基于异质结的HEMT晶体管制造技术

异质结结构，也称之为异质结构，尤其适用于高电子迁移率晶体管(HEMT)，其包括基底；设置在基底上的缓冲层，它为基于来自第III列氮化物具有大带隙的半导体材料，所述缓冲层(1)非意欲掺杂n型载流子；设置于缓冲层之上的阻挡层，它为基于来自第III列氮化物具有大带隙Eg2的半导体材料，其中阻挡层的带隙Eg2的宽度小于缓冲层的带隙Eg1的宽度。其中，该异质结结构还额外地包括意欲掺杂的区域，它为与缓冲层的材料相同的基于来自第III列的氮化物的材料，在平行于基底平面的平面中并且在沿着正交于基底平面的方向上具有预定厚度，其中所述区域包含在缓冲层中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及适用于采用异质结构实现高电子迁移率晶体管(HEMT晶体管)的技术。它更具体地涉及可据其实现该晶体管的异质结构。本专利技术尤其适合于在诸如风能或太阳能的可再生能源的发电、变换和/或管理装置中所使用的电力电子器件的领域，也适合于低生态影响运输的领域。
技术介绍
数年之前，诸如风能或太阳能的可再生能源已成为解决石油能源消耗和全球变暖的可选择的可行解决方案。此外，诸如电车、火车或甚至电动车的低生态影响的运输方式需要开发更为适用的电力电子组件尤其是电力电源开关。具体的说，要改进集成电路形式的半导体类型的组件，例如功率晶体管，主要是基于这些组件的固有属性，以便能提高它们的可用电压范围和/或它们的最大切换频率。它们还旨在提出用于允许大量制造以便减少制造成本的完全集成的解决方案。当时，诸如MOS晶体管(“金属氧化物半导体”)或IGBT晶体管(“绝缘栅双极性晶体管”)这类仅仅基于硅(Si)的电力组件可以实施此类功能。然而，使用Si所固有的属性使得此类组件的技术演化十分困难。近几年来，很多研究项目已经通过使用宽带隙材料来实现新的电力组件，例如高电子迁移率晶体管，也称之为HEMT晶体管，找到了可供选择的解决方案。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)似乎成为最有前途的两种材料，原因在于高临界电场和大工作温度范围。然而，无论非常卓越的结果如何，基于SiC的电力组件都会面临进入大众市场的困难，因为受限于SiC晶片的尺寸(目前直径最大为100至150mm)。此外，目前还存在着一些问题，因为此类组件涉及管控的缺陷，还涉及制造方法的重复性。就电力组件的设计而言，看起来GaN较SiC是一种非常具有吸引力的替代品。实际上，在关于导通电阻/耐电压能力的比率的折中方面，与Si或SiC相比，GaN是一种更为有效的半导体材料。这一比率，否则被称为品质因数，它具有电源开关静态性能的基本特征。图1示出了HEMT晶体管所使用的一种异质结电子结构的示例。此异质结电子结构包括多个基于GaN的层，各层都具有可控的固有特征且逐层堆叠，包括：基底W；在基底上的第一层1，称为缓冲层，由其带隙或“间隙”Eg1作为特征的第一材料M1构成；以及，第二层2，称为阻挡层，在第一层1之上并由其带隙或“间隙”Eg2作为特征的第二材料M2构成，其中Eg1小于Eg2。采用这一类型的结构，二维电子气体的形成和流通，本领域技术人员的术语称之为2DEG，有可能在位于异质结的两种材料M1和M2之间的界面处由具有较小间隙Eg1材料M1所形成的沟道C中。采用这一结构，就有可能将高二维电子气体密度与高载流子移动率相组合，以便获得具有大漏极电流的HEMT晶体管，这是电力电子应用的一项必需的条件。很多研究项目通过提出多种解决方案来研究和处理位于ALGaN/GaN异质结附近的二维电子气体约束的管控及改进。这些解决方案可集中于GaN层的沉积，以便修改异质结构的某些固有属性，从而以此方式获取具有相对较高切换速度和相对适度损耗的HEMT晶体管。它们还可包括创建新的MOS-HEMT类型的结构。