非平坦常关型化合物半导体器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及化合物半导体器件，更具体地涉及常关型化合物半导体器件。
【背景技术】
[0002]常关型GaN/AlGaN HEMT (高电子迀移率晶体管)难以制造为充分大的阈值电压和低R_*Area(面积)F0M(其中，R_是晶体管的导通状态阻抗，以及F0M是晶体管的品质因数)。在大多数应用中，常关型器件概念相对于常开型器件概念来说更加优选，例如相对于故障时的安全操作或者与标准驱动器兼容等。通过引入非平坦常关型GaN HEMT概念，可以通过在栅极区域中创建阶梯来实现相对于高阈值电压和低RDS(]N*Area的高性能器件。然而，在传统的非平坦常关型GaN HEMT中，沿着栅极区域中的阶梯在AlGaN/栅极绝缘界面处产生最强的(峰值)沟道，其中不能从主2DEG (二维电子气)支持电子，因为必须克服GaN/AlGaN之间的势皇。这种内部阻抗在甚至为零的栅极电压处以较差的阈值电压控制和高漏极电流(例如，1E-5以上)导致不适当的传输特性，从而产生功能较差的晶体管。如此，期望具有适当晶体管传输特性的非平坦常关型GaN HEMT。
【发明内容】
[0003]根据常关型化合物半导体器件的实施例，一种常关型化合物半导体器件包括:第一III族氮化物半导体，具有第一倾斜转换区域，其中第一 III族氮化物半导体成角度地从第一层级转换到不同于第一层级的第二层级；以及第二 III族氮化物半导体，位于第一III族氮化物半导体上并具有不同于第一 III族氮化物半导体的带隙，使得沿着第一和第二III族氮化物半导体之间的界面产生二维电荷载气。常关型化合物半导体器件还包括位于第二 III族氮化物半导体上的栅极以及位于第一倾斜转换区域之上并夹置在栅极和第二III族氮化物半导体之间的掺杂半导体。如果足够陡峭，则仅由于第一倾斜转换区域的斜率而沿着第一倾斜转换区域中断二维电荷载气，或者还由于在器件的该区域中偏移带边缘的掺杂半导体的存在。
[0004]根据常关型化合物半导体晶体管的实施例，常关型化合物半导体晶体管包括:第一 III族氮化物半导体，具有倾斜转换区域，其中第一 III族氮化物半导体成角度地从第一层级转换到不同于第一层级的第二层级；第二 III族氮化物半导体，位于第一 III族氮化物半导体上；以及二维电子气，沿着第一和第二 III族氮化物半导体之间的界面布置。沿着倾斜转换区域中断二维电子气。常关型化合物半导体晶体管还包括:钝化层，位于第二 III族氮化物半导体上；栅极，位于第二 III族氮化物半导体上；源极接触件和漏极接触件，相互隔开且与栅极隔开；以及掺杂半导体，代替钝化层，位于倾斜转换区域之上并夹置在栅极和第二 III族氮化物半导体之间。对于晶体管的阈值之上的栅极电压，掺杂半导体使得沿着第一和第二 III族氮化物半导体之间的界面在倾斜转换区域中发生峰值电子密度。对于至少为50V的漏极电压，阈值电压超过0.5V。
[0005]根据常关型化合物半导体器件的另一实施例，常关型化合物半导体器件包括:第一III族氮化物半导体，具有第一倾斜转换区域和第二倾斜转换区域，在第一倾斜转换区域中第一 III族氮化物半导体成角度地从第一层级转换到不同于第一层级的第二层级，在第二倾斜转换区域中第一 III族氮化物半导体成角度地从第三层级转换到不同于第三层级的第四层级。常关型化合物半导体器件还包括第二 III族氮化物半导体，位于第一 III族氮化物半导体上并具有不同于第一 III族氮化物半导体的带隙，使得沿着第一和第二 III族氮化物半导体之间的界面产生二维电荷载气。沿着第一和第二倾斜转换区域中断二维电荷载气。常关型化合物半导体器件还包括位于第二 III族氮化物半导体上的钝化层以及位于钝化层上以及第一和第二倾斜转换区域之上的栅极。
[0006]在阅读以下详细描述并查看附图的基础上，本领域技术人员将意识到附加特征和优势。
【附图说明】
[0007]附图中的元件没有必要相对于彼此按比例绘制。类似的参考标号表示对应的类似部件。所示实施例的特征可以进行组合，除非另有指定。在附图中示出且在以下说明书中详细描述实施例。
[0008]图1示出了非平坦常关型化合物半导体器件的实施例的截面图。
