DE112007000668B4 - Gruppe-III-Nitrid-Leistungshalbleiter-Bauteil - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleiter-Bauteil mit:
einem Gruppe-III-Nitrid-Heterojunction-Körper, der einen ersten Gruppe-III-Nitrid-Körper (12) und einen zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper (14) mit einem anderen Bandabstand als der des erstere Gruppe-III-Nitrid-Körpers (12) einschließt;
einer ersten Leistungselektrode (18), die mit dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper (14) gekoppelt ist;
einer zweiten Leistungselektrode (20), die mit dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper (14) gekoppelt ist;
einer Gate-Anordnung (22), die zwischen den ersten und zweiten Leistungselektroden (18, 20) angeordnet ist; und
einem leitenden Kanal, der ein zweidimensionales Elektronengas (16) einschließt, das in einem leitenden Zustand einen Bereich (34) verringerter Ladung unter der Gate-Anordnung (22) einschließt, der weniger leitend als seine benachbarten Bereiche ist, zumindest zweimal so breit wie die Gate-Anordnung ist und sich über zumindest eine Kante der Gate-Anordnung hinaus in Richtung der ersten Leistungselektrode und über eine weitere Kante in der Gate-Anordnung hinaus in Richtung der zweiten Leistungselektrode erstreckt.

Description

  • Diese Anmeldung beruht auf der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 60/784,054 vom 20. März 2006 und der US-Patentanmeldung mit einer noch zuvergebenden Anmeldenummer vom 19. März 2007, deren Priorität beansprucht wird und deren gesamte Offenbarung durch diese Bezugnahme hiermit aufgenommen wird.
  • DEFINITION
  • Der Begriff Gruppe-III-Nitrid (oder III-N), wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Halbleiter-Legierung aus dem InAIGaN-System, die zumindest Stickstoff und ein anderes Legierungselement aus der Gruppe III einschließt. AIN, GaN, AIGaN, InGaN, InAIGaN oder irgendeine Kombination, die Stickstoff und zumindest ein Element aus der Gruppe III einschließt, sind Beispiele von Gruppe-III-Nitrid-Legierungen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gemäß 1 schließt ein konventionelles Gruppe-III-Nitrid-Leistungshalbleiter-Bauteil einen Gruppe-III-Nitrid-Heterojunction- oder Heteroübergang-Körper 10 ein. Der Gruppe-III-Nitrid-Heterojunction-Körper 10 schließt einen ersten Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter-Körper 12, der mit einer Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter-Legierung (beispielsweise GaN) gebildet ist, und einen zweiten Gruppe-III-Nitrid-Halbleiterkörper 14 auf dem Körper 12 ein, wobei der zweite Körper 14 aus einer anderen Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter-Legierung gebildet ist, die einen Bandabstand aufweist, der von dem des ersten Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter-Körpers 12 verschieden ist (beispielsweise AIGaN).
  • Wie dies bekannt ist, ist die Zusammensetzung und Dicke jedes Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter-Körpers 12, 14 so ausgewählt, dass ein zweidimensionales Elektronengas 16 (2-DEG) an der Heterojunction der zwei Körper 12, 14 erzeugt wird.
  • Das auf diese Weise erzeugte 2-DEG 16 ist reich an Trägern und dient als ein leitender Kanal zwischen einer ersten Leistungselektrode 18 (beispielsweise einer Source-Elektrode), die ohmisch mit dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper 14 verbunden ist, und einer zweiten Leistungselektrode 20 (beispielsweise einer Drain-Elektrode), die ebenfalls ohmisch mit dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper 14 gekoppelt ist. Um den Leitungszustand zwischen der ersten Leistungselektrode 18 und der zweiten Leistungselektrode 20 zu steuern ist eine Gate-Anordnung 22 zwischen ersten (18) und zweiten (20) Leistungselektroden angeordnet, die sich auf dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper 14 befinden können. Die Gate-Anordnung 22 kann beispielsweise einen Schottky-Körper in Schottky-Kontakt mit dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper 14 einschließen, oder sie kann alternativ einen Gate-Isolierkörper und eine Gate-Elektrode einschließen, die kapazitiv mit der 2-DEG 16 über die Gate-Isolation gekoppelt ist.
