DE102019121417B4 - Semiconductor device and high voltage device having a transistor device diode-connected between two HEMT devices and method of forming the same - Google Patents

Semiconductor device and high voltage device having a transistor device diode-connected between two HEMT devices and method of forming the same Download PDF

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    • H01L2224/16225Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/16227Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the bump connector connecting to a bond pad of the item
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    • H01L2224/32221Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32245Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
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    • H01L2224/48245Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
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    • H01L2224/48463Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond
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    • H01L2224/48463Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond
    • H01L2224/48465Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond the other connecting portion not on the bonding area being a wedge bond, i.e. ball-to-wedge, regular stitch
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    • H01L2224/48476Connecting portions connected to auxiliary connecting means on the bonding areas, e.g. pre-ball, wedge-on-ball, ball-on-ball between the wire connector and the bonding area
    • H01L2224/48491Connecting portions connected to auxiliary connecting means on the bonding areas, e.g. pre-ball, wedge-on-ball, ball-on-ball between the wire connector and the bonding area being an additional member attached to the bonding area through an adhesive or solder, e.g. buffer pad
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    • H01L27/04Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/08Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind
    • H01L27/085Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind including field-effect components only
    • H01L27/088Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind including field-effect components only the components being field-effect transistors with insulated gate
    • H01L27/0883Combination of depletion and enhancement field effect transistors
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    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/10Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1066Gate region of field-effect devices with PN junction gate
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    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66409Unipolar field-effect transistors
    • H01L29/66446Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET]
    • H01L29/66462Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET] with a heterojunction interface channel or gate, e.g. HFET, HIGFET, SISFET, HJFET, HEMT
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    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/778Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H01L29/7786Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
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    • H01L2924/153Connection portion
    • H01L2924/1531Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface
    • H01L2924/15311Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface being a ball array, e.g. BGA
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    • H01L2924/181Encapsulation

Abstract

Halbleitervorrichtung mit:einer ersten HEMT-Vorrichtung (104, 302), die innerhalb einer Halbleiterstruktur (212) angeordnet ist und eine erste Source (S1), einen ersten Drain (D1) und ein erstes Gate (G1) aufweist;einer zweiten HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502), die innerhalb der Halbleiterstruktur (212) in Reihe mit der ersten HEMT-Vorrichtung (104, 302) angeordnet ist und eine zweite Source (S2), die mit dem ersten Drain (D1) verbunden ist, einen zweiten Drain (D2) und ein zweites Gate (G2) aufweist; undeiner als Diode geschalteten Transistorvorrichtung (110, 306), die innerhalb der Halbleiterstruktur (212) angeordnet und zwischen die erste HEMT-Vorrichtung (104, 302) und die zweite HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502) geschaltet ist und eine dritte Source (S3), ein drittes Gate (G3) und einen dritten Drain (D3) aufweist, der mit dem zweiten Gate (G2) verbunden ist.A semiconductor device comprising:a first HEMT device (104, 302) disposed within a semiconductor structure (212) and having a first source (S1), a first drain (D1) and a first gate (G1);a second HEMT Device (108, 304, 502) arranged within the semiconductor structure (212) in series with the first HEMT device (104, 302) and a second source (S2) connected to the first drain (D1), a second drain (D2) and a second gate (G2); anda diode-connected transistor device (110,306) disposed within the semiconductor structure (212) and connected between the first HEMT device (104,302) and the second HEMT device (108,304,502), and a third source (S3), a third gate (G3) and a third drain (D3) connected to the second gate (G2).

Description

HINTERGRUNDBACKGROUND

Heutige integrierte Chips weisen Millionen oder Milliarden von Halbleitervorrichtungen auf, die auf einem Halbleitersubstrat (z.B. Silizium) ausgebildet sind. In integrierten Chips (ICs) können viele unterschiedliche Typen von Transistorvorrichtungen in Abhängigkeit von einer Anwendung eines IC eingesetzt werden. In den vergangenen Jahren hat der wachsende Markt für Mobil- und HF(Funkfrequenz)-Vorrichtungen eine beträchtliche Zunahme bei der Verwendung von Hochspannungstransistorvorrichtungen zur Folge gehabt. Zum Beispiel werden Hochspannungstransistorvorrichtungen wegen ihrer Fähigkeit, mit hohen Durchschlagsspannungen (z.B. größer als circa 50 V) und hohen Frequenzen umzugehen, oft in Leistungsverstärkern in HF-Sende/Empfangsketten verwendet.Today's integrated chips have millions or billions of semiconductor devices formed on a semiconductor (e.g., silicon) substrate. Integrated chips (ICs) may employ many different types of transistor devices depending on an IC's application. In recent years, the growing market for cellular and RF (radio frequency) devices has resulted in a significant increase in the use of high voltage transistor devices. For example, high voltage transistor devices are often used in power amplifiers in RF transmit/receive chains because of their ability to handle high breakdown voltages (e.g., greater than about 50V) and high frequencies.

Die US 8 541815 B2 beschreibt eine Transistorschaltung mit einem ersten HEMT und einem zweiten HEMT, wobei der zweite HEMT die Spannung zwischen Source und Gate des ersten HEMT begrenzt. Weiterer Stand der Technik ist bekannt aus: US 2017 / 0 271327 A1 , US 2012 / 0 098 037 A1 , US 2013 / 0 271 208 A1 , US 2013 / 0 020 614 A1 und US 9 882 020 B2 . Die Erfindung sieht eine Halbleitervorrichtungen gemäß Anspruch 1, eine Hochspannungsvorrichtung gemäß Anspruch 15 und ein Verfahren gemäß Anspruch 19 vor. Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.the U.S. 8,541,815 B2 describes a transistor circuit having a first HEMT and a second HEMT, the second HEMT limiting the voltage between the source and gate of the first HEMT. Further prior art is known from: U.S. 2017/0 271327 A1 , US 2012 / 0 098 037 A1 , U.S. 2013/0 271 208 A1 , U.S. 2013/0 020 614 A1 and U.S. 9,882,020 B2 . The invention provides a semiconductor device according to claim 1, a high voltage device according to claim 15 and a method according to claim 19. Refinements are given in the dependent claims.

Figurenlistecharacter list

Ausbildungen der vorliegenden Offenbarung sind am besten anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung zu verstehen, wenn sie mit den beigefügten Figuren gelesen wird. Es wird angemerkt, dass im Einklang mit der üblichen Vorgehensweise in der Industrie die verschiedenen Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale aus Gründen der Verständlichkeit der Darlegung beliebig vergrößert oder verkleinert sein.

  • 1 stellt eine schematische grafische Darstellung dar, die einige Ausführungsformen einer Hochspannungsvorrichtung zeigt, die eine Kaskodenstruktur mit mehreren Vorrichtungen mit Transistoren von einer hohen Elektronenbeweglichkeit (HEMT) aufweist.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hochspannungsvorrichtung, die eine Kaskodenstruktur mit mehreren HEMT-Vorrichtungen aufweist.
  • Die 3A-5B zeigen einige zusätzliche Ausführungsformen von Hochspannungsvorrichtungen, die eine Kaskodenstruktur mit mehreren HEMT-Vorrichtungen aufweisen.
  • Die 6A-8 zeigen Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen einer gepackten Hochspannungsvorrichtung, die eine Kaskodenstruktur mit mehreren HEMT-Vorrichtungen aufweist.
  • Die 9-15 zeigen Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Ausbilden einer Hochspannungsvorrichtung, die eine Kaskodenstruktur mit mehreren HEMT-Vorrichtungen aufweist.
  • Die 16-25 zeigen Querschnittsansichten einiger alternativer Ausführungsformen eines Verfahrens zum Ausbilden einer Hochspannungsvorrichtung, die eine Kaskodenstruktur mit mehreren HEMT-Vorrichtungen aufweist.
  • 26 stellt ein Ablaufdiagramm einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Ausbilden einer Hochspannungsvorrichtung dar, die eine Kaskodenstruktur mit mehreren HEMT-Vorrichtungen aufweist.
Embodiments of the present disclosure are best understood from the following detailed description when read with the accompanying figures. It is noted that, in accordance with industry practice, the various features are not drawn to scale. In fact, the dimensions of the various features may be arbitrarily increased or decreased for the sake of clarity of presentation.
  • 1 FIG. 12 is a schematic diagram showing some embodiments of a high voltage device having a cascode structure with multiple devices with high electron mobility transistors (HEMT).
  • 2 FIG. 12 shows a cross-sectional view of a high voltage device having a cascode structure with multiple HEMT devices.
  • the 3A-5B show some additional embodiments of high voltage devices having a cascode structure with multiple HEMT devices.
  • the 6A-8 12 show cross-sectional views of some embodiments of a high voltage packaged device having a cascode structure with multiple HEMT devices.
  • the 9-15 12 show cross-sectional views of some embodiments of a method for forming a high voltage device having a cascode structure with multiple HEMT devices.
  • the 16-25 12 show cross-sectional views of some alternative embodiments of a method for forming a high voltage device having a cascode structure with multiple HEMT devices.
  • 26 FIG. 12 illustrates a flow chart of some embodiments of a method for forming a high voltage device having a cascode structure with multiple HEMT devices.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Die folgende Offenbarung liefert viele unterschiedliche Ausführungsformen oder Beispiele für die Realisierung unterschiedlicher Merkmale des bereitgestellten Gegenstandes. Nachfolgend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Zum Beispiel kann das Ausbilden eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachfolgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und zweite Element in einem direkten Kontakt ausgebildet sind, und es kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Element zwischen dem ersten und dem zweiten Element derart ausgebildet werden können, dass das erste und das zweite Element nicht in einem direkten Kontakt sein können. Außerdem können in der vorliegenden Offenbarung Bezugsziffern und/oder Buchstaben in den verschiedenartigen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und gibt von sich aus keine Beziehung zwischen den erörterten verschiedenartigen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.The following disclosure provides many different embodiments or examples for implementing different features of the provided subject matter. Specific examples of components and arrangements are described below to simplify the present disclosure. For example, forming a first member over or on a second member in the following description may include embodiments where the first and second members are formed in direct contact, and may also include embodiments where additional members are between the first and the second element can be formed such that the first and second elements cannot be in direct contact. Also, in the present disclosure, reference numerals and/or letters may be repeated among various examples. This repetition is for the purpose of simplicity and clarity and does not in itself imply a relationship between the various embodiments and/or configurations discussed.

Ferner können hier räumliche Relationsbegriffe, wie z.B. „unterhalb“, „unten“, „unterer“, „oberhalb“, „oberer“ und dergleichen, der Einfachheit der Beschreibung halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element oder Merkmal (anderen Elementen oder Merkmalen) zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt ist. Die räumlichen Relationsbegriffe sind dazu gedacht, verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung im Einsatz oder beim Betrieb zusätzlich zu der Ausrichtung zu umfassen, die in den Figuren wiedergegeben ist. Die Vorrichtung kann auf eine andere Weise ausgerichtet (um 90 Grad oder in andere Richtungen gedreht) werden, und die hier verwendeten räumlichen Kennzeichnungen können ebenso dementsprechend interpretiert werden.Furthermore, spatial relational terms, such as "below", "below", "lower", "above", "upper" and the like, may be used herein for ease of description to indicate the relationship of one element or feature to another element or Describe feature (other elements or features) as shown in the figures. The spatial relation terms are intended to represent different orientations of the orientation in use or operation in addition to the orientation depicted in the figures. The device may be oriented (rotated 90 degrees or in other directions) in other ways, and the spatial notation used herein interpreted accordingly as well.

In den vergangenen vier Jahrzehnten sind Halbleitertransistoren auf Basis von Silizium ein Standard in der Halbleiterindustrie gewesen. Silizium ist ein kostengünstiges Halbleitermaterial, das gute elektrische Eigenschaften liefert. Da jedoch die Größe der Halbleiterbausteine kontinuierlich weiter angepasst wird (d.h. schrumpft), ist es zunehmend schwieriger geworden, Transistoren auf Siliziumsubstraten herzustellen. Da das Skalieren von Siliziumvorrichtungen immer schwieriger wird, finden Halbleitervorrichtungen auf der Basis alternativer Materialien zunehmend Beachtung. Galliumnitrid(GaN)-Vorrichtungen sind eine populäre Alternative zu Siliziumvorrichtungen. Die GaN-Vorrichtungen weisen eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit und eine große Bandlücke auf, die für Hochspannungs- und/oder Hochleistungsanwendungen vorteilhaft ist. Die höhere Ladungsträgerbeweglichkeit ermöglicht, dass eine GaN-Vorrichtung eine kleinere physische Größe für einen gegebenen Betriebswiderstand und/oder Durchschlagsspannung als eine Siliziumvorrichtung aufweist.For the past four decades, silicon-based semiconductor transistors have been a standard in the semiconductor industry. Silicon is an inexpensive semiconductor material that provides good electrical properties. However, as semiconductor devices continue to scale (i.e. shrink) in size, it has become increasingly difficult to fabricate transistors on silicon substrates. As silicon devices become more difficult to scale, semiconductor devices based on alternative materials are receiving increasing attention. Gallium nitride (GaN) devices are a popular alternative to silicon devices. The GaN devices exhibit high mobility and a wide band gap, which is advantageous for high-voltage and/or high-power applications. The higher carrier mobility allows a GaN device to have a smaller physical size for a given on-resistance and/or breakdown voltage than a silicon device.

Ein verbreiteter Typ einer GaN- Vorrichtung sind die Vorrichtungen mit Transistoren von einer hohen Elektronenbeweglichkeit (HEMT; engl.: high electron mobility transistor). HEMT-Vorrichtungen weisen üblicherweise eine Stapelstruktur mit einer GaN-Schicht und einem darüber liegenden, Elektronen liefernden Material (z.B. AlGaN) auf. Ein Heteroübergang zwischen der GaN-Schicht und dem darüber liegenden, Elektronen liefernden Material wirkt als ein Kanal des HEMT (anstelle eines dotierten Bereichs, der in einem MOSFET verwendet wird). Um die Vorrichtungskosten zu verringern, kann die GaN-Schicht auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet werden. GaN-HEMT-Vorrichtungen, die auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet wurden, leiden oft an einem lateralen Ableitungsverlust zwischen den Vorrichtungen sowie einem vertikalen Ableitungsverlust zwischen einer Vorrichtung und dem Siliziumsubstrat. Bei hohen Spannungen (z.B. größer als ungefähr 500 V) überwiegt der vertikale Ableitungsverlust, sodass eine maximale Durchschlagsspannung einer GaN-Vorrichtung proportional zu einer Dicke der GaN-Schicht ist.A common type of GaN device are the high electron mobility transistor (HEMT) devices. HEMT devices typically have a stacked structure with a GaN layer and an overlying electron donating material (e.g., AlGaN). A heterojunction between the GaN layer and the overlying electron donating material acts as a channel of the HEMT (instead of a doped region used in a MOSFET). In order to reduce the device cost, the GaN layer can be formed on a silicon substrate. GaN HEMT devices formed on a silicon substrate often suffer from lateral leakage between devices and vertical leakage between a device and the silicon substrate. At high voltages (e.g., greater than about 500 V), vertical conduction loss predominates, so a maximum breakdown voltage of a GaN device is proportional to a thickness of the GaN layer.

Um zum Beispiel eine Vorrichtung mit einer maximalen Durchschlagsspannung von 650 V und einer akzeptablen Größe des vertikalen Ableitungsverlustes auszubilden, muss eine Dicke einer GaN-Schicht größer als ungefähr 5 µm (Mikrometer) sein. Um eine Vorrichtung mit einer maximalen Durchschlagsspannung von 1000 V und einer akzeptablen Größe des vertikalen Ableitungsverlustes auszubilden, kann eine GaN-Schicht eine Dicke aufweisen, die ungefähr gleich 10 µm ist. Wegen der Gitterfehlanpassung und Problemen bei der Abscheidung ist es jedoch schwierig, dicke GaN-Schichten (z.B. über 5 µm) auf einem Siliziumsubstrat aufwachsen zu lassen. Da es schwierig ist, dicke GaN-Schichten auf einem Siliziumsubstrat aufwachsen zu lassen, ist es eine Herausforderung, eine GaN-HEMT-Vorrichtung auszubilden, die eine hohe Durchschlagsspannung (z.B. größer als ungefähr 1000 V) aufweist.For example, to form a device with a maximum breakdown voltage of 650 V and an acceptable level of vertical conduction loss, a thickness of a GaN layer must be greater than about 5 µm (microns). In order to form a device with a maximum breakdown voltage of 1000 V and an acceptable level of vertical conduction loss, a GaN layer may have a thickness equal to approximately 10 µm. However, it is difficult to grow thick GaN layers (e.g. over 5 µm) on a silicon substrate because of lattice mismatch and deposition problems. Because it is difficult to grow thick GaN layers on a silicon substrate, forming a GaN HEMT device that has a high breakdown voltage (e.g., greater than about 1000 V) is a challenge.

Die vorliegende Offenbarung betrifft in einigen Ausführungsformen eine Hochspannungsvorrichtung, die eine erste HEMT-Vorrichtung aufweist, die mit einer zweiten HEMT-Vorrichtung in Reihe geschaltet ist. Ein Gate der zweiten HEMT-Vorrichtung ist mittels eines als Diode geschalteten Transistors mit der ersten HEMT-Vorrichtung verbunden. Dadurch dass die erste HEMT-Vorrichtung in Reihe mit der zweiten HEMT-Vorrichtung geschaltet ist, sind die zwei Vorrichtungen in der Lage, gemeinsam als ein Äquivalent zu einer einzelnen Hochspannungstransistorvorrichtung wirksam zu werden, die eine relativ hohe Durchschlagsspannung aufweist (d.h. eine Durchschlagsspannung, die größer als die Durchschlagsspannungen von entweder der ersten HEMT- oder der zweiten HEMT-Vorrichtung ist). Deshalb können die zwei HEMT-Vorrichtungen mit relativ dünnen GaN-Schichten (z.B. 5 µm oder darunter oder weniger als 10 µm) eine ähnliche Durchschlagsspannung wie eine Hochspannungsvorrichtung mit einer dickeren GaN-Schicht (z.B. größer als 5 µm) erreichen.The present disclosure relates, in some embodiments, to a high voltage device that includes a first HEMT device connected in series with a second HEMT device. A gate of the second HEMT device is connected to the first HEMT device via a diode-connected transistor. By having the first HEMT device connected in series with the second HEMT device, the two devices are able to operate together as an equivalent to a single high voltage transistor device that has a relatively high breakdown voltage (i.e., a breakdown voltage that is greater than the breakdown voltages of either the first HEMT or the second HEMT device). Therefore, the two HEMT devices with relatively thin GaN layers (e.g. 5 µm or less or less than 10 µm) can achieve a similar breakdown voltage as a high voltage device with a thicker GaN layer (e.g. greater than 5 µm).

1 stellt eine schematische grafische Darstellung von einigen Ausführungsformen einer Hochspannungsvorrichtung 100 dar, die mehrere Vorrichtungen mit einem Transistor hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) aufweist, die in Reihe geschaltet sind. 1 FIG. 12 illustrates a schematic diagram of some embodiments of a high voltage device 100 including multiple high electron mobility transistor (HEMT) devices connected in series.

