具有凹陷电极结构的半导体器件

摘要

本发明描述了一种导电区凹陷到半导体区中的电极结构。半导体区中可以形成有沟槽使得导电区能够形成在沟槽中。电极结构可以用在例如场效应晶体管或二极管等的半导体器件中。描述了包括有能够减小漏电流并且在另外方面提高性能的这样的电极结构的氮化物基功率半导体器件。

权利要求

1.一种二极管，包括：

半导体区，所述半导体区具有形成在其中的复数个沟槽，其中所述半导体区包括III-N半导体材料；

形成所述二极管的阳极的导电电极，所述导电电极包括形成在所述半导体区的所述复数个沟槽中的导电区；以及阴极，

其中所述半导体区为第一半导体区，所述III-N半导体材料为第一III-N半导体材料，以及所述二极管还包括第二半导体区，所述第二半导体区包含与所述第一半导体材料不同的第二III-N半导体材料，其中所述第一半导体区在所述第二半导体区和所述导电电极之间。

2.根据权利要求1所述的二极管，其中所述III-N半导体材料包括GaN。

3.根据权利要求1所述的二极管，其中所述第一半导体区和/或所述第二半导体区包括多个半导体层。

4.根据权利要求1所述的二极管，其中所述导电电极包括金属或金属合金。

5.根据权利要求1所述的二极管，其中所述二极管还包括所述半导体区与所述导电电极之间的绝缘区，所述绝缘区延伸至少部分地跨越所述半导体区与所述导电电极之间的界面。

6.根据权利要求5所述的二极管，其中所述半导体区的第一部分与所述导电电极肖特基接触并且所述半导体区的第二部分通过所述绝缘区与所述导电电极隔离。

说明书

具有凹陷电极结构的半导体器件

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2011年10月11日提交的题为“TRI-GATE NORMALLY-OFF GaN MISFET”的美国临时申请61/545925的优先权。

[0003] 背景

技术领域

[0004] 本文中所述的技术和装置涉及具有导电区凹陷到半导体区中的电极结构的半导体结构，并且具体地涉及使用一个或更多个这样的电极结构的半导体器件例如氮化物基半导体器件。

[0005] 相关技术讨论

[0006] 先进的运输系统、更可靠的能量输送网络以及高效发电和电力转换的新方法需要改进的功率晶体管。这样的系统依靠非常有效的转换器来对电压进行升压或降压，并且使用能够阻断大电压的功率晶体管。例如，在混合动力汽车中，阻断电压大于500V的功率晶体管用于将来自电池的DC功率转换为用于运行电机的AC功率。

[0007] 用在这样的应用中的常规功率器件(例如，晶体管或二极管)由硅制成。然而，硅的有限的临界电场及其相对高的电阻使得市售的装置、电路和系统非常大型且笨重，并且在低频下运行。因此这样的商用装置不适合于未来的混合动力汽车和其他应用。

[0008] 已经提出氮化物半导体器件作为提供制造需要高阻断电压和低导通电阻的高效率功率电子器件的可能。

发明内容

[0009] 一些实施方案涉及包括源极区和漏极区的场效应晶体管。场效应晶体管还包括源极区与漏极区之间的半导体区。半导体区具有沿着源极区与漏极区之间延伸的方向延伸的沟槽。场效应晶体管还包括具有形成在沟槽中的导电区的导电电极。导电电极延伸不超过源极区与漏极区之间的距离的一部分。场效应晶体管还具有半导体区与导电电极之间的绝缘区。绝缘区延伸至少部分地跨越半导体区与导电电极之间的界面。

[0010] 一些实施方案涉及包括具有沟槽形成在其中的半导体区的二极管。二极管包括形成二极管的阳极的导电电极。导电电极包括形成在半导体区的沟槽中的导电区。

[0011] 一些实施方案涉及包括含有III-N半导体材料的半导体区的半导体结构。半导体区具有形成在其中的沟槽。半导体结构还包括导电电极。导电电极包括形成在半导体区的沟槽中的导电区。半导体结构还具有半导体区与导电电极之间的绝缘区。绝缘区延伸至少部分地跨越半导体区与导电电极之间的界面。

[0012] 一些实施方案涉及形成半导体结构的方法。该方法包括在半导体区中形成沟槽，半导体区包含III-N半导体材料。该方法还包括在半导体区的至少一部分之上形成绝缘区。该方法还包括在半导体区的沟槽中形成导电电极区。绝缘区延伸至少部分地跨越半导体区与导电电极之间的界面。