  • Die Gruppe III-Nitrid-Heterojunction 10 ist bei einer konventionellen Konstruktion über einem Substrat 28 angeordnet. Typischerweise ist ein Übergangskörper 30 zwischen dem Substrat 28 und der Heterojunction 10 angeordnet. Ein Passivierungskörper 32, durch den hindurch die Elektroden 18, 20 mit dem Körper 14 in Kontakt stehen, kann ebenfalls vorgesehen sein, um den aktiven Teil der Heterojunction 10 zu schützen.
  • Es wurde beobachtet, dass der Aufbau eines starken elektrischen Feldes in der Nähe der Gate-Anordnung zu einem Gate-Durchbruch führt (insbesondere an der Kante, die der Drain-Elektrode des Bauteils nächst gelegen ist). Weitere Nachteile schließen eine niedrige Drain-Source-Durchbruchsspannung und eine zeitabhängige Beeinträchtigung der Bauteil-Parameter aufgrund von heißen Trägern und einem Ladungs-Einfangen ein. 3 zeigt schematisch elektrische Feldlinien 24 in der Nähe der Kanten der Gate-Anordnung 22 eines Bauteils nach 1.
  • Gemäß 2 wird zur Verbesserung der Fähigkeit eines Gruppe-III-Nitrid-Bauteils, einem Durchbruch an den Kanten seines Gates zu widerstehen, eine Feldplatte 26 vorgesehen, die sich seitlich von beispielsweise der Gate-Elektrode des Bauteils über den Passivierungskörper 32 hinweg in Richtung auf eine Leistungselektrode (beispielsweise die Drain-Elektrode) des Bauteils erstreckt. Die Bereitstellung der Feldplatte 26 verringert die Stärke des elektrischen Feldes an der Kante der Gate-Anordnung 22 durch Aufspreizen der Feldlinien 27, wie dies schematisch in 4 gezeigt ist.
  • Obwohl die Feldplatte 26 die Intensität des elektrischen Feldes verringern und die Durchbruchsspannung des Bauteils verbessern kann, ist sie nachteilig, weil:
    • 1. sie die aktive Fläche des Bauteils vergrößert;
    • 2. obwohl sie eine Bewegung des Punktes des hohen elektrischen Feldes zum Rand der Feldplatte 25 hervorruft, andere Änderungen auftreten können;
    • 3. die vergrößerte Gate-Drain-Überlappungskapazität das Schalten mit hoher Frequenz beeinträchtigt und Schaltverluste vergrößert, was durch den Miller-Effekt noch weiter verschlimmert wird.
  • Die Druckschrift US 2002/00176481 beschreibt ein Halbleiterbauteil mit einer A10,3Ga0,7N-Schicht und einer Al0,1Ga0,9N-Schicht mit unterschiedlichen Aluminiumgehalten als eine Elektronenzuführschicht auf einer GaN-Schicht, die als aktive Schicht dient. Ein Bereich, in dem die Al0,3Ga4,7N-Schicht gebildet ist, wird als ein Bereich mit niedrigem Widerstand verwendet, während ein Bereich, in dem die Al0,1Ga0,9N-Schicht gebildet ist, als ein Bereich mit hohem Widerstand verwendet wird. Es ergibt sich eine Verteilung zweidimensionaler Elektronen, die als Ladungsträger dienen und innerhalb einer horizontalen Ebene senkrecht zu der Richtung der Dicke der Schichten angeordnet ist, um eine gewünschte Bauteilkonfiguration zu erzeugen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In einem Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung wird das elektrische Spitzen-Feld an den Kanten und Ecken des Gates durch selektives Reduzieren der beweglichen Ladungskonzentration in dem leitenden 2-DEG verringert.
  • Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird die mobile Ladungskonzentration in einem Bereich verringert, der unter dem Gate angeordnet ist und sich lateral über die gleiche Breite oder mehr als über die Breite des Gates erstreckt, doch wird die mobile Ladungskonzentration im Übrigen sehr hoch gehalten, um den parasitären Source-Drain-Serienwiderstand auf einem niedrigen Wert zu halten.
  • Ein Leistungshalbleiter-Bauteil gemäß Anspruch 1 schließt einen ersten Gruppe-III-Nitrid-Körper und einen zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper mit einem anderen Bandabstand als der erste Gruppe-III-Nitrid-Körper, der auf dem ersten Gruppe-III-Nitrid-Körper angeordnet ist, um eine Gruppe-III-Nitrid-Heterojunction zu bilden, eine erste Leistungselektrode, die mit dem zweiten Gruppe III-Nitrid-Körper gekoppelt ist, eine zweite Leistungselektrode, die mit dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper gekoppelt ist, eine Gate-Anordnung, die zwischen den ersten und zweiten Leistungselektroden angeordnet ist, und einen leitenden Kanal ein, der ein zweidimensionales Elektronengas einschließt, das in einem leitenden Zustand einen Bereich verringerter Ladung unter der Gate-Anordnung einschließt, der weniger leitend als seine benachbarten Bereiche ist.
  • Bei einer Ausführungsform ist ein implantierter Bereich in dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper unter der Gate-Anordnung so konfiguriert, dass er einen Bereich verringerter Ladung hervorruft.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Gate-Anordnung in einer Vertiefung über den Bereich mit reduzierter Ladung aufgenommen, wodurch der Bereich verringerter Ladung hervorgerufen wird.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, ersichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt einen Querschnittsteil des aktiven Bereichs eines Gruppe-III-Nitrid-Bauteils nach dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt einen Querschnittsteil des aktiven Bereichs eines anderen Gruppe-III-Nitrid-Bauteils nach dem Stand der Technik.
  • 3 zeigt schematisch die elektrischen Feldlinien in der Nähe des Gates eines Bauteils nach 1.
  • 4 zeigt schematisch die elektrischen Feldlinien in der Nahe des Gates des Bauteils nach 2.
  • 5 zeigt einen Querschnittsteil des aktiven Bereichs eines Gruppe-III-Nitrid-Bauteils gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 6 zeigt einen Querschnittsteil des aktiven Bereichs eines Gruppe-III-Nitrid-Bauteils gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 7 zeigt einen Querschnittsteil des aktiven Bereichs eines Gruppe-III-Nitrid-Bauteils gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 8 zeigt einen Querschnittsteil des aktiven Bereichs eines Gruppe-III-Nitrid-Bauteils gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 9A bis 9C zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Leistungshalbleiter-Bauteils.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Gemäß 5, in der gleiche Bezugsziffern gleiche Merkmale bezeichnen, schließt bei einem Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung das 2-DEG einen Bereich 34 mit verringerter Ladung ein, der sich unter einer Gate-Anordnung 22 befindet. Der Bereich 34 verringerter Ladung ist vorzugsweise doppelt so breit wie die Gate-Anordnung 22, er kann sich über zumindest eine Kante der Gate-Anordnung 22 hinaus erstrecken, und er ist weniger leitend als die benachbarten Bereiche des 2-DEG 16, wenn sich das 2-DEG in seinem leitenden Zustand befindet. Das heißt, dass im Einschaltzustand (bei dem sich eine Leitung zwischen den Leistungselektroden 18, 20 ergibt), der Bereich 34 weniger Träger einschließt als die Bereiche des 2-DEG 16, benachbart zu jeder Seite hiervon. Als Ergebnis sind die elektrischen Felder in der Nähe der Kanten der Anordnung 22 während des Abschaltzustandes des Bauteils schwächer, verglichen mit dem Stand der Technik, was das Fortlassen der Feldplatte ermöglichen kann. Es sei bemerkt, dass der Bereich 34 verringerter Ladung nicht symmetrisch gegenüber den ersten (Source-) und zweiten (Drain-)Leistungselektroden 18, 20 oder bezüglich der Gate-Anordnung 22 angeordnet sein muss. So kann der Bereich 34 reduzierter Ladung diskontinuierlich und in zwei Teilen 34', 34'', jeder an einer Seite der Gate-Anordnung 22 (9A), angeordnet sein oder sich weiter in Richtung der Drain-Elektrode (9B) erstrecken. Die Breite der Bereiche 34 kann optimiert werden, und es wird erwartet, dass sie zwischen einigen Zehntel bis zu einigen Tausendstel Nanometern liegt.
