常关闭型化合物半导体隧道晶体管的制作方法
【专利说明】常关闭型化合物半导体隧道晶体管
[0001]本申请是于发明名称为“常关闭型化合物半导体隧道晶体管”且申请号为2013100635931的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]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】
[0003]以GaN技术制造的常规HEMT (高电子迀移率晶体管)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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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皇的隧穿(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皇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 ο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M0SFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)的电流驱动能力。
[0008]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η型漏极区域与Ρ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皇。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)该薄位皇。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η型漏极区域之间的界面处产生隧穿位皇。
[0009]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皇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】
[0010]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(S卩，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。
[0011]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。
[0012]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_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。
[0013]根据制造隧道晶体管的方法的实施例，该方法包括:在第一化合物半导体上形成第二化合物半导体和在第二化合物半导体上形成第三化合物半导体，使得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纵向延伸，以及第二二维电荷载流子气由于极化电荷而出现并且在第二化合物半导体中纵向延伸；形成第一掺杂区域，该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与第一二维电荷载流子气接触；形成第二掺杂区域，该第二掺杂区域延伸通过第三化合物半导体进入第二化合物半导体中并且与第二二维电荷载流子气接触；防止第一二维电荷载流子气延伸到第二掺杂区域；防止第二二维电荷载流子气延伸到第一掺杂区域；和在第一和第二二维电荷载流子气上形成栅极。
[0014]本领域技术人员在阅读如下【具体实施方式】时以及在查看附图时将认识到额外的特征和优点。
【附图说明】
[0015]不必相对彼此依比例绘制附图的要素。相同附图标记表示对应的类似部分。能够组合各个所图示的实施例的特征，除非它们彼此排斥。实施例在附图中被描绘并且在以下的描述中被详化。
[0016]图1图示出化合物半导体隧道晶体管的实施例的透视横截面视图。
[0017]图2图示出η型化合物半导体隧道晶体管的实施例的透视横截面视图。
[0018]图3图示出ρ型化合物半导体隧道晶体管的实施例的透视横截面视图。
[0019]图4是GaN技术中的二维电子气和二维空穴气的传导带轮廓的点列图。
[0020]图5是作为施加到化合物半导体隧道晶体管的栅极的电压的函数的沟道载流子浓度的点列图。
[0021]图6图示出化合物半导体隧道晶体管的实施例的透视横截面视图。
[0022]图7图示出制造化合物半导体隧道晶体管的方法的实施例的透视横截面视图。
[0023]图8A至8C图示出制造化合物半导体隧道晶体管的方法的另一实施例的透视横截面视图。
[0024]图9A和9B图示出制造化合物半导体隧道晶体管的方法的又一实施例的透视横截面视图。
[0025]图10图示出制造化合物半导体隧道晶体管的方法的又一实施例的透视横截面视图。
【具体实施方式】
[0026]接下来描述常关闭型化合物半导体隧道场效应晶体管的实施例以及制造此类常关闭型化合物半导体隧道晶体管的方法，该常关闭型化合物半导体隧道场效应晶体管在室温下具有例如高于100mA每_栅极长度的相对高的驱动电流和例如60 mV每十倍的相对低的亚阈值斜率。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。能够以例如GaN技术来实现常关闭型化合物半导体隧道晶体管。通过GaN技术，极化电荷和应变效应的存在导致实现所谓的“二维电荷载流子气”(在本文中也称作反型层)，其是特征为非常高的载流子密度和载流子迀移率的二维电子或空穴反型层。此类二维电荷载流子气的存在使得能够使用非常急剧且高掺杂的区域，所述区域进而能够用于产生非常薄的隧穿位皇。如本文所使用的，由于极化电荷而出现在GaN技术中的二维电子气(2DEG)和二维空穴气(2DHG)用于形成非常薄的隧穿位皇，用于实现常关闭型GaN隧道晶体管。也能够使用具有二维电子和空穴气的其他化合物半导体技术。在每种情况下，极化电荷用于形成器件的二维电荷载流子气(在本文中也被可交换地称为反型层或沟道)而代替掺杂和注入。
[0027]图1图示出常关闭型化合物半导体隧道晶体管的部分横截面视图。该隧道晶体管具有第一(下部的)化合物半导体100、该下部的化合物半导体100上的第二(中间的)化合物半导体110和该中间的化合物半导体110上的第三(上部的)化合物半导体120。第一掺杂区域130延伸通过中间的化合物半导体120(以及也可能通过上部的化合物半导体120，如图1所示)而进入下部的化合物半导体100中。第二掺杂区域140与第一掺杂区域130横向地间隔分开，延伸通过上部的化合物半导体120而进入中间的化合物半导体120中(以及也可能延伸到下部的化合物半导体100中，如图1所示)。第二掺杂区域140具有与第一掺杂区域130相反的掺杂类型。掺杂区域130、140形成隧道晶体管的源极和漏极。
[0028]选择化合物半导体100、110、120，使得化合物半导体100、110、120的相应带隙引起极化电荷，其产生在下部的化合物半导体100中纵向延伸的第一(下部的)二维电荷载流子气150以及在中间的化合物半导体110中纵向延伸的第二(上部的)二维电荷载流子气160。二维电荷载流子气150、160提供相反的电荷载流子类型的反型层。在一个实施例中，中间的化合物半导体110