專利名稱：可靠的常關(guān)型Ⅲ-氮化物有源器件結(jié)構(gòu)及相關(guān)方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子器件，更具體而言涉及半導(dǎo)體器件和相關(guān)方法， 最尤其涉及III-N型器件，其中通過圖形化的摻雜劑離子既可獲得增 強(qiáng)模式器件又可獲得耗盡模式器件。
背景技術(shù)：
許多場效應(yīng)晶體管(FET)在不施加?xùn)艠O電壓時(shí)工作于ON (導(dǎo)通) 狀態(tài)，這些晶體管稱為"耗盡模式"。"增強(qiáng)模式"FET是指在不施加?xùn)?極電壓時(shí)處于OFF (關(guān)斷)狀態(tài)的FET。
半導(dǎo)體器件的一個(gè)重要研究領(lǐng)域是尋找使用帶隙比硅寬的材料的 半導(dǎo)體技術(shù)。帶隙更寬的材料有可能在更高的溫度和更高的擊穿電壓 下工作。已經(jīng)在III-V化合物半導(dǎo)體(例如GaAs)和相關(guān)化合物(InP, AlGaAs等)方面投入了多年的研究和開發(fā)。
近年來，"III-N"半導(dǎo)體已經(jīng)成為得到著重開發(fā)的領(lǐng)域。GaN提 供了第一只藍(lán)光LED，這種LED現(xiàn)在正商業(yè)使用。晶體管或其它有源器 件在這種材料領(lǐng)域的開發(fā)是非常有吸引力的，這是因?yàn)榭梢缘玫酱蟮?帶隙(例如對(duì)于GaN而言是3.4V, AlGaN合金的更高)。
實(shí)現(xiàn)III-N有源器件的困難在于缺乏增強(qiáng)模式器件。本發(fā)明人及 同事使用氟注入將固定電荷引入類HEMT器件的頂(最寬帶隙)層，在
這一領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了關(guān)鍵性突破。這些技術(shù)在公開的美國專利申請(qǐng) 2007—0295993、 2007-0228416及2007-0278518中有記載，這些專利 申請(qǐng)?jiān)诖巳囊靡詡涓鞣N需要。
注意，下面討論的方面可能反映從所披露的發(fā)明得到的后見之明， 但不一定承認(rèn)其屬于現(xiàn)有技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到在施加電壓負(fù)荷(負(fù)荷)的情況下在上述類 型的器件中可發(fā)生閾值電壓漂移。本申請(qǐng)?jiān)诟鞣N實(shí)施例中教導(dǎo)了通過
使用雙柵(dual-gate)增強(qiáng)/耗盡器件，尤其是如果所述柵極以共源 共柵(cascode)配置連接，可以防止這種電壓漂移。這樣提供了更可 靠和穩(wěn)定的器件，代價(jià)僅僅是器件驅(qū)動(dòng)能力的些微退化。


下述圖示形成說明書的一部分且被包含以進(jìn)一步演示所主張的主 題的特定方面，且不應(yīng)用于限制或定義所主張的主題。因此，通過結(jié) 合附圖閱讀下述描述，可以更加全面地理解本發(fā)明實(shí)施例及其另外特 征和優(yōu)點(diǎn)，附圖中參考數(shù)字中最左邊有效位表示首次出現(xiàn)相應(yīng)參考數(shù) 字的圖，附圖中
圖1為包括本發(fā)明的至少一個(gè)教導(dǎo)的場效應(yīng)晶體管100的橫截面 示意圖2為包括本發(fā)明的至少一個(gè)教導(dǎo)的制造場效應(yīng)晶體管的方法的 流程圖3為包含本發(fā)明的至少一個(gè)教導(dǎo)的，使用場效應(yīng)晶體管(例如 通過氟等離子體處理的E模式AlGaN/GaN HEMT )的方法的流程圖4a和4b分別為根據(jù)圖3的方法，在144小時(shí)關(guān)態(tài)負(fù)荷之前和 之后E模式HEMT的源-漏輸出特性和轉(zhuǎn)移特性。
圖5a和5b分別是根據(jù)圖3的方法，在額外的148小時(shí)開態(tài)負(fù)荷 之前和之后E模式HEMT的源-漏輸出特性和轉(zhuǎn)移特性。
圖6a是根據(jù)圖3的方法，DC特性(Vth， Imax Gm及Ron )與高 電場負(fù)荷時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系圖。
圖6b是DC特性(Vth, Imax， Gm， Ron )與熱負(fù)荷時(shí)間之間的函 數(shù)關(guān)系圖。負(fù)荷溫度是350TC。在整個(gè)負(fù)荷過程的各個(gè)時(shí)間在樣品冷卻 后，在室溫下進(jìn)行測量。
圖7a是包括本發(fā)明至少一個(gè)教導(dǎo)的雙柵M0SFET (金屬氧化物半 導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)700的橫截面示意圖。
圖7b示出了單柵和雙柵增強(qiáng)模式器件中的等勢圖。
圖8是包括本發(fā)明至少一個(gè)教導(dǎo)的操作場效應(yīng)晶體管的方法的流
程圖。
圖9a是E模式單柵和根據(jù)圖7的E/D雙柵HEMT的從源到漏的電 場強(qiáng)度分布圖。