Die Hochspannungsvorrichtung 100 weist eine Kaskodenstruktur mit einer gemeinsamen Source-Stufe 102 und einer gemeinsamen Gate-Stufe 106 auf. Die gemeinsame Source-Stufe 102 weist eine erste Vorrichtung mit einem Transistor hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) 104 auf, die eine erste Source S1, einen ersten Drain D1 und ein erstes Gate G1 aufweist. Die gemeinsame Gate-Stufe 106 weist eine zweite HEMT-Vorrichtung 108 mit einer zweiten Source S2, die mit dem ersten Drain D1 verbunden ist, mit einem zweiten Drain D2 und mit einem zweiten Gate G2 auf. Ein als Diode geschalteter Transistor 110 ist zwischen die erste HEMT-Vorrichtung 104 und die zweite HEMT-Vorrichtung 108 geschaltet und eingerichtet, die erste HEMT-Vorrichtung 104 vor hohen Spannungen (z.B. in der zweiten HEMT-Vorrichtung 108) zu schützen, welche die erste HEMT-Vorrichtung 104 beschädigen könnten. Der als Diode geschaltete Transistor 110 weist ein drittes Gate G3, eine dritte Source S3, die entweder mit dem ersten Gate G1 oder der ersten Source S1 der ersten HEMT-Vorrichtung 104 verbunden ist, und einen dritten Drain D3 auf, der mit dem zweiten Gate G2 der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 verbunden ist.The high voltage device 100 has a cascode structure with a common source level 102 and a common gate level 106 . The common source stage 102 includes a first high electron mobility transistor (HEMT) device 104 having a first source S 1 , a first drain D 1 , and a first gate G 1 . The common gate stage 106 includes a second HEMT device 108 having a second source S 2 connected to the first drain D 1 , a second drain D 2 , and a second gate G 2 . A diode-connected transistor 110 is connected between the first HEMT device 104 and the second HEMT device 108 and is configured to protect the first HEMT device 104 from high voltages (eg, in the second HEMT device 108) that could damage the first HEMT device 104. The diode-connected transistor 110 has a third gate G 3 , a third source S 3 connected to either the first gate G 1 or the first source S 1 of the first HEMT device 104, and a third drain D 3 , connected to the second gate G 2 of the second HEMT device 108 .

Die erste HEMT-Vorrichtung 104, die zweite HEMT-Vorrichtung 108 und der als Diode geschaltete Transistor 110 sind innerhalb einer Package-Komponente 101 angeordnet. In einigen Ausführungsformen kann die erste HEMT-Vorrichtung 104 eine Anreicherungsmodus-Vorrichtung (d.h. eine normalerweise ausgeschaltete Vorrichtung) sein. In verschiedenartigen Ausführungsformen kann die zweite HEMT-Vorrichtung 108 eine Anreicherungsmodus-Vorrichtung (d.h. eine normalerweise ausgeschaltete Vorrichtung) oder eine Verarmungsmodus-Vorrichtung (d.h. eine normalerweise eingeschaltete Vorrichtung) sein. In einigen Ausführungsformen kann der als Diode geschaltete Transistor 110 eine Anreicherungsmodus-HEMT-Vorrichtung sein.The first HEMT device 104 , the second HEMT device 108 and the diode connected transistor 110 are arranged within a package component 101 . In some embodiments, the first HEMT device 104 may be an enhancement mode device (i.e., a normally off device). In various embodiments, the second HEMT device 108 may be an enhancement mode device (i.e., a normally off device) or a depletion mode device (i.e., a normally on device). In some embodiments, diode connected transistor 110 may be an enhancement mode HEMT device.

Dadurch, dass die erste HEMT-Vorrichtung 104 in Reihe mit der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 geschaltet ist, ist die Hochspannungsvorrichtung 100 in der Lage, in einer Weise zu arbeiten, die äquivalent zu einer einzigen Hochspannungstransistorvorrichtung ist. Zum Beispiel sind die erste HEMT-Vorrichtung 104 und die zweite HEMT-Vorrichtung 108 eingerichtet, zusammen einen gemeinsamen Source-Anschluss Sc, einen gemeinsamen Drain-Anschluss DC und einen gemeinsamen Gate-Anschluss GC der Hochspannungsvorrichtung 100 festzulegen. Die Hochspannungsvorrichtung 100 weist eine Durchschlagsspannung auf, die größer als die Durchschlagsspannungen von entweder der ersten HEMT-Vorrichtung 104 oder der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 ist. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen die erste HEMT-Vorrichtung 104 und die zweite HEMT-Vorrichtung 108 jeweils Durchschlagsspannungen von ungefähr 650 V aufweisen, während die Hochspannungsvorrichtung 100 eine Durchschlagsspannung von ungefähr 1200 V aufweisen kann. Dadurch dass die erste HEMT-Vorrichtung 104 und die zweite HEMT-Vorrichtung 108 so verwendet werden, dass sie wie eine einzige Hochspannungsvorrichtung arbeiten, ist die Hochspannungsvorrichtung 100 in der Lage, eine hohe Durchschlagsspannung zu erreichen, wobei kostengünstige HEMT-Vorrichtungen verwendet werden (wobei z.B. HEMT-Vorrichtungen mit einer GaN-Schicht verwendet werden, die eine Dicke von weniger als 10 µm aufweisen).By having the first HEMT device 104 in series with the second HEMT device 108, the high voltage device 100 is able to operate in a manner equivalent to a single high voltage transistor device. For example, the first HEMT device 104 and the second HEMT device 108 are configured to jointly define a common source Sc, a common drain DC and a common gate Gc of the high voltage device 100 . The high voltage device 100 has a breakdown voltage that is greater than the breakdown voltages of either the first HEMT device 104 or the second HEMT device 108 . For example, in some embodiments, the first HEMT device 104 and the second HEMT device 108 may each have breakdown voltages of approximately 650V, while the high voltage device 100 may have a breakdown voltage of approximately 1200V. By using the first HEMT device 104 and the second HEMT device 108 to operate as a single high voltage device, the high voltage device 100 is able to achieve a high breakdown voltage while using inexpensive HEMT devices (where eg HEMT devices can be used with a GaN layer having a thickness of less than 10 µm).

Außerdem wird mit der Hochspannungsvorrichtung 100 eine Kapazität erreicht, die über der von Schaltvorrichtungen vom Stand der Technik (z.B. Einzel-HEMT-Vorrichtungen, Siliziumcarbid-MOSFETS usw.) liegt, weshalb die offenbarte Hochspannungsvorrichtung 100 ein gutes Schaltvermögen aufweist. Zum Beispiel ergibt die Reihenschaltung der ersten HEMT-Vorrichtung 104 und der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 eine Hochspannungsvorrichtung 100 mit einer Gesamtkapazität, die sowohl kleiner als die von der ersten HEMT-Vorrichtung 104 als auch die von der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 ist (wodurch sich z.B. ergibt, dass die offenbarte Hochspannungsvorrichtung 100 eine Kapazität aufweist, die ein bis zwei Größenordnungen kleiner als die von Schaltvorrichtungen vom Stand der Technik ist). Das führt zu verbesserten Güteziffern, mit denen die Schaltcharakteristiken der Vorrichtung beschrieben werden. Zum Beispiel kann Qoss*Ron (mit Qoss: MOSFET-Ausgangskapazitätsladung und Ron: Betriebswiderstand), eine den Vorgang des Hochgeschwindigkeitsschaltens von Vorrichtungen beschreibende Güteziffer (die die z.B. Resonanz-Source-Drain-Übergangszeit beschreibt), mehr als doppelt so gut wie bei herkömmlichen Siliziumcarbid-MOSFET-Vorrichtungen sein.In addition, the high voltage device 100 achieves a capacitance in excess of prior art switching devices (e.g., single HEMT devices, silicon carbide MOSFETS, etc.) and therefore the disclosed high voltage device 100 has good switching performance. For example, connecting the first HEMT device 104 and the second HEMT device 108 in series results in a high voltage device 100 having a total capacitance that is less than both the first HEMT device 104 and the second HEMT device 108 (thereby (e.g., it turns out that the disclosed high voltage device 100 has a capacitance that is one to two orders of magnitude smaller than prior art switching devices). This leads to improved figures of merit describing the switching characteristics of the device. For example, Qoss*Ron (where Qoss: MOSFET output capacitance charge and Ron: on-resistance), a figure of merit describing the process of high-speed switching of devices (describing e.g. resonant source-drain transition time), can be more than twice as good as conventional ones silicon carbide MOSFET devices.

2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hochspannungsvorrichtung 200, die eine Kaskodenstruktur mit mehreren HEMT-Vorrichtungen aufweist. Es wird einzusehen sein, dass die hier (z.B. in den 2, 3B, 4B usw.) dargestellten Querschnittsansichten schematische Ansichten sind und nicht repräsentativ für Größen und/oder Formen einiger Komponenten in der Vorrichtung sein können. 2 FIG. 2 shows a cross-sectional view of a high voltage device 200 having a cascode structure with multiple HEMT devices. It will be clear that the here (e.g. in the 2 , 3B , 4B etc.) cross-sectional views illustrated are schematic views and may not be representative of sizes and/or shapes of some components in the device.

Die Hochspannungsvorrichtung 200 weist eine erste HEMT-Vorrichtung 104, eine zweite HEMT-Vorrichtung 108 und einen als Diode geschalteten Transistor 110 auf, der innerhalb einer Halbleiterstruktur 212 angeordnet ist. Die Halbleiterstruktur 212 weist ein Substrat 202, eine Kanalstruktur 204 über dem Substrat 202 und eine aktive Struktur 206 über der Kanalstruktur 204 auf. Das Substrat 202 weist ein erstes Halbleitermaterial auf, die Kanalstruktur 204 weist ein zweites Halbleitermaterial auf, und die aktive Struktur 206 weist ein drittes Halbleitermaterial auf. Das zweite Halbleitermaterial und das dritte Halbleitermaterial weisen Bandlücken auf, die einen Heteroübergang zwischen der Kanalstruktur 204 und der aktiven Struktur 206 bilden. Der Heteroübergang beschränkt die Elektronen auf einen Quantentopf, der ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) 205 entlang einer an Trennfläche zwischen der Kanalstruktur 204 und der aktiven Struktur 206 ausbildet.The high voltage device 200 includes a first HEMT device 104, a second HEMT device 108, and a diode connected transistor 110 disposed within a semiconductor structure 212. FIG. The semiconductor structure 212 includes a substrate 202 , a channel structure 204 over the substrate 202 , and an active structure 206 over the channel structure 204 . The substrate 202 includes a first semiconductor material, the channel structure 204 includes a second semiconductor material, and the active structure 206 includes a third semiconductor material. The second semiconductor material and the third semiconductor material have band gaps that form a heterojunction between the channel structure 204 and the active structure 206 . The heterojunction confines the electrons to a quantum well that forms a two-dimensional electron gas (2DEG) 205 along an interface between the channel structure 204 and the active structure 206 .

In einigen Ausführungsformen kann das erste Halbleitermaterial Silizium sein, das zweite Halbleitermaterial kann Galliumnitrid sein, und das dritte Halbleitermaterial kann Aluminium-Galliumnitrid sein. In anderen Ausführungsformen können das zweite Halbleitermaterial und das dritte Halbleitermaterial unterschiedliche III-V-Halbleiter (z.B. GaAs, GaSb oder dergleichen) aufweisen. In einigen Ausführungsformen (nicht dargestellt) kann eine Pufferschicht zwischen dem ersten Halbleitermaterial und dem zweiten Halbleitermaterial angeordnet sein. Die Pufferschicht ist eingerichtet, eine Gitterfehlanpassung zwischen dem ersten Halbleitermaterial und dem zweiten Halbleitermaterial zu verringern. In einigen Ausführungsformen kann die Pufferschicht zum Beispiel Aluminiumnitrid aufweisen.In some embodiments, the first semiconductor material may be silicon, the second semiconductor material may be gallium nitride, and the third semiconductor material may be aluminum gallium nitride be rid In other embodiments, the second semiconductor material and the third semiconductor material may include different III-V semiconductors (eg, GaAs, GaSb, or the like). In some embodiments (not shown), a buffer layer may be arranged between the first semiconductor material and the second semiconductor material. The buffer layer is configured to reduce a lattice mismatch between the first semiconductor material and the second semiconductor material. In some embodiments, the buffer layer may include aluminum nitride, for example.

In der Halbleiterstruktur 212 können mehrere erste Isolationsbereiche 208 zwischen zwei oder mehreren von der ersten HEMT-Vorrichtung 104, der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 und dem als Diode geschalteten Transistor 110 angeordnet sein. Die mehreren ersten Isolationsbereiche 208 sind eingerichtet, für eine elektrische Isolation zwischen der ersten HEMT-Vorrichtung 104, der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 und/oder dem als Diode geschalteten Transistor 110 zu sorgen. In einigen Ausführungsformen sind die mehreren ersten Isolationsbereiche 208 innerhalb der Kanalstruktur 204 und der aktiven Struktur 206 angeordnet. In einigen Ausführungsformen können die mehreren ersten Isolationsbereiche 208 dotierte Bereiche (z.B. mit Fluor-Dotiersubstanzen, Sauerstoff-Dotiersubstanzen oder dergleichen) aufweisen. In anderen Ausführungsformen können die mehreren ersten Isolationsbereiche 208 ein dielektrisches Material (z.B. eine Flachgraben-Isolationsstruktur) aufweisen.In the semiconductor structure 212, a plurality of first isolation regions 208 may be disposed between two or more of the first HEMT device 104, the second HEMT device 108, and the diode-connected transistor 110. FIG. The plurality of first isolation regions 208 are configured to provide electrical isolation between the first HEMT device 104 , the second HEMT device 108 and/or the diode connected transistor 110 . In some embodiments, the plurality of first isolation regions 208 are arranged within the channel structure 204 and the active structure 206 . In some embodiments, the plurality of first isolation regions 208 may include regions doped (e.g., with fluorine dopants, oxygen dopants, or the like). In other embodiments, the plurality of first isolation regions 208 may include a dielectric material (e.g., a shallow trench isolation structure).

Zwischen der ersten HEMT-Vorrichtung 104 und der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 ist auch ein zweiter Isolationsbereich 210 angeordnet. Der zweite Isolationsbereich 210 ist eingerichtet, für eine elektrische Isolation zwischen der ersten HEMT-Vorrichtung 104 und der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 zu sorgen. In einigen Ausführungsformen kann der zweite Isolationsbereich 210 einen dotierten Isolationsbereich aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann der zweite Isolationsbereich 210 ein Bereich sein, der frei von Halbleitermaterial ist. Zum Beispiel kann die Halbleiterstruktur 212 in einigen derartigen Ausführungsformen einen ersten Bereich (z.B. einen ersten Die) und einen zweiten Bereich (z.B. einen zweiten Die) aufweisen, die ganz außen liegende Seitenwände aufweisen, die seitlich durch einen von null verschiedenen Abstand voneinander getrennt sind. In einigen Ausführungsformen können die erste HEMT-Vorrichtung 104 und der als Diode geschaltete Transistor 110 innerhalb des ersten Bereichs angeordnet sein, und die zweite HEMT-Vorrichtung 108 kann innerhalb des zweiten Bereichs angeordnet sein.A second isolation region 210 is also disposed between the first HEMT device 104 and the second HEMT device 108 . The second isolation region 210 is configured to provide electrical isolation between the first HEMT device 104 and the second HEMT device 108 . In some embodiments, the second isolation region 210 may include a doped isolation region. In other embodiments, the second isolation region 210 may be a region that is free of semiconductor material. For example, in some such embodiments, the semiconductor structure 212 may include a first region (e.g., a first die) and a second region (e.g., a second die) that have outermost sidewalls that are laterally separated by a non-zero distance. In some embodiments, the first HEMT device 104 and the diode connected transistor 110 may be located within the first region and the second HEMT device 108 may be located within the second region.

Die erste HEMT-Vorrichtung 104, die zweite HEMT-Vorrichtung 108 und der als Diode geschaltete Transistor 110 weisen jeweils eine Gate-Struktur 214 auf, die über der aktiven Struktur 206 zwischen einem Source-Kontakt 216s und einem Drain-Kontakt 216d angeordnet ist. Die Gate-Struktur 214, der Source-Kontakt 216s und der Drain-Kontakt 216d legen fest: ein erstes Gate G1, eine erste Source S1 und einen ersten Drain D1 der ersten HEMT-Vorrichtung 104; ein zweites Gate G2, eine zweite Source S2 und einen zweiten Drain D2 der zweiten HEMT-Vorrichtung 108; und ein drittes Gate G3, eine dritte Source S3 und einen dritten Drain D3 des als Diode geschalteten Transistors 110. In einigen Ausführungsformen kann der Abstand von einem Gate zu einem Drain für die erste HEMT-Vorrichtung 104, die zweite HEMT-Vorrichtung 108 und/oder den als Diode geschalteten Transistor 110 in einem Bereich zwischen ungefähr 15 Mikrometer (µm) und ungefähr 20 µm liegen. Zum Beispiel kann der Abstand von einem Gate (z.B. dem ersten Gate G1) zu einem Drain (z.B. dem ersten Drain D1) gleich ungefähr 18 µm sein.The first HEMT device 104, the second HEMT device 108 and the diode connected transistor 110 each have a gate structure 214 disposed over the active structure 206 between a source contact 216s and a drain contact 216d. The gate structure 214, source contact 216s, and drain contact 216d define: a first gate G 1 , a first source S 1 , and a first drain D 1 of the first HEMT device 104; a second gate G 2 , a second source S 2 and a second drain D 2 of the second HEMT device 108; and a third gate G 3 , third source S 3 , and third drain D 3 of diode connected transistor 110. In some embodiments, the distance from a gate to a drain for the first HEMT device 104, the second HEMT device 108 and/or the diode connected transistor 110 are in a range between about 15 microns (µm) and about 20 µm. For example, the distance from a gate (eg, the first gate G 1 ) to a drain (eg, the first drain D 1 ) may be approximately 18 μm.

Die Gate-Struktur 214 weist einen unteren Gate-Teilbereich 214a und eine Gate-Elektrode 214b auf, die über dem unteren Gate-Teilbereich 214a angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann der untere Gate-Teilbereich 214a ein dielektrisches Material (z.B. ein Oxid, ein Nitrid oder dergleichen) aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann der untere Gate-Teilbereich 214a ein Halbleitermaterial (z.B. p-dotiertes Galliumnitrid) aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Gate-Elektrode 214b ein Metall (z.B. Aluminium, Titan, Kupfer, Wolfram, Tantal oder dergleichen) oder dotiertes Polysilizium aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die unteren Gate-Teilbereiche 214a der ersten HEMT-Vorrichtung 104, der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 und/oder des als Diode geschalteten Transistors 110 unterschiedliche Materialien aufweisen. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen der untere Gate-Teilbereich 214a der ersten HEMT-Vorrichtung 104 und des als Diode geschalteten Transistors 110 ein dielektrisches Material aufweisen, während der untere Gate-Teilbereich 214a der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 p-dotiertes GaN aufweisen kann. In anderen Ausführungsformen können die unteren Gate-Teilbereiche 214a der ersten HEMT-Vorrichtung 104, der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 und des als Diode geschalteten Transistors 110 ein gleiches Material (z.B. ein dielektrisches Material) aufweisen.Gate structure 214 includes a bottom gate portion 214a and a gate electrode 214b disposed over bottom gate portion 214a. In some embodiments, the bottom gate portion 214a may include a dielectric material (e.g., an oxide, a nitride, or the like). In other embodiments, the lower gate portion 214a may comprise a semiconductor material (e.g., p-doped gallium nitride). In some embodiments, the gate electrode 214b may include a metal (e.g., aluminum, titanium, copper, tungsten, tantalum, or the like) or doped polysilicon. In some embodiments, the bottom gate portions 214a of the first HEMT device 104, the second HEMT device 108, and/or the diode connected transistor 110 may comprise different materials. For example, in some embodiments, the bottom gate portion 214a of the first HEMT device 104 and the diode connected transistor 110 may comprise a dielectric material, while the bottom gate portion 214a of the second HEMT device 108 may comprise p-doped GaN. In other embodiments, the bottom gate portions 214a of the first HEMT device 104, the second HEMT device 108, and the diode connected transistor 110 may comprise a same material (e.g., a dielectric material).

