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Die vorliegende Anmeldung betrifft Verbindungshalbleiterbauelemente, insbesondere selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelemente.
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Selbstsperrende GaN/AlGaN-HEMTs (High Electron Mobility Transistors, Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit) sind nur schwierig mit ausreichend hoher Schwellenspannung und niedrigem RDSON*Area-FOM herzustellen (wobei RDSON der Durchlasswiderstand des Transistors und FOM (Figure of Merit) die Gütezahl des Transistors ist). In den meisten Anwendungen wird das selbstsperrende Vorrichtungskonzept dem selbstleitenden Vorrichtungskonzept stark bevorzugt, z. B. in Bezug auf Sicherheitsoperationen beim Ausfall oder um mit Standardtreibern kompatibel zu sein usw. Mit der Einführung eines nicht-planaren selbstsperrenden GaN-HEMT-Konzepts kann eine Hochleistungsvorrichtung in Bezug auf hohe Schwellenspannung und niedrigem RDSON*Area durch das Erstellen einer Stufe in der Gate-Region realisiert werden. Bei herkömmlichen nicht-planaren selbstsperrenden GaN-HEMTs entsteht jedoch der stärkste (Spitzen-) Kanal an der AlGaN/Gate-Isolator-Schnittstelle entlang der Stufe in der Gate-Region, in der Elektronen nicht vom Haupt-2DEG (zweidimensionales Elektronengas)-Kanal unterstützt werden können, da die Barriere zwischen der GaN/AlGaN-Schnittstelle überwunden werden muss. Dieser Innenwiderstand führt zu einer unsachgemäßen Übertragungskennlinie mit schlechter Schwellenspannungssteuerung und hohem Drain-Strom (z. B. 1E–5 oder höher) selbst bei null Gate-Spannung, was einen schlecht funktionierenden Transistor ergibt. Als solcher ist ein nicht-planarer selbstsperrender GaN-HEMT mit einer ordnungsgemäßen Transistorübertragungskennlinie wünschenswert.
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Gemäß einer Ausführungsform eines selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements umfasst das selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelement einen ersten III-Nitrid-Halbleiter mit einer ersten geneigten Übergangsregion, in der der erste III-Nitrid-Halbleiter in einem Winkel von einer ersten Ebene zu einer zweiten Ebene übergeht, welche sich von der ersten Ebene unterscheidet, und einen zweiten III-Nitrid-Halbleiter auf dem ersten III-Nitrid-Halbleiter und mit einer anderen Bandlücke als der erste III-Nitrid-Halbleiter, so dass ein zweidimensionales Ladungsträgergas entlang einer Schnittstelle zwischen den ersten und zweiten III-Nitrid-Halbleitern entsteht. Das selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelement umfasst ferner ein Gate auf dem zweiten III-Nitrid-Halbleiter und einen dotierten Halbleiter über der ersten geneigten Übergangsregion und angeordnet zwischen dem Gate und dem zweiten III-Nitrid-Halbleiter. Das zweidimensionale Ladungsträgergas wird entlang der ersten geneigten Übergangsregion allein aufgrund der Neigung der ersten geneigten Übergangsregion, falls steil genug, oder auch aufgrund des Vorhandenseins des dotierten Halbleiters, welcher die Bandkante in dieser Region der Vorrichtung verschiebt, unterbrochen.
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Gemäß einer Ausführungsform eines selbstsperrenden Verbindungshalbleitertransistors umfasst der selbstsperrende Verbindungshalbleitertransistor einen ersten III-Nitrid-Halbleiter mit einer geneigten Übergangsregion, in der der erste III-Nitrid-Halbleiter in einem Winkel von einer ersten Ebene zu einer zweiten Ebene übergeht, welche sich von der ersten Ebene unterscheidet, einen zweiten III-Nitrid-Halbleiter auf dem ersten III-Nitrid-Halbleiter und ein zweidimensionales Elektronengas entlang der Schnittstelle zwischen den ersten und den zweiten III-Nitrid-Halbleitern. Das zweidimensionale Elektronengas wird entlang der geneigten Übergangsregion unterbrochen. Der selbstsperrende Verbindungshalbleitertransistor umfasst ferner eine Passivierungsschicht auf dem zweiten III-Nitrid-Halbleiter, ein Gate auf dem zweiten III-Nitrid-Halbleiter, einen Source-Kontakt und einen Drain-Kontakt, welche voneinander und vom Gate beabstandet sind, und einen dotierten Halbleiter anstelle der Passivierungsschicht über der geneigten Übergangsregion und angeordnet zwischen dem Gate und dem zweiten III-Nitrid-Halbleiter. Der dotierte Halbleiter bewirkt, dass eine Spitzenelektronendichte in der geneigten Übergangsregion entlang der Schnittstelle zwischen den ersten und den zweiten III-Nitrid-Halbleitern für Gate-Spannungen oberhalb einer Schwellenspannung des Transistors auftritt. Die Schwellenspannung überschreitet 0,5 V für Drain-Spannungen bis zu wenigstens 50 V.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform eines selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements umfasst das selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelement einen ersten III-Nitrid-Halbleiter mit einer ersten geneigten Übergangsregion, in der der erste III-Nitrid-Halbleiter in einem Winkel von einer ersten Ebene zu einer zweiten Ebene übergeht, welche sich von der ersten Ebene unterscheidet, und einer zweiten geneigten Übergangsregion, in der der erste III-Nitrid-Halbleiter in einem Winkel von einer dritten Ebene zu einer vierten Ebene übergeht, welche sich von der dritten Ebene unterscheidet. Das selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelement umfasst ferner einen zweiten III-Nitrid-Halbleiter auf dem ersten III-Nitrid-Halbleiter und mit einer anderen Bandlücke als der erste III-Nitrid-Halbleiter, so dass ein zweidimensionales Ladungsträgergas entlang einer Schnittstelle zwischen den ersten und zweiten III-Nitrid-Halbleitern entsteht. Das zweidimensionale Ladungsträgergas wird entlang der ersten und der zweiten geneigten Übergangsregionen unterbrochen. Das selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelement umfasst ferner auch eine Passivierungsschicht auf dem zweiten III-Nitrid-Halbleiter und ein Gate auf der Passivierungsschicht und über den ersten und den zweiten geneigten Übergangsregionen.
