可靠的常关型Ⅲ-氮化物有源器件结构及相关方法和系统的制作方法

专利名称：可靠的常关型Ⅲ-氮化物有源器件结构及相关方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子器件，更具体而言涉及半导体器件和相关方法， 最尤其涉及III-N型器件，其中通过图形化的掺杂剂离子既可获得增 强模式器件又可获得耗尽模式器件。
背景技术：
许多场效应晶体管(FET)在不施加栅极电压时工作于ON (导通) 状态，这些晶体管称为"耗尽模式"。"增强模式"FET是指在不施加栅 极电压时处于OFF (关断)状态的FET。
半导体器件的一个重要研究领域是寻找使用带隙比硅宽的材料的 半导体技术。带隙更宽的材料有可能在更高的温度和更高的击穿电压 下工作。已经在III-V化合物半导体(例如GaAs)和相关化合物(InP, AlGaAs等)方面投入了多年的研究和开发。
近年来，"III-N"半导体已经成为得到着重开发的领域。GaN提 供了第一只蓝光LED，这种LED现在正商业使用。晶体管或其它有源器 件在这种材料领域的开发是非常有吸引力的，这是因为可以得到大的 带隙(例如对于GaN而言是3.4V, AlGaN合金的更高)。
实现III-N有源器件的困难在于缺乏增强模式器件。本发明人及 同事使用氟注入将固定电荷引入类HEMT器件的顶(最宽带隙)层，在
这一领域实现了关鍵性突破。这些技术在公开的美国专利申请 2007—0295993、 2007-0228416及2007-0278518中有记载，这些专利 申请在此全文引用以备各种需要。
注意，下面讨论的方面可能反映从所披露的发明得到的后见之明， 但不一定承认其属于现有技术。

发明内容
本发明人已经认识到在施加电压负荷(负荷)的情况下在上述类 型的器件中可发生阈值电压漂移。本申请在各种实施例中教导了通过
使用双栅(dual-gate)增强/耗尽器件，尤其是如果所述栅极以共源 共栅(cascode)配置连接，可以防止这种电压漂移。这样提供了更可 靠和稳定的器件，代价仅仅是器件驱动能力的些微退化。


下述图示形成说明书的一部分且被包含以进一步演示所主张的主 题的特定方面，且不应用于限制或定义所主张的主题。因此，通过结 合附图阅读下述描述，可以更加全面地理解本发明实施例及其另外特 征和优点，附图中参考数字中最左边有效位表示首次出现相应参考数 字的图，附图中
图1为包括本发明的至少一个教导的场效应晶体管100的横截面 示意图2为包括本发明的至少一个教导的制造场效应晶体管的方法的 流程图3为包含本发明的至少一个教导的，使用场效应晶体管(例如 通过氟等离子体处理的E模式AlGaN/GaN HEMT )的方法的流程图4a和4b分别为根据图3的方法，在144小时关态负荷之前和 之后E模式HEMT的源-漏输出特性和转移特性。
图5a和5b分别是根据图3的方法，在额外的148小时开态负荷 之前和之后E模式HEMT的源-漏输出特性和转移特性。
图6a是根据图3的方法，DC特性(Vth， Imax Gm及Ron )与高 电场负荷时间之间的函数关系图。
图6b是DC特性(Vth, Imax， Gm， Ron )与热负荷时间之间的函 数关系图。负荷温度是350TC。在整个负荷过程的各个时间在样品冷却 后，在室温下进行测量。
图7a是包括本发明至少一个教导的双栅M0SFET (金属氧化物半 导体场效应晶体管)700的横截面示意图。
图7b示出了单栅和双栅增强模式器件中的等势图。
图8是包括本发明至少一个教导的操作场效应晶体管的方法的流
程图。
图9a是E模式单栅和根据图7的E/D双栅HEMT的从源到漏的电 场强度分布图。
图9b示出了 E/D双栅HEMT的dc源-漏输出特性。
图9c示出了双栅器件与单栅器件相比，短路电流增益(h21)和 最大稳定/最大可得增益(MSG/MAG)。
