TWI427787B - 常態關閉的氮化鎵場效電晶體 - Google Patents

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Description

常態關閉的氮化鎵場效電晶體
本發明是有關於一種半導體功率元件的結構和製備方法，特別是有關於一種用新型元件結構和製備方法製成的基於氮化鎵(GaN)之場效電晶體，該常態關閉的基於GaN之場效電晶體在傳導大電流時，具有極低的導通電阻。
目前，配置與製備基於氮化鎵(GaN)之場效電晶體(FET)的傳統方法，仍然受到提供具有簡便的製備和操作配置的常態關閉FET電晶體等技術問題的挑戰。更確切地說，配置基於氮化鎵(GaN)的FET，以製備高電子遷移率電晶體(HEMT)。對於功率電晶體元件，這種類型的電晶體可以取代一些現在常見廣泛使用的基於矽的半導體，帶有功率金屬-氧化物-半導體(MOS)場效電晶體之功率元件。與基於矽的MOS-FET(或MOSFET)半導體功率元件相比，基於GaN的電晶體利用寬頻隙的半導體材料特性，能夠進一步降低導通電阻，並獲得更高的擊穿電壓。另外，相對於基於矽的MOSFET元件的性能，這種高電子遷移率電晶體還能夠提供高速轉換以及高靈敏度操作。
獲得高電子遷移率的基本原則是，結合兩種帶有不同能隙(Energy Gap)的不同半導體材料。在介面處生成 一個二維電子雲(2DEG)層，作為一個由在該電子雲層中的一個電子流組成的電流通路。第1圖表示一個典型的範例，在氮化鎵(GaN)層上方外延生長氮化鋁鎵(AlGaN)。藉由這兩種材料不同的能隙，會在這兩種半導體材料之間的邊界處產生一個二維電子雲層(Two-Dimensional Electron Gas，簡稱：2DEG)，稱為氮化鋁鎵/氮化鎵(AlGaN/GaN)異質接面結構。典型的AlGaN/GaN異質接面結構位於藍寶石等絕緣基板上。該電晶體還包括一個源極S和一個汲極D，位於閘極G的兩個對邊上，閘極G形成在AlGaN層上，該AlGaN層在源極S和汲極D之間延伸。
AlGaN層作為電子供應層，給未摻雜的GaN層中的2DEG提供電子，當閘極沒有載入控制電壓時，電子雲層中的電子在源極和汲極之間傳輸。除非閘極上載入的電壓夾斷源極和汲極之間的電流，否則如第1圖所示的高電子遷移率電晶體(HEMT)結構就在常開模式下工作。為了關閉電晶體，要求在閘極上連續載入夾斷電壓，會導致額外的功率損耗，有時還會為了電子元件中使用這種電晶體，引起更複雜的元件控制過程。此外，大多數的應用都是為了常態關閉電晶體設計的，因此這種元件並不適合那些應用。基於上述原因，有必要提出製備基於GaN的電晶體的新型改良結構，使這種元件無需在閘極載入夾斷電壓，就能常態關閉。
為了獲得很低的RdsA電阻(汲極至源極電阻＊面積)，大多數的AlGaN/GaN異質接面場效電晶體(HFET) 都是作為耗盡型金屬-半導體FET(MESFET)。已經有人提出了增強型MESFET元件，其閾值電壓Vth在0.3至0.7伏之間。但是，這種類型的電晶體無法用10至15伏傳統的閘極電壓驅動。而且，已經嘗試了各種方式，利用氮化矽(Si3N4)、二氧化矽(SiO2)和氧化釓(Gd2O3)等不同的柵介質，在一個p-GaN層上製造增強型金屬絕緣體半導體FET(MISFET)。然而，當對元件載入偏壓使其擊穿時，這種元件都受到低反轉遷移率和氧化物中高電場的不利影響，從而引起元件的可靠性問題。為了解決此問題，我們增加了氧化層的厚度，但這會降低跨導，並導致不必要的較高的RdsA。
基於上述原因，迫切需要在不干擾二維電子雲(2DEG)層的電導的前提下，改善RdsA很低的元件結構。同時，無需在閘極載入電壓，使元件就可以作為一個常態關閉元件，從而解決上述困難和局限。
有鑑於上述習知技藝之閘題，本發明之目的是在提供一種新的改良元件結構和製備方法，這種異質接面場效電晶體(HFET)功率元件，可以藉由簡便的製備和操作過程，將HFET元件製成常態關閉元件，以解決上述現有技術中的困難和局限。
根據本發明之其中一目的，提出一種改良型元件結構，以及製備半導體基於GaN的HFET功率元件的方法， 該元件帶有負電荷的浮置閘極(Floating Gate)，當閘極沒有載入電壓時，使通道耗盡。製備帶負電荷的浮置閘極，可以藉由與在快閃記憶體中製備浮置閘極的技術類似的方法，這是一種成熟的普遍方法。載入閘極電壓，以抵消帶負電荷的浮置閘極，恢復形成在GaN和AlGaN層之間的異質接面上的2DEG通道。
