DE112005000223T5 - Verbesserte Betriebsweise mit III-nitrierten Feldeffekttransistoren - Google Patents

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Abstract

Eine III-nitrierte Vorrichtung für eine Betriebsartverbesserung, umfassend:
einen Leitungskanal, gebildet durch eine Schnittstelle zwischen einem ersten III-nitriertem Material und einem zweiten III-nitrierten Material, die zwei III-nitrierten Materialien mit einer unterschiedlichen Gate-Konstante in der Ebene, oder unterschiedlichen Bandabständen,
eine stromführende Elektrode angeschlossen an den Kanal um den Kanaldurchflußstrom zu leiten
eine Gateelektrode, angeschlossen an den Kanal und betriebsbereit um den Leitungskanal zu beeinflussen, um in diesem den Durchfluss von Strom zu ermöglichen oder zu vermeiden, und
eine Modifizierung, gebildet in einer der III-nitrierten Schichten, so dass zum Beispiel der Leitungskanal an der Schnittstelle unterbrochen wird, wenn die Gateelektrode nicht aktiviert ist.

Description

  • Bezug zu verwandter Anmeldung
  • Die vorliegende Anmeldung beruht auf und bezieht sich auf die vorläufige US Anmelde-Nr. 60/538,795, angemeldet am 23. Januar 2004, unter dem Titel Verbesserte Betriebsweise durch Feldeffekttransistoren (FET) basierend auf einer geätzten Schranke, für welche der Anspruch auf Priorität hiermit erfolgt und dessen Offenbarung durch Bezugnahme eingegliedert wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine Art der Feldeffekttransistoren, basierend auf III-nitrierten Materialien und steht in einem engeren Zusammenhang mit der Verbesserung einer Betriebsweise.
  • 2. Beschreibung verwandter Technik
  • III-nitrierte Halbleiter sind gegenwärtig dafür bekannt, dass sie ein großes dielektrisches Störungsfeld von mehr als 2.2 MV/cm aufweisen. III-nitrierte Heteroübergangsstrukturen sind ebenfalls fähig, extrem hohe Stromstärken zu leiten, was die aus III-nitriertem Material hergestellten Vorrichtungen zu außerordentlichen Systemen für die Anwendung auf dem Strombereich macht.
  • Die Entwicklung von Vorrichtungen auf der Basis von III-nitrierten Materialien wurde allgemein für die Anwendung von Starkstrom-Hochfrequenz-Anwendungen ausgerichtet, wie zum Beispiel für Mobiltelefon-Basisstationen. Die für diese Anwendung hergestellten Vorrichtungen basieren auf einer allgemeinen Vorrichtungsstruktur, die eine hohe Elektronen-Mobilität aufweisen und werden verschiedenartig als Heteroverbindungs-Feldeftekttransistoren (HFETs), hochelektrone Mobilitätstransistoren (HEMTs) oder modulationsdotierte Feldeffekttransistoren (MODFETs) bezeichnet. Diese Art von Vorrichtungen widersteht normalerweise einer Hochspannung von 100 Volt, bei einer Hochfrequenz von 2–100 GHz. Diese Vorrichtungen können modifiziert werden für die Anwendung auf weitere Bereiche, funktionieren jedoch normalerweise durch die Anwendung von piezoelektrischen Polarisationsfeldern, zur Erzeugung von zweidimensionalen Elektrongasen (2DEG), die den Transport von sehr hohen Stromdichten mit sehr niedrigen Widerstandsverlusten ermöglichen. Die 2DEG wird an einer Schnittstelle aus AlGaN und GaN Materialien in diesen herkömmlichen III-nitrierten HEMT Vorrichtungen gebildet. Bedingt durch die Art der AlGaN/GaN Schnittstelle, und die Bildung der 2DEG an der Schnittstelle, haben die Vorrichtungen, gebildet in dem III-nitrierten Materialsystem die Tendenz, im Normalbetrieb offen, oder aber Abreicherungsvorrichtungen zu sein. Die hohe Elektron-Geschwindigkeit der 2DEG an der Schnittstelle der AlGaN/GaN Schichten ermöglicht es der III-nitrierten Vorrichtung, ebenso wie der HEMT Vorrichtung, die Leitung ohne die Anwendung eines Gatepotentials vorzunehmen. Der Nennwert der Art der vorgefertigten HEMT Vorrichtungen verfügen über eine begrenzte Anwendungsweise in der Energieverwaltung. Die Begrenzungen des Nennwertes für die Stromvorrichtungen kann beobachtet werden bei der Notwendigkeit über einen angetriebenen Steuerkeis zu verfügen, bevor sie in der Lage sind den Strom sicher durch eine III-nitrierten HEMT Vorrichtung steuern zu können. Dementsprechend sollte es wünschenswert sein, eine III-nitrierte Vorrichtung zu erstellen, die nominell ausgeschaltet ist, um Stromleitungsprobleme bei der Inbetriebnahme und oder anderen Betriebsweisen zu vermeiden.
  • Ein Nachteil der III-nitrierten HEMT Vorrichtungen für hohe Stromdichten mit niedrigem Widerstandsverlust ist die begrenzte Dicke, die durch das gespannte AlGaN/GaN System erreicht werden kann. Der Unterschied in der gitterartigen Struktur dieser Art Materialien verursacht eine Spannung, die zu einer Versetzung der Folien, aus denen die verschiednen Schichten gebildet werden, führen kann. Dies kann zu hohen Verlusten in der Schrankenschicht führen. Einige vorangehende Auslegungen haben sich darauf konzentriert die Gate-Konstante auf gleicher Ebene der AlGaN Schicht zu verringern, nahe dem Punkt an dem die Entspannung auftritt, um die Versetzungsbildung und Verluste zu verringern.
  • Jedoch wird das Problem der begrenzten Dicke in dieser Auslegung nicht behandelt.
