Ⅲ族-氮化物器件的钝化及其方法转让专利
申请号 : CN200480036192.6
文献号 : CN1890814B
文献日 : 2010-05-05
发明人 : 罗伯特·彼迟
申请人 : 国际整流器公司
摘要 :
III族-氮化物半导体器件的一种实施方案以及其制造方法，可以包括低电阻钝化层，所述钝化层使得能够形成器件接触，而不会在高温处理过程中损坏III族-氮化物材料。该钝化层也可以设置在接触与器件的有源层之间，从而为电流传导提供低电阻路径。该钝化过程可用于多种器件，包括FET、整流器、肖特基二极管等，以提交击穿电压和防止在接触结附近出现电场聚集效应。该钝化层可以通过低温退火激活，从而不会在外扩散方面对III族-氮化物器件产生影响。
权利要求 :
1.一种III族-氮化物半导体器件，包括：导电沟道，形成在具有不同晶格常数的两个III族-氮化物材料之间的界面处；
电极，与所述沟道耦接以传送沟道电流；
钝化层(12)，位于所述电极和所述沟道之间并具有中断区域，其中所述电极穿过所述中断区域延伸，从而使所述器件内的电流能够流过所述钝化层的所述中断区域；以及栅接触，其与所述导电沟道共同工作，以允许或阻止电流在所述导电沟道内流动，其中所述栅接触完全位于所述钝化层的上方。
2.如权利要求1所述的器件，其中所述III族-氮化物层分别包括GaN和AlGaN，所述电极形成在所述AlGaN层上。
3.如权利要求1所述的器件，其中所述钝化层在最上层的III族-氮化物材料的表面上方延伸。
4.如权利要求1所述的器件，进一步包括与所述导电沟道耦接的肖特基接触。
5.如权利要求4所述的器件，其中所述钝化层的一部分环绕所述肖特基接触。
6.如权利要求1所述的器件，其中所述电极是欧姆接触。
7.一种选择性地允许电流流动的半导体器件，包括：绝缘衬底；
位于所述衬底上方的电阻性GaN层；
位于所述GaN层上方的AlGaN层；
位于所述AlGaN层上方的封装物层，所述封装物层包括III族-氮化物半导体；
凹入部分，在所述封装物层内形成以在所述凹入部分内暴露所述AlGaN层；
利用高温过程形成在所述凹入部分内的欧姆接触，其中所述封装物层防止氮从所述GaN层或AlGaN层向外扩散，其中，所述AlGaN层位于所述欧姆接触的下方，并与所述欧姆接触相接触。
8.一种选择性地允许电流流动的半导体器件，包括：衬底；
位于所述衬底上方的第一III族-氮化物材料结构；
位于所述第一III族-氮化物结构上方的绝缘层；
开口，形成在所述绝缘层中以暴露所述第一III族-氮化物结构；
位于所述绝缘层上方的第二III族-氮化物层；
欧姆接触，形成于所述开口内以允许电流在所述第一III族-氮化物结构和所述欧姆接触之间流动。
9.如权利要求8所述的器件，其中所述第二III族-氮化物层是高掺杂的。
10.如权利要求8所述的器件，其中所述第二III族-氮化物层的一部分位于所述开口内，从而所述部分位于所述欧姆接触和所述III族-氮化物结构之间。
11.如权利要求10所述的器件，其中所述第二III族-氮化物层是高掺杂的。
12.如权利要求8所述的器件，其中所述第二III族-氮化物层的组成材料为导电金属氮化物。
13.如权利要求8所述的器件，其中所述第二III族-氮化物层的组成材料为以下材料中的一种：AIN、HfN、非化学计量的高掺杂GaN、溅射淀积的高掺杂GaN、高掺杂的多晶GaN、AlGaN、TiN以及InN.