根據本發明之另一目的，提出一種改良型器件結構，以及製備多通道半導體基於GaN的HFET功率器件的方法，該器件帶有負電荷的浮置閘極作為纏繞浮置閘極，在閘極沒有載入電壓時，耗盡多通道。製備帶負電荷的浮置閘極，是藉由與在快閃記憶體中製備浮置閘極的技術類似的方法。載入閘極電壓，以抵消帶負電荷的纏繞浮置閘極，恢復形成在GaN和AlGaN層之間的異質接面上的2DEG通道。
根據本發明之目的，又提出一種改良型元件結構，以及製備半導體基於GaN的HFET功率元件的方法，該元件帶有負電荷的閘極氧化層，在閘極沒有載入電壓時，使通道耗盡。製備帶負電荷的浮置閘極，是藉由氟處理或與在閘極氧化層中設置固定的負電荷的技術類似的方法。載入閘極電壓，以抵消帶負電荷的閘極氧化物，恢復形成在GaN和AlGaN層之間的異質接面上的2DEG通道。
本發明的較佳實施例簡要說明了一種異質接面場效電晶體(HFET)氮化鎵(GaN)半導體功率元件。該功率 元件由一個異質接面結構組成，包括兩種不同能隙的第一半導體層與第二半導體層相交界，從而產生一個二維電子雲(2DEG)層的交界層。該功率元件還包括一個源極和一個汲極，位於閘極的兩個對邊上，閘極設置在異質接面結構上方，用於控制2DEG層中源極和汲極之間的電流。該功率元件還包括一個位於閘極和異質接面結構之間的浮置閘極，其中閘極藉由一個絕緣層，與浮置閘極絕緣，其中浮置閘極設置在一個薄絕緣層上方，同異質接面結構之間墊有薄絕緣層，為浮置閘極充電，在2DEG層上持續載入電壓，以夾斷源極和汲極之間2DEG層中的電流，使HFET半導體功率元件為一個常態關閉元件。在另一個實施例中，第一半導體層為氮化鎵(GaN)層，第二半導體層為氮化鋁鎵(AlGaN)層，設置在氮化鎵層上方；在另一個實施例中，該半導體功率元件還包括一個藍寶石基板，用於承載上面的異質接面結構；在另一個實施例中，浮置閘極帶負電荷，將2DEG層的夾斷電壓從負夾斷電壓轉化為等於或大於3.0V的正夾斷電壓；在另一個實施例中，該源極還包括一個延伸的場效電板(Field Plate)，從源極延伸並覆蓋到閘極上方；在另一個實施例中，該源極還包括一個延伸的場效電板，從源極延伸並覆蓋到閘極上方，其中該場效電板藉由一個厚絕緣層，與閘極絕緣；在另一個實施例中，該異質接面結構包括第一和第二半導體層，構成一個矩形塊，其縱向從源極延伸到汲極。而且，帶有絕緣層的閘極和浮置閘極構成一個纏繞閘極，纏繞在側壁周圍的矩形塊 的中段，以及矩形塊中段的頂面，以便控制第一和第二半導體層之間產生的2DEG層；在另一個實施例中，該異質接面結構包括第一和第二半導體層，構成一個矩形塊，其中兩種能隙不同的第一和第二半導體層是垂直方向的；在另一個實施例中，該半導體功率元件還包括至少一個第三半導體層，同具有兩種不同能隙的兩個相鄰的半導體層結構，相互緊臨設置，用於生成至少兩個交界層，作為至少兩個二維電子雲(2DEG)層。
參照以下附圖並閱讀本發明的較佳實施例的詳細說明之後，本發明的這些以及其他特點和優勢，對於本領域的技術人員而言，無疑將顯而易見。
以下結合第2圖~第7圖，詳細說明本發明的優選實施例。
請參閱第2圖，其係為本發明實施例之異質接面場效電晶體(HFET)半導體功率元件100之示意圖。圖中，該HFET半導體功率元件100包含一個外延生長在氮化鎵(GaN)層110上方的氮化鋁鎵(AlGaN)層120，從而構成一個AlGaN/GaN異質接面，在交界面處帶有一個二維電子雲(2DEG)115。源極130和汲極140設置在閘極150的兩個對邊上，以控制通過2DEG層115的電流。藉由一個較厚的閘極氧化層155，閘極150與N-摻雜AlGaN層120絕緣。為了將HFET功率元件配置成為一個常態關 閉元件，浮置閘極160要形成在至少一部分閘極氧化層155下方。藉由一個薄氧化層145，浮置閘極160與AlGaN層120絕緣，並藉由閘極氧化物155，浮置閘極160與閘極150絕緣。