  • Eine weitere Lösung besteht in der Hinzufügung von Isolierungsschichten um die Verlustprobleme zu vermeiden. Das Hinzufügen von Isolierungsschichten kann die Verluste durch die Schrankenschicht verringern, und normalerweise bestehen die Schichten, die zu diesem Zweck verwendet werden aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Saphiren oder anderen Isoliermaterialien, die zwischen den AlGaN und Metallgitterschichten angeordnet werden. Diese Art Vorrichtungen wird oft als MISHFET bezeichnet und hat einige Vorteile gegenüber den herkömmlichen Vorrichtungen, die über keine Isolierschichten verfügen.
  • Während zusätzliche Isolierschichten die Erstellung eines stärker gespannten AlGaN/GaN Systems ermöglichen, führt die Begrenzungsschicht durch die zusätzliche Isolierung zu einer niedrigeren Energieleitungskapazität, bedingt durch die Streuwirkung auf die Elektronen an der Schnittstelle GaN/Isolierung. Ebenso kann die zusätzliche Schnittstelle zwischen der AlGaN Schicht und der Isolierung zu der Bildung einer Schnittstellenfalle führen, die die Reaktion der Vorrichtung verlangsamt. Die zusätzliche Stärke des Oxids und die zusätzliche Schnittstelle zwischen den beiden Schichten erfordert außerdem eine größere Gate-Steuerspannung um die Vorrichtung umzuschalten.
  • Die herkömmlichen Vorrichtungsauslegungen, die nitriertes Material verwenden um bei Normalbetrieb ausgeschaltete Vorrichtungen zu erreichen, basieren auf dieser zusätzlichen Isolierung, um sie als Begrenzungsschicht einzusetzen, und können dadurch die obere AlGaN Schicht verringern oder eliminieren. Jedoch haben diese Vorrichtungen normalerweise eine niedrigere Stromleitungskapazität, durch die Streuwirkung an der GaN/Isolierungsschnittstelle.
  • Dementsprechend könnte es wünschenswert sein, eine nominell ausgeschaltete HEMT Umschaltvorrichtung oder einen Feldeffekttransistor (FET) mit niedrigen Verlusteigenschaften mit weniger Schnittstellen und Schichten zu erstellen, der trotzdem Hochspannungen widerstehen kann und hohe Stromdichtungen mit niedrigen Widerstandverlusten bildet. Gegenwärtig wurden flächenebene Vorrichtungen aus GaN und AlGaN Legierungen mit verschiedenen Techniken hergestellt, einschließlich der Verfahren MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), wie auch Molekularstrahlepitaxie (MBE) (molecular beam epitaxy) und das HVPE (hydride vapor phase epitaxy) Verfahren.
  • Die Materialien in dem Galliumnitrid-Materialsystem können Galliumnitride (GaN) und deren Legierungsstoffe, wie Aluminiumgalliumnitride (AlGaN), Indiumgalliumnitride (InGaN) und Indiumaluminiumgalliumnitride (InAlGaN), enthalten. Bei diesen Materialien handelt es sich um Halbleiterkomponenten, die über einen relativ breiten direkten Bandabstand verfügen, der hohe energetischelektronische Übergänge zulässt. Galliumnitridmaterialien wurden aus einer Anzahl von verschiedenen Trägermaterialien gebildet, einschließlich Siliziumkarbid (SiC), Saphiren und Silikonen gebildet. Das Silikon-Trägermaterial steht zur Verfügung und ist relativ preisgünstig, und die Verarbeitungstechnologie für Silikone wurde gut ausgearbeitet.
  • Ungeachtet dessen stellt die Bildung von Galliumnitridmaterialien auf dem Silikon-Trägermaterial für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen eine Herausforderung dar, die sich aus den Unterschieden in der Gate-Konstante, den thermischen Dehnungen und dem Bandabstand zwischen Silikon. und Gallium-Nitriden ergibt.
  • Die Probleme, die der Begleitumstand bei dem Gitterversatz zwischen GaN und dem herkömmlichen Trägermaterial sind, bestehen weiterhin bei dem Trägermaterial mit GaN und GaN Legierungen. Zum Beispiel haben die GaN und AlGaN Materialien Gitterstrukturen mit einem bedeutend großen Unterschied, um eine Schnittstellenspannung zwischen den Schichten zu verursachen und tragen so zu der piezoelektrischen Polarisation bei. In vielen herkömmlichen Vorrichtungen werden die Felder, die durch die piezoelektrische Polarisation entstehen, gesteuert, um die Eigenschaften der Vorrichtung zu verbessern. Variationen in dem Aluminiumgehalt der AlGaN/GaN Schichtenstruktur hat die Tendenz, den Gitterversatz zwischen den Materialien zu beeinflussen, um verschiedene Vorrichtungseigenschaften zu erreichen, wie zum Beispiel eine Verbesserung der Leitungsfähigkeit oder der Isolierungsschranken.
    •
  • Eine Vorrichtungsart, die großen Nutzen aus der Erstellung einer nominell offenen Feldeffekttransistorvorrichtung ziehen würde, wäre ein zweidirektionaler Schalter, der als eine Halbleitungsvorrichtung zur Anwendung kommen könnte. Es besteht das Potential für große Optimierungen in einer Vielzahl von Anwendungen durch die Erstellung eines zweidirektionalen Schalters, der als eine Betriebsartverbesserungsvorrichtung verwendet wird. Gegenwärtig sind die bidirektionalen Vorrichtungen in gewisser Weise komplex und normalerweise bestehen sie aus einer Anzahl einzelner IC Vorrichtungen. Während ein nominell Ein III-nitrierter bidirektionaler Schalter von Vorteil für eine Vielzahl von Anwendungen wäre, würde die normalerweise offene, oder Betriebsartenverbesserungsvorrichtung für eine Vielzahl von Anwendungen bevorzugt, einschließlich Motorantriebe und Energieumwandlungssysteme.