图9d的曲线图示出在单栅和双栅E模式HEMT中Vth的变化与高 场负荷时间之间的函数关系。
具体实施例方式
图1为包含本发明的至少一个教导的场效应晶体管100的横截面 示意图，场效应晶体管100包括HEMT(高电子迁移率晶体管)，该HEMT 使用异质结构，即具有不同带隙的两种材料之间的结，而不是使用局 部掺杂来提供沟道内的移动电子。该异质结构包括重掺杂的宽带隙n 型施主供给层，其电子完全落到不含有掺杂剂杂质的未掺杂的窄带隙 沟道层中。未掺杂的窄带隙沟道层随后容纳二维电子气，即，具有非 常高浓度的高度移动性导电电子的极薄层。由于该未掺杂的窄带隙沟 道层未掺杂，电子可以快速移动而不与任何杂质碰撞。由不同带隙的 材料形成的异质结在未掺杂的窄带隙沟道层侧在导带内形成陡峭峡 谷，电子无法从该峡谷逃逸。可以包含緩冲层。
荷负电的氟离子结合在顶AlGaN垒层内，这有效地耗尽沟道内的 电子。对于在常关型III-V族FET制作中氟等离子体处理的实际实施， 重要的是保证氟离子的稳定性，确保氟离子在长时间的电负荷之后不 到处移动。假设氟离子不由于强电场与/或热负荷而迁移，场效应晶体 管100具有在器件工作期间保持稳定的阈值电压，特别是在高电场电 负荷或者高温热负荷下。当栅极电压为零时，增强模式(或常关型) 晶体管的沟道电流为零，这种晶体管通常更适合用于功率电子器件或 逻辑电路中的FET。常导通(耗尽模式)器件在零栅极偏压时保持导通， 在负栅极偏压时关断。该异质结或者二维电子气(2DEG)为费米能级 高于导带的薄层，使沟道具有低电阻或高电子迁移率。当然可以使用 其他4t合物，GaN、 A1N、 AlInN、 AlGaN、 InGaN、 InAlGaN或其组合， 可分别掺杂有例如硅，分别包含一层或多层；区域可通过间隔物分隔。例如，栅极102长度为1 pm，与源极104相隔距离1 pm(栅极 -源极间隔)且与漏极106相隔距离3 pm (栅极-漏极间隔)。器件 无需純^tt:。 Vth、 Imax、 Gm和Ron的初始值可分另'J为+1. 02 V、 240 mA/mm、 135 mS/mm和11. 9 Qmm。在负荷测试之前，关断状态击穿电压(VBK ) 约为60 V。场效应晶体管IOO具有导通状态和关断状态。当器件被使 用时，VDS可以为例如15 V、 30 V、 45 V或其他值。栅极-源极电压 VGS在关断状态下可以固定在-2 V(低于夹断电压)，且在导通状态下 可以固定在2 V (对应于150 mA/mm的漏极电流密度)。高质量III-V 族器件衬底和有源器件以及緩冲层可以通过分子束外延(MBE)、金属 有机物化学气相沉积(MOCVD)、气相外延及其变型来外延生长。
图2为包括本发明的至少一个教导的制造场效应晶体管的方法的 流程图。图2的方法包括将原生的(as grown )耗尽模式(D模式)III-氮化物HEMT结构转变成E-模式。具体而言，该方法包括耗尽沟道中的 电子而不显著影响载流子迁移率202。例如，带负电荷的氟离子可以结 合到顶AlGaN垒层，204，以生成含氟离子的E模式栅极。也可以产生 不含氟离子但具有高电场的D模式栅极，206。
E模式栅极和D模式栅极可以按照共源共栅(cascode)连接方式 连接。甚至在高漏极电压下，也可以遮挡氟离子使其不受高电场影响， 210。如果需要，可以4吏用以源极端接的(source terminated)或栅 极端接(gate terminated)的场板(field plate), 212，以减小E 模式栅极的漏极边缘的电场强度。
图3是包括本发明的至少一个教导的使用场效应晶体管的方法的 流程图，所述场效应晶体管例如是通过氟等离子体处理的E模式 AlGaN/GaN HEMT。关于图3所描述的方法通过施加关态和开态长期高 电场负荷，测试了增强模式的AlGaN/GaN HEMT (通过氟等离子体处理 技术制造)的可靠性，关注在高电场负荷下Vth的稳定性。
