CN102074576A - 常态关闭的氮化镓场效应管 - Google Patents

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Abstract

一种HFET的氮化镓半导体功率器件，包括：两种不同带隙的第一半导体层与第二半导体层相交界，从而产生一个2DEG层的交界层。该功率器件还包括一个源极电极和一个漏极电极，位于栅极电极的两个对边上，栅极电极设置在异质结结构上方，用于控制2DEG层中源极和漏极电极之间的电流。该功率器件还包括一个位于栅极电极和异质结结构之间的浮栅，其中栅极电极通过一个绝缘层，与浮栅绝缘，其中浮栅设置在一个薄绝缘层上方，同异质结结构之间垫有薄绝缘层，浮栅充有电荷，在2DEG层上持续加载电压，以夹断源极和漏极电极之间2DEG层中的电流，使HFET半导体功率器件为一个常态关闭器件。

Description

常态关闭的氮化镓场效应管
技术领域
本发明主要涉及一种半导体功率器件的结构和制备方法。更确切地说，本发明涉及一种用新型器件结构和制备方法制成的基于氮化镓(GaN)的场效应管，该常态关闭的基于GaN的场效应管在传导大电流时，具有极低的导通电阻。
背景技术
配置与制备基于氮化镓(GaN)的场效应管(FET)的传统方法，仍然受到提供具有简便的制备和操作配置的常态关闭FET晶体管等技术问题的挑战。更确切地说，配置基于氮化镓(GaN)的FET，以制备高电子迁移率晶体管(HEMT)。对于功率晶体管器件，这种类型的晶体管可以取代一些现在常见地广泛使用的基于硅的半导体，带有功率金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管的功率器件。与基于硅的MOS-FET(或MOSFET)半导体功率器件相比，基于GaN的晶体管利用宽带隙的半导体材料特性，能够进一步降低导通电阻，并获得更高的击穿电压。另外，相对于基于硅的MOSFET器件的性能，这种高电子迁移率晶体管还能够提供高速转换以及高灵敏度操作。
获得高电子迁移率的基本原则是，结合两种带有不同带隙的不同半导体材料。在界面处生成一个二维电子气(2DEG)层，作为一个由在该电子气层中的一个电子流组成的电流通路。图1表示一个典型的示例，在氮化镓(GaN)层上方外延生长氮化铝镓(AlGaN)。凭借这两种材料不同的带隙，会在这两种半导体材料之间的边界处产生一个二维电子气层(2DEG)，称为AlGaN/GaN异质结。典型的AlGaN/GaN异质结结构位于蓝宝石等绝缘衬底上。该晶体管还包括一个源极电极S和一个漏极电极D，位于栅极电极G的两个对边上，栅极电极G形成在AlGaN层上，AlGaN层在源极电极S和漏极电极D之间延伸。
AlGaN层作为电子供应层，给未掺杂的GaN层中的2DEG提供电子，当栅极没有加载控制电压时，电子气层中的电子在源极电极和漏极电极之间传输。除非栅极上加载的电压夹断源极和漏极电极之间的电流，否则如图1所示的高电子迁移率晶体管(HEMT)结构就在常开模式下工作。为了关闭晶体管，要求在栅极上连续加载夹断电压，会导致额外的功率损耗，有时还会为了电子器件中使用这种晶体管，引起更复杂的器件控制过程。此外，大多数的应用都是为了常态关闭晶体管设计的，因此这种器件并不适合那些应用。基于上述原因，有必要提出制备基于GaN的晶体管的新型改良结构，使这种器件无需在栅极加载夹断电压，就能常态关闭。
为了获得很低的RdsA电阻(漏极至源极电阻*面积)，大多数的AlGaN/GaN异质结场效应管(HFET)都是作为耗尽型金属-半导体FET(MESFET)。已经有人提出了增强型MESFET器件，其阈值电压Vth在0.3至0.7伏之间。但是，这种类型的晶体管无法用10至15伏传统的栅极电压驱动。而且，已经尝试了各种方式，利用氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)和氧化钆(Gd2O3)等不同的栅介质，在一个p-GaN层上制造增强型金属绝缘体半导体FET(MISFET)。然而，当对器件加载偏压使其击穿时，这种器件都受到低反转迁移率和氧化物中高电场的不利影响，从而引起器件的可靠性问题。为了解决此问题，我们增加了氧化层的厚度，但这会降低跨导，并导致不必要的较高的RdsA。