  • Kurzfassung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, normalerweise offen, oder eine Betriebsartenverbesserungs-FET-Vorrichtung, erstellt aus einem III-nitrierten Materialsystem, die eingeschaltet werden kann für die Anwendung in der Vorspannung eines Gates. Ein Feldeffekttransistor (FET) gemäß der vorliegenden Erfindung besteht aus einer Oberschicht aus III-nitriertem Material, das über einer Unterschicht aus III-nitriertem Material gebildet wird. Die zwei III-nitrierten Materialen haben verschiedene Gate-Konstanten in der Ebene oder verschiedene Bandabstände. Ein Feldeffekttransistor (FET) gemäß der vorliegenden Erfindung ist fähig, hohe Stromstärken zu leiten, bedingt durch die Art des III-nitrierten Materialsystems, in dem die piezoelektrischen und spontanen Polarisierungsfelder dazu beitragen, ein 2DEG zu bilden, das eine hohe Leitungsmobilität und einen großen Durchsatz ermöglicht.
  • In einem Aspekt der Erfindung verfügt die Vorrichtung über eine Modifizierung, die eingesetzt wird um die Dichte der 2DEG zu modifizieren, so dass die Vorrichtung Aus ist, wenn keine Vorspannung auf das Gate angewandt wird. Die Modifizierung ist vorzugsweise eine Vertiefung, gebildet unter dem Gate in einem der III-nitrierten Materialien (vorzugsweise die Oberschicht aus III-nitriertem Material), kann jedoch ein Bereich mit einem eingesetzten Ion sein, ein indirekter Bereich, eine Oxidation oder eine Nitrierung. Ebenfalls, in der bevorzugten Ausführungsform, wird die Modifizierung in der Oberschicht aus dem III-nitrierten Material gebildet. Jedoch kann die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Modifizierung in der Unterschicht aus III-nitriertem Material einschließen.
  • Gemäß einer der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein nominell Aus Schalter gebildet durch das vertiefte Gate, um die Bildung eines 2DEG unter dem Gate zu ermöglichen, durch die Anwendung des Gatepotentials. Die Modifizierung verändert die Dichte des 2DEG, wenn das Potential auf das Gate zur Anwendung kommt, wodurch keine Leitung vorhanden ist, jedoch durch die Anwendung der Vorspannung auf das Gate wird das 2DEG wieder hergestellt und ist in der Lage zu leiten.
  • In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine FET Vorrichtung bereitgestellt und eine Betriebsweise, die sich zusammensetzt aus Schichten aus Gallium nitriertem Material, wie zum Beispiel AlGaN gewachsen auf GaN, und umfasst zwei Source-/Drain-Elektroden und eine Gate-Elektrode.
  • Vorteihaft ist, dass die Verkleidungs- und Kontaktschichten über oder unter dem aktiven Bereich aufgebaut werden können. Weitere bekannte Vorgehen für die Erstellung von Elektroden, Isolierungsschichten etc. können ebenfalls in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass eine gute GaN Schnittstelle bereitgestellt wird, um die Energieleitungskapazität zu verbessern, was besser ist als zusätzliche Isolierungsschichten oder Strukturen an der aktiven Schicht einzusetzen. Ohne zusätzliche Isolierungsschichten führt die epitaxiale Art der hier beschriebenen Hetero-Schnittstelle zu einer Erhöhung der Mobilität für die Elektronen in der 2DEG, wenn kummuliert.
  • In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein nominell Aus bidirektionaler Schalter bereitgestellt werden, in einem III-nitrierten Materialsystem und bildet eine AlGaN/GaN Schnittstelle, die als Unterbringung für die Bildung der 2DEG benutzt werden kann. Der Bereich, der einen Gatekontakt umgibt in der AlGaN Schicht, wird rückgeätzt, um den 2DEG lokal auszuschließen und eine Verbesserung der Betriebsweise zu erreichen. Gemäß einer Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ist die Gateelektrode equidistant von jeder Sourceelektrode und bildet den stromleitenden Pfad für den bidirektionalen Schalter.
  • In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird ein bedirektionaler Schalter mit einem Doppelgate bereitgestellt, in dem eine Gateelektrode mit einer Sourceelektrode gepaart wird um einen bidirektionalen Schalter mit multiplen Gates zu erhalten. Entsprechend einer Eigenschaft der Erfindung, wird die AlGaN Schicht zurück in den die Gateelektrode umgebenden Bereich rückgeätzt um eine verbesserte Betriebsweisenvorrichtung zu bilden, in der die 2DEG lokal zwischen den AlGaN/GaN Schichten entfernt wird.
  • In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ermöglicht eine Methode für die Erstellung eines Feldeffekttransistors (FET) in einem III-nitrierten Materialsystem die Überlagerung einer Trägerlage mit einer kompensierten GaN-Schicht, die mit einer AlGaN-Schicht überlagert wird und darauf folgend mit einer dopierten GaN Schicht. Die dopierte GaN Schicht kann geätzt werden und in den Source/Drain Elektroden geformt werden. Die AlGaN Schicht wird geätzt um eine Unterbrechung in der 2DEG an der Schichtschnittstelle zu bilden, wodurch ein nominell AUS Schalter entsteht. Eine Gateelektrode kann durch eine Isolierschicht geformt werden und mit einem geeigneten Material metallisiert werden, wie zum Beispiel TiW. Source/drain Kontakte werden ebenfalls durch die Isolierungsschicht gebildet und mit einem geeigneten Material metallisiert um einwandfreie Kontakte herzustellen.
  • Das große dielektrische Störungsfeld in dem III-nitrierten Halbleitermaterialsystem ermöglicht die Erstellung einer nominell Aus Stromvorrichtung mit verringerten Abstandbereichen. Das Materialsystem ermöglicht ebenfalls die Erstellung von Vorrichtungen mit verringerten spezifischen EIN Durchlasswiderständen im Vergleich mit bekannten Vorrichtungen für ähnliche Spannungsbereiche. In dem Fall der GaN/AlGaN Vorrichtungen, die hier besprochen werden, verfügt die planare Vorrichtung über ca. 100 mal Verbesserung in dem spezifischen Widerstand in einem Spannungsbereich von ca. 300 V im Vergleich zu einem geometrisch vertikalen Gegenstück.
