[发明专利]常关闭型化合物半导体隧道晶体管

说明书

技术领域

本申请涉及隧道晶体管，具体地涉及常关闭型化合物半导体隧道晶体管。

背景技术

以GaN技术制造的常规HEMT(高电子迁移率晶体管)器件通常特征在于负阈值电压，即，即使在不向栅极电极施加电压的情况下，电流也能够在源极端子和漏极端子之间流动。事实上，即使在不向栅极电极施加任何电压的情况下，由于应变效应和极化效应，在源极端子和漏极端子之间自动地产生薄反型层。在该情况下，器件被称为“常开启型”晶体管。

作为GaN技术的固有特性的这种特征将GaN技术的应用的范围限制到其中电源可用于生成关闭GaN晶体管所需的负电压的那些。而且，这使驱动GaN晶体管所需的电路的设计复杂。

与也能够被应用于GaN技术的场效应晶体管相关联的另一常见问题是所谓的短沟道效应，当源极至漏极电压增大时，即使当晶体管处于电压阻断模式时，该效应也会导致增大的漏电流。随着器件尺寸被缩放以便获得更高的集成密度，增大的漏电流变得更加成问题。

而且，功率晶体管通常遭受高的亚阈值斜率（sub-threshold slope），其在切换操作期间固有地限制晶体管的最大速度。亚阈值斜率给出晶体管能够多快地从关闭状态切换到导通状态条件的指示。

隧道晶体管克服上述的速度限制和短沟道效应。隧道晶体管背后的主要想法是用通过非常薄的势垒的隧穿（tunneling）过程来代替控制常规场效应晶体管中的电流传导的势能垒上的载流子热离子发射的主要机制。通过这种方式，能够完全地抑制短沟道效应，并且获得相当低的亚阈值斜率，例如对于基于Si的隧道FET而言为几mV/dec而不是几百mV/dec。隧道晶体管的高量生产主要受到技术的不成熟以及隧道晶体管的低电流驱动能力的限制，隧道晶体管的低电流驱动能力极大地落后于常规硅MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的电流驱动能力。

在典型基于Si的隧道FET中，将正电压施加到栅极电极，这使反型层将n型漏极区域与p型源极区域连接。通过这种方式，两个相反的高掺杂区域之间的非常急剧的转变发生，并且产生非常薄的能量垒。当在源极端子与漏极端子之间施加电势差时，电子能够隧穿（跨过）该薄位垒。该器件概念也由双极性特性表征。事实上，如果将负电压施加到栅极电极，空穴累积层将源极区域和漏极区域连接，并且这时在空穴累积沟道与n型漏极区域之间的界面处产生隧穿位垒。

常规隧道FET要求非常高掺杂的源极/漏极区域和非常陡的掺杂轮廓以便隧穿位垒非常薄且使隧穿机制高效地发生。而且，在常规隧道FET中，隧穿机制发生在硅与氧化物之间的界面，其中缺陷以不利的方式强烈地影响器件性能和可靠性。

发明内容

在此公开了化合物半导体隧道场效应晶体管的实施例，其是常关闭型(即，需要正电压或负电压来接通晶体管)并具有非常陡的亚阈值斜率、降低的泄露、可忽略的短沟道效应且没有双极性特性。化合物半导体隧道场效应晶体管是快速切换的且能够用于高电压应用，例如30V直至600V以及更高。

根据隧道晶体管的实施例，隧道晶体管包括第一化合物半导体、第一化合物半导体上的第二化合物半导体和第二化合物半导体上的第三化合物半导体。第一掺杂区域延伸通过第二化合物半导体进入第一化合物半导体中，并且第二掺杂区域与第一掺杂区域间隔分开并且延伸通过第三化合物半导体进入第二化合物半导体中。第二掺杂区域具有与第一掺杂区域相反的掺杂类型。第一二维电荷载流子气由于极化电荷而出现并且在第一化合物半导体中从第一掺杂区域向第二掺杂区域延伸并且在到达第二掺杂区域之前结束。第二二维电荷载流子气也由于极化电荷而出现并且在第二化合物半导体中从第二掺杂区域向第一掺杂区域延伸并且在到达第一掺杂区域之前结束。栅极处在第一和第二二维电荷载流子气之上。

根据半导体器件的实施例，半导体器件包括常关闭型化合物半导体隧道晶体管，该常关闭型化合物半导体隧道晶体管在室温下具有高于100mA每mm栅极长度的驱动电流和低于60 mV每十倍（per decade）的亚阈值斜率。