圖9b示出了 E/D雙柵HEMT的dc源-漏輸出特性。
圖9c示出了雙柵器件與單柵器件相比，短路電流增益(h21)和 最大穩(wěn)定/最大可得增益(MSG/MAG)。
圖9d的曲線圖示出在單柵和雙柵E模式HEMT中Vth的變化與高 場負(fù)荷時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
圖1為包含本發(fā)明的至少一個(gè)教導(dǎo)的場效應(yīng)晶體管100的橫截面 示意圖，場效應(yīng)晶體管100包括HEMT(高電子遷移率晶體管)，該HEMT 使用異質(zhì)結(jié)構(gòu)，即具有不同帶隙的兩種材料之間的結(jié)，而不是使用局 部摻雜來提供溝道內(nèi)的移動(dòng)電子。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括重?fù)诫s的寬帶隙n 型施主供給層，其電子完全落到不含有摻雜劑雜質(zhì)的未摻雜的窄帶隙 溝道層中。未摻雜的窄帶隙溝道層隨后容納二維電子氣，即，具有非 常高濃度的高度移動(dòng)性導(dǎo)電電子的極薄層。由于該未摻雜的窄帶隙溝 道層未摻雜，電子可以快速移動(dòng)而不與任何雜質(zhì)碰撞。由不同帶隙的 材料形成的異質(zhì)結(jié)在未摻雜的窄帶隙溝道層側(cè)在導(dǎo)帶內(nèi)形成陡峭峽 谷，電子無法從該峽谷逃逸?？梢园彌_層。
荷負(fù)電的氟離子結(jié)合在頂AlGaN壘層內(nèi)，這有效地耗盡溝道內(nèi)的 電子。對(duì)于在常關(guān)型III-V族FET制作中氟等離子體處理的實(shí)際實(shí)施， 重要的是保證氟離子的穩(wěn)定性，確保氟離子在長時(shí)間的電負(fù)荷之后不 到處移動(dòng)。假設(shè)氟離子不由于強(qiáng)電場與/或熱負(fù)荷而遷移，場效應(yīng)晶體 管100具有在器件工作期間保持穩(wěn)定的閾值電壓，特別是在高電場電 負(fù)荷或者高溫?zé)嶝?fù)荷下。當(dāng)柵極電壓為零時(shí)，增強(qiáng)模式(或常關(guān)型) 晶體管的溝道電流為零，這種晶體管通常更適合用于功率電子器件或 邏輯電路中的FET。常導(dǎo)通(耗盡模式)器件在零柵極偏壓時(shí)保持導(dǎo)通， 在負(fù)柵極偏壓時(shí)關(guān)斷。該異質(zhì)結(jié)或者二維電子氣(2DEG)為費(fèi)米能級(jí) 高于導(dǎo)帶的薄層，使溝道具有低電阻或高電子遷移率。當(dāng)然可以使用 其他4t合物，GaN、 A1N、 AlInN、 AlGaN、 InGaN、 InAlGaN或其組合， 可分別摻雜有例如硅，分別包含一層或多層；區(qū)域可通過間隔物分隔。例如，柵極102長度為1 pm，與源極104相隔距離1 pm(柵極 -源極間隔)且與漏極106相隔距離3 pm (柵極-漏極間隔)。器件 無需純^tt:。 Vth、 Imax、 Gm和Ron的初始值可分另'J為+1. 02 V、 240 mA/mm、 135 mS/mm和11. 9 Qmm。在負(fù)荷測試之前，關(guān)斷狀態(tài)擊穿電壓(VBK ) 約為60 V。場效應(yīng)晶體管IOO具有導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)器件被使 用時(shí)，VDS可以為例如15 V、 30 V、 45 V或其他值。柵極-源極電壓 VGS在關(guān)斷狀態(tài)下可以固定在-2 V(低于夾斷電壓)，且在導(dǎo)通狀態(tài)下 可以固定在2 V (對(duì)應(yīng)于150 mA/mm的漏極電流密度)。高質(zhì)量III-V 族器件襯底和有源器件以及緩沖層可以通過分子束外延(MBE)、金屬 有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、氣相外延及其變型來外延生長。
圖2為包括本發(fā)明的至少一個(gè)教導(dǎo)的制造場效應(yīng)晶體管的方法的 流程圖。圖2的方法包括將原生的(as grown )耗盡模式(D模式)III-氮化物HEMT結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成E-模式。具體而言，該方法包括耗盡溝道中的 電子而不顯著影響載流子遷移率202。例如，帶負(fù)電荷的氟離子可以結(jié) 合到頂AlGaN壘層，204，以生成含氟離子的E模式柵極。也可以產(chǎn)生 不含氟離子但具有高電場的D模式柵極，206。
E模式柵極和D模式柵極可以按照共源共柵(cascode)連接方式 連接。甚至在高漏極電壓下，也可以遮擋氟離子使其不受高電場影響， 210。如果需要，可以4吏用以源極端接的(source terminated)或柵 極端接(gate terminated)的場板(field plate), 212，以減小E 模式柵極的漏極邊緣的電場強(qiáng)度。