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Fachleute auf diesem Gebiet werden weitere Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung und beim Betrachten der beigefügten Zeichnungen erkennen.
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Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht in Bezug zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen dargestellten Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, wenn sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Ausführungsformen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
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1 veranschaulicht eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements.
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2, welche 2A und 2B umfasst, zeigt die Elektronendichteverteilung des nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements aus 1 um die geneigte Übergangsregion unterhalb des Gates für Gate-Spannungen oberhalb der Schwellenspannung (2A) und null Gate-Spannung (2B).
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3 ist ein Plot-Diagramm, welches die Elektronendichte extrahiert an der Position der gestrichelten Linie in 2 veranschaulicht.
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4 ist ein Plot-Diagramm, welches die Übertragungskennlinie für das in 1 gezeigte nicht-planare selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelement veranschaulicht.
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5 veranschaulicht eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements.
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6 ist ein Plot-Diagramm, welches die Übertragungskennlinie für das in 5 gezeigte nicht-planare selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelement bei verschiedenen Drain-Spannungen veranschaulicht.
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7 veranschaulicht eine Schnittansicht einer noch weiteren Ausführungsform eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements.
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8 ist ein Plot-Diagramm, welches die Übertragungskennlinie für das in 7 gezeigte nicht-planare selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelement bei verschiedenen Drain-Spannungen veranschaulicht.
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9 veranschaulicht eine Schnittansicht einer noch weiteren Ausführungsform eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements.
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10 veranschaulicht eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements.
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11 veranschaulicht eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements.
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12 veranschaulicht eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements.
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13, welche 13A bis 13G umfasst, veranschaulicht eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements.
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Die hierin beschriebenen Ausführungsformen stellen ein nichtplanares selbstsperrendes Verbindungshalbleiterbauelement bereit, wie beispielsweise einen HEMT, welche eine echte Transistorübertragungskennlinie mit guter Schwellenspannungssteuerung und vernachlässigbarem Drain-Strom bei Unterschwellen-Gate-Spannungen aufweist (z. B. etwa 10E–10 oder niedriger, abhängig von der Anwendung). Der hierin verwendete Begriff „HEMT“ wird auch gemeinhin als HFET (Heterostruktur-Feldeffekttransistor), MODFET (modulationsdotierter FET) und MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor, Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor) bezeichnet. Die Begriffe HEMT, HFET, MESFET und MODFET werden hierin austauschbar für die Bezugnahme auf ein beliebiges III-Nitrid-basierte Verbindungshalbleiterbauelement verwendet, welche einen Übergang zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken (d. h. einen Heteroübergang) als Kanal integrieren. Beispielsweise kann GaN mit AlGaN oder InGaN kombiniert werden, um eine Elektronengasinversionsregion als Kanal auszubilden. In jedem Fall und aufgrund der nicht-planaren Gate-Merkmale, welche hierin beschrieben werden, verhalten sich die hierin beschriebenen selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelemente viel mehr wie ein idealer Transistor im Vergleich zu herkömmlichen nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelementen.
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1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements, welche eine echte Transistorübertragungskennlinie mit guter Schwellenspannungssteuerung und vernachlässigbarem Drain-Strom bei Unterschwellen-Gate-Spannungen aufweist. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst das selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelement einen ersten III-Nitrid-Halbleiter 100 (auch hierin austauschbar als Pufferschicht bezeichnet) und einen zweiten III-Nitrid-Halbleiter (auch hierin austauschbar als Barriereschicht bezeichnet) 102 auf dem ersten III-Nitrid-Halbleiter 100. Der erste III-Nitrid-Halbleiter 100 weist eine erste geneigte Übergangsregion 104 auf, in der der erste III-Nitrid-Halbleiter 100 in einem Winkel (α) von einer ersten Ebene (L1) zu einer zweiten Ebene (L2) übergeht, welche sich von der ersten Ebene unterscheidet. Der Begriff „Ebene“, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine im Allgemeinen horizontale Oberfläche oder einen im Allgemeinen horizontalen Bereich. Der vertikale Abstand zwischen den ersten und zweiten Ebenen geteilt durch cos(α) definiert die Kanallänge des nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements. In einer Ausführungsform beträgt der vertikale Abstand zwischen den ersten und zweiten Ebenen des ersten III-Nitrid-Halbleiters 100 etwa 100 nm oder weniger.
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Der zweite III-Nitrid-Halbleiter 102 kann auf dem ersten III-Nitrid-Halbleiter 100 gewachsen werden, beispielsweise mittels eines standardmäßigen Epitaxieprozesses, und weist die gleiche geneigte/abgewinkelte Oberflächenkontur wie der erste III-Nitrid-Halbleiter 100 auf. Der zweite III-Nitrid-Halbleiter 102 weist eine unterschiedliche Bandlücke als der erste III-Nitrid-Halbleiter 100 auf, so dass sich ein zweidimensionales Ladungsträgergas 106 entlang der Schnittstelle 108 zwischen den ersten und zweiten III-Nitrid-Halbleitern 100, 102 erstreckt. Das zweidimensionale Ladungsträgergas 106 entsteht im Übergang zwischen den beiden III-Nitrid-Halbleitern 100, 102 und bildet den Kanal der Vorrichtung aus.