Um für die Hochspannungsvorrichtung 200 eine große Durchschlagsspannung (z.B. eine Durchschlagsspannung größer als ungefähr 1200 V) bereitzustellen, kann die effektive Breite des ersten Gate G1, des zweiten Gate G2 und des dritten Gate G3 eine relative große Abmessung aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die effektive Breite des ersten Gate G1, des zweiten Gate G2 und des dritten Gate G3 zusammengenommen in einem Bereich zwischen ungefähr 200 Millimetern (mm) und ungefähr 300 mm liegen. In einigen derartigen Ausführungsformen können das erste Gate G1 und/oder das zweite Gate G2 jeweils effektive Breiten in einem Bereich zwischen ungefähr 100 mm und ungefähr 150 mm aufweisen, während die effektive Breite des dritten Gate G3 in einem Bereich zwischen ungefähr 5 mm und 15 mm liegen kann. Zum Beispiel kann die effektive Breite des ersten Gate G1 und/oder des zweiten Gate G2 ungefähr gleich 120 mm sein, während die effektive Breite des dritten Gate G3 ungefähr gleich 11,2 mm sein kann. In einigen Ausführungsformen können das erste Gate G1, das zweite Gate G2 und das dritte Gate G3 effektive Breiten aufweisen, die sich entlang mehrerer unterschiedlicher Richtungen (z.B. entlang einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist) erstrecken. Dadurch dass sich die effektiven Breiten des ersten Gate G1, des zweiten Gate G2 und des dritten Gate G3 entlang mehrerer unterschiedlicher Richtungen erstrecken, können die Gates in eine Anordnung gebracht werden, die in einer Fläche untergebracht ist, die kleiner als die effektiven Breiten ist (z.B. in einer Fläche von 10 mm2).In order to provide a large breakdown voltage (eg, a breakdown voltage greater than about 1200 V) for the high-voltage device 200, the effective widths of the first gate G 1 , the second gate G 2 , and the third gate G 3 may have a relatively large dimension. In some embodiments, the effective width of the first gate G 1 , the second gate G 2 and the third gate G 3 collectively range from about 200 millimeters (mm) to about 300 mm. In some such embodiments, the first gate G 1 and/or the second gate G 2 may each have effective widths in a range between about 100 mm and about 150 mm, while the effective width of the third gate G 3 is in a range between about 5 mm and 15 mm. For example, the effective width of the first gate G 1 and/or the second gate G 2 may be approximately 120 mm, while the effective width of the third gate G 3 may be approximately 11.2 mm. In some embodiments, the first gate G 1 , the second gate G 2 , and the third gate G 3 may have effective widths that extend along multiple different directions (eg, along a first direction and a second direction perpendicular to the first direction). . By extending the effective widths of the first gate G 1 , the second gate G 2 and the third gate G 3 along several different directions, the gates can be arranged in an arrangement that is accommodated in an area smaller than the effective ones widths (e.g. in an area of 10 mm 2 ).

Über der aktiven Struktur 206 ist eine dielektrische Struktur 218 angeordnet. Die dielektrische Struktur 218 umgibt die Gate-Struktur 214, den Source-Kontakt 216s und den Drain-Kontakt 216d. Die Gate-Struktur 214, der Source-Kontakt 216s und der Drain-Kontakt 216d sind durch eine oder mehrere (nicht dargestellte) leitfähige Schichten elektrisch verbunden (wie z.B. in 1 dargestellt ist). In einigen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren leitfähigen Schichten Zwischenverbindungsschichten aufweisen, die innerhalb der dielektrischen Struktur 218 angeordnet sind. In einigen zusätzlichen Ausführungsformen können die eine oder mehreren leitfähigen Schichten Umverteilungsschichten, leitfähige Schichten in einem Zwischenträgersubstrat, leitfähige Spuren auf einer gedruckten Schaltung oder dergleichen sein.A dielectric structure 218 is disposed over the active structure 206 . Dielectric structure 218 surrounds gate structure 214, source contact 216s and drain contact 216d. Gate structure 214, source contact 216s, and drain contact 216d are electrically connected by one or more conductive layers (not shown) (such as in FIG 1 is shown). In some embodiments, the one or more conductive layers may include interconnect layers disposed within dielectric structure 218 . In some additional embodiments, the one or more conductive layers may be redistribution layers, conductive layers in an intermediate carrier substrate, conductive traces on a printed circuit board, or the like.

Die 3A-3B stellen einige zusätzliche Ausführungsformen von einer Hochspannungsvorrichtung dar, die eine Kaskodenstruktur mit mehreren Transistorvorrichtungen einer hohen Elektronenbeweglichkeit aufweist.the 3A-3B illustrate some additional embodiments of a high voltage device having a cascode structure with multiple high electron mobility transistor devices.

Wie in einer schematischen grafischen Darstellung 300 von 3A gezeigt ist, weist die Hochspannungsvorrichtung eine erste HEMT-Vorrichtung 302, eine zweite HEMT-Vorrichtung 304 und eine als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 auf. Die erste HEMT-Vorrichtung 302 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 sind in einem ersten Die 308a angeordnet, während die zweite HEMT-Vorrichtung 304 in einem zweiten Die 308b angeordnet ist. Die erste HEMT-Vorrichtung 302 weist eine erste Source S1, einen ersten Drain D1 und ein erstes Gate G1 auf. Die zweite HEMT-Vorrichtung 304 weist eine zweite Source S2, die mit dem ersten Drain D1 verbunden ist, einen zweiten Drain D2 und ein zweites Gate G2 auf. Die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 weist eine dritte Source S3, die mit dem ersten Gate G1 verbunden ist, einen dritten Drain D3, der mit dem zweiten Gate G2 verbunden ist, und ein drittes Gate G3 auf, das mit der dritten Source S3 verbunden ist. Die erste HEMT-Vorrichtung 302, die zweite HEMT-Vorrichtung 304 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 sind Anreicherungsmodus-Vorrichtungen (d.h. normalerweise ausgeschaltete Vorrichtungen), die in einem Aus-Zustand sind, wenn eine Nullvorspannung an ihren Gates angelegt ist.As shown in a schematic diagram 300 of FIG 3A As shown, the high voltage device includes a first HEMT device 302, a second HEMT device 304, and a diode connected HEMT device 306. FIG. The first HEMT device 302 and the diode connected HEMT device 306 are arranged in a first die 308a, while the second HEMT device 304 is arranged in a second die 308b. The first HEMT device 302 has a first source S 1 , a first drain D 1 and a first gate G 1 . The second HEMT device 304 has a second source S 2 connected to the first drain D 1 , a second drain D 2 and a second gate G 2 . The diode-connected HEMT device 306 has a third source S 3 connected to the first gate G 1 , a third drain D 3 connected to the second gate G 2 , and a third gate G 3 connected to the is connected to the third source S 3 . The first HEMT device 302, the second HEMT device 304, and the diode connected HEMT device 306 are enhancement mode devices (ie, normally off devices) that are in an off state when zero bias is applied to their gates.

Die erste HEMT-Vorrichtung 302 und die zweite HEMT-Vorrichtung 304 stellen der Hochspannungsvorrichtung eine gemeinsame Source SC, einen gemeinsamen Drain DC und ein gemeinsames Gate GC bereit. Während des Betriebs kann die gemeinsame Source SC auf VSS (z.B. Erde) gehalten werden, und der gemeinsame Drain DC kann auf VDD (z.B. 1000 V) gehalten werden. Eine Vorspannung, die an einen gemeinsamen Gate-Anschluss Gc angelegt wird, schaltet sowohl die erste HEMT-Vorrichtung 302 als auch die zweite HEMT-Vorrichtung 304 ein. Dadurch dass das erste Gate G1 mit dem zweiten Gate G2 unter Verwendung der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306 verbunden wird, wird das erste Gate G1 nicht unbeabsichtigt durch eine Gate-Drain-Spannung (VGD) der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 beeinflusst und das erste Gate G1 auch vor einer möglicherweise hohen Gate-Source-Spannung (VGS) der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 geschützt.The first HEMT device 302 and the second HEMT device 304 provide the high voltage device with a common source S C , a common drain D C and a common gate G C . During operation, the common source SC may be maintained at V SS (eg, ground) and the common drain DC may be maintained at V DD (eg, 1000V). A bias applied to a common gate terminal Gc turns on both the first HEMT device 302 and the second HEMT device 304 . By connecting the first gate G 1 to the second gate G 2 using the diode-connected HEMT device 306, the first gate G 1 is not inadvertently driven by a gate-drain voltage (V GD ) of the second HEMT device 304 and also protects the first gate G 1 from a possible high gate-source voltage (V GS ) of the second HEMT device 304 .

Wie in der Querschnittsansicht 310 von 3B dargestellt ist, sind die erste HEMT-Vorrichtung 302 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 innerhalb des ersten Die 308a angeordnet, und die zweite HEMT-Vorrichtung 304 ist innerhalb des zweiten Die 308b angeordnet, der sich vom ersten Die 308a unterscheidet. Der erste Die 308a und der zweite Die 308b weisen ganz außen liegende Seitenwände auf, die durch einen von null verschiedenen Abstand S voneinander getrennt sind. Der von null verschiedene Abstand Strennt den ersten Die 308a vom zweiten Die 308b, um einen Leckverlust zwischen der ersten HEMT-Vorrichtung 302 und der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 zu vermeiden.As shown in cross-sectional view 310 of FIG 3B As shown, the first HEMT device 302 and the diode connected HEMT device 306 are located within the first die 308a, and the second HEMT device 304 is located within the second die 308b, which is different from the first die 308a. The first die 308a and the second die 308b have outermost sidewalls separated by a non-zero distance S . The non-zero distance separates the first die 308a from the second die 308b to avoid leakage between the first HEMT device 302 and the second HEMT device 304 .

In einigen Ausführungsformen umfasst der erste Die 308a ein erstes Substrat 312a, das ein erstes Halbleitermaterial aufweist, eine erste Kanalschicht 314a, die über dem ersten Substrat 312a positioniert ist und ein zweites Halbleitermaterial aufweist, und eine erste aktive Schicht 316a, die über der ersten Kanalschicht 314a positioniert ist und ein drittes Halbleitermaterial aufweist, das sich von dem zweiten Halbleitermaterial unterscheidet. In einigen Ausführungsformen umfasst der zweite Die 308b ein zweites Substrat 312b, das das erste Halbleitermaterial aufweist, eine zweite Kanalschicht 314b, die über dem zweiten Substrat 312b positioniert ist und das zweite Halbleitermaterial aufweist, und eine zweite aktive Schicht 316b, die über der zweiten Kanalschicht 314b positioniert ist und das dritte Halbleitermaterial aufweist. In einigen Ausführungsformen kann das erste Halbleitermaterial Silizium aufweisen oder sein, das zweite Halbleitermaterial kann Galliumnitrid aufweisen oder sein, und das dritte Halbleitermaterial kann Aluminium-Gallium-Nitrid aufweisen oder sein.In some embodiments, the first die 308a includes a first substrate 312a comprising a first semiconductor material, a first channel layer 314a overlying the first substrate 312a and comprising a second semiconductor material, and a first active layer 316a positioned over the first channel layer 314a and comprising a third semiconductor material different from the second semiconductor material. In some embodiments, the second die 308b includes a second substrate 312b comprising the first semiconductor material, a second channel layer 314b positioned over the second substrate 312b and comprising the second semiconductor material, and a second active layer 316b overlying the second channel layer 314b and comprises the third semiconductor material. In some embodiments, the first semiconductor material may include or be silicon, the second semiconductor material may include or be gallium nitride, and the third semiconductor material may include or be aluminum gallium nitride.

In einigen Ausführungsformen können die erste Kanalschicht 314a und die zweite Kanalschicht 314b GaN mit Dicken aufweisen, die kleiner als oder gleich ungefähr 5 Mikrometer sind, weil GaN bei solchen Dicken mit einem verhältnismäßig geringem Aufwand zuverlässig auf Silizium ausgebildet werden kann. In einigen anderen Ausführungsformen können die erste Kanalschicht 314a und die zweite Kanalschicht 314b GaN mit Dicken aufweisen, die kleiner als oder gleich ungefähr 10 Mikrometer sind, weil sich GaN bei solchen Dicken mit einem verhältnismäßig geringen Aufwand zuverlässig auf Silizium ausbilden lässt. In noch anderen Ausführungsformen können die erste Kanalschicht 314a und die zweite Kanalschicht 314b GaN mit Dicken aufweisen, die größer als 5 Mikrometer sind. Zum Beispiel können die erste Kanalschicht 314a und die zweite Kanalschicht 314b GaN mit Dicken aufweisen, die zwischen ungefähr 5 Mikrometer und ungefähr 10 Mikrometer liegen.In some embodiments, the first channel layer 314a and the second channel layer 314b may comprise GaN with thicknesses less than or equal to about 5 microns because GaN at such thicknesses can be reliably formed on silicon with relatively little effort. In some other embodiments, the first channel layer 314a and the second channel layer 314b may comprise GaN having thicknesses less than or equal to about 10 microns because GaN at such thicknesses can be reliably formed on silicon with relatively little effort. In still other embodiments, the first channel layer 314a and the second channel layer 314b may comprise GaN with thicknesses greater than 5 microns. For example, the first channel layer 314a and the second channel layer 314b may comprise GaN with thicknesses ranging from about 5 microns to about 10 microns.

Innerhalb des ersten Die 308a sind zwischen der ersten HEMT-Vorrichtung 302 und der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306 mehrere erste Isolationsbereiche 208 angeordnet. Die mehreren ersten Isolationsbereiche 208 können dotierte Bereiche aufweisen, die ein 2DEG, das zwischen der ersten Kanalschicht 314a und der ersten aktiven Schicht 316a liegt, unterteilen (d.h. es unterbrechen). In einigen Ausführungsformen können die mehreren ersten Isolationsbereiche 208 Sauerstoff-Dotiersubstanzen, Fluor-Dotiersubstanzen oder dergleichen aufweisen. Die mehreren ersten Isolationsbereiche 208 können sich durchgehend um die erste HEMT-Vorrichtung 302, die zweite HEMT-Vorrichtung 304 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 herum erstrecken. In einigen Ausführungsformen weisen die mehreren ersten Isolationsbereiche 208 eine erste Breite w1 entlang der äußeren Ränder des ersten Die 308a und eine zweite Breite w2 unmittelbar zwischen der ersten HEMT-Vorrichtung 302 und der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306 auf. In einigen Ausführungsformen ist die zweite Breite w2 wegen eines Abtrennarbeitsgangs, der zum Vereinzeln des ersten Die 308a eingesetzt wird, größer als die erste Breite w1.A plurality of first isolation regions 208 are disposed within the first die 308a between the first HEMT device 302 and the diode connected HEMT device 306 . The plurality of first isolation regions 208 may include doped regions dividing (ie, interrupting) a 2DEG lying between the first channel layer 314a and the first active layer 316a. In some embodiments, the plurality of first isolation regions 208 may include oxygen dopants, fluorine dopants, or the like. The plurality of first isolation regions 208 may extend continuously around the first HEMT device 302 , the second HEMT device 304 , and the diode connected HEMT device 306 . In some embodiments, the plurality of first isolation regions 208 have a first width w 1 along the outer edges of the first die 308a and a second width w 2 immediately between the first HEMT device 302 and the diode connected HEMT device 306 . In some embodiments, the second width w2 is greater than the first width w1 because of a dicing operation used to singulate the first die 308a.

Die erste HEMT-Vorrichtung 302, die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 und die zweite HEMT-Vorrichtung 304 weisen jeweils einen Source-Kontakt 216s, einen Drain-Kontakt 216d und eine Gate-Struktur 318 auf, die innerhalb einer ersten dielektrische Struktur 324a und einer zweiten dielektrischen Struktur 324b über der ersten aktiven Schicht 316a und der zweiten aktiven Schicht 316b angeordnet sind. Eine oder mehrere leitfähige Schichten 326 sind mit dem Source-Kontakt 216s, dem Drain-Kontakt 216d und der Gate-Struktur 318 der ersten HEMT-Vorrichtung 302, der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306 und der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 verbunden. Die eine oder mehreren leitfähigen Schichten 326 sind eingerichtet, die erste HEMT-Vorrichtung 302, die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 und die zweite HEMT-Vorrichtung 304 elektrisch zu verbinden, wie in 3A dargestellt ist. In einigen Ausführungsformen können die eine oder mehreren leitfähigen Schichten 326 Zwischenverbindungsschichten (z.B. Zwischenverbindungsdrähte und/oder Durchkontaktierungen), Bonddrähte oder dergleichen aufweisen.The first HEMT device 302, the diode connected HEMT device 306 and the second HEMT device 304 each have a source contact 216s, a drain contact 216d and a gate structure 318 formed within a first dielectric structure 324a and a second dielectric structure 324b disposed over the first active layer 316a and the second active layer 316b. One or more conductive layers 326 are connected to the source contact 216s, the drain contact 216d and the gate structure 318 of the first HEMT device 302, the diode connected HEMT device 306 and the second HEMT device 304. The one or more conductive layers 326 are configured to electrically connect the first HEMT device 302, the diode connected HEMT device 306 and the second HEMT device 304, as shown in FIG 3A is shown. In some embodiments, the one or more conductive layers 326 may include interconnect layers (eg, interconnect wires and/or vias), bond wires, or the like.

Der Source-Kontakt 216s und der Drain-Kontakt 216d weisen ein leitfähiges Material, wie z.B. ein Metall, wie z.B. Aluminium, Wolfram, Kupfer, Gold, Titan, Tantal oder dergleichen, auf. Da die erste HEMT-Vorrichtung 302, die zweite HEMT-Vorrichtung 304 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 in einigen Ausführungsformen Anreicherungsmodus-Vorrichtungen sind, kann die Gate-Struktur 318 eine dotierte Schicht aus Halbleitermaterial 320 und eine Gate-Elektrode 322 aufweisen, die über der dotierten Schicht aus Halbleitermaterial 320 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann die dotierte Schicht aus Halbleitermaterial 320 eine GaN-Schicht mit Dotiersubstanzen vom p-Typ aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Gate-Elektrode 322 ein Metall, wie z.B. Aluminium, Wolfram, Kupfer, Gold, Titan, Tantal oder dergleichen, aufweisen.Source contact 216s and drain contact 216d comprise a conductive material such as a metal such as aluminum, tungsten, copper, gold, titanium, tantalum, or the like. Since the first HEMT device 302, the second HEMT device 304, and the diode connected HEMT device 306 are enhancement mode devices in some embodiments, the gate structure 318 may include a doped layer of semiconductor material 320 and a gate electrode 322 , which is arranged over the doped layer of semiconductor material 320. FIG. In some embodiments, the doped layer of semiconductor material 320 may include a GaN layer with p-type dopants. In some embodiments, gate electrode 322 may include a metal such as aluminum, tungsten, copper, gold, titanium, tantalum, or the like.

Die 4A-4B stellen einige zusätzliche Ausführungsformen einer Hochspannungsvorrichtung dar, die eine Kaskode mit mehreren HEMT-Vorrichtungen aufweist.the 4A-4B illustrate some additional embodiments of a high voltage device comprising a cascode with multiple HEMT devices.

Wie in einer schematischen grafischen Darstellung 400 von 4A dargestellt ist, weist die Hochspannungsvorrichtung eine erste HEMT-Vorrichtung 302, eine zweite HEMT-Vorrichtung 304 und eine als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 auf. Die erste HEMT-Vorrichtung 302, die zweite HEMT-Vorrichtung 304 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 sind innerhalb eines Die 402 angeordnet. Die erste HEMT-Vorrichtung 302, die zweite HEMT-Vorrichtung 304 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 sind Anreicherungsmodus-Vorrichtungen (d.h. normalerweise ausgeschaltete Vorrichtungen), die in einem Aus-Zustand sind, wenn eine Nullvorspannung an ihren Gates angelegt ist.As shown in a schematic diagram 400 of FIG 4A As shown, the high voltage device includes a first HEMT device 302, a second HEMT device 304, and a diode connected HEMT device 306. FIG. The first HEMT device 302, the second HEMT device 304 and diode connected HEMT device 306 are disposed within die 402 . The first HEMT device 302, the second HEMT device 304, and the diode connected HEMT device 306 are enhancement mode devices (ie, normally off devices) that are in an off state when zero bias is applied to their gates.