基于上述原因，迫切需要在不干扰二维电子气(2DEG)层的电导的前提下，改善RdsA很低的器件结构。同时，无需在栅极加载电压，使器件就可以作为一个常态关闭器件，从而解决上述困难和局限。
发明内容
本发明的目的是提出一种新的改良器件结构和制备方法，这种异质结场效应管(HFET)功率器件，可以通过简便的制备和操作过程，将HFET器件制成常态关闭器件，从而解决上述现有技术中的困难和局限。
更确切地说，本发明的一个方面在于提出改良型器件结构，以及制备半导体基于GaN的HFET功率器件的方法，该器件带有负电荷的浮栅，当栅极没有加载电压时，使通道耗尽。制备带负电荷的浮栅，可以通过与在闪存中制备浮栅的工艺类似的方法，这是一种成熟的普遍方法。加载栅极电压，以抵消带负电荷的浮栅，恢复形成在GaN和AlGaN层之间的异质结上的2DEG通道。
本发明的另一方面在于，提出改良型器件结构，以及制备多通道半导体基于GaN的HFET功率器件的方法，该器件带有负电荷的浮栅作为缠绕浮栅，在栅极没有加载电压时，耗尽多通道。制备带负电荷的浮栅，是通过与在闪存中制备浮栅的工艺类似的方法。加载栅极电压，以抵消带负电荷的缠绕浮栅，恢复形成在GaN和AlGaN层之间的异质结上的2DEG通道。
本发明的另一方面在于，提出改良型器件结构，以及制备半导体基于GaN的HFET功率器件的方法，该器件带有负电荷的栅极氧化层，在栅极没有加载电压时，使通道耗尽。制备带负电荷的浮栅，是通过氟处理或与在栅极氧化层中设置固定的负电荷的工艺类似的方法。加载栅极电压，以抵消带负电荷的栅极氧化物，恢复形成在GaN和AlGaN层之间的异质结上的2DEG通道。
本发明的较佳实施例简要说明了一种异质结场效应管(HFET)氮化镓(GaN)半导体功率器件。该功率器件由一个异质结结构组成，包括两种不同带隙的第一半导体层与第二半导体层相交界，从而产生一个二维电子气(2DEG)层的交界层。该功率器件还包括一个源极电极和一个漏极电极，位于栅极电极的两个对边上，栅极电极设置在异质结结构上方，用于控制2DEG层中源极和漏极电极之间的电流。该功率器件还包括一个位于栅极电极和异质结结构之间的浮栅，其中栅极电极通过一个绝缘层，与浮栅绝缘，其中浮栅设置在一个薄绝缘层上方，同异质结结构之间垫有薄绝缘层，为浮栅充电，在2DEG层上持续加载电压，以夹断源极和漏极电极之间2DEG层中的电流，使HFET半导体功率器件为一个常态关闭器件。在另一个实施例中，第一半导体层为氮化镓(GaN)层，第二半导体层为氮化铝镓(AlGaN)层，设置在氮化镓层上方。在另一个实施例中，该半导体功率器件还包括一个蓝宝石衬底，用于承载上面的异质结结构。在另一个实施例中，浮栅带负电荷，将2DEG层的夹断电压从负夹断电压转化为等于或大于3.0V的正夹断电压。在另一个实施例中，该源极电极还包括一个延伸的场板，从源极电极延伸并覆盖到栅极电极上方。在另一个实施例中，该源极电极还包括一个延伸的场板，从源极电极延伸并覆盖到栅极电极上方，其中该场板通过一个厚绝缘层，与栅极电极绝缘。在另一个实施例中，该异质结结构包括第一和第二半导体层，构成一个矩形块，其纵向从源极电极延伸到漏极电极。而且，带有绝缘层的栅极电极和浮栅构成一个缠绕栅极，缠绕在侧壁周围的矩形块的中段，以及矩形块中段的顶面，以便控制第一和第二半导体层之间产生的2DEG层。在另一个实施例中，该异质结结构包括第一和第二半导体层，构成一个矩形块，其中两种带隙不同的第一和第二半导体层是垂直方向的。在另一个实施例中，该半导体功率器件还包括至少一个第三半导体层，同具有两种不同带隙的两个相邻的半导体层结构，相互挨着设置，用于生成至少两个交界层，作为至少两个二维电子气(2DEG)层。