  • III-nitrierte HEMT Vorrichtungen verfügen über den Vorteil der symmetrischen Eigenschaften für die Erstellung eines nominell Aus bidirektionalen Schalters, der die Spannung in beiden Richtungen blockieren kann, ohne dabei den Waferbereich zu opfern. Durch diesen Vorteil gegenüber herkömmlichen Schaltern, die die Spannung in nur einer Richtung blockieren, kann ein bidirektionaler Schalter vier einfache Schalter ersetzen und den gleichen allgemeinen Widerstand erreichen.
  • Die vorliegende Erfindung mit dem Doppelgate nominell Aus bidirektionalen Schalter ermöglicht die Teilung des Störbereichs der Spannung in der Vorrichtung. Während die Doppelgate Auslegung den Störungsbereich für die Spannung aufteilt, kann der Waferbereich, der für die Erstellung einer verbesserten Betriebsart in den bidirektionalen Schaltern benutzt wird, beachtlich verringert werden.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass ein Paar nominell Aus bidirektionaler Schalter in einer einzelnen Halbleiterstruktur erstellt werden können, um einen bidirektionalen Halbleiter-Überbrückungskreis mit einem gemeinsamen Drain zu bilden, zum Beispiel: Bidirektionale Halbleiter-Überbrückungsanordnungen sind nützlich für Anwendungen wie zum Beispiel Motorantriebssystemen, Energieumwandler und weitere bekannte Stromsteuerungssysteme. So können zum Beispiel eine Anzahl von nominell Aus bidirektionalen Schaltern in einer einzelnen Vorrichtungen erstellt werden um einen Drei-Phasen-Überbrückungskreis, einen vollen Überbrückungskreis oder einen Halbleiter-Überbrückungskreis zu bilden. Zusätzlich kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung auch in eine Schottkysche Überbrückung eingebaut werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die nominell Aus FET Vorrichtung mit Gate, Source und Drain Bereich definiert werden, unter Anwendung von zwei Schichten AlGaN/GaN Material um eine III-nitrierte HEMT Vorrichtung zu erstellen. Die Source und Drain Bereiche können durch Anwendung der bekannten Methoden erstellt werden, einschließlich der Ionen-Implantation, Ätzung für das Entfernen des Schrankenbereiches über den Source und Drain Bereichen und der Anwendung des Niederwiderstands des ohmischen Kontaktbildungsvorgehens.
  • Die Vorrichtung zeichnet sich ebenfalls aus durch niedrige Leckstellen an dem Gatekontakt und hohe Störbereiche aus den Schrankenschichten. Daraus ergibt sich dass die Vorrichtung eine größere dielektrische Konstante bereitstellt, im Vergleich zu den herkömmlichen Isolatoren, wie zum Beispiel SiO2 und SiN. Die hochkritischen Felder des GaN Material ermögliche dünne Schichten mit einem Widerstand gegen große Spannungen ohne dielektrische Störungen. Die dielektrische Konstante der GaN Materialien ist ca. 10, was einen Faktor darstellt, der 2,5 Mal besser ist als SiO2.
  • Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.
    •
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Querschnitt einer teilweise aus III-nitrierten Materialien gebildeten Vorrichtung.
  • 2 zeigt einen geätzten Bereich in der Vorrichtung der 1
  • 3 zeigt die Vorrichtung der 2 mit einem Gatekontakt.
  • 4 ist ein Querschnitt einer Vorrichtung aus III-nitriertem Material mit einem isolieren Gate gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 5 ist ein Querschnitt einer Doppelgate-Vorrichtung aus III-nitriertem Material gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 6 ist ein Querschnitt einer Vorrichtung aus III-nitriertem Material und zeigt ein Vorgehen gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die 7 bis 11 zeigen Abänderungen der Gatestruktur in einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Bei der Erstellung der Vorrichtungen aus GaN Material spielen eine Anzahl Faktoren mit, um die Funktionalität und die Fähigkeit der Vorrichtungen zu beeinflussen. Eine starke Gitterversetzung in den III-nitrierten Materialien und die starken piezoelektrischen und Polarisationseffekte in diesen Materialien beeinflussen bedeutend die elektrischen Eigenschaften der III-nitrierten Hetero-Verbidungs-Vorrichtungen. Fast alle bekannten HEMT auf der Basis von GaN Materialien verwenden gespannte GaN-AlGaN Verbindungen mit Legierungskomponenten, die ausgelegt wurden um die Spannung abzubauen um Versetzungen zu vermeiden, die verantwortlich sein können für die langfristigen Unstabilitäten in den Vorrichtungen. Verschiedene Vorrichtungen und Systeme wurden für die Erstellung der Hetero-Verbindungsvorrichtungen vorgeschlagen um die Gitterversetzungen und die Spannungen in den GaN-AlGaN Verbindungen zu kontrollieren. Diese Vorrichtungen sind besonders ausgelegt um Vorteile aus der piezolektrischen und der spontanen Polarisierungsauswirkung zu ziehen und um die langfristigen Unstabilitäten zu minimieren.
  • GaN/AlGaN HEMT Vorrichtungen haben normalerweise drei Terminale, einschließlich eines Gates, ein Drain und Source Terminal für die Steuerung der elektrischen Durchflussmenge. Ein elektrisches Potential angewandt auf das Gateterminal steuert den Durchfluss des Stroms von dem Drainterminal zu dem Sourceterminals durch einen elektrischen Leitungskanal. Der elektrische Leitungskanal wird definiert durch mindestens eine Hetero-Schnittstelle zwischen zwei verschiedenen Halbleitermaterialien.