以此方式，举例来说，作者Hongwei等在2008年IEEE的出版物“Enhanced deviceperformance of AlGaN/GaN HEMTs using thermal oxidation of electron-beamdeposited Aluminum for gate oxide”中提出了一种MOS-HEMT晶体管结构。该刊物展示了传统HEMT晶体管的结构的性能提升，它可通过在栅极附近增加氧化层而获得。与传统HEMT结构相比，以此方式所获得的MOS-HEMT结构具有更小的漏电流和更大的漏电流范围，然而，它需要具有小于0V的阈值电压，以便能将该晶体管置于关闭状态。如今，目前另一非常重要的研究方向关注于这一类型的结构的休眠状态，即当没有电压施加于该HEMT晶体管的栅极时的晶体管的状态。事实上，在很多电源应用中，作为开关所使用的晶体管必须默认处于开路状态(也称之为“常关”功能)。实际上，这一状态对于安全和节能的原因来说是不可或缺的，举例来说，例如在车辆或铁路运输应用中。目前，已经提出了多种基于GaN的结构，以便满足HEMT晶体管的常关功能。C.Hongwei等的团队发表在2010年IEEE杂志中公开的出版物“Self-Aligned enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs Using 25keV fluorine Ion implantation”中的工作已经显示了通过使用具有氟离子的处理来修改阈值电压从而获得常关HEMT晶体管的可能性。为了实现这一做法，可在HEMT晶体管的ALGaN/GaN结构的阻挡层中插入氟掺杂的区域并且将它置于栅极之下；所设置的氟离子含量使其具有足够的晶体管栅极偏置电压。此外，美国专利申请US 2007/0278518A1，“Enhancement Mode III-N Devicesand Circuits”还提出了对HEMT晶体管结构的制造方法的另一种改变，它在异质结构的阻挡层上使用基于氟等离子体的处理方法。使用这一方法，可使用相对简单的方法(使用氟等离子体)来修改异质结构的固有特征，从而获得一种常关的晶体管。如上文所展示的那些在设计以及制造技术中的进展使之有可能获得常关的HEMT晶体管，但由于漏电流仍然相对较大，它有可能仅能针对某些能量转换市场的应用。MicroGaN还提出了改进的另一种方式。该公司实际上出售基于组合基于GaN的共源共栅组件电源结构的HEMT晶体管，从而利用以硅实现的MOS晶体管的高的电子移动性来获得低的漏电流。尽管具有快切换速度和低漏电流，但在这一方案的情况下考虑高功率应用是不可能的，因为这种类型的结构在热度上受限于在共源共栅组件中所使用的硅晶体管的最大工作温度。
技术实现思路
本专利技术旨在克服上文所提到的现有技术的缺点，并更具体地旨在允许实现在栅极处具有小的漏电流、具有高的切换速度以及大于0V的阈值电压的HEMT晶体管，从而提供常关之功能。为此，本专利技术的第一方面提出了一种特别适用于高电子迁移率晶体管(HEMT)的半导体材料的异质结结构，也称之为异质结构。该结构包括：平面基底；缓冲层，设置在基底上，它为基于来自第III列氮化物的大带隙的半导体材料，其中所述缓冲层并不意欲掺杂n型载流子；阻挡层，设置在缓冲层之上，它为基于来自第III列氮化物的大带隙的半导体材料，其中所述阻挡层的带隙的宽度小于缓冲层的带隙Eg1的宽度；意欲掺杂的区域，它为与缓冲层的材料相同的基于来自第III列的氮化物的材料，在平行于基底平面的平面中具有预先定义的长度和宽度以及在沿着与基底平面的正交方向上具有预先定义的厚度，其中所述意欲掺杂的区域包含在缓冲层中。根据本专利技术的各实施例，该意欲掺杂的区域可设置于缓冲层和阻挡层之间的界面之下，沿着与基底平面的正交方向与此界面之间具有一个预先设置的非零间距。意欲掺杂的区域处于缓冲层中意欲掺杂，用于局部提高在费米能级和异质结导带(即在缓冲层和阻挡层材料之间的界面)的导带之间的间隙。实际上，该意欲掺杂的区域出现的效果是将该界面的导带提高至费米能级之上，即由电子占据的最高能级，以此方式用来偏置此异本文档来自技高网...