参照以下附图并阅读本发明的较佳实施例的详细说明之后，本发明的这些以及其他特点和优势，对于本领域的技术人员而言，无疑将显而易见。
附图说明
图1表示一种传统的常开型基于GaN的HFET功率器件的剖面图。
图2表示本发明所述的HFET功率器件的剖面图，该器件带有负电荷浮栅，以便耗尽通道，将晶体管作为一个常态关闭器件。
图3表示本发明所述的HFET功率器件的剖面图，该器件带有负电荷栅极氧化层，以便耗尽通道，将晶体管作为一个常态关闭器件。
图4表示本发明所述的多通道HFET功率器件的剖面透视图，该器件带有负电荷浮栅作为缠绕浮栅，以便耗尽通道，将晶体管作为一个常态关闭器件。
图5表示图4所示的HFET功率器件的俯视图。
图6和7表示类似于图4所示的本发明所述的HFET功率器件的可选实施例的剖面透视图。
具体实施方式
以下结合图2～图7，详细说明本发明的优选实施例。
请参照图2，本发明所述的异质结场效应管(HFET)半导体功率器件100的剖面图。该HFET半导体功率器件100包括一个外延生长在氮化镓(GaN)层110上方的AlGaN层120，从而构成一个AlGaN/GaN异质结，在交界面处带有一个二维电子气(2DEG)115。源极电极130和漏极140设置在栅极电极150的两个对边上，以控制通过2DEG层115的电流。通过一个较厚的栅极氧化层155，栅极电极150与N-掺杂AlGaN层120绝缘。为了将HFET功率器件配置成为一个常态关闭器件，浮栅160要形成在至少一部分栅极氧化层155下方。通过一个薄氧化层145，浮栅160与AlGaN层120绝缘，并通过栅极氧化物155，浮栅160与栅极电极150绝缘。
浮栅160带有负电荷，将夹断电压从负夹断电压转化为正夹断电压。例如，没有带负电荷的浮栅时，初始的夹断电压Vp为-4.0V，有了带负电荷的浮栅160后，夹断电压变为+3V。栅极电极150上没有外加电压时，浮栅160自动夹断2DEG 115。栅极电极150与带负电荷的浮栅160重叠，并通过厚氧化层155相互绝缘。给栅极电极150加电压，以控制电场。因此，栅极150的作用并不是反转通道。栅极电极150的作用是消除浮栅160上的负电荷，使2DEG 115在源极130和漏极140之间不中断，从而开启器件。可以注入负电荷，就像往闪存器件中写入电荷一样，将负电荷写入浮栅160。
参照图3，本发明所述的另一种异质结场效应管(HFET)半导体功率器件200的剖面图。该HFET半导体功率器件200具有一个类似的AlGaN/GaN异质结结构，在氮化镓(GaN)层210和AlGaN层220之间的交界层上形成一个二维电子气(2DEG)层215。该AlGaN/GaN异质结结构位于蓝宝石衬底205上。源极电极230和漏极240设置在栅极电极250的两个对边上，以控制通过2DEG层215的电流。所形成的源极电极230带有一个延伸的场板230-FP，延伸并覆盖在栅极电极250上，以便降低漏极电极240附近的栅极氧化物峰值场。通过一个厚氧化物235，延伸的场板230-FP与栅极idianji250绝缘。通过栅极氧化层255，栅极电极250与N-掺杂的AlGaN层220绝缘。为了将HFET功率器件配置成常态关闭器件，需要通过在AlGaN层中或在制备过程中的可选工艺中进行氟处理，在栅极氧化层255中，存储固定的负电荷(例如效仿在闪存中存储电荷的方式)。栅极氧化层255中固定的负电荷驱走了2DEG层215中的电子，从而使通道耗尽。栅极电极250上所加的电压抵消了负电荷，使2DEG层215回到传导模式。因此，无需降低电子迁移率，就可以获得一个常态关闭HFET器件。
