为本领域的技术人员都会知道通过改变本申请中的设计来形成其它组合和行式，例如在垂直层中进行设计。
图3为横向功率场效应整流器(L-FER)301与常关型AlGaN/GaNHEMT 303集成结构的示意图。其中L 305是肖特基接触区域长度(氟离子注入区长度)，LD307是L-FER 301漂移区长度。LGS 309、LG311LGD 313分别是HEMT器件303的栅源距离、肖特基栅长度以及栅漏距离。HEMT器件303包括源电极315、栅电极317、漏电极319。上述电极都位于器件表面的AlGaN层321，该层321位于GaN层325之上。在AlGaN层321和GaN层325之间的异质结是2DEG导电沟道323(开启状态下，栅极所施加的电压将会使一部分半导体材料反型，以形成一层二维电子气，完成从源极到漏极的电流通路)。位于AlGaN层321下的GaN 325生长在衬底327层之上，该衬底327通常是硅、碳化硅、Sappire或氮化镓。在AlGaN层321中和栅317下是具有带永久负电荷的离子的区域329。这些带永久负电荷的离子通常是通过CF4等离子体处理或离子注入引入的氟离子(F-)。氟离子注入区域329也可以延伸到的GaN层。有关氟离子注入的细节请参考美国专利申请US 2007/0278518 A1，该文献作者是本申请的作者陈敬等人，其内容以引文方式全部并入本申请。
本申请中L-FER器件301与常关型AlGaN/GaN HEMT结构具有一定程度的相似性。L-FER 301也包含GaN层325和位于GaN层325上面的AlGaN层321。在AlGaN层321和GaN层325之间形成2DEG导电沟道323。位于AlGaN层321下的GaN325生长在衬底327层之上，该衬底327通常是硅、碳化硅、Sappire或氮化镓。在AlGaN层321的表面上是L-FER 301的阴极电极331和阳极电极333，阴极电极331首先与AlGaN层形成欧姆接触，从而，实现与2DEG导电层323的欧姆接触；阳极电极333将肖特基接触335和欧姆接触339电气短接。肖特基接触335下面是具有带永久负电荷的离子的区域337。尽管其它负离子也可以用来形成永久负电荷，但是通过CF4等离子体处理或离子注入引入氟离子是目前常采用的方法。具有带永久负电荷的离子的区域337可垂直延伸到的GaN层。
值得指出，此例所述的整流器与晶体管间的横向隔离由台面隔离实现。
本申请中引入的永久负电荷区域337能有效地耗尽肖特基接触下的2DEG，从而夹断2DEG导通通路。因此提供了L-FER的反向阻断能力。当向阳极电极333施加正的正向偏压时，会导致肖特基栅下的2DEG 323，肖特基栅控沟道“开启”。当向阳极333施加负偏压时，肖特基栅控沟道保持“关闭”。因此，该两端器件是一个场效应整流器301。
图4(a)为栅偏压为零时没有氟离子注入的图3的AlGaN/GaN结构的导带图模拟结果。图4(b)为栅偏压为零时有氟离子注入的图3的AlGaN/GaN结构导带图模拟结果。图4(b)显示氟离子处理能使导带向上弯曲，尤其是AlGaN层中的导带，该向上弯曲的导带产生额外的势垒高度ΦF。在经过氟处理以后，当导带最低时2DEG沟道的能级位于费米能级以上时表明2DEG沟道完全被耗尽，从而实现了常关型器件。同时，该增加的势垒将有利于抑制肖特基接触区域的反向漏电流。图4(c)对比了氟离子处理前后2DEG电子浓度。在经过氟离子处理后，在栅偏压为零时肖特基栅下的沟道没有电子，这表明该器件是常关型器件。