  • In einem Bauteil gemäß der in 5 gezeigten Ausführungsform schließt die Gate-Anordnung 22 einen Schottky-Körper 36 ein, wobei dieser Schottky-Körper mit dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper 14 gekoppelt ist. Der Schottky-Körper 36 kann aus irgendeinem geeigneten Schottky-Metall bestehen, beispielsweise ein Nickel-/Gold-Stapel, wobei das Gold oberhalb des Nickelmaterials legt.
  • Gemäß 6, in der gleiche Bezugsziffern gleiche Merkmale bezeichnen, schließt bei einer alternativen Ausführungsform die Gate-Anordnung 22 einen Gate-Isolierkörper 38 auf dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper 14 und eine Gate-Elektrode 40 ein, die kapazitiv mit dem 2-DEG 16 (und insbesondere mit dem Bereich 34 verringerter Ladung) über die Isolation 38 gekoppelt ist. Der Gate-Isolierkörper 38 kann aus Siliziumnitrid, Siliziumdioxid oder irgend einem geeigneten Gate-Isoliermaterial bestehen, während die Gate-Elektrode aus irgendeinem metallischen oder nicht-metallischen leitenden Material bestehen kann. Beispiele von geeigneten Materialien für die Gate-Elektrode 40 sind Nickel, Titan-Wolfram, Titan-Nitrid und Polysilizium.
  • Um den Bereich 34 reduzierter Ladung zu erzielen, kann bei den Ausführungsformen gemäß den 5 und 6 eine negative Ladung in den zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper 14 eingeführt werden, um negative Träger (Elektronen) in dem Bereich 34 unterhalb der Gate-Anordnung 22 abzustoßen. Die negative Ladung kann durch implantieren von negativ geladenen Ionen oder durch eine Plasma-Oberflächenbehandlung eingeführt werden.
  • Es wird nunmehr auf die 7 und 8 Bezug genommen, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Merkmale bezeichnen, wobei zur Bildung des Bereichs 34 einer verringerten Ladung gemäß einer alternativen Ausführungsform eine Vertiefung 42 in dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper 14 gebildet wird, in der die Gate-Anordnung 22 aufgenommen wird.
  • Die Tiefe und Breite der Vertiefung 42 kann so konfiguriert sein, dass die mechanischen Spannungen in dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper 14 teilweise entspannt werden, so dass ein Bereich 34 mit reduzierter Ladung gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt werden kann. Es sei bemerkt, dass die Vertiefung 42 so breit sein kann wie die Gate-Anordnung 22, jedoch kann sie breiter sein (wie dies schematisch dargestellt ist), ohne von dem Schutzumfang und dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Es sei bemerkt, dass, obwohl es die Bereitstellung eines Bereichs 34 verringerter Ladung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen kann, eine Feldplatte fortzulassen, eine Feldplatte hinzugefügt werden kann, um die Durchbruchs-Fähigkeiten des Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung weiter zu verbessern, ohne von dem Schutzumfang und dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
  • Andere Verfahren zum Erzielen eines Bereichs 34 verringerter Ladung sind Oberflächen-Plasma-Behandlung, chemische Oberflächen-Behandlung und die Abscheidung eines geeigneten Dünnfilms.
