专利名称：Ⅲ族氮化物功率半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及III族氮化物功率半导体器件及其制备方法。
技术背景由于具有较高的带隙和较高的电流输运能力，III族氮化物功率半 导体器件具有很大的商业价值。典型的m族氮化物功率半导体器件，例如ni族氮化物高电子迁移率晶体管(HEMT)，包括作为两个功率电极之间的电流传导通路的 in族氮化物异质结。具体而言，根据现有技术，HEMT包括第一 III 族氮化物半导体本体和设置在第一半导体本体上的第二 III族氮化物 半导体本体，其中第一本体可由例如未掺杂的GaN组成，第二本体可 由例如N型AlGaN组成。第 一半导体本体可在由例如A1N组成的过 渡体上形成，该过渡体自身在村底上形成。众所周知，第一半导体本体和第二半导体本体的异质结导致了通 常被称为二维电子气或2DEG的富载流子传导区域的形成。电流可通 过2DEG在第一欧姆触点(第一欧姆触点与第二半导体本体欧姆耦合) 和第二欧姆触点(第二欧姆触点也与第二半导体本体欧姆耦合)之间 传导。传统的HEMT为常开启型器件。在许多应用中，需要将器件关闭 或使用常关闭型器件。因此，可在第一欧姆触点和第二欧姆触点之间 设置栅电极。对栅电极施加适当的电压导致2DEG的阻断，从而将器 件关闭。因此，为了使传统的HEMT作为常关闭型器件工作，需要不 断地对栅电极施加电压，这种情况是不期望的，因为将消耗更多的能 量。同时，为了使传统的HEMT作为常关闭型器件工作，还需要比普 通常关闭型器件更复杂的驱动电路。发明内容本发明的一个目的是提供一种增强型(常关闭型)ni族氮化物功 率半导体器件。此处提及的III族氮化物是指InAlGaN系统中任意未掺杂的或掺 杂的半导体合金，包括例如A1N、 AlGaN、 GaN、 InAlGaN、 InGaN和 它们的任意组合。转让给本申请的申请人的第11/232,646号美国专利申请公开了一 种常关闭型III族氮化物功率半导体器件，其包括第一III族氮化物半 导体本体和在第一 III族氮化物半导体本体上的第二III族氮化物半导 体本体，以形成异质结本体，该异质结本体包括第一部分、第二部分 和在第一部分与第二部分之间以一定角度倾斜的第三部分，因此，由 两个III族氮化物半导体本体的异质结产生的2DEG被第三倾斜部分阻 断。根据本发明的器件进一步包括与异质结本体的第一部分电耦合的 第一功率触点、与异质结本体的第二部分电耦合的第二功率触点以及 与异质结本体的第三部分耦合的栅结构。根据本发明优选实施方案的器件包括半导体本体，其具有N型传 导性的第一III族氮化物半导体层、在所述第一层上形成的P型传导性 的第二 III族氮化物半导体层以及延伸过所述第二层并终止于所述第 一层内的凹陷；III族氮化物有源异质结本体，其至少由所述第一层沿 所述凹陷的侧壁延伸至所述第二层，所述有源异质结包括具有一个带 隙的第一 III族氮化物本体以及具有另 一个带隙且在所述第一 III族氮 化物本体上形成的第二 III族氮化物本体；第一功率电极，与所述III 族氮化物有源异质结电耦合，并且至少部分地设置在所述第二层上； 第二功率电极，与所述III族氮化物异质结电耦合，并且设置在所述第 一层上；控制电极，与所述异质结耦合，并且设置在所述第一功率电 极和所述第二功率电极之间。根据本发明的 一个方面，P型的第二 III族氮化物半导体本体是生 长的，例如，外延地生长。生长第二III族氮化物层相对于向III族氮 化物本体注入P型掺杂剂是有利的，这是由于P型注入产生缺陷，从 而变为N型，这些缺陷使得难以设计增强型器件。以下结合附图对本发明的描述将使本发明的其他特征和优点更加 明显。
图1示出了根据本发明优选实施方案的III族氮化物半导体器件的剖-现图；图2和图3示出了用于制备根据本发明优选实施方案的III族氮化 物器件的工艺中被选择的步骤。
具体实施方式
参见图1,根据本发明优选实施方案的器件包括衬底10、设置在 衬底10上的过渡层12、过渡层12上的一种导电性(如N型)的III 族氮化物緩冲层14、以及缓冲层14上的与緩沖层14的导电性相对的 另一种导电性(如P型)的III族氮化物层16。由顶部延伸、穿过III 族氮化物层16并终止于緩冲层14内的凹陷18容纳III族氮化物异质 结20， III族氮化物异质结20由层16的一个顶面沿凹陷18的侧壁和 底部延伸至III族氮化物层16的另一个顶面。异质结20包括具有一个 带隙的III族氮化物本体22和具有另 一个不同带隙的另 一个III族氮化 物本体24。选择本体22和本体24的带隙之间的差，从而导致在两个 本体22、 24的异质结处形成大体为水平方向的2DEG。具体地说，异 质结20沿其覆盖在层16上的部分和在凹陷18的底部覆盖在緩冲层 14上的部分包括2DEG。异质结20覆盖在凹陷18的倾斜的侧壁上的 部分不包4舌2DEG。根据本发明的一个方面，至少在异质结20的、分别覆盖了凹陷 18各侧壁的每一部分上设置有栅结构26,在施加适当的电压时，栅结 构26用以沿凹陷18的倾^H则壁向异质结吸引电子，以恢复2DEG, 从而在能够传输电流的异质结内形成连续的传导通路。电流可由一个 功率电极28 (如漏极)传输到另一个功率电极30 (如源极)，其中功 率电极28优选地与异质结20覆盖在凹陷18的底部上的部分欧姆连 接，功率电极30优选地与异质结在凹陷18顶部覆盖在层16上的部分欧姆连接。