图5(a)-图5(e)给出了如图3所示的横向场效应整流器结构制造过程的示例。在图5(a)中，使用掩模1在电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)系统中用Cl2/He等离子体干法刻蚀在AlGaN/GaN表面503上形成器件台面501。在图5(b)中，用掩模2淀积电子束蒸发的Ti/Al/Ni/Au(20nm/150nm/50nm/80nm)金属层，并在850℃高温下快速退火(RTA)30秒来形成欧姆接触。在图5(c)中，用掩模3紧靠欧姆接触区域505并且与它自对准地实现氟离子注入507来限定电极接触。通过精确控制氟离子注入剂量和功率以优化反向阻断能力与开启电压之间关系。在图5(d)中，用掩模5PECVD生长厚度为300nm的SiNx钝化层509。图5(e)为用掩模6形成测试Pad 511和场板(FP)513。最后，该实验样品在400℃退火10分钟以修复AlGaN势垒层中等离子体所致损伤和缺陷。
图6(a)-图(d)为单片集成横向场效应整流器和常关型AlGaN/GaN HEMT的制造流程。图6(a)是在电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)系统中用Cl2/He等离子体干法刻蚀在AlGaN/GaN表面形成台面。通过该工艺，可以形成多种器件结构区域。图中给出了典型的整流器601和HMET 603。图6(b)为淀积电子束蒸发的Ti/Al/Ni/Au(20nm/150nm/50nm/80nm)金属层，并在850℃高温下快速退火(RTA)30秒形成HMET和整流器的欧姆接触605。在图6(c)中，对HEMT和整流器同时进行氟离子注入以形成常关型导电沟道。用掩模6自对准地实施基于氟的等离子体处理和限定电极接触。分别形成整流器和HEMT的氟注入区609和613。氟注入区609与整流器601的欧姆接触的侧面自对准，而氟诸如区613更紧接HEMT603的两个接触的中间部分。通过精确控制氟离子注入剂量和功率可以优化反向阻断能力与开启电压之间的关系。接着，如图6(d)所示，进行金属淀积以形成Ni/Au肖特基接触611。在整流器601的阳极区域，在ALGaN表面的氟注入区的暴露表面上淀积肖特基接触611，以形成电气短接的肖特基接触和欧姆接触。在晶体管HEMT 603区域，在氟注入区的暴露表面上淀积肖特基接触611，以形成HEMT的肖特基栅。接着，该实验样品在400℃退火10分钟以去除AlGaN势垒层等离子体所致的晶格损伤和缺陷。最后，通过PECVD形成厚度为300nm的SiNx钝化层。
图3的样品器件结构是使用基于硅衬底的通过有机金属汽相淀积(MOCVD)生长的商用Al0.26Ga0.74N/GaN HEMT晶圆来制造的。外延层包括GaN缓冲层，薄AlN表面增强层，约18nm的未掺杂AlGaN层和2nm的未掺杂GaN。晶圆原始方块电阻为320欧姆/平方米，2DEG迁移率为1800cm2/V·s，夹断电压为-2.1V。采用标准的转移长度方法(transfer length method，TLM)过程来获得大约1.0Ω.mm的比欧姆接触电阻。在淀积肖特基栅金属之前，在该区域进行CF4等离子体处理，其处理条件为在130W下处理150秒。该注入的负电荷能有效地耗尽2DEG沟道，实现沟道夹断电压从-2.1V到+0.2V的转变。然后进行400℃ 10分钟退火的高温退火以修复等离子体处理所致的晶格损伤和缺陷。为了进行比较，还用另外一个Ni/Au金属化步骤制造了直接淀积在AlGaN表面而未处理经过CF4等离子体的SDB。最后，采用PECVD生长300nm的SiNx钝化层。