浮置閘極160帶有負電荷，將夾斷電壓從負夾斷電壓轉化為正夾斷電壓。例如，沒有帶負電荷的浮置閘極時，初始的夾斷電壓Vp為-4.0V，有了帶負電荷的浮置閘極160後，夾斷電壓變為+3V。閘極150上沒有外加電壓時，浮置閘極160自動夾斷2DEG 115。閘極150與帶負電荷的浮置閘極160重疊，並藉由厚氧化層155相互絕緣。給閘極150加電壓，以控制電場。因此，閘極150的作用並不是反轉通道。閘極150的作用是消除浮置閘極160上的負電荷，使2DEG 115在源極130和汲極140之間不中斷，從而開啟元件。可以注入負電荷，就像往快閃記憶體元件中寫入電荷一樣，將負電荷寫入浮置閘極160。
請參閱第3圖，其係為本發明實施例之另一種異質接面場效電晶體(HFET)半導體功率元件200之示意圖。圖中，該HFET半導體功率元件200具有一個類似的AlGaN/GaN異質接面結構，在氮化鎵(GaN)層210和AlGaN層220之間的交界層上形成一個二維電子雲(2DEG)層215。該AlGaN/GaN異質接面結構位於藍寶石基板205上。源極230和汲極240設置在閘極250的兩個對邊上，以控制通過2DEG層215的電流。所形成的源極230帶有一個延伸的場效電板230-FP，延伸並覆蓋在閘極250 上，以便降低汲極240附近的閘極氧化物峰值場。藉由一個厚氧化物235，延伸的場效電板230-FP與閘極250絕緣。藉由閘極氧化層255，閘極250與N-摻雜的AlGaN層220絕緣。為了將HFET功率元件配置成常態關閉元件，需要藉由在AlGaN層中或在製備過程中的可選技術中進行氟處理，在閘極氧化層255中，存儲固定的負電荷(例如效仿在快閃記憶體中存儲電荷的方式)。閘極氧化層255中固定的負電荷驅走了2DEG層215中的電子，從而使通道耗盡。閘極250上所加的電壓抵消了負電荷，使2DEG層215回到傳導模式。因此，無需降低電子遷移率，就可以獲得一個常態關閉HFET元件。
請參閱第4圖，其係為本發明實施例之一種HFET功率元件100’的一個可選實施例的局部/剖面透視圖。該HFET功率元件100’與第1圖所示的結構類似。該HFET功率元件100’包括三個AlGaN/GaN異質接面，在兩個GaN層110-1、110-2與兩個AlGaN層120-1、120-2之間分別形成三個2DEG層的通道(圖中沒有明確表示出，但與圖1-3相同)--在每個AlGaN/GaN異質接面處各有一個2DEG通道。藉由一個厚氧化層155’，閘極150’與帶負電荷的浮置閘極160’絕緣。帶負電荷的浮置閘極160’在GaN和AlGaN層之間形成的異質接面的頂部和兩側上，包圍著異質接面。帶負電荷的浮置閘極160’的纏繞結構進一步確保通道完全耗盡，從而可靠地作為常態關閉多通道HFET功率元件100’，憑藉AlGaN/GaN層110-1、120-1、110-2、120-2提供的多通 道，增加從源極130’(第4圖沒有表示出)流向汲極140’的電流。第4圖表示該HFET功率元件100’的閘極和通道結構的剖面圖。第5圖表示HFET功率元件100’的俯視圖，用於說明源極130’、閘極150’和汲極140’的相對位置。
請參閱第6圖，其係為本發明實施例之一種HFET功率元件100-1’的可選實施例的局部透視圖。除了僅用一個GaN 110-1’單層和一個AlGaN 120-1’單層代替雙層GaN層110-1和110-2以及雙層AlGaN層120-1和120-2之外，其他都與第4圖和第5圖所示的HFET功率元件100’類似。儘管該HFET功率元件100-1’只有一個2DEG單通道，設置在AlGaN層120-1’和GaN層110-1’之間，但是仍然纏繞浮置閘極145’，以增強異質接面的控制。
請參閱第7圖，其係為本發明實施例之一種HFET功率元件100-2’的可選實施例的局部透視圖。除了雙垂直層GaN層110-1”和110-2”以及雙垂直層AlGaN層120-1”和120-2”，代替雙層GaN層110-1和110-2以及雙層AlGaN層120-1和120-2之外，其他都與第5圖和第6圖所示的HFET功率元件100’類似。垂直方向的層意味著異質接面GaN/AlGaN在垂直方向上，因此2DEG通道也是垂直方向。在這種情況下，纏繞浮置閘極160’在夾斷2DEG通道方面會更加有效。
