相比下部的和上部的化合物半导体100、120具有更大的带隙。在另一实施例中，中间的化合物半导体110相比下部的和上部的化合物半导体100、120具有更低的带隙。在两种情况中，都不需要掺杂和注入来产生反型层(沟道)150、160并且不需要量子阱来将载流子限定在化合物半导体100、110、120内。例如，如稍后更详细描述的，当采用基于GaN的系统时，结果得到的极化电荷能够用于形成反型层(沟道)150、160而代替掺杂和注入。
[0029]在一个实施例中，下部的二维电荷载流子气150是2DHG并且上部的二维电荷载流子气160是2DEG，使得隧道晶体管是nM0S(n型)器件。替换地，下部的二维电荷载流子气150能够是2DEG且上部的二维电荷载流子气160能够是2DHG，使得隧道晶体管是pM0S(p型)器件。在任何情况下，下部的二维电荷载流子气150由于极化电荷而出现，且在下部的化合物半导体100中从第一掺杂区域130向第二掺杂区域140延伸，并且在到达第二掺杂区域140之前结束。类似地，上部的二维电荷载流子气160也由于极化电荷而出现且在中间的化合物半导体110中从第二掺杂区域140向第一掺杂区域130延伸，并且在到达第一掺杂区域130之前结束。当下部的二维电荷载流子气150是2DHG时，第一掺杂区域130是掺杂P型的，且当下部的二维电荷载流子气150是2DEG时，其是掺杂η型的。同样地，当上部的二维电荷载流子气160是2DEG时，第二掺杂区域140是掺杂η型的，且当上部的二维电荷载流子气160是2DHG时，其是掺杂ρ型的。在上部的和下部的二维电荷载流子气150、160之上形成栅极170，并且栅极170通过介电材料180与上部的化合物半导体120绝缘。
[0030]栅极170具有面对第一掺杂区域130的第一侧172和面对第二掺杂区域140的第二侧174。在一个实施例中，下部的二维电荷载流子气150在下部的化合物半导体100中纵向延伸经过栅极170的第二侧174并且在到达第二掺杂区域140之前结束，如由图1中标为‘Α’的下部的化合物半导体100的部分所指示的。在一个实施例中，能够仅对于靠近第二掺杂区域140的小部分来进行从下部的化合物半导体100的区域移除下部的二维电荷载流子气150。这样做产生补偿结构的类型，其中沿着GaN场效应晶体管的漂移区域更加均匀地分布电场的分布。这引起能够直接从上部的沟道160向下流动到下部的沟道150的漏电流的增加。因此，能够优化两个沟道150、160的重叠，S卩，在电场的均匀性与漏电流之间存在折衷。替换地，能够经由栅极电极170之上的额外的金属场板来将电场再成形。在任一情况下，上部的二维电荷载流子气160在中间的化合物半导体110中纵向延伸经过栅极170的第一侧172并且在到达第一掺杂区域130之前结束，如由图1中标为‘B’的中间的化合物半导体110的部分所指示的。
[0031]栅极170响应于施加到栅极170的电压(VJ来调整上部的二维电荷载流子气150的载流子浓度，以便引起跨二维电荷载流子气150、160之间的隧穿位皇的隧穿。上部的二维电荷载流子气150的载流子浓度小于下部的二维电荷载流子气160的载流子浓度，使得没有电压施加到栅极170时在栅极170下方抑制隧穿，导致隧道晶体管关闭，S卩，在掺杂区域130、140之间没有形成连续的电流沟道，且因此使用术语‘常关闭型’来描述晶体管。
[0032]在一个实施例中，基于化合物半导体100、110、120的铝含量和厚度，下部的和上部的二维电荷载流子气150、160的初始载流子浓度是固定的，使得在没有足够栅极电压(VG)时在栅极170下方抑制隧穿。栅极170响应于施加到栅极170的电压来调整上部的二维电荷载流子气160的载流子浓度，使得隧穿能够在栅极170的长度上在二维电荷载流子气150、160之间发生。当上部的二维电荷载流子气160是2DEG并且下部的二维电荷载流子气150是2DHG时，施加正电压以引起隧穿，并且当上部的二维电荷载流子气160是2DHG并且下部的二维电荷载流子气150是2DEG时，施加负电压以引起隧穿。