图7(a)为上述SBD器件和L-FER器件的正向特性，这两种器件的阳极-阴极漂移区长度(LD)均为10μm，器件宽度为1mA/mm时所对应的阳极电压)仅为0.2V，而SBD的拐点(W)为100μm。从图中可见L-FER的拐点电压(Vk，阳极电流电压为1.3V。这个巨大差异是源于两种器件的开启机理不同所致。对于L-FER器件而言，其拐点电压Vk由沟道的夹断电压决定，而且沟道的夹断电压可以通过调整氟等离子体处理的时间和功率进行调节。而对于在AlGaN/GaN HEMT上形成的SBD器件而言，其拐点电压Vk由金属/AlGaN肖特基势垒和AlGaN/GaN异质结面的导带偏移共同决定，因此具有较大的拐点电压。L-FER正向导通时比导通电阻(RON，sp)为1.4mΩ·cm2，其中RON， sp是在正向偏压为2V到3V的范围下利用除了欧姆接触之外的有源区的面积测量得到的。在图7(b)中，在没有将器件浸入Fluorinert的情况下，利用Tektronix 370A曲线描绘器测量了两个器件的反向击穿特性。漂移区长度均为10μm的L-FER和SDB在电流为1mA/mm时表现出了几乎相同的反向击穿电压。漂移区长度为10μm的L-FER的反向耐压(BV)为390V，从而导致功率优值(BV2/RON，sp)为108MW·cm-2，该功率优值与垂直肖特基二极管的相当。图7(b)为上述SBD器件和L-FER器件的反向特性。可见，对于器件漂移区长度均为10μm的L-FER和SBD器件具有几乎相等的反向耐压能力。
图8(a)为L-FER器件击穿电压(BV)和比导通电阻(RON，sp)与漂移区长度(LD)的关系，可见，随着漂移区长度的增加，器件的击穿电压和比导通电阻都增加。图8(b)给出了漂移区长度为5μm、10μm和15μm时器件正向导通时的正向电流密度(JF)，可知，其正向开启电压(VF，ON)(在正向电流密度为100A/cm2的电压)分别为0.53V、0.63V和0.78V，这远低于目前所报道的GaN基垂直SBD和p-i-n整流器的开启电压。如上所述，低的开启电压是由于L-FER的开启是由沟道的阈值电压决定而不受肖特基势垒高度或者p-i-n势垒高度的影响。此外，高浓度的2DEG以及高的电子迁移率也有助于实现低的导通电阻，这还能导致L-FER的低的正向开启电压。
图9给出了利用具有热夹盘的探针台获得的L-FER正向偏压特性与温度的关系。从图中可知，在高达250℃时器件的拐点电压(Vk)基本保持不变。而阳极电流随着温度的增加而减小，这是因为在高温时，由于声子散射等加剧，从而导致2DEG的电子迁移率下降。
图10(a)和图(b)为采用同一制作工艺制作的常关型AlGaN/GaNHEMT器件的性能。当器件栅源距离为1μm，栅长为1.5μm，栅漏距离为15μm时，该器件的阈值电压(Vth)为0.6V，在栅电压(VGS)为3V以及漏源电压(VDS)为10V时，最大漏极电流(Imax)为250mA/mm，以及最大跨导(Gm)为110mS/mm。在漏极漏电流为1mA/mm时的击穿电压为460V和在VGS为3V时比导通电阻(RON，sp)2.3mΩ·cm2。
图11(a)为单片集成L-FER和HEMT的Boost转换器，其为开关电源的主要部件。
图11(b)为上述转换器的测试波形。当工作频率为1MHz，占空比为55％，输入为10V时，其输出电压(Vout)为21V，功率转换效率为84％，纹波为0.8％。
通过单片集成L-FER/HEMT，可以实现高温、高压、高效率、高反向击穿电压的电源转换器，并大大降低生产成本。
本发明提供了一种便于集成的开关电源以及相关的(如开关式电机驱动电路或音频放大器)。
一般情况下，较高的开关频率有助于实现更小的器件体积、更快的瞬态响应以及更小的电压过冲。然而，其工作频率也受晶体管开关和整流器等器件固有的响应速度限制，因此这些有源器件在高频工作时具有更大的功耗。由于氮化镓器件在高频率时具有更小的功耗，因此其开关频率可进一步提高而不会降低效率。关于开关频率的优化选择，本申请的参考Nowakowski，“选择最佳开关频率DC-DC转换器”，电子工程专辑印度，2006年10月和Omura等人进行了专门的讨论。应用于频率功率电子的GaN功率HEMT，IEEE出版号：978-14244-17285(2007年)。以上参考文献用于使阐述变得完整。
