迄今為止，在電力電子應用中使用的晶體管通常使用硅(Si)半導體材料制造。用于電力應用的常見的晶體管器件包括SiSi功率MOSFET和硅絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。最近，已經考慮碳化硅(SiC)功率器件?，F在，諸如氮化鎵(GaN)器件之類的III族氮化物半導體器件作為具有吸引力的候選者應運而生，其承載大電流、支持高電壓并且提供非常低的導通電阻和快速的開關時間。

技術實現要素：

在一個實施例中，一種半導體器件包括基于III族氮化物的增強型高電子遷移率晶體管，其包括漏極、柵極、阻擋層、溝道層和布置在溝道層上與溝道層之間形成異質結的阻擋層。阻擋層的厚度和組成中的至少一項被配置為與溝道區(qū)域外部的2DEG密度相比減小在溝道區(qū)域中的2DEG密度，其中溝道區(qū)域被布置在柵極下方并且延伸超過漏極側柵極邊緣達距離d。

在一個實施例中，一種半導體器件包括基于III族氮化物的耗盡型高電子遷移率晶體管，其包括柵極區(qū)域和從柵極區(qū)域延伸到源極和漏極的進入區(qū)域、溝道層和布置在溝道層上的阻擋層。阻擋層的厚度和組成中的至少一項被配置為在溝道區(qū)域中減小溝道層和阻擋層之間的界面處形成的二維電子氣(2DEG)的密度以及在柵極下方的溝道表面區(qū)域外部的進入區(qū)域中增加二維電子氣(2DEG)的密度。溝道區(qū)域被布置在柵極下方并且延伸超過漏極側柵極邊緣達距離d。

在一個實施例中，一種基于III族氮化物的增強型高電子遷移率晶體管包括柵極、包含GaN的溝道層和布置在溝道層上的阻擋層。阻擋層包括第一子層和第二子層，第一子層包括在柵極下方溝道區(qū)域中不連續(xù)的Al_xGa_(1-x)N，第二子層包括從源極到漏極連續(xù)的Al_xGa_(1-x)N，其中y>z，柵極被布置在源極和漏極之間。包括AlN的夾層在除柵極下方的溝道表面區(qū)域以外的區(qū)域中被布置在溝道層和阻擋層之間。夾層在柵極下方的溝道表面區(qū)域中是不連續(xù)的。

附圖說明

附圖的元件不一定相對于彼此成比例。同樣的附圖標記指示對應的相似部分。各個圖示的實施例的特征可以組合除非它們互相排斥。在附圖中描繪并且在之后的說明書中詳細說明實施例。

圖1圖示了半導體器件。

圖2圖示了基于III族氮化物的增強型高電子遷移率晶體管。

圖3圖示了基于III族氮化物的增強型高電子遷移率晶體管。

圖4圖示了基于III族氮化物的增強型高電子遷移率晶體管。

圖5圖示了基于III族氮化物的增強型高電子遷移率晶體管。

圖6圖示了基于III族氮化物的耗盡型高電子遷移率晶體管。

圖7圖示了基于III族氮化物的耗盡型高電子遷移率晶體管。

圖8圖示了基于III族氮化物的耗盡型高電子遷移率晶體管。

具體實施方式

在下面的詳細描述中，參考附圖，附圖形成本文的一部分并且在附圖中通過圖示的方式示出了可以實踐本發(fā)明的特定實施例。就這一點而言，諸如“頂部”、“底部”、“前”、“后”、“頭”、“尾”等方向術語參考所描述的附圖的方位而使用。因為實施例的部件可以以多種不同方位來定位，所以方向術語用于圖示目的而絕非限制。應當理解，可以采用其他實施例，并且在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下作出邏輯或結構變化。以下詳細描述不應當以限制的意義理解，并且本發(fā)明的范圍由隨附權利要求書限定。

下面將解釋多個實施例。在這種情況下，相同的結構特征由圖中相同或相似的附圖標記來標識。在本說明書的上下文中，“橫向”或“橫向方向”應當被理解為與半導體材料或半導體載體的橫向延伸大致平行的方向或范圍。橫向方向因此大致平行于這些表面或側面延伸。相比之下，術語“垂直”或“垂直方向”被理解為與這些表面或側面大致垂直的的方向并且因此大致垂直于橫向方向。垂直方向因此在半導體材料或半導體載體的厚度方向上延伸。

如在本說明書中使用的，術語“耦合”或“電耦合”不意味著元件必須直接接觸，可以在“耦合”或“電耦合”元件之間提供中介元件。

如在本說明書中使用的，當一個元件(諸如層、區(qū)域或襯底)被稱為在另一元件“上”或延伸到另一元件“上”，它可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件或者也可以存在中介元件。相比之下，當一個元件被稱為直接在另一元件“上”或直接延伸到另一元件“上”時，不存在中介元件。如在本說明書中使用的，當一個元件被稱為被“連接”或“耦合”到另一元件時，它可以被直接連接或耦合到另一元件或者可以存在中介元件。相比之下，當一個元件被稱為“直接連接”或“直接耦合”到另一元件時，不存在中介元件。