Wie in der Querschnittsansicht 404 von 4B dargestellt ist, sind die erste HEMT-Vorrichtung 302, die zweite HEMT-Vorrichtung 304 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 innerhalb des Die 402 angeordnet, der ein Substrat 406 mit einem ersten Dotierungstyp, eine epitaxiale Pufferschicht 408 über dem Substrat 406, eine Kanalschicht 410 über der epitaxialen Pufferschicht 408 und eine aktive Schicht 412 über der Kanalschicht 410 aufweist. In einigen Ausführungsformen kann das Substrat 406 und die epitaxiale Pufferschicht 408 Silizium mit dem ersten Dotierungstyp (z.B. p-Typ) aufweisen oder sein, die Kanalschicht 410 kann Galliumnitrid aufweisen oder sein und die aktive Schicht 412 kann Aluminium-Gallium-Nitrid aufweisen oder sein. In einigen Ausführungsformen kann die Kanalschicht 410 Galliumnitrid mit einer Dicke, die kleiner als oder gleich ungefähr 10 Mikrometer ist, sein. In einigen Ausführungsformen kann die Kanalschicht 410 Galliumnitrid mit einer Dicke, die kleiner als oder gleich ungefähr 5 Mikrometer ist, sein.As shown in cross-sectional view 404 of FIG 4B As shown, the first HEMT device 302, the second HEMT device 304, and the diode connected HEMT device 306 are disposed within the die 402, which includes a substrate 406 having a first doping type, an epitaxial buffer layer 408 over the substrate 406, a channel layer 410 over the epitaxial buffer layer 408 and an active layer 412 over the channel layer 410 . In some embodiments, the substrate 406 and the epitaxial buffer layer 408 may include or be silicon with the first doping type (eg, p-type), the channel layer 410 may include or be gallium nitride, and the active layer 412 may include or be aluminum gallium nitride. In some embodiments, channel layer 410 may be gallium nitride having a thickness less than or equal to about 10 microns. In some embodiments, channel layer 410 may be gallium nitride having a thickness less than or equal to about 5 microns.

Innerhalb des Die 402 ist eine Isolationsstruktur 414 angeordnet. Die Isolationsstruktur 414 weist einen zweiten Dotierungstyp (z.B. n-Typ) auf, der sich vom ersten Dotierungstyp unterscheidet. Die Isolationsstruktur 414 weist einen sich horizontal erstreckenden Isolationsbereich 414a auf, der seitlich zwischen den Seitenwänden von einem oder mehreren sich vertikal erstreckenden Isolationsbereichen 414b angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen ist die epitaxiale Pufferschicht 408 zwischen der Isolationsstruktur 414 und der Kanalschicht 410 angeordnet. Während des Ausbildens des sich horizontal erstreckenden Isolationsbereichs 414a kann es zu einem Gitterdefekt am Substrat 406 kommen. Die epitaxiale Pufferschicht 408 sorgt für ein konsistentes Gitter, um die Kanalschicht 410 aufwachsen zu lassen, sodass die Ausbreitung eines Gitterdefekts im Substrat 406 vermieden wird.An isolation structure 414 is arranged within the die 402 . The isolation structure 414 has a second doping type (e.g. n-type) that differs from the first doping type. Isolation structure 414 includes a horizontally extending isolation region 414a laterally disposed between the sidewalls of one or more vertically extending isolation regions 414b. In some embodiments, the epitaxial buffer layer 408 is interposed between the isolation structure 414 and the channel layer 410 . A lattice defect may occur on the substrate 406 during the formation of the horizontally extending isolation region 414a. The epitaxial buffer layer 408 provides a consistent lattice to grow the channel layer 410 such that propagation of a lattice defect in the substrate 406 is avoided.

Durch die Kanalschicht 410 und die aktive Schicht 412 hindurch erstrecken sich leitfähige Kontakte 416, um den einen oder die mehreren sich vertikal erstreckenden Isolationsbereiche 414b zu berühren. Die leitfähigen Kontakte 416 sind ferner mit den leitfähigen Kontakte 418 verbunden, die innerhalb einer dielektrischen Struktur 324 über der aktiven Schicht 412 angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen berühren die leitfähigen Kontakte 416 physisch die Isolationsstruktur 414 entlang einer horizontalen Ebene, die sich längs einer Deckfläche der epitaxialen Pufferschicht 408 erstreckt.Conductive contacts 416 extend through channel layer 410 and active layer 412 to contact one or more vertically extending isolation regions 414b. Conductive contacts 416 are further connected to conductive contacts 418 disposed within dielectric structure 324 over active layer 412 . In some embodiments, conductive contacts 416 physically touch isolation structure 414 along a horizontal plane that extends along a top surface of epitaxial buffer layer 408 .

Die leitfähigen Kontakte 416 sind eingerichtet, eine Vorspannung an der Isolationsstruktur 414 anzulegen, um einen Übergang auszubilden, der das Substrat 406 von der Kanalschicht 410 der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 elektrisch isoliert. Dadurch dass das Substrat 406 von der Kanalschicht 410 der der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 elektrisch isoliert ist, wird ein Leckverlust zwischen den Vorrichtungen durch das Substrat 406 hindurch abgeschwächt. In einigen Ausführungsformen kann eine Isolationsschicht 417, die ein oder mehrere dielektrische Materialien aufweist, entlang der Seitenwände der leitfähigen Kontakte 416 angeordnet sein. In einigen derartigen Ausführungsformen kann die Isolationsschicht 417 ein erstes dielektrisches Material, das die epitaxiale Pufferschicht 408 berührt, ein zweites dielektrisches Material, das die Kanalschicht 410 berührt, und ein drittes dielektrisches Material, das die aktive Schicht 412 berührt, aufweisen. In anderen Ausführungsformen können die leitfähigen Kontakte 416 die Kanalschicht 410 direkt berühren.The conductive contacts 416 are configured to bias the isolation structure 414 to form a junction that electrically isolates the substrate 406 from the channel layer 410 of the second HEMT device 304 . By electrically isolating the substrate 406 from the channel layer 410 of the second HEMT device 304, leakage between the devices through the substrate 406 is mitigated. In some embodiments, an insulating layer 417 comprising one or more dielectric materials may be disposed along the sidewalls of the conductive contacts 416. In some such embodiments, isolation layer 417 may include a first dielectric material contacting epitaxial buffer layer 408 , a second dielectric material contacting channel layer 410 , and a third dielectric material contacting active layer 412 . In other embodiments, conductive contacts 416 may touch channel layer 410 directly.

In einigen Ausführungsformen können sich mehrere erste Isolationsbereiche 208 durchgehend um die erste HEMT-Vorrichtung 302 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 herum erstrecken. In einigen Ausführungsformen können sich die leitfähigen Kontakte 416 und die darunter liegende Isolationsstruktur 414 durchgehend um die zweite HEMT-Vorrichtung 304 herum erstrecken. In anderen Ausführungsformen kann sich die Isolationsstruktur 414 durchgehend um die zweite HEMT-Vorrichtung 304 herum erstrecken, während die leitfähigen Kontakte 416 getrennte Abschnitte aufweisen können, die über einem Teil der Isolationsstruktur 414 angeordnet sind.In some embodiments, a plurality of first isolation regions 208 may extend continuously around first HEMT device 302 and diode-connected HEMT device 306 . In some embodiments, the conductive contacts 416 and underlying isolation structure 414 may extend continuously around the second HEMT device 304 . In other embodiments, the isolation structure 414 may extend continuously around the second HEMT device 304 while the conductive contacts 416 may have separate portions disposed over a portion of the isolation structure 414 .

Die 5A-5B stellen einige zusätzliche Ausführungsformen einer Hochspannungsvorrichtung dar, die eine Kaskode mit mehreren HEMT-Vorrichtungen aufweist.the 5A-5B illustrate some additional embodiments of a high voltage device comprising a cascode with multiple HEMT devices.

Wie in einer schematischen grafischen Darstellung 500 von 5A dargestellt ist, weist die Hochspannungsvorrichtung eine erste HEMT-Vorrichtung 302, eine zweite HEMT-Vorrichtung 502 und eine als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 auf. Die erste HEMT-Vorrichtung 302 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 sind innerhalb eines ersten Die 308a angeordnet, während die zweite HEMT-Vorrichtung 502 innerhalb eines zweiten Die 308b angeordnet ist. Die erste HEMT-Vorrichtung 302 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 sind Anreicherungsmodus-Vorrichtungen (d.h. normalerweise ausgeschaltete Vorrichtungen), die in einem Aus-Zustand sind, wenn eine Nullvorspannung an ihren Gates angelegt ist. Die zweite HEMT-Vorrichtung 502 ist eine Verarmungsmodus-Vorrichtung (d.h. normalerweise eingeschaltete Vorrichtungen), die in einem Ein-Zustand ist, wenn eine Nullvorspannung an ihr Gate angelegt wird.As shown in a schematic diagram 500 of FIG 5A As shown, the high voltage device includes a first HEMT device 302, a second HEMT device 502, and a diode connected HEMT device 306. FIG. The first HEMT device 302 and the diode connected HEMT device 306 are arranged within a first die 308a, while the second HEMT device 502 is arranged within a second die 308b. The first HEMT device 302 and the diode connected HEMT device 306 are enhancement mode devices (i.e. normally off devices) that are in an off state when zero bias is applied to their gates. The second HEMT device 502 is a depletion-mode device (ie, normally-on devices) that is in an on-state when zero bias is applied to its gate.

Die erste HEMT-Vorrichtung 302 weist eine erste Source S1, ein erstes Drain D1 und ein erstes Gate G1 auf. Die zweite HEMT-Vorrichtung 502 weist eine zweite Source S2, die mit dem ersten Drain D1 verbunden ist, einen zweiten Drain D2 und ein zweites Gate G2 auf. Die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 weist einen dritten Sourcebereich S3, der mit der ersten Source S1 verbunden ist, und einen dritten Drain D3 auf, der mit dem zweiten Gate G2 verbunden ist. Dadurch dass die erste Source S1 mit dem zweiten Gate G2 unter Verwendung der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306 verbunden wird, wird die erste HEMT-Vorrichtung 302 nicht unbeabsichtigt durch eine Gate-Drain(VGD)-Spannung der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 beeinflusst.The first HEMT device 302 has a first source S 1 , a first drain D 1 and a first gate G 1 . The second HEMT device 502 has a second source S 2 connected to the first drain D 1 , a second drain D 2 and a second gate G 2 . The diode-connected HEMT device 306 has a third source region S 3 connected to the first source S 1 and a third drain D 3 connected to the second gate G 2 . By connecting the first source S 1 to the second gate G 2 using the diode connected HEMT device 306, the first HEMT device 302 is not inadvertently driven by a gate-drain (VGD) voltage of the second HEMT device 304 affected.

Wie in der Querschnittsansicht 504 von 5B dargestellt ist, sind die erste HEMT-Vorrichtung 302 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 innerhalb des ersten Die 308a angeordnet, und die zweite HEMT-Vorrichtung 502 ist innerhalb des zweiten Die 308b angeordnet. Der erste Die 308a und der zweite Die 308b weisen ganz außen liegende Seitenwände auf, die durch einen von null verschiedenen Abstand S voneinander getrennt sind.As shown in cross-sectional view 504 of FIG 5B As shown, the first HEMT device 302 and the diode connected HEMT device 306 are disposed within the first die 308a and the second HEMT device 502 is disposed within the second die 308b. The first die 308a and the second die 308b have outermost sidewalls separated by a non-zero distance S .

Die erste HEMT-Vorrichtung 302, die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 und die zweite HEMT-Vorrichtung 502 weisen jeweils einen Source-Kontakt 216s und einen Drain-Kontakt 216d auf. Da die erste HEMT-Vorrichtung 302 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 Anreicherungsmodus-Vorrichtungen sind, weisen die erste HEMT-Vorrichtung 302 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 eine Gate-Struktur 318 mit einer dotierten Schicht aus Halbleitermaterial 320 und eine Gate-Elektrode 322 über der dotierten Schicht aus Halbleitermaterial 320 auf. Da die zweite HEMT-Vorrichtung 502 eine Verarmungsmodus-Vorrichtung ist, weist die zweite HEMT-Vorrichtung 502 eine Gate-Struktur 506 mit einer dielektrischen Schicht 508 und eine Gate-Elektrode 322 über der dielektrischen Schicht 508 auf.The first HEMT device 302, the diode connected HEMT device 306 and the second HEMT device 502 each have a source contact 216s and a drain contact 216d. Since the first HEMT device 302 and the diode connected HEMT device 306 are enhancement mode devices, the first HEMT device 302 and the diode connected HEMT device 306 have a gate structure 318 with a doped layer of semiconductor material 320 and a gate electrode 322 over the doped layer of semiconductor material 320 . Since the second HEMT device 502 is a depletion mode device, the second HEMT device 502 has a gate structure 506 with a dielectric layer 508 and a gate electrode 322 over the dielectric layer 508 .

Die 6A-6B zeigen einige Ausführungsformen einer gepackten Hochspannungsvorrichtung, die eine Kaskodenstruktur mit mehreren HEMT-Vorrichtungen aufweist. 6A zeigt eine Querschnittsansicht 600 der gepackten Hochspannungsvorrichtung. 6B stellt eine Draufsicht der 620 der gepackten Hochspannungsvorrichtung dar. Die Querschnittsansicht 600 ist entlang der Linie A-A' der Draufsicht 620 genommen.the 6A-6B show some embodiments of a high voltage packaged device having a cascode structure with multiple HEMT devices. 6A FIG. 6 shows a cross-sectional view 600 of the packaged high voltage device. 6B 620 illustrates a top view of the packaged high voltage device.

Die gepackte Hochspannungsvorrichtung weist eine Die-Kontaktstelle 602 auf, über der ein erster Die 308a und ein zweiter Die 308b gebondet sind. In einigen Ausführungsformen sind der erste Die 308a und der zweite Die 308b mittels einer Haftschicht 604 an die Die-Kontaktstelle 602 gebondet. In verschiedenartigen Ausführungsformen kann die Haftschicht 604 einen Haftstoff, ein Epoxidharz oder dergleichen aufweisen. Der erste Die 308a und der zweite Die 308b sind üblicherweise durch einen von null verschiedenen Abstand S voneinander getrennt. In einigen Ausführungsformen kann der von null verschiedene Abstand S in einem Bereich zwischen ungefähr 1 Mikrometer und ungefähr 1 mm liegen, um die elektrische Isolation zwischen dem ersten Die 308a und dem zweiten Die 308b zu gewährleisten.The high voltage packaged device includes a die pad 602 over which a first die 308a and a second die 308b are bonded. In some embodiments, the first die 308a and the second die 308b are bonded to the die pad 602 via an adhesive layer 604 . In various embodiments, the adhesive layer 604 may include an adhesive, an epoxy, or the like. The first die 308a and the second die 308b are typically separated by a non-zero distance S . In some embodiments, the non-zero distance S may range from about 1 micron to about 1 mm to ensure electrical isolation between the first die 308a and the second die 308b.

Die Die-Kontaktstelle 602 wird von einer Formgießmasse 612 umgeben, die sich durchgehend über dem ersten Die 308a und dem zweiten Die 308b erstreckt. Vom Inneren der Formgießmasse 612 zur Außenseite der Formgießmasse 612 erstrecken sich mehrere Leiterrahmen 614. In einigen Ausführungsformen kann die Formgießmasse 612 Epoxidharz, Silizium, Silika-Füllstoff und/oder andere Typen von Polymeren aufweisen. Ein oder mehrere Bonddrähte 616 sind eingerichtet, um den ersten Die 308a und den zweiten Die 308b zu verbinden. Der eine oder die mehreren Bonddrähte 616 verbinden ferner den ersten Die 308a und den zweiten Die 308b mit den mehreren Leiterrahmen 614. In einigen Ausführungsformen sind der eine oder die mehreren Bonddrähte 616 mittels Lötperlen 618 mit den Bond-Kontaktstellen 608 und den Leiterrahmen 614 verbunden.Surrounding the die pad 602 is a molding compound 612 that extends continuously over the first die 308a and the second die 308b. Extending from the interior of the molding compound 612 to the outside of the molding compound 612 are a plurality of leadframes 614. In some embodiments, the molding compound 612 may include epoxy, silicon, silica filler, and/or other types of polymers. One or more bond wires 616 are configured to connect the first die 308a and the second die 308b. The one or more bond wires 616 further connect the first die 308a and the second die 308b to the plurality of leadframes 614.

Wie in der Querschnittsansicht 600 dargestellt ist, weist der erste Die 308a eine erste dielektrische Struktur 324a auf, die mehrere erste leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 606a umgibt. Die mehreren ersten leitfähige Zwischenverbindungsschichten 606a verbinden die erste HEMT-Vorrichtung 302 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 elektrisch mit den Bond-Kontaktstellen 608 über der ersten dielektrischen Struktur 324a. In einigen Ausführungsformen kann eine Passivierungsschicht 610 über den Bond-Kontaktstellen 608 liegen. Der zweite Die 308b weist eine zweite dielektrische Struktur 324b auf, die mehrere zweite leitfähige Zwischenverbindungsschichten 606b umgibt. Die mehreren zweiten leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 606b verbinden die zweite HEMT-Vorrichtung elektrisch mit den Bond-Kontaktstellen 608 über der zweiten dielektrischen Struktur 324b. In einigen Ausführungsformen umfasst die erste dielektrische Struktur 324a und/oder die zweite dielektrische Struktur 324b gestapelte ILD-Schichten, die jeweils Siliziumdioxid, dotiertes Siliziumdioxid (z.B. mit Kohlenstoff dotiertes Siliziumdioxid), Siliziumoxynitrid, Borsilikatglas (BSG), Phosphorsilikatglas (PSG), Bor-Phosphor-Silikatglas (BPSG), fluoriertes Silikatglas (FSG) oder dergleichen aufweisen.As illustrated in cross-sectional view 600, first die 308a includes a first dielectric structure 324a surrounding a plurality of first conductive interconnect layers 606a. The plurality of first conductive interconnect layers 606a electrically connect the first HEMT device 302 and the diode connected HEMT device 306 to the bond pads 608 over the first dielectric structure 324a. In some embodiments, a passivation layer 610 may overly the bond pads 608 . The second die 308b includes a second dielectric structure 324b surrounding a plurality of second conductive interconnect layers 606b. The second plurality of conductive interconnect layers 606b electrically connects the second HEMT device to the bond pads 608 over the second dielectric structure 324b. In some embodiments, the first dielectric structure includes 324a and/or the second dielectric structure 324b stacked ILD layers each comprising silicon dioxide, doped silicon dioxide (e.g., silicon dioxide doped with carbon), silicon oxynitride, borosilicate glass (BSG), phosphorus silicate glass (PSG), boron phosphorus silicate glass (BPSG), fluorinated silicate glass (FSG), or the like exhibit.

In einigen (nicht dargestellten) Ausführungsformen sind die ersten leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 606a eingerichtet, ein erstes Gate G1 der ersten HEMT-Vorrichtung 302 mit einer dritten Source S3 und einem dritten Gate G3 der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306 elektrisch zu verbinden. Der eine oder die mehreren Bonddrähte 616 sind eingerichtet, einen ersten Drain D1 der ersten HEMT-Vorrichtung 302 mit einer zweiten Source S2 der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 zu verbinden und außerdem das zweite Gate G2 der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 mit einem dritten Drain D3 der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306 zu verbinden.In some embodiments (not shown), the first conductive interconnect layers 606a are configured to electrically connect a first gate G 1 of the first HEMT device 302 to a third source S 3 and a third gate G 3 of the diode-connected HEMT device 306 . The one or more bond wires 616 are configured to connect a first drain D 1 of the first HEMT device 302 to a second source S 2 of the second HEMT device 304 and also the second gate G 2 of the second HEMT device 304 to a third drain D 3 of diode connected HEMT device 306 .

