[发明专利]具有反向极化帽的增强模式III‑N族高电子迁移率晶体管

说明书

技术领域

本发明大体来说涉及包含增强模式III-N族高电子迁移率晶体管(HEMT)的集成电路装置；且更特定来说，涉及一种具有反向极化帽的增强模式III-N族HEMT。

背景技术

III-N族高电子迁移率晶体管(HEMT)已由于其较宽的带隙及高电子饱和速度而针对功率电子器件展示潜在的优越性。这些材料性质转变成高击穿电压、低接通电阻及快速切换。III-N族HEMT还可在比基于硅的晶体管高的温度下操作。这些性质使得III-N族HEMT非常适于高效率功率调节应用，例如照明及车辆控制。

图1展示图解说明常规增强模式III-N族HEMT100的横截面图。如图1中所展示，增强模式III-N族HEMT100包含衬底110及触及衬底110的顶部表面的分层结构112。衬底110通常用SiC来实施，因为SiC具有相当低的晶格失配(～3％)及高导热率。然而，SiC衬底为昂贵的且在大小上受限制。由于Si的低成本及对Si处理基础设施的易得性，衬底110通常也用Si来实施。

分层结构112又包含触及衬底110的顶部表面的缓冲层114、触及缓冲层114的顶部表面的沟道层116及触及沟道层116的顶部表面的势垒层118。势垒层118又具有凹部119，凹部119具有垂直地位于势垒层118的底部表面上面的底部表面。

缓冲层114、沟道层116及势垒层118各自通常用一或多个循序III族氮化物层来实施，其中III族包含In、Ga及A1中的一或多者。举例来说，势垒层118通常由A1GaN形成，而沟道层116通常由GaN形成。因此，沟道层116用不同于用于实施势垒层118的III-N族材料的III-N族材料来实施。

另外，常规上通过使用例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)及分子束外延(MBE)等外延沉积技术在衬底110上生长分层结构112而形成分层结构112。在已形成分层结构112之后，借助常规掩蔽及蚀刻步骤来形成凹部119。

缓冲层114提供衬底110与沟道层116之间的过渡层以便解决晶格常数差异的问题且提供错位最小化的生长表面。然而，当衬底110由硅形成时，难以在6英寸衬底上生长比2-3um厚的缓冲层114，这是因为应力、晶片的后续弯曲及氮化物膜的破裂。

如图1中进一步展示，增强模式III-N族HEMT100还包含触及分层结构112的顶部表面且给凹部119加衬的栅极电介质120，以及触及栅极电介质120的顶部表面的金属栅极122。另外，增强模式III-N族HEMT100包含通过势垒层118进行欧姆接触的金属源极124及金属漏极126。金属源极124与金属漏极126水平间隔开且电连接到沟道层116。

在操作中，如在米什拉(Mishra)等人的“A1GaN/GaN HEMT-装置操作及应用概述(A1GaN/GaN HEMTs-An Overview of Device Operation and Applications)”(IEEE会刊，第90卷，第6期，2002年6月，第1022-1031页)中所论述，HEMT的沟道层及势垒层具有不同极化性质及带隙，如图1中所展示，此诱发位于沟道层的顶部处的二维电子气体(2DEG)130的形成。具有高电子浓度的2DEG130类似于常规场效应晶体管(FET)中的沟道。

此外，在增强模式装置中，2DEG130通常在栅极下方被耗尽电子且借此通常为关断装置。因此，当将接地置于金属栅极122上时，无电流借助于2DEG130从金属漏极126流动到金属源极124。然而，当将接地置于金属源极124上时，将正电压置于金属漏极126上，且将大于阈值电压的正电压置于金属栅极122上，电流借助于2DEG130从金属漏极126流动到金属源极124。

因此，在增强模式III-N族HEMT100的操作期间，每当III-N族HEMT100接通及关断时，就将大的电压置于金属栅极122及金属漏极126上且接着在其之间移除所述电压。施加及移除大电压超过数千次对HEMT的部分(例如栅极电介质120)施以应力，且导致增强模式III-N族HEMT100的最终失效。因此，期望具有无电介质的增强模式III-N族HEMT。