  • Wenn AlGaN/GaN Materialien die Halbleitermaterialien eines HEMT darstellen, und AlGaN verwandt wird als Schrankenschicht, sind die Polarisierungsbelastungen aus den spontanen Polarisierungseigenschaften des AlGaN, ebenso wie die durch Spannung verursachten Eigenschaften, bekannt als piezoelektrische Polarisierungsfelder, vorhanden. Die Steuerung der Bildung dieser Felder bei der Erstellung einer HEMT Vorrichtung führt zu verschiedenen Eigenschaften, die eine HEMT Vorrichtung auf der Basis von GaN Material geeignet für eine große Vielfalt von Anwendungen machen, abhängig von den besonderen Eigenschaften der Vorrichtung.
  • HEMT Vorrichtungen, gebildet aus GaN Materialien umfassen normalerweise eine Schrankenschicht aus AlGaN Material, das auf einer Kanalschicht angeordnet wird, um ein 2DEG einzuleiten, das eine große Anzahl von Elektronen in dem Kanal bildet und dadurch die elektrischen Leitungseigenschaften des Kanals verbessert. Bedingt durch das Vorhandensein der 2DEG, gebildet an der Schnittstelle der AlGaN/GaN Schichten, sind grundsätzlich gebildete HEMT Vorrichtungen nominell Ein, bedingt durch das Vorhandensein des Kanals, der die Leitung zwischen den Source und Drain Elektroden ermöglicht.
  • Wenn wir uns jetzt auf die 1 beziehen, wird eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung abgebildet als Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Trägerfläche 12, eine Isolierschicht GaN 14 und eine aktive AlGaN Schicht 16. Ohmische Kontakte 18 werden auf der AlGaN Trägerschicht aufgebaut um als Verbindung zwischen den Source/Drain Terminalen zu fungieren in der entstehenden HEMT Vorrichtung. Die GaN/AlGaN Schnittstelle 15 bildet einen Leitungskanal mit einem 2DEG der den Durchfluss des Stroms zwischen den Ohmischen Kontakten 18 ermöglicht.
  • Die GaN Schicht 14 der Vorrichtung 10 verfügt über eine größere Konstante in der Ebene als die AlGaN Schichten 16. Es sollte offensichtlich sein, dass andere III-nitrierte Materialien für die Bildung der Vorrichtung 10 verwendet werden können, so lange einer Schnittstelle die Bildung eines Kanals ermöglicht, der die Stromführung übernimmt. Die Trägerschicht 12 ist eine isolierte Trägerschicht, kann jedoch hochwiderstandsfähig sein und wird nominell aus bekannten Materialien gebildet, wie zum Beispiel Siliziumkarbid, Silikon, Saphiren und anderen bekannten Trägermaterialien.
  • Wenn wir uns jetzt auf die 3 und 4 beziehen, so enthält eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Modifizierung, die die Dichte der 2DEG verändert, wodurch die Vorrichtung nominell als Aus fungiert, d.h. die 2DEG wird unterbrochen. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Vertiefung 20 in die AlGaN Schicht 16 geätzt. Die Vertiefung 20 umfasst abgeschrägte Seitenwände 22, muss jedoch nicht gemäß einer spezifischen Geometrie gebildet werden. Die Vertiefung 20 ermöglicht es, den Gatekontakt 30 näher an der Schnittstelle zwischen AlGaN Schicht 16 und GaN Schicht 14 anzubringen. Der Gatekontakt 30 setzt sich zusammen aus einem Schottky Metall, zum Beispiel, um als Steuerterminal für den Strom in dem Kanal, gebildet durch die 2DEG, zu fungieren. Durch die Anbringung des Gatekontaktes 30 in der Vertiefung 20 wird die Funktion der 2DEG unter dem Gatekontakt aufgehoben, und führt dadurch eine Unterbrechung in der Stromführung in dem Kanal in der Vorrichtung 31 herbei. In dem nicht Aktiven Zustand führt die Vorrichtung 31 keinen Strom zwischen den ohmischen Kontakten 18, da der stromleitende Kanal gebildet durch die 2DEG unterhalb des Gatekontaktes 30 unterbrochen wurde. Die Vorrichtung 31 ist betriebsbereit um den Strom zwischen den ohmischen Kontakten 18 zu leiten. In einer Ausführungsform ist das Potential, angewandt auf den Gatekontakt 30 vorgesehen um die Vorrichtung 31 zur Leitung von Strom zu veranlassen, positiver als eine Schwelle zu dem größten Potential, angewandt auf jede der Strom leitenden Elektroden, gebildet durch die ohmischen Kontakte 18.
  • Der Gatekonakt 30 kann sich zusammensetzen aus einem Schottkyschen Metall, einer Oberschicht aus AlGaN 16, angebracht in der Vertiefung 20. Wie bereits bemerkt, kann die AlGaN Schicht 16 ersetzt werden durch eine Schicht aus III-nitriertem Material, so lange die Gate-Konstante in der Ebene der Schicht 16 niedriger ist als die Gate-Konstante in der Ebene der Schicht 14.
  • Die Vorrichtung 31 kann erstellt werden aus einer Anzahl von verschiedenen Geometrien für die ohmischen Kontakte 18 und den Gatekontakt 30. Zum Beispiel, kann der Gatekontakt 30 ein Schottkischer Kontakt sein, der die ohmischen Kontakte 18 umkreist. Der Gatekontakt 30 kann ebenso rund um einen Teil des ohmischen Kontaktes 18 gebildet werden, mit Abständen oder geätzten Bereichen, gebildet um den Stromdurchfluss in spezifischen Richtungen in der Vorrichtung 31 zu begrenzen. Die ohmischen Kontakte 18 und der Gatekontakt 30, gebildet als ein Schottkyscher Kontakt können ebenfalls auf verschiedenen Abständen voneinander angebracht werden, um die Störungsspannung und die Widerstandsparameter zu verringern oder zu vergrößern.