In anderen (nicht dargestellten) Ausführungsformen sind die mehreren ersten leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 606a eingerichtet, eine erste Source S1 der ersten HEMT-Vorrichtung 302 mit einer dritten Source S3 und einem dritten Gate G3 der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306 elektrisch zu verbinden. Der eine oder die mehreren Bonddrähte 616 sind eingerichtet, einen ersten Drain D1 der ersten HEMT-Vorrichtung 302 elektrisch mit einer zweiten Source S2 der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 zu verbinden und außerdem das zweite Gate G2 der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 mit einem dritten Drain D3 der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306 zu verbinden.In other embodiments (not shown), the plurality of first conductive interconnect layers 606a are configured to electrically connect a first source S 1 of the first HEMT device 302 to a third source S 3 and a third gate G 3 of the diode-connected HEMT device 306 . The one or more bond wires 616 are configured to electrically connect a first drain D 1 of the first HEMT device 302 to a second source S 2 of the second HEMT device 304 and also the second gate G 2 of the second HEMT device 304 to to a third drain D 3 of the diode connected HEMT device 306 .

7 zeigt eine Querschnittsansicht von einigen zusätzlichen Ausführungsformen einer gepackten Hochspannungsvorrichtung 700, die eine Kaskodenstruktur mit mehreren HEMT-Vorrichtungen aufweist. 7 FIG. 7 shows a cross-sectional view of some additional embodiments of a high voltage packaged device 700 having a cascode structure with multiple HEMT devices.

Die gepackte Hochspannungsvorrichtung 700 weist einen Die 402 auf, der über einem Trägersubstrat 702 (z.B. einem Zwischenträgersubstrat) angeordnet ist. Der Die 402 weist eine erste HEMT-Vorrichtung 302, eine zweite HEMT-Vorrichtung 304 und eine als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 auf. Über dem Trägersubstrat 702 ist auch eine Formgießmasse 704 angeordnet und umschließt den Die 402.The high voltage packaged device 700 includes a die 402 disposed over a support substrate 702 (e.g., an interposer substrate). The die 402 includes a first HEMT device 302, a second HEMT device 304, and a diode connected HEMT device 306. FIG. A molding compound 704 is also disposed over the support substrate 702 and encapsulates the die 402.

Der Die 402 weist eine dielektrische Struktur 324 auf, die mehrere leitfähige Zwischenverbindungsschichten 706 umgibt. In einigen (nicht dargestellten) Ausführungsformen sind die mehreren leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 706 eingerichtet, ein erstes Gate G1 der ersten HEMT-Vorrichtung 302 mit einer dritten Source S3 und einem dritten Gate G3 der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306 elektrisch zu verbinden, einen ersten Drain D1 der ersten HEMT-Vorrichtung 302 mit einer zweiten Source S2 der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 elektrisch zu verbinden und außerdem das zweite Gate G2 der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 mit dem dritten Drain D3 der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306 zu verbinden.Die 402 includes a dielectric structure 324 surrounding multiple conductive interconnect layers 706 . In some embodiments (not shown), the plurality of conductive interconnect layers 706 are configured to electrically connect a first gate G 1 of the first HEMT device 302 to a third source S 3 and a third gate G 3 of the diode-connected HEMT device 306. electrically connect a first drain D 1 of the first HEMT device 302 to a second source S 2 of the second HEMT device 304 and also electrically connect the second gate G 2 of the second HEMT device 304 to the third drain D 3 of the diode connected HEMT - Device 306 to connect.

Der Die 402 ist mittels mehrerer Mikrohöcker 708 elektrisch mit dem Trägersubstrat 702 verbunden. Mehrere Substrat-Durchkontaktierungen (TSV) 710 erstrecken sich durch das Trägersubstrat 702 hindurch und verbinden die mehreren Mikrohöcker 708 elektrisch mit mehreren Löthöckern 714. In einigen Ausführungsformen können die eine oder mehreren Umverteilungsschichten 712a und/oder 712b entlang der Oberseiten und/oder Unterseiten des Trägersubstrats 702 angeordnet sein, um eine seitliche Leitungsführung zwischen den TSV 710 und den mehreren Mikrohöckern 708 und/oder den mehreren Löthöckern 714 zu schaffen.The die 402 is electrically connected to the support substrate 702 by means of a plurality of micro bumps 708 . A plurality of substrate vias (TSV) 710 extend through the support substrate 702 and electrically connect the plurality of micro bumps 708 to a plurality of solder bumps 714. In some embodiments, the one or more redistribution layers 712a and/or 712b may be along the top and/or bottom surfaces of the support substrate 702 to provide lateral routing between the TSV 710 and the plurality of microbumps 708 and/or the plurality of solder bumps 714.

8 zeigt eine Querschnittsansicht von einigen zusätzlichen Ausführungsformen einer gepackten Hochspannungsvorrichtung 800, die eine Kaskodenstruktur mit mehreren HEMT-Vorrichtungen aufweist. 8th 8 shows a cross-sectional view of some additional embodiments of a high voltage packaged device 800 having a cascode structure with multiple HEMT devices.

Die gepackte Hochspannungsvorrichtung 800 weist eine Die-Kontaktstelle 602 auf, über der ein Die 402 gebondet ist. In einigen Ausführungsformen ist der Die 402 mittels einer Haftstoffschicht 604 an die Die-Kontaktstelle 602 gebondet. Die Die-Kontaktstelle 602 wird von einer Formgießmasse 612 umschlossen, die sich über dem Die 402 erstreckt. Vom Inneren der Formgießmasse 612 zur Außenseite der Formgießmasse 612 erstrecken sich mehrere Leiterrahmen 614. Ein oder mehrere Bonddrähte 616 sind eingerichtet, den Die 402 mit den mehreren Leiterrahmen 614 zu verbinden. In einigen Ausführungsformen sind der eine oder die mehreren Bonddrähte 616 mittels Lötperlen 618 mit den Bond-Kontaktstellen 608 und den Leiterrahmen 614 verbunden.The high voltage packaged device 800 has a die pad 602 over which a die 402 is bonded. In some embodiments, die 402 is bonded to die pad 602 with adhesive layer 604 . The die pad 602 is encapsulated by a molding compound 612 that extends over the die 402 . A plurality of lead frames 614 extend from the interior of the molding compound 612 to the exterior of the molding compound 612 . One or more bonding wires 616 are configured to connect the die 402 to the plurality of lead frames 614 . In some embodiments, the one or more bond wires 616 are connected to the bond pads 608 and the lead frames 614 via solder bumps 618 .

Der Die 402 weist eine dielektrische Struktur 324 auf, die mehrere leitfähige Zwischenverbindungsschichten 706 umgibt. In einigen Ausführungsformen sind die mehreren leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 706 eingerichtet, ein erstes Gate G1 der ersten HEMT-Vorrichtung 302 mit einer dritten Source S3 und einem dritten Gate G3 der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306 elektrisch zu verbinden, einen ersten Drain D1 der ersten HEMT-Vorrichtung 302 mit einer zweiten Source S2 der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 elektrisch zu verbinden und außerdem das zweite Gate G2 der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 mit dem dritten Drain D3 der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306 zu verbinden.Die 402 includes a dielectric structure 324 surrounding multiple conductive interconnect layers 706 . In some embodiments, the plurality of conductive interconnect layers 706 are configured to electrically connect a first gate G 1 of the first HEMT device 302 to a third source S 3 and a third gate G 3 of the diode-connected HEMT device 306, a first drain D 1 of the first HEMT device 302 to a second source S 2 of the second HEMT device 304 and also the second gate G 2 of the second HEMT device 304 to the third drain D 3 of the as a diode connected HEMT device 306 .

Die 9-15 zeigen Querschnittsansichten 900-1500 von einigen Ausführungsformen eines Verfahrens zum Ausbilden einer Hochspannungsvorrichtung, die eine Kaskodenstruktur mit mehreren HEMT-Vorrichtungen aufweist. Obwohl die Querschnittsansichten 900-1500, die in den 9-15 dargestellt sind, mit Bezugnahme auf ein Verfahren zum Ausbilden einer Kaskodenstruktur mit mehreren HEMT-Vorrichtungen beschrieben werden, wird anzuerkennen sein, dass die in den 9-15 dargestellten Verfahren nicht auf das Herstellungsverfahren beschränkt sind, sondern getrennt von dem Verfahren eigenständig sein können.the 9-15 9 show cross-sectional views 900-1500 of some embodiments of a method for forming a high voltage device having a cascode structure with multiple HEMT devices. Although the cross-sectional views 900-1500 shown in Figs 9-15 , will be described with reference to a method for forming a cascode structure with multiple HEMT devices, it will be appreciated that the methods illustrated in FIGS 9-15 illustrated methods are not limited to the manufacturing method but may be self-contained separately from the method.

Wie in der Querschnittsansicht 900 von 9 dargestellt ist, wird ein Substrat 312 bereitgestellt. Das Substrat 312 weist ein Halbleitermaterial auf, das einen ersten Dotierungstyp (z.B. eine Dotiersubstanz vom p-Typ) aufweist. In verschiedenartigen Ausführungsformen kann das Substrat 312 ein beliebiger Typ eines Halbleiterkörpers (z.B. Silizium, SiGe, SOI usw.) ebenso wie irgendein anderer Halbleitertyp sein, dem epitaxiale, dielektrische oder Metallschichten zugeordnet sind. Das Substrat 312 weist einen ersten HEMT-Vorrichtungsbereich 902, einen zweiten HEMT-Vorrichtungsbereich 904 und einen Bereich einer als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 906 auf.As shown in cross-sectional view 900 of FIG 9 As shown, a substrate 312 is provided. The substrate 312 includes a semiconductor material having a first doping type (eg, a p-type dopant). In various embodiments, the substrate 312 may be any type of semiconductor body (eg, silicon, SiGe, SOI, etc.) as well as any other type of semiconductor associated with epitaxial, dielectric, or metal layers. The substrate 312 has a first HEMT device region 902 , a second HEMT device region 904 , and a diode connected HEMT device region 906 .

Wie in der Querschnittsansicht 1000 von 10 dargestellt ist, wird über dem Substrat 312 eine Kanalschicht 314 ausgebildet, und über der Kanalschicht 314 wird eine aktive Schicht 316 ausgebildet. Die Kanalschicht 314 weist ein erstes Material auf, das sich von einem zweiten Material der aktiven Schicht 316 unterscheidet. In einigen Ausführungsformen kann die Kanalschicht 314 zum Beispiel Galliumnitrid (GaN) und die aktive Schicht 316 Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN) aufweisen. In verschiedenartigen Ausführungsformen können die Kanalschicht 314 und/oder die aktive Schicht 316 mithilfe von Abscheideprozessen (z.B. chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung (PE-CVD), Atomlagenabscheidung (ALD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), usw.) auf dem Substrat 312 ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Kanalschicht 314 in einer Dicke ausgebildet werden, die kleiner als oder gleich ungefähr 5 Mikrometer ist, um eine Kanalschicht hoher Qualität mit einem verhältnismäßig geringem Aufwand zu schaffen.As in the cross-sectional view 1000 of 10 As shown, a channel layer 314 is formed over substrate 312 and an active layer 316 is formed over channel layer 314 . The channel layer 314 comprises a first material different from a second material of the active layer 316 . For example, in some embodiments, the channel layer 314 may include gallium nitride (GaN) and the active layer 316 may include aluminum gallium nitride (AlGaN). In various embodiments, the channel layer 314 and/or the active layer 316 may be deposited using deposition processes (e.g., chemical vapor deposition (CVD), plasma-enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD), atomic layer deposition (ALD), physical vapor deposition (PVD), etc.) on the substrate 312 are formed. In some embodiments, channel layer 314 may be formed to a thickness less than or equal to about 5 microns to provide a high quality channel layer with relatively little effort.

Wie in der Querschnittsansicht 1100 von 11 dargestellt ist, werden innerhalb der aktiven Schicht 316 mehrere erste Isolationsbereiche 208 ausgebildet. Die mehreren ersten Isolationsbereiche 208 können dotierte Bereiche aufweisen, die sich von einer Oberseite der aktiven Schicht 316 aus in das Innere der Kanalschicht 314 hinein erstrecken. Die mehreren ersten Isolationsbereiche 208 werden seitlich zwischen dem ersten HEMT-Vorrichtungsbereich 902, dem zweiten HEMT-Vorrichtungsbereich 904 und dem Bereich der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 906 positioniert.As shown in cross-sectional view 1100 of FIG 11 As shown, a plurality of first isolation regions 208 are formed within the active layer 316 . The plurality of first isolation regions 208 may include doped regions extending into the interior of the channel layer 314 from a top surface of the active layer 316 . The plurality of first isolation regions 208 are positioned laterally between the first HEMT device region 902 , the second HEMT device region 904 , and the diode connected HEMT device region 906 .

In einigen Ausführungsformen werden die mehreren ersten Isolationsbereiche 208 ausgebildet, indem eine erste strukturierte Maskenschicht 1102 über der aktiven Schicht 316 ausgebildet und anschließend ein oder mehrere Dotierungsstoffen 1104 gemäß der ersten strukturierten Maskenschicht 1102 in die aktive Schicht 316 hinein implantiert werden. In einigen Ausführungsformen können die Dotierungsstoffe 1104 mit einer Energie implantiert werden, die ausreicht, um die Dotierungsstoffe 1104 in die Kanalschicht 314 eindringen zu lassen. In einigen Ausführungsformen kann nach dem Implantieren ein Eindringtempern durchgeführt werden, um die Dotierungsstoffe diffundieren zu lassen. In einigen Ausführungsformen können die Dotierungsstoffe 1104 Sauerstoff-Dotiersubstanzen, Fluor-Dotiersubstanzen oder dergleichen aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die erste strukturierte Maskenschicht 1102 zum Beispiel einen Fotoresist aufweisen.In some embodiments, the plurality of first isolation regions 208 are formed by forming a first patterned mask layer 1102 over the active layer 316 and then implanting one or more dopants 1104 into the active layer 316 according to the first patterned mask layer 1102 . In some embodiments, the dopants 1104 may be implanted with an energy sufficient to infuse the dopants 1104 into the channel layer 314 . In some embodiments, a post-implant penetration anneal may be performed to diffuse the dopants. In some embodiments, the dopants 1104 may include oxygen dopants, fluorine dopants, or the like. In some embodiments, the first patterned mask layer 1102 may include a photoresist, for example.

Die Querschnittsansicht 1200 von 12A und die Querschnittsansicht 1202 von 12B zeigen alternative Ausführungsformen zum Ausbilden einer Gate-Struktur 214, eines Source-Kontakts 216s und eines Drain-Kontakts 216d über dem Substrat 312 und innerhalb des ersten HEMT-Vorrichtungsbereichs (902 von 11), des zweiten HEMT-Vorrichtungsbereichs (904 von 11), und des Bereichs der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung (906 von 11). Die Gate-Struktur 214, der Source-Kontakt 216s und der Drain-Kontakt 216d legen fest: ein erstes Gate G1, eine erste Source S1 und einen ersten Drain D1 einer ersten HEMT-Vorrichtung 104; ein zweites Gate G2, eine zweite Source S2 und einen zweiten Drain D2 einer zweiten HEMT-Vorrichtung 108; und ein drittes Gate G3, eine dritte Source S3 und einen dritten Drain D3 eines als Diode geschalteten Transistors 110.The cross-sectional view 1200 of FIG 12A and cross-sectional view 1202 of FIG 12B 12 show alternative embodiments for forming a gate structure 214, a source contact 216s, and a drain contact 216d over the substrate 312 and within the first HEMT device region (902 of 11 ), the second HEMT device area (904 of 11 ), and the region of the diode-connected HEMT device (906 of 11 ). Gate structure 214, source contact 216s, and drain contact 216d define: a first gate G 1 , a first source S 1 , and a first drain D 1 of a first HEMT device 104; a second gate G 2 , a second source S 2 and a second drain D 2 of a second HEMT device 108; and a third gate G 3 , a third source S 3 and a third drain D 3 of a diode-connected transistor 110.

In einigen Ausführungsformen, die in der Querschnittsansicht 1200 von 12A dargestellt sind, kann die Gate-Struktur 214 in der ersten HEMT-Vorrichtung 104, der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 und dem als Diode geschalteten Transistor 110 ausgebildet werden, indem eine untere Gate-Schicht über der aktiven Schicht 316 abgeschieden wird. In einigen Ausführungsformen kann die untere Gate-Schicht ein dielektrisches Material (z.B. ein Oxid, ein Nitrid oder dergleichen) oder ein Halbleitermaterial (z.B. p-dotiertes GaN) aufweisen. Die untere Gate-Schicht wird strukturiert, um einen unteren Gate-Teilbereich 214a der Gate-Struktur 214 festzulegen. Über dem unteren Gate-Teilbereich 214a und der aktiven Schicht 316 wird eine leitfähige Schicht ausgebildet. Die leitfähige Schicht wird strukturiert, um eine Gate-Elektrode 214b, die Source-Kontakte 216s und die Drain-Kontakte 216d festzulegen. In einigen Ausführungsformen können die untere Gate-Schicht und die leitfähige Schicht strukturiert werden, indem über der unteren Gate-Schicht und der leitfähigen Schicht Fotoresistschichten ausgebildet werden und anschließend die untere Gate-Schicht sowie die leitfähige Schicht in den Bereichen, die nicht durch die Fotoresistschichten abgedeckt sind, geätzt werden. In derartigen Ausführungsformen kann die Gate-Struktur 214 eine erste Höhe h1 aufweisen, die größer als eine zweite Höhe h2 des Source-Kontakts 216s und des Drain-Kontakts 216d ist. In einigen derartigen Ausführungsformen kann sich der untere Gate-Teilbereich 214a seitlich über die ganz außen liegenden Seitenwände der Gate-Elektrode 214b hinaus erstrecken.In some embodiments shown in cross-sectional view 1200 of FIG 12A 1, the gate structure 214 in the first HEMT device 104, the second HEMT device 108, and the diode connected transistor 110 may be formed by depositing a bottom gate layer over the active layer 316. FIG. In some embodiments, the bottom gate layer may include a dielectric material (eg, an oxide, a nitride, or the like) or a semiconductor material (eg, p-doped GaN). the lower one Gate layer is patterned to define a lower gate portion 214a of gate structure 214 . A conductive layer is formed over the lower gate portion 214a and the active layer 316 . The conductive layer is patterned to define a gate electrode 214b, source contacts 216s and drain contacts 216d. In some embodiments, the bottom gate layer and the conductive layer may be patterned by forming photoresist layers over the bottom gate layer and the conductive layer, and then forming the bottom gate layer and the conductive layer in the areas not covered by the photoresist layers are covered, are etched. In such embodiments, the gate structure 214 may have a first height h1 that is greater than a second height h2 of the source contact 216s and the drain contact 216d. In some such embodiments, the bottom gate portion 214a may extend laterally beyond the outermost sidewalls of the gate electrode 214b.