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Insbesondere in Bezug auf die GaN-Technologie ergibt das Vorhandensein von Polarisationsladungen und Spannungseffekten in einem GaN-basierten Heterostrukturkörper aufgrund von piezoelektrischen Effekten ein zweidimensionales Ladungsträgergas 106 im Heterostrukturkörper, welches durch eine sehr hohe Trägerdichte und Trägerbeweglichkeit gekennzeichnet ist. Dieses zweidimensionale Ladungsträgergas 106, wie beispielsweise ein 2DEG (zweidimensionales Elektronengas) oder 2DHG (Two-Dimensional Hole Gas, zweidimensionales Löchergas), bildet den leitfähigen Kanal der Vorrichtung nahe der Schnittstelle 108 zwischen beispielsweise einer GaN-Legierungsbarriereschicht 102 wie beispielsweise AlGaN oder InAlGaN und einer GaN-Pufferschicht 100 aus. Eine dünne, z. B. 1–2 nm, AlN-Schicht kann zwischen der GaN-Pufferschicht 100 und der GaN-Legierungsbarriereschicht 102 bereitgestellt sein, um Legierungsstreuung zu minimieren und 2DEG-Beweglichkeit zu verbessern. In einem weiten Sinne kann das hierin beschriebene Verbindungshalbleiterbauelement aus einem beliebigen binären, ternären oder quaternären III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial ausgebildet sein, wo piezoelektrische Effekte für das Vorrichtungskonzept verantwortlich sind. Die GaN-Pufferschicht 100 kann auf einem Halbleitersubstrat 110, wie beispielsweise Si- oder SiC-Substrat, hergestellt sein, auf dem eine Keimbildungs(Seed)-Schicht, wie beispielsweise eine AlN-Schicht, zur Bereitstellung thermischer und Gitteranpassung für die GaN-Pufferschicht 100 ausgebildet sein kann. Das nicht-planare selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelement kann auch AlInN/AlN/GaN-Barriere-/Abstandshalter-/Pufferschichtstrukturen aufweisen. Im Allgemeinen kann das nicht-planare selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelement unter Verwendung einer beliebigen geeigneten III-Nitrid-Technologie, wie beispielsweise GaN, realisiert werden, welche die Ausbildung von Inversionsregionen entgegengesetzter Polarität aufgrund von piezoelektrischen Effekten ermöglicht.
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Spontane und piezoelektrische Polarisation sind in der Regel für die Ansammlung des zweidimensionalen Ladungsträgergases 106 (2DEG oder 2DHG) in einer GaN/GaN-Legierung 100/102 Heterostruktur-Transistorvorrichtung verantwortlich. Dieser Mechanismus funktioniert nur in der c-Ebenen-Ausrichtung. Das zweidimensionale Ladungsträgergas 106 kann entlang der ersten geneigten Übergangsregion 104 allein aufgrund der Neigung der ersten geneigten Übergangsregion 104 unterbrochen werden, falls der Winkel α steil genug ist, was eine selbstsperrende Vorrichtung ergibt. In diesem Fall fehlt die c-Ebenen-Ausrichtung in der ersten geneigten Übergangsregion 104 und die Ansammlung von der spontanen und piezoelektrischen Polarisation wird verhindert, und somit wird der zweidimensionale Ladungsträgergaskanal 106 entlang der geneigten Region 104 unterbrochen. Um einen solchen Effekt zu erzielen, liegt der Winkel α des Übergangs, welcher zwischen der ersten Ebene L1 und der Seitenwand 114 der ersten geneigten Übergangsregion 104 gemessen wird, zwischen +45 Grad und +90 Grad in 1. Aufgrund der resultierenden Diskontinuität (Unterbrechung) des zweidimensionalen Ladungsträgergases 106 entlang der ersten geneigten Übergangsregion 104 wird ein selbstsperrendes Verhalten für das nicht-planare Verbindungshalbleiterbauelement erhalten.
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Das nicht-planare selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelement umfasst ferner eine Passivierungsschicht 116 auf dem zweiten III-Nitrid-Halbleiter 102, ein Gate 112 auf dem zweiten III-Nitrid-Halbleiter 102 und Source- und Drain-Kontakte 118, 120, welche voneinander beabstandet sind. Das Gate 112 steuert den leitenden oder nicht-leitenden Zustand des zweidimensionalen Ladungsträgergaskanals 106. Der Kanal 106 der selbstsperrenden Vorrichtung sollte bei Abwesenheit einer an das Gate 112 angelegten Spannung unterbrochen sein. Um ein solches selbstsperrendes Verhalten und eine echte Transistorübertragungskennlinie zu erzielen, umfasst das Verbindungshalbleiterbauelement auch einen dotierten Halbleiter 122 anstelle der Passivierungsschicht 116 wenigstens über der geneigten Übergangsregion 104 des ersten III-Nitrid-Halbleiters 100 und angeordnet zwischen dem Gate 112 und dem zweiten III-Nitrid-Halbleiter 102. Der dotierte Halbleiter 122 verschiebt die Bandkante entlang der geneigten Übergangsregion 104. Der Winkel α der ersten geneigten Übergangsregion 104 kann nicht steil genug sein, um das zweidimensionale Ladungsträgergas 106 entlang der ersten geneigten Übergangsregion 104 allein aufgrund des Vorhandenseins der ersten geneigten Übergangsregion 104 zu unterbrechen. In diesem Fall ist der Winkel α der ersten geneigten Übergangsregion 104 ausreichend, um wenigstens die Dichte des zweidimensionalen Ladungsträgergases 106 in der geneigten Kanalregion dieser Vorrichtung zu reduzieren. Der dotierte Halbleiter 122 verschiebt die Bandkante in der geneigten Kanalregion der Vorrichtung, so dass das zweidimensionale Ladungsträgergas 106 reduzierter Dichte in dieser Region entlang der ersten geneigten Übergangsregion 104 unterbrochen wird, was eine selbstsperrende Vorrichtung ergibt. Als solche kann die Vorrichtung allein durch das Vorhandensein der ersten geneigten Übergangsregion 104 selbstsperrend gemacht werden, falls der Winkel α der ersten geneigten Übergangsregion 104 ausreichend steil ist, beispielsweise zwischen +45 Grad und +90 Grad für die Vorrichtung aus 1, oder auch in Verbindung mit dem dotierten Halbleiter 122, welcher die Bandkante in der geneigten Kanalregion der Vorrichtung verschiebt.