图11(c)为单片集成HEMT和整流器的GaN基Buck转换器。其中，功率HEMT与整流器更适宜于集成于同一芯片上，如前述实施例。同时，HEMT和环流二极管与两个电抗元件相混合构成一个简易的功率转换电路。本实例中，这些电抗元件多数为分立器件，所示LED亦类似；然而，该电路也可利用集成的LED，如图16(a)-图16(c)所示。
图12为单片集成HEMT和整流器的GaN基AC-DC转换器，其中全波电桥用于AC-DC整流及Buck转换器用于进一步直流降压。值得指出，全桥整流器可与功率HEMT及环流二极管集成。同样，也可将该系统应用于比目前主流应用高的工作频率，如，RF远距离供电模块。
图13为智能电源开关框图。这种集成的高速器件有望取代IPS1041。该系统包括了过压保护，过流保护，栅极保护，过温度保护和续流二极管。在图13，D1和D2由栅源和栅漏肖特基二极管自然形成，而D3二极管由上述的L-FER实现。R1和R2是由2DEG沟道电阻形成，并通过与本申请在此提出的等离子体处理一起对其电阻进行调节。比较器CMP1、CMP2、CMP3以及或门OR1、OR2以及锁存器LATCH1以及开关器件S1由本申请者提出的增强型/耗尽型兼容工艺实现。
该例中，栅极保护由D1与D2实现。电流限制由R1采样源极电流实现。过温保护由温度传感器，辅助比较器CMP1、CMP2、或门OR1、OR2，锁存器LATCH1及开关S1在必要时将内部栅极与源极进行短路来实现。过压保护由CMP3及OR2实现，其工作机理类似于电流限制与过温保护。当功率开关器件关断，即外部栅源短接时，有源钳位由D1与R1实现。其机理为，当漏极电压高于所设定的保护值时，二极管D1将开始导通，并迫使电流流过R1。R1两端的电压将会高于功率晶体管的阈值电压，从而开启沟道以泻放漏极与源极间的电压或电流。
图14给出混合器件结构的等效电路。其中，异质结晶体管与续流二极管根据在此所示的各种器件结构中的任一种来进行结合。该续流二极管多用于功率转换器中来钳位功率管源极的过压。值得指出，该二极管-晶体管混合方式给出了一种同步整流结构。该图也给出了第二个二极管，该二极管可保护续流二极管可能出现的破坏性过流，如电源误反接。
图15给出集成不同器件类型的总览图，该集成基于所述申请。值得注意的是，外围电路可包括增强型与耗尽型器件，以及肖特基二极管与横向场效应整流器(L-FER)。芯片高压部分可包括高压HEMT与高压LFER，该类高压器件相对于低压器件在横向尺寸上有所增加。
图16(a)、图16(b)及图16(c)给出进一步集成方案，该方案中，LED结构与上述其它结构相集成。图16(a)-图(c)所示结构均包括图3所示结构，及另外添加的光电器件结构。
图16(a)所示结构始于一个生长HEMT结构后的晶圆，其后，对用于制造LED的区域进行回蚀以暴露GaN层。之后，重新生长LED结构，该生长过程通过选择性外延实现。典型情况下，LED结构生长过程为：首先生长一层n型GaN，接着生长一对窄禁带层(如InGaN)以形成量子阱(单量子阱或多量子阱)，最后生长一层p型GaN。在上述制造流程中，将使用台面蚀刻工艺来暴露n型GaN层，同时，欧姆金属化工艺将形成LED结构的阳极与阴极接触。该工艺流程不能如上述二极管-HEMT混合那样实现简易集成，但是，为实现单一芯片的更高集成度提供了解决思路。