[0013] 上述发明内容通过示例的方式提供并且无意于进行限制。

[0014] 附图简述

[0015] 在附图中，示出在各个图中的每个相同或几乎相同的部件通过相同的附图标记表示。为清楚起见，可能没有对每一个附图中每个部件进行标记。附图不一定依照比例绘制，而是将重点放在示出本文中所述的技术和装置的各个方面上。

[0016] 图1a示出根据一些实施方案的电极结构的顶视图。

[0017] 图1b示出沿着图1a中的线A-A的电极结构的横截面，其中根据一些实施方案的电极结构的下部形成在半导体区中的沟槽中。

[0018] 图1c示出沿着图1a中的线A-A的电极结构的横截面，其中在半导体区与电极结构的至少一部分之间存在有绝缘材料。

[0019] 图1d示出电极结构的顶视图，其中半导体中的沟槽延伸超出芯片的由电极的上部覆盖的区域。

[0020] 图1e示出电极结构的顶视图，其中半导体中的沟槽在电极的第一侧上延伸超出芯片的由电极的上部覆盖的区域的。

[0021] 图2a示出根据一些实施方案的场效应晶体管的顶视图。

[0022] 图2b示出沿着图2a的线B-B的场效应晶体管的横截面。

[0023] 图2c更详细地示出图2b的与沟道区对应的部分。

[0024] 图2d示出图2b中所示的横截面的透视图。

[0025] 图2e示出在半导体区与电极之间没有绝缘材料的场效应晶体管的横截面。

[0026] 图2f更详细地示出图2b的与沟道区对应的部分。

[0027] 图2g示出在向上延伸的半导体区的三侧上具有沟道的场效应晶体管。

[0028] 图2h示出根据一些实施方案的具有常断型栅极区的场效应晶体管。

[0029] 图2 i示出根据一些实施方案的具有栅极和场板的场效应晶体管。

[0030] 图3a示出根据一些实施方案的半导体区中的沟槽的形成。

[0031] 图3b示出至少部分在半导体区的沟槽内的电极结构的形成。

[0032] 图4a至图4d示出具有如本文中所述的电极结构的场效应晶体管的实施方案的扫描电子显微镜图像和原子力显微镜图像。

[0033] 图5a至图5b示出场效应晶体管的实施方案的另外的扫描电子显微镜图像。

[0034] 图6a和图6b示出原型常断型GaN晶体管的DC特性。

[0035] 图7示出作为VDS的函数的漏电流的曲线。

[0036] 图8示出作为VGS的函数的电流的曲线。

[0037] 图9示出对各种晶体管技术进行对比的曲线。

[0038] 图10a和图10b示出根据一些实施方案的二极管结构的顶视图。

[0039] 图11示出根据一些实施方案的具有凹陷阳极的原型AlGaN/GaN肖特基二极管的电流-电压特性。

[0040] 具体说明

[0041] 如上所述，已经提出氮化物半导体器件作为提供制造具有高阻断电压和低导通电阻的高效率功率电子器件的可能。然而，常规氮化物基半导体器件存在几个技术问题。一个问题为常规氮化物基半导体器件在关断状态下经受过量的漏电流。例如，在氮化物基场效应晶体管中，源极端子与漏极端子之间的关断状态漏电流在高的漏极偏压下可以在沟道区下方流动。文献中报道了常规GaN(氮化镓)基晶体管的击穿电压在1mA/mm的漏电流水平处。如此高的漏电流的值不适于典型地具有大于100mm的宽度的大尺寸功率晶体管。

[0042] 另一挑战为制造高性能的常断型氮化物基晶体管。制造常断型氮化物基晶体管的常规方法包括：1)栅极凹陷技术；2)等离子体处理；3)形成GaN MISFET以及4)形成栅极注入GaN晶体管。这些常规技术要么降低了沟道迁移率要么具有有限的栅极过驱动能力，导致高沟道电阻和低漏极电流密度。