圖3是包括本發(fā)明的至少一個(gè)教導(dǎo)的使用場效應(yīng)晶體管的方法的 流程圖，所述場效應(yīng)晶體管例如是通過氟等離子體處理的E模式 AlGaN/GaN HEMT。關(guān)于圖3所描述的方法通過施加關(guān)態(tài)和開態(tài)長期高 電場負(fù)荷，測試了增強(qiáng)模式的AlGaN/GaN HEMT (通過氟等離子體處理 技術(shù)制造)的可靠性，關(guān)注在高電場負(fù)荷下Vth的穩(wěn)定性。
在288小時(shí)的負(fù)荷后，觀察到閾值電壓有適中的負(fù)漂移(-0. 25V )。 然而，該漂移可以用增強(qiáng)/耗盡雙柵配置來消除，該配置有效地防止了 高電場影響經(jīng)氟等離子體處理的區(qū)域。
增強(qiáng)模式(或常關(guān)型)III-氮化物HEMT具有正的閾值電壓(Vth)， 并且是用于高速功率開關(guān)、高溫GaN集成電路和具有單個(gè)電壓源的 RFIC和MMIC的關(guān)鍵部件。它們提供的優(yōu)點(diǎn)有電路配置簡單以及對(duì)于器 件安全性而言良好的工作條件。已經(jīng)開發(fā)了具有魯棒性且低成本的技
術(shù)，即基于氟化物的等離子體處理，已經(jīng)開發(fā)了 [2]用于將原生的耗盡 型(D-模式)III-氮化物HEMT結(jié)構(gòu)的溝道轉(zhuǎn)變成E模式。
E模式HEMT使用氟等離子體處理技術(shù)制作，特征為柵長度1 M m， 柵-源間隔lMm，柵-漏間隔3Mm。為了使分析簡單，這種器件未鈍化。 Vth， Imax，Gm， Ron的初始值分另，J為+1. 02V, 240mA/mm， 135mS/mm和11. 9 Qmm。關(guān)態(tài)擊穿電壓(VBK)在負(fù)荷測試之前是約60V。帶負(fù)電的氟離 子結(jié)合到頂AlGaN壘層中302，這有效耗盡了溝道中的電子。為了高電 場電負(fù)荷下或高溫?zé)嶝?fù)荷下實(shí)際實(shí)施氟等離子體處理，器件工作期間 氟離子的穩(wěn)定性和可靠性以及閾值電壓穩(wěn)定性得到解決。
選擇一組測試條件，包括VDS的偏置電壓，柵-源電壓VGS以及時(shí) 間間隔。具體而言，從15V、 30V和45V選擇VDS的偏置電壓，并且從 導(dǎo)通和關(guān)斷選擇狀態(tài)。柵-源電壓VGS在關(guān)斷狀態(tài)固定308在-2V (在 夾斷電壓以下)，在導(dǎo)通狀態(tài)固定在2V (對(duì)應(yīng)于150mA/mm的漏極電流 密度)。
在310， E模式HEMT以所選VDS的偏置電壓在選定狀態(tài)下受到負(fù) 荷持續(xù)48小時(shí)。在開始負(fù)荷之后以每12小時(shí)的步長測量312和記錄 DC特性。在所選的時(shí)間間隔，144小時(shí)、196小時(shí)和288小時(shí)，器件在 沒有施加電負(fù)荷的情況下"休息"24小時(shí)，之后進(jìn)行DC特性測量。如 果所有組測試條件還未被執(zhí)行，則選擇另一組測試條件316。
圖4a和4b分別是根據(jù)圖3的方法在144小時(shí)關(guān)斷狀態(tài)負(fù)荷之前 和之后，E模式HEMT的源-漏輸出特性和轉(zhuǎn)移特性圖。在負(fù)荷之后的特 性包括在負(fù)荷之后立即測得的特性以及在2 4小時(shí)無負(fù)荷的休息之后測 得的那些。
圖5a和5b分別是根據(jù)圖3的方法，在額外的148小時(shí)導(dǎo)通狀態(tài) 負(fù)荷之前和之后E模式HEMT的源-漏輸出特性和轉(zhuǎn)移特性。在負(fù)荷之 后的特性包括在負(fù)荷之后立即測量的特性以及在24小時(shí)無負(fù)荷的休息 之后測得的那些。
圖6a是根據(jù)圖3的方法，DC特性(Vth, Imax, Gm, Ron)與高 電場負(fù)荷時(shí)間的函數(shù)關(guān)系圖。實(shí)心的符號(hào)是在負(fù)荷之后立即測量的結(jié) 果?？招牡姆?hào)是在24小時(shí)無負(fù)荷的休息之后測量的結(jié)果。圖6b是 DC特性(Vth， Imax, Gm， Ron )與熱負(fù)荷時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系圖。負(fù)
荷溫度是350"C。在整個(gè)負(fù)荷過程的各種時(shí)間，在樣品被冷卻之后在室 溫下執(zhí)4于測量。
關(guān)于圖4a、 4b、 5a、 5b、 6a、 6b，在144小時(shí)的關(guān)斷狀態(tài)加上144 小時(shí)的導(dǎo)通狀態(tài)高場負(fù)荷之后，觀察到Vth經(jīng)歷了逐漸的但是持續(xù)的 高場引入的負(fù)漂移(從1.02V到0.77V)。 Vth的這種負(fù)漂移不能通過 無負(fù)荷的休息來恢復(fù)，而開態(tài)電阻(Ron)的退化可以在休息之后恢復(fù)。 也發(fā)現(xiàn)了 Vth、 Ron、最大漏電流密度Imax和峰值跨導(dǎo)Gm在350"C的 153小時(shí)的熱負(fù)荷期間是穩(wěn)定的，暗示了結(jié)合到III-氮化物材料中的 氟離子的極好的熱穩(wěn)定性。