14.如权利要求8所述的器件，其中所述第二III族-氮化物层的厚度为或者更大。
15.一种形成III族-氮化物半导体器件的方法，包括：形成包含导电沟道的III族-氮化物结构；
在所述III族-氮化物结构上方形成绝缘层；
在所述绝缘层内形成开口以暴露所述III族-氮化物结构；
在所述绝缘层上方和所述开口的底部形成富含氮的层；
在所述富含氮的层上方淀积欧姆接触；以及在低于850℃的温度下进行退火，以激活所述欧姆材料。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括对所述欧姆材料进行构图以在所述开口内形成欧姆接触。
17.如权利要求15所述的方法，进一步包括对所述欧姆材料进行构图以形成栅接触。
18.如权利要求15所述的方法，其中所述富含氮的层是外延生长的。
19.一种形成III族-氮化物半导体器件的方法，包括：形成III族-氮化物结构；
形成位于所述III族-氮化物结构上方的含氮层；
在所述含氮层内形成开口以暴露所述III族-氮化物结构；
利用高温工艺在所述开口内形成欧姆接触，由此，所述含氮层抑制了氮从所述III族-氮化物结构向外的扩散；
在所述含氮层内形成另一个开口以暴露所述III族-氮化物结构；
利用高温工艺在所述另一个开口内形成肖特基接触，由此，所述含氮层防止在所述高温工艺中对所述III族-氮化物结构产生损坏；以及在低于600℃的温度下退火，
其中，所述III族-氮化物结构位于所述欧姆接触的下方，并与所述欧姆接触相接触。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述含氮层是外延生长的。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述III族-氮化物结构的一部分是外延生长的，并且所述含氮层在所述生长过程的一部分中形成。
说明书 :
技术领域
本申请基于2003年12月5日提交的序列号为60/527,627、题为“使用高温封装的高电压横向几何柱状III族-氮化物器件(Hi VoltageHorizontal Geometry Column 111-Nitride Devices with HighTemperature Encapsulants)”的美国临时申请以及2003年12月5日提交的序列号为60/527,634、题为“GaN器件的欧姆接触”的美国临时申请并要求其优先权，在此要求上述两个申请的优先权，并且其全部内容通过引用并入本申请。
背景技术
1.发明领域
本发明一般涉及III族-氮化物材料系的器件，特别涉及形成有欧姆接触的III族-氮化物材料系的器件，以及形成与剩余的钝化层的接触的方法。
2.背景技术
目前，具有超过2.2MV/cm的较大介质击穿电场的III族-氮化物半导体是众所周知的。III族-氮化物异质结结构还能够承载超大的电流，这使得在III族-氮化物材料系中制造的器件非常适用于功率应用。
基于III族-氮化物材料的器件通常是针对于大功率高频应用，例如蜂窝电话基站的发射器。所制造的用于此类应用的器件基于具有高的电子迁移率的普通器件结构，例如异质结场效应晶体管(HFET)、高电子迁移率晶体管或者调制掺杂场效应晶体管(MODFET)。此类器件通常能够承受例如约为100伏特的高压，同时典型地在2-100GHz范围内的高频下工作。可以对此类器件进行改造以用于多种类型的应用，但是其典型地通过应用压电极化场产生二维电子气(2DEG)(能够传输极高的电流密度，同时具有极低的电阻损耗)来操作。在这种传统的III族-氮化物HEMT器件中，2DEG在AlGaN和GaN材料的界面处形成。由于AlGaN/GaN界面的性质、以及2DEG在界面处的形成，形成在III族-氮化物材料系中的器件倾向于是名义上导通(nominally on)型或损耗型器件。AlGaN/GaN层界面层处的2DEG的高电子迁移率使得III族-氮化物器件(例如HEMT器件)能够在不施加栅压的情况下进行传导。以前制造的HEMT器件的名义上导通特性限制了其在功率调节方面的应用性。名义上导通的功率器件的局限性在于，在功率能够安全地受名义上导通的器件控制之前，需要具有被供电并可操作的控制电路。因此，理想的是制造名义上截止以避免启动模式和其他模式下的电流传导问题的III族-氮化物异质结器件。
具有高电流密度和低电阻损耗的III族-氮化物器件的一个缺陷在于其在应变的AlGaN/GaN系统中所能够实现的受限的厚度。此类材料的晶格结构中的差异会产生应变，使得所生长的用于制造不同层的膜产生位错。举例来说，这导致了穿过势垒层的高漏电水平。某些在先的设计致力于将AlGaN层的面内晶格常数降低到接近弛豫发生点，以减少位错和漏电。然而，这些设计并不是针对受限厚度的问题。
另一种解决方案是增加绝缘层以防止漏电问题.增加绝缘层可以降低通过势垒的漏电，用于这一目的的典型的层是淀积在AlGaN和金属栅极层之间的二氧化硅、氮化硅、蓝宝石或者其他绝缘体.此类器件通常称为MISHFET，并相对于不具有绝缘层的传统器件具有某些优点.