[0043] 本文中描述了能够减小漏电流(例如，减小到1μA/mm或更小)并且能够实现高性能的常断型氮化物基晶体管的氮化物半导体器件和相关技术。在本文中描述了可以用于提高半导体器件(例如晶体管和二极管)的性能的电极结构。这样的电极结构包括凹陷在半导体区中的导电材料的区域。例如，电极结构可以包括形成在半导体区中的沟槽中的导电材料的区域。如以下所述，使用如本文中所述的电极结构形成的氮化物半导体器件能够实现减小的关断状态漏电流。描述了由于减小的导通电阻和增加的电流密度而具有提高的性能的常断型氮化物基晶体管。描述了可以用在晶体管、二极管或任何其他合适的半导体器件中的示例性电极结构。

[0044] 图1a示出根据一些实施方案可以在半导体芯片中形成的电极结构1a的顶视图。图1a示出示例性半导体芯片的包括电极结构1a的区域的顶视图。如图1a所示，电极结构1a包括上电极区2和从上电极区2向下延伸的下电极区3。如图1a所示，下电极区3可以包括彼此平行延伸的导电板或其他区域。下电极区3可以具有图案化的结构。如图1a的实施例所示，下电极区3可以具有周期为p的周期性结构。如图1a所示，下电极区3可以具有长度l3和宽度w3。上电极区2可以具有长度l2和宽度w2。

[0045] 图1b示出沿着图1a的线A-A的图1a的电极结构的横截面。如图1b所示，上电极区2可以形成在半导体区4之上。因为下电极区3从上电极区2向下延伸到半导体区4中，所以下电极区3凹陷在半导体区4内。在图1b中所示的实施例中，下电极区3形成在半导体区4中的沟槽中。下电极区3可以填充沟槽的全部或一部分。沟槽具有高度h。半导体区4的沟槽之间的部分在本文中称作半导体区4的向上延伸部分。

[0046] 图1c示出在半导体区4与电极结构1a之间存在有绝缘材料5的电极结构的另一实施方案的横截面。在这样的实施方案中，绝缘材料5可以存在于沿着半导体区4与电极结构1a之间的整个界面或半导体区4与电极结构之间的部分界面。

[0047] 图1d示出其中沟槽7在上电极区2的第一侧和第二侧两者上均延伸超出芯片的由上电极区2覆盖的区域的电极结构1d的实施方案的另一变型的顶视图。下电极区3可以延伸到沟槽7中。下电极区3可以填充沟槽7的全部或一部分。例如，如果下电极区3填充沟槽7的一部分，则下电极区可以填充沟槽7的位于上电极区2下方的部分。例如，电极结构1d可以具有如图1b或图1c所示的横截面。

[0048] 图1e示出其中沟槽7在上电极区2的一侧上延伸超出芯片的由上电极区2覆盖的区域的电极结构1e的实施方案的另一变型的顶视图。下电极区3可以延伸到沟槽7中。下电极区3可以填充沟槽7的全部或一部分。例如，如果下电极区3填充沟槽7的一部分，则下电极区可以填充沟槽7的位于上电极区2下方的部分。例如，电极结构1e可以具有如图1b或图1c所示的横截面。

[0049] 可以使用任意合适的电极结构。在一些实施方案中，可以使用具有如图1a、图1d或图1e所示的顶视图的电极结构1。电极结构可以具有任意合适的横截面，例如图1b和图1c中所示的那些。在本文中对“电极结构1”的引用用于指代如图1a、图1d和图1e中任一所示的具有任意合适的横截面的电极结构(例如图1b和图1c所示的那些)。

[0050] 可使用各种合适的材料用于电极结构1、半导体区4以及绝缘材料5。在一些实施方案中，半导体区4包括一层或更多层III-V半导体材料，例如包含第III族元素和氮的III-N半导体材料。通过示例的方式，合适的III-N族材料的实例包括GaN(氮化镓)、Alx1Ga1-x1N(具有任意合适铝含量x1的铝镓氮化物)以及Alx2Iny2Gaz2N(分别具有任意合适的铝含量x2、铟含量y2和镓含量z2的铝铟镓氮化物，其中x2+y2+z2＝1并且x2、y2和z2中的每一个均大于或等于0且小于或等于1)。然而，可以使用任意合适类型的半导体材料。在一些实施方案中，半导体区4可以包括第IV族半导体(例如Si(硅)和/或Ge(锗)和/或SiC(碳化硅)和/或金刚石)。然而，可以使用任意合适类型的半导体材料，不限于III-V或IV族半导体。例如，电极结构1可以由金属、金属合金、或任意其他合适的导电材料(例如掺杂的半导体材料)形成。上电极区2和下电极区3可以由相同材料或不同材料形成。在一些实施方案中，可以使用宽带隙材料(例如，氮化铝)。如果存在有绝缘材料5，则可以使用任意合适类型的绝缘材料用于绝缘材料5，如氧化物(例如，氧化硅)、氮化物(例如，氮化硅)等。

