CN103151374A - 高电子迁移率晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高电子迁移率晶体管。该高电子迁移率晶体管包括第一半导体层、形成在第一半导体层上的第二半导体层、以及形成在第二半导体层上的反二极管栅结构。

Description

高电子迁移率晶体管
技术领域
本公开涉及半导体器件，更具体而言，涉及具有反二极管栅（reversediode gate）的高电子迁移率晶体管（HEMT）。
背景技术
随着通信技术不断发展，已经积极研究了用于高频带的电子器件。特别地，诸如高电子迁移率晶体管（HEMT）的场效应半导体器件作为用于高频带的功率电子器件已经引起了注意。
HEMT包括通过使具有彼此不同的带隙的半导体材料层邻接而形成的异质结构。所述半导体材料层中，具有大带隙的半导体材料层作为施主。因为该异质结构包括具有彼此不同的带隙的半导体材料层，所以在具有小带隙的半导体材料层上引发2维电子气（2DEG）层，于是可以增大电子迁移率。
HEMT可以用于增大电子载流子的迁移率，并且还可以用作功率电子器件中的耐高压晶体管。HEMT包括具有宽带隙的半导体，例如化合物半导体，并且可具有相对大的高击穿电压。因此，HEMT可以在高电压应用领域中使用。
一般而言，在包括硅的半导体器件中，会由于低电子迁移率而产生高的源电阻。因此，已经进行了在HEMT中使用III-V族半导体化合物的研究。特别地，因为GaN化合物具有相对大的带隙和高电子饱和速度，并且是化学稳定的，所以它们作为用于HEMT的材料而引起了注意。因此，已经积极进行了在高温、高输出和高频电子器件中使用GaN化合物的研究。
发明内容
具有反二极管栅结构的高电子迁移率晶体管（HEMT）得以提供。
制造具有反二极管栅结构的HEMT的方法得以提供。
其它的方面将部分地在以下的描述中被阐述，部分地将因该描述而可知，或者可以通过对所给实施方式的实践而了解。
根据本发明的一方面，提供一种高电子迁移率晶体管，该高电子迁移率晶体管包括：衬底；形成在衬底上的第一半导体层；形成在第一半导体层上的第二半导体层；形成在第一半导体层或第二半导体层上的源极和漏极；以及形成在源极和漏极之间的栅结构，其中栅结构包括反二极管栅结构和栅电极。
反二极管栅结构可以包括由p型III族氮化物半导体形成的第一层。
第一层可以由从用p型掺杂剂掺杂的GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN组成的组选出的材料形成。
高电子迁移率晶体管还可以包括形成在第一层上的第二层。第二层可以是n型III族氮化物半导体、未掺杂的III族氮化物半导体和用p型掺杂剂以比第一层中的掺杂剂浓度低的浓度掺杂的III族氮化物半导体中的一种。
第二层可以由从由GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN组成的组选择的材料形成。第二层可以由从由用n型掺杂剂掺杂的GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN组成的组选择的材料形成。第二层可以由从由用p型掺杂剂以比第一层中的掺杂剂浓度低的浓度掺杂的GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN组成的组选择的材料形成。
高电子迁移率晶体管还可以包括形成在第二半导体层与反二极管栅结构之间的中间层。中间层可以由III族半导体形成。
第一层可以形成为直接接触源极。
第一和第二半导体层可以由具有彼此不同的带隙能量的半导体材料形成。
第二层可以由带隙能量比用于形成第一层的材料的带隙能量大的材料形成。
第一和第二半导体层可以由具有彼此不同的晶格常数的材料形成，2维电子气（2DEG）区域可以形成在第一半导体层和第二半导体层之间的界面上。
高电子迁移率晶体管还可以包括在第二半导体层的上表面上的凹陷，栅结构可以形成在第二半导体层的形成所述凹陷的上表面上。
栅电极可以包括具有小于4.5的功函数的金属。
根据本发明的另一方面，提供一种高电子迁移率晶体管，该高电子迁移率晶体管包括：衬底；形成在衬底上的第一半导体层；形成在第一半导体层上的第二半导体层；形成在第一半导体层或第二半导体层上的源极和漏极；以及形成在源极和漏极之间的栅结构，其中栅结构包括耗尽层和栅电极，该耗尽层连接到源极。