虽然附加的绝缘层使得能够构造较厚的应变的AlGaN/GaN系统，但是由于GaN/绝缘体界面处的电子散射效应，由附加的绝缘体所产生的限制层会较低载流能力。另外AlGaN层和绝缘体层之间的附加界面会产生界面俘获状态，使器件的响应变慢。氧化层的附加厚度再加上两个层之间的附加界面，也使得需要较大的栅极驱动电压来开关所述器件。
利用氮化物材料来获得名义上截止的器件的传统器件设计依靠这种附加的绝缘层作为限制层，并且可以降低或者去除顶部AlGaN层。然而，由于GaN/AlGaN绝缘体界面处的散射，这些器件典型地具有较低的载流能力。
因此，需要制造这样一种异质结器件或者FET，其具有低漏电性能以及较少的界面和层、同时能够承受高压并且产生高的电流密度和低的电阻损耗。目前已经通过多种技术利用GaN和AlGaN合金制造出了平面器件，所述技术包括MOCVD(有机金属化学汽相淀积)、以及分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)。
氮化镓材料系中的材料可以包括氮化镓(GaN)及其合金，例如氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)以及氮化铟铝镓(InAlGaN)。这些材料是具有相对较宽的直接带隙的半导体化合物，从而能够产生高能量的电子跃迁。氮化镓材料被形成在各种不同的衬底上，包括碳化硅(SiC)、蓝宝石和硅。硅衬底易于使用并且相对较为便宜，并且硅加工技术已经非常成熟。
然而，在硅衬底上形成氮化镓材料来制造半导体器件面临着由晶格常数的差异、热膨胀和硅与氮化镓之间的带隙所产生的挑战。GaN与传统的衬底材料之间的晶格失配所产生的问题也普遍存在于包括GaN和GaN合金的材料层结构中。例如，GaN和AlGaN材料的晶格结构的差异足以在用于压电极化的两个层之间产生界面应变。在许多现有器件中，对压电极化所产生的场进行控制，以改善器件的特性。AlGaN/GaN层结构中的铝含量的变化会改变材料之间的晶格失配，从而实现不同的器件特性，例如改善的导电率或者隔离势垒。
多种类型的功率器件可以从具有低导通电阻的名义上截止的器件中潜在地获益。例如，期望获得这样的功率开关、功率整流器、同步整流器、电流控制器件或者其他功率器件，即它们在没有加电时，其是名义上截止的。电流控制器件可以包括二极管、扩散致窄电阻(pinchresistor)、肖特基二极管等。
期望改进或优化的功率器件的另一个特征是击穿电压.典型地由半导体制造的高压开关器件暴露在极高的电场下，所述电场可以是功率器件中的介质击穿源.由于III族-氮化物材料系中的器件的形成特性，III族-氮化物材料器件特别容易由于介质的击穿而失效.在III族-氮化物材料器件的制造过程中，经常使用高温退火步骤或者化学处理来制造连接到低掺杂或者中等掺杂的半导体材料的低电阻的欧姆接触.在高温退火步骤中，由于在高温退火环境中氮的近表面挥发特性，被退火的半导体材料的表面将会损失氮.半导体材料中氮的损失将会在材料中产生空位，从而在该材料系中产生N型掺杂效果.这种表面半导体材料层中超过正常的或者所需量的附加掺杂效果将会在电压阻断(blocking)操作过程中在器件的近表面区域中产生增加的电场.例如，如果器件是处于截止状态的场效应晶体管，则期望该器件潜在地避开(standoff)大电压并且不被击穿.然而，由于半导体材料的表面层中的掺杂效应大于预期的掺杂效应、以及在表面区域中增加的辅助电场，因此可以观察到器件的击穿电压较低，与之伴随的是器件的失效.