諸如高電壓耗盡型晶體管的耗盡型器件具有負的閾值電壓，這意味著它可以在零柵壓傳導電流。這些器件是常開的。諸如低電壓增強型晶體管的增強型器件具有正的閾值電壓，這意味著它在零柵壓不能傳導電流并且是常關的。

如在這里使用的，諸如高電壓耗盡型晶體管的“高電壓器件”是針對高電壓開關應用優(yōu)化的電子器件。也就是說，當晶體管在關斷狀態(tài)時，它能夠阻擋高電壓，諸如300V或更高，或者大約600V或更高，或者大約1200V或更高，并且當晶體管在開啟狀態(tài)時，它在它被使用的應用中具有足夠低的導通電阻(RON)，即，當大量電流流過器件時，它具有足夠低的傳導損耗。高電壓器件至少能夠阻擋等于高電壓電源的電壓或它被使用的電路中的最高電壓。高電壓器件可能能夠阻擋300V、600V、1200V或應用要求的其他合適的阻擋電壓。

如在這里使用的，諸如低電壓增強型晶體管的“低電壓器件”是能夠阻擋諸如0V到V_low之間的低電壓但是不能阻擋高于V_low的電壓的電子器件。V_low可能是大約10V、大約20V、大約30V、大約40V、80V、100V、200V以及高達但不包括300V或在大約5V和50V之間，諸如在大約10V和30V之間。

如在這里使用的，“III族氮化物”指代包括氮元素(N)或至少一種III族元素的化合物半導體，III族元素包括：鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)和硼(B)并且包括但不限于其任意合金，例如諸如氮化鋁鎵Al_xGa_(1-x)N、氮化銦鎵In_yGa_(1-y)N、氮化鋁銦鎵Al_xIn_yGa_(1-x-y)N、氮化磷化鎵砷GaAs_aP_bN_(1-a-b)和氮化磷化鋁銦鎵砷Al_xIn_yGa_(1-x-y)As_aP_bN_(1-a-b)。氮化鋁鎵和AlGaN指代由化學式Al_xGa_(1-x)N描述的合金，其中0<x<1。

圖1圖示了包括基于III族氮化物高電子遷移率晶體管(HEMT)11的半導體器件10，該HEMT 11具體為常關型的基于III族氮化物的增強型高電子遷移率晶體管11?；贗II族氮化物的高電子遷移率晶體管可以是高電壓器件。

基于III族氮化物的高電子遷移率晶體管包括柵極12、溝道層13、布置在溝道層13上的阻擋層14和布置在溝道層13和阻擋層14之間的在除柵極12下方以外的區(qū)域中的夾層15。

在柵極是肖特基柵極的實施例中，柵極12布置在阻擋層14上。在一些實施例中，柵極是隔離柵極，其中電介質被插入在柵極電極和阻擋層之間。在一些實施例中，諸如p型摻雜GaN層之類的p型摻雜III族氮化物層被設置在阻擋層和柵極電極之間。在柵極和阻擋層之間包括p型摻雜III族氮化物材料層的器件可以是增強型晶體管或常開型晶體管，即，具有正的閾值電壓的晶體管。

在柵極12下方，阻擋層14與溝道層13直接接觸。在除柵極12下方以外的區(qū)域中，諸如與柵極12橫向相鄰的區(qū)域16，夾層15布置在溝道層13和阻擋層14之間的界面17處。

夾層15在溝道層13的表面之上是不連續(xù)的并且可以包括被阻擋層14的一部分隔開一段距離的兩個延長的條狀部分。柵極12被直接布置在夾層15的不連續(xù)區(qū)域上方。

選擇從柵極邊緣到夾層15的起點之間的距離d，同時考慮在晶體管中使用的任何場板，使得在柵極邊緣處的AlGaN阻擋層中的電場低于預定值，例如2.1MV/cm。如果未滿足該條件，則距離d被改變(例如被增大)直到該條件被滿足并且在柵極邊緣處的阻擋層中的電場被減小到小于預定最大允許值。在一些實施例中，距離d被選擇在0.1μm到1μm之間。

溝道層13可以包括GaN并且阻擋層14可以包括Al_xGa_(1-x)N，其中0<x<1，從而雙電子二維電子氣(2DEG)由在溝道層13和阻擋層14之間的界面處的感應和自發(fā)極化形成。夾層15可以包括AlN。

不連續(xù)夾層15的布置可以被用來影響二維電子氣(2DEG)的密度。特別地，二維電子氣(2DEG)的密度在橫向上變化，使得密度在柵極12下方的溝道層18中較低并且在夾層1515下方與柵極12相鄰的區(qū)域中較高。因此，在柵極電極下方的低密度的2DEG區(qū)域向漏極側延伸超過柵極邊緣另外的距離d。