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In einer Ausführungsform umfasst der erste III-Nitrid-Halbleiter 100 (Pufferschicht) GaN, der zweite III-Nitrid-Halbleiter 102 (Barriereschicht) umfasst AlGaN und der dotierte Halbleiter 122 umfasst p-dotiertes GaN. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der erste III-Nitrid-Halbleiter 100 GaN, der zweite III-Nitrid-Halbleiter 102 umfasst AlGaN und der dotierte Halbleiter 122 umfasst p-dotiertes AlGaN mit niedrigerem Al-Gehalt als der zweite III-Nitrid-Halbleiter 102.
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Im Allgemeinen verschieben die Eigenschaften des dotierten Halbleiters 122 das Leitungsband in einer Weise, dass nur ein einzelner Kanal nahe der Schnittstelle 108 zwischen den III-Nitrid-Halbleitern 100, 102 (Puffer- und Barriereschichten) in der Gate-Region der Vorrichtung ausgebildet wird. Auch gibt es keine Einschränkung hinsichtlich der Dicke oder Zusammensetzung des zweiten III-Nitrid-Halbleiters 102. Als solche wird die Schwellenspannung des nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements nicht durch Polarisationsladungen bestimmt. Dies ermöglicht wiederum aggressivere RDSON*Area-FOM-Werte ähnlich denen von selbstleitenden Vorrichtungskonzepten.
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Das zweidimensionale Ladungsträgergas 106 kann noch unter dem/den horizontalen, d. h. nicht-geneigten/abgewinkelten, Teil(en) 124 des Gates 112 vorhanden sein, wie in 1 gezeigt. Falls die Kanaldichte beispielsweise relativ hoch ist, dann kann das zweidimensionale Ladungsträgergas 106 noch unter dem/den horizontalen Teil(en) 124 des Gates 112 vorhanden sein. In diesem Fall weist das zweidimensionale Ladungsträgergas 106 eine geringere Dichte auf, wird aber nicht unter dem Gate 112 außerhalb der ersten geneigten Übergangsregion 104 des ersten III-Nitrid-Halbleiters 100 (Pufferschicht) unterbrochen. Für niedrigere Kanaldichten wird das zweidimensionale Ladungsträgergas 106 sowohl unter den horizontalen als auch geneigten/abgewinkelten Teilen des Gates 112 unterbrochen. In jedem Fall ist die Elektronendichteverteilung entlang der geneigten Übergangsregion 104 unterhalb des Gates 112 sehr niedrig (z. B. unterhalb von 2E13), wenn keine Spannung am Gate 112 angelegt ist, um sicherzustellen, dass die Vorrichtung selbstsperrend ist.
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2, welche 2A und 2B umfasst, zeigt die Elektronendichteverteilung des nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements um die geneigte Übergangsregion 104 unterhalb des Gates 112. Die Simulation wurde für eine GaN-Barriereschicht 100, eine AlGaN-Pufferschicht 102, einen p-dotierten GaN-Halbleiter 122, welcher die Passivierungsschicht 116 über der geneigten Übergangsregion 104 des ersten III-Nitrid-Halbleiters 100 ersetzt, und einen Winkel α = 90º durchgeführt. 2A zeigt die Elektronendichte(eDensity)-Verteilung um den geneigten/abgewinkelten Teil der Vorrichtung für Gate-Spannungen (Vg) oberhalb der Schwellenspannung (Vt). 2B zeigt die Elektronendichte(eDensity)-Verteilung um den geneigten/abgewinkelten Teil der Vorrichtung für Vg = 0 V. Die Elektronendichte ist an der Position der gestrichelten Linie in 2 extrahiert und in 3 veranschaulicht, wobei die einzelne Kanalausbildung bei etwa 2,5 µm in diesem nicht einschränkenden Beispiel leicht beobachtet werden kann. Aufgrund des einzelnen 2DEG-Kanals 106 nahe der GaN/AlGaN-Schnittstelle 108 und den fehlenden Barrieren wird eine echte Transistorübertragungskennlinie für das nicht-planare selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelement erhalten, wie in 4 gezeigt. Insbesondere bewirkt der dotierte Halbleiter 122, dass die Spitzenelektronendichte in der ersten geneigten Übergangsregion 104 entlang der Schnittstelle 108 zwischen den ersten und zweiten III-Nitrid-Halbleitern 100, 102 auftritt, wenn eine an das Gate 112 angelegte Spannung die Schwellenspannung der Vorrichtung überschreitet.