避免发生由氮从半导体材料的表面移除所导致的有效掺杂的一种方法是，在形成欧姆基础之前，在半导体材料的上表面上形成高掺杂的III族-氮化物材料。一旦完成了欧姆接触材料的淀积和退火，高掺杂的材料层将被蚀刻去除，以暴露例如用于形成栅和漂移区的区域。然而，在蚀刻过程中，被暴露的材料表面会经受由于材料中的缺陷而带来的多种不利影响。除了例如对栅极下方的界面态密度产生有害影响外，由蚀刻过程产生的缺陷也会产生掺杂效果。
因此，期望减小和去除高温退火步骤中半导体材料表面层中的氮的外扩散，从而降低或消除欧姆接触形成过程中半导体表面层中的高残留掺杂效应。
还希望获得能够保护半导体器件表面以防止表面击穿的器件钝化层。另外还希望防止出现上述传统的加工技术通常会导致的场集聚效应。
本发明一般涉及III族-氮化物材料系的器件，特别涉及形成有欧姆接触的III族-氮化物材料系的器件，以及形成与剩余的钝化层的接触的方法。
2.背景技术
目前，具有超过2.2MV/cm的较大介质击穿电场的III族-氮化物半导体是众所周知的。III族-氮化物异质结结构还能够承载超大的电流，这使得在III族-氮化物材料系中制造的器件非常适用于功率应用。
基于III族-氮化物材料的器件通常是针对于大功率高频应用，例如蜂窝电话基站的发射器。所制造的用于此类应用的器件基于具有高的电子迁移率的普通器件结构，例如异质结场效应晶体管(HFET)、高电子迁移率晶体管或者调制掺杂场效应晶体管(MODFET)。此类器件通常能够承受例如约为100伏特的高压，同时典型地在2-100GHz范围内的高频下工作。可以对此类器件进行改造以用于多种类型的应用，但是其典型地通过应用压电极化场产生二维电子气(2DEG)(能够传输极高的电流密度，同时具有极低的电阻损耗)来操作。在这种传统的III族-氮化物HEMT器件中，2DEG在AlGaN和GaN材料的界面处形成。由于AlGaN/GaN界面的性质、以及2DEG在界面处的形成，形成在III族-氮化物材料系中的器件倾向于是名义上导通(nominally on)型或损耗型器件。AlGaN/GaN层界面层处的2DEG的高电子迁移率使得III族-氮化物器件(例如HEMT器件)能够在不施加栅压的情况下进行传导。以前制造的HEMT器件的名义上导通特性限制了其在功率调节方面的应用性。名义上导通的功率器件的局限性在于，在功率能够安全地受名义上导通的器件控制之前，需要具有被供电并可操作的控制电路。因此，理想的是制造名义上截止以避免启动模式和其他模式下的电流传导问题的III族-氮化物异质结器件。
具有高电流密度和低电阻损耗的III族-氮化物器件的一个缺陷在于其在应变的AlGaN/GaN系统中所能够实现的受限的厚度。此类材料的晶格结构中的差异会产生应变，使得所生长的用于制造不同层的膜产生位错。举例来说，这导致了穿过势垒层的高漏电水平。某些在先的设计致力于将AlGaN层的面内晶格常数降低到接近弛豫发生点，以减少位错和漏电。然而，这些设计并不是针对受限厚度的问题。
另一种解决方案是增加绝缘层以防止漏电问题.增加绝缘层可以降低通过势垒的漏电，用于这一目的的典型的层是淀积在AlGaN和金属栅极层之间的二氧化硅、氮化硅、蓝宝石或者其他绝缘体.此类器件通常称为MISHFET，并相对于不具有绝缘层的传统器件具有某些优点.
虽然附加的绝缘层使得能够构造较厚的应变的AlGaN/GaN系统，但是由于GaN/绝缘体界面处的电子散射效应，由附加的绝缘体所产生的限制层会较低载流能力。另外AlGaN层和绝缘体层之间的附加界面会产生界面俘获状态，使器件的响应变慢。氧化层的附加厚度再加上两个层之间的附加界面，也使得需要较大的栅极驱动电压来开关所述器件。
利用氮化物材料来获得名义上截止的器件的传统器件设计依靠这种附加的绝缘层作为限制层，并且可以降低或者去除顶部AlGaN层。然而，由于GaN/AlGaN绝缘体界面处的散射，这些器件典型地具有较低的载流能力。
因此，需要制造这样一种异质结器件或者FET，其具有低漏电性能以及较少的界面和层、同时能够承受高压并且产生高的电流密度和低的电阻损耗。目前已经通过多种技术利用GaN和AlGaN合金制造出了平面器件，所述技术包括MOCVD(有机金属化学汽相淀积)、以及分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)。
