[发明专利]用于常关化合物半导体晶体管的栅极堆叠

说明书

技术领域

本申请涉及化合物半导体晶体管，并且更特别地涉及常关的基于III族氮化物(III-nitride)的晶体管。

背景技术

常规HEMT(高电子迁移率晶体管)典型地以GaN技术制作,并且通常表征为负阈值电压。也就是，即使在不向栅极电极施加任何电压以开启晶体管的情况下，电流也在器件的源极端子和漏极端子之间流动。实际上，在GaN技术中，经由源极端子和漏极端子之间的应变和极化效应，在不向栅极电极施加任何电压的情况下，自动创建薄沟道(反型层)。这样，该器件通常称为常开。

HEMT的常开特征是GaN技术的内在特性，并且将GaN技术的应用范围限制为其中电源可用于生成关闭GaN器件所需的负电压的那些应用。而且，常开特征使驱动GaN晶体管所需的电路的设计复杂化。

已经试图制造常关GaN HEMT，即具有正阈值电压的GaN晶体管。例如，可以在栅极电极下方形成较厚(典型地为100nm或更大)的p型掺杂GaN材料。该厚的p型GaN层使栅极电极下方的反型层耗尽，使阈值电压偏移到正值。p型GaN层必需足够厚以创建垂直电场，其使自然出现的反型沟道耗尽并使反型沟道分布在势垒层下方，势垒层典型地为AlGaN层。此外，由施加到栅极电极的电压生成的垂直电场允许反型层的开关调制。

然而，与常规硅技术不同，诸如GaN的大带隙材料的掺杂并不是微不足道的。实际上，薄p型掺杂GaN层的制造需要非常复杂化的处理。而且，由于GaN层的非均匀掺杂，并且特别是由于露出GaN表面处p型掺杂剂元素的表面积累，会引起阈值电压不稳定性。此外，可以由器件耐受的最大栅极电压受pn结在栅极电极下方的存在所限制。一旦达到pn结的内建电压，大且可能有害的栅极泄漏就直接从栅极接触向源极电极和漏极电极流动。在栅极电极下方使用厚p型掺杂GaN层也限制器件的跨导，因为栅极电极进一步与反型沟道间隔开与p型GaN层的厚度对应的距离。p型掺杂GaN层产生约1V的阈值电压。

发明内容

根据常关化合物半导体晶体管的一个实施例，常关晶体管包括异质结构体和在异质结构体上的栅极堆叠。异质结构体包括源极、与源极间隔开的漏极以及用于连接源极和漏极的沟道。沟道包括由于压电效应在异质结构体中产生的第一极性的第一二维电荷载流子气。栅极堆叠控制异质结构体区域中的在栅极堆叠下方的沟道。栅极堆叠包括至少一种III族氮化物材料，其由于压电效应在栅极堆叠下方的异质结构体中或在栅极堆叠中产生与第一极性相反的第二极性的第二二维电荷载流子气。第二二维电荷载流子气使第一二维电荷载流子气中的极化电荷反向平衡，从而沟道在栅极堆叠下方被破坏，使晶体管呈现常关。

根据制造常关化合物半导体晶体管的方法的一个实施例，该方法包括：形成异质结构体，该异质结构体包括源极、与源极间隔开的漏极和用于连接源极和漏极的沟道，该沟道包括由于压电效应在异质结构体中产生的第一极性的第一二维电荷载流子气；以及在异质结构体上形成栅极堆叠，用于控制在栅极堆叠下方的异质结构体区域中的沟道，栅极堆叠包括至少一种III族氮化物材料，其由于压电效应在栅极堆叠中或在栅极堆叠下方的异质结构体中产生与第一极性相反的第二极性的第二二维电荷载流子气，第二二维电荷载流子气使第一二维电荷载流子气中的极化电荷反向平衡，从而沟道在栅极堆叠下方被破坏。

通过阅读下面的详细描述并且通过查看附图，本领域技术人员将认识到附加特征和优势。

附图说明

附图中的组件不一定按比例绘制，相反强调的是图示本发明的原理。此外，在附图中，类似的参考标号标示对应的部分。在附图中：

图1图示了常关化合物半导体晶体管的一个实施例的局部截面图；

图2图示了常关化合物半导体晶体管的另一实施例的局部截面图；

图3图示了常关化合物半导体晶体管的又一实施例的局部截面图；

图4图示了常关化合物半导体晶体管的又一实施例的局部截面图；

图5A至图5E图示了根据一个实施例的制造常关化合物半导体晶体管的方法的不同阶段期间半导体结构的相应局部截面图；

图6A至图6E图示了根据另一实施例的制造常关化合物半导体晶体管的方法的不同阶段期间半导体结构的相应局部截面图。

具体实施方式