[发明专利]高效率和/或高功率密度宽带隙晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件以及，更具体地，涉及一种宽带隙晶体管。

背景技术

例如硅(Si)和砷化镓(GaAs)的材料已经在半导体器件中得到了广泛的应 用。可是，这些很常见的半导体材料不能充分地适用于较高功率和/或高频率应用， 因为它们相对小的带隙(例如，在室温下，Si为1.12eV以及GaAs为1.42)和/ 或它们相对小的击穿电压。

因此，对高功率、高温和/或高频率应用和器件的关注点开始转向宽带隙半导 体材料，例如碳化硅(在室温下，阿尔法SiC为2.996eV)和III族氮化物(例如， 在室温下，GaN为3.36eV)。与砷化镓和硅相比，这些材料典型地具有较高电场 击穿强度和较高电子饱和速度。

特别适用于高功率和/或高频率应用的器件是高电子迁移率晶体管(HEMT)， 在某些情况下，其还被称为调制掺杂场效应晶体管(MODFET)。这些器件可以在 许多情况下提供操作优势，因为二维电子气(2DEG)形成在具有不同带隙能量的 两种半导体材料的异质结处，在该处的较小带隙的材料具有较大的电子亲和力。 2DEG是一种在非掺杂(“非故意掺杂”)、较小带隙材料中的积累层，且可以包含 超过例如10¹³载流子/cm²的非常高的薄层电子浓度。另外，产生于较宽带隙半导 体材料中的电子转变为2DEG，该2DEG由于降低了的离子化杂质散射而可以具 有高电子迁移率。

这种高载流子浓度和高载流子迁移率的结合可以给予HEMT以非常大的跨 导且可以提供优于诸如金属-半导体场效应晶体管(MESFET)的其他晶体管结构 的强大性能，以用于高频应用。

由氮化镓/氮化铝镓(GaN/AlGaN)材料体系制造的高电子迁移率晶体管具 有产生大量RF功率的能力，因为材料特性的组合包括上述高击穿场、宽带隙、 高导带偏移和/或高饱和电子漂移速度。2DEG中的电子的主要部分是由AlGaN中 的极化作用引起的。

已经论证了GaN/AlGaN体系中的HEMT。US专利5192987和5296395描述 了AlGaN/GaN的HEMT结构及其制造方法。众所周知的并将其并入本文的 Sheppard等人的US专利6316793描述了一种HEMT器件，该HEMT器件具有半 绝缘碳化硅衬底、衬底上的氮化铝缓冲层、缓冲层上的绝缘氮化镓层、氮化镓层 上的铝氮化镓阻挡层以及在铝氮化镓有源极结构上的钝化层。

自从在1993年，由Khan等在Appl.Phys.Lett.，vol.63，p.1214，1993所描述的， 以及在1996年，由Wu等在IEEE Electron Device Lett.，vol.17，pp.455-457，1996年九 月刊中对功率能力的证实，作为微波器件的宽带隙GaN基高电子迁移率晶体管 (HEMT)已经有了长足的改进。许多研究组都已经提出了具有超过10W/mm的功 率密度的器件，其改进超过了常规III-V器件的十倍。参见Tilak等的IEEE Electron Device Lett.，vol.22，pp.504-506，2001年11月；Wu等的IEDM Tech Dig.pp.378—380， 2001年12月2—5日；以及Ando等的IEEE Electron Device Lett.，vol.24，pp.289-291， 2003年5月。