在288小时的负荷后，观察到阈值电压有适中的负漂移(-0. 25V )。 然而，该漂移可以用增强/耗尽双栅配置来消除，该配置有效地防止了 高电场影响经氟等离子体处理的区域。
增强模式(或常关型)III-氮化物HEMT具有正的阈值电压(Vth)， 并且是用于高速功率开关、高温GaN集成电路和具有单个电压源的 RFIC和MMIC的关键部件。它们提供的优点有电路配置简单以及对于器 件安全性而言良好的工作条件。已经开发了具有鲁棒性且低成本的技
术，即基于氟化物的等离子体处理，已经开发了 [2]用于将原生的耗尽 型(D-模式)III-氮化物HEMT结构的沟道转变成E模式。
E模式HEMT使用氟等离子体处理技术制作，特征为栅长度1 M m， 栅-源间隔lMm，栅-漏间隔3Mm。为了使分析简单，这种器件未钝化。 Vth， Imax，Gm， Ron的初始值分另，J为+1. 02V, 240mA/mm， 135mS/mm和11. 9 Qmm。关态击穿电压(VBK)在负荷测试之前是约60V。带负电的氟离 子结合到顶AlGaN垒层中302，这有效耗尽了沟道中的电子。为了高电 场电负荷下或高温热负荷下实际实施氟等离子体处理，器件工作期间 氟离子的稳定性和可靠性以及阈值电压稳定性得到解决。
选择一组测试条件，包括VDS的偏置电压，栅-源电压VGS以及时 间间隔。具体而言，从15V、 30V和45V选择VDS的偏置电压，并且从 导通和关断选择状态。栅-源电压VGS在关断状态固定308在-2V (在 夹断电压以下)，在导通状态固定在2V (对应于150mA/mm的漏极电流 密度)。
在310， E模式HEMT以所选VDS的偏置电压在选定状态下受到负 荷持续48小时。在开始负荷之后以每12小时的步长测量312和记录 DC特性。在所选的时间间隔，144小时、196小时和288小时，器件在 没有施加电负荷的情况下"休息"24小时，之后进行DC特性测量。如 果所有组测试条件还未被执行，则选择另一组测试条件316。
图4a和4b分别是根据图3的方法在144小时关断状态负荷之前 和之后，E模式HEMT的源-漏输出特性和转移特性图。在负荷之后的特 性包括在负荷之后立即测得的特性以及在2 4小时无负荷的休息之后测 得的那些。
图5a和5b分别是根据图3的方法，在额外的148小时导通状态 负荷之前和之后E模式HEMT的源-漏输出特性和转移特性。在负荷之 后的特性包括在负荷之后立即测量的特性以及在24小时无负荷的休息 之后测得的那些。
图6a是根据图3的方法，DC特性(Vth, Imax, Gm, Ron)与高 电场负荷时间的函数关系图。实心的符号是在负荷之后立即测量的结 果。空心的符号是在24小时无负荷的休息之后测量的结果。图6b是 DC特性(Vth， Imax, Gm， Ron )与热负荷时间之间的函数关系图。负
荷温度是350"C。在整个负荷过程的各种时间，在样品被冷却之后在室 温下执4于测量。
关于图4a、 4b、 5a、 5b、 6a、 6b，在144小时的关断状态加上144 小时的导通状态高场负荷之后，观察到Vth经历了逐渐的但是持续的 高场引入的负漂移(从1.02V到0.77V)。 Vth的这种负漂移不能通过 无负荷的休息来恢复，而开态电阻(Ron)的退化可以在休息之后恢复。 也发现了 Vth、 Ron、最大漏电流密度Imax和峰值跨导Gm在350"C的 153小时的热负荷期间是稳定的，暗示了结合到III-氮化物材料中的 氟离子的极好的热稳定性。