圖7a是包括本發(fā)明的至少一個(gè)教導(dǎo)的雙柵MOSFET (金屬氧化物 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)700的示意性截面圖。雙柵("DG" ) HEMT基于E 模式柵極和D模式柵極的共源共柵連接，并且通過將E模式柵極與高 電場物理分開產(chǎn)生了改善的穩(wěn)定性和可靠性。雙柵MOSFET 700以共源 共柵布置排列，公共源極FET (即，具有接地源極端708的FET)由信 號(hào)源Vin驅(qū)動(dòng)，并且公共柵極FET(即，具有接地柵極端的FET)提供 輸出信號(hào)Vout。公共源極FET具有漏極，公共柵極FET具有源極，它 們?cè)贖EMT溝道720 (指示為二維電子氣)內(nèi)耦合到一起。雙柵MOSFET 700也包括Ti/Al/Ni/Au歐姆接觸722， 2.5//m GaN 724，氟離子726， 和藍(lán)寶石730。由于Vth的偏移是E模式HEMT的柵極區(qū)域中存在高電 場引起的，E模式柵極和高電場的物理分離可以產(chǎn)生改善的穩(wěn)定性和可 靠性。為了提高Vth的可靠性，如所示制造了基于E模式柵極和D模 式柵極的共源共柵連接的雙柵(DG) HEMT。
然而，在圖7a的雙柵MOSFET 700中，公共源極FET在增強(qiáng)模式 下工作。公共源極FET包括由信號(hào)源Vin驅(qū)動(dòng)的第一柵極704; HEMT 溝道內(nèi)的增強(qiáng)模式部分706,其被柵控以通過第一柵極導(dǎo)通和關(guān)斷；以 及接地源極端708。第一柵極704或者第一柵極端由諸如鎳、金、鎳/ 金合金或者其他導(dǎo)電材料制造。增強(qiáng)模式FET包括增強(qiáng)模式部分和耗 盡模式部分。
增強(qiáng)模式部分706具有可耗盡第一柵極附近的半導(dǎo)體溝道的插入 元素。該插入元素例如可以包括氟離子726;增強(qiáng)模式可通過注入氟離 子726實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體溝道720的耗盡模式部分706至少部分遮蔽插入 元素，使得插入元素并不響應(yīng)于耗盡模式部分處的電場和/或熱負(fù)荷而
從增強(qiáng)模式部分顯著遷移。
公共柵極FET，即，耗盡模式FET，具有第二柵極710或者第二柵 極端，其由諸如鎳、金、鎳/金合金的材料或其他導(dǎo)電材料制成，并且 保持在基本固定的電位，例如地電位(作為公共柵極)。例如，第二柵 極710可以電耦合到該場效應(yīng)晶體管的源極端。
第二柵極710電耦合到固定電位，例如地電位。第二柵極710可 包括場板。如果需要，第二柵極710可以電耦合到第一柵極704。
耗盡模式FET也具有由第二柵極710柵控的耗盡模式部分712， 其固有地工作在耗盡模式下(沒有任何氟離子726結(jié)合到AlGaN層中)， 并且可用于遮蔽第一柵極704使其免受電壓負(fù)荷。該耗盡模式FET也 具有輸出漏極714。
遮擋氟離子726，或者其它可能需要的插入元素，使其不受可能 在耗盡模式部分附近或者輸出漏極714附近遇到的高電場負(fù)荷的影響。 因此，氟離子726不被這種負(fù)荷驅(qū)離或移動(dòng)，保持在原地，保持了共 源極FET的增強(qiáng)模式。由于MOSFET 700的閾值電勢(即，閾值電壓) 主要由共源極FET保持在增強(qiáng)模式的能力控制，MOSFET 700在耗盡模 式部分存在電場負(fù)荷時(shí)具有基本穩(wěn)定的閾值電勢。圖7b示出了單柵和 雙柵增強(qiáng)模式器件中的等勢圖。峰值電場位于雙柵器件中D模式柵極 的邊緣(遠(yuǎn)離E模式柵極和氟離子)。
該共源共柵布置的輸出在電學(xué)上和物理上都有效地與輸入隔離， 因此非常穩(wěn)定。增強(qiáng)模式晶體管在源和漏都具有幾乎恒定的電壓。耗 盡模式晶體管在其柵極和源極具有幾乎恒定的電壓。因此，其上具有 顯著電壓的節(jié)點(diǎn)僅僅是輸入和輸出，并且這些節(jié)點(diǎn)被幾乎恒定電壓的 中央連接并被兩個(gè)晶體管的物理距離分開。因此，在實(shí)踐中，幾乎沒 有反饋從輸出到輸入。金屬遮蔽有效并且容易在兩個(gè)晶體管之間提供 以便在需要時(shí)用于甚至更大的隔離。
該E/D共源共柵連接的DG HEMT結(jié)構(gòu)提供了高電場負(fù)荷下E模式 HEMT的Vth的穩(wěn)定性。D模式柵極存在于E模式柵極和漏極之間，并 且電連接到源極，在高電壓器件工作期間有效地遮蔽E模式柵極(被 氟等離子體處理之處)使其不受高電場影響。在負(fù)荷之后在DG HEMT 中沒有觀察到Vth的持續(xù)負(fù)偏移。此外，E/D DG HEMT顯示出更高的功 率增益，這是因?yàn)榉答侂娙轀p小以及輸出電阻增大。