在一個實施例中，二維電子氣密度較低的溝道區(qū)域18從柵極12的源極側邊緣、到柵極12下方以及超過柵極12的漏極側邊緣延伸另外的距離d。

從柵極邊緣到具有較高2DEG密度的進入區(qū)域(access region)的起點的距離d可以被選擇使得在柵極邊緣處的AlGaN阻擋層中的電場低于預定值。

阻擋層14可以包括具有不同組成的兩個子層。在一個實施例中，阻擋層14包括第一子層和第二子層，第一子層包括Al_yGa_(1-y)N并且在柵極下方不連續(xù)，第二子層包括從源極到漏極連續(xù)的Al_zGa_(1-z)N，柵極被布置在源極和漏極之間。第二子層在除柵極下方以外的區(qū)域中被布置第一子層上，并且在柵極下方的區(qū)域中直接布置在溝道層上。子層的組成可以被選擇使得y>z。因此，阻擋層的鋁含量在柵極下方的區(qū)域中較低并且在柵極外部并且與柵極相鄰的區(qū)域中較高。可以選擇不同鋁含量的氮化鋁鎵層，使得在柵極下方的二維電子氣的密度低于與柵極相鄰的區(qū)域中的密度。在一個實施例中，第一子層包括0.19≤y≤0.26并且第二子層包括0.10≤z≤0.18。

可以選擇從柵極邊緣到具有較高2DEG密度的進入區(qū)域的起點的距離d，使得在柵極邊緣處的AlGaN阻擋層中的電場低于預定值。

在一個實施例中，半導體器件10還包括柵極下方的柵極區(qū)域，從柵極區(qū)域延伸到源極的第一進入區(qū)域和從柵極區(qū)域延伸到漏極的第二進入區(qū)域。第一進入區(qū)域和第二進入區(qū)域被布置在柵極區(qū)域的兩側。第二子層被布置在進入區(qū)域中的第一子層上并且與在柵極區(qū)域中的溝道層直接接觸。

柵極可以包括直接布置在第二子層上的p型摻雜III族氮化物層，諸如p型摻雜GaN層，并且還可以包括布置在p型摻雜III族氮化物層上的柵極金屬層。p型摻雜III族氮化物層可以用來提供增強型器件。

可以提供場板，場板部分布置在柵極金屬層上和p型摻雜III族氮化物層上并且在朝向漏極的方向上延伸。

高電子遷移率晶體管11還可以包括柵極凹陷，在一些實施例中，柵極凹陷具有不完全垂直于溝道層的上表面但是以小于90°的角度(例如10°和45°之間的角度)傾斜的漏極側傾斜側面?？梢蕴峁﹫霭?。場板可以被布置在柵極凹陷的漏極側傾斜側面上使得場板被部分布置在柵極金屬層上和p型摻雜III族氮化物層上并且在朝向漏極的方向上以傾斜角度延伸。

高電子遷移率晶體管11還可以包括在源極和柵極區(qū)域之間延伸的第一進入區(qū)域和在柵極區(qū)域和漏極之間延伸的第二進入區(qū)域。第一延長夾層可以被布置在第一進入區(qū)域中并且第二延長夾層布置在第二進入區(qū)域中。

在一些實施例中，第一延長夾層可以在第一進入區(qū)域中被布置在溝道層和阻擋層之間，第二延長夾層可以在第二進入區(qū)域中被布置在溝道層和阻擋層之間。在一些實施例中，第一延長夾層可以在第一進入區(qū)域中被布置在阻擋層的第一子層和第二子層之間，第二延長夾層可以在第二進入區(qū)域中被布置在阻擋層的第一子層和第二子層之間。

用作鈍化層的電介質層可以被布置在柵極金屬層的部分、p型摻雜III族氮化物層和阻擋層的第二子層上。電介質層可以包括SiN。

在一些實施例中，半導體器件可以包括耗盡型高電子遷移率晶體管。

基于III族氮化物的耗盡型高電子遷移率晶體管可以包括柵極區(qū)域和從柵極區(qū)域延伸到源極和漏極的進入區(qū)域、溝道層和布置在溝道層上的阻擋層。阻擋層的厚度和組成中的至少一項被配置為減小在柵極區(qū)域中溝道層與阻擋層之間的界面處形成的二維電子氣(2DEG)的密度并且增大進入區(qū)域中的二維電子氣(2DEG)的密度。

第一進入區(qū)域可以從源極延伸到柵極區(qū)域并且第二進入區(qū)域可以從漏極延伸到在柵極區(qū)域的與第一進入區(qū)域相對的側的柵極區(qū)域。溝道層可以包括GaN并且阻擋層可以包括Al_xGa_(1-x)N，其中0<x<1。

在一些實施例中，阻擋層的組成在橫向上變化，使得在溝道層和阻擋層之間的界面處形成的2DEG的密度在橫向上變化，例如該密度在柵極區(qū)域中較低而在進入區(qū)域中較高。