图7a是包括本发明的至少一个教导的双栅MOSFET (金属氧化物 半导体场效应晶体管)700的示意性截面图。双栅("DG" ) HEMT基于E 模式栅极和D模式栅极的共源共栅连接，并且通过将E模式栅极与高 电场物理分开产生了改善的稳定性和可靠性。双栅MOSFET 700以共源 共栅布置排列，公共源极FET (即，具有接地源极端708的FET)由信 号源Vin驱动，并且公共栅极FET(即，具有接地栅极端的FET)提供 输出信号Vout。公共源极FET具有漏极，公共栅极FET具有源极，它 们在HEMT沟道720 (指示为二维电子气)内耦合到一起。双栅MOSFET 700也包括Ti/Al/Ni/Au欧姆接触722， 2.5//m GaN 724，氟离子726， 和蓝宝石730。由于Vth的偏移是E模式HEMT的栅极区域中存在高电 场引起的，E模式栅极和高电场的物理分离可以产生改善的稳定性和可 靠性。为了提高Vth的可靠性，如所示制造了基于E模式栅极和D模 式栅极的共源共栅连接的双栅(DG) HEMT。
然而，在图7a的双栅MOSFET 700中，公共源极FET在增强模式 下工作。公共源极FET包括由信号源Vin驱动的第一栅极704; HEMT 沟道内的增强模式部分706,其被栅控以通过第一栅极导通和关断；以 及接地源极端708。第一栅极704或者第一栅极端由诸如镍、金、镍/ 金合金或者其他导电材料制造。增强模式FET包括增强模式部分和耗 尽模式部分。
增强模式部分706具有可耗尽第一栅极附近的半导体沟道的插入 元素。该插入元素例如可以包括氟离子726;增强模式可通过注入氟离 子726实现。半导体沟道720的耗尽模式部分706至少部分遮蔽插入 元素，使得插入元素并不响应于耗尽模式部分处的电场和/或热负荷而
从增强模式部分显著迁移。
公共栅极FET，即，耗尽模式FET，具有第二栅极710或者第二栅 极端，其由诸如镍、金、镍/金合金的材料或其他导电材料制成，并且 保持在基本固定的电位，例如地电位(作为公共栅极)。例如，第二栅 极710可以电耦合到该场效应晶体管的源极端。
第二栅极710电耦合到固定电位，例如地电位。第二栅极710可 包括场板。如果需要，第二栅极710可以电耦合到第一栅极704。
耗尽模式FET也具有由第二栅极710栅控的耗尽模式部分712， 其固有地工作在耗尽模式下(没有任何氟离子726结合到AlGaN层中)， 并且可用于遮蔽第一栅极704使其免受电压负荷。该耗尽模式FET也 具有输出漏极714。
遮挡氟离子726，或者其它可能需要的插入元素，使其不受可能 在耗尽模式部分附近或者输出漏极714附近遇到的高电场负荷的影响。 因此，氟离子726不被这种负荷驱离或移动，保持在原地，保持了共 源极FET的增强模式。由于MOSFET 700的阈值电势(即，阈值电压) 主要由共源极FET保持在增强模式的能力控制，MOSFET 700在耗尽模 式部分存在电场负荷时具有基本稳定的阈值电势。图7b示出了单栅和 双栅增强模式器件中的等势图。峰值电场位于双栅器件中D模式栅极 的边缘(远离E模式栅极和氟离子)。
该共源共栅布置的输出在电学上和物理上都有效地与输入隔离， 因此非常稳定。增强模式晶体管在源和漏都具有几乎恒定的电压。耗 尽模式晶体管在其栅极和源极具有几乎恒定的电压。因此，其上具有 显著电压的节点仅仅是输入和输出，并且这些节点被几乎恒定电压的 中央连接并被两个晶体管的物理距离分开。因此，在实践中，几乎没 有反馈从输出到输入。金属遮蔽有效并且容易在两个晶体管之间提供 以便在需要时用于甚至更大的隔离。
该E/D共源共栅连接的DG HEMT结构提供了高电场负荷下E模式 HEMT的Vth的稳定性。D模式栅极存在于E模式栅极和漏极之间，并 且电连接到源极，在高电压器件工作期间有效地遮蔽E模式栅极(被 氟等离子体处理之处)使其不受高电场影响。在负荷之后在DG HEMT 中没有观察到Vth的持续负偏移。此外，E/D DG HEMT显示出更高的功 率增益，这是因为反馈电容减小以及输出电阻增大。