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Das Ersetzen der Passivierungsschicht 116 durch den dotierten Halbleiter 122 über der geneigten Übergangsregion 104 des ersten III-Nitrid-Halbleiters 100 vermeidet eine Dual-Elektronenkanalkonfiguration, welche herkömmliche nicht-planare selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelemente plagt. Die fehlende c-Ebenen-Ausrichtung im geneigten/abgewinkelten Teil 104 der Pufferschicht 100 ist für das entsprechende Fehlen der spontanen und piezoelektrischen Polarisation in dieser Region und daher für das Unterbrechen des zweidimensionalen Ladungsträgergaskanals 106 entlang des geneigten/abgewinkelten Teils der Gate-Region verantwortlich. Bei einem herkömmlichen MIS(Metal-Insulator-Semiconductor, Metall-Isolator-Halbleiter)-Gate-Modul, wo das Gate von der Barriereschicht nur durch eine dielektrische Passivierung in der geneigten/abgewinkelten Gate-Region getrennt ist, entsteht ein Dual-Elektronenkanal, und der Kanal am nächsten zum Gate kann aufgrund der Barriere nicht durch die Zugangselektronen unterstützt werden. Ferner unterdrückt der Kanal am nächsten zum Gate den zweiten Kanal, was die Vorrichtung als Transistor nicht verwendbar macht. Das Ersetzen der Passivierungsschicht 116 durch den dotierten Halbleiter 122 über der geneigten Übergangsregion 104 der Vorrichtung bildet einen einzelnen Kanal 106 in dieser Region der Vorrichtung aus, was zu einer ordnungsgemäßen Transistorschaltkennlinie mit guter Schwellenspannungssteuerung und vernachlässigbarem Drain-Strom bei Unterschwellen-Gate-Spannungen führt (z. B. abhängig von der Anwendung etwa 10E–10 oder niedriger), wie in 4 gezeigt.
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5 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements, welche eine echte Transistorübertragungskennlinie mit guter Schwellenspannungssteuerung und vernachlässigbarem Drain-Strom bei Unterschwellen-Gate-Spannungen aufweist. Die in 5 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich zur in 1 gezeigten Ausführungsform. Jedoch erstreckt sich das Gate 112 auf die Oberfläche 126 der Passivierungsschicht 116, welche vom zweiten III-Nitrid-Halbleiter 102 in 5 abgewandt ist. Das Gate 112 erstreckt sich auf die Oberfläche 126 der Passivierungsschicht 116 wenigstens in einer Richtung zum Drain-Kontakt 120. Das Gate 112 kann sich auch auf die Oberfläche 126 der Passivierungsschicht 116 in einer Richtung zum Source-Kontakt 118 erstrecken. Der/die ausgestreckte(n) Teil(e) 128 des Gates 112 wirkt/wirken als Feldplatten, welche die elektrischen Felder in der Nähe der Gate-Kanten wenigstens in Richtung des Drains und wahlweise auch in Richtung der Source reduzieren. In 5 sind die Feldplatten als Teil des Gate-Stapels implementiert und können geneigt/abgewinkelt sein. Alternativ oder zusätzlich können die Feldplatten auch in der nächsten Metallebene oder in den nächsten Metallebenen realisiert werden, wie beispielsweise die erste Metallebene über dem Gate oder selbst in der Power-Metallebene (solche Metallebenen sind in 5 zur Vereinfachung der Darstellung gezeigt).
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Die in 1 und 5 gezeigten nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelemente sind bei relativ niedrigen Drain-Spannungen sehr robust. Bei höheren Drain-Spannungen in Verbindung mit High-Power-Anwendungen können die in 1 und 5 gezeigten nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelemente eine starke Verschiebung in der Schwellenspannung (Vt) aufgrund des DIBL (Drain Induced Barrier Lowering, Drain-induzierte Barriereabsenkung)-Effekts für eine kurze Gate-Länge erfahren, welche typischerweise bevorzugt wird. Für eine lange Gate-Länge, beispielsweise wenigstens 1 μm, ist die DIBL nicht so stark.
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6 plottet den Drain-Strom gegen die Gate-Spannung für die gleiche Vorrichtung, welche in 2–4 simuliert ist, für angelegte DrainSpannungen (Vd) von 0,1 V und 50 V. Eine starke Verschiebung in der Schwellenspannung tritt aufgrund des DIBL-Effekts bei höheren Drain-Spannungen auf. Dieser Verschiebung in der Schwellenspannung kann wenigstens teilweise durch die Erhöhung der Tiefe der ersten geneigten Übergangsregion 104 des ersten III-Nitrid-Halbleiters 100 (Pufferschicht) entgegengewirkt werden. Dies erhöht jedoch wiederum die Kanallänge, wodurch gleichzeitig RDSON*Area-FOM erhöht wird.
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7 veranschaulicht eine Ausführungsform eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements, welche eine echte Transistorübertragungskennlinie mit guter Schwellenspannungssteuerung und vernachlässigbarem Drain-Strom bei Unterschwellen-Gate-Spannungen selbst bei relativ hohen Drain-Spannungen, z. B. von wenigstens 50 V, aufweist. Gemäß dieser Ausführungsform weist der erste III-Nitrid-Halbleiter 100 (Pufferschicht) eine zweite geneigte Übergangsregion 200 auf, in der der erste III-Nitrid-Halbleiter 100 in einem Winkel (α2) von einer dritten Ebene (L3) zu einer vierten Ebene (L4) übergeht, welche sich von der dritten Ebene unterscheidet. Der Winkel α2 des Übergangs, welcher zwischen der dritten Ebene L3 und der Seitenwand 202 der zweiten geneigten Übergangsregion 200 gemessen wird, liegt zwischen +45 Grad und +90 Grad in 7, so dass der zweidimensionale Ladungsträgergaskanal 106 unter diesem Teil des Gates 112 aufgrund des Fehlens einer c-Ebenen-Ausrichtung in dieser Region der Schnittstelle 108 zwischen den Puffer- und Barriereschichten 100, 102 unterbrochen wird. Die ersten und die dritten Ebenen können koplanar sein, und die zweiten und die vierten Ebenen können auch koplanar sein, wie in 7 gezeigt. Auf diese Weise können die Source- und Drain-Kontakte 118, 120 auf der gleichen Ebene in der Vorrichtung sein. In weiteren Ausführungsformen sind die ersten und dritten Ebenen vertikal voneinander versetzt, und die zweiten und vierten Ebenen sind auch vertikal voneinander versetzt.