应当注意，根据本发明的一个方面，每个功率电极30也与 层16欧姆连接。在本发明的优选实施方案中，栅结构包括栅绝缘层32和栅电极 34。优选地，栅绝缘层32由异质结20覆盖在层16顶面上的顶部开始 沿着凹陷18的侧壁和底部，并终止于异质结20的另一个顶部。此外， 优选地，如图l所示，每个4册电极34包括在异质结20的顶面上的一 部分和在凹陷18的底部覆盖在异质结20的底部上的另一部分。绝缘 体36 4隻盖每个栅电极34。优选地，如图l所示，每个功率电极30的 一部分和功率电才及28的一部分在绝纟彖体36的相应部分上延伸。应当 注意，可选择地，栅结构34可不形成有绝缘体，而形成有与异质结肖 特基接触的导体。参见图2和图3,通过在衬底IO上形成过渡层12、緩冲层14和 III族氮化物层16而制备根据本发明的器件。应当注意，根据本发明 的一个方面，生长可为P型的III族氮化物层16 (例如外延地生长)， 从而可避免由注入所导致的缺陷。在本发明的优选实施方案中，衬底10由硅形成，过渡层12可形 成有渐变的或均匀的A1N，緩冲层可形成有N型GaN，并且层16可 形成有P型GaN。作为硅的替代，衬底IO可由例如SiC、蓝宝石或基 于III族氮化物的材料(如GaN)形成。如果使用GaN衬底，则可以 无需过渡层12。参见图3,凹陷18穿过III族氮化物层16并进入緩沖层14而形 成，在所得到的该结构上形成异质结20,并且在异质结20上形成栅 绝缘层32。随后，用于形成栅电极34的材料在绝缘层32上形成并构 图，从而得到栅电极34。然后，栅电极34被绝缘层覆盖并构图，从 而形成绝缘体36。然后，形成功率电极28和30,从而得到才艮据本发 明的器件。应当注意，还必须除去栅绝缘层32和异质结20的一部分， 以使电极30与层16欧姆接触。栅绝缘层32和绝缘体36可由Si02、 Si3N4、金刚石或其他任意适 当的4册绝》彖物质组成，并且功率电才及28、 30和4册电极34可由任意适 当的材料(如Ti/Al、 Ni/Au、 Hf、 Si或其他含Si的合金)组成。尽管已结合特定实施方案对本发明进行了描述，但对于本领域技 术人员而言，许多其他变化、修改和用途是显而易见的。因此，优选 地，本发明的范围并不受此处的具体描述所限，而仅由所附权利要求 限定。
权利要求
1.一种功率半导体器件，包括半导体本体，其具有N型传导性的第一III族氮化物半导体层、在所述第一层上形成的P型传导性的第二III族氮化物半导体层、以及延伸过所述第二层并终止于所述第一层内的凹陷；III族氮化物有源异质结本体，其至少由所述第二层沿所述凹陷的侧壁延伸至所述第一层，所述有源异质结包括具有一个带隙的第一III族氮化物本体以及具有另一个带隙且在所述第一III族氮化物本体上形成的第二III族氮化物本体；第一功率电极，与所述III族氮化物有源异质结电耦合，并且至少部分地设置在所述第二层上；第二功率电极，与所述III族氮化物异质结电耦合，并且设置在所述第一层上；控制电极，与所述异质结耦合，并且设置在所述第一功率电极和所述第二功率电极之间。
2. 如权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述控制电极与所 述异质结通过介电体电容耦合。
3. 如权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述控制电极至少 沿所述凹陷的所述侧壁设置。
4. 如权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述第一功率电极 与所述第二层欧姆接触。
5. 如权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述半导体本体在 设置在衬底上的III族氮化物过渡层上形成。
6. 如权利要求5所述的功率半导体器件，其中所述过渡层由AIN组成，所述第一层由N型GaN组成，所述第二层由P型GaN组成。
7. 如权利要求6所述的功率半导体器件，其中所述衬底由硅组成。
8. 如权利要求6所述的功率半导体器件，其中所述衬底由GaN 组成。
9. 如权利要求6所述的功率半导体器件，其中所述衬底由SiC组成。
10. 如权利要求6所述的功率半导体器件，其中所述衬底由蓝宝 石组成。
11. 如权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述第一III族氮 化物半导体本体由GaN组成，并且所述第二 III族氮化物半导体本体 由AlGaN组成。
12. 如权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述第二III族氮 化物半导体层是通过生长形成的。
13. 如权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述第二III族氮 化物半导体层中不含由注入所导致的N型缺陷。
全文摘要
一种增强型III族氮化物功率半导体器件及其制备工艺，所述器件包括沿凹陷侧壁的常闭通路。
文档编号H01L29/778GK101232046SQ20071018830
公开日2008年7月30日 申请日期2007年11月16日 优先权日2007年1月26日
发明者丹尼尔·M·金策 申请人:国际整流器公司