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TWI505441B - Integrated HEMT and Horizontal Field Effect Rectifier Combinations, Methods and Systems - Google Patents

Integrated HEMT and Horizontal Field Effect Rectifier Combinations, Methods and Systems Download PDF

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TWI505441B
TWI505441B TW098110834A TW98110834A TWI505441B TW I505441 B TWI505441 B TW I505441B TW 098110834 A TW098110834 A TW 098110834A TW 98110834 A TW98110834 A TW 98110834A TW I505441 B TWI505441 B TW I505441B
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Description

集成的HEMT和橫向場效應整流器組合、方法及系統
本發明涉及GaN功率積體電路，尤其涉及具有單片集成AlGaN/GaN HEMT和橫向功率場效應整流器的GaN功率積體電路以及其製造方法。
功率半導體器件包括三端電晶體開關器件和兩端功率整流器兩類。這些整流器和電晶體都是切換式開關電源、功率驅動電路等必不可少的組成部分。
在電晶體方面，AlGaN/GaN高電子遷移率電晶體(HEMT)通常是最好的選擇。諸如包括AlGaN/GaN的III-氮化物(III-N)化合物半導體具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、導熱係數大等優點，因此基於該材料的異質結構場效應電晶體已經取得廣泛的應用。特別是具有寬禁帶的AlGaN/GaN異質結構系統，由於其自發極化和壓電極化效應而產生的二維電子氣(2DEG)溝道具有高的電子濃度和高的電子遷移率，這使得AlGaN/GaN HEMT微波器件具有極高的輸出功率密度。
用於功率電子領域的AlGaN/GaN異質結構能在比其他類型器件高的溫度和開關頻率下工作。與此同時，GaN材料臨界擊穿電壓比矽(Si)高近一個數量級，GaN器件的導通電阻(Ron)比Si器件低近三個數量級，因此其製作的功率器件突破了主流Si功率器件的理論極限。在要求高轉換效率和高溫工作的功率電子領域，具有高速和高溫可靠性的GaN器件是Si器件的理想替代者。
作為功率器件重要分支的功率整流器是切換式開關電源、功率因數校正電路等必不可少的組成部分。理想的功率整流器應該具有高的擊穿電壓、低的正向開啟電壓、低的導通電阻和短的反向恢復時間等。在高壓功率電子領域(例如在開關電源和功率因數校正電路)中，具有低的正向開啟電壓(VF,ON )、低的比導通電阻(RON,sp )和高的反向擊穿電壓(BV)的二維功率整流器是理想的。對於給定截止態擊穿電壓，低的導通電阻和短的反向恢復時間對於功率轉換效率來說是重要的。
為了改善功率整流器的整體性能，研究者們一方面提出新的器件結構來改善功率器件的性能。例如JBS(junction barrier Schottky，結勢壘肖特基)二極體，MPS(merged p-i-n Schottky，混合p-i-n肖特基)二極體和同步整流器等。另一方面，基於新材料的功率整流器也是研究者們研究的重點之一。近年來，基於GaN體材料的肖特基勢壘二極體(SBD，圖1)和p-i-n二極體被廣泛研究，該類器件在實現高擊穿電壓的同時具有低的導通電阻。
然而，由於GaN SBD或p-i-n二極體的外延結構與AlGaN/GaN HEMT結構不相容，因此，在不損失性能的情況下，現有的SBD或p-i-n二極體整流器與AlGaN/GaN HEMT器件不能成功集成。雖然在AlGaN/GaN異質結構材料上能夠直接實現SBD器件，但是其存在的AlGan/GaN異質結和金屬/AlGaN肖特基結卻會使得該類器件具有較高的正向開啟電壓和較高的導通電阻。
為了減小開啟電壓而不影響器件的反向耐壓，研究者提出具有雙金屬陽極的AlGaN/GaN SBD功率整流器結構(參見圖2)。該結構利用具有金屬功函數低的金屬(Al/Ti)來實現低的開啟電壓，與此同時，用金屬功函數高的金屬(Pt)來實現高的擊穿電壓。但是該結構需要增加額外的工藝步驟，且與傳統的採用Ni/Au閘金屬的HEMT器件不相容。
本發明公開一種新的結構與方法，其中將混合整流器(如，肖特基結場效應二極體)與HEMT型電晶體在III-氮化物或類似半導體材料上集成。從而在一個工藝中實現了高性能整流器和電晶體的單片。本發明同時公開多種成功採用所述結構與方案法的系統。