[0051] 例如，电极结构(如图1a至图1e中所示的电极结构)可以被包括在半导体器件(如晶体管和二极管)中。在一些实施方案中，场效应晶体管(FET)可以包括如本文中所述的电极结构以用于一个或更多个以下电极：栅电极、源电极或漏电极。在一些实施方案中，场效应晶体管可以形成为包括如本文中所述的电极结构作为体二极管的阳极或场板。在本文中描述了包括至少一个这样的电极结构的晶体管的实施方案。

[0052] 使用具有凹陷在半导体区内的电极区的电极结构能够使场效应晶体管的漏电流减小。在常规氮化物基晶体管中，当晶体管在关断状态下并且对加在漏极处的电压进行阻断的情况下，由于沟道势垒高度的降低，漏电流能够在晶体管的沟道区下面在源极区与漏极区之间流动。该现象称作DIBL(漏致势垒降低，Drain Induced Barrier Lowering)。对于具有较小栅极长度的晶体管而言，DIBL的影响可能特别大。本发明人已经意识到常规栅电极对减小在晶体管的沟道区下方流动的漏电流是无效的。本文中所述的电极结构能够通过使用例如在沟道区的侧面上向下延伸到半导体区中的电极区来减小在沟道区下面流动的漏电流。例如，在这样的电极用作晶体管的栅极或用作场板的情况下，电极的一部分更靠近漏电流易于在其中流动的沟道下面的区域，使得能够增加在该区域中的势垒并且减小漏电流。

[0053] 图2a示出根据一些实施方案的形成在半导体区4中的场效应晶体管10的实施例。在一些实施方案中，场效应晶体管10可以为HEMT(高电子迁移率晶体管)、MIS-HEMT(金属-绝缘体-半导体-HEMT)、MISFET(金属-绝缘体-半导体场效应晶体管)、JFET(结型场效应晶体管)或MESFET(金属-半导体场效应晶体管)。场效应晶体管10包括源极区11和漏极区12。
在源极区11与漏极区12之间形成有电极结构1。尽管电极结构1示出为具有如图1a所示的构造，电极结构1可以以不同构造(例如图1d和图1e中所示的那些)形成。如图2a所示，电极结构1延伸源极区11与漏极区12之间的距离d的仅一部分。半导体区4可以包括栅极与源极11和/或漏极12之间的漂移区和/或扩散区。在一些实施方案中，电极结构1可以形成场效应晶体管10的栅极。如以下关于图1所讨论的，在半导体区4中可以形成沟槽，并且在沟槽中可以形成电极结构1的下电极区3，使得电极结构1的下电极区3延伸到半导体区4中。如图2a所示，其中形成有下电极区3的沟槽沿着在源极区与漏极区之间延伸的方向延伸。沟槽延伸的方向可以平行于电流在场效应晶体管10的沟道区中流动的方向。

[0054] 图2b示出根据一些实施方案的沿着图2a中所示的线B-B的场效应晶体管10的横截面。图2b示出可以形成在半导体区4上的第二半导体区6。如图2b所示，第二半导体区6可以形成在半导体区4的每个向上延伸部分与电极结构1的上电极区2之间。第一半导体区4和第二半导体区6可以由不同材料形成以形成异质结构，该异质结构在半导体区4和半导体区6之间的界面处建立用于利用二维电子气(2DEG)建立导电的沟道。第二半导体区6可以称作“势垒区”。第二半导体区6可以包括带隙比第一半导体区4的带隙更大的半导体材料。在一些实施方案中，第二半导体区6可以包括数个半导体层以引入与半导体区4不连续的导带(和/或价带)。

[0055] 图2c更详细地示出图2b的一部分，该部分示出了在第一半导体区4与第二半导体区6之间建立沟道使得电流可以在源极区11与漏极区12之间流动的区域。如图2b所示，可以形成多个这样的区以在源极区与漏极区之间建立对应的多个沟道。在一些实施方案中，可将半导体区4中的沟道图案化并且形成为彼此平行。在各个沟槽之间存在有半导体区4的向上延伸的区域，在该向上延伸的区域中可以形成沟道。可以形成任意合适数量的这样的沟道区。