  • Bei einem Bauteil gemäß der bevorzugten Ausführungsform können die ersten und zweiten Leistungselektroden 18, 20 aus Ti, Al, Ni, Au oder irgendeinem anderen geeigneten metallischen oder nicht-metallischen leitenden Material bestehen, der erste Gruppe-III-Nitrid-Körper 12 kann aus GaN bestehen, der zweite Gruppe-III-Nitrid-Körper 14 kann aus AIN bestehen, die Übergangsschicht 30 kann aus einem Gruppe-III-Nitrid-Material wie z. B. AIGaN bestehen, und das Substrat 28 kann aus Silizium bestehen. Andere geeignete Substrat-Materialien sind Siliziumkarbid oder Saphir oder ein natives Material des Gruppe-III-Nitridsystems, wie z. B. ein GaN-Substrat.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen hiervon beschrieben wurde, werden viele Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ersichtlich. Es wird daher bevorzugt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese spezielle Beschreibung beschränkt ist, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.

Claims (12)

  1. Leistungshalbleiter-Bauteil mit: einem Gruppe-III-Nitrid-Heterojunction-Körper, der einen ersten Gruppe-III-Nitrid-Körper (12) und einen zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper (14) mit einem anderen Bandabstand als der des erstere Gruppe-III-Nitrid-Körpers (12) einschließt; einer ersten Leistungselektrode (18), die mit dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper (14) gekoppelt ist; einer zweiten Leistungselektrode (20), die mit dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper (14) gekoppelt ist; einer Gate-Anordnung (22), die zwischen den ersten und zweiten Leistungselektroden (18, 20) angeordnet ist; und einem leitenden Kanal, der ein zweidimensionales Elektronengas (16) einschließt, das in einem leitenden Zustand einen Bereich (34) verringerter Ladung unter der Gate-Anordnung (22) einschließt, der weniger leitend als seine benachbarten Bereiche ist, zumindest zweimal so breit wie die Gate-Anordnung ist und sich über zumindest eine Kante der Gate-Anordnung hinaus in Richtung der ersten Leistungselektrode und über eine weitere Kante in der Gate-Anordnung hinaus in Richtung der zweiten Leistungselektrode erstreckt.
  2. Leistungshalbleiter-Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die Gate-Anordnung (22) einen Gate-Isolierkörper (38) einschließt.
  3. Leistungshalbleiter-Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die Gate-Anordnung (22) einen Schottky-Körper (36) einschließt.
  4. Leistungshalbleiter-Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die Gate-Anordnung in einer Ausnehmung (42) über dem Bereich (34) verringerter Ladung aufgenommen ist.
  5. Leistungshalbleiter-Bauteil nach Anspruch 4, bei dem die Ausnehmung (42) so konfiguriert ist, dass sie den Bereich (34) verringerter Ladung hervorruft.
  6. Leistungshalbleiter-Bauteil nach Anspruch 4, bei dem die Ausnehmung (42) breiter als die Gate-Anordnung (22) ist.
  7. Leistungshalbleiter-Bauteil nach Anspruch 1, das weiterhin zumindest einen implantierten Bereich in dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Körper unter der Gate-Anordnung umfasst, der so konfiguriert ist, dass er den Bereich (34) verringerter Ladung hervorruft.
  8. Leistungshalbleiter-Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die Gate-Anordnung keine Feldplatte einschließt.
  9. Leistungshalbleiter-Bauteil nach Anspruch 1, das weiterhin einen Passivierungskörper umfasst, der über dem Gruppe-III-Nitrid-Heterojunction-Körper angeordnet ist.
  10. Leistungshalbleiter-Bauteil nach Anspruch 1, bei dem der erste Gruppe-III-Nitrid-Körper (12) eine Halbleiter-Legierung aus dem InAIGaN-System umfasst und der zweite Gruppe-III-Nitrid-Körper (14) eine andere Legierung aus dem InAIGaN-System umfasst.
  11. Leistungshalbleiter-Bauteil nach Anspruch 1, bei dem der erste Gruppe-III-Nitrid-Körper (12) GaN umfasst und der zweite Gruppe-III-Nitrid-Körper (14) AIGaN umfasst.
  12. Leistungshalbleiter-Bauteil nach Anspruch 1, bei dem der Heterojunction-Körper über einem Substrat (28, 30) angeordnet ist, das Silizium, Siliziumkarbid, Saphir, GaN oder Gruppe-III-Nitrid-Material umfasst.
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