本發明所公開的集成結構及基於此所製造的電子器件能夠工作于高功率、高溫及高雜訊環境。因此，特別適合於小型或高效率功率轉換器、馬達驅動電路、音頻放大器、內燃機引擎、各種航空航天器以及用於石油和天然氣開採。
在一個優選實施例中，所述集成器件包括一個低開啟電壓、低導通電阻、高擊穿電壓和高開關速度的功率整流器和一個相容的常關型AlGaN/GaN HEMT。而且兩個器件可以採用同一工藝製作在同一外延襯底上。
在一個優選實施例中，所述整流器包括一個與陰極(C)和陽極(A)歐姆接觸的肖特基閘控2DEG溝道。
在一個優選的實施例中，通過氟離子注入(或者等離子體處理)技術在整流器的肖特基閘下引入永久負電荷，該永久負電荷能夠有效地耗盡肖特基閘下的2DEG，從而夾斷導通通路。本發明所發明的整流器通過將肖特基閘和陽極歐姆接觸電氣短接在一起，實現了器件開啟電壓由肖特基閘控的溝道的閾值電壓決定，而不受肖特基勢壘或者PN結勢壘的影響。
在一個優選實施例中，橫向場效應整流器和常關型AlGaN/GaN HEMT器件可以在一個工藝中實現單片集成，而且本發明中的HEMT器件仍採用傳統的Ni/Au閘金屬。
在一個優選實施例中，橫向場效應整流器和常關型AlGaN/GaN HEMT器件通過一個自對準工藝實現集成。
本發明的集成器件特別適合功率轉換器電路。低的導通電阻有助於降低功率轉換電路的功率損耗，從而實現高的轉換效率。這意味著GaN功率轉換器模組體積更小、重量更輕以及可以用更小的散熱器來控制溫度。同時，由於GaN器件具有更高的開關頻率，因此可採用更小的無源元件而不會影響系統性能。高耐熱性使得這種HEMT器件能用在高溫和惡劣的環境中。
在本發明的進一步實施中，將所述結構與LED(發光二極體)結構集成。這些實施將帶來大量新的應用，包括，如集成故障指示的功率轉換器，或完整的多電壓和/或LED發光模組。
本發明的各個實施例中的創新提供至少以下優勢中的一個或多個。然而，並非本發明中的每一個實施例都具有這些優勢，而且以下優勢並不是限制所要求的各個發明：
‧高溫工作能力
‧更高抗電子雜訊干擾能力
‧高功率轉換效率
‧傳統的簡易製造工藝
‧更低的熱致低效率
‧更高的開關速度
‧降低器件體積和重量
‧可使用更小的熱沉
‧可使用更小的無源元件
‧自對準工藝
‧單片實現複雜功能集成的新方案
‧降低製造成本
接下來本發明將利用一些優選的實施例來描述本發明的創新(舉例只是為了說明而不是限制本發明)。本發明涉及了多項創新，但以下的具體描述不應該被理解為對權利要求的限制。
為了闡述的簡單和清晰起見，附圖只是對一般性結構進行了說明，省略了一些眾所周知細節說明和闡述，以避免不必要的模糊表達。此外，附圖中的基本單元並不一定成比例，某些局部區域或者元件可能被放大以幫助閱讀者更好的理解本發明。
本發明的說明書和申請專利範圍中涉及的諸如“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等術語只是用於區分類似的內容，而不一定用於描述某一特定順序或按時間順序。應該理解，這些術語是可互換的。此外，本發明中“包括”、“包含”、“具有”和任何類似術語只是表示非排它性的包含，從而過程、方法、條款、設備、或組成部分包含所描述的內容但不必僅限於這些內容，而是可以包括沒有明確列出或者過程、方法、條款、器具、或組成部分所固有的內容之外的其他內容。
本發明的設計可能適於其他類型的2DEG整流器和場效應電晶體；但便於闡述，本發明以常規的單層AlGaN/GaN異質結構材料進行舉例說明，並且該集成器件中只考慮一個整流器和一個HEMT同時集成在同一晶片上。然而，作為本領域的技術人員都會知道通過改變本發明中的設計來形成其他組合和行式，例如在垂直層中進行設計。
圖3為橫向功率場效應整流器(L-FER)301與常關型AlGaN/GaN HEMT 303集成結構的示意圖。其中L 305是肖特基接觸區域長度(氟離子注入區長度)，L D 307是L-FER 301漂移區長度。L GS 309、L G 311L GD 313分別是HEMT器件303的閘源距離、肖特基閘長度以及閘漏距離。HEMT器件303包括源電極315、閘電極317、漏電極319。上述電極都位於器件表面的AlGaN層321，該層321位於GaN層325之上。在AlGaN層321和GaN層325之間的異質結是2DEG導電溝道323(開啟狀態下，閘極所施加的電壓將會使一部分半導體材料反型，以形成一層二維電子氣，完成從源極到汲極的電流通路)。位於AlGaN層321下的GaN 325生長在襯底327層之上，該襯底327通常是矽、碳化矽、Sappire或氮化鎵。在AlGaN層321中和閘317下是具有帶永久負電荷的離子的區域329。這些帶永久負電荷的離子通常是通過CF4等離子體處理或離子注入引入的氟離子(F-)。氟離子注入區域329也可以延伸到的GaN層。有關氟離子注入的細節請參考美國專利申請US 2007/0278518 A1，該文獻作者是本發明的作者陳敬等人，其內容以引文方式全部併入本發明。