關(guān)斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)，在有高電場負(fù)荷時(shí)，都導(dǎo)致Vth的逐漸負(fù) 偏移.在24小時(shí)的無負(fù)荷的休息之后，這種偏移甚至還持續(xù)，表明發(fā) 生了閾值電壓的高電場引入的負(fù)漂移.這也暗示了能夠找到通過遮蔽 氟等離子體處理的區(qū)域使其不受高電場影響來改善Vth的穩(wěn)定性的解
決方案。
關(guān)斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)負(fù)荷都導(dǎo)致Ron的退化。然而，這種退化在 無負(fù)荷的休息后恢復(fù)，甚至最終得到改善(更小的Ron).這種恢復(fù)趨 勢與傳統(tǒng)D模式HEMT報(bào)告的一致，當(dāng)然Vth的負(fù)偏移也通過呈現(xiàn)更小 的溝道電阻來貢獻(xiàn)。在負(fù)荷下，Imax和Gm都遭受微小的退化，但是在 無負(fù)荷的休息之后恢復(fù)，結(jié)果Ron減小。
在長期高場負(fù)荷之后閾值電壓的負(fù)偏移暗示了，由于負(fù)荷在柵極 區(qū)域發(fā)生了某些變化。帶負(fù)電荷的氟離子在電負(fù)荷期間經(jīng)歷了強(qiáng)的庫 倫力，這導(dǎo)致這些離子從柵極邊緣物理遷移。柵極區(qū)域中帶負(fù)電荷的 氟離子的減少隨后可能導(dǎo)致Vth的負(fù)偏移。需要氟離子的電負(fù)荷引起 的遷移的直接觀察來確定這種論點(diǎn)。
E模式HEMT的熱負(fù)荷測試是通過在真空中將器件放置在350t;的 熱臺(tái)上長達(dá)153小時(shí)來進(jìn)行的。在不同的時(shí)間，將器件取出并且冷卻 至室溫，在室溫下進(jìn)行dc測試。沒有觀察到Vth、 Imax、 Gm和Ron有 明顯的退化。
圖1的HEMT是高效GaAs增強(qiáng)/耗盡(E/D )型雙柵(DG )高電子 遷移率FET (HEMT),其可以用小的單偏置源來工作，而具有大的輸出 阻抗，大約比單柵FET大一個(gè)數(shù)量級(jí)。它可以具有小的反饋電容，這 是因?yàn)榈诙艠O屏蔽了從漏極到第一柵極的信號(hào)反饋，改善了輸入端 和輸出端之間的隔離，改善了輸入-輸出特性的線性度，并且改善了器 件增益。它具有小的相位失真，因?yàn)楣苍碏ET和共柵FET中的相位偏 移極性相反。最后，它具有大的設(shè)計(jì)靈活性，因?yàn)榈谝粬艠O具有高增 益，第二柵極具有高擊穿電壓。
圖8是操作結(jié)合了本發(fā)明的至少一個(gè)示范的場效應(yīng)晶體管的方法 的流程圖。該方法包括從導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)進(jìn)行選擇802,在導(dǎo)通狀 態(tài)，該方法包括驅(qū)動(dòng)804第一柵極以導(dǎo)通被適于在增強(qiáng)模式下工作的 半導(dǎo)體溝道的第一部分。該方法也包括使電流流過806該溝道的第二 耗盡模式部分。該電流和溝道由笫二柵極柵控，該第二柵極在共源共
柵配置中保持在基本固定的電位.在關(guān)斷狀態(tài)，該方法包括關(guān)斷808 半導(dǎo)體溝道的第一部分，而仍然將第二柵極保持在固定電位，其中溝 道的第二部分遮蔽第一柵極使其不受電壓負(fù)荷的影響。
圖9a是E模式單柵和圖7的E/D雙柵HEMT的從源極到漏極的電 場強(qiáng)度分布圖。使用了 ISE的Santaurus模擬器進(jìn)行該模擬。VDS設(shè)定 為50V。在雙柵器件中，峰值電場發(fā)生在D模式柵極，而不是有負(fù)離子 的E模式柵極，的漏極側(cè)。如模擬結(jié)果所示，電場峰值在E/DDG器件 的D模式柵極的邊緣處。
圖9b示出了 E/D雙柵HEMT的dc源-漏輸出特性。圖9c示出了雙 柵器件與單柵器件相比，短路電流增益(h21)和最大穩(wěn)定/最大可得 增益(MSG/MAG)。雙柵HEMT顯示了改善的功率增益，這是因?yàn)檩敵鲭?阻增加，并且反饋電容減小。
該E/D DG HEMT的閾值電壓表現(xiàn)出穩(wěn)定性得到很大改善，沒有持 續(xù)的負(fù)偏移。對(duì)于E/D雙柵HEMT和D模式單柵HEMT (其不受氟等離子 體處理)，Vth與電負(fù)荷時(shí)間的函數(shù)關(guān)系趨勢非常接近。與單柵器件比 較，雙柵HEMT也顯示出可比的dc性能以及改善的高頻功率增益，這 是因?yàn)榉答侂娙轀p小并且輸出電阻增大。
圖9d的曲線圖示出在單柵和雙柵E模式HEMT中Vth的變化與高 場負(fù)荷時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系。也繪出了 D模式單柵HEMT的結(jié)果供比較。 在高電場負(fù)荷下在經(jīng)氟等離子體處理的增強(qiáng)模式HEMT中觀察到Vth的 適度負(fù)偏移。該器件在持續(xù)153小時(shí)的3501C的熱負(fù)荷下是穩(wěn)定的。E/D 雙柵HEMT被證明在防止Vth的偏移及改善其可靠性方面是有效的，這 是通過用D模式柵極遮擋E模式柵極使其不受高電場影響來實(shí)現(xiàn)的.