关断状态和导通状态，在有高电场负荷时，都导致Vth的逐渐负 偏移.在24小时的无负荷的休息之后，这种偏移甚至还持续，表明发 生了阈值电压的高电场引入的负漂移.这也暗示了能够找到通过遮蔽 氟等离子体处理的区域使其不受高电场影响来改善Vth的稳定性的解
决方案。
关断状态和导通状态负荷都导致Ron的退化。然而，这种退化在 无负荷的休息后恢复，甚至最终得到改善(更小的Ron).这种恢复趋 势与传统D模式HEMT报告的一致，当然Vth的负偏移也通过呈现更小 的沟道电阻来贡献。在负荷下，Imax和Gm都遭受微小的退化，但是在 无负荷的休息之后恢复，结果Ron减小。
在长期高场负荷之后阈值电压的负偏移暗示了，由于负荷在栅极 区域发生了某些变化。带负电荷的氟离子在电负荷期间经历了强的库 伦力，这导致这些离子从栅极边缘物理迁移。栅极区域中带负电荷的 氟离子的减少随后可能导致Vth的负偏移。需要氟离子的电负荷引起 的迁移的直接观察来确定这种论点。
E模式HEMT的热负荷测试是通过在真空中将器件放置在350t;的 热台上长达153小时来进行的。在不同的时间，将器件取出并且冷却 至室温，在室温下进行dc测试。没有观察到Vth、 Imax、 Gm和Ron有 明显的退化。
图1的HEMT是高效GaAs增强/耗尽(E/D )型双栅(DG )高电子 迁移率FET (HEMT),其可以用小的单偏置源来工作，而具有大的输出 阻抗，大约比单栅FET大一个数量级。它可以具有小的反馈电容，这 是因为第二栅极屏蔽了从漏极到第一栅极的信号反馈，改善了输入端 和输出端之间的隔离，改善了输入-输出特性的线性度，并且改善了器 件增益。它具有小的相位失真，因为共源FET和共栅FET中的相位偏 移极性相反。最后，它具有大的设计灵活性，因为第一栅极具有高增 益，第二栅极具有高击穿电压。
图8是操作结合了本发明的至少一个示范的场效应晶体管的方法 的流程图。该方法包括从导通状态和关断状态进行选择802,在导通状 态，该方法包括驱动804第一栅极以导通被适于在增强模式下工作的 半导体沟道的第一部分。该方法也包括使电流流过806该沟道的第二 耗尽模式部分。该电流和沟道由笫二栅极栅控，该第二栅极在共源共
栅配置中保持在基本固定的电位.在关断状态，该方法包括关断808 半导体沟道的第一部分，而仍然将第二栅极保持在固定电位，其中沟 道的第二部分遮蔽第一栅极使其不受电压负荷的影响。
图9a是E模式单栅和图7的E/D双栅HEMT的从源极到漏极的电 场强度分布图。使用了 ISE的Santaurus模拟器进行该模拟。VDS设定 为50V。在双栅器件中，峰值电场发生在D模式栅极，而不是有负离子 的E模式栅极，的漏极侧。如模拟结果所示，电场峰值在E/DDG器件 的D模式栅极的边缘处。
图9b示出了 E/D双栅HEMT的dc源-漏输出特性。图9c示出了双 栅器件与单栅器件相比，短路电流增益(h21)和最大稳定/最大可得 增益(MSG/MAG)。双栅HEMT显示了改善的功率增益，这是因为输出电 阻增加，并且反馈电容减小。
该E/D DG HEMT的阈值电压表现出稳定性得到很大改善，没有持 续的负偏移。对于E/D双栅HEMT和D模式单栅HEMT (其不受氟等离子 体处理)，Vth与电负荷时间的函数关系趋势非常接近。与单栅器件比 较，双栅HEMT也显示出可比的dc性能以及改善的高频功率增益，这 是因为反馈电容减小并且输出电阻增大。
图9d的曲线图示出在单栅和双栅E模式HEMT中Vth的变化与高 场负荷时间之间的函数关系。也绘出了 D模式单栅HEMT的结果供比较。 在高电场负荷下在经氟等离子体处理的增强模式HEMT中观察到Vth的 适度负偏移。该器件在持续153小时的3501C的热负荷下是稳定的。E/D 双栅HEMT被证明在防止Vth的偏移及改善其可靠性方面是有效的，这 是通过用D模式栅极遮挡E模式栅极使其不受高电场影响来实现的.