图4表示本发明所述的一种HFET功率器件100’的一个可选实施例的局部/剖面透视图。该HFET功率器件100’与图1所示的结构类似。该HFET功率器件100’包括三个AlGaN/GaN异质结，在两个GaN层110-1、110-2与两个AlGaN层120-1、120-2之间分别形成三个2DEG层的通道(图中没有明确表示出，但与图1-3相同)——在每个AlGaN/GaN异质结处各有一个2DEG通道。通过一个厚氧化层155’，栅极电极150’与带负电荷的浮栅160’绝缘。带负电荷的浮栅160’在GaN和AlGaN层之间形成的异质结的顶部和两侧上，包围着异质结。带负电荷的浮栅160’的缠绕结构进一步确保通道完全耗尽，从而可靠地作为常态关闭多通道HFET功率器件100’，凭借AlGaN/GaN层110-1、120-1、110-2、120-2提供的多通道，增加从源极电极130’(图4没有表示出)流向漏极电极140’的电流。图4表示该HFET功率器件100’的栅极和通道结构的剖面图。图5表示HFET功率器件100’的俯视图，用于说明源极电极130’、栅极电极150’和漏极电极140’的相对位置。
图6表示一种HFET功率器件100-1’的可选实施例的局部透视图。除了仅用一个GaN 110-1’单层和一个AlGaN 120-1’单层代替双层GaN层110-1和110-2以及双层AlGaN层120-1和120-2之外，其他都与图4和图5所示的HFET功率器件100’类似。尽管该HFET功率器件100-1’只有一个2DEG单通道，设置在AlGaN层120-1’和GaN层110-1’之间，但是仍然缠绕浮栅145’，以增强异质结的控制。
图7表示一种HFET功率器件100-2’的可选实施例的局部透视图。除了双垂直层GaN层110-1’和110-2’以及双垂直层AlGaN层120-1’和120-2’，代替双层GaN层110-1和110-2以及双层AlGaN层120-1和120-2之外，其他都与图5和图6所示的HFET功率器件100’类似。垂直方向的层意味着异质结GaN/AlGaN在垂直方向上，因此2DEG通道也是垂直方向。在这种情况下，缠绕浮栅160’在夹断2DEG通道方面会更加有效。
依据以上附图和说明，本发明提出了一种制备异质结场效应管(HFET)氮化镓(GaN)半导体功率器件的方法。该方法包括：制备一个异质结结构，从具有不同带隙的第一半导体层与第二半导体层的交界处，以便在异质结处形成二维气(2DEG)；在一部分2DEG上方，源极和漏极电极之间，制备一个栅极电极；并且在浮栅上方，制备一个栅极电极，通过绝缘层，栅极电极与浮栅绝缘；其中对浮栅充电，使它耗尽2DEG，使HFET半导体器件常态关闭，并且其中的栅极电极抵消了浮栅的电荷，使器件开启。在另一个实施例中，制备一个异质结结构的步骤，来自于由GaN构成的第一半导体层和由氮化铝镓(AlGaN)构成的第二半导体层相交界。在另一个实施例中，该方法还包括用内置的负电荷制备浮栅。在另一个实施例中，该方法还包括用负电荷制备浮栅的步骤，该步骤包括用与闪存中写入电荷相类似的方法，在浮栅中写入负电荷。在另一个实施例中，该方法还包括在异质结结构的侧壁和顶部周围，缠绕浮栅和栅极电极。在另一个实施例中，该方法还包括通过一个薄绝缘层，将浮栅与异质结结构绝缘。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (17)

1.一种异质结场效应管的氮化镓半导体功率器件，其特征在于，包含：
一个异质结结构，包括两种不同带隙的相交界的第一半导体层与第二半导体层，从而产生一个二维电子气层的交界层；
一个源极电极和一个漏极电极，设置在栅极电极的两个对边上，栅极电极设置在所述的异质结结构上方，用于控制所述的二维电子气层中源极和漏极电极之间的电流；以及
一个位于栅极电极和异质结结构之间的浮栅，其中所述的栅极电极通过一个绝缘层，与所述的浮栅绝缘，其中所述的浮栅设置在一个薄绝缘层上方，薄绝缘层垫衬在浮栅与同异质结结构之间，并且其中所述的浮栅充有电荷，以便对所述的二维电子气层持续加载电压，以夹断在所述的二维电子气层中流动的所述的源极和漏极电极之间的电流，使所述的异质结场效应管的半导体功率器件为一个常态关闭器件。