已經(jīng)描述了多個(gè)實(shí)施方式和實(shí)施例。然而將理解，在本公開的范 圍內(nèi)可以替換其他實(shí)施方式和實(shí)施例。例如，場效應(yīng)晶體管不一定包 含HEMT，可以使用其他類型的晶體管。
因此，已經(jīng)結(jié)合若干示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，不過應(yīng)理解， 所使用的詞語是用于描述和說明而非用于限制。在目前陳述的以及修 改的權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以進(jìn)行變化而不背離本發(fā)明的范圍和精神. 盡管已經(jīng)參考具體手段、材料和實(shí)施例描述了本發(fā)明，本發(fā)明并不限 于所披露的細(xì)節(jié)；相反，本發(fā)明涵蓋例如在所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi) 的所有功能等同的結(jié)構(gòu)、方法和用途。
然而應(yīng)注意，附圖僅僅說明所主張的主題的典型實(shí)施例，且因此 不應(yīng)視為限制所主張的主題的范圍，因?yàn)樗鲝埖闹黝}可以采用其他 同樣有效的實(shí)施例。
根據(jù)各種公開的實(shí)施例，提供了一種場效應(yīng)晶體管，其包括第 一柵極；第二柵極，以共源共柵配置保持在基本固定的電位；以及具 有增強(qiáng)模式部分和耗盡模式部分的半導(dǎo)體溝道，該增強(qiáng)模式部分被柵 控以由所述第一柵極導(dǎo)通和關(guān)斷，該增強(qiáng)模式部分已經(jīng)調(diào)適為在增強(qiáng) 模式下工作，該耗盡模式部分由所述第二柵極柵控，該耗盡模式部分 已經(jīng)調(diào)適為在耗盡模式下工作并且用于遮擋第一柵極使其不受電壓負(fù) 荷影響。
根據(jù)各種公開的實(shí)施例，提供了一種III-N型半導(dǎo)體材料的有源 器件結(jié)構(gòu)，包括第一和第二導(dǎo)電源/漏區(qū)域，定位成連接到III-N型 半導(dǎo)體溝道的不同位置；以及第一和第二柵極端，每一個(gè)都電容性耦 合到所述源/漏區(qū)域之間的所述溝道的不同相應(yīng)部分；對(duì)于所述第一和 第二柵極端子，所述溝道具有符號(hào)相反的不同的相應(yīng)閾值電壓。
根據(jù)各種公開的實(shí)施例，提供了 一種操作場效應(yīng)晶體管的方法，
該方法包括在導(dǎo)通狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)第一柵極以導(dǎo)通已經(jīng)調(diào)適成在增強(qiáng) 模式工作的半導(dǎo)體溝道的第一部分，同時(shí)也使電流流過所述溝道的第 二耗盡模式部分，該第二耗盡模式部分被共源共柵配置的、保持在基 本固定的電位的第二柵極柵控；在關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)斷所述半導(dǎo)體溝道的 所述第一部分，而仍然保持所述第二柵極處于所述固定電位，其中所 述溝道的所述第二部分遮擋所述第一柵極使其不受電壓負(fù)荷影響。
根據(jù)各種公開的實(shí)施例，提供了一種操作III-N場效應(yīng)晶體管的 方法，該方法包括在導(dǎo)通狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)第一柵極以導(dǎo)通III-N半導(dǎo)體 溝道的第一部分，同時(shí)也4吏電流流過所述溝道的第二部分，該第二部 分由保持在基本固定電壓的第二柵極柵控；并且在關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)斷所 述半導(dǎo)體溝道的所述第一部分，而仍然將所述第二柵極保持在所述固 定電位；其中所述溝道的所述第一部分，但不是所述溝道的所述第二 部分，耦合到局域化的固定電荷；由此所述第二柵極的工作限制所述 局域化電荷上的電壓負(fù)荷。
根據(jù)各種公開的實(shí)施例，提供了 一種基于氟化物的等離子體方法， 用于將原生的耗盡模式(D模式)III-氮化物HEMT結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成E模式，
該基于氟化物的等離子體方法包括耗盡溝道中的電子，而不顯著影 響載流子遷移率，包括將帶負(fù)電荷的氟離子結(jié)合到頂AlGaN壘層中， 實(shí)現(xiàn)不包含氟離子但具有高電場的D模式柵極；實(shí)現(xiàn)不包含氟離子但 具有高電場的D模式柵極；將可修改的D模式柵極轉(zhuǎn)換成含有氟離子 的E模式柵極；布置E模式柵極和D模式柵極的共源共柵連接；以及 甚至在高漏極電壓的情況下，遮擋氟離子使其不受高電場影響。
根據(jù)各種公開的實(shí)施例，提供了一種場效應(yīng)晶體管，其包括第一