已经描述了多个实施方式和实施例。然而将理解，在本公开的范 围内可以替换其他实施方式和实施例。例如，场效应晶体管不一定包 含HEMT，可以使用其他类型的晶体管。
因此，已经结合若干示例性实施例描述了本发明，不过应理解， 所使用的词语是用于描述和说明而非用于限制。在目前陈述的以及修 改的权利要求的范围内可以进行变化而不背离本发明的范围和精神. 尽管已经参考具体手段、材料和实施例描述了本发明，本发明并不限 于所披露的细节；相反，本发明涵盖例如在所附权利要求的范围之内 的所有功能等同的结构、方法和用途。
然而应注意，附图仅仅说明所主张的主题的典型实施例，且因此 不应视为限制所主张的主题的范围，因为所主张的主题可以采用其他 同样有效的实施例。
根据各种公开的实施例，提供了一种场效应晶体管，其包括第 一栅极；第二栅极，以共源共栅配置保持在基本固定的电位；以及具 有增强模式部分和耗尽模式部分的半导体沟道，该增强模式部分被栅 控以由所述第一栅极导通和关断，该增强模式部分已经调适为在增强 模式下工作，该耗尽模式部分由所述第二栅极栅控，该耗尽模式部分 已经调适为在耗尽模式下工作并且用于遮挡第一栅极使其不受电压负 荷影响。
根据各种公开的实施例，提供了一种III-N型半导体材料的有源 器件结构，包括第一和第二导电源/漏区域，定位成连接到III-N型 半导体沟道的不同位置；以及第一和第二栅极端，每一个都电容性耦 合到所述源/漏区域之间的所述沟道的不同相应部分；对于所述第一和 第二栅极端子，所述沟道具有符号相反的不同的相应阈值电压。
根据各种公开的实施例，提供了 一种操作场效应晶体管的方法，
该方法包括在导通状态下，驱动第一栅极以导通已经调适成在增强 模式工作的半导体沟道的第一部分，同时也使电流流过所述沟道的第 二耗尽模式部分，该第二耗尽模式部分被共源共栅配置的、保持在基 本固定的电位的第二栅极栅控；在关断状态，关断所述半导体沟道的 所述第一部分，而仍然保持所述第二栅极处于所述固定电位，其中所 述沟道的所述第二部分遮挡所述第一栅极使其不受电压负荷影响。
根据各种公开的实施例，提供了一种操作III-N场效应晶体管的 方法，该方法包括在导通状态，驱动第一栅极以导通III-N半导体 沟道的第一部分，同时也4吏电流流过所述沟道的第二部分，该第二部 分由保持在基本固定电压的第二栅极栅控；并且在关断状态，关断所 述半导体沟道的所述第一部分，而仍然将所述第二栅极保持在所述固 定电位；其中所述沟道的所述第一部分，但不是所述沟道的所述第二 部分，耦合到局域化的固定电荷；由此所述第二栅极的工作限制所述 局域化电荷上的电压负荷。
根据各种公开的实施例，提供了 一种基于氟化物的等离子体方法， 用于将原生的耗尽模式(D模式)III-氮化物HEMT结构转换成E模式，
该基于氟化物的等离子体方法包括耗尽沟道中的电子，而不显著影 响载流子迁移率，包括将带负电荷的氟离子结合到顶AlGaN垒层中， 实现不包含氟离子但具有高电场的D模式栅极；实现不包含氟离子但 具有高电场的D模式栅极；将可修改的D模式栅极转换成含有氟离子 的E模式栅极；布置E模式栅极和D模式栅极的共源共栅连接；以及 甚至在高漏极电压的情况下，遮挡氟离子使其不受高电场影响。
根据各种公开的实施例，提供了一种场效应晶体管，其包括第一