In anderen Ausführungsformen, die in der Querschnittsansicht 1202 von 12B dargestellt sind, kann die Gate-Struktur 214 in der ersten HEMT-Vorrichtung 104, der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 und dem als Diode geschalteten Transistor 110 ausgebildet werden, indem eine untere Gate-Schicht über der aktiven Schicht 316 und eine leitfähige Schicht über der unteren Gate-Schicht abgeschieden werden. Die untere Gate-Schicht und die leitfähige Schicht werden anschließend strukturiert, wobei eine gleiche Maskierungsschicht (z.B. Fotoresistschicht) verwendet wird, um eine Gate-Struktur 214 festzulegen, die einen unteren Gate-Teilbereich 214a und eine Gate-Elektrode 214b aufweist. Anschließend wird ein dielektrisches Material 1204 über der aktiven Schicht 316 und der Gate-Struktur 214 abgeschieden. Das dielektrische Material 1204 wird selektiv strukturiert, um Öffnungen in dem dielektrischen Material 1204 festzulegen. Die Öffnungen werden anschließend mit einem leitfähigen Material gefüllt, worauf ein Planarisierungsvorgang folgt, der den Source-Kontakt 216s und den Drain-Kontakt 216d festlegt. In derartigen Ausführungsformen kann die Gate-Struktur 214 eine erste Höhe h1 aufweisen, die kleiner als eine zweite Höhe h2 des Source-Kontakts 216s und des Drain-Kontakts 216d ist. In einigen derartigen Ausführungsformen können die Seitenwände des unteren Gate-Teilbereichs 214a und der Gate-Elektrode 214b im Wesentlichen ausgerichtet sein.In other embodiments shown in cross-sectional view 1202 of FIG 12B , the gate structure 214 in the first HEMT device 104, the second HEMT device 108 and the diode connected transistor 110 can be formed by placing a bottom gate layer over the active layer 316 and a conductive layer over the lower gate layer are deposited. The bottom gate layer and the conductive layer are then patterned using a similar masking layer (eg, photoresist layer) to define a gate structure 214 having a bottom gate portion 214a and a gate electrode 214b. A dielectric material 1204 is then deposited over the active layer 316 and the gate structure 214 . The dielectric material 1204 is selectively patterned to define openings in the dielectric material 1204. FIG. The openings are then filled with a conductive material, followed by a planarization process that defines source contact 216s and drain contact 216d. In such embodiments, the gate structure 214 may have a first height h 1 that is less than a second height h 2 of the source contact 216s and the drain contact 216d. In some such embodiments, the sidewalls of the lower gate portion 214a and the gate electrode 214b may be substantially aligned.

Wie in der Querschnittsansicht 1300 von 13 dargestellt ist, werden eine oder mehrere leitfähige Zwischenverbindungsschichten 606 innerhalb einer dielektrischen Struktur 324 ausgebildet, die über der aktiven Schicht 316 ausgebildet wurde. In einigen (nicht dargestellten) Ausführungsformen sind die eine oder mehreren leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 606 eingerichtet, das erste Gate G1 der ersten HEMT-Vorrichtung 104 mit der dritten Source S3 und dem dritten Gate G3 des als Diode geschalteten Transistors 110 zu verbinden. In anderen Ausführungsformen sind die eine oder mehreren leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 606 eingerichtet, die erste Source S1 der ersten HEMT-Vorrichtung 104 mit der dritten Source S3 und dem dritten Gate G3 des als Diode geschalteten Transistors 110 zu verbinden.As shown in cross-sectional view 1300 of FIG 13 1, one or more conductive interconnect layers 606 are formed within a dielectric structure 324 that has been formed over active layer 316. FIG. In some embodiments (not shown), the one or more conductive interconnect layers 606 are configured to connect the first gate G 1 of the first HEMT device 104 to the third source S 3 and third gate G 3 of the diode connected transistor 110 . In other embodiments, the one or more conductive interconnection layers 606 are configured to connect the first source S 1 of the first HEMT device 104 to the third source S3 and the third gate G3 of the diode connected transistor 110 .

In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Struktur 324 mehrere gestapelte ILD-Schichten aufweisen, die durch mehrere Ätzstoppschichten getrennt sind. In einigen Ausführungsformen können die mehreren leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 706 abwechselnde Schichten von Zwischenverbindungsdrähten und Zwischenverbindungs-Durchkontaktierungen aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die mehreren leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 706 jeweils mittels eines Damascene-Prozesses ausgebildet werden. In derartigen Ausführungsformen wird eine ILD-Schicht über der aktiven Schicht 412 ausgebildet. Die ILD-Schicht wird anschließend geätzt, um ein Durchkontaktierungsloch und/oder einen Graben auszubilden, der mit einem leitfähigen Material (z.B. Wolfram, Kupfer und/oder Aluminium) gefüllt wird. Anschließend wird ein chemisch-mechanischer Planarisierungsprozess (CMP-Prozess) durchgeführt, um einen Überschuss des leitfähigen Materials über der ILD-Schicht zu beseitigen.In some embodiments, the dielectric structure 324 may include multiple stacked ILD layers separated by multiple etch stop layers. In some embodiments, the plurality of conductive interconnect layers 706 may include alternating layers of interconnect wires and interconnect vias. In some embodiments, the plurality of conductive interconnect layers 706 may each be formed using a damascene process. In such embodiments, an ILD layer is formed over active layer 412 . The ILD layer is then etched to form a via hole and/or a trench that is filled with a conductive material (e.g., tungsten, copper, and/or aluminum). A chemical mechanical planarization (CMP) process is then performed to eliminate excess conductive material over the ILD layer.

In einigen Ausführungsformen können Bond-Kontaktstellen 608 auf der einen oder den mehreren leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 606 und/oder der dielektrischen Struktur 324 ausgebildet werden. Anschließend kann eine Passivierungsschicht 610 über den Bond-Kontaktstellen 608 ausgebildet werden. Die Bond-Kontaktstellen 608 können ausgebildet werden, indem eine leitfähige Schicht über der einen oder den mehreren leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 606 und der dielektrischen Struktur 324 abgeschieden und die leitfähige Schicht anschließend strukturiert wird, um die Bond-Kontaktstellen 608 festzulegen. Die Passivierungsschicht 610 kann durch einen Abscheideprozess gefolgt von einem Strukturierungsprozess ausgebildet werden.In some embodiments, bond pads 608 may be formed on the one or more conductive interconnect layers 606 and/or the dielectric structure 324 . A passivation layer 610 may then be formed over the bond pads 608 . The bond pads 608 may be formed by depositing a conductive layer over the one or more conductive interconnect layers 606 and the dielectric structure 324 and then patterning the conductive layer to define the bond pads 608 . The passivation layer 610 can be formed by a deposition process followed by a patterning process.

Wie in der Querschnittsansicht 1400 von 14 dargestellt ist, wird das Substrat 312 entlang einer oder mehrerer Ritzlinien 1402 zerschnitten, um einen ersten Die 308a und einen zweiten Die 308b auszubilden. Der erste Die 308a weist die erste HEMT-Vorrichtung 104 und den als Diode geschalteten Transistor 110 auf. Der zweite Die 308b weist die zweite HEMT-Vorrichtung 108 auf. Obwohl der erste Die 308a und der zweite Die 308b als aus einem gleichen Substrat hervorgehend dargestellt sind, wird einzusehen sein, dass in alternativen Ausführungsformen der erste Die 308a und der zweite Die 308b in unterschiedlichen Substraten ausgebildet werden können. Zum Beispiel wird in einigen Ausführungsformen der erste Die 308a in einem ersten Wafer ausgebildet, und der zweite Die wird in einem zweiten Wafer ausgebildet, der sich von dem ersten Wafer unterscheidet.As shown in cross-sectional view 1400 of FIG 14 As shown, the substrate 312 is diced along one or more scribe lines 1402 to form a first die 308a and a second die 308b. The first die 308a includes the first HEMT device 104 and the diode connected transistor 110 . The second die 308b includes the second HEMT device 108 . Although the first Die 308a and the second Die 308b as one same 1, it will be appreciated that in alternative embodiments, the first die 308a and the second die 308b may be formed in different substrates. For example, in some embodiments, the first die 308a is formed in a first wafer and the second die is formed in a second wafer that is different than the first wafer.

Wie in der Querschnittsansicht 1500 von 15 dargestellt ist, werden der erste Die 308a und der zweite Die 308b innerhalb eines Package untergebracht. In einigen Ausführungsformen können der erste Die 308a und der zweite Die 308b mittels einer Haftstoffschicht 604 an eine Die-Kontaktstelle 602 gebondet werden. Der erste Die 308a wird anschließend mittels eines oder mehrerer Bonddrähte 616 mit dem zweiten Die 308b und mehreren Leiterrahmen 614 über Draht verbunden. Anschließend wird eine Formgießmasse um den ersten Die 308a, den zweiten Die 308b, die Die-Kontaktstelle 602 und die mehreren Leiterrahmen 614 herum erzeugt.As shown in cross-sectional view 1500 of 15 As shown, the first die 308a and the second die 308b are housed within one package. In some embodiments, the first die 308a and the second die 308b may be bonded to a die pad 602 via an adhesive layer 604 . The first die 308a is then wire bonded to the second die 308b and a plurality of lead frames 614 using one or more bond wires 616 . Then, a molding compound is created around the first die 308a, the second die 308b, the die pad 602, and the plurality of leadframes 614. FIG.

In einigen (nicht dargestellten) Ausführungsformen sind der eine oder die mehreren Bonddrähte 616 eingerichtet, einen ersten Drain D1 der ersten HEMT-Vorrichtung 104 mit einer zweiten Source S2 der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 elektrisch zu verbinden und außerdem das zweite Gate G2 der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 mit einem dritten Drain D3 des als Diode geschalteten Transistor 110 zu verbinden. Die elektrischen Verbindungen von der einen oder den mehreren leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 606 und dem einen oder den mehreren Bonddrähten 616 bewirken, dass die erste HEMT-Vorrichtung 104, die zweite HEMT-Vorrichtung 108 und der als Diode geschaltete Transistor 110 wie eine einzige Hochspannungsvorrichtung arbeiten, die einen gemeinsamen Source-Anschluss, einen gemeinsamen Drain-Anschluss und einen gemeinsamen Gate-Anschluss aufweist (in 2 dargestellt). Die Hochspannungsvorrichtung weist eine Durchschlagsspannung auf, die größer als die von entweder der ersten HEMT-Vorrichtung 104 oder der zweiten HEMT-Vorrichtung 108 ist.In some embodiments (not shown), the one or more bonding wires 616 are configured to electrically connect a first drain D 1 of the first HEMT device 104 to a second source S 2 of the second HEMT device 108 and also the second gate G 2 of the second HEMT device 108 to a third drain D 3 of the diode connected transistor 110 . The electrical connections from the one or more conductive interconnect layers 606 and the one or more bond wires 616 cause the first HEMT device 104, the second HEMT device 108, and the diode-connected transistor 110 to operate as a single high-voltage device that has a common source, a common drain and a common gate (in 2 shown). The high voltage device has a breakdown voltage that is greater than that of either the first HEMT device 104 or the second HEMT device 108 .

Die 16-23 zeigen Querschnittsansichten 1600-2300 von einigen alternativen Ausführungsformen eines Verfahrens zum Ausbilden einer Hochspannungsvorrichtung, die eine Kaskodenstruktur mit mehreren HEMT-Vorrichtungen aufweist. Obwohl die Querschnittsansichten 1600-2300, die in den 16-23 dargestellt sind, mit Bezugnahme auf ein Verfahren zum Ausbilden einer Kaskodenstruktur mit mehreren HEMT-Vorrichtungen beschrieben werden, wird anzuerkennen sein, dass die Strukturen, die in den 16-23 dargestellt sind, nicht auf das Herstellungsverfahren beschränkt sind, sondern getrennt von dem Verfahren eigenständig sein können.the 16-23 16 show cross-sectional views 1600-2300 of some alternative embodiments of a method for forming a high voltage device having a cascode structure with multiple HEMT devices. Although the cross-sectional views 1600-2300 shown in Figs 16-23 are described with reference to a method for forming a cascode structure with multiple HEMT devices, it will be appreciated that the structures shown in FIGS 16-23 are not limited to the manufacturing process but may be self-contained separate from the process.

Wie in der Querschnittsansicht 1600 von 16 dargestellt ist, wird ein Substrat 406 bereitgestellt. Das Substrat 406 weist ein Halbleitermaterial auf, das einen ersten Dotierungstyp (z.B. eine Dotiersubstanz vom p-Typ) aufweist. In verschiedenartigen Ausführungsformen kann das Substrat 406 ein beliebiger Typ eines Halbleiterkörpers (z.B. Silizium, SiGe, SOI usw.) ebenso wie irgendein anderer Halbleitertyp sein, dem epitaxiale, dielektrische oder Metallschichten zugeordnet sind. Das Substrat 406 weist einen ersten HEMT-Vorrichtungsbereich 902, einen zweiten HEMT-Vorrichtungsbereich 904 und einen Bereich einer als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 906 auf.As shown in cross-sectional view 1600 of FIG 16 As shown, a substrate 406 is provided. The substrate 406 includes a semiconductor material having a first doping type (eg, a p-type dopant). In various embodiments, the substrate 406 may be any type of semiconductor body (eg, silicon, SiGe, SOI, etc.) as well as any other type of semiconductor associated with epitaxial, dielectric, or metal layers. The substrate 406 includes a first HEMT device region 902 , a second HEMT device region 904 , and a diode connected HEMT device region 906 .

Wie in der Querschnittsansicht 1700 von 17 dargestellt ist, wird innerhalb des Substrats 406 ein sich horizontal erstreckender Isolationsbereich 414a ausgebildet. Der sich horizontal erstreckende Isolationsbereich 414a weist einen dotierten Bereich mit einem zweiten Dotierungstyp auf, der sich von dem ersten Dotierungstyp des Substrats 406 unterscheidet. In einigen Ausführungsformen kann der sich horizontal erstreckende Isolationsbereich 414a ausgebildet werden, indem eine erste Maskierungsschicht 1702 über dem Substrat 406 ausgebildet wird und anschließend ein oder mehrere erste Dotierungsstoffe 1704 gemäß der ersten strukturierten Maskenschicht 1702 in das Substrat 406 hinein implantiert werden. In einigen Ausführungsformen kann die erste Maskierungsschicht 1702 zum Beispiel einen Fotoresist aufweisen.As shown in cross-sectional view 1700 of 17 1, a horizontally extending isolation region 414a is formed within the substrate 406. As shown in FIG. The horizontally extending isolation region 414a has a doped region with a second doping type that differs from the first doping type of the substrate 406 . In some embodiments, the horizontally extending isolation region 414a may be formed by forming a first masking layer 1702 over the substrate 406 and then implanting one or more first dopants 1704 into the substrate 406 according to the first patterned masking layer 1702 . In some embodiments, the first masking layer 1702 may include a photoresist, for example.

Wie in der Querschnittsansicht 1800 von 18 dargestellt ist, wird eine epitaxiale Pufferschicht 408 über dem Substrat 406 und dem sich horizontal erstreckenden Isolationsbereich 414a ausgebildet. Die epitaxiale Pufferschicht 408 ist eingerichtet, ein konsistentes Kristallgitter zu liefern, das eine Ausbreitung eines Kristalldefekts des sich horizontal erstreckenden Isolationsbereichs 414a in darüber liegende Schichten verhindert. In einigen Ausführungsformen kann die epitaxiale Pufferschicht 408 ein Halbleitermaterial, wie z.B. Silizium, aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die epitaxiale Pufferschicht 408 ein gleiches Material wie das darunter liegende Substrat 406 aufweisen.As in the cross-sectional view 1800 of 18 As shown, an epitaxial buffer layer 408 is formed over the substrate 406 and the horizontally extending isolation region 414a. The epitaxial buffer layer 408 is configured to provide a consistent crystal lattice that prevents propagation of a crystal defect of the horizontally extending isolation region 414a into overlying layers. In some embodiments, the epitaxial buffer layer 408 may include a semiconductor material such as silicon. In some embodiments, the epitaxial buffer layer 408 may be of the same material as the underlying substrate 406 .

Über der epitaxialen Pufferschicht 408 wird eine Kanalschicht 410 ausgebildet, und über der Kanalschicht 410 wird eine aktive Schicht 412 ausgebildet. Die Kanalschicht 410 weist ein anderes Material als die aktive Schicht 412 auf. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die Kanalschicht 410 Galliumnitrid (GaN) und die aktive Schicht 412 Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN) aufweisen. In verschiedenartigen Ausführungsformen können die Kanalschicht 410 und/oder die aktive Schicht 412 mithilfe von Abscheideprozessen (z.B. chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung (PE-CVD), Atomlagenabscheidung (ALD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) usw.) ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Kanalschicht 410 in einer Dicke ausgebildet werden, die kleiner als oder gleich ungefähr 5 Mikrometer ist, um eine Kanalschicht hoher Qualität mit einem verhältnismäßig geringem Aufwand zu schaffen. In anderen Ausführungsformen kann die Kanalschicht 410 in einer Dicke ausgebildet werden, die kleiner als oder gleich ungefähr 10 Mikrometer ist. In noch weiteren Ausführungsformen kann die Kanalschicht 410 in einer Dicke ausgebildet werden, die zwischen ungefähr 5 Mikrometer und ungefähr 10 Mikrometer liegt.A channel layer 410 is formed over the epitaxial buffer layer 408 and an active layer 412 is formed over the channel layer 410 . The channel layer 410 has a different material than the active layer 412 . For example, in some embodiments, the channel layer 410 may include gallium nitride (GaN) and the active layer 412 may include aluminum gallium nitride (AlGaN). In various embodiments, the channel Layer 410 and/or active layer 412 may be formed using deposition processes (eg, chemical vapor deposition (CVD), plasma enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD), atomic layer deposition (ALD), physical vapor deposition (PVD), etc.). In some embodiments, channel layer 410 may be formed to a thickness less than or equal to about 5 microns to provide a high quality channel layer with relatively little effort. In other embodiments, the channel layer 410 may be formed to a thickness that is less than or equal to about 10 microns. In still other embodiments, channel layer 410 may be formed to a thickness ranging from about 5 microns to about 10 microns.

Wie in der Querschnittsansicht 1900 von 19 dargestellt ist, werden mehrere erste Isolationsbereiche 208 innerhalb der aktiven Schicht 316 ausgebildet. Die mehreren ersten Isolationsbereiche 208 können dotierte Bereiche aufweisen, die sich vertikal von einer Oberseite der aktiven Schicht 316 aus in das Innere der Kanalschicht 314 hinein erstrecken. Die mehreren ersten Isolationsbereiche 208 werden seitlich zwischen dem ersten HEMT-Vorrichtungsbereich 902, dem zweiten HEMT-Vorrichtungsbereich 904 und dem Bereich der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 906 positioniert.As in the 1900 cross-sectional view of 19 As shown, a plurality of first isolation regions 208 are formed within active layer 316 . The plurality of first isolation regions 208 may include doped regions that extend vertically from a top surface of the active layer 316 into an interior of the channel layer 314 . The plurality of first isolation regions 208 are positioned laterally between the first HEMT device region 902 , the second HEMT device region 904 , and the diode connected HEMT device region 906 .

In einigen Ausführungsformen werden die mehreren ersten Isolationsbereiche 208 dadurch ausgebildet, dass eine erste strukturierte Maskenschicht 1102 über der aktiven Schicht 316 ausgebildet wird und anschließend ein oder mehrere Dotierungsstoffen 1104 gemäß der ersten strukturierten Maskenschicht 1102 in die aktive Schicht 316 hinein implantiert werden. In einigen Ausführungsformen können die Dotierungsstoffe 1104 mit einer Energie implantiert werden, die ausreichend ist, die Dotierungsstoffe 1104 in die Kanalschicht 314 eindringen zu lassen. In einigen Ausführungsformen kann ein Eindringtempern durchgeführt werden, um die Dotierungsstoffe nach dem Implantieren diffundieren zu lassen.In some embodiments, the plurality of first isolation regions 208 are formed by forming a first patterned mask layer 1102 over the active layer 316 and then implanting one or more dopants 1104 into the active layer 316 according to the first patterned mask layer 1102 . In some embodiments, the dopants 1104 may be implanted with an energy sufficient to infuse the dopants 1104 into the channel layer 314 . In some embodiments, a penetration anneal may be performed to diffuse the dopants after implantation.