[0033]上部的和下部的二维电荷载流子气150、160以相对小的距离d分离，例如10 nm或更小，例如5 nm或更小。这样近的间隔形成隧穿位皇，载流子能够响应于施加在第一和第二掺杂区域130、140之间的，S卩，隧道晶体管的源极区域和漏极区域之间的电压差而隧穿通过该隧穿位皇。能够通过上述所使用的材料堆叠来调节二维电荷载流子气150、160的浓度。具体地，例如，通过改变堆叠中的不同AlGaN层的厚度和A1含量，能够控制两个反型层150、160的浓度。通过该机制，能够调节(调整)上部的二维电荷载流子气160的浓度，使得当没有电压施加到栅极170时，抑制隧穿机制。当将电压施加到栅极170时，上部的二维电荷载流子气150的浓度在栅极170下方的区域中增强，直到达到允许隧穿机制在上部的和下部的二维电荷载流子气150、160之间出现的特定浓度。通过这种方式，在也利用产生非常陡的亚阈值斜率、减小的泄露、可忽略的短沟道效应和无双极性特性的隧穿操作的同时，提供常关闭型操作。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。
[0034]图2图示出使用基于GaN的系统被实现为n_沟道(η型)器件的图1的常关闭型化合物半导体隧道晶体管的部分横截面视图。通过基于GaN的系统，代替掺杂和注入，利用极化电荷形成二维电荷载流子气150、160。更详细地，根据该实施例，下部的化合物半导体100包括GaN，中间的化合物半导体110包括InGaN，并且上部的化合物半导体120包括GaN。中间的InGaN层110相比上部的和下部的GaN层100、120具有更低的带隙。第一掺杂区域130是掺杂ρ型的(p+)并且形成隧道晶体管的源极。第二掺杂区域140是掺杂η型的(η+)并且形成隧道晶体管的漏极。上部的GaN层120与中间的InGaN层110接触，使2DEG 160接近与上部的GaN层120的界面出现在InGaN层110中。中间的InGaN层110与下部的GaN层100接触，使2DHG 150接近与中间的InGaN层110的界面出现在下部的GaN层100中。根据隧道晶体管的该实施例，当正电压(VJ施加到栅极170时，晶体管被接通。
[0035]图3图示出使用基于GaN的系统被实现为ρ沟道型器件的图1的常关闭型化合物半导体隧道晶体管的部分横截面视图。根据该实施例，下部的化合物半导体100包括GaN，中间的化合物半导体110包括A1N并且上部的化合物半导体120包括GaN。中间的A1N层110相比上部的和下部的GaN层100、120具有更大的带隙。二维电荷载流子气150、160由于极化电荷而非掺杂和注入而出现。第一掺杂区域130是掺杂η型的(η+)并且形成隧道晶体管的漏极。第二掺杂区域140是掺杂ρ型的(ρ+)并且形成隧道晶体管的源极。上部的GaN层120与中间的Α1Ν层110接触，使2DHG 160接近与上部的GaN层120的界面而出现在A1N层110中。中间的A1N层110与下部的GaN层100接触，使2DEG 150接近与中间的A1N层110的界面而出现在下部的GaN层100中。根据隧道晶体管的该实施例，当负电压久)施加到栅极170时，晶体管被接通。
[0036]图4和5图示出图3所示的隧道GaN晶体管的操作原理。具体地，图4图示出作为距栅极的距离的函数的2DHG和2DEG 二者的能量皇。标为‘2DHG’的上部的曲线参考图3的P型隧道晶体管涉及下面解释的示例。标为‘2DEG’的下部的曲线涉及图2的η型隧道晶体管。图5图示出对于不同栅极电压的图3的隧道晶体管的电子和空穴浓度。由标为200a的曲线表示的上部的2DHG 160的初始空穴浓度能够以对于施加到栅极170的零电压而言该空穴浓度远远低于下部的2DEG 150的电子浓度的方式是固定的。因此，对于Vs=0V抑制隧穿机制并且GaN晶体管处于关闭状态。当负电压施加到栅极170时，上部的2DHG 160的空穴浓度增强，并且下部的2DEG 150的电子浓度通常保持恒定，因为上部的2DHG 160相比下部的2DEG 150更靠近栅极170并且因此受栅极电压影响要大得多。在达到特定电压水平后，上部的2DHG 160的空穴浓度达到使隧穿事件在栅极170下方发生的水平，其中图5中标为200b的曲线表示的下部的2DEG 150。该电压水平表示隧道晶体管的有效晶体管阈值电压。更负的栅极电压对隧穿机制具有很小的影响，同时增加更靠近栅极170的空穴载流子浓度，如由图5中的标为200c的曲线所表示的。对于η型化合物半导体隧道晶体管，类似操作发生，除了上部的反型沟道160是2DEG，下部的反型沟道150是2DHG并且需要正栅极电压来引起栅极170之下的隧穿。
[0037]图6图示出当隧穿机制有效时图2的常关闭型化合物半导体隧道晶体管的部分横截面视图。由表示跨过上部的和下部的二维气150、160之间的势皇的电荷载流子的面向下的箭头来指示隧穿机制。与其中隧穿发生在非常靠近硅/氧化物界面的器件的非常有限的空间区域中的常规隧道晶体管相反，本文所描述的化合物半导体隧道晶体