耗尽层可以由氮化物半导体形成。该氮化物半导体可以是GaN、InGaN、AlGaN、AlInN或AlGaInN。
耗尽层可以被p型掺杂。
附图说明
由以下结合附图的对实施方式的描述，这些和/或其它方面将变得明显且更易于被理解，在附图中：
图1A、图1B和图1C是根据本发明一实施方式的高电子迁移率晶体管（HEMT）的剖视图；
图2是根据本发明一实施方式的改进型HEMT的剖视图；
图3是根据本发明一实施方式的改进型HEMT的剖视图；
图4是根据本发明一实施方式的改进型HEMT的剖视图；
图5A至图5D是示出根据本发明一实施方式的制造HEMT的方法的剖视图；
图6A和图6B是根据本发明另一实施方式的HEMT的剖视图和透视图。
具体实施方式
以下，将参考附图更全面地描述根据本发明的高电子迁移率晶体管及其制造方法。在附图中，为了清晰，可以夸大或减小结构的尺寸。
图1A、图1B和图1C是根据本发明一实施方式的高电子迁移率晶体管（HEMT）的剖视图。
参考图1A，根据本发明一实施方式的高电子迁移率晶体管可以包括衬底10、形成在衬底10上的第一半导体层11、以及形成在第一半导体层11上的第二半导体层12。源极13a和漏极13b可以形成在第二半导体层12上，栅结构可以形成在第二半导体层12上在源极13a和漏极13b之间。在根据本发明的HEMT中，栅结构包括在第二半导体层12上的耗尽结构，其中图1A的栅结构可以包括反二极管栅结构和栅电极16，该反二极管栅结构是耗尽结构。反二极管栅是包括二极管的栅，该二极管被配置为在栅被施以栅电压时被反向偏置。
因为反二极管栅结构形成在栅电极16和第二半导体层12之间，所以防止了空穴从栅电极16到第二半导体层12的注入，因而电子可以从第一半导体层11的沟道越过势垒。反二极管栅结构可以包括第一层14和第二层15。
可选地，还可以使用例如AlN或AlGaN在衬底10和第一半导体层11之间形成缓冲层（未示出）。
可选地，还可以在第二半导体层12的上表面的一区域上形成凹陷R，如图1B所示，第二半导体层12的其中形成凹陷R的所述区域的厚度可以比未形成凹陷R的区域薄。如果凹陷R形成在第二半导体层12的一区域上，则栅结构可以形成在第二半导体层12的其中形成凹陷R的该区域上。
可选地，如图1C所示，具有斜侧壁的凹陷区R′可以形成在第二半导体层12′的上表面中，第一层14′可以形成为具有与凹陷区R′的侧壁一致的形状。换言之，第二半导体层12′的上表面可以限定凹陷区R′。其它方面，图1C中的HEMT与图1A和图1B中的HEMT相同。
可选地，源极13a和漏极13b可以形成在第一半导体层11上以直接接触第一半导体层11。
而且，可选地，还可以在源极13a/漏极13b与第二半导体层12之间形成接触层（未示出）。
HEMT的每一层的组成材料如下。作为参考，在此具有相同名称的组元可以由相同的材料形成。
衬底10可以由例如诸如用预定掺杂剂掺杂的硅的半导体、碳化硅（SiC）、Al2O3或直接覆铜（DBC）形成。然而，示例性实施方式不限于此，并且可以接地。
第一和第二半导体层11和12可以分别由具有彼此不同的带隙能量的半导体材料形成。第二半导体层12可以由其带隙和极化率比用于形成第一半导体层11的半导体材料的大的半导体材料形成。第一和第二半导体层11和12可以是具有彼此不同的晶格常数的化合物半导体层。由于第一和第二半导体层11和12的异质结构，2维电子气（2DEG）区域可以在第一和第二半导体层11和12之间的界面上产生。第一半导体层11可以是沟道区，第二半导体层12可以是沟道供应层(channel supply layer)。除了具有凹陷区R′之外，图1C中所示的第二半导体层12′的材料和特征可以与图1A至图1B中的第二半导体层12的材料和特征相同。
第一半导体层11可以包括III-V族半导体化合物，例如从GaN、GaAs、InN、InGaN和AlGaN构成的组选择的材料。
第二半导体层12可以由从用n型掺杂剂掺杂的AlN、AlGaN、AlInN、AlGaInN和AlGaAs构成的组选择的材料形成。此外，第二半导体层12可具有由多个层形成的多层结构，所述多个层中上述材料中的Al和In的含量彼此不同。