柵極，共源共柵配置的、保持在基本固定電位的第二柵極，以及半導(dǎo) 體溝道。該半導(dǎo)體溝道具有增強(qiáng)模式部分和耗盡模式部分。增強(qiáng)模式 部分被柵控以通過第一柵極導(dǎo)通和關(guān)斷，并且已經(jīng)^皮調(diào)適成在增強(qiáng)模 式下工作。該耗盡模式部分由第二柵極柵控，并且已經(jīng)被調(diào)適成在耗 盡模式下工作并且用于遮擋第一柵極使其不受電壓負(fù)荷影響。
調(diào)整和變型
本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，本申請(qǐng)中描述的創(chuàng)新概念可以在許多 應(yīng)用范圍上進(jìn)行調(diào)整和變型，因此專利主題的范圍不限于所給出的任 何具體示范性教導(dǎo)。本申請(qǐng)旨在包括落在所附權(quán)利要求的精神和寬廣 范圍內(nèi)的所有備選方案、調(diào)整和變型。
例如，可以使用各種幾何結(jié)構(gòu)來布置第一和第二柵極及源/漏區(qū)域。
另一個(gè)例子為，源區(qū)和漏區(qū)的輪廓可以不同或類似。
此外，可以使用各種擴(kuò)散或金屬化結(jié)構(gòu)來控制源/漏區(qū)附近電場最 大值(關(guān)斷狀態(tài)下)的分布和電流最大值(在導(dǎo)通狀態(tài)下)的分布.
例如，所用的材料不嚴(yán)格限于優(yōu)選實(shí)施例的AlGaN/GaN組合。隨 著該技術(shù)的發(fā)展，期望所公開的創(chuàng)新的教導(dǎo)可以應(yīng)用于具有類似行為 的其他半導(dǎo)體合金。
又一個(gè)例子是，所公開的教導(dǎo)不嚴(yán)格限于HEMT型器件，也可以用 于IGFET或者甚至IGFET/HEMT混合體。
所公開的創(chuàng)新提供了 FET型電流注入結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)創(chuàng)新。本領(lǐng)域技 術(shù)人員可以理解，這種注入結(jié)構(gòu)可用于多種更復(fù)雜的器件，包括部分 雙極器件和單極器件。
本申請(qǐng)的說明書不應(yīng)解讀為意味著任何具體元素、步驟或功能是 必需包含在權(quán)利要求范圍內(nèi)的基本要素專利主題的范圍僅僅由被授
權(quán)的權(quán)利要求來限定。此外，所有這些權(quán)利要求均不涉及USC 35笫112 條第6款，除非確實(shí)出現(xiàn)"用于…的裝置(means for)".
所提交的權(quán)利要求是盡可能全面的，沒有任何主題有意被撤回、 認(rèn)定放棄、或者放棄。
權(quán)利要求
1.一種場效應(yīng)晶體管，包括第一柵極；第二柵極，保持在基本上固定電勢；以及半導(dǎo)體溝道，包含增強(qiáng)模式部分，其被柵控以由所述第一柵極導(dǎo)通和關(guān)斷，所述增強(qiáng)模式部分已經(jīng)調(diào)適成工作于增強(qiáng)模式，以及耗盡模式部分，由所述第二柵極柵控，所述耗盡模式部分已經(jīng)調(diào)適成工作于耗盡模式且用于遮蔽所述第一柵極使其免受電壓負(fù)荷。
2、 如權(quán)利要求1所述的場效應(yīng)晶體管，其中所述增強(qiáng)模式部分還具有放置成在所述第一柵極附近耗盡所述半導(dǎo) 體溝道的固定電荷。
3、 如權(quán)利要求2所述的場效應(yīng)晶體管，其中耗盡模式部分位于該場效應(yīng)晶體管的增強(qiáng)部分和漏極端之間；并且 所述固定電荷至少部分被所述半導(dǎo)體溝道的耗盡模式部分遮擋，使得所述插入元素不會(huì)響應(yīng)于耗盡模式部分處的電場和/或熱負(fù)荷從增強(qiáng)模式部分顯著遷移。
4、 如權(quán)利要求l所述的場效應(yīng)晶體管，其中場效應(yīng)晶體管在所述耗 盡模式部分處在電場負(fù)荷下時(shí)具有基本穩(wěn)定的閾值電壓。
5、 如權(quán)利要求l所述的場效應(yīng)晶體管，其中所述第二柵極電耦合到 該場效應(yīng)晶體管的源極端。
6、 如權(quán)利要求l所述的場效應(yīng)晶體管，其中所述第二柵極是場板。
7、 一種III-N型半導(dǎo)體材料的有源器件結(jié)構(gòu)，包括 第一和第二導(dǎo)電源/漏區(qū)域，定位成連接到III-N型半導(dǎo)體溝道的不同位置；以及第 一和第二柵極端子，每一個(gè)電容性耦合到所述源/漏區(qū)域之間的所 述溝道的不同相應(yīng)部分；對(duì)于所述第一和第二柵極端子，所述溝道具有 符號(hào)相反的不同的相應(yīng)閾值電壓。
8、 如權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其中所述溝道基本由GaN構(gòu)成。
9、 如權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其中所述柵極端子之一連接到可變電 壓，另一個(gè)連接到固定電壓。