栅极，共源共栅配置的、保持在基本固定电位的第二栅极，以及半导 体沟道。该半导体沟道具有增强模式部分和耗尽模式部分。增强模式 部分被栅控以通过第一栅极导通和关断，并且已经^皮调适成在增强模 式下工作。该耗尽模式部分由第二栅极栅控，并且已经被调适成在耗 尽模式下工作并且用于遮挡第一栅极使其不受电压负荷影响。
调整和变型
本领域技术人员将意识到，本申请中描述的创新概念可以在许多 应用范围上进行调整和变型，因此专利主题的范围不限于所给出的任 何具体示范性教导。本申请旨在包括落在所附权利要求的精神和宽广 范围内的所有备选方案、调整和变型。
例如，可以使用各种几何结构来布置第一和第二栅极及源/漏区域。
另一个例子为，源区和漏区的轮廓可以不同或类似。
此外，可以使用各种扩散或金属化结构来控制源/漏区附近电场最 大值(关断状态下)的分布和电流最大值(在导通状态下)的分布.
例如，所用的材料不严格限于优选实施例的AlGaN/GaN组合。随 着该技术的发展，期望所公开的创新的教导可以应用于具有类似行为 的其他半导体合金。
又一个例子是，所公开的教导不严格限于HEMT型器件，也可以用 于IGFET或者甚至IGFET/HEMT混合体。
所公开的创新提供了 FET型电流注入结构的基础创新。本领域技 术人员可以理解，这种注入结构可用于多种更复杂的器件，包括部分 双极器件和单极器件。
本申请的说明书不应解读为意味着任何具体元素、步骤或功能是 必需包含在权利要求范围内的基本要素专利主题的范围仅仅由被授
权的权利要求来限定。此外，所有这些权利要求均不涉及USC 35笫112 条第6款，除非确实出现"用于…的装置(means for)".
所提交的权利要求是尽可能全面的，没有任何主题有意被撤回、 认定放弃、或者放弃。
权利要求
1.一种场效应晶体管，包括第一栅极；第二栅极，保持在基本上固定电势；以及半导体沟道，包含增强模式部分，其被栅控以由所述第一栅极导通和关断，所述增强模式部分已经调适成工作于增强模式，以及耗尽模式部分，由所述第二栅极栅控，所述耗尽模式部分已经调适成工作于耗尽模式且用于遮蔽所述第一栅极使其免受电压负荷。
2、 如权利要求1所述的场效应晶体管，其中所述增强模式部分还具有放置成在所述第一栅极附近耗尽所述半导 体沟道的固定电荷。
3、 如权利要求2所述的场效应晶体管，其中耗尽模式部分位于该场效应晶体管的增强部分和漏极端之间；并且 所述固定电荷至少部分被所述半导体沟道的耗尽模式部分遮挡，使得所述插入元素不会响应于耗尽模式部分处的电场和/或热负荷从增强模式部分显著迁移。
4、 如权利要求l所述的场效应晶体管，其中场效应晶体管在所述耗 尽模式部分处在电场负荷下时具有基本稳定的阈值电压。
5、 如权利要求l所述的场效应晶体管，其中所述第二栅极电耦合到 该场效应晶体管的源极端。
6、 如权利要求l所述的场效应晶体管，其中所述第二栅极是场板。
7、 一种III-N型半导体材料的有源器件结构，包括 第一和第二导电源/漏区域，定位成连接到III-N型半导体沟道的不同位置；以及第 一和第二栅极端子，每一个电容性耦合到所述源/漏区域之间的所 述沟道的不同相应部分；对于所述第一和第二栅极端子，所述沟道具有 符号相反的不同的相应阈值电压。
8、 如权利要求7所述的结构，其中所述沟道基本由GaN构成。