本發明中L-FER器件301與常關型AlGaN/GaN HEMT結構具有一定程度的相似性。L-FER 301也包含GaN層325和位於GaN層325上面的AlGaN層321。在AlGaN層321和GaN層325之間形成2DEG導電溝道323。位於AlGaN層321下的GaN325生長在襯底327層之上，該襯底327通常是矽、碳化矽、Sappire或氮化鎵。在AlGaN層321的表面上是L-FER 301的陰極電極331和陽極電極333，陰極電極331首先與AlGaN層形成歐姆接觸，從而，實現與2DEG導電層323的歐姆接觸；陽極電極333將肖特基接觸335和歐姆接觸339電氣短接。肖特基接觸335下面是具有帶永久負電荷的離子的區域337。儘管其他負離子也可以用來形成永久負電荷，但是通過CF4等離子體處理或離子注入引入氟離子是目前常採用的方法。具有帶永久負電荷的離子的區域337可垂直延伸到的GaN層。
值得指出，此例所述的整流器與電晶體間的橫向隔離由臺面隔離實現。
本發明中引入的永久負電荷區域337能有效地耗盡肖特基接觸下的2DEG，從而夾斷2DEG導通通路。因此提供了L-FER的反向阻斷能力。當向陽極電極333施加正的正向偏壓時，會導致肖特基閘下的2DEG 323，肖特基閘控溝道“開啟”。當向陽極333施加負偏壓時，肖特基閘控溝道保持“關閉”。因此，該兩端器件是一個場效應整流器301。
圖4(a)為閘偏壓為零時沒有氟離子注入的圖3的AlGaN/GaN結構的導帶圖類比結果。圖4(b)為閘偏壓為零時有氟離子注入的圖3的AlGaN/GaN結構導帶圖類比結果。圖4(b)顯示氟離子處理能使導帶向上彎曲，尤其是AlGaN層中的導帶，該向上彎曲的導帶產生額外的勢壘高度ΦF。在經過氟處理以後，當導帶最低時2DEG溝道的能級位於費米能級以上時表明2DEG溝道完全被耗盡，從而實現了常關型器件。同時，該增加的勢壘將有利於抑制肖特基接觸區域的反向漏電流。圖4(c)對比了氟離子處理前後2DEG電子濃度。在經過氟離子處理後，在閘偏壓為零時肖特基閘下的溝道沒有電子，這表明該器件是常關型器件。
圖5(a)-圖5(e)給出了如圖3所示的橫向場效應整流器結構製造過程的示例。在圖5(a)中，使用光罩1在電感耦合等離子體反應離子刻蝕(ICP-RIE)系統中用Cl2 /He等離子體幹法刻蝕在AlGaN/GaN表面503上形成器件臺面501。在圖5(b)中，用光罩2澱積電子束蒸發的Ti/Al/Ni/Au(20nm/150nm/50nm/80nm)金屬層，並在850℃高溫下快速退火(RTA)30秒來形成歐姆接觸。在圖5(c)中，用光罩3緊靠歐姆接觸區域505並且與它自對準地實現氟離子注入507來限定電極接觸。通過精確控制氟離子注入劑量和功率以優化反向阻斷能力與開啟電壓之間關係。在圖5(d)中，用光罩5PECVD生長厚度為300nm的SiNx鈍化層509。圖5(e)為用光罩6形成測試Pad 511和場板(FP)513。最後，該實驗樣品在400℃退火10分鐘以修復AlGaN勢壘層中等離子體所致損傷和缺陷。
圖6(a)-圖(d)為單片集成橫向場效應整流器和常關型AlGaN/GaN HEMT的製造流程。圖6(a)是在電感耦合等離子體反應離子刻蝕(ICP-RIE)系統中用Cl2 /He等離子體幹法刻蝕在AlGaN/GaN表面形成臺面。通過該工藝，可以形成多種器件結構區域。圖中給出了典型的整流器601和HMET 603。圖6(b)為澱積電子束蒸發的Ti/Al/Ni/Au(20nm/150nm/50nm/80nm)金屬層，並在850℃高溫下快速退火(RTA)30秒形成HMET和整流器的歐姆接觸605。在圖6(c)中，對HEMT和整流器同時進行氟離子注入以形成常關型導電溝道。用光罩6自對準地實施基於氟的等離子體處理和限定電極接觸。分別形成整流器和HEMT的氟注入區609和613。氟注入區609與整流器601的歐姆接觸的側面自對準，而氟注入區613更緊接HEMT603的兩個接觸的中間部分。通過精確控制氟離子注入劑量和功率可以優化反向阻斷能力與開啟電壓之間的關係。接著，如圖6(d)所示，進行金屬澱積以形成Ni/Au肖特基接觸611。在整流器601的陽極區域，在ALGaN表面的氟注入區的暴露表面上澱積肖特基接觸611，以形成電氣短接的肖特基接觸和歐姆接觸。在電晶體HEMT 603區域，在氟注入區的暴露表面上澱積肖特基接觸611，以形成HEMT的肖特基閘。接著，該實驗樣品在400℃退火10分鐘以去除AlGaN勢壘層等離子體所致的晶格損傷和缺陷。最後，通過PECVD形成厚度為300nm的SiNx 鈍化層。
圖3的樣品器件結構是使用基於矽襯底的通過有機金屬汽相澱積(MOCVD)生長的商用Al0.26 Ga0.74 N/GaN HEMT晶圓來製造的。外延層包括GaN緩衝層，薄AlN表面增強層，約18nm的未摻雜AlGaN層和2nm的未摻雜GaN。晶圓原始方塊電阻為320歐姆/平方米，2DEG遷移率為1800cm2 /V‧s，夾斷電壓為-2.1V。採用標準的轉移長度方法(transfer length method,TLM)過程來獲得大約1.0Ω.mm的比歐姆接觸電阻。在澱積肖特基閘金屬之前，在該區域進行CF4 等離子體處理，其處理條件為在130W下處理150秒。該注入的負電荷能有效地耗盡2DEG溝道，實現溝道夾斷電壓從-2.1V到+0.2V的轉變。然後進行400℃10分鐘退火的高溫退火以修復等離子體處理所致的晶格損傷和缺陷。為了進行比較，還用另外一個Ni/Au金屬化步驟製造了直接澱積在AlGaN表面而未處理經過CF4 等離子體的SDB。最後，採用PECVD生長300nm的SiNx 鈍化層。