從柵極邊緣到具有較高2DEG密度的進入區(qū)域的起點的距離d可以被選擇使得在柵極邊緣處的AlGaN阻擋層中的最大電場低于預定值。在一些實施例中，距離d在從0.1μm到1μm的范圍內選擇。

阻擋層可以包括在柵極區(qū)域中比在進入區(qū)域中低的鋁含量。阻擋層可以包括第一子層和第二子層，第一子層包括Al_xGa_(1-x)N并且布置在柵極區(qū)域中，第二子層包括布置在進入區(qū)域中的Al_yGa_(1-y)N，其中x<y。例如，0.1≤x≤0.18并且0.19≤y≤0.26。第一子層和第二子層可以基本上共面。

在一些實施例中，阻擋層的厚度在橫向上變化，使得在溝道層和阻擋層之間的界面處形成的2DEG的密度在橫向上變化，例如使得該密度在柵極下方的區(qū)域中較低而在橫向上與柵極相鄰的區(qū)域中(諸如在進入區(qū)域中)較高。在這些實施例中，阻擋層的組成在柵極區(qū)域中和在進入區(qū)域中可以相同。

在一些實施例中，阻擋層的結構和/或組成可以在橫向上變化。例如，在進入區(qū)域中阻擋層的子層的數目可以與柵極區(qū)域中的子層的數目不同。

在阻擋層的厚度在橫向上變化的實施例中，阻擋層可以包括第一子層和第二子層，第一子層包括Al_xGa_(1-x)N并且在形成柵極凹陷的柵極下方不連續(xù)，第二子層包括從源極到漏極連續(xù)的Al_yGa_(1-y)N，其中x>y。例如，0.19≤x≤0.26并且0.10≤y≤0.18。第二子層在進入區(qū)域中被布置在第一子層上和在柵極區(qū)域中被布置在溝道層上。夾層可以被布置在柵極凹陷外(例如，在進入區(qū)域中)在第一子層和第二子層之間。柵極凹陷和柵極區(qū)域沒有夾層。夾層可以包括AlN。

從柵極邊緣到夾層的起點的距離d可以被選擇使得在柵極邊緣處的AlGaN阻擋層中的電場低于預定值。在一些實施例中，距離d在從0.1μm到1μm的范圍內選擇。

在一些實施例中，基于III族氮化物的耗盡型高電子遷移率晶體管可以包括阻擋層，阻擋層包括第一子層和第二子層，第一子層包括Al_xGa_(1-x)N并且從源極到漏極連續(xù)，第二子層包括在柵極下方不連續(xù)的Al_yGa_(1-y)N，其中x<y。例如，0.1≤x≤0.18并且0.19≤y≤0.26。第二子層被布置在進入區(qū)域中的第一子層上。第二子層限定柵極區(qū)域中的柵極凹陷，因為第二子層在柵極區(qū)域中是不連續(xù)的。布置在第一子層和第二子層之間的夾層可以被提供在柵極凹陷外部的進入區(qū)域中。該夾層可以包括AlN并且溝道層可以包括GaN。

也可以提供基于III族氮化物的增強型高電子遷移率晶體管，其包括：柵極；含有GaN的溝道層；布置在溝道層上的阻擋層；阻擋層，包括第一子層和第二子層，第一子層包括Al_yGa_(1-y)N并且在柵極下方不連續(xù)，第二子層包括從源極到漏極連續(xù)的Al_zGa_(1-z)N，柵極被布置在源極和漏極之間，其中y>z；以及夾層，包括AlN，其在柵極下方的區(qū)域中不連續(xù)的并且在除柵極下方的區(qū)域以外的區(qū)域中被布置在溝道層和阻擋層之間。夾層被布置在第一子層和溝道層之間。

阻擋層的第一子層可以包括0.19≤y≤0.26的鋁含量并且阻擋層的第二子層可以包括0.10≤z≤0.18的較低的鋁含量。

基于III族氮化物的增強型高電子遷移率晶體管還可以包括柵極凹陷。柵極凹陷可以形成于阻擋層中或進一步形成于溝道層中。柵極凹陷可以具有漏極側傾斜側面。柵極被定位在柵極凹陷中。柵極可以包括布置在p型摻雜III族氮化物層上的柵極金屬層和部分布置在柵極金屬層和p型摻雜III族氮化物層上并且在朝向漏極的方向上延伸的場板。在柵極凹陷具有漏極側傾斜側面的實施例中，場板可以被部分布置在柵極金屬層和p型摻雜III族氮化物層以及柵極凹陷的傾斜側面上，使得它在朝向漏極的方向上以一個傾斜角度延伸。傾斜角度可以是相對于溝道層表面小于90°的角度，例如在10°和30°之間。