9、 如权利要求7所述的结构，其中所述栅极端子之一连接到可变电 压，另一个连接到固定电压。
10、 如权利要求7所述的结构，其中所述栅极端子通过比所述沟道 带隙更宽的半导体层与所述沟道分开。
11、 一种场效应晶体管的操作方法，包括在导通状态，驱动第一栅极以导通半导体沟道的第一部分，所述 笫一部分已经调适成工作于增强模式，同时还使电流流过所述沟道的 第二耗尽模式部分，该第二耗尽模式部分由第二栅极栅控，所述第二 栅极在共源共栅配置中保持在基本上固定的电势；以及在关断状态，关断所述半导体沟道的所述第一部分，而仍将所述 第二栅极保持在所述固定电势，其中所述沟道的所述第二部分遮蔽所 述第一栅极使其免受电压负荷。
12、 如权利要求11所述的方法，其中所述沟道基本由GaN构成。
13、 如权利要求11所述的方法，其中所述栅极端子之一连接到可 变电压，另一个连接到固定电压。
14、 如权利要求11所述的方法，其中所述两个栅极端子通过带隙 比所述沟道宽的半导体层与所述沟道分开。
15、 一种操作III-N场效应晶体管的方法，包括 在导通状态，驱动第一栅极以导通III-N半导体沟道的第一部分，同时还使电流流过所述沟道的第二部分，该第二部分由第二栅极栅控， 所述第二栅极保持在基本上固定的电压；以及在关断状态，关断所述半导体沟道的所述第一部分，而仍将所述 第二栅极保持在所述固定电势；其中所述沟道的所述第一部分耦合到局域化固定电荷，但所述沟 道的所述第二部分不耦合到局域化固定电荷；由此所述第二栅极的工作限制所述局域化固定电荷上的电压负荷。
16、 如权利要求15所述的结构，其中所述沟道主要由GaN构成。
17、 如权利要求15所述的结构，其中所述栅极端子之一连接到可 变电压，另一个连接到固定电压。
18、 如权利要求15所述的结构，其中所述两个栅极端子通过带隙 比所述沟道宽的半导体层与所述沟道分开。
19、 一种基于氟化物的等离子体方法，用于将原生耗尽模式III 族氮化物HEMT结构的沟道转变为增强模式，所述基于氟化物的等离子体方法包括耗尽沟道内的电子而不显著影响载流子迁移率，包括将荷负电的氟离子结合到顶AlGaN垒层内；实现不包含氟离子但具有高电场的耗尽模式栅极； 实现不包含氟离子但具有高电场的可修改耗尽模式栅极； 将所述可修改耗尽模式栅极转变为包含氟离子的增强模式栅极； 布置所述增强模式栅极和所述耗尽模式栅极的共源共栅连接；以及 遮蔽氟离子使其免受高电场影响，即使是在高的漏极电压之下也是如此。
20.如权利要求19所述的方法，还包括实施源极端接或者栅极端接的场板，以减小所述增强模式栅极的 漏极边缘的电场强度。
全文摘要
本发明提供了可靠的常关型III-氮化物有源器件结构及相关方法和系统。一种场效应晶体管，包括第一栅极；第二栅极，按照共源共栅配置保持在基本上固定电势；以及半导体沟道。该半导体沟道包含增强模式部分和耗尽模式部分。该增强模式部分由该第一栅极栅控而导通和关断，且适于工作于增强模式。该耗尽模式部分由该第二栅极栅控，并且适于工作于耗尽模式且可屏蔽该第一栅极免受电压负荷影响。
文档编号H01L29/78GK101359686SQ200810145148
公开日2009年2月4日 申请日期2008年8月4日 优先权日2007年8月3日
发明者敬 陈 申请人:香港科技大学