【技术保护点】
尤其适用于高电子迁移率晶体管(HEMT)的半导体材料的异质结结构，包括：平面基底(W)；缓冲层(1)，设置在基底(W)上，它为基于来自第III列氮化物具有大带隙Eg1的半导体材料，其中所述缓冲层(1)并不意欲掺杂n型载流子；阻挡层(2)，设置在缓冲层(1)之上，它为基于来自第III列氮化物具有大带隙Eg2的半导体材料，其中所述阻挡层(2)的带隙Eg2的宽度小于缓冲层(1)的带隙Eg1的宽度；意欲掺杂的区域(3)，它为与缓冲层(1)的材料相同的基于来自第III列的氮化物的材料，在平行于基底平面的平面中具有预先定义的长度(Lo3)和宽度(La3)以及在沿着与基底的平面正交的方向上具有预先定义的厚度(dC3)，其中所述意欲掺杂的区域(3)包含在缓冲层(1)中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.11 FR 13599251.尤其适用于高电子迁移率晶体管(HEMT)的半导体材料的异质结结构，包括：平面基底(W)；缓冲层(1)，设置在基底(W)上，它为基于来自第III列氮化物具有大带隙Eg1的半导体材料，其中所述缓冲层(1)并不意欲掺杂n型载流子；阻挡层(2)，设置在缓冲层(1)之上，它为基于来自第III列氮化物具有大带隙Eg2的半导体材料，其中所述阻挡层(2)的带隙Eg2的宽度小于缓冲层(1)的带隙Eg1的宽度；意欲掺杂的区域(3)，它为与缓冲层(1)的材料相同的基于来自第III列的氮化物的材料，在平行于基底平面的平面中具有预先定义的长度(Lo3)和宽度(La3)以及在沿着与基底的平面正交的方向上具有预先定义的厚度(dC3)，其中所述意欲掺杂的区域(3)包含在缓冲层(1)中。2.根据权利要求1所述的异质结结构，其特征在于，所述意欲掺杂的区域(3)设置于缓冲层(1)和阻挡层(2)之间的界面之下。3.根据权利要求1和2所述的异质结结构，其特征在于，所述意欲掺杂的区域(3)设置于在沿着与基底的平面正交的方向与缓冲层(1)和阻挡层(2)之间界面之间具有一个非零间距(d)。4.根据权利要求3所述的异质结结构，其特征在于，所述意欲掺杂的区域(3)与缓冲层(1)和阻挡层(2)之间的界面之间的间距(d)小于800nm。5.根据上述任一权利要求所述的异质结结构，其特征在于，所述制造缓冲层(1)、阻挡层(2)和意欲掺杂的区域(3)的基于氮化物的半导体材料包括GaN。6.根据上述任一权利要求所述的异质结结构，其特征在于，所述意欲掺杂的区域(3)的掺杂物是p型掺杂物。7.根据上述任一权利要求所述的异质结结构，其特征在于，所述在基底(W)和缓冲层(1)之间插入至少一层成核层。8.一种包括根据上述任一权利要求所述异质结构所实现的异质结结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)，所述晶体管包括设置在异质结结构的阻挡层(2)上的栅极(G)、漏极(D)和源极(S)。9.根据权利要求8所述的晶体管，其特征在于，所述意欲掺杂的区域(3)的表面在栅极(G)的表面之下或与为同一表面。10.根据权利要求8或9所述的晶体管，还额外包括沉积在阻挡层(2)上的基于氧化物的绝缘层(4)，其设置于栅极...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗雷德里克·莫兰乔，萨利姆·哈马迪，比拉尔·贝杜恩，
申请(专利权)人：国家科学研究中心，黎巴嫩大学，
类型：发明
国别省市：法国;FR