图16(b)给出以一个生长工艺流程后形成的器件结构(无需重新生长)，该图中，HEMT所需的异质结结构形成于LED的异质结构之前。该结构与图16(a)所示结构表面类似，但存在一个重要问题：从HEMT层上去除LED层时，必须蚀刻进入AlGaN层中，但不能蚀刻穿过AlGaN层(即不能过度蚀刻AlGaN层)。因为AlGaN层中没有蚀刻停止层，剩余AlGaN层厚度将会具有一定工艺波动。该工艺波动将会造成HEMT阈值电压的漂移，影响器件及系统功能及性能。
图16(c)给出一种很不同的结构，同样，该结构具有单一生长工艺流程的特点(无需重新生长)，且LED异质结构形成于HEMT异质结构之前。相对于图16(b)所示，该方法将实现HEMT阈值电压的均匀性；同时，可避免图16(a)所示方法所带来的重新选择性外延生长的复杂行。从而这种分层结构(在LED异质结构之上形成HEMT异质结构)对于这种电子及光电结构的制造来说尤其有利。
根据所公开的各个实施例，提供了一种集成功率器件结构，其包括：混合二极管，其包括并联的场控制二极管和肖特基二极管；以及异质结场效应晶体管；其中所述混合二极管与所述晶体管集成于同一III-氮化物半导体层之上；以及其中，所述混合二极管与所述晶体管均包括形成图形的区域，该区域中，永久性负电荷被引入到所述同一III-氮化物半导体层中较窄禁带部分之上的较宽禁带部分中。
根据所公开的各个实施例，提供了一种集成功率器件，其包括：III-氮化物半导体异质结构，其包括处于其有源层之上的势垒层，所述势垒层和所述有源层具有不同的禁带宽度；第一结构区，其包括与所述半导体结构具有欧姆接触和第一肖特基势垒接触的阳极电极，以及与所述半导体结构具有欧姆接触的阴极电极；第二结构区，其包括与所述半导体结构的分别部分具有欧姆接触的源极电极和漏极电极，以及位于所述源极电极和漏极电极之间的具有与所述半导体器件结构进行肖特基势垒接触的栅极电极；以及各个陷阱电荷区，这些区域位于所述第一和第二结构区中的所述肖特基势垒接触之下。
根据所公开的各个实施例，提供了一种开关功率转换器，其包括：至少一个异质结场效应晶体管，被连接来控制流经至少一个电感器的电流；混合二极管，其包括并联的肖特基二极管与场控制二极管，且该混合二极管可连接到所述电感器的至少一端；其中，所述的混合二极管与所述晶体管集成于同一III-氮化物半导体层上；以及其中，所述开关模式功率转换器能在高频下高效率地工作。
根据所公开的各个实施例，提供了一种开关功率转换方法，其包括：使用至少一个异质结场效应晶体管来控制流经至少一个电感器的电流；以及使用至少一个包括并联的肖特基二极管和场控制二极管的混合二极管来对所述电感器的至少一端的电流进行整流；其中所述混合二极管和所述晶体管集成于同一III-氮化物半导体层之上；由此，所述开关模式功率转换器能在高频下高效率地工作。
根据所公开的各个实施例，提供了一种制造集成半导体器件的方法，其包括以下实施：形成III-氮化物异质结构，其包括势垒层和有源层，所述势垒层和所述有源层具有不同的禁带宽度；形成一个或多个隔离结构，以至少部分地将所述异质结构分割为第一结构区和第二结构区；制造第一结构，该第一结构位于所述第一结构区中，且该第一结构包括：与所述半导体结构具有欧姆接触和第一肖特基势垒接触的阳极，与所述有源区具有欧姆接触的阴极，和与位于所述第一肖特基接触的正下方的第一永久性负电荷陷阱区；以及制造第二结构，该第二结构位于所述第二结构区中，且该第二结构包括：与所述半导体结构的分别部分进行欧姆接触的源极电极和漏极电极，以及位于所述源极电极与漏极电极之间，且与所述半导体结构具有肖特基势垒接触的栅极电极；以及第二永久性负电荷陷阱区，该区位于所述第二肖特基接触的正下方。
根据所公开的各个实施例，提供了一种集成器件结构，其包括：位于第二异质结构之上的第一半导体异质结构，一个或多个异质结场效应晶体管，以及一个或多个混合二极管整流器结构，所有这些都集成到所述第一半导体抑制结构中；以及在所述第二异质结构中形成的一个或多个发光二极管，其中已经至少部分地去除了所述第一异质结构。