圖2圖示了基于III族氮化物的高電子遷移率晶體管(HEMT)20，在所圖示的實施例中，其包括基于III族氮化物的增強型高電子遷移率晶體管20。HEMT 20包括襯底21、含有布置在襯底21上的氮化鎵的溝道層22和含有布置在溝道層22上的氮化鋁鎵的阻擋層23。

HEMT 20還包括源極24、漏極25和柵極26，其橫向間隔開使得柵極26布置在源極24和漏極25之間。柵極26被布置在阻擋層23上。源極24和漏極25可以通過阻擋層23延伸到溝道層22并且與溝道層直接接觸。

在一些實施例中，HEMT 20進一步包括在源極24和柵極26之間的區(qū)域中以及在柵極26和漏極25之間的區(qū)域中被布置在溝道層22和阻擋層23之間的夾層27。夾層27包括氮化鋁。夾層27是不連續(xù)的，并且在柵極26下方的區(qū)域30中間斷使得溝道層22在柵極26下方的區(qū)域30中與阻擋層直接接觸。

在一些實施例中，AlN的夾層可以被省略，并且柵極區(qū)域和進入區(qū)域中的不同的2DEG濃度能夠單獨通過兩個不同的阻擋厚度和/或Al濃度的方式被控制。

阻擋層23包括兩個子層28、29。每個子層28、29包括氮化鋁鎵Al_xGa_(1-x)N但是具有不同的鋁含量。第一子層28在源極24和柵極26之間延伸的區(qū)域31中以及在柵極26和漏極25之間延伸的區(qū)域32中被布置在夾層27上。第一子層28具有與夾層27的橫向延伸基本上對應的橫向延伸并且在柵極26下方的HEMT 20的區(qū)域30中是不連續(xù)的。第二子層29在第一區(qū)域31、柵極區(qū)域30和第二區(qū)域32中從源極24到漏極25連續(xù)延伸而沒有間斷。第二子層29被布置在第一子層28上并且在柵極26下方的區(qū)域30中在夾層27的分離部分和第一子層28的分離部分之間延伸。第二子層29在柵極26下方的HEMT20的區(qū)域30中與氮化鎵溝道層22直接接觸。從柵極26的邊緣到夾層27的起點的距離d可以被選擇使得在柵極邊緣處的阻擋層26中的電場低于預定值。在一些實施例中，距離d從0.1μm到1μm的范圍內選擇。

第二子層29的鋁含量小于阻擋層23的第一子層28的鋁含量。例如，第二子層29的Al_xGa_(1-x)N的鋁含量可以是0.10≤x≤0.18，第一子層28的鋁含量可以是0.19≤x≤0.26。

阻擋層23的組成在橫向上變化。這種布置可以用來影響在阻擋層23和溝道層22之間的界面處由感應和自發(fā)極化形成的二維電子氣的密度，如在圖2中由虛線33示意性地指示。二維電子氣的密度可以在柵極26下方的區(qū)域中較低，而在與柵極26相鄰的區(qū)域中較高。

HEMT 20包括位于柵極26和阻擋層23的第二子層27之間的p型摻雜GaN層34。p型摻雜GaN層34可以被用來提供常關的增強型器件。

阻擋層23包括內部布置有柵極26和p型摻雜GaN層34的柵極凹陷35。柵極凹陷35通過省去柵極26下方的區(qū)域30中的第一子層28和夾層27形成。柵極26下方的區(qū)域30中的溝道層22的一部分也可以被去除以形成柵極凹陷35的基部。

在一些實施例中，p型摻雜GaN層34可以被省去以提供常開的耗盡型器件。在這些實施例中，柵極26可以被布置在第二子層29上或者布置在第二子層29上的柵極電介質層上。

圖3圖示了基于III族氮化物的增強型高電子遷移率晶體管40，特別是柵極41所在的HEMT 40的區(qū)域。HEMT 40的源極和漏極未在圖3圖示的HEMT 40的部分中圖示出。源極和漏極被布置為與柵極41的相對的側面在橫向上相鄰，例如在圖3圖示的視圖中，源極可以被布置為在柵極41的左側，漏極可以被布置為在柵極41的右側，如圖3中分別由“S”和“D”示意性地描繪的。

HEMT 40包括柵極凹陷41，柵極41定位于柵極凹陷42中。HEMT 40包括含有氮化鎵的溝道層43、含有氮化鋁鎵的阻擋層44和布置在溝道層43和阻擋層44之間的界面處的夾層45。夾層45布置在與柵極凹陷42相鄰的區(qū)域中并且是不連續(xù)的，使得柵極凹陷42沒有夾層45和氮化鋁層。

阻擋層44包括布置在夾層45上的第一子層46。第一子層46是不連續(xù)的并且只布置在柵極凹陷42的外部。夾層45和第一子層46限定柵極凹陷42。阻擋層44包括連續(xù)的并且從源極到漏極無間斷延伸的第二子層47。第二子層47布置在第一子層46上并且與柵極凹陷42排列成行。兩個子層46、47均包括不同鋁含量的氮化鋁鎵。與第一子層46相比，第二子層47包括更低的鋁含量。例如，第二子層47的Al_xGa_(1-x)N的鋁含量可以是0.10≤x≤0.18，并且第一子層46的鋁含量可以是0.19≤x≤1.26。