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Ferner erstreckt sich der dotierte Halbleiter 122 gemäß der Ausführungsform aus 7 kontinuierlich unter dem Gate 112 von der ersten geneigten Übergangsregion 104 zur zweiten geneigten Übergangsregion 200. Als solcher ersetzt der dotierte Halbleiter 122 auch die Passivierungsschicht 116 über der zweiten geneigten Übergangsregion 200 und ist zwischen dem Gate 112 und dem zweiten III-Nitrid-Halbleiter 200 an der Seite des Gates 112 gegenüberliegend der ersten geneigten Übergangsregion 104 angeordnet.
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Die geneigte Übergangsregion 200 in Richtung der Drain-Seite ist bereitgestellt, um die geneigte Übergangsregion 104 in Richtung der Source-Seite absichtlich vom DIBL-Effekt abzuschirmen. Als Ergebnis wirkt die geneigte Übergangsregion 200 in Richtung der Drain-Seite als „Opfer“-Region, welche den Großteil des DIBL-Effekts absorbiert und eine relativ niedrige Schwellenspannung aufweist. Auf diese Weise definiert die geneigte Übergangsregion 104 in Richtung der Source-Seite die Schwellenspannung der Vorrichtung. Da die Schwellenspannung durch eine geneigte Übergangsregion 104, welche nicht vom DIBL-Effekt betroffen ist, definiert ist, tritt keine Schwellenspannungsverschiebung für höhere angelegte Drain-Spannungen auf, und die Vorrichtung weist eine hohe Schwellenspannung (Vt), z. B. über 0,5 V, selbst bei relativ hohen Drain-Spannungen, z. B. bis zu wenigstens 50 V, auf. Zusätzlich und ähnlich wie die in 1 und 5 gezeigten Ausführungsformen mit einzelner geneigter Übergangsregion gibt es keine Einschränkung hinsichtlich der Dicke/Zusammensetzung der Barriereschicht 102.
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Wie die Ausführungsformen in 1 und 5 überwindet die Ausführungsform in 7 die Einschränkung einer planaren pGaN-HEMT-Struktur insofern, dass die Schwellenspannung nicht durch Polarisationsladungen bestimmt wird. Auch kann das zweidimensionale Ladungsträgergas 106 unter der Gate-Region zwischen den geneigten Übergangsregionen 104, 200 auf den Drain- und Source-Seiten des Gates 112 vorhanden bleiben, wie durch die Minuszeichen („–“) unter dem mittleren Teil des Gates 112 in 7 angezeigt. Eine solche Konfiguration stellt niedrige RDSON*Area-FOM-Werte bereit, da die effektive Gate-Länge klein gehalten werden kann (hauptsächlich beschränkt auf die Gesamtlänge, d. h. Höhe der geneigten Übergangsregion 104 auf der Source-Seite der Vorrichtung). Der Teil der Vorrichtung zwischen den geneigten Übergangsregionen 104, 200 auf jeder Seite des Gates 112 kann als selbstleitende Vorrichtung behandelt werden, wodurch aggressivere RDSON*Area-FOM-Werte ähnlich wie selbstleitende Vorrichtungskonzepte ermöglicht werden. Ob das zweidimensionale Ladungsträgergas 106 unter dem horizontalen Teil des Gates 112 zwischen den geneigten Übergangsregionen 104, 200 vorhanden bleibt, ist eine Designwahl und hängt von der Art der Barriereschicht ab. Falls das zweidimensionale Ladungsträgergas 106 unter dem horizontalen Teil des Gates 112 zwischen den geneigten Übergangsregionen 104, 200 unterbrochen wird, resultieren höhere RDSON-Ergebnisse.
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8 zeigt Simulationsergebnisse für das nicht-planare selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelement aus 7, welche zur Berechnung des DIBL-Effekts verwendet werden. Die Simulation wurde für eine GaN-Barriereschicht, eine AlGaN-Pufferschicht, einen p-dotierten GaN-Halbleiter, welcher die Passivierungsschicht über den geneigten Übergangsregionen der III-Nitrid-Halbleiter ersetzt, und die Winkel α1 = α2 = 90º durchgeführt. Darüber hinaus wurde der Teil zwischen den geneigten Übergangsregionen auf jeder Seite des Gates als selbstleitende Vorrichtung für die Simulation behandelt. 9 zeigt die entsprechende Übertragungskennlinie für eine Drain-Spannung Vd = 0,1 V und Vd = 50 V, wobei der DIBL-Effekt bei Unterschwellen-Gate-Spannungen vollständig unterdrückt ist. In einer Ausführungsform weist das selbstsperrende Verbindungshalbleiterbauelement eine Schwellenspannung über 0,5 V für Drain-Spannungen bis zu wenigstens 50 V auf, und die Vorrichtung weist einen Drain-Strom von etwa 10E–10 oder niedriger für Unterschwellen-Gate-Spannungen auf.
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9 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements, welche eine echte Transistorübertragungskennlinie mit guter Schwellenspannungssteuerung und vernachlässigbarem Drain-Strom bei Unterschwellen-Gate-Spannungen selbst bei relativ hohen Drain-Spannungen, z. B. von wenigstens 50 V, aufweist. Die in 10 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich zur in 7 gezeigten Ausführungsform. Das Gate 112 erstreckt sich jedoch auf die Passivierungsschicht 116 wenigstens in einer Richtung zum Drain-Kontakt 120.