氮化镓材料系中的材料可以包括氮化镓(GaN)及其合金，例如氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)以及氮化铟铝镓(InAlGaN)。这些材料是具有相对较宽的直接带隙的半导体化合物，从而能够产生高能量的电子跃迁。氮化镓材料被形成在各种不同的衬底上，包括碳化硅(SiC)、蓝宝石和硅。硅衬底易于使用并且相对较为便宜，并且硅加工技术已经非常成熟。
然而，在硅衬底上形成氮化镓材料来制造半导体器件面临着由晶格常数的差异、热膨胀和硅与氮化镓之间的带隙所产生的挑战。GaN与传统的衬底材料之间的晶格失配所产生的问题也普遍存在于包括GaN和GaN合金的材料层结构中。例如，GaN和AlGaN材料的晶格结构的差异足以在用于压电极化的两个层之间产生界面应变。在许多现有器件中，对压电极化所产生的场进行控制，以改善器件的特性。AlGaN/GaN层结构中的铝含量的变化会改变材料之间的晶格失配，从而实现不同的器件特性，例如改善的导电率或者隔离势垒。
多种类型的功率器件可以从具有低导通电阻的名义上截止的器件中潜在地获益。例如，期望获得这样的功率开关、功率整流器、同步整流器、电流控制器件或者其他功率器件，即它们在没有加电时，其是名义上截止的。电流控制器件可以包括二极管、扩散致窄电阻(pinchresistor)、肖特基二极管等。
期望改进或优化的功率器件的另一个特征是击穿电压.典型地由半导体制造的高压开关器件暴露在极高的电场下，所述电场可以是功率器件中的介质击穿源.由于III族-氮化物材料系中的器件的形成特性，III族-氮化物材料器件特别容易由于介质的击穿而失效.在III族-氮化物材料器件的制造过程中，经常使用高温退火步骤或者化学处理来制造连接到低掺杂或者中等掺杂的半导体材料的低电阻的欧姆接触.在高温退火步骤中，由于在高温退火环境中氮的近表面挥发特性，被退火的半导体材料的表面将会损失氮.半导体材料中氮的损失将会在材料中产生空位，从而在该材料系中产生N型掺杂效果.这种表面半导体材料层中超过正常的或者所需量的附加掺杂效果将会在电压阻断(blocking)操作过程中在器件的近表面区域中产生增加的电场.例如，如果器件是处于截止状态的场效应晶体管，则期望该器件潜在地避开(standoff)大电压并且不被击穿.然而，由于半导体材料的表面层中的掺杂效应大于预期的掺杂效应、以及在表面区域中增加的辅助电场，因此可以观察到器件的击穿电压较低，与之伴随的是器件的失效.
避免发生由氮从半导体材料的表面移除所导致的有效掺杂的一种方法是，在形成欧姆基础之前，在半导体材料的上表面上形成高掺杂的III族-氮化物材料。一旦完成了欧姆接触材料的淀积和退火，高掺杂的材料层将被蚀刻去除，以暴露例如用于形成栅和漂移区的区域。然而，在蚀刻过程中，被暴露的材料表面会经受由于材料中的缺陷而带来的多种不利影响。除了例如对栅极下方的界面态密度产生有害影响外，由蚀刻过程产生的缺陷也会产生掺杂效果。
因此，期望减小和去除高温退火步骤中半导体材料表面层中的氮的外扩散，从而降低或消除欧姆接触形成过程中半导体表面层中的高残留掺杂效应。
还希望获得能够保护半导体器件表面以防止表面击穿的器件钝化层。另外还希望防止出现上述传统的加工技术通常会导致的场集聚效应。
发明内容
根据本发明的一个示例性实施方案，在淀积欧姆接触之前，通过进行非化学计量(stoichiometric)的、高掺杂的GaN层淀积来在III族-氮化物材料系中的半导体器件上形成欧姆接触。该高掺杂的GaN层极薄，并且由于高掺杂的GaN层与欧姆接触材料之间的界面处的隧穿效应，通过用于形成欧姆接触的欧姆材料形成了极低电阻率的接触。高掺杂GaN层的存在使得能够在极少或者未损害半导体器件表面的情况下形成欧姆接触。通过低温退火步骤激活高掺杂GaN层和欧姆接触，从而为所述器件保持穿过欧姆接触的低电阻通道。高掺杂的GaN层使得能够通过低温退火步骤形成高质量的欧姆接触，以防止氮从半导体材料的表面向外扩散。该薄的高掺杂GaN层还使得能够在不产生表面再钝化的情况下形成栅电极。因此，所得到的器件具有高质量的界面以及低的界面态密度，并且在栅电极下方具有低的剩余掺杂。