2.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述的第一半导体层为氮化镓层，第二半导体层为设置在氮化镓层上方的氮化铝镓层。
3.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，还包括一个蓝宝石衬底，用于承载所述的异质结结构。
4.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述的浮栅带负电荷，将二维电子气层的夹断电压从负夹断电压转化为正夹断电压。
5.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述的第一半导体层为N-型氮化镓层，第二半导体层为设置在氮化镓层上方的N-型氮化铝镓层。
6.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述的浮栅带负电荷，将二维电子气层的夹断电压从负夹断电压转化为等于或大于3.0V的正夹断电压。
7.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述的源极电极还包括一个延伸的场板，从源极电极延伸并覆盖到栅极电极上方。
8.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述的源极电极还包括一个延伸的场板，从源极电极延伸并覆盖到栅极电极上方，其中该场板通过一个厚绝缘层，与栅极电极绝缘。
9.如权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，其中，
所述的异质结结构包括所述的第一半导体层和第二半导体层，构成一个矩形块，其纵向从源极电极延伸到漏极电极；而且
带有绝缘层的栅极电极和浮栅构成一个缠绕栅极，缠绕在矩形块的一个中间段的侧壁周围、以及所述的矩形块中间段的顶面，以控制第一半导体层和第二半导体层之间产生的二维电子气层。
10.如权利要求9述的半导体功率器件，其特征在于，所述的异质结结构包括所述的第一半导体层和第二半导体层，构成一个矩形块，其中两种带隙不同的所述的第一半导体层和第二半导体层是垂直方向的。
11.如权利要求9述的半导体功率器件，其特征在于，还包含至少一个第三半导体层，其与具有两种不同带隙的两个相邻的半导体层结构相互挨着设置，用于生成至少两个交界层，作为至少两个二维电子气层。
12.一种制备异质结场效应管的氮化镓半导体功率器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在具有不同带隙的第一半导体层与第二半导体层的交界处制备一个异质结结构，以便在异质结处形成二维电子气层；
在二维电子气层的相反两端，制备一个源极电极和一个漏极电极；
在一部分二维电子气层的上方、源极和漏极电极之间，制备一个浮栅；
在所述的浮栅上方，制备一个栅极电极，并利用绝缘层，使栅极电极与浮栅绝缘；并且
对浮栅充电，使它耗尽二维电子气层，使异质结场效应管的半导体器件运行在常态关闭的条件，并且通过在栅极电极上加载电压，抵消浮栅的电荷，使器件开启。
13.如权利要求12述的方法，其特征在于，其中制备一个异质结结构的步骤还包括：通过由氮化镓构成的第一半导体层，与由氮化铝镓层构成的第二半导体层形成交界，制备所述的异质结结构。
14.如权利要求12述的方法，其特征在于，还包括：构成带有内置负电荷的浮栅的步骤。
15.如权利要求12述的方法，其特征在于，还包括：利用与在闪存中写入电荷相类似的方法，将负电荷写入所述浮栅中的步骤。
16.如权利要求12述的方法，其特征在于，还包括：在所述的异质结结构的侧壁和顶部周围缠绕上所述浮栅和栅极电极的步骤。
17.如权利要求12述的方法，其特征在于，还包括：通过一个薄绝缘层，将浮栅与异质结结构绝缘的步骤。
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