圖7(a)為上述SBD器件和L-FER器件的正向特性，這兩種器件的陽極-陰極漂移區長度(L D )均為10μm，器件寬度為1mA/mm時所對應的陽極電壓)僅為0.2V，而SBD的拐點(W )為100μm。從圖中可見L-FER的拐點電壓(V k ，陽極電流電壓為1.3V。這個巨大差異是源於兩種器件的開啟機理不同所致。對於L-FER器件而言，其拐點電壓V k 由溝道的夾斷電壓決定，而且溝道的夾斷電壓可以通過調整氟等離子體處理的時間和功率進行調節。而對於在AlGaN/GaN HEMT上形成的SBD器件而言，其拐點電壓V k 由金屬/AlGaN肖特基勢壘和AlGaN/GaN異質結面的導帶偏移共同決定，因此具有較大的拐點電壓。L-FER正嚮導通時比導通電阻(R ＯＮ’sp )為1.4mΩ‧cm2 ，其中R ON’sp 是在正向偏壓為2V到3V的範圍下利用除了歐姆接觸之外的有源區的面積測量得到的。在圖7(b)中，在沒有將器件浸入Fluorinert的情況下，利用Tektronix 370A曲線描繪器測量了兩個器件的反向擊穿特性。漂移區長度均為10μm的L-FER和SDB在電流為1mA/mm時表現出了幾乎相同的反向擊穿電壓。漂移區長度為10μm的L-FER的反向耐壓(BV )為390V，從而導致功率優值(BV 2 /R ON,sp )為108MW‧cm-2 ，該功率優值與垂直肖特基二極體的相當。圖7(b)為上述SBD器件和L-FER器件的反向特性。可見，對於器件漂移區長度均為10μm的L-FER和SBD器件具有幾乎相等的反向耐壓能力。
圖8(a)為L-FER器件擊穿電壓(BV) 和比導通電阻(R ON’sp ) 與漂移區長度(L D )的關係，可見，隨著漂移區長度的增加，器件的擊穿電壓和比導通電阻都增加。圖8(b)給出了漂移區長度為5μm、10μm和15μm時器件正嚮導通時的正向電流密度(J F )，可知，其正向開啟電壓(V F’ON )(在正向電流密度為100A/cm2 的電壓)分別為0.53V、0.63V和0.78V，這遠低於目前所報導的GaN基垂直SBD和p-i-n整流器的開啟電壓。如上所述，低的開啟電壓是由於L-FER的開啟是由溝道的閾值電壓決定而不受肖特基勢壘高度或者p-i-n勢壘高度的影響。此外，高濃度的2DEG以及高的電子遷移率也有助於實現低的導通電阻，這還能導致L-FER的低的正向開啟電壓。
圖9給出了利用具有熱夾盤的探針台獲得的L-FER正向偏壓特性與溫度的關係。從圖中可知，在高達250℃時器件的拐點電壓(V k )基本保持不變。而陽極電流隨著溫度的增加而減小，這是因為在高溫時，由於聲子散射等加劇，從而導致2DEG的電子遷移率下降。
圖10(a)和圖(b)為採用同一製作工藝製作的常關型AlGaN/GaN HEMT器件的性能。當器件閘源距離為1μm，閘長為1.5μm，閘漏距離為15μm時，該器件的閾值電壓(V th )為0.6V，在閘電壓(VGS )為3V以及漏源電壓(VDS )為10V時，最大汲極電流(I max )為250mA/mm，以及最大跨導(G m )為110mS/mm。在汲極漏電流為1mA/mm時的擊穿電壓為460V和在VGS 為3V時比導通電阻(R ON’sp ) 2.3mΩ‧cm2 。
圖11(a)為單片集成L-FER和HEMT的Boost轉換器，其為開關電源的主要部件。
圖11(b)為上述轉換器的測試波形。當工作頻率為1MHz，占空比為55%，輸入為10V時，其輸出電壓(V out )為21V，功率轉換效率為84%，紋波為0.8%。
通過單片集成L-FER/HEMT，可以實現高溫、高壓、高效率、高反向擊穿電壓的電源轉換器，並大大降低生產成本。
本發明提供了一種便於集成的開關電源以及相關的(如開關式電機驅動電路或音頻放大器)。
一般情況下，較高的開關頻率有助於實現更小的器件體積、更快的瞬態回應以及更小的電壓過沖。然而，其工作頻率也受電晶體開關和整流器等器件固有的回應速度限制，因此這些有源器件在高頻工作時具有更大的功耗。由於氮化鎵器件在高頻率時具有更小的功耗，因此其開關頻率可進一步提高而不會降低效率。關於開關頻率的優化選擇，本發明的參考Nowakowski，“選擇最佳開關頻率DC-DC轉換器”，電子工程專輯印度，2006年10月和Omura等人進行了專門的討論。應用於頻率功率電子的GaN功率HEMT，IEEE出版號：978-14244-17285(2007年)。以上參考文獻用於使闡述變得完整。
圖11(c)為單片集成HEMT和整流器的GaN基Buck轉換器。其中，功率HEMT與整流器更適宜于集成於同一晶片上，如前述實施例。同時，HEMT和環流二極體與兩個電抗元件相混合構成一個簡易的功率轉換電路。本實例中，這些電抗元件多數為分立器件，所示LED亦類似；然而，該電路也可利用集成的LED，如圖16(a)-圖16(c)所示。