[0056] 在一些实施方案中，如上所述，第一半导体区4和第二半导体区6可以由III-N半导体材料形成。例如，第一半导体区4可以由GaN(氮化镓)形成并且第二半导体区6可以由AlGaN(铝镓氮化物)形成。在一些实施方案中，第一半导体区4可以包含第一组成(Alx1Iny1Gaz1N)的AlInGaN并且第二半导体区6可以包含第二组成(Alx2Iny2Gaz2N)的AlInGaN。然而，可以使用任意合适的氮化物半导体材料或非氮化物半导体材料。在一些实施方案中，半导体区4和/或半导体区6可以包括多层半导体。例如，在一些实施方案中第一半导体区4可以包括GaN/InGaN/GaN结构并且第二半导体区6可以包括AlN/AlGaN结构。

[0057] 图2d示出图2b中所示的横截面的透视图。图2d示出电极结构1的下部区域3形成在半导体区4中的沟槽7中。尽管在电极结构1与半导体区4和/或半导体区6之间可以存在有绝缘材料5，但是为了简明在图2d中未示出绝缘材料5。这样的绝缘材料5对于减小栅极漏电流可能是期望的。然而，因为一些实施方案未包括半导体区4和/或半导体区6与电极结构1之间的绝缘材料5，所以绝缘材料5是可选的。图2e示出未包括绝缘材料5的实施方案。图2f进一步详细地示出图2e的与沟道区对应的部分。在一些实施方案中，绝缘材料可以沿着半导体区4和/或半导体区6与电极1之间的界面的仅一部分形成。

[0058] 在一些实施方案中，场效应晶体管可以形成为其中沿着图2a的线B-B的横截面是如图1b或图1c所示的横截面。就是说，场效应晶体管可以形成为不具有第二半导体区6。这样的晶体管可以为例如具有第一导电类型(即P型或N型)的源极区和漏极区以及低导电率或者相反导电类型(即N型或P型)的中间区的PMOS晶体管或NMOS晶体管，在所述中间区中可以形成沟道。可以通过改变栅极电压以产生(或限定)中间区的导电性被反转的沟道区来控制这样的晶体管。当使用如图1b或图1c所示的电极时，沟道区可以完全沿着电极结构1与半导体区4之间的界面形成。如图1b和图1c所示，半导体区4的向上延伸部分朝电极结构1的下部区域3之间的电极结构1的上部2延伸。图2g示出在半导体区4的每个向上延伸的区域4a中可以形成三个沟道8：顶部沟道和两个沿着向上延伸的区域4a的侧壁延伸的沟道。

[0059] 例如，场效应晶体管10可以为例如常通型(耗尽型)晶体管或常断型(增强型)晶体管。在常断型场效应晶体管中，0V的栅极-源极电压使晶体管保持在关断状态，并且晶体管可以维持在源极端子和漏极端子两端的阻断电压。为了使常断型晶体管导通，可以施加超过晶体管的阈值电压的正的栅极-源极电压。在常通型场效应晶体管中，晶体管在出现0V的栅极-源极电压时导通，使得晶体管通过沟道区传导电流。为了关断常通型晶体管，可以施加低于晶体管的阈值电压的负的栅极-源极电压。