  • Die Vertiefung 20 unter dem Gatekontakt 30 vermeidet die Bildung eines 2DEG unter dem Gatekontakt, und ergibt eine Einspannung des Stroms unter dem Gatekontakt. Durch die Bereitstellung eines vertieften Gatekontaktes auf der AlGaN Schicht 16, modifizieren sich die Strom-Spannungs Eigenschaften der Vorrichtung 31, um eine nominell Aus Vorrichtung zu erreichen, al seine nominell Ein Vorrichtung. Dementsprechend arbeitet die Vorrichtung 31 in der Verbesserungsarbeitsweise, eher als in der Verarmungsbetriebsweise und ermöglicht die Anwendung der Vorrichtung 31 als einen Starkstromschalter, der während der Inbetriebnahme nicht kompensiert werden muss, um zu vermeiden dass eine Stromführung stattfindet, während die Steuerkreise hochgefahren werden. Zusätzlich, da die Vorrichtung 31 eine Verbesserungsvorrichtung ist, kann die Vorrichtung 31 auch als Energiesteuerung während der Inbetriebnahme verwendet werden. D.h., die Vorrichtung 31 kann verwendet werden als seine logische Stromdurchfluss-Steuerung während der Inbetriebnahme und während des normalen Betriebs.
  • Wenn wir uns jetzt auf die 4 beziehen, wird eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als die Vorrichtung 41 gezeigt. Die Vorrichtung 41 ist grundsätzlich ähnlich der Vorrichtung 31, mit der Ausnahme, dass der Gatekontakt 40 gebildet wird aus leitfähigem material auf der Isolierschicht 42. Dementsprechend ist der Gatekontakt ein isolierter Kontakt und kein Schottkischer Kontakt und kann einen Metallleiter jeden Types beinhalten um das Gate in Betrieb zu setzen. Die Betriebsweise der Vorrichtung 41 ist grundsätzlich die gleiche wie die der Vorrichtung 31, in der die 2DEG unter dem Gate 41 unterbrochen wird, um eine nominell Aus Vorrichtung zu bilden. Die Anwendung eines elektrischen Potentiales auf Gatekontakt 40 ist größer als das elektrische Potential angewandt auf jeden ohmischen Kontakt 18 und veranlasst die Bildung von 2DEG unter dem Gatekontakt 40, und die Vorrichtung 41 kann den Strom zwischen den ohmischen Kontakten 18 leiten. Die Isolierungsschicht ermöglicht ebenfalls die Erreichung einer guten Eingrenzung und verringerte Leckstellen.
  • Wenn wir uns jetzt auf die 5 beziehen, wird eine andere Ausführungsform der Erfindung als Vorrichtung 56 gezeigt. Die Vorrichtung 56 ist ein bidirektionaler Feldeffekttransistor (FET) mit zwei Gateelektroden, 50 und 52. Wie im Fall der Vorrichtungen 31 und 41, werden die Gates 50 und 52 in einer Vertiefung in der AlGaN Schicht 16 gebildet um einen nominell Aus Schalter beizustellen. D.h., die Gateelektroden 50 und 52 unterbrechen jede für sich die 2DEG unter dem Gatekontakt um den Leitungskanal, gebildet an der Schnittstelle 15 zu unterbrechen. Die Stromleitung zwischen den Strom führenden Elektroden 54 und 55 wird ermöglicht, wenn beide Gatekontakte 50 und 52 aktiviert werden. Beide Gatekontakte 50 und 52 erhalten ein elektrisches Potential, das größer ist als das elektrische Potential jeder stromführenden elektrode 54 und 55 um ein 2DEG unter den Gateelektroden 50 und 52 zu bilden, um die Bildung eines kompletten Leitungskanals zwischen den Elektroden 54 und 52 zu bilden, zum Beispiel.
  • Die Gatekontakte 50 und 52 werden von der AlGaN Schicht 16 durch Isolierungsschichten 51, 53 isoliert und können aus jedem Material zusammengestellt sein. Alternativ können die Gatekontakte 50, 52 Schottkysche Metallkontakte sein, ähnlich den Gatekontakten 30 der Vorrichtung 31. In diesem Fall, ständen die Gatekontakte 50, 52 in direktem Kontakt mit der AlGaN Schicht 16, die aus jedem III-nitriertem Material bestehen kann, mit einer niedrigeren Gate-Konstante in der Ebene als die Schicht 14.
  • Die bidirektionale Vorrichtung 56 stellt eine ausgewogene Stromleitung zwischen den Elektroden 54, 55 bereit, wenn der Abstand zu den entsprechenden Gatekontakten 50, 52 äquivalent gehalten wird. D.h., durch die Bildung des gleichen Abstands zwischen der Elektroden 54 und dem Gatekontakt 50 und der Elektrode 55 und dem Gatekontakt 52, können die Störspannung, der Widerstand und weitere Umschalteigenschaften ausgeglichen werden, so dass die Vorrichtung 56 grundsätzlich in der gleichen Weise arbeitet, wenn der Stromdurchfluss von der Elektrode 54 zur Elektrode 55 führt oder umgekehrt. Ein aktives Gate sollte anzeigen, dass das Gate über die Anwendung eines elektrischen Potentials über dem Schwellenwert betrieben wird, das den Schalter zu der Umschaltung des Zustands zu bringen. Ein aktives Gate sollte ebenfalls anzeigen, dass das Gate sich in einem Zustand befindet, der es ermöglicht, dass die Stromleitung in einer normalerweise offenen Vorrichtung erfolgt.
  • Die Gatekontakte 50, 52 werden beide aktiviert um den Stromdurchfluss von/nach Elektroden 54, 55 zu ermöglichen. Wenn einer oder beide Gatekontakte nicht aktiviert sind, findet kein Stromdurchfluss zwischen den Elektroden 54, 55 statt.