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Das Gate 112 kann sich auch auf die Passivierungsschicht 116 in einer Richtung zum Source-Kontakt 118 erstrecken. Der/die ausgestreckte(n) Teil(e) 128 des Gates 112 wirkt/wirken als Feldplatten, wie zuvor hierin beschrieben. Alternativ oder zusätzlich können die Feldplatten auch in einer oder mehreren Metallebenen (nicht gezeigt) über dem Gate 112 realisiert werden, wie auch zuvor hierin beschrieben.
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10 veranschaulicht eine noch weitere Ausführungsform eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements, welche eine echte Transistorübertragungskennlinie mit guter Schwellenspannungssteuerung und vernachlässigbarem Drain-Strom bei Unterschwellen-Gate-Spannungen selbst bei relativ hohen Drain-Spannungen, z. B. von wenigstens 50 V, aufweist. Die in 11 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich zur in 7 gezeigten Ausführungsform. Ein Teil der Passivierungsschicht 116 bleibt jedoch unter dem horizontalen Teil des Gates 112 zwischen der ersten geneigten Übergangsregion 104 und der zweiten geneigten Übergangsregion 200 des ersten III-Nitrid-Halbleiters 100 (Pufferschicht). Dieser Teil der Passivierungsschicht 116 ist lateral angrenzend an den dotierten Halbleiter 122 in Richtung zum Drain und in Richtung zur Source. Da der dotierte Halbleiter 122 zwischen den geneigten Übergangsregionen 104, 200 der Pufferschicht 100 unterbrochen ist, wird die Dichte des zweidimensionalen Ladungsträgergases 106 unter dem horizontalen Teil des Gates 112 zwischen den ersten und zweiten geneigten Übergangsregionen 104, 200 erhöht. Die erhöhte zweidimensionale Ladungsträgergasdichte ist in 10 durch die größeren Minuszeichen („–“) unterhalb des Teils der Passivierungsschicht 116, welcher unter dem horizontalen Teil des Gates 112 bleibt, schematisch veranschaulicht. Mit diesem Ansatz kann der RDSON der Vorrichtung weiter verringert werden.
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11 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements, welche vernachlässigbaren Drain-Strom bei Unterschwellen-Gate-Spannungen aufweist. Die in 11 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich zur in 7 gezeigten Ausführungsform. Jedoch sind die Source- und Drain-Kontakte 118, 120 unterhalb des Gates 112 in einer vertikalen Richtung v angeordnet. Als solche sind der Winkel α1 der ersten geneigten Übergangsregion 104 und der Winkel α2 der zweiten geneigten Übergangsregion 200 negative Winkel, welche zwischen den jeweiligen Ebenen L1/L2 und L3/L4 gemessen werden. Falls der Bereich der Winkel α1 und α2 hinreichend steil ist, z. B. im Bereich zwischen –45 Grad und –90 Grad, wird der zweidimensionale Ladungsträgergaskanal 106 unter den geneigten/abgewinkelten Teilen des Gates 112 aufgrund des Fehlens einer c-Ebenen-Ausrichtung in dieser Region der Schnittstelle 108 zwischen den Puffer- und Barriereschichten 100, 102 unterbrochen und ergibt daher eine selbstsperrende Vorrichtung, wie zuvor hierin beschrieben. Falls die Winkel α1 und α2 weniger steil sind, dann ist die Dichte des zweidimensionalen Ladungsträgergaskanals 106 unter den geneigten/abgewinkelten Teilen des Gates 112 reduziert. Der dotierte Halbleiter 122 verschiebt die Bandkante unter dem Gate 112, wodurch der zweidimensionale Ladungsträgergaskanal 106 geringerer Dichte unter den geneigten/abgewinkelten Teilen des Gates 112 unterbrochen wird und daher eine selbstsperrende Vorrichtung ergibt, wie auch zuvor hierin beschrieben.
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12 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements, welche vernachlässigbaren Drain-Strom bei Unterschwellen-Gate-Spannungen aufweist. Die in 12 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich zur in 7 gezeigten Ausführungsform. Jedoch ist die dotierte Halbleiterregion 122 nicht zwischen dem Gate 112 und der Barriereschicht 102 über jeder geneigten Übergangsregion 104, 200 der Pufferschicht 100 angeordnet. Stattdessen erstreckt sich die Passivierungsschicht 116 kontinuierlich unter dem Gate 112 von der Source-Seite des Gates 112 zur Drain-Seite des Gates 112 ohne Unterbrechung gemäß dieser Ausführungsform.
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13, welche 13A bis 13G umfasst, veranschaulicht eine Ausführungsform der Herstellung eines nicht-planaren selbstsperrenden Verbindungshalbleiterbauelements, die eine echte Transistorübertragungskennlinie mit guter Schwellenspannungssteuerung und vernachlässigbarem Drain-Strom bei Unterschwellen-Gate-Spannungen aufweist.
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13A zeigt den ersten III-Nitrid-Halbleiter 100 (Pufferschicht), welcher beispielsweise mittels eines ersten Epitaxieprozesses auf einem Substrat 110 gewachsen ist, wie beispielsweise auf einem Si- oder SiC-Substrat, das eine oder mehrere Keimbildungs (Seed)- und/oder Gitterübergangsschichten, wie beispielsweise AlN/GaN/InAlGaN/AlN-basierte Schichten, aufweisen kann, wie zuvor hierin erläutert.
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13B zeigt eine Maske 300, welche auf dem ersten III-Nitrid-Halbleiter 100 ausgebildet ist. Die Maske 300 wird so gewählt, dass der erste III-Nitrid-Halbleiter 100 selektiv für die Maske 300 geätzt werden kann.