源极13a和漏极13b可以由导电材料形成，例如从金属、金属合金、导电金属氧化物和导电金属氮化物组成的组选择的材料。源极13a和漏极13b可具有单层结构或多层结构。源极13a和漏极13b可以形成在第二半导体层12上，但是替代地，源极13a和漏极13b可以直接形成在第一半导体层11上。
栅电极16可以由导电材料形成，例如从由金属、金属合金、导电金属氧化物和导电金属氮化物组成的组选择的材料。例如，栅电极16可以由具有低于4.5的低功函数的金属形成，例如，Hf、W或Al，并且栅电极16可以通过在第二层15上直接形成栅电极16而形成肖特基栅结构。此外，栅电极16可以由过渡金属氮化物例如TiN、TaN或WN形成。此外，栅电极16可以由用例如n型Si或n型Ge的n型掺杂剂掺杂的半导体材料形成。
反二极管栅结构的第一层14可以由p型III族氮化物半导体形成，第二层15可以是n型III族氮化物半导体层、未掺杂的III族氮化物半导体层或用p型掺杂剂以比第一层14中的p型掺杂剂的浓度低的浓度掺杂的III族氮化物半导体层。
更具体而言，第一层14可以由从GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN组成的组选择的材料形成，所述GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN用p型掺杂剂掺杂。第二层15可以由从GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN组成的组选择的材料形成。并且，第二层15可以由从GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN组成的组选择的材料形成，所述GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN用n型掺杂剂掺杂；或者第二层15可以由从GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN组成的组选择的材料形成，所述GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN用p型掺杂剂掺杂。当第二层15是绝缘层时，空穴被注入栅电极16，并且沟道可以形成在第一层14中。
除了第一层14和14′具有不同的形状之外，图1C中所示的第一层14′的材料和特征可以与图1A和图1B中所示的第一层14的材料和特征相同。
在根据当前实施方式的HEMT中，反二极管栅结构形成在第二半导体层12上，因而可以防止从栅电极16到第二半导体层12内的空穴注入。因此，在该HEMT中，可以减少栅泄漏并且可以增大阈值电压（Vth）。
图2至图4是示出根据本发明实施方式的改进型HEMT的剖视图。
参考图2，HEMT可以包括衬底20、形成在衬底20上的第一半导体层21、以及形成在第一半导体层21上的第二半导体层22。源极23a和漏极23b可以形成在第二半导体层22上，反二极管栅结构和栅电极26可以形成在第二半导体层22上在源极23a和漏极23b之间，反二极管栅结构包括第一层24和第二层25。第一层24可以由p型III族氮化物半导体形成。中间层27可以形成在第二半导体层22和反二极管栅结构之间。
中间层27形成来防止p型掺杂剂的从反二极管栅结构的第一层24至第二半导体层22的扩散。中间层27可以由未掺杂的III族氮化物半导体形成。作为参考，图2中示出的每一层可以由用于形成图1A和图1B中示出的被标示为相同名称的层的材料形成。
参考图3，HEMT可以包括衬底30、形成在衬底30上的第一半导体层31、以及形成在第一半导体层31上的第二半导体层32。源极33a和漏极33b可以形成在第二半导体层32上，包括第一层34和第二层35的反二极管栅结构以及栅电极36可以形成在第二半导体层32上在源极33a和漏极33b之间。
第一层34可以由p型III族氮化物半导体形成，桥（bridge）可以被形成而与源极33a的侧部接触。因为第一层34形成为直接接触源极33a，所以可能积聚在第一层34中的空穴可以通过源极33a耗尽。作为参考，图3中示出的每一层可以由用于形成图1A和图1B中示出的被标示为相同名称的层的材料形成。