圖12為單片集成HEMT和整流器的GaN基AC-DC轉換器，其中全波電橋用於AC-DC整流及Buck轉換器用於進一步直流降壓。值得指出，全橋整流器可與功率HEMT及環流二極體集成。同樣，也可將該系統應用於比目前主流應用高的工作頻率，如，RF遠距離供電模組。
圖13為智慧電源開關框圖。這種集成的高速器件有望取代IPS1041。該系統包括了過壓保護，過流保護，閘極保護，過溫度保護和續流二極體。在圖13，D1和D2由閘源和閘漏肖特基二極體自然形成，而D3二極體由上述的L-FER實現。R1和R2是由2DEG溝道電阻形成，並通過與本發明在此提出的等離子體處理一起對其電阻進行調節。比較器CMP1 、CMP2 、CMP3 以及或閘OR1 、OR2 以及鎖存器LATCH1 以及開關器件S1 由本發明者提出的增強型/耗盡型相容工藝實現。
該例中，閘極保護由D1與D2實現。電流限制由R1 採樣源極電流實現。過溫保護由溫度感測器，輔助比較器CMP1 、CMP2 、或閘OR1 、OR2 ,鎖存器LATCH1 及開關S1 在必要時將內部閘極與源極進行短路來實現。過壓保護由CMP3 及OR2 實現，其工作機理類似於電流限制與過溫保護。當功率開關器件關斷，即外部閘源短接時，有源鉗位由D1與R1實現。其機理為，當汲極電壓高於所設定的保護值時，二極體D1 將開始導通，並迫使電流流過R1。R1兩端的電壓將會高於功率電晶體的閾值電壓，從而開啟溝道以瀉放汲極與源極間的電壓或電流。
圖14給出混合器件結構的等效電路。其中，異質結晶體管與續流二極體根據在此所示的各種器件結構中的任一種來進行結合。該續流二極體多用於功率轉換器中來鉗位功率管源極的過壓。值得指出，該二極體-電晶體混合方式給出了一種同步整流結構。該圖也給出了第二個二極體，該二極體可保護續流二極體可能出現的破壞性過流，如電源誤反接。
圖15給出集成不同器件類型的總覽圖，該集成基於所述申請。值得注意的是，週邊電路可包括增強型與耗盡型器件，以及肖特基二極體與橫向場效應整流器(L-FER)。晶片高壓部分可包括高壓HEMT與高壓LFER，該類高壓器件相對於低壓器件在橫向尺寸上有所增加。
圖16(a)、圖16(b)及圖16(c)給出進一步集成方案，該方案中，LED結構與上述其他結構相集成。圖16(a)-圖(c)所示結構均包括圖3所示結構，及另外添加的光電器件結構。
圖16(a)所示結構始於一個生長HEMT結構後的晶圓，其後，對用於製造LED的區域進行回蝕以暴露GaN層。之後，重新生長LED結構，該生長過程通過選擇性外延實現。典型情況下，LED結構生長過程為：首先生長一層n型GaN，接著生長一對窄禁帶層(如InGaN)以形成量子阱(單量子阱或多量子阱)，最後生長一層P型GaN。在上述製造流程中，將使用臺面蝕刻工藝來暴露n型GaN層，同時，歐姆金屬化工藝將形成LED結構的陽極與陰極接觸。該工藝流程不能如上述二極體-HEMT混合那樣實現簡易集成，但是，為實現單一晶片的更高集成度提供了解決思路。
圖16(b)給出以一個生長工藝流程後形成的器件結構(無需重新生長)，該圖中，HEMT所需的異質結構形成於LED的異質結構之前。該結構與圖16(a)所示結構表面類似，但存在一個重要問題：從HEMT層上去除LED層時，必須蝕刻進入AlGaN層中，但不能蝕刻穿過AlGaN層(即不能過度蝕刻AlGaN層)。因為AlGaN層中沒有蝕刻停止層，剩餘AlGaN層厚度將會具有一定工藝波動。該工藝波動將會造成HEMT閾值電壓的漂移，影響器件及系統功能及性能。
圖16(c)給出一種很不同的結構，同樣，該結構具有單一生長工藝流程的特點(無需重新生長)，且LED異質結構形成於HEMT異質結構之前。相對於圖16(b)所示，該方法將實現HEMT閾值電壓的均勻性；同時，可避免圖16(a)所示方法所帶來的重新選擇性外延生長的複雜行。從而這種分層結構(在LED異質結構之上形成HEMT異質結構)對於這種電子及光電結構的製造來說尤其有利。
根據所公開的各個實施例，提供了一種集成功率器件結構，其包括：混合二極體，其包括並聯的場控制二極體和肖特基二極體；以及異質結場效應電晶體；其中所述混合二極體與所述電晶體集成於同一III-氮化物半導體層之上；以及其中，所述混合二極體與所述電晶體均包括形成圖形的區域，該區域中，永久性負電荷被引入到所述同一III-氮化物半導體層中較窄禁帶部分之上的較寬禁帶部分中。
根據所公開的各個實施例，提供了一種集成功率器件，其包括：III-氮化物半導體異質結構，其包括處於其有源層之上的勢壘層，所述勢壘層和所述有源層具有不同的禁帶寬度；第一結構區，其包括與所述半導體結構具有歐姆接觸和第一肖特基勢壘接觸的陽極電極，以及與所述半導體結構具有歐姆接觸的陰極電極；第二結構區，其包括與所述半導體結構的分別部分具有歐姆接觸的源極電極和汲極電極，以及位於所述源極電極和汲極電極之間的具有與所述半導體器件結構進行肖特基勢壘接觸的閘極電極；以及各個陷阱電荷區，這些區域位於所述第一和第二結構區中的所述肖特基勢壘接觸之下。
根據所公開的各個實施例，提供了一種開關功率轉換器，其包括：至少一個異質結場效應電晶體，被連接來控制流經至少一個電感器的電流；混合二極體，其包括並聯的肖特基二極體與場控制二極體，且該混合二極體可連接到所述電感器的至少一端；其中，所述的混合二極體與所述電晶體集成於同一III-氮化物半導體層上；以及其中，所述開關模式功率轉換器能在高頻下高效率地工作。