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13C zeigt den ersten III-Nitrid-Halbleiter 100 nach einem Ätzprozess, in dem eine erste geneigte Übergangsregion 104 in den unmaskierten Teil des ersten III-Nitrid-Halbleiters 100 mit etwas Unterätzung geätzt wird. Die erste geneigte Übergangsregion 104 geht in einem Winkel α von einer ersten Ebene (L1) zu einer zweiten Ebene (L2) über, welche sich von der ersten Ebene unterscheidet, wie zuvor hierin beschrieben. Eine zweite geneigte Übergangsregion (außerhalb der Sicht) kann in ähnlicher Weise im ersten III-Nitrid-Halbleiter 100 während des Ätzprozesses durch entsprechendes Strukturieren der Maske 300 ausgebildet werden. Auf diese Weise kann der erste III-Nitrid-Halbleiter 100 ein Einzelstufenprofil aufweisen, wie in 1 und 5 gezeigt, oder ein Doppelstufenprofil, wie in 7 und 9–12 gezeigt.
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13D zeigt den zweiten III-Nitrid-Halbleiter 102 (Barriereschicht), welcher auf dem ersten III-Nitrid-Halbleiter 100 gewachsen wurde, und eine dotierte Halbleiterschicht 302, wie beispielsweise p-dotiertes GaN oder p-dotiertes AlGaN im Fall einer GaN/AlGaN-Heterostruktur, welche auf dem zweiten III-Nitrid-Halbleiter 102 beispielsweise mittels eines zweiten Epitaxieprozesses nach Entfernen der Maske 300 gewachsen wurde. Der zweite III-Nitrid-Halbleiter 102 und die dotierte Halbleiterschicht 302 weisen die gleichen geneigten/abgewinkelten Oberflächenkonturen wie der erste III-Nitrid-Halbleiter 100 auf. Die erste geneigte Übergangsregion 104 des ersten III-Nitrid-Halbleiters 100 kann abgewinkelt/geneigt sein, so dass das zweidimensionale Ladungsträgergas 106, welches im ersten III-Nitrid-Halbleiter 100 nahe der Schnittstelle 108 zwischen den zwei III-Nitrid-Halbleitern 100, 102 entsteht, entlang der ersten geneigten Übergangsregion 104 unterbrochen ist, um eine selbstsperrende Vorrichtung zu ergeben, wie zuvor hierin beschrieben. Im Allgemeinen kann die Vorrichtung allein durch das Vorhandensein der ersten geneigten Übergangsregion 104 selbstsperrend gemacht werden, falls der Winkel α der ersten geneigten Übergangsregion 104 ausreichend steil ist, beispielsweise zwischen +45 Grad und +90 Grad oder zwischen –45 Grad und –90 Grad, abhängig von der Position des Gates oder auch in Verbindung mit dem dotierten Halbleiter 302, welcher die Bandlücke in der geneigten Kanalregion der Vorrichtung verschiebt.
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13E zeigt eine Gate-Leiterschicht 304, wie beispielsweise eine Metallschicht, welche auf der dotierten Halbleiterschicht 302 abgeschieden ist, und eine Gate-Maske 306 auf der Gate-Leiterschicht 304. Die Gate-Maske 306 ist gewählt, so dass die Gate-Leiterschicht 304 und die dotierte Halbleiterschicht 302 selektiv für die Gate-Maske geätzt werden können.
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13F zeigt die Gate-Leiterschicht 304 und die zugrunde liegende dotierte Halbleiterschicht 302, welche selektiv für die Gate-Maske 306 geätzt wurde. Der verbleibende Teil der Gate-Leiterschicht 304 bildet das Gate 112 aus, und der verbleibende Teil der dotierten Halbleiterschicht 302 bildet den dotierten Halbleiter 122 aus, welcher die geneigte Übergangsregion 104 des ersten III-Nitrid-Halbleiters 100 abdeckt. Die Eigenschaften des verbleibenden dotierten Halbleiters 122 verschieben das Leitungsband in der Weise, dass nur ein einzelner Kanal 106 nahe der Schnittstelle 108 zwischen den Puffer- und Barriereschichten 100, 102 entlang der ersten geneigten Übergangsregion 104 der Pufferschicht 100 ausgebildet wird, wie zuvor hierin beschrieben. Auf diese Weise ist die Vorrichtung selbstsperrend und weist eine echte Transistorübertragungskennlinie mit guter Schwellenspannungssteuerung und vernachlässigbarem Drain-Strom bei Unterschwellen-Gate-Spannungen auf.
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13G zeigt eine dielektrische Passivierung 116, welche auf dem Gate 112 und der Barriereschicht 102 abgeschieden ist, und Source- und Drain-Kontakte 118, 120 zum Kontaktieren des Kanals 106. Die Kontakte 118, 120 können an der gleichen Hauptseite der Vorrichtung angeordnet sein, wie in 13G gezeigt, so dass die Vorrichtung auf der gleichen Seite kontaktiert sein kann, oder einer der Kontakte 118/120 kann an einer Hauptseite der Vorrichtung angeordnet sein, und der andere Kontakt 120/118 kann an der gegenüberliegenden Hauptseite angeordnet sein, so dass die Vorrichtung an gegenüberliegenden Seiten kontaktiert sein kann.
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Räumlich relative Begriffe wie beispielsweise „unter“, „unterhalb“, „unterer“, „über“, „oberer“ und dergleichen werden zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet, um die Anordnung eines Elements relativ zu einem zweiten Element zu erklären. Diese Begriffe sollen verschiedene Ausrichtungen des Packages zusätzlich zu anderen Ausrichtungen als in den Figuren dargestellt umfassen. Ferner werden Begriffe wie beispielsweise „erster“, „zweiter“ und dergleichen auch verwendet, um verschiedene Elemente, Regionen, Abschnitte usw. zu beschreiben, und sind auch nicht als Beschränkung gedacht. In der Beschreibung beziehen sich gleiche Begriffe auf gleiche Elemente.