  • Dementsprechend funktioniert die bidirektionale Vorrichtung 65 als ein logisches Energie UND Gate, bei dem der Schalter nur aktiviert ist, wenn beide „inputs" (Eingaben) aktiviert sind, wobei die Gatekontakte 50 und 52 gemeint sind. Die Vorrichtung 56 kann dementsprechend al seine logische Vorrichtung für Strom verwendet werden, die besonders nützlich ist für die Steuerung der Energie während der Inbetriebnahme und während des Normalbetriebs. Zusätzlich kann die Vorrichtung 56 verwendet werden für die Erkennung oder die Reaktion auf Fehlerbedingungen, indem sie den Strom überwacht und steuert als Ansprechverhalten auf Stromausfälle.
  • Wenn wir uns jetzt auf die 6 beziehen, sehen wir eine Technik für die Erstellung der Vorrichtung 60, die verarbeitet werden kann für die Bildung der Vorrichtung 56, wie gezeigt. Eine lichtundurchlässige Schicht 62 wird auf einer III-nitrierten Schrankenschicht 16 aufgebracht, und die Öffnungen 64, 65 werden in der lichtundurchlässigen Schicht 62 gebildet. Die Öffnungen 64, 65 verfügen über abgeschrägte Seitenwände um einen Ätzungsvorgang für die Übertragung der abgeschrägten Geometrie an die III-nitrierte Schrankenschicht 16 zu ermöglichen. Die abgeschrägten Seitenwände 22, abgebildet in der 2, können dieser Technik gebildet werden. Normalerweise setzt sich die III-nitrierte Schrankenschicht 16 zusammen aus AlGaN und ein geeignetes Ätzvorgehen wird in der lichtundurchlässigen Schicht 62 und die Öffnungen 64, 65 verwendet, um die Vertiefungen in der Schicht 16 mit den abgeschrägten Seitenwänden zu definieren.
  • Die Erstellung der ohmischen Kontakte, Schottkyschen Kontakte, der Isolierungsschichten und der metallisierten Kontakte wird gemäss den bekannten Techniken durchgeführt. Zusätzlich können Passivierungsschichten und Verkleidungen an den Betriebsweisenverbesserungstransistoren, wie hier beschrieben, angebracht werden, ebenso wie Techniken für die Bildung von Kontakten zu den Strom führenden Elektroden und Gates, um eine abgeschlossene Vorrichtung zu bilden.
  • Da die Vorrichtung 56 zwei Gatekontakte 50, 52 umfasst, verfügt der daraus entstehende bidirektionale Schalter über einen geteilten Driftbereich, der eine verringerte Größe für die Vorrichtung 56 ermöglicht. Da die Vorrichtung 56 kleiner wird, ist ein verringerter Durchlasswiderstand möglich. Die III-nitrierten Materialien, die für die Erstellung der Vorrichtungen 31, 41 und 56 verwendet werden, weisen normalerweise bessere Blockierungseigenschaften auf, als herkömmliche Materialien, so dass die Vorrichtungen kleiner als mit herkömmlichen Materialien erstellt werden können, während sie die betrieblichen Parameterwerte beibehalten. Da die Vorrichtungen 31, 41 und 56 kleiner erstellt werden können als herkömmliche Vorrichtungen, die die gleichen Funktionen durchführen müssen, kann ein kleiner Durchlasswiderstand ermöglicht werden, um eine verbesserte Stromleistung zu erzielen.
  • Zusätzlich können die Elektroden 54, 55 mit einem niedrigen Durchlasswiderstand für die ohmischen Kontakte erstellt werden, was eine weitere Verbesserung der Eigenschaften der Vorrichtung 56 darstellt.
  • Obwohl die bevorzugte Modifizierung, wie hier beschrieben, in einer Vertiefung, gebildet unter dem Gate in einem der III-nitrierten Materialien besteht, kann eine Modifizierung der Erfindung in einem Bereich mit einer Ion-Implantation, einem indirekten Bereich, einer Oxidation oder einer Nitrierung bestehen.
  • Ebenfalls, in der bevorzugten Ausführungsform, wird die Modifizierung in der Oberschicht aus dem III-nitrierten Material gebildet. Jedoch kann die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Modifizierung in der Unterschicht aus III-nitriertem Material einschließen. Zum Beispiel können Ione in die GaN Schicht implantiert werden, an den gewünschten Stellen, zwecks Modifizierung des 2DEG, und dann kann die AlGaN Schicht auf die GaN Schicht aufgebaut werden.
  • Wenn wir uns jetzt auf die 7 beziehen, gemäß einer Variante, kann eine Vorrichtung der Erfindung einen implantierten Bereich 70 umfassen. Der implantierte Bereich 70 kann eine beschädigte Gitterstruktur beinhalten, die dazu dient, die Verbundstruktur und die darunter liegende 2DEG zu unterbrechen. In dem gezeigten Beispiel kann der implantierte Bereich 70 unter der Vertiefung 20 gebildet werden. Die Vertiefung 20 jedoch, ist nicht erforderlich.
  • Wenn wir uns jetzt auf die 8 beziehen, einer weiteren Variation, so kann die Gateisolierung 42 ausgelassen werden.
  • Bezugnahme nächste 9, kann die Gaeisolierung 42 ersetzt werden durch eine Schicht P-Typ GaN 72. Bitte beachten, dass der Bereich 70 ausgelassen werden kann. Es sollte ebenfalls beachtet werden, dass die Variante gezeigt in der 9 keine Vertiefung 20 erforderlich macht.
  • Bezugnahme 10, eine weitere Variante, die Schicht P-type GaN 72 kann entfernt werden, und anstelle des Bereichs 74 in AlGaN 16 kann eine Oxidierung, eine Nitrierung oder ein indirekter Bereich mit Dopierungen verwendet werden. Erneut, kann die Vertiefung 20 auch in dieser Variante ausgelassen werden.