Wie in der Querschnittsansicht 2000 von 20 dargestellt ist, werden die Kanalschicht 410 und die aktive Schicht 412 selektiv geätzt, um Gräben 2002 festzulegen, die sich durch die Kanalschicht 410 und die aktive Schicht 412 hindurch erstrecken. Die Gräben 2002 erstrecken sich vertikal von einer Oberseite der aktiven Schicht 412 aus zur epitaxialen Pufferschicht 408. In einigen Ausführungsformen können sich die Gräben 2002 in die epitaxiale Pufferschicht 408 hinein erstrecken, sodass Seitenwände der Gräben 2002 entsprechend durch die epitaxiale Pufferschicht 408, die Kanalschicht 410 und die aktive Schicht 412 festgelegt werden. In einigen Ausführungsformen können die Kanalschicht 410 und die aktive Schicht 412 selektiv geätzt werden, indem eine zweite strukturierte Maskenschicht 2004 über der aktiven Schicht 412 ausgebildet wird und anschließend die Kanalschicht 410 und die aktive Schicht 412 einem oder mehreren Ätzmitteln 2006 in den Bereichen ausgesetzt werden, die nicht durch die zweite strukturierte Maskenschicht 2004 abgedeckt sind.As in the 2000 cross-sectional view of 20 As shown, channel layer 410 and active layer 412 are selectively etched to define trenches 2002 that extend through channel layer 410 and active layer 412 . Trenches 2002 extend vertically from a top of active layer 412 to epitaxial buffer layer 408. In some embodiments, trenches 2002 may extend into epitaxial buffer layer 408 such that sidewalls of trenches 2002 respectively penetrate epitaxial buffer layer 408, channel layer 410 and the active layer 412 are defined. In some embodiments, channel layer 410 and active layer 412 may be selectively etched by forming a second patterned mask layer 2004 over active layer 412 and then exposing channel layer 410 and active layer 412 to one or more etchants 2006 in the areas which are not covered by the second patterned mask layer 2004.

Wie in der Querschnittsansicht 2100 von 21 dargestellt ist, werden der eine oder die mehreren sich vertikal erstreckenden Isolationsbereiche 414b innerhalb der epitaxialen Pufferschicht 408 über dem sich horizontal erstreckenden Isolationsbereich 414a ausgebildet. Der eine oder die mehreren sich vertikal erstreckenden Isolationsbereiche 414b weisen dotierte Bereiche mit dem zweiten Dotierungstyp auf. Der sich horizontal erstreckende Isolationsbereich 414a und der eine oder die mehreren sich vertikal erstreckenden Isolationsbereiche 414b legen zusammen eine Isolationsstruktur 414 fest, die eingerichtet ist, den zweiten HEMT-Vorrichtungsbereich 904 vom ersten HEMT-Vorrichtungsbereich 902 und dem Bereich der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 906 elektrisch zu isolieren.As shown in cross-sectional view 2100 of FIG 21 1, the one or more vertically extending isolation regions 414b are formed within the epitaxial buffer layer 408 over the horizontally extending isolation region 414a. The one or more vertically extending isolation regions 414b have doped regions with the second doping type. The horizontally extending isolation region 414a and the one or more vertically extending isolation regions 414b together define an isolation structure 414 that is configured to separate the second HEMT device region 904 from the first HEMT device region 902 and the diode-connected HEMT device region 906 electrically isolate.

In einigen Ausführungsformen können der eine oder die mehreren sich vertikal erstreckenden Isolationsbereiche 414b ausgebildet werden, indem ein oder mehrere zweite Dotierungsstoffe 2104 gemäß einer dritten strukturierten Maskenschicht 2102 selektiv in die epitaxiale Pufferschicht 408 hinein implantiert werden. In einigen Ausführungsformen können der eine oder die mehreren zweiten Dotierungsstoffe 2104 die gleichen wie der eine oder die mehreren ersten Dotierungsstoffe (1704 von 17) sein, die verwendet wurden, um den sich horizontal erstreckenden Isolationsbereich 414a auszubilden. In einigen Ausführungsformen kann die dritte strukturierte Maskenschicht 2102 die zweite strukturierte Maskenschicht 2004 umfassen, die zum Festlegen der Gräben 2002 verwendet wurde. In einigen Ausführungsformen können sich der eine oder die mehreren vertikal erstreckenden Isolationsbereiche 414b seitlich über eine Außenseite des sich horizontal erstreckenden Isolationsbereichs 414a hinaus erstrecken. In einigen zusätzlichen Ausführungsformen können sich der eine oder die mehreren sich vertikal erstreckenden Isolationsbereiche 414b vertikal unter einer Oberseite des sich horizontal erstreckenden Isolationsbereichs 414a erstrecken. In derartigen Ausführungsformen können der eine oder die mehreren sich vertikal erstreckenden Isolationsbereiche 414b den sich horizontal erstreckenden Isolationsbereich 414a entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist, berühren.In some embodiments, the one or more vertically extending isolation regions 414b may be formed by selectively implanting one or more second dopants 2104 into the epitaxial buffer layer 408 according to a third patterned mask layer 2102 . In some embodiments, the one or more second dopants 2104 may be the same as the one or more first dopants (1704 of 17 ) used to form the horizontally extending isolation region 414a. In some embodiments, the third patterned mask layer 2102 may include the second patterned mask layer 2004 that was used to define the trenches 2002. FIG. In some embodiments, the one or more vertically extending isolation regions 414b may extend laterally beyond an exterior of the horizontally extending isolation region 414a. In some additional embodiments, the one or more vertically extending isolation regions 414b may extend vertically under a top surface of the horizontally extending isolation region 414a. In such embodiments, the one or more vertically extending isolation regions 414b may touch the horizontally extending isolation region 414a along a first direction and along a second direction perpendicular to the first direction.

Wie in der Querschnittsansicht 2200 von 22 dargestellt ist, wird innerhalb der Gräben 2002 ein leitfähiges Material ausgebildet, um leitfähige Kontakte 416 festzulegen. Die leitfähigen Kontakte 416 erstrecken sich vertikal durch die Kanalschicht 410 und die aktive Schicht 412 hindurch, um die Isolationsstruktur 414 zu berühren. In einigen Ausführungsformen kann eine Isolationsschicht 417, die ein oder mehrere dielektrische Materialien aufweist, entlang von Seitenwänden der Gräben 2002 ausgebildet werden, bevor das leitfähige Material ausgebildet wird. In einigen Ausführungsformen kann die Isolationsschicht 417 ausgebildet werden, indem ein thermischer Oxidationsprozess durchgeführt wird, wobei die dritte strukturierte Maskenschicht (2102 von 21) bereits vorhanden ist. Der thermische Oxidationsprozess bildet eine Isolationsschicht (z.B. ein Oxid) auf den freiliegenden Flächen der epitaxialen Pufferschicht 408, der Kanalschicht 410 und/oder der aktiven Schicht 412 aus. Anschließend kann ein Ätzprozess durchgeführt werden, um die Isolationsschicht von einer oberen Fläche der epitaxialen Pufferschicht 408 zu entfernen. In einigen derartigen Ausführungsformen kann die Isolationsschicht 417 ein erstes dielektrisches Material, das die epitaxiale Pufferschicht 408 berührt, ein zweites dielektrisches Material, das die Kanalschicht 410 berührt, und ein drittes dielektrisches Material, das die aktive Schicht 412 berührt, aufweisen.As shown in cross-sectional view 2200 of FIG 22 1, a conductive material is formed within trenches 2002 to define conductive contacts 416. FIG. Conductive contacts 416 extend vertically through channel layer 410 and active layer 412 to contact isolation structure 414 . In some embodiments, an isolation layer 417 comprising one or more dielectric materials may be formed along sidewalls of the trenches 2002 before the conductive material is formed. In some embodiments, the isolation layer 417 may be formed by performing a thermal oxidation process, wherein the third patterned mask layer (2102 of 21 ) already exists. The thermal oxidation process forms an insulating layer (eg, an oxide) on the exposed surfaces of the epitaxial buffer layer 408, the channel layer 410, and/or the active layer 412. FIG. An etch process may then be performed to remove the insulating layer from a top surface of the epitaxial buffer layer 408 . In some such embodiments, isolation layer 417 may include a first dielectric material contacting epitaxial buffer layer 408 , a second dielectric material contacting channel layer 410 , and a third dielectric material contacting active layer 412 .

Wie in der Querschnittsansicht 2300 von 23 dargestellt ist, werden eine Gate-Struktur 318, ein Source-Kontakt 216s und ein Drain-Kontakt 216d über der aktiven Schicht 412 innerhalb des ersten HEMT-Vorrichtungsbereichs (902 von 21), eines zweiten HEMT-Vorrichtungsbereichs (904 von 21) und eines Bereichs der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung (906 von 21) ausgebildet. Die Gate-Struktur 318, der Source-Kontakt 216s und der Drain-Kontakt 216d legen fest: ein erstes Gate G1, eine erste Source S1 und einen ersten Drain D1 einer ersten HEMT-Vorrichtung 302; ein zweites Gate G2, eine zweite Source S2 und einen zweiten Drain D2 einer zweiten HEMT-Vorrichtung 304; und ein drittes Gate G3, eine dritte Source S3 und einen dritten Drain D3 einer als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306. In einigen Ausführungsformen kann die Gate-Struktur 318 eine dotierte Halbleitermaterialschicht 320 und eine Gate-Elektrode 322 aufweisen, die über der dotierten Halbleitermaterialschicht 320 angeordnet ist.As shown in cross-sectional view 2300 of FIG 23 As shown, a gate structure 318, a source contact 216s, and a drain contact 216d are formed over the active layer 412 within the first HEMT device region (902 of 21 ), a second HEMT device region (904 of 21 ) and a portion of the diode-connected HEMT device (906 of 21 ) educated. Gate structure 318, source contact 216s, and drain contact 216d define: a first gate G 1 , a first source S 1 , and a first drain D 1 of a first HEMT device 302; a second gate G 2 , a second source S 2 and a second drain D2 of a second HEMT device 304; and a third gate G3, a third source S3, and a third drain D3 of a diode-connected HEMT device 306. In some embodiments, the gate structure 318 may include a doped semiconductor material layer 320 and a gate electrode 322 overlying the doped semiconductor material layer 320 is arranged.

Wie in der Querschnittsansicht 2400 von 24 dargestellt ist, werden mehrere leitfähige Zwischenverbindungsschichten 706 innerhalb einer dielektrischen Struktur 324 ausgebildet, die über der aktiven Schicht 412 ausgebildet wurde. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Struktur 324 mehrere gestapelte ILD-Schichten aufweisen, die durch mehrere Ätzstoppschichten getrennt sind. In einigen Ausführungsformen können die mehreren leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 706 sich abwechselnde Schichten von Zwischenverbindungsdrähten und Zwischenverbindungs-Durchkontaktierungen aufweisen.As shown in cross-sectional view 2400 of FIG 24 As shown, a plurality of conductive interconnect layers 706 are formed within a dielectric structure 324 formed over active layer 412. FIG. In some embodiments, the dielectric structure 324 may include multiple stacked ILD layers separated by multiple etch stop layers. In some embodiments, the plurality of conductive interconnect layers 706 may include alternating layers of interconnect wires and interconnect vias.

In einigen (nicht dargestellten) Ausführungsformen sind die mehreren leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 706 eingerichtet, elektrisch das erste Gate G1 der ersten HEMT-Vorrichtung 302 mit der dritten Source S3 und dem dritten Gate G3 der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306 zu verbinden, den ersten Drain D1 der ersten HEMT-Vorrichtung 302 mit der zweiten Source S2 der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 zu verbinden und außerdem das zweite Gate G2 der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 mit dem dritten Drain D3 der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung 306 zu verbinden. Die elektrischen Verbindungen von den mehreren leitfähigen Zwischenverbindungsschichten 706 bewirken, dass die erste HEMT-Vorrichtung 302, die zweite HEMT-Vorrichtung 304 und die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung 306 wie eine einzige Hochspannungsvorrichtung arbeiten, die einen gemeinsamen Source-Anschluss, einen gemeinsamen Drain Anschluss und einen gemeinsamen Gate Anschluss aufweist (in 2 dargestellt). Die Hochspannungsvorrichtung weist eine Durchschlagsspannung auf, die größer als die von entweder der ersten HEMT-Vorrichtung 302 oder der zweiten HEMT-Vorrichtung 304 ist.In some embodiments (not shown), the plurality of conductive interconnection layers 706 are configured to electrically connect the first gate G 1 of the first HEMT device 302 to the third source S 3 and the third gate G 3 of the diode-connected HEMT device 306. to connect the first drain D 1 of the first HEMT device 302 to the second source S 2 of the second HEMT device 304 and also to connect the second gate G 2 of the second HEMT device 304 to the third drain D 3 of the diode connected HEMT- device 306 to connect. The electrical connections from the plurality of conductive interconnect layers 706 cause the first HEMT device 302, the second HEMT device 304, and the diode connected HEMT device 306 to operate as a single high voltage device having a common source, common drain terminal and a common gate terminal (in 2 shown). The high voltage device has a breakdown voltage that is greater than that of either the first HEMT device 302 or the second HEMT device 304 .

Wie in der Querschnittsansicht 2500 von 25 dargestellt ist, ist der Die 402 innerhalb eines Package untergebracht. In einigen Ausführungsformen kann der Die 402 mittels eines oder mehrerer Mikrohöcker 708 an ein Trägersubstrat 702 gebondet werden. Anschließend wird eine Formgießmasse 704 über dem Trägersubstrat 702 und dem Die 402 ausgebildet.As in the cross-sectional view 2500 of 25 As shown, the die 402 is housed within a package. In some embodiments, the die 402 may be bonded to a support substrate 702 via one or more micro bumps 708 . A molding compound 704 is then formed over the support substrate 702 and the die 402 .

26 stellt ein Ablaufdiagramm von einigen Ausführungsformen eines Verfahrens 2600 zum Ausbilden einer Hochspannungsvorrichtung dar, die eine Kaskodenstruktur mit mehreren HEMT-Vorrichtungen aufweist. 26 FIG. 26 illustrates a flow chart of some embodiments of a method 2600 for forming a high voltage device having a cascode structure with multiple HEMT devices.

Obwohl das Verfahren 2600 hier als eine Abfolge von Arbeitsgängen oder Vorgängen dargestellt und beschrieben ist, wird einzusehen sein, dass die dargestellte Reihenfolge derartiger Arbeitsgänge oder Vorgänge nicht als eine Einschränkung auszulegen ist. Zum Beispiel können einige Arbeitsgänge in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Arbeitsgängen oder Vorgängen außer den hier dargestellten und/oder beschriebenen ablaufen. Darüber hinaus brauchen nicht alle dargestellten Arbeitsgänge erforderlich zu sein, um hier eine oder mehrere Ausbildungen oder Ausführungsformen der Beschreibung zu realisieren. Außerdem können ein oder mehrere der hier dargestellten Arbeitsgänge in einem oder mehreren getrennten Arbeitsgängen und/oder Phasen ausgeführt werden.Although method 2600 is illustrated and described herein as a sequence of operations or acts, it will be appreciated that the illustrated order of such operations or acts is not to be construed as a limitation. For example, some operations may occur in different orders and/or concurrently with other operations or operations than those illustrated and/or described herein. In addition, not all of the work steps shown need to be necessary in order to implement one or more configurations or embodiments of the description here. Besides that one or more of the operations presented herein may be performed in one or more separate operations and/or phases.

In 2602 wird ein Substrat bereitgestellt, das einen ersten HEMT-Vorrichtungsbereich, einen zweiten HEMT-Vorrichtungsbereich und einen Bereich einer als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung aufweist. Die 9 und 16 zeigen die Querschnittsansichten 900 und 1600 von einigen Ausführungsformen gemäß dem Arbeitsgang 2602.In 2602, a substrate is provided having a first HEMT device region, a second HEMT device region, and a diode-connected HEMT device region. the 9 and 16 9 show cross-sectional views 900 and 1600 of some embodiments according to operation 2602.

In 2604 kann in einigen Ausführungsformen eine epitaxiale Pufferschicht über dem Substrat ausgebildet werden. 18 zeigt die Querschnittsansicht 1800 von einigen Ausführungsformen gemäß dem Arbeitsgang 2604.In 2604, in some embodiments, an epitaxial buffer layer may be formed over the substrate. 18 Figure 18 shows cross-sectional view 1800 of some embodiments according to operation 2604.

In 2606 wird eine Kanalschicht über dem Substrat ausgebildet. Die 10 und 18 zeigen die Querschnittsansichten 1000 und 1800 von einigen Ausführungsformen gemäß dem Arbeitsgang 2606.At 2606, a channel layer is formed over the substrate. the 10 and 18 1000 and 1800 show cross-sectional views of some embodiments according to operation 2606.

In 2608 wird eine aktive Schicht über dem Substrat ausgebildet. Die 10 und 18 zeigen die Querschnittsansichten 1000 und 1800 von einigen Ausführungsformen gemäß dem Arbeitsgang 2608.At 2608, an active layer is formed over the substrate. the 10 and 18 1000 and 1800 show cross-sectional views of some embodiments according to operation 2608.

In 2610 werden Isolationsbereiche innerhalb der aktiven Schicht und der Kanalschicht zwischen dem ersten HEMT-Vorrichtungsbereich, dem zweiten HEMT-Vorrichtungsbereich und dem Bereich der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung ausgebildet. Die 11 und 19 zeigen die Querschnittsansichten 1000 und 1700 von einigen Ausführungsformen gemäß dem Arbeitsgang 2610.In 2610, isolation regions are formed within the active layer and the channel layer between the first HEMT device region, the second HEMT device region, and the diode-connected HEMT device region. the 11 and 19 1000 and 1700 show cross-sectional views of some embodiments according to operation 2610.

In 2612 werden der erste HEMT-Vorrichtungsbereich und der Bereich der als Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung elektrisch vom zweiten HEMT-Vorrichtungsbereich isoliert. Die 14 und 17 und 20-22 zeigen die Querschnittsansichten von einigen Ausführungsformen gemäß dem Arbeitsgang 2612.At 2612, the first HEMT device area and the diode connected HEMT device area are electrically isolated from the second HEMT device area. the 14 and 17 and 20-22 Figure 12 shows the cross-sectional views of some embodiments according to operation 2612.

In 2614 werden eine erste Gate-Struktur, ein erster Source-Kontakt und ein erster Drain-Kontakt innerhalb des ersten HEMT-Vorrichtungsbereichs ausgebildet, um eine erste HEMT-Vorrichtung festzulegen. Die 12A, 12B und 23 zeigen die Querschnittsansichten 1200, 1202 und 2300 von einigen Ausführungsformen gemäß dem Arbeitsgang 2614.At 2614, a first gate structure, a first source contact, and a first drain contact are formed within the first HEMT device region to define a first HEMT device. the 12A , 12B and 23 12 show cross-sectional views 1200, 1202, and 2300 of some embodiments according to operation 2614.

In 2616 werden eine zweite Gate-Struktur, ein zweiter Source-Kontakt und ein zweiter Drain-Kontakt innerhalb des zweiten HEMT-Vorrichtungsbereichs ausgebildet, um eine zweite HEMT-Vorrichtung festzulegen. Die 12A, 12B, und 23 zeigen die Querschnittsansichten 1200, 1202 und 2300 von einigen Ausführungsformen gemäß dem Arbeitsgang 2616.At 2616, a second gate structure, a second source contact, and a second drain contact are formed within the second HEMT device region to define a second HEMT device. the 12A , 12B , and 23 12 show cross-sectional views 1200, 1202, and 2300 of some embodiments according to operation 2616.

In 2618 werden eine dritte Gate-Struktur, ein dritter Source-Kontakt und ein dritter Drain-Kontakt innerhalb des Bereichs der Diode geschalteten HEMT-Vorrichtung ausgebildet, um eine als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung festzulegen. Die 12A, 12B und 23 zeigen die Querschnittsansichten 1200, 1202 und 2300 von einigen Ausführungsformen gemäß dem Arbeitsgang 2618.At 2618, a third gate structure, a third source contact, and a third drain contact are formed within the area of the diode connected HEMT device to define a diode connected HEMT device. the 12A , 12B and 23 12 show cross-sectional views 1200, 1202, and 2300 of some embodiments according to operation 2618.