[0060] 在一些实施方案中，如图2h所示意性示出的，可以制造包括如本文中所述的电极结构和常断型栅极区21的高性能常断型氮化物晶体管。常断型栅极区21可以形成为跨越沟槽和半导体区6。在常断型栅极区21上可以形成有导电电极结构1。常断型栅极区21可以通过任意合适的方法(例如去除(凹陷)半导体区6的一部分和/或通过改性半导体区6的上表面)形成。通过示例的方式，用于形成常断型栅极区21的合适技术包括：1)如W.B.Lanford,T.Tanaka,Y.Otoki,和I.Adesida,“Recessed-gate enhancement-mode GaN HEMT with high threshold voltage,”Electronics Letters,第41卷,449页,2005年，以及W.Saito,Y.Takada,M.Kuraguchi,K.Tsuda,和I.Omura“, Recessed-gate structure approach toward normally off high-Voltage AlGaN/GaN HEMT for power electronics applications,”IEEE Transactions on Electron Devices,第53卷,第356-362页,2006年
2月中所述的栅极凹陷技术；2)如Bin Lu,O.I.Saadat,E.L.Piner,和T.Palacios,
“Enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs with high linearity fabricated by hydrogen plasma treatment,”Device Research Conference,2009.DRC2009,2009,第59-60页，以及Yong Cai,Yugang Zhou,K.J.Chen,和K.M.Lau,“High-performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasma treatment,”IEEE Electron Device Letters,第26卷,第435-437页,2005年7月中所述的等离子体处理；3)如W.Huang,T.Chow,Y.Niiyama,T.Nomura,和S.Yoshida,“730V,34mΩ-cm2lateral epilayer RESURF GaN MOSFET,”Power Semiconductor Devices&IC’s,2009.ISPSD2009.21st International Symposium on,第29–32页，以及Ki-Sik Im等人“, Normally Off GaN MOSFET Based on AlGaN/GaN Heterostructure With Extremely High2DEG Density Grown on Silicon Substrate,”IEEE Electron Device Letters,第31卷,第192-194页,2010年3月中所述的GaN MISFET；4)如Y.Uemoto等人,“Gate Injection Transistor(GIT)-A Normally-Off AlGaN/GaN Power Transistor Using Conductivity Modulation,”IEEE Transactions on Electron Devices,第54卷,第3393-3399页,2007年中所述的栅极注入技术；5)极化工程(通过示例的方式)，或者任意其他合适的方法。在一些实施方案中，常断型栅极区可以具有亚微米级的栅极长度以减小器件的导通电阻。电极结构1可以减小常断型栅极区21的缓冲泄露和短沟道效应。在半导体区4和半导体区6由压电材料形成的情况下，栅电极1也可以通过在半导体区4和半导体区6中引发侧壁沟道和/或引起机械变形来增加电流密度并减小导通电阻。

[0061] 在一些实施方案中，如本文中所述的电极结构可以用作晶体管的源极区和/或晶体管的漏极区的接触。例如，在如本文中所述的电极结构用作源极区的接触(例如，欧姆接触)的情况下，图2a中所示的源极区11可以具有形成在其中的沟槽并且如本文中所述的电极结构可以用于与源极区11接触。当如本文中所述的电极结构用作晶体管的漏极区的接触时，漏极区12可以具有形成在其中的沟槽并且如本文中所述的电极结构可以用于与漏极区12接触(例如，欧姆接触)。在一些实施方案中，这样的电极可以用于源极区和漏极区两者。
使用这样的电极结构(例如，如关于电极结构1所讨论的结构)作为用于漏极区和/或源极区的接触可以通过增加源极区和/或漏极区处的欧姆接触的表面积使得晶体管的导通电阻减小。在压电半导体中该布置也可以由于半导体的机械变形而在接触区中引入另外的载流子。

[0062] 在一些实施方案中，电极结构1可以用作晶体管的场板。场板可以具有与栅电极分离的电极结构(例如，如关于电极结构1所描述的那样)。当这样的电极结构用作场板时，其塑造了晶体管的半导体区中的电场分布。可以将场板维持在固定电压处，设置为可变电压，或者使得场板具有浮动电压。在一些实施方案中，可以将充当场板的电极结构1电连接到栅极或源极使得场板与栅电极或源电极处在相同电压下。

[0063] 图2i示出具有源极区11、漏电极12和两个电极结构22、23的场效应晶体管。结构22、23的两者或之一可以具有如以上关于电极结构1所描述的结构。电极结构22可以形成晶体管的栅极并且电极结构23可以形成用于晶体管的肖特基体二极管的场板或阳极。可替代地，在一些实施方案中电极结构22可以形成肖特基体二极管的场板或阳极并且电极结构23可以形成晶体管的栅极。当场效应晶体管具有体二极管时，体二极管的阳极位于栅极区与漏极区之间并且阳极电连接到源极区。肖特基体二极管的阳极与下面的半导体材料形成肖特基接触。如果在半导体与电极结构之间存在有绝缘材料5，则可以在绝缘材料5中形成开口以使得在阳极电极与下面的半导体材料之间能够形成肖特基接触。