在一些實施例中，第一子層46和第二子層47的厚度可以是不同的。在一些實施例中，夾層45可以被省略并且在柵極區(qū)域和進入區(qū)域中的2DEG濃度可以單獨通過阻擋層44的厚度和/或阻擋層44的鋁含量的調整而進行調整。

柵極凹陷42延伸到溝道層43的最上方區(qū)域中，使得第二子層47和溝道層43之間的界面被定位在比與柵極凹陷42相鄰的區(qū)域中的夾層45和溝道層43之間的界面更低的平面。柵極41包括布置在柵極凹陷42中的第二子層47上的p型摻雜GaN層48。柵極還包括在p型摻雜GaN層48和阻擋層44的第二子層47之上部分地延伸的柵極氮化物層49。柵極41還包括位于p型摻雜GaN層48的部分上并且在p型摻雜GaN層48的側面之上沿源極方向延伸的柵極金屬50。柵極金屬50與p型摻雜GaN層48的一些部分直接接觸。

HEMT 40還包括在柵極41的漏極側部分上朝向漏極延伸的第一鈍化層51。第一鈍化層51具有使得柵極凹陷42包括朝向漏極延伸的傾斜面56的形狀。HEMT 40包括場板52，場板52被布置在第一鈍化層51的傾斜面上并且與在漏極一側布置在p型摻雜GaN層48上的柵極氮化物層49的一部分接觸。場板53與柵極金屬50間隔并且通過柵極氮化物層49與柵極41絕緣。場板52可以被耦合至源極電勢或柵極電勢。

在源極和柵極凹陷42之間的進入區(qū)域53中以及在柵極凹陷42和漏極之間的進入區(qū)域55中，HEMT 40具有包括柵極氮化物層49、第二子層47、阻擋層44的第一子層46、包含氮化鎵的夾層45和溝道層43的結構。在柵極區(qū)域54中在柵極41下方，晶體管具有柵極金屬50、柵極氮化物59、p型摻雜GaN 48、含有氮化鋁鎵的第二子層47和含有氮化鎵的溝道層43的結構。與在柵極區(qū)域54中相比，阻擋層46在進入區(qū)域53、55中具有更大的厚度。

可以選擇凹陷長度以最小化電場。在漏極側柵極邊緣和阻擋層46的起點之間的距離“d”以及因此凹陷長度可以被選擇以最小化在AlGaN阻擋層中的電場。由夾層45與柵極凹陷42的源極側上的溝道層43直接接觸的布置確定的、在源極側柵極邊緣和柵極凹陷42的邊緣之間的距離是處理相關的。在一些實施例中，源極側柵極邊緣和夾層45代替第二子層47與溝道層43接觸的位置之間的距離被最小化以便不降低器件的性能。

另外，阻擋層44的子層47和46中的鋁含量以及子層46和47的厚度可以與距離“d”一起調整以將阻擋層中的電場降低到預定值之下或最小化阻擋層中的電場。

圖4圖示了與在圖3中圖示的HEMT 40相似的基于III族氮化物的增強型高電子遷移率晶體管40’，并且相似的元件使用相同的附圖標記表示。HEMT 40’區(qū)別僅在于，包含布置在p型摻雜GaN層48上的Ti/TiW層57的柵極41的結構。Ti/TiW層57被柵極氮化物49覆蓋。溝道層43、阻擋層44、鈍化層51和場板52的布置與在圖3中圖示的HEMT 40的布置對應。

圖5圖示了基于III族氮化物的高電子遷移率晶體管60。HEMT 60包括源極61、柵極62和漏極63，由此柵極62在橫向上被布置在源極61和漏極63之間。HEMT 60包括含有氮化鎵的溝道層64和含有布置在溝道層64上的氮化鋁鎵的阻擋層65。在圖5中用虛線66示意性地圖示的二維電子氣通過氮化鎵溝道層64和氮化鋁鎵阻擋層65之間的界面處的感應和自發(fā)極化形成。HEMT 60還包括布置于阻擋層65上的柵極絕緣層67。柵極62布置在柵極絕緣層67上。鈍化層68布置在柵極絕緣層67和柵極62上。

在這個實施例中，柵極62包括T形狀使得一部分柵極62延伸到柵極絕緣層67中使得柵極絕緣層具有厚度減小的部分。柵極62在柵極絕緣層67的上表面67之上延伸以產生T形金屬柵極62。HEMT 60還包括場板69，場板69被耦合到源極61并且被布置在鈍化層68的上表面使得它被定位在柵極金屬62上方。