根据所公开的各个实施例，提供了基于GaN或类似半导体材料的集成了高效率横向场效应整流器和HEMT的器件、该集成器件的制造方法、以及包括这种集成器件的系统。横向场效应整流器具有包含短接的欧姆接触和肖特基接触的阳极，以及具有包含欧姆接触的阴极，而HEMT优选地具有包含肖特基接触的栅极。在整流器和HEMT中的两个肖特基接触的正下方形成两个氟离子包含区域，以夹断两个结构中外延层之间的异质界结面的(电子气)沟道。
修改与改变
本领域的技术人员应该认识到，可对本申请所描述的创新性设计进行改变或修改，使其适于大量的其它应用，因此，本发明主题的保护范围不受任何所给出的特定示范性实施例的限制。其目的在于包含落入所附权利要求的思想和宽广范围内的所有这些替换物、修改和变型。
例如，半导体组分的细微改变，比如以含磷氮化物替代纯氮化物，或使用AlyGa(1-y)N层上的AlxGa(1-x)N替代的异质结构来作为一种选择。
半导体材料的研究正迅速发展，因此，同样可能出现其它可利用本专利所公开的结构及工艺的半导体合金。例如，III-氮化物半导体中的III族半导体可被包含某些IIIA族元素组分所替代，如，Ti。
本专利为实现单电源供电的RFIC(射频集成电路)及MMIC(微波集成电路)提供可能。本专利也为用户提供了用来实现高温电子领域所需的基于GaN的数字集成电路的单片集成技术。
例如，在所描述的各种器件结构中，可选择大量的材料以用于形成电极或接触金属(需要考虑到可能造成的功函数的改变)。一种可预期的实现方式是，功函数不同的栅电极材料可与以上的不同实现方式所提供的陷阱面电荷层相结合。同样的，可对外延层掺杂进行大量的改变或替换。
附加的结构特征也可被添加于本申请描述的基本结构中。如，除接触外，也可添加到各种场板结构。
有助于展示变型及实现的附加的背景资料可见于以下文献。将这些文献以引文形式并入：
N.-Q.Zhang，B.Moran，S.P.Denbaars，U.K.Mishra，X.W.Wang，and T.P.Ma，Phys.Status Solidi A 188，213(2001)；
W.Saito，Y.Takada，M.Kuraguchi，K.Tsuda，I.Omura，T.Ogura，and H.Ohashi，IEEE Trans.Electron Devices 50，2528(2003)；
H.Xing，Y.Dora，A.Chini，S.Heikman，S.Keller，and U.K.Mishra，IEEE Electron Device Lett.25，161(2004)；
Y.Dora，A.Chakraborty，L.McCarthy，S.Keller，S.P.DenBaars，and U.K.Mishra，IEEE Electron Device Lett.27，713(2006)；
N.Tipirneni，A.Koudymov，V.Adivarahan，J.Yang，G.Simin，M.Asif Khan，IEEE Electron Device Lett.27，716(2006)；
Y.Irokawa，B.Luo，Jihyun Kim，J.R.LaRoche，F.Ren，K.H.Baik，S.J.Pearton，C.-C.Pan，G.-T.Chen，J.-I.Chyi，S.S.park and Y.J.Park，Appl.Phys.Lett.83，2271(2003)；
A.P.Zhang，J.W.Johnson，B.Luo，F.Ren，S.J.Pearton，S.S.Park，Y.J.Park，and J.-I.Chyi，Appl.Phys.Lett.79，1555(2001)；
Z.Z.