In 2620 werden eine oder mehrere leitfähige Schichten ausgebildet, um die erste HEMT-Vorrichtung und die zweite HEMT-Vorrichtung in einer Reihenschaltung zu verbinden, die eine Hochspannungsvorrichtung festlegt, welche die als Diode geschaltete HEMT-Vorrichtung umfasst. Die Hochspannungsvorrichtung weist eine Durchschlagsspannung auf, die größer als die Durchschlagsspannungen der ersten HEMT-Vorrichtung oder der zweiten HEMT-Vorrichtung ist. Die 13 und 15 und die 24-25 zeigen die Querschnittsansichten von einigen Ausführungsformen entsprechend dem Arbeitsgang 2620.At 2620, one or more conductive layers are formed to connect the first HEMT device and the second HEMT device in a series circuit that defines a high voltage device that includes the diode-connected HEMT device. The high voltage device has a breakdown voltage that is greater than the breakdown voltages of the first HEMT device or the second HEMT device. the 13 and 15 and the 24-25 Figure 12 shows the cross-sectional views of some embodiments corresponding to operation 2620.

Dementsprechend betrifft die vorliegende Offenbarung eine Hochspannungsvorrichtung mit einer ersten HEMT-Vorrichtung, die in Reihe mit einer zweiten HEMT-Vorrichtung geschaltet ist, um so gemeinsam als ein Äquivalent zu einer einzigen Hochspannungstransistorvorrichtung zu funktionieren, die eine relativ große Durchschlagsspannung aufweist (d.h. eine Durchschlagsspannung, die größer als die Durchschlagsspannungen von entweder der ersten HEMT-Vorrichtung oder der zweiten HEMT-Vorrichtung ist).Accordingly, the present disclosure relates to a high voltage device including a first HEMT device connected in series with a second HEMT device so as to function together as an equivalent to a single high voltage transistor device having a relatively large breakdown voltage (i.e., a breakdown voltage, which is greater than the breakdown voltages of either the first HEMT device or the second HEMT device).

Claims (20)

Halbleitervorrichtung mit: einer ersten HEMT-Vorrichtung (104, 302), die innerhalb einer Halbleiterstruktur (212) angeordnet ist und eine erste Source (S1), einen ersten Drain (D1) und ein erstes Gate (G1) aufweist; einer zweiten HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502), die innerhalb der Halbleiterstruktur (212) in Reihe mit der ersten HEMT-Vorrichtung (104, 302) angeordnet ist und eine zweite Source (S2), die mit dem ersten Drain (D1) verbunden ist, einen zweiten Drain (D2) und ein zweites Gate (G2) aufweist; und einer als Diode geschalteten Transistorvorrichtung (110, 306), die innerhalb der Halbleiterstruktur (212) angeordnet und zwischen die erste HEMT-Vorrichtung (104, 302) und die zweite HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502) geschaltet ist und eine dritte Source (S3), ein drittes Gate (G3) und einen dritten Drain (D3) aufweist, der mit dem zweiten Gate (G2) verbunden ist.A semiconductor device comprising: a first HEMT device (104, 302) disposed within a semiconductor structure (212) and having a first source (S1), a first drain (D1) and a first gate (G1); a second HEMT device (108, 304, 502) arranged within the semiconductor structure (212) in series with the first HEMT device (104, 302) and a second source (S2) connected to the first drain (D1 ) is connected, has a second drain (D2) and a second gate (G2); and a diode connected transistor device (110, 306) disposed within the semiconductor structure (212) and connected between the first HEMT device (104, 302) and the second HEMT device (108, 304, 502) and a third Source (S3), a third gate (G3) and a third drain (D3) connected to the second gate (G2). Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste HEMT-Vorrichtung (104, 302) eine erste Anreicherungsmodus-HEMT-Vorrichtung ist.semiconductor device claim 1 , wherein the first HEMT device (104, 302) is a first enhancement mode HEMT device. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502) eine zweite Anreicherungsmodus-HEMT-Vorrichtung ist; und wobei die dritte Source (S3) mit dem ersten Gate (G1) verbunden und der dritte Drain (D3) mit dem zweiten Gate (G2) verbunden ist.semiconductor device claim 1 or 2 wherein the second HEMT device (108, 304, 502) is a second enhancement mode HEMT device; and wherein the third source (S3) is connected to the first gate (G1) and the third drain (D3) is connected to the second gate (G2). Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502) eine Verarmungsmodus-HEMT-Vorrichtung ist; und wobei die dritte Source (S3) mit der ersten Source (S1) verbunden und der dritte Drain (D3) mit dem zweiten Gate (G2) verbunden ist.semiconductor device claim 1 or 2 wherein the second HEMT device (108, 304, 502) is a depletion mode HEMT device; and wherein the third source (S3) is connected to the first source (S1) and the third drain (D3) is connected to the second gate (G2). Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste HEMT-Vorrichtung (104, 302) und die als Diode geschaltete Transistorvorrichtung (110, 306) innerhalb eines ersten Die (308a) angeordnet sind; und wobei die zweite HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502) innerhalb eines zweiten Die (308b) angeordnet ist, der eine ganz außen liegende Seitenwand aufweist, die von einer ganz außen liegenden Seitenwand des ersten Die (308a) durch einen von Null verschiedenen Abstand getrennt ist.Semiconductor device according to one of the preceding claims, wherein the first HEMT device (104, 302) and the diode connected transistor device (110, 306) are disposed within a first die (308a); and wherein the second HEMT device (108, 304, 502) is disposed within a second die (308b) having an outermost sidewall separated from an outermost sidewall of the first die (308a) by a non-zero distance is separated. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, wobei der erste Die (308a) und der zweite Die (308b) jeweils aufweisen: ein Substrat (202, 312,406), das ein erstes Halbleitermaterial aufweist, eine Kanalschicht (314,410), die über dem Substrat (202, 312,406) angeordnet ist und ein zweites Halbleitermaterial aufweist, und eine aktive Schicht (316,412), die über der Kanalschicht (314,410) angeordnet ist und ein drittes Halbleitermaterial aufweist.semiconductor device claim 5 , wherein the first die (308a) and the second die (308b) each comprise: a substrate (202, 312,406) comprising a first semiconductor material, a channel layer (314,410) disposed over the substrate (202, 312,406) and comprising a second semiconductor material, and an active layer (316,412) disposed over the channel layer (314,410) and comprising a third semiconductor material. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei der erste Die (308a) und der zweite Die (308b) jeweils aufweisen: eine Galliumnitridschicht, die über einem Siliziumsubstrat angeordnet ist, und eine Aluminium-Galliumnitrid-Schicht, die auf der Galliumnitridschicht angeordnet ist.semiconductor device claim 5 or 6 wherein the first die (308a) and the second die (308b) each comprise: a gallium nitride layer disposed over a silicon substrate and an aluminum gallium nitride layer disposed on the gallium nitride layer. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Galliumnitridschicht eine Dicke aufweist, die kleiner als oder gleich ungefähr 10 Mikrometer ist.semiconductor device claim 7 , wherein the gallium nitride layer has a thickness that is less than or equal to about 10 microns. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste HEMT-Vorrichtung (104, 302), die als Diode geschaltete Transistorvorrichtung (110, 306) und die zweite HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502) innerhalb eines Die (308a, 308b, 402) angeordnet sind.A semiconductor device as claimed in any preceding claim, wherein the first HEMT device (104, 302), the diode connected transistor device (110, 306) and the second HEMT device (108, 304, 502) are within a die (308a, 308b, 402) are arranged. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Die (308a, 308b, 402) umfasst: ein Substrat (202, 312, 406), das Silizium mit einem ersten Dotierungstyp aufweist, eine Galliumnitridschicht, die über dem Substrat (202, 312,406) angeordnet ist, und eine Aluminium-Galliumnitrid-Schicht, die eine Oberseite der Galliumnitridschicht berührt.semiconductor device claim 9 , wherein the die (308a, 308b, 402) comprises: a substrate (202, 312, 406) comprising silicon with a first doping type, a gallium nitride layer disposed over the substrate (202, 312, 406), and an aluminum Gallium nitride layer touching a top surface of the gallium nitride layer. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Die (308a, 308b, 402) aufweist: ein Substrat (202, 312,406), das ein erstes Halbleitermaterial mit einem ersten Dotierungstyp aufweist, eine epitaxiale Pufferschicht (408), die über dem Substrat (202, 312,406) angeordnet ist und das erste Halbleitermaterial mit dem ersten Dotierungstyp aufweist, eine Kanalschicht (314,410), die über der epitaxialen Pufferschicht (408) angeordnet ist und ein zweites Halbleitermaterial aufweist, und eine aktive Schicht (316,412), die über der Kanalschicht (314,410) angeordnet ist und ein drittes Halbleitermaterial aufweist.semiconductor device claim 9 , wherein the die (308a, 308b, 402) comprises: a substrate (202, 312, 406) comprising a first semiconductor material having a first doping type, an epitaxial buffer layer (408) disposed over the substrate (202, 312, 406) and the first semiconductor material having the first doping type comprises a channel layer (314,410) arranged over the epitaxial buffer layer (408) and comprising a second semiconductor material, and an active layer (316,412) arranged over the channel layer (314,410) and a third semiconductor material. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, außerdem mit: einer Isolationsstruktur (414), die einen dotierten Bereich mit einem zweiten Dotierungstyp aufweist, der sich von dem ersten Dotierungstyp unterscheidet, wobei der dotierte Bereich einen sich horizontal erstreckenden Abschnitt, der innerhalb des Substrats (202, 312, 406) angeordnet ist, aufweist und sich vertikal erstreckende Abschnitte, die von einer Oberseite des sich horizontal erstreckenden Abschnitts nach außen herausragen.semiconductor device claim 10 or 11 , further comprising: an isolation structure (414) having a doped region having a second doping type different from the first doping type, the doped region having a horizontally extending portion disposed within the substrate (202, 312, 406). has and vertically extending portions protruding outward from a top of the horizontally extending portion. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, ferner mit: einem oder mehreren leitfähigen Kontakten, die sich durch die Kanalschicht (314, 410) und die aktive Schicht (316, 412) hindurch erstrecken, um die Isolationsstruktur (414) zu berühren.semiconductor device claim 12 , further comprising: one or more conductive contacts extending through the channel layer (314, 410) and the active layer (316, 412) to contact the isolation structure (414). Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, wobei der eine oder die mehreren leitfähigen Kontakte physisch die Isolationsstruktur (414) an einer Grenzfläche berühren, die entlang einer horizontalen Ebene angeordnet ist, welche sich längs einer Deckfläche der epitaxialen Pufferschicht (408) erstreckt.semiconductor device Claim 13 wherein the one or more conductive contacts physically touch the isolation structure (414) at an interface disposed along a horizontal plane that extends along a top surface of the epitaxial buffer layer (408). Hochspannungsvorrichtung mit: einer Halbleiterstruktur (212), die ein Substrat (202, 312,406), eine Kanalschicht (314, 410) über dem Substrat (202, 312,406) und eine aktive Schicht (316,412) über der Kanalschicht (314,410) aufweist, einer ersten HEMT-Vorrichtung (104, 302), die eine erste Source (S1), einen ersten Drain (D1) und erstes Gate (G1) aufweist, die über der aktiven Schicht (316, 412) angeordnet sind, einer zweiten HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502), die eine zweite Source (S2), einen zweiten Drain (D2) und ein zweites Gate (G2) aufweist, die über der aktiven Schicht (316,412) in Reihe mit der ersten HEMT-Vorrichtung (104, 302) angeordnet sind, einer als Diode geschalteten Transistorvorrichtung (110, 306), die zwischen die erste HEMT-Vorrichtung (104, 302) und die zweite HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502) geschaltet ist und eine dritte Source (S3), einen dritten Drain (D3) und ein drittes Gate (G3) aufweist, die über der aktiven Schicht (316, 412) angeordnet sind, und einer oder mehreren leitfähigen Schichten, die über der Halbleiterstruktur (212) angeordnet und eingerichtet sind, den ersten Drain (D1) mit der zweiten Source (S2) und den dritten Drain (D3) mit dem zweiten Gate (G2) elektrisch zu verbinden.A high voltage device comprising: a semiconductor structure (212) including a substrate (202, 312,406), a channel layer (314,410) over the substrate (202,312,406) and an active layer (316,412) over the channel layer (314,410), a first HEMT device (104,302) having a first source (S1 ), a first drain (D1) and first gate (G1) disposed over the active layer (316, 412), a second HEMT device (108, 304, 502) having a second source (S2), a second drain (D2) and a second gate (G2) disposed over the active layer (316,412) in series with the first HEMT device (104,302), a diode connected transistor device (110,306), connected between the first HEMT device (104, 302) and the second HEMT device (108, 304, 502) and having a third source (S3), a third drain (D3) and a third gate (G3), disposed over the active layer (316, 412), and one or more conductive layers disposed over the semiconductor structure (212) and are arranged to electrically connect the first drain (D1) to the second source (S2) and the third drain (D3) to the second gate (G2). Hochspannungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die erste HEMT-Vorrichtung (104, 302) und die als Diode geschaltete Transistorvorrichtung (110, 306) innerhalb eines ersten Die (308a) angeordnet sind; und wobei die zweite HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502) innerhalb eines zweiten Die (308b) angeordnet ist, der durch einen von Null verschiedenen Abstand von dem ersten Die (308a) getrennt ist.high voltage device claim 15 wherein the first HEMT device (104, 302) and the diode connected transistor device (110, 306) are disposed within a first die (308a); and wherein the second HEMT device (108, 304, 502) is disposed within a second die (308b) separated by a non-zero distance from the first die (308a). Hochspannungsvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei sich das Substrat (202, 312, 406) durchgehend unterhalb der ersten HEMT-Vorrichtung (104, 302), der als Diode geschalteten Transistorvorrichtung (110, 306) und der zweiten HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502) erstreckt.high voltage device claim 15 or 16 wherein the substrate (202, 312, 406) extends continuously beneath the first HEMT device (104, 302), the diode-connected transistor device (110, 306) and the second HEMT device (108, 304, 502). Hochspannungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, ferner mit: einer Isolationsstruktur (414), die einen dotierten Bereich aufweist, der innerhalb des Substrats (202, 312,406) angeordnet ist und einen anderen Dotierungstyp als das Substrat (202,312,406) aufweist, wobei der dotierte Bereich einen sich horizontal erstreckenden Abschnitt seitlich zwischen einem ersten sich vertikal erstreckenden Abschnitt, der von einer Oberseite des sich horizontal erstreckenden Abschnitts nach außen herausragt, und einem zweiten sich vertikal erstreckenden Abschnitt aufweist, der von der Oberseite des sich horizontal erstreckenden Abschnitts nach außen herausragt.High-voltage device according to any one of Claims 15 until 17 , further comprising: an isolation structure (414) having a doped region disposed within said substrate (202,312,406) and having a different doping type than said substrate (202,312,406), said doped region having a horizontally extending portion laterally therebetween a first vertically extending portion protruding outwardly from a top of the horizontally extending portion, and a second vertically extending portion protruding outwardly from a top of the horizontally extending portion. Verfahren zum Ausbilden einer Hochspannungsvorrichtung, umfassend: Ausbilden einer Kanalschicht (314,410), die ein zweites Halbleitermaterial aufweist, über einem Substrat (202, 312,406), das ein erstes Halbleitermaterial aufweist, Ausbilden einer aktiven Schicht (316,412), die ein drittes Halbleitermaterial aufweist, über der Kanalschicht (314,410), Ausbilden einer ersten Gate-Struktur (G1), eines ersten Source-Kontakts (S1) und eines ersten Drain-Kontakts (D1) über der aktiven Schicht (316, 412), um eine erste HEMT-Vorrichtung (104, 302) zu definieren, Ausbilden einer zweiten Gate-Struktur (G2), eines zweiten Source-Kontakts (S2) und eines zweiten Drain-Kontakts (D2) über der aktiven Schicht (316, 412), um eine zweite HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502) zu definieren, Ausbilden einer als Diode geschalteten Transistorvorrichtung (110, 306), die zwischen die erste HEMT-Vorrichtung (104, 302) und die zweite HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502) geschaltet ist und einen dritten Source-Kontakt (S3), einen dritten Drain-Kontakt (D3) und eine dritte Gate-Struktur (G3) aufweist, über der aktiven Schicht (316, 412), und Ausbilden einer oder mehrerer leitfähiger Schichten über der aktiven Schicht (316,412), um die erste HEMT-Vorrichtung (104, 302) und die zweite HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502) in einer Reihenschaltung elektrisch zu verbinden und den dritten Drain-Kontakt (D3) mit der zweiten Gate-Struktur (G2) elektrisch zu verbinden, welche eine Hochspannungsvorrichtung mit einer Durchschlagsspannung festlegt, die größer als Durchschlagsspannungen der ersten HEMT-Vorrichtung (104, 302) oder der zweiten HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502) ist.A method of forming a high voltage device, comprising: forming a channel layer (314,410) comprising a second semiconductor material over a substrate (202,312,406) comprising a first semiconductor material, forming an active layer (316,412) comprising a third semiconductor material over the channel layer (314,410), forming a first gate structure (G1), a first source contact (S1), and a first drain contact (D1) over the active layer (316, 412) to define a first HEMT device (104, 302). , forming a second gate structure (G2), a second source contact (S2), and a second drain contact (D2) over the active layer (316, 412) to form a second HEMT device (108, 304, 502) define, Forming a diode connected transistor device (110, 306) connected between the first HEMT device (104, 302) and the second HEMT device (108, 304, 502) and a third source contact (S3), a a third drain contact (D3) and a third gate structure (G3) over the active layer (316, 412), and forming one or more conductive layers over the active layer (316,412) to electrically connect the first HEMT device (104,302) and the second HEMT device (108,304,502) in a series circuit and the third drain contact (D3) to electrically connect the second gate structure (G2) defining a high voltage device having a breakdown voltage greater than breakdown voltages of the first HEMT device (104, 302) or the second HEMT device (108, 304, 502 ) is. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: selektives Implantieren eines ersten Dotierungsstoffes in das Substrat (202, 312,406), um einen sich horizontal erstreckenden Isolationsbereich innerhalb des Substrats (202, 312, 406) auszubilden, Ausbilden einer epitaxialen Pufferschicht (408) auf dem Substrat (202, 312,406) nach dem Implantieren des ersten Dotierungsstoffes und vor dem Ausbilden der Kanalschicht (314, 410), selektives Strukturieren der aktiven Schicht (316,412) und der Kanalschicht (314, 410), um Gräben festzulegen, die sich durch die aktive Schicht (316, 412) und die Kanalschicht (314, 410) hindurch zu der epitaxialen Pufferschicht (408) erstrecken, und Implantieren der epitaxialen Pufferschicht (408), um einen oder mehrere sich vertikal erstreckende Isolationsbereiche auszubilden, die den sich horizontal erstreckenden Isolationsbereich berühren, wobei der eine oder die mehreren sich vertikal erstreckenden Isolationsbereiche auf entgegengesetzten Seiten der zweiten HEMT-Vorrichtung (108, 304, 502) angeordnet sind.procedure after claim 19 , further comprising: selectively implanting a first dopant into the substrate (202, 312,406) to form a horizontally extending isolation region within the substrate (202, 312, 406), forming an epitaxial buffer layer (408) on the substrate (202, 312,406 ) after implanting the first dopant and before forming the channel layer (314, 410), selectively patterning the active layer (316, 412) and the channel layer (314, 410) to define trenches extending through the active layer (316, 412 ) and the channel layer (314, 410) extending through to the epitaxial buffer layer (408), and implanting the epitaxial buffer layer (408) to form one or more vertically extending isolation regions contacting the horizontally extending isolation region, the one or the plurality of vertically extending isolation regions on opposite sides ten of the second HEMT device (108, 304, 502) are arranged.
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