[发明专利]多台阶表面钝化结构及其制造方法

说明书

一种氮化镓(GaN)晶体管，包括两个或更多个绝缘半导体界面区域(绝缘区)。设置在栅极和漏极之间(栅极附近)的第一绝缘区最小化栅极漏电流和栅极附近的场，其导致高栅极‑漏极电荷(Qgd)。设置在该第一绝缘区和漏极之间的第二绝缘区(或多个绝缘区)使漏极触点处的电场最小化，并在沟道中提供高密度电荷以实现低导通电阻。

发明领域

本发明涉及三族氮化物晶体管(诸如氮化镓(GaN)晶体管)领域。更具体地，本发明涉及具有多个绝缘半导体界面区域的GaN晶体管。

背景技术

氮化镓(GaN)半导体器件由于其承载大电流和支持高电压的能力而越来越多地用于功率半导体器件。这些器件的开发通常针对高功率/高频应用。为这些类型应用制造的器件是基于具有高电子迁移率的通用器件结构，并且被不同地称为异质结场效应晶体管(HFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)或调制掺杂场效应晶体管(MODFET)。

GaN HEMT器件包括具有至少两个氮化物层的氮化物半导体。在半导体上或缓冲层上形成的不同材料使得该层具有不同的带隙。相邻氮化物层中的不同材料也引起极化，这有助于在两层的接面附近，特别是在具有较窄带隙的层中，形成导电二维电子气(2DEG)区域。

引起极化的氮化物层通常包括AlGaN阻挡层，其与包含2DEG的GaN层相邻，且其允许电荷流过器件。该阻挡层可以掺杂或未掺杂。因为2DEG区域在零栅极偏压时存在于栅极下方，所以大多数氮化物器件通常是常开或耗尽型器件。如果在施加零栅极偏压时栅极下方的2DEG区域耗尽，即被去除，则器件可以是增强型器件。增强型器件是常关并且理想的，因为它们提供了额外的安全性，并且因为它们更容易用简单、低成本的驱动电路控制。增强型器件需要在栅极施加正向偏压以传导电流。

图1所示为具有单层表面钝化绝缘区(层)108的传统增强型GaN晶体管100的横截面图，并且在授予Ueda等人的美国专利No.8,076,698中有更全面的描述。图1的器件100包括可由硅(Si)、碳化硅(SiC)、蓝宝石或其他材料构成的衬底101；由AlN和AlGaN构成的过渡层102，其厚度为约0.1μm至约1.0μm；缓冲材料103，其由厚度为约0.5μm至约10μm的GaN构成；由AlGaN构成的阻挡材料104，其中Al与Ga的比率为约0.1至约0.5，厚度为约0.005μm至约0.03μm；低掺杂的p型AlGaN 105；重掺杂的p型GaN 106；隔离区107；钝化层/区108；用于源极和漏极的欧姆接触金属109和110，其通常由Ti和Al组成并具有诸如Ni和Au的覆盖金属；以及，栅极金属111，其通常由在p型GaN栅极上的镍(Ni)和金(Au)金属接触构成。

图2所示为现有技术没有表面钝化绝缘区的GaN晶体管器件的横截面，并且在授予Lidow等人的美国专利No.8,350,294中有更全面的描述。GaN晶体管1形成在衬底31上，衬底31可以包括例如硅Si、碳化硅SiC或蓝宝石。过渡层32在衬底31之上并与衬底31接触。过渡层32包括AlN或AlGaN，其厚度在0.1μm到1.0μm之间。缓冲层33将过渡层32与阻挡层34分开。缓冲层33优选由具有任何浓度的In和Al(包括0％In和/或Al)的InAlGaN形成，并且具有0.5μm至3μm的厚度。阻挡层34由AlGaN形成，并且具有0.005μm至0.03μm的厚度和约10％至50％的Al百分比。源极和漏极触点35、36设置在阻挡层之上。源极和漏极触点由Ti或Al形成，并具有诸如Ni和Au或Ti和TiN的覆盖金属。在源极和漏极触点之间提供由Ta、Ti、TiN、W或WSi2形成并且厚度在0.05μm和1.0μm之间的栅极触点37。在阻挡层34之上和栅极触点37下方形成补偿半导体层38。补偿半导体层38优选地包括具有深度水平钝化p型杂质的AlGaN或GaN，该p型杂质诸如Mg、Zn、Be、Cd或Ca。缓冲层33以及阻挡层34是由三族氮化物材料制成，例如In_xAl_yGa_(i-x-y)N，其中x+y≤1。补偿层38的高掺杂水平导致增强型器件。另外，使用补偿半导体层38导致器件操作期间的低栅极漏电流。最后，补偿层38的绝缘特性降低了器件的栅极电容。