阻擋層65包括兩個部分70、71。第一部分70被布置在柵極62下方，第二部分71從第一部分70向源極61并且從第一部分70向漏極63延伸。第一部分70和第二部分71基本上共面并且具有不同的組成。特別地，布置在柵極62下方的部分70比與第一部分70相鄰布置的部分71具有較低的鋁含量。在第一部分70中的Al_xGa_(1-x)N的鋁含量可以是0.10≤x≤0.18，在部分71中的鋁含量可以是0.19≤x≤0.26。

HEMT 60包括柵極區(qū)域72和與柵極區(qū)域72相鄰布置的進入區(qū)域73。柵極區(qū)域72可以被配置使得柵極區(qū)域72中的二維電子氣的密度被影響，特別是被減小。這可以通過對阻擋層65的組成和/或阻擋層65的厚度的選擇來完成以使得其與進入部分73中的阻擋層65的組分和/或厚度不同。在這個實施例中，源極61和漏極63與溝道層64接觸并且延伸通過鈍化層68、柵極絕緣層67、阻擋層65到溝道層64。

鑒于圖6中的HEMT 60所說明，采取了這些措施以影響2DEG的密度的柵極區(qū)域的長度L₁可以結合著在柵極金屬62的漏極側邊緣與柵極區(qū)域72的漏極側邊緣之間的距離L₂以及在光源61和漏極63之間延伸的晶體管結構的總長度L_tot進行選擇。

另外，從柵極62的邊緣到具有較高2DEG密度的進入區(qū)域73的距離可以被選擇使得在柵極邊緣處的阻擋層65中的電場低于預定值。在一些實施例中，這個距離在從0.1μm到1μm的范圍內選擇。

通過提供在橫向上變化的2DEG以及通過在柵極區(qū)域72中提供與進入區(qū)域73相比具有較低密度的區(qū)域而調整2DEG的密度，在關斷狀態(tài)的情況下中，電子反型層被認為應當被更快耗盡。因此，耗盡區(qū)域的延伸應當更大并且電場應當更低。在進入區(qū)域73中的2DEG的較高密度被認為減小R_DSON。L1、L2、L_tot和最大電場可以通過在橫向上定制2DEG的密度并且通過提供可以與柵極電勢或諸如源極電勢的不同的電勢耦合的場板而被優(yōu)化。

HEMT 60可以是常開的耗盡型器件或者常關的增強型器件。

圖7圖示了基于III族氮化物的高電子遷移率晶體管80，在該示例中其是耗盡型器件。HEMT 80包括含有GaN的溝道層81、含有布置在溝道層81上的氮化鋁鎵(Al_xGa_(1-x)N，其中0<x<1)的阻擋層82、布置在阻擋層82上的柵極絕緣層83、布置在柵極絕緣層83上的柵極84和布置在柵極84和柵極隔離層83上的鈍化層85。HEMT 80包括在橫向上與柵極84相鄰布置的源極86和在橫向上與柵極84的相對側相鄰布置的漏極87使得柵極84布置在源極86和漏極87之間。

阻擋層82從源極86到漏極87是連續(xù)的。布置在柵極84下方的柵極區(qū)域88由阻擋層82的較小的厚度t₁限定。阻擋層82在進入區(qū)域89中具有較大的厚度t₂，進入區(qū)域89從柵極區(qū)域88的源極側邊緣向源極86并且從柵極區(qū)域88的漏極側邊緣向漏極87延伸。在圖7圖示的實施例中，源極86和漏極87延伸通過鈍化層85，柵極隔離83和阻擋層82與溝道層81直接接觸。阻擋層82的組成整個基本相同。

阻擋層82的厚度的絕對值以及在柵極區(qū)域88中的阻擋層82的厚度相對于在進入區(qū)域89中的阻擋層82的厚度的相對減小量可以用來產生由虛線90示意性指示的2DEG的密度，其在橫向上變化。例如，較低密度的2DEG可以形成在柵極區(qū)域88中的溝道層81與阻擋層82之間的界面處，并且較高密度的2DEG可以形成在進入區(qū)域89中。

從柵極邊緣到夾層的起點的距離可以被選擇使得在柵極邊緣處的AlGaN阻擋層中的電場低于預定值。在一些實施例中，這個距離在從0.1μm到1μm的范圍內選擇。

柵極絕緣層83也可以在柵極金屬84正下方的區(qū)域中具有減小的厚度使得柵極金屬84具有大致T形。柵極隔離83可以保形地覆蓋阻擋層82。

HEMT 80還包括布置在鈍化層85上的場板91。場板91與源極電勢電耦合，并且可以與源極86耦合并且從源極86在漏極87的方向上延伸，使得它被定位在柵極84上方。場板91的橫向延伸可以使得它超越柵極84的橫向延伸而延伸。場板91的漏極側延伸可以被選擇使得它被定位于柵極區(qū)域88中。