Figure A20091013333600221
，P.M.Bridger，E.C.Piquette，and T.C.McGill，R.P.Vaudo，V.M.Phanse and J.M.Redwing，Appl.Phys.Lett.74，1266(1999)；
A.P.Zhang，G.T.Dang，F.Ren，H.Cho，K.Lee，S.J.Pearton，J.-I Chyi，T.-E.Nee，C.-M.Lee，and C.-C.Chuo，IEEE Trans.ElectronDevices 48，407(2001)；
J.W.Johason，A.P.Zhang，W.-B.Luo，F.Ren，S.J.Pearton，S.S.Park，Y.J.Park，and J.-I.Chyi，IEEE Trans.Electron Devices 49，32(2002)；
Y.Zhou，D.Wang，C.Ahyi，C.-Che T.，J.Williams，M.Park，N.Mark Williams，A.Hanser，Solid-State Electronics 50，1744(2006)；
J.B.Limb，D.Yoo，J.-H.Ryou，S.-C.Shen，and R.D.Dupuis，IEE Electronics Lett.43，67(2007)。

Claims (31)

1.一种集成功率器件结构，包括：
混合二极管，其包括并联的肖特基二极管与场控制二极管；以及
异质结场效应晶体管；
其中，所述混合二极管与所述晶体管集成于同一III-氮化物半导体层之上；
其中，所述混合二极管与所述晶体管均包括形成图形的区域，该区域中，永久性负电荷被引入到所述同一III-氮化物半导体层中的较窄禁带部分之上的较宽禁带部分中。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述永久性负电荷包括氟离子。
3.根据权利要求1所述的结构，其中，所述较宽禁带部分是未掺杂的。
4.根据权利要求1所述的结构，其中，所述较宽禁带部分包含AlGaN。
5.根据权利要求1所述的结构，其中，所述较宽禁带部分包含其上覆盖了GaN的AlGaN。
6.根据权利要求1所述的结构，其中，所述较窄禁带部分包含GaN。
7.根据权利要求1所述的结构，其中，所述III-氮化物半导体主要由包括不止一种第三主族材料的金属氮化物组成。
8.根据权利要求1所述的结构，其中，所述III-氮化物半导体包括GaN及相关三元半导体材料。
9.一种集成功率器件，其包括：
III-氮化物半导体异质结构，其包括势垒层及位于其下的有源层，所述势垒层与所述有源层具有不同的禁带；
第一结构区，其包括：
阳极，该阳极与所述半导体异质结构具有欧姆接触和第一肖特基势垒接触；以及
阴极，该阴极与所述半导体异质结构具有欧姆接触；
第二结构区，其包括：
源极和漏极，该源极和漏极与所述半导体异质结构的分别部分形成欧姆接触；以及
栅极，该栅极与所述半导体异质结构形成肖特基势垒接触，且栅极位于所述源极与漏极之间；以及
分别的永久性陷阱电荷区，这些区位于所述第一结构区及第二结构区中的所述肖特基势垒接触之下。
10.根据权利要求9所述的器件，其中，所述永久性陷阱电荷包括氟离子。
11.根据权利要求9所述的器件，其中，所述势垒层是未掺杂的。
12.根据权利要求9所述的器件，其中，所述势垒层包括AlGaN。
13.根据权利要求9所述的器件，其中，所述势垒层包含其上覆盖了的GaN的AlGaN。
14.根据权利要求9所述的器件，其中，所述有源层包含GaN。
15.根据权利要求9所述的器件，其中，所述III-氮化物半导体主要由包括不止一种第三主族材料的金属氮化物组成。
16.根据权利要求9所述的器件，其中，所述III-氮化物半导体包括GaN及相关三元半导体材料。