根據所公開的各個實施例，提供了一種開關功率轉換方法，其包括：使用至少一個異質結場效應電晶體來控制流經至少一個電感器的電流；以及使用至少一個包括並聯的肖特基二極體和場控制二極體的混合二極體來對所述電感器的至少一端的電流進行整流；其中所述混合二極體和所述電晶體集成於同一III-氮化物半導體層之上；由此，所述開關模式功率轉換器能在高頻下高效率地工作。
根據所公開的各個實施例，提供了一種製造集成半導體器件的方法，其包括以下實施：形成III-氮化物異質結構，其包括勢壘層和有源層，所述勢壘層和所述有源層具有不同的禁帶寬度；形成一個或多個隔離結構，以至少部分地將所述異質結構分割為第一結構區和第二結構區；製造第一結構，該第一結構位於所述第一結構區中，且該第一結構包括：與所述半導體結構具有歐姆接觸和第一肖特基勢壘接觸的陽極，與所述有源區具有歐姆接觸的陰極，和與位於所述第一肖特基接觸的正下方的第一永久性負電荷陷阱區；以及製造第二結構，該第二結構位於所述第二結構區中，且該第二結構包括：與所述半導體結構的分別部分進行歐姆接觸的源極電極和汲極電極，以及位於所述源極電極與汲極電極之間，且與所述半導體結構具有肖特基勢壘接觸的閘極電極；以及第二永久性負電荷陷阱區，該區位於所述第二肖特基接觸的正下方。
根據所公開的各個實施例，提供了一種集成器件結構，其包括：位於第二異質結構之上的第一半導體異質結構，一個或多個異質結場效應電晶體，以及一個或多個混合二極體整流器結構，所有這些都集成到所述第一半導體抑制結構中；以及在所述第二異質結構中形成的一個或多個發光二極體，其中已經至少部分地去除了所述第一異質結構。
根據所公開的各個實施例，提供了基於GaN或類似半導體材料的集成了高效率橫向場效應整流器和HEMT的器件、該集成器件的製造方法、以及包括這種集成器件的系統。橫向場效應整流器具有包含短接的歐姆接觸和肖特基接觸的陽極，以及具有包含歐姆接觸的陰極，而HEMT優選地具有包含肖特基接觸的閘極。在整流器和HEMT中的兩個肖特基接觸的正下方形成兩個氟離子包含區域，以夾斷兩個結構中外延層之間的異質界結面的(電子氣)溝道。
修改與改變
本領域的技術人員應該認識到，可對本發明所描述的創新性設計進行改變或修改，使其適於大量的其他應用，因此，本發明主題的保護範圍不受任何所給出的特定示範性實施例的限制。其目的在於包含落入所附權利要求的思想和寬廣範圍內的所有這些替換物、修改和變型。
例如，半導體組分的細微改變，比如以含磷氮化物替代純氮化物，或使用Aly Ga(1-y )N層上的Alx Ga(1-x )N替代的異質結構來作為一種選擇。
半導體材料的研究正迅速發展，因此，同樣可能出現其他可利用本專利所公開的結構及工藝的半導體合金。例如，III-氮化物半導體中的III族半導體可被包含某些IIIA族元素組分所替代，如，Ti。
本專利為實現單電源供電的RFIC(射頻積體電路)及MMIC(微波積體電路)提供可能。本專利也為用戶提供了用來實現高溫電子領域所需的基於GaN的數位積體電路的單片集成技術。
例如，在所描述的各種器件結構中，可選擇大量的材料以用於形成電極或接觸金屬(需要考慮到可能造成的功函數的改變)。一種可預期的實現方式是，功函數不同的閘電極材料可與以上的不同實現方式所提供的陷阱面電荷層相結合。同樣的，可對外延層摻雜進行大量的改變或替換。
附加的結構特徵也可被添加於本發明描述的基本結構中。如，除接觸外，也可添加到各種場板結構。
有助於展示變型及實現的附加的背景資料可見於以下文獻。將這些文獻以引文形式併入：
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Z. Z. Bandi,P. M. Bridger,E. C. Piquette,and T. C. McGill,R. P. Vaudo,V. M. Phanse and J. M. Redwing,Appl. Phys. Lett. 74,1266(1999)；
A. P. Zhang,G. T. Dang,F. Ren,H. Cho,K. Lee,S. J. Pearton,J.-I Chyi,T.-E. Nee,C.-M. Lee,and C.-C. Chuo,IEEE Trans. Electron Devices 48,407(2001)；
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J. B. Limb,D.Yoo,J.-H. Ryou,S.-C. Shen,and R. D. Dupuis,IEE Electronics Lett. 43,67(2007)。
1~6．．．光罩
301．．．橫向功率場效應整流器
303．．．常關型AlGaN/GaN HEMT
305．．．肖特基接觸區域長度
307．．．是L-FER 301漂移區長度
309．．．閘源距離
311．．．肖特基閘長度
313．．．閘漏距離
315．．．源電極
317．．．閘電極
319．．．漏電極
321．．．AlGaN層
323．．．導電溝道