圖8圖示了高電子遷移率晶體管(HEMT)100，在這個實施例中，高電子遷移率晶體管(HEMT)100是基于III族氮化物的耗盡型高電子遷移率晶體管。HEMT 100包括源極101、與源極101在橫向上間隔開的漏極102和在橫向上布置在源極101與漏極102之間并且與它們間隔開的柵極103。HEMT 100包括含有布置在未圖示的襯底(諸如，硅或藍寶石)上的氮化鎵的溝道層104。一個或多個另外的緩沖層或過渡層可以被布置在襯底和溝道層104之間。阻擋層105布置在溝道層104上。

在這個實施例中，阻擋層105在柵極區(qū)域106中具有與進入區(qū)域107中的結構不同的結構。阻擋層105包括布置在溝道層104上并且從源極101到漏極102連續(xù)無間斷延伸的第一子層108。阻擋層105還包括在進入區(qū)域107中布置在第一子層108上的夾層109和在進入區(qū)域107中布置在夾層109上的第二子層110。夾層109和第二子層110是不連續(xù)的使得它們可以限定布置有柵極103的柵極凹陷111的側面并且限定在進入區(qū)域107之間延伸的柵極區(qū)域106。

第一子層108包括含有組成Al_yGa_(1-y)N的氮化鋁鎵。夾層109包括氮化鋁，第二子層110包括具有組成Al_zGa_(1-z)N的氮化鋁鎵。與第一子層108相比，第二子層110具有更高的鋁含量，也就是說，z>y。例如，第一子層108的鋁含量y可以在0.10≤y≤0.18的范圍內，第二子層100的鋁含量z可以在0.19≤z≤0.26的范圍內。

與在進入區(qū)域107中的阻擋層105的部分相比，柵極區(qū)域106中的阻擋層105的部分含有較低的鋁含量和較小的厚度。這種形式的阻擋層105可以用來影響圖8中用編號112標記的、由在溝道層104和第一子層108之間的界面處的感應和自發(fā)極化形成的二維電子氣的密度，使得二維電子氣112的密度在橫向上變化，特別是在柵極區(qū)域106中較低并且在進入區(qū)域107中較高。

HEMT 100還包括布置在第二子層110的上表面、第二子層110的側面和夾層109的側面上并且布置在柵極進入區(qū)域106中的第一子層108的上表面上的柵極絕緣層113。柵極絕緣層113與柵極凹陷111排列成行。

HEMT 100還包括布置在進入區(qū)域107和柵極區(qū)域106二者中的柵極絕緣層113上的第一鈍化層114。鈍化層114包括貫穿其厚度的過孔115，柵極103的一部分被布置在過孔115中。柵極103因此與柵極隔離層113直接接觸。柵極金屬103具有大致T形使得它也被布置在過孔115外圍的鈍化層114的上表面的區(qū)域上。

HEMT 100包括布置在鈍化層114上并且可以填充柵極凹陷111的另外的電介質層116。源極101和漏極102均延伸通過絕緣層116、鈍化層114、柵極電介質層113、第二子層110、夾層109和阻擋層105的第一子層108使得均與溝道層104直接接觸。

HEMT 100還可以包括與源極101電耦合的場板117。場板117可以從源極101在電介質層116的上表面118之上延伸使得它被定位在柵極103上方，覆蓋柵極103但是不延伸到柵極凹陷111的漏極側的側面那么遠。

與進入區(qū)域107相比，HEMT 100在柵極區(qū)域106中具有不同的結構。在柵極區(qū)域106中，晶體管僅包括阻擋層105的第一子層108和溝道層104。在進入區(qū)域中，HEMT 100包括第二子層110、夾層109、阻擋層105的第一子層108和溝道層104。

從柵極邊緣到夾層的起點的距離可以被選擇使得在柵極邊緣處的AlGaN阻擋層中的電場低于預定值。在一些實施例中，這個距離在0.1μm到1μm的范圍內選擇。

諸如“在…下”，“在…下方”，“下”，“在…之上”，“上”等空間相對術語被使用以簡化用來解釋一個元件相對于另一個元件的定位的描述。這些術語目的在于包括除在附圖中描述的方向之外的器件的不同方向。

另外，諸如“第一”、“第二”等術語也被用來描述各種元件、區(qū)域、部分等等，并且目的也不在于限制。貫穿本說明書，相似的術語指代相似元件。

如在這里使用的，術語“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是表明所陳述的元件或特征的存在但是不排除其他元件或特征存在的開放式術語。除非上下文明確相反指出，否則冠詞“一”、“一個”和“該”目的在于包括單數和多數。

應當理解，除非另外具體指出，否則這里描述的各種實施例的特征可以彼此組合。

盡管在這里圖示和描述了特定實施例，但是本領域技術人員將理解各種備選和/或等價的實現可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下替代所示出和描述的特定實施例。本申請目的在于涵蓋這里討論的特定實施例的任何修改或變型。因此，本發(fā)明意在僅受權利要求及其等價方案限制。