[0064] 此外，如以上所讨论的，如本文中所讨论的电极结构可以用作晶体管的源极区和/或晶体管的漏极区的接触。因而图2i中所示的晶体管可以具有1至4之间(包括1和4)的任意数目的电极结构1。

[0065] 在一些实施方案中可以使用更大数目的电极结构1。例如，具有电极结构1的结构可以包括另外的场板和/或栅极。当使用多于一个的电极结构1时，每个电极可以具有相同的结构或不同的结构。例如，不同电极可以具有相同的结构(例如，电极结构1a、1d或1e)或者每个电极可以具有选自电极结构1a、1d和1e的不同的结构。电极可以具有相同的横截面或不同的横截面(例如，如图1b和图1c所示)。

[0066] 在一些实施方案中，场效应晶体管10可以为配置为经受高阻断电压的功率晶体管。例如，场效应晶体管10可以配置为阻断从0V至最大阻断电压的电压。最大阻断电压可以为100V或更大、500V或更大、或者1000V或更大。在一些实施方案中，场效应晶体管10可以具有大于或等于60nm的栅极长度。在电极结构1用作栅电极的情况下，可以认为栅极长度是长度l2和l3两者间的较大者。

[0067] 图3a和图3b示出根据一些实施方案的形成电极结构1的方法。如图3a所示，在半导体区4中形成沟槽7。形成沟槽7的步骤可以包括图案化和蚀刻的子步骤。例如，图案化子步骤可以使用任意合适的技术来进行，如常规光刻(例如，使用步进光刻机(stepper))、干涉光刻、电子束光刻、或纳米压印光刻。然而，可以使用任意合适的图案化技术。例如，蚀刻子步骤可以使用掩模进行，如光致抗蚀剂掩模或电介质掩模。蚀刻可以以任意合适的方式进行，如使用干法蚀刻例如反应离子蚀刻。然而，可以使用任意合适的蚀刻技术。在一个示例性实施方案中，图案化可以使用干涉光刻来进行并且蚀刻可以通过使用SiO2作为蚀刻掩模使用Cl2基干法蚀刻来进行。如上所述，在形成沟槽之后，可以进行可选的处理以形成常断型栅极区。可选地，在半导体区4之上可以形成绝缘体材料5(未示出)。然后形成电极结构1。如图3a所示，电极结构1至少部分填充半导体区4的沟槽7并且电极的上部区域可以形成在半导体区4上方。可以使用任意合适的沉积技术来形成电极结构1。

[0068] 已经制造了常断型GaN晶体管的原型器件的实施例。使用金属有机化学气相沉积在生长在Si衬底上的Al0.26Ga0.74N/GaN结构上制造原型器件。器件制造包括台面隔离、蚀刻以及形成Ti/Al/Ni/Au欧姆接触。使用干涉光刻图案化以及随后的使用SiO2作为干法蚀刻掩模的Cl2基反应离子蚀刻来使沟槽结构形成到AlGaN/GaN中。在该实施例中，如图4所示，形成在GaN中的沟槽具有周期p为300nm并且沟槽高度h为250nm的周期性结构。通过使栅极长度为120nm的跨越沟槽结构的AlGaN势垒凹陷来形成常断型栅极区。在250℃下通过原子层沉积(ALD)沉积9nmSiO2/7nm Al2O3的栅极电介质堆叠结构以形成绝缘区5。最终，如图4所示沉积覆盖整个沟槽结构和常断型栅极区的Lg＝2μm的Ni/Au栅电极。在图5a和图5b中示出了器件的另外的SEM(扫描电子显微镜)图像。

[0069] 作为参考，在相同样品上制造标准平面型MIS栅极AlGaN/GaNHEMT作为常断型GaN晶体管。两种器件均具有相同的尺寸：Lgs＝1.5μm、Lg＝2μm、Lgd＝10μm并且W＝100μm。因此，参考器件具有相同的栅极电介质堆叠结构并且以相同的工艺条件形成。

[0070] 原型沟槽结构常断型GaN晶体管的DC特性示出在图6a和图6b中，其中两个器件均通过100μm的相同的欧姆接触宽度标准化。图6a示出Vds＝1V、3V和5V时的传输特性。图6b示出在最大Vgs＝7V的情况下的Id-Vds特性。与常规平面型栅极GaN晶体管相比，原型常断型晶体管具有提高的亚阈值斜率和更低的关断状态漏电流。沟槽结构常断型GaN晶体管的导通电阻比相同尺寸的标准平面型栅极晶体管高1.2-1.8Ω·mm。