依據以上附圖和說明，本發明實施例提出了一種製 備異質接面場效電晶體(HFET)氮化鎵(GaN)半導體功率元件的方法。該方法包括：製備一個異質接面結構，從具有不同能隙的第一半導體層與第二半導體層的交界處，以便在異質接面處形成二維電子雲(2DEG)層；在一部分2DEG上方，源極和汲極之間，製備一個閘極；並且在浮置閘極上方，製備一個閘極，藉由絕緣層，閘極與浮置閘極絕緣；其中對浮置閘極充電，使它耗盡2DEG，使HFET半導體元件常態關閉，並且其中的閘極抵消了浮置閘極的電荷，使元件開啟。在另一個實施例中，製備一個異質接面結構的步驟，來自於由GaN構成的第一半導體層和由氮化鋁鎵(AlGaN)構成的第二半導體層相交界。在另一個實施例中，該方法還包括用內置的負電荷製備浮置閘極。在另一個實施例中，該方法還包括用負電荷製備浮置閘極的步驟，該步驟包括用與快閃記憶體中寫入電荷相類似的方法，在浮置閘極中寫入負電荷。在另一個實施例中，該方法還包括在異質接面結構的側壁和頂部周圍，纏繞浮置閘極和閘極。在另一個實施例中，該方法還包括藉由一個薄絕緣層，將浮置閘極與異質接面結構絕緣。
儘管本發明的內容已經藉由上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍第來限定。
100、100’、100-1’、100-2’、200‧‧‧異質接面場效電晶體半導體功率元件
105、105’、205‧‧‧藍寶石基板
110、210、110-1、110-1’、110-2‧‧‧氮化鎵層
115、215‧‧‧二維電子雲層
120、220、120-1、120-2、120-1’、120-1”、120-2”‧‧‧氮化鋁鎵層
130、130’、230‧‧‧源極
140、240、140’‧‧‧漏極汲極
145‧‧‧薄氧化層
150、150’、250‧‧‧閘極
155‧‧‧閘極氧化層
160‧‧‧浮置閘極
230-FP‧‧‧延伸之場效電板
235、155’‧‧‧厚氧化物
255‧‧‧閘極氧化層
160’‧‧‧帶負電荷的浮置閘極
145’‧‧‧纏繞浮置閘極
110-1”、110-2”‧‧‧雙垂直層氮化鎵層
第1圖 係為本發明之一種傳統的常開型基於GaN的HFET功率元件之示意圖；第2圖 係為本發明之HFET功率元件的剖面圖，該元件帶有負電荷浮置閘極，以便耗盡通道，將電晶體作為一個常態關閉元件。
第3圖 係為本發明之HFET功率元件的剖面圖，該元件帶有負電荷閘極氧化層，以便耗盡通道，將電晶體作為一個常態關閉元件。
第4圖 係為本發明之多通道HFET功率元件的剖面透視圖，該元件帶有負電荷浮置閘極作為纏繞浮置閘極，以便耗盡通道，將電晶體作為一個常態關閉元件。
第5圖 係表示第4圖所示的HFET功率元件的俯視圖。
第6圖 係表示類似於第4圖所示的本發明該HFET功率元件的可選實施例的剖面透視圖。
第7圖 係表示類似於第4圖所示的本發明該HFET功率元件的可選實施例的剖面透視圖。
100‧‧‧異質接面場效電晶體的氮化鎵半導體功率元件
105‧‧‧藍寶石基板
110‧‧‧氮化鎵層
115‧‧‧二維電子雲
120‧‧‧氮化鋁鎵層
130‧‧‧源極
140‧‧‧汲極
145‧‧‧薄氧化層
150‧‧‧閘極
155‧‧‧閘極氧化層
160‧‧‧浮置閘極

Claims (14)

  1. 一種異質接面場效電晶體的氮化鎵半導體功率元件，其包含：一異質接面結構，包括兩種不同能隙的相交界的一第一半導體層與一第二半導體層，從而產生一二維電子雲層的交界層；一源極和一汲極，係設置在一閘極的兩個對邊上，該閘極設置在該異質接面結構上方，用於控制該二維電子雲層中該源極和該汲極之間的電流；以及一位於該閘極和該異質接面結構之間的浮置閘極，其中該閘極藉由一絕緣層，與該浮置閘極絕緣，其中該浮置閘極設置在一薄絕緣層上方，該薄絕緣層墊襯在該浮置閘極與該異質結接面結構之間，且該浮置閘極充有電荷，以便對該二維電子雲層持續載入電壓，以夾斷在該二維電子雲層中流動的該源極和該汲極之間的電流，使該異質結接面場效電晶體之半導體功率元件為一常態關閉元件；其中該異質接面結構包括的該第一半導體層及該第二半導體層，構成一矩形塊，其縱向從該源極延伸到該汲極；而且帶有絕緣層的該閘極和該浮置閘極構成一纏繞閘極，纏繞在該矩形塊的一個中間段的側壁周圍以及該矩形塊中間段的頂面，以控制該第一半導體層和該第二半導體層之間產生的該二維電子雲層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面場效電晶體的氮化鎵半導體功率元件，其中，該第一半導體層為氮化鎵層，而該第二半導體層為設置於該氮化鎵層上方的氮化鋁鎵層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面場效電晶體的氮化鎵半導體功率元件，其更包括一藍寶石基板，用於承載該異質接面結構。