325．．．GaN層
327．．．襯底
329．．．具有帶永久負電荷的離子的區域
331．．．陰極電極
333．．．陽極電極
335．．．肖特基接觸
337．．．具有帶永久負電荷的離子的區域
339．．．歐姆接觸
501．．．器件臺面
503．．．AlGaN/GaN表面
505．．．歐姆接觸區域
507．．．氟離子注入以限定電極接觸
509．．．鈍化層
511．．．Pad
513．．．場板(FP)
601．．．整流器
603．．．HMET
605．．．歐姆接觸605
609、613．．．氟注入區
611．．．肖特基接觸
圖1揭示傳統肖特基二極體(SBD)器件的剖面圖。
圖2揭示具有雙金屬陽極的AlGaN/GaN SBD器件的剖面圖。
圖3揭示本發明所提出的可與AlGaN/GaN HEMT相容的橫向功率場效應整流器的剖面圖。
圖4(a)-圖4(c)揭示氟離子注入前後AlGaN/GaN HEMT的導帶圖和電子濃度的比較效果。
圖5(a)-圖5(e)揭示本發明所提出的可與AlGaN/GaN HEMT相容的橫向功率場效應整流器的製作流程的示例。
圖6(a)-圖6(d)圖示本發明所提出的單片集成的常關型AlGaN/GaN HEMT和橫向功率場效應整流器的製作流程的示例。
圖7(a)和圖7(b)揭示本發明所提出的可與AlGaN/GaN HEMT相容的橫向功率場效應整流器的正向和反向特性。
圖8(a)揭示本發明所提出的可與AlGaN/GaN HEMT相容的橫向功率場效應整流器的比導通電阻和擊穿電壓二者與漂移區長度之間的關係。
圖8(b)揭示本發明所提出的可與AlGaN/GaN HEMT相容的橫向功率場效應整流器的漂移區長度為5μm、10μm和15μm時正向偏壓I-V特性。
圖9揭示本發明所提出的可與AlGaN/GaN HEMT相容的橫向功率場效應整流器的正向特性與溫度的關係，該圖中的電流相對於以室溫下正向偏壓為3V時的電流進行了歸一化。
圖10(a)和圖(b)揭示根據本發明的常關型AlGaN/GaN HEMT的特性：(a)轉移特性；(b)源-漏輸出特性。
圖11(a)揭示根據本發明的單片集成了AlGaN/GaN HEMT和橫向功率場效應整流器的GaN基Boost轉換器的示例。
圖11(b)揭示圖11(a)所示的單片集成的GaN基Boost轉換器的測試波形。
圖11(c)揭示集成的降壓(buck)變換器，該變換器包括一個HEMT開關及一個整流器。
圖12揭示交流一直流轉換器，該轉換器集成整流器與一個功率HEMT開關。
圖13揭示智慧功率開關的原理框圖。
圖14揭示混合器件結構的等效電路圖。
圖15揭示可集成於同一晶片的多種不同器件結構。
圖16(a)-圖(c)進一步給出3個集成結構與方法，其中，二極體和電晶體與多種不同LED結構實現集成。
301．．．橫向功率場效應整流器
303．．．常關型AlGaN/GaN HEMT
305．．．肖特基接觸區域長度
307．．．是L-FER 301漂移區長度
309．．．閘源距離
311．．．肖特基閘長度
313．．．閘漏距離
315．．．源電極
317．．．閘電極
319．．．漏電極
321．．．AlGaN層
323．．．導電溝道
325．．．GaN層
327．．．襯底
329．．．具有帶永久負電荷的離子的區域
331．．．陰極電極
333．．．陽極電極
335．．．肖特基接觸
337．．．具有帶永久負電荷的離子的區域
339．．．歐姆接觸

Claims (30)

  1. 一種集成功率器件結構，包括：混合二極體，其包括並聯的肖特基二極體與場控制二極體；以及異質結構場效應電晶體；其中，所述混合二極體與所述電晶體集成於同一III-氮化物半導體層之上；其中，所述混合二極體與所述電晶體均包括形成圖形的區域，該區域中，永久性負電荷被引入到所述同一III-氮化物半導體層中的較窄禁帶部分之上的較寬禁帶部分中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的結構，其中，所述永久性負電荷包括氟離子。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的結構，其中，所述較寬禁帶部分是未摻雜的。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的結構，其中，所述較寬禁帶部分包含AlGaN。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的結構，其中，所述較寬禁帶部分包含其上覆蓋了GaN的AlGaN。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的結構，其中，所述較窄禁帶部分包含GaN。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的結構，其中，所述III-氮化物半導體主要由包括不止一種第三主族材料的金屬氮化物組成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的結構，其中，所述III-氮化物半導體包括GaN及相關三元半導體材料。