10、 如權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其中所述柵極端子通過比所述溝道 帶隙更寬的半導(dǎo)體層與所述溝道分開。
11、 一種場效應(yīng)晶體管的操作方法，包括在導(dǎo)通狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)第一柵極以導(dǎo)通半導(dǎo)體溝道的第一部分，所述 笫一部分已經(jīng)調(diào)適成工作于增強(qiáng)模式，同時(shí)還使電流流過所述溝道的 第二耗盡模式部分，該第二耗盡模式部分由第二柵極柵控，所述第二 柵極在共源共柵配置中保持在基本上固定的電勢；以及在關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)斷所述半導(dǎo)體溝道的所述第一部分，而仍將所述 第二柵極保持在所述固定電勢，其中所述溝道的所述第二部分遮蔽所 述第一柵極使其免受電壓負(fù)荷。
12、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述溝道基本由GaN構(gòu)成。
13、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述柵極端子之一連接到可 變電壓，另一個(gè)連接到固定電壓。
14、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述兩個(gè)柵極端子通過帶隙 比所述溝道寬的半導(dǎo)體層與所述溝道分開。
15、 一種操作III-N場效應(yīng)晶體管的方法，包括 在導(dǎo)通狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)第一柵極以導(dǎo)通III-N半導(dǎo)體溝道的第一部分，同時(shí)還使電流流過所述溝道的第二部分，該第二部分由第二柵極柵控， 所述第二柵極保持在基本上固定的電壓；以及在關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)斷所述半導(dǎo)體溝道的所述第一部分，而仍將所述 第二柵極保持在所述固定電勢；其中所述溝道的所述第一部分耦合到局域化固定電荷，但所述溝 道的所述第二部分不耦合到局域化固定電荷；由此所述第二柵極的工作限制所述局域化固定電荷上的電壓負(fù)荷。
16、 如權(quán)利要求15所述的結(jié)構(gòu)，其中所述溝道主要由GaN構(gòu)成。
17、 如權(quán)利要求15所述的結(jié)構(gòu)，其中所述柵極端子之一連接到可 變電壓，另一個(gè)連接到固定電壓。
18、 如權(quán)利要求15所述的結(jié)構(gòu)，其中所述兩個(gè)柵極端子通過帶隙 比所述溝道寬的半導(dǎo)體層與所述溝道分開。
19、 一種基于氟化物的等離子體方法，用于將原生耗盡模式III 族氮化物HEMT結(jié)構(gòu)的溝道轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪?qiáng)模式，所述基于氟化物的等離子體方法包括耗盡溝道內(nèi)的電子而不顯著影響載流子遷移率，包括將荷負(fù)電的氟離子結(jié)合到頂AlGaN壘層內(nèi)；實(shí)現(xiàn)不包含氟離子但具有高電場的耗盡模式柵極； 實(shí)現(xiàn)不包含氟離子但具有高電場的可修改耗盡模式柵極； 將所述可修改耗盡模式柵極轉(zhuǎn)變?yōu)榘x子的增強(qiáng)模式柵極； 布置所述增強(qiáng)模式柵極和所述耗盡模式柵極的共源共柵連接；以及 遮蔽氟離子使其免受高電場影響，即使是在高的漏極電壓之下也是如此。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括實(shí)施源極端接或者柵極端接的場板，以減小所述增強(qiáng)模式柵極的 漏極邊緣的電場強(qiáng)度。
全文摘要
本發(fā)明提供了可靠的常關(guān)型III-氮化物有源器件結(jié)構(gòu)及相關(guān)方法和系統(tǒng)。一種場效應(yīng)晶體管，包括第一柵極；第二柵極，按照共源共柵配置保持在基本上固定電勢；以及半導(dǎo)體溝道。該半導(dǎo)體溝道包含增強(qiáng)模式部分和耗盡模式部分。該增強(qiáng)模式部分由該第一柵極柵控而導(dǎo)通和關(guān)斷，且適于工作于增強(qiáng)模式。該耗盡模式部分由該第二柵極柵控，并且適于工作于耗盡模式且可屏蔽該第一柵極免受電壓負(fù)荷影響。
文檔編號(hào)H01L29/78GK101359686SQ200810145148
公開日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2008年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月3日
發(fā)明者敬 陳 申請(qǐng)人:香港科技大學(xué)