  • Die Modifizierung muss nicht in AlGaN 16 gebildet werden. Vorzuziehen ist GaN 14. Unter Bezugnahme auff zum Beispiel 11, kann eine Vorrichtung der Erfindung einen P dopierten Bereich 76 aufweisen, gebildet in GaN 14 unter der Gateelektrode 40, Der Bereich 76 ist dopiert mit P Typ Dopierungen. Standardimplantationen und Glühverfahren können verwendet werden um den Bereich 76 zu bilden, sei es durch AlGaN 16, oder der Bereich 76 kann in GaN 14 gebildet werden, und anschließend durch eine weitere Schicht GaN und anschließend mit AlGaN abgedeckt werden. Die P Typ Dopierungen, verwendet für die Bildung des Bereiches 76 können entweder Mg, Fe, Cr, Zn sein. Mg oder Zn werden als Dopierungen bevorzugt.
  • Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit besonderen Ausführungsformen beschrieben wurde, können sich weitere Varianten oder Modifizierungen und weitere Anwendungen von denjenigen erkannt werden, die Erfahrung und Kenntnisse in dieser Art von Technologien haben. Es wird demnach vorgezogen, dass die Erfindung nicht durch die spezifischen Offenlegungen hier begrenzt wird, sondern nur durch die angefügten Beantragungen.
  • Zusammenfassung
  • Ein III-nitrierter Schalter umfasst eine eingelassene Elektrode, um ein Normal-ZU-Element oder ein Bauelement im Anreicherungsbetrieb zu erzeugen. Durch die Erstellung eines vertieften Gatekontaktes wird ein Leitungskanal an den Schnittstellen der zwei III-nitrierten Materialien gebildet, der unterbrochen wird, wenn die Elektrode nicht aktiv ist, um zu vermeiden, dass der Strom in die Vorrichtung fließt. Die Gateelektrode kann ein schottkyscher Kontakt oder ein isolierter Metallkontakt sein. Zwei Gateelektroden können zur Anwendung kommen, um einen bidirektionalen Schalter in normaler Aus Betriebsweise zu bilden. Der vertiefte Kontakt, gebildet durch die Gateelektroden, kann abgeschrägte Seitenwände haben. Die Gateelektroden können durch eine Anzahl von Geometrien in Verbindung mit den Strom führenden Elektroden der Vorrichtung gebildet werden.

Claims (19)

  1. Eine III-nitrierte Vorrichtung für eine Betriebsartverbesserung, umfassend: einen Leitungskanal, gebildet durch eine Schnittstelle zwischen einem ersten III-nitriertem Material und einem zweiten III-nitrierten Material, die zwei III-nitrierten Materialien mit einer unterschiedlichen Gate-Konstante in der Ebene, oder unterschiedlichen Bandabständen, eine stromführende Elektrode angeschlossen an den Kanal um den Kanaldurchflußstrom zu leiten eine Gateelektrode, angeschlossen an den Kanal und betriebsbereit um den Leitungskanal zu beeinflussen, um in diesem den Durchfluss von Strom zu ermöglichen oder zu vermeiden, und eine Modifizierung, gebildet in einer der III-nitrierten Schichten, so dass zum Beispiel der Leitungskanal an der Schnittstelle unterbrochen wird, wenn die Gateelektrode nicht aktiviert ist.
  2. Die Vorrichtungen entsprechend Anspruch 1, die Modifizierung gebildet in dem ersten III-nitriertem Material.
  3. Die Vorrichtungen entsprechend Anspruch 1, in der die Modifizierung in dem zweiten III-nitriertem Material gebildet wird.
  4. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, in der die Gateelektrode ein Schottkyscher Kontakt ist.
  5. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, ebenso erfassend eine Isolierungsschicht zwischen der Gateelektrode und der ersten III-nitrierten Schicht.
  6. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, in der die Modifizierung entweder eine Vertiefung, ein Ion implantierter Bereich, ein indirekter Bereich, eine Oxidierung oder eine Nitrierung ist.
  7. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 5, in der die Gateelektrode ein leitendes Material ist.
  8. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, in der der leitende Kanal aus zweidimensionalen Elektrongasen gebildet wird.
  9. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, in der die Modifizierung eine Vertiefung mit abgeschrägten Wänden ist.
  10. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, in der die Modifizierung ein implantierter Bereich mit unterschiedlichen Konzentrationsprofilen ist.
  11. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, in der die Strom führende Elektrode einen ohmischen Kontakt mit einer der III-nitrierten Schichten herstellt.
  12. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, die ebenfalls ein drittes III-nitriertes Material beinhaltet, angeordnet zwischen der Gateelektrode und einem der III-nitrierten Materialien.
  13. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, die ebenfalls eine zweite Strom führende Elektrode beinhaltet, angeschlossen an den Kanal für den Durchflusskanal für Strom, in dem der Strom zwischen den zwei Strom führenden Elektroden durch den Kanal fließen kann.
  14. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, der ebenfalls eine zweite Gateelektrode umfasst, angeschlossen an den Kanal um die Durchflussführung in dem Kanal zuzulassen oder zu vermeiden.
  15. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 13, der ebenfalls eine zweite Gateelektrode umfasst, angeschlossen an den Kanal um die Durchflussführung in dem Kanal zuzulassen oder zu vermeiden.
  16. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 15, in dem jede Gateelektrode einen Abstand zu der entsprechenden Strom führenden Elektrode einhält.
  17. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 16, in der der Abstand zwischen der Gatelektrode und den Strom führenden Elektroden grundsätzlich konstant für jede Gateelektrode und der entsprechenden Strom führenden Elektrode ist.
  18. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, in der das erste III-nitrierte Material AlGaN, und das zweite III-nitrierte Material GaN ist.
  19. Eine Halbleitervorrichtung für die wahlweise Zulassung von Stromdurchfluss, umfassend: eine Trägerlage; eine GaN Schicht über der Trägerlage; eine AlGaN Schicht über der GaN Schicht;; eine Modifizierung, gebildet in der AlGaN Schicht für die Unterbrechung des Stromdurchflusskanals, gebildet an der Schnittstelle zwischen der AlGaN und der GaN Schicht, und eine Gateelektrode, gebildet in der Vertiefung für die Steuerung des Leitungskanals um den Stromdurchfluss in dem Kanal zuzulassen oder zu vermeiden.
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