  9. 一種集成功率器件，其包括：III-氮化物半導體異質結構，其包括勢壘層及位於其下的有源層，所述勢壘層與所述有源層具有不同的禁帶；第一結構區，其包括：陽極，該陽極與所述半導體異質結構具有歐姆接觸和第一肖特基勢壘接觸；以及陰極，該陰極與所述半導體異質結構具有歐姆接觸；第二結構區，其包括：源極和汲極，該源極和汲極與所述半導體異質結構的分別部分形成歐姆接觸；以及閘極，該閘極與所述半導體異質結構形成肖特基勢壘接觸，且閘極位於所述源極與汲極之間；以及分別的永久性陷阱電荷區，這些區位於所述第一結構區及第二結構區中的所述肖特基勢壘接觸之下。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的器件，其中，所述永久性陷阱電荷包括氟離子。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的器件，其中，所述勢壘層是未摻雜的。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的器件，其中，所述勢壘層包括AlGaN。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的器件，其中，所述勢壘層包含其上覆蓋了的GaN的AlGaN。
  14. 如申請專利範圍第9項所述的器件，其中，所述有源層包含GaN。
  15. 如申請專利範圍第9項所述的器件，其中，所述III-氮化物半導體主要由包括不止一種第三主族材料的金屬氮化物組成。
  16. 如申請專利範圍第9項所述的器件，其中，所述III-氮化物半導體包括GaN及相關三元半導體材料。
  17. 如申請專利範圍第9項所述的器件，其中，所述有源層位於一個III-氮化物緩衝層之上，該III-氮化物緩衝層位於一個III-氮化物成核層之上。
  18. 如申請專利範圍第9項所述的器件，其中，所述第一結構區包括多個場效應整流器，以及所述第二結構區包括多個HEMT。
  19. 如申請專利範圍第9項所述的器件，進一步包括器件上方的氮化矽鈍化層或氧化矽鈍化層。
  20. 如申請專利範圍第9項所述的器件，進一步包括器件上方的聚醯亞胺鈍化層或苯環丁烯鈍化層。
  21. 一種開關功率轉換器，其包括：至少一個異質結場效應電晶體，其被連接來控制流經至少一個電感器的電流；以及混合二極體，其包括並聯的肖特基二極體與場控制二極體，且該混合二極體可被連接來對所述電感器的至少一端進行整流；其中，所述混合二極體與所述電晶體集成於同一III-氮化物半導體層上；其中，所述開關模式功率轉換器具有高工作頻率與高效率。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的功率轉換器，其中，所述混合二極體與所述電晶體被臺面隔離彼此隔開。
  23. 一種開關功率轉換方法，包括：採用至少一個異質結場效應電晶體來控制流經至少一個電感器的電流；以及採用至少一個混合二極體來對所述電感器的至少一端進行整流，該混合二極體包括並聯的肖特基二極體與場控制二極體；其中，所述的混合二極體與所述電晶體集成於同一III-氮化物半導體層上；其中，所述開關模式功率轉換器具有高工作頻率與高效率。
  24. 如申請專利範圍第23項所述的開關功率轉換方法，其中，以10MHz以上的頻率對所述電晶體進行開關。
  25. 一種製造集成半導體器件的方法，該方法包括以下步驟：形成III-氮化物異質結構，該結構包括勢壘層和有源層，所述勢壘層與所述有源層具有不同的禁帶；形成一個或多個隔離結構，該隔離結構將所述異質結構至少部分地分割為第一結構區和第二結構區；在所述第一結構區中製造第一結構，第一結構包括：與所述半導體結構具有歐姆接觸和第一肖特基勢壘接觸的陽極，與所述半導體結構具有歐姆接觸的陰極，以及位於所述第一肖特基勢壘接觸的正下方的第一永久性負電荷陷阱區；以及在所述第二結構區中製造第二結構，該第二結構包括：與所述半導體結構的分別的部分進行歐姆接觸的源極和汲極，閘極，該閘極位於所述源極與所述汲極之間，且該閘極與所述半導體結構具有第二肖特基勢壘接觸，以及第二永久性負電荷陷阱區，該區位於所述第二肖特基接觸的正下方。
  26. 如申請專利範圍第25項所述的方法，其中，製造所述第一結構與製造所述第二結構同時進行。
  27. 如申請專利範圍第25項所述的方法，該方法進一步包括在形成所述肖特基接觸後，對所形成的器件實施熱退火處理。
  28. 如申請專利範圍第25項所述的方法，該方法進一步包括用氮化矽、氧化矽、聚醯亞胺或苯環丁烯來實施鈍化。
  29. 如申請專利範圍第25項所述的方法，其中，所述第一永久性負電荷陷阱區與第二永久性負電荷陷阱區由等離子處理或低能量離子注入來產生。
  30. 如申請專利範圍第25項所述的方法，其中，所述第一永久性負電荷陷阱區與第二永久性負電荷陷阱區由化合物的處理來產生，該化合物可從CF4 ,SF6 ,BF3 化合物中選其一，也可為CF4 ,SF6 ,BF3 的組合形式。
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