参考图4，HEMT可以包括衬底40、形成在衬底40上的第一半导体层41、以及形成在第一半导体层41上的第二半导体层42。源极43a和漏极43b可以形成在第二半导体层42上，包括第一层44和第二层45的反二极管栅结构以及栅电极46可以形成在第二半导体层42上在源极43a和漏极43b之间。中间层47可以形成在第二半导体层42和反二极管栅结构的第一层44之间以防止p型掺杂剂的从第二半导体层42到第一层44内的扩散。
中间层47可以由未掺杂的III族氮化物半导体形成。反二极管栅结构的第一层44可以包括直接接触源极43a的桥，使得可能积聚在第一层44中的空穴可以通过源极43a耗尽。图4中示出的每一层可以由与图1A和图1B示出的层相同的材料形成。
现在将参考附图描述根据当前实施方式的制造HEMT的方法。
图5A至图5D是示出根据本发明一实施方式的制造HEMT的方法的剖视图。
参考图5A，第一和第二半导体层11和12顺序地形成在衬底10上。衬底10可以由用预定掺杂剂掺杂的硅形成。
参考图5B，为了在第一和第二半导体层11和12上形成栅结构，形成与第一和第二半导体层11和12中的每一个对应的材料层。栅结构包括反二极管栅结构和栅电极16，以上参考图1A和图1B描述了用于形成每一层的材料。作为参考，可选地，可以在形成栅结构之前在第二半导体层12的上表面的一区域上形成凹陷。如图5C所描绘的，可以对栅结构执行蚀刻工艺以具有预定宽度。
参考图5D，导电材料被覆盖在第二半导体层12上在栅结构的两侧。之后，导电材料被图案化以形成源极13a和漏极13b。源极13a和漏极13b可以形成在第二半导体层12上；但是替代地，为了接触，可以在将要形成源极13a和漏极13b的位置处局部地去除第二半导体层12，以暴露第一半导体层11，然后源极13a和漏极13b可以形成在暴露的表面上。
图6A和图6B是根据本发明另一实施方式的HEMT的剖视图和透视图。
参考图6A和图6B，HEMT可以包括衬底60、形成在衬底60上的第一半导体层61、以及形成在第一半导体层61上的第二半导体层62。源极63a和漏极63b可以形成在第二半导体层62上或第一半导体层61上，栅结构可以形成在第二半导体层62上在源极63a和漏极63b之间。栅结构可以包括耗尽层64和栅电极66。栅结构可以布置来使得绝缘层（例如被覆的氧化物或氮化物膜）不在栅电极66和耗尽层64之间。例如，栅电极66可以直接在耗尽层64上。例如，栅电极66和耗尽层64可以布置来使得绝缘层不在栅电极66和耗尽层64的彼此面对的表面之间。
在图6A和图6B中，耗尽层64被包括而作为第二半导体层62和栅电极66之间的耗尽结构，耗尽层64和源极63a可以经由桥64a彼此连接。耗尽层64可以被形成，以将形成在第一和第二半导体层61和62之间的沟道耗尽。在包括耗尽层64的结构中HEMT的击穿电压可以降低，但是通过经由桥64a直接连接耗尽层64和源极63a，可以防止击穿电压降低。耗尽层64可以由p型氮化物半导体形成，例如p型掺杂的氮化物半导体。这里，氮化物半导体的示例包括GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN。桥64a可以由与耗尽层64相同的材料形成，并且可以与耗尽层64接壤。
可选地，金属可以形成在桥64a（例如p型GaN）和源极63a之间。在桥64a和源极63a之间的具有低功函数的金属可以具有低于或等于4.5的功函数。
虽然图6A和图6B示出了在第二半导体层上的源极63a和漏极63b，但是示例性实施方式不限于此。可选地，源极63a和漏极63b可以直接形成在第一半导体层61上以直接接触第一半导体层61，以及桥64a可以连接到源极63a的延伸而高于第二半导体层62的部分。
应该理解，这里描述的示例性实施方式应该仅在说明的意义上被考虑，而非为了限制。对每个实施方式中的特征或方面的描述通常应被理解为可用于其它实施方式中的其它类似特征或方面。
本申请要求享有2011年12月7日提交到韩国知识产权局的第10-2011-0130480号韩国专利申请以及2012年5月30日提交到韩国知识产权局的第10-2012-0057472号韩国专利申请的权益，其公开通过全文引用结合于此。

Claims (23)

1.一种高电子迁移率晶体管，包括：
衬底；
形成在所述衬底上的第一半导体层；
形成在所述第一半导体层上的第二半导体层；
形成在所述第一半导体层或所述第二半导体层上的源极和漏极；以及