[0071] 原型沟槽结构常断型GaN晶体管的击穿电压示出在图7中。图7示出在Vgs＝0V的情况下晶体管的三个端子的击穿电压测量结果。在漏电流为0.6μA/mm且Vgs＝0V时击穿电压高达565V。原型器件具有大于8个数量级的电流导通/断开比以及86±9mV/十个(mV/decade)的亚阈值摆幅。阈值电压在最大漏极电流为530mA/mm的情况下为0.8±0.06V。

[0072] 如图8所示，在漏极漏电流为0.6μA/mm且Vgs＝0V时测出高达565V的击穿电压。数个三栅极常断GaN MISFET的根据源极与漏极之间的有源面积和距每个接触2μm的传输长度而计算的比导通电阻绘制在图9中。与以前的结果相比，新器件呈现了低漏常断型GaN晶体管的新里程碑。

[0073] 图10a示出包括至少一个如本文中所述的电极结构的二极管100的实施例。如图10a所示，二极管包括形成二极管的阳极的电极结构1。二极管的阳极可以具有如图2b至图
2f所示的横截面，并且可以包括或可以不包括绝缘材料5。绝缘材料可以部分开口使得半导体区的一部分与电极结构1肖特基接触并且使得半导体区的另外部分通过绝缘材料与电极结构1隔离。如图10a所示，可以将区域102a内绝缘材料去除或以另外方式消除，使得在区域
102a内电极结构1可以与下面的半导体材料接触。在区域102a之外的电极结构1的区域中，电极结构1与下面的半导体材料之间可以存在有绝缘材料。图10b示出另一实施方案，该实施方案示出区域102b的另一实施例，在区域102b中可以将绝缘材料去除或者以另外方式消除，使得在区域102b内电极结构1可以与下面的半导体材料接触。在区域102a之外的电极结构1的区域中，电极结构1与下面的半导体材料之间可以存在有绝缘材料。如上所讨论的，电极结构1可以具有延伸到半导体区4(例如，半导体区4中的沟槽内)中的下部。可以使用任意合适的电极结构1(例如图1a、图1b和图1c中所示的电极结构)。在该实施例中，二极管100为其中电极结构1与半导体区4形成肖特基接触的肖特基二极管。二极管100也包括与二极管
101的阴极接触(例如，欧姆接触)的电极101。电极101可以形成为常规电极或如本文中所述的电极结构1。

[0074] 使用电极结构1作为阳极能够通过由于电极结构1的下部区域3而使2D电子等离子体在半导体区4的向上延伸部的侧壁处横向耗尽来减小反向偏置漏电流。可以通过在电极结构1的在半导体区4或6的侧壁上向下延伸的下部区域3处使2D电子等离子体与电极结构1接触来减小二极管的导通电阻和导通电压。然而，由于可以使用其他类型的二极管，所以本文中的技术不限于具有2D电子气的二极管或肖特基二极管。

[0075] 根据以上所述的实施方案中的一些实施方案制造了具有凹陷阳极的AlGaN/GaN肖特基二极管的原型。具有凹陷阳极的AlGaN/GaN肖特基二极管和常规AlGaN/GaN肖特基二极管的电流-电压特性示出在图11中。具有凹陷阳极的肖特基二极管示出在反向漏电流上的大于两个数量级的降低。

[0076] 本文中所述的装置和技术的各个方面可以单独使用，以组合方式使用、或以未在前述描述中所描述的实施方案中具体讨论的各种布置使用并且因此在其应用上不限于前述描述中所阐述或在图中所示的部件的细节和布置。例如，在一个实施方案中所描述的方面可以以任何方式与在其他实施方案中所描述的方面进行组合。

[0077] 在陈述中使用次序术语例如“第一”、“第二”、“第三”等来修饰陈述的元件并不通过其自身意味任何优先级、优选次序或一个陈述的元件对另一元件的次序或者执行方法的动作中的时间次序，而是仅用作标识以对具有某一名称的一个陈述的元件与具有相同名称的另一元件(但是针对使用次序术语)进行区分来区分陈述的元件。

[0078] 此外，本文中所使用的措辞和专业术语是用于描述的目的并且不应该视为限制。本文中的“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”及其变型意指包括其后所列的项及其等同物以及另外的项。