17.根据权利要求9所述的器件，其中，所述有源层位于一个III-氮化物缓冲层之上，该III-氮化物缓冲层位于一个III-氮化物成核层之上。
18.根据权利要求9所述的器件，其中，所述第一结构区包括多个场效应整流器，以及所述第二结构区包括多个HEMT。
19.根据权利要求9所述的器件，进一步包括器件上方的氮化硅钝化层或氧化硅钝化层。
20.根据权利要求9所述的器件，进一步包括器件上方的聚酰亚胺钝化层或苯环丁烯钝化层。
21.一种开关功率转换器，其包括：
至少一个异质结场效应晶体管，其被连接来控制流经至少一个电感器的电流；以及
混合二极管，其包括并联的肖特基二极管与场控制二极管，且该混合二极管可被连接来对所述电感器的至少一端进行整流；
其中，所述混合二极管与所述晶体管集成于同一III-氮化物半导体层上；
其中，所述开关模式功率转换器具有高工作频率与高效率。
22.根据权利要求21所述的功率转换器，其中，所述混合二极管与所述晶体管被台面隔离彼此隔开。
23.一种开关功率转换方法，包括：
采用至少一个异质结场效应晶体管来控制流经至少一个电感器的电流；以及
采用至少一个混合二极管来对所述电感器的至少一端进行整流，该混合二极管包括并联的肖特基二极管与场控制二极管；
其中，所述的混合二极管与所述晶体管集成于同一III-氮化物半导体层上；
其中，所述开关模式功率转换器具有高工作频率与高效率。
24.根据权利要求23所述的开关功率转换方法，其中，以10MHz以上的频率对所述晶体管进行开关。
25.一种制造集成半导体器件的方法，该方法包括以下步骤：
形成III-氮化物异质结构，该结构包括势垒层和有源层，所述势垒层与所述有源层具有不同的禁带；
形成一个或多个隔离结构，该隔离结构将所述异质结构至少部分地分割为第一结构区和第二结构区；
在所述第一结构区中制造第一结构，第一结构包括：与所述半导体结构具有欧姆接触和第一肖特基势垒接触的阳极，与所述半导体结构具有欧姆接触的阴极，以及位于所述第一肖特基势垒接触的正下方的第一永久性负电荷陷阱区；以及
在所述第二结构区中制造第二结构，该第二结构包括：
与所述半导体结构的分别的部分进行欧姆接触的源极和漏极，
栅极，该栅极位于所述源极与所述漏极之间，且该栅极与所述半导体结构具有第二肖特基势垒接触，以及
第二永久性负电荷陷阱区，该区位于所述第二肖特基接触的正下方。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，制造所述第一结构与制造所述第二结构同时进行。
27.根据权利要求25所述的方法，该方法进一步包括在形成所述肖特基接触后，对所形成的器件实施热退火处理。
28.根据权利要求25所述的方法，该方法进一步包括用氮化硅、氧化硅、聚酰亚胺或苯环丁烯来实施钝化。
29.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第一永久性负电荷陷阱区与第二永久性负电荷陷阱区由等离子处理或低能量离子注入来产生。
30.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第一永久性负电荷陷阱区与第二永久性负电荷陷阱区由化合物的处理来产生，该化合物可从CF4，SF6，BF3化合物中选其一，也可为CF4，SF6，BF3的组合形式。
31.一种集成器件结构，包括：
位于第二异质结构之上的第一半导体异质结构；
集成于所述第一半导体异质结构中的一个或多个异质结场效应晶体管以及一个或多个混合二极管整流结构；以及
形成于所述第二异质结构中的一个或多个发光二极管，
其中，已至少部分地去除所述第一半导体异质结构。
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