形成在所述源极和所述漏极之间的栅结构，
其中所述栅结构包括反二极管栅结构和栅电极。
2.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其中所述反二极管栅结构包括由p型III族氮化物半导体形成的第一层。
3.根据权利要求2所述的高电子迁移率晶体管，其中所述第一层由从由用p型掺杂剂掺杂的GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN组成的组选出的材料形成。
4.根据权利要求2所述的高电子迁移率晶体管，还包括：形成在所述第一层上的第二层。
5.根据权利要求4所述的高电子迁移率晶体管，其中所述第二层是n型III族氮化物半导体、未掺杂的III族氮化物半导体和用p型掺杂剂以比所述第一层中的p型掺杂剂的浓度低的浓度掺杂的III族氮化物半导体中的一种。
6.根据权利要求5所述的高电子迁移率晶体管，其中所述第二层由从由GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN组成的组选出的材料形成。
7.根据权利要求5所述的高电子迁移率晶体管，其中所述第二层由从由用n型掺杂剂掺杂的GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN组成的组选出的材料形成。
8.根据权利要求5所述的高电子迁移率晶体管，其中所述第二层由从由用p型掺杂剂以比所述第一层中的p型掺杂剂的浓度低的浓度掺杂的GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlGaInN组成的组选出的材料形成。
9.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其中所述栅电极具有肖特基栅结构。
10.根据权利要求9所述的高电子迁移率晶体管，其中所述栅电极由W、Hf或Al形成。
11.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，还包括形成在所述第二半导体层和所述反二极管栅结构之间的中间层。
12.根据权利要求11所述的高电子迁移率晶体管，其中所述中间层由III族氮化物半导体形成。
13.根据权利要求2所述的高电子迁移率晶体管，其中所述第一层被形成为直接接触所述源极。
14.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其中所述第一半导体层和第二半导体层由具有彼此不同的带隙能量的半导体材料形成。
15.根据权利要求14所述的高电子迁移率晶体管，其中所述第二半导体层由带隙能量比用于形成所述第一半导体层的材料的带隙能量大的材料形成。
16.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其中所述第一半导体层和第二半导体层由具有彼此不同的晶格常数的材料形成，2维电子气区域形成在所述第一半导体层和第二半导体层之间的界面上。
17.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，还包括：在所述第二半导体层的上表面上的凹陷。
18.根据权利要求17所述的高电子迁移率晶体管，其中所述栅结构形成在所述第二半导体层的所述上表面的形成所述凹陷的区域上。
19.根据权利要求2至8中的任一项所述的高电子迁移率晶体管，其中所述栅电极包括具有小于4.5的功函数的金属。
20.一种高电子迁移率晶体管，包括：
衬底；
形成在所述衬底上的第一半导体层；
形成在所述第一半导体层上的第二半导体层；
形成在所述第一半导体层或所述第二半导体层上的源极和漏极；以及
形成在所述源极和所述漏极之间的栅结构，
其中所述栅结构包括耗尽层和栅电极，所述耗尽层连接到所述源极。
21.根据权利要求20所述的高电子迁移率晶体管，其中所述耗尽层由氮化物半导体形成。
22.根据权利要求21所述的高电子迁移率晶体管，其中所述氮化物半导体是GaN、InGaN、AlGaN、AlInN或AlGaInN。
23.根据权利要求21所述的高电子迁移率晶体管，其中所述耗尽层被p型掺杂。
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