[0009]图2(包括图2A和图2B)示出了图1的非平坦常关型化合物半导体器件在栅极下方的倾斜转变区域周围用于阈值电压之上的栅极电压(图2A)和零栅极电压(图2B)的电子密度分布。
[0010]图3是示出图2中的虚线位置处提取的电子密度的曲线图。
[0011]图4是示出用于图1所示非平坦常关型化合物半导体器件的传输特性的曲线图。
[0012]图5示出了非平坦常关型化合物半导体器件的另一示例的截面图。
[0013]图6是示出处于不同漏极电压的用于图5所示非平坦常关型化合物半导体器件的传输特性的曲线图。
[0014]图7示出了非平坦常关型化合物半导体器件的又一实施例的截面图。
[0015]图8是示出处于不同漏极电压的用于图7所示非平坦常关型化合物半导体器件的传输特性的曲线图。
[0016]图9示出了非平坦常关型化合物半导体器件的又一实施例的截面图。
[0017]图10示出了非平坦常关型化合物半导体器件的另一实施例的截面图。
[0018]图11示出了非平坦常关型化合物半导体器件的另一实施例的截面图。
[0019]图12示出了非平坦常关型化合物半导体器件的另一实施例的截面图。
[0020]图13 (包括图13A至图13G)示出了制造非平坦常关型化合物半导体器件的方法的实施例。
【具体实施方式】
[0021]本文描述的实施例提供了一种诸如HEMT的具有真正晶体管传输特性的非平坦常关型化合物半导体器件，其具有良好的阈值电压控制以及亚阈值栅极电压(例如，约10E-10以下，根据应用而不同)处可忽略的漏极电流。本文使用的术语“HEMT”通常还被称为HFET (异质结构场效应晶体管)、M0DFET (调制掺杂FET)和MESFET (金属半导体场效应晶体管)。术语HEMT、HFET、MESFET和MODFET在本文可交换使用来表示任何基于III族氮化物的化合物半导体器件(其将两种材料之间的接合与不同的带隙(即，异质结构)结合为沟道)。例如，GaN可以与AlGaN或InGaN组合来将电子气反转区形成为沟道。在每一种情况下并归因于本文描述的非平坦栅极部件，本文描述的常关型化合物半导体器件与传统的非平坦常关型化合物半导体器件相比更类似于理想晶体管。
[0022]图1示出了具有真实晶体管传输特性的非平坦常关型化合物半导体器件的一个实施例，其具有良好的阈值电压控制和亚阈值栅极电压处可忽略的漏极电流。根据该实施例，常关型化合物半导体器件包括第一 III族氮化物半导体100(在本文也可称为缓冲层)和位于第一 III族氮化物半导体100上的第二 III族氮化物半导体(在本文也可以称为势皇层)102。第一 III族氮化物半导体100以角度(α)从第一层级(L1)转换到不同于第一层级的第二层级(L2)。本文使用的术语“层级”是指通常水平的表面或区域。第一和第二层级之间的垂直距离除以cosU )定义了非平坦常关型化合物半导体器件的沟道长度。在一个实施例中，第一 III族氮化物半导体100的第一和第二层级之间的垂直距离大约为lOOnm以下。
[0023]第二 III族氮化物半导体102例如可以经由标准外延工艺在第一 III族氮化物半导体100上生长，并且具有与第一 III族氮化物半导体100相同的倾斜/成角表面轮廓。第二III族氮化物半导体102具有与第一 III族氮化物半导体100不同的带隙，使得二维电荷载气106沿着第一和第二 III族氮化物半导体100、102之间的界面108延伸。二维电荷载气106在两个III族氮化物半导体100、102之间的接合中产生并形成器件的沟道。
[0024]具体地，关于GaN技术，极化电荷的存在以及由于压电效应而引起的基于GaN的异质结构主体中的应变效应在特征在于较高载体密度和载体迀移率的异质结构主体中产生二维电荷载气106。这种二维电荷载气106 (诸如2DEG (二维电子气体)或2DHG (二维空穴气体))在例如GaN合金势皇层102 (诸如AlGaN或InAlGaN)与GaN缓冲层100之间在界面108附近形成器件的导电沟道。可以在GaN缓冲层100和GaN合金势皇层102之间设置薄(例如，l_2nm)AlN层以使合金散射最小化并增强2DEG迀移率。广义来说，本文描述的化合物半导体器件可以由任何二元、三元或四元III族氮化物化合物半导体材料形成，其中压电效应对器件概念负责。GaN缓冲层100可以制造在半导体衬底110 (诸如Si或SiC衬底)上，其中半导体衬底100上可以形成诸如A1N层的成核