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面場效電晶體的氮化鎵半導體功率元件，其中該浮置閘極帶負電荷，以將該二維電子雲層的夾斷電壓從負夾斷電壓轉化為正夾斷電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面場效電晶體的氮化鎵半導體功率元件，其中該浮置閘極帶負電荷，以將該二維電子雲層的夾斷電壓從負夾斷電壓轉化為等於或大於3.0V的正夾斷電壓。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面場效電晶體的氮化鎵半導體功率元件，其中該源極還包括一延伸的場效電板，從該源極延伸並覆蓋到該閘極上方。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面場效電晶體的氮化鎵半導體功率元件，其中該源極還包括一延伸的場效電板，從該源極延伸並覆蓋到該閘極上方，其中該場效電板藉由一厚絕緣層，與該閘極絕緣。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面場效電晶體的氮化鎵半導體功率元件，其中該異質接面結構包括該第一半導體層及該第二半導體層，構成一矩形塊，其中兩種能隙不同的該第一半導體層及該第二半導體層是垂直方向的。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面場效電晶體的氮化鎵半導體功率元件，其更包含至少一第三半導體層，其與具有兩種不同能隙的兩個相鄰的半導體層結構相互緊臨設置，用於生成至少兩個交界層，作為至少兩個二維電子雲層。
  10. 一種製備異質接面場效電晶體的氮化鎵半導體功率元件的方法，其包括以下步驟：在具有不同能隙的一第一半導體層與一第二半導體層的交界處製備一異質接面結構，以便在該異質接面處形成一二維電子雲層；在該二維電子雲層的相反兩端，製備一源極和一汲極；在一部分該二維電子雲層的上方、該源極和該汲極之間，製備一浮置閘極；在該浮置閘極上方，製備一閘極，並利用一絕緣層，使該閘極與該浮置閘極絕緣；在該異質接面結構的側壁和頂部周圍纏繞上該浮置閘極及該閘極；以及 對該浮置閘極充電，使它耗盡該二維電子雲層，使該異質接面場效電晶體之半導體元件運行在常態關閉之條件，並且藉由在該閘極上載入電壓，抵消該浮置閘極的電荷，使元件開啟。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之製備異質接面場效電晶體的氮化鎵半導體功率元件的方法，其中製備一異質接面結構的步驟還包括：藉由氮化鎵構成的該第一半導體層，與由氮化鋁鎵層構成的該第二半導體層形成交界，製備該異質接面結構。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之製備異質接面場效電晶體的氮化鎵半導體功率元件的方法，其更包括：構成帶有內置負電荷的該浮置閘極的步驟。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之製備異質接面場效電晶體的氮化鎵半導體功率元件的方法，其中，還包括：利用與在快閃記憶體中寫入電荷相類似的方法，將負電荷寫入該浮置閘極中的步驟。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之製備異質接面場效電晶體的氮化鎵半導體功率元件的方法，其中，還包括：藉由一薄絕緣層，將該浮置閘極及該異質接面結構絕緣的步驟。
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