根据本发明的另一个方面，可以在形成欧姆接触之前在半导体材料上形成薄层高掺杂多晶GaN。也可以使用多种其他的材料来在形成欧姆接触之前形成该薄层以及钝化所述半导体材料，所述材料包括其他的III族-氮化物材料，例如AlGaN。可以利用任何现有技术来形成该薄钝化层，例如PECVD、溅射淀积等。如果使用铝作为欧姆接触材料，则可以通过约850℃以下的温度利用退火步骤来实现良好的接触。
根据本发明的另一个特征，可以在形成欧姆接触之前在半导体材料的暴露表面上淀积非挥发、非扩散的材料，例如AIN、HfN或者其他合适的材料。所覆盖的材料防止在形成欧姆接触时由于高温、暴露在化学处理中、或者其他与低电阻欧姆接触形成相关的处理中所产生的表面损坏。可以在特定区域中去除该保护层，以允许形成肖特基接触。剩余的保护材料被保留以钝化接触区之间的区域内的半导体材料表面。
在形成欧姆接触之前，可以形成保护层，作为位于器件的强电场区域上方的含氮材料的牺牲层。该钝化材料作为氮的储存部分，以在III族-氮化物材料内保持化学计量(stoichiometry)。该钝化材料通过提供从所覆盖的牺牲层向III族-氮化物材料内扩散的等量的氮来平衡氮从III族-氮化物材料向外的扩散。在通过退火步骤形成欧姆接触之后，可以在待形成肖特基接触或栅接触的区域内去除保护层。剩余的材料钝化所述接触区之间的区域内的表面区域。
本发明使得能够形成具有简单的钝化层的III族-氮化物半导体器件结构，从而允许在低温退火步骤中形成欧姆接触。该钝化层还抑制了所完成器件中的表面击穿和电场聚集效应。根据本发明制造的器件可以承受极高的反向偏压，因为保持了III族-氮化物材料的介质完整性。所得到的器件具有改善的电压阻断特性，其几倍于传统器件的特性。
有利的是，可以在有源区之上或者之下生长覆层和接触层。在本发明中也可以使用用于形成电极、绝缘层等结构的其他公知工艺。
根据本发明，在此提供了一种在III族-氮化物材料系中实现的器件，其具有高的导电性和高电压阻断以及降低的导通电阻。所述器件利用欧姆接触和肖特基或绝缘接触来控制两个III族-氮化物材料之间的2DEG。
根据本发明，在此提供了一种在III族-氮化物中实现的FET器件。根据III族-氮化物材料系的性质，该FET能够承载大电流，其中压电和自发极化场形成具有高载流子迁移率和大电流生产量的2DEG。
根据本发明的一个特征，提供有良好的GaN绝缘体界面(而不是有源层处的附加绝缘层或者结构)来提高载流能力。无需附加的绝缘层，在此描述的异质界面的外延性质导致了在2DEG内的电子聚集时产生约高一个量级的电子迁移率。
根据本发明的一个实施方案，提供了一种具有降低的用于正向传导的导通电压的III族-氮化物器件。该器件形成有两种III族-氮化物材料层，其中一个III族-氮化物材料层的面内晶格常数大于另一个，从而在界面处形成2DEG。2DEG中的高载流子迁移率使得可通过较低的正向导电电压来开启器件。通过器件的电流通过2DEG沟道被分流并且离开欧姆接触以避免出现肖特基势垒。在反向电压条件下，肖特基接触使2DEG中断(interrupt)并且打开沟道以避免在反向偏压条件下产生电流流动。
根据本发明的一个特征，可以在III族-氮化物层的凹入部分内形成肖特基接触，以使得器件在施加正向偏压之前是非导通的。有利地，所述凹入部分具有倾斜的壁，以使得器件的参数易于控制。
根据本发明的另一示例性实施方案，提供了一种III族-氮化物材料系内的肖特基型整流器(rectifier)，其中器件通过沟道传导电流，所述沟道包括由两种不同的III族-氮化物材料的界面形成的2DEG。该器件包括肖特基接触和欧姆接触，以朝着所述欧姆接触在一个方向上进行传导，并且朝着所述肖特基接触在另一个方向上阻断电压。施加在肖特基接触上的电压使得电流流动通过2DEG形成的沟道，并且离开欧姆接触，而施加在相反方向上的电压耗尽肖特基接触下的2DEG，以在反向偏压的过程中阻断电压。当利用GaN作为III族-氮化物层的一层时，GaN层的高电阻特性防止出现通过器件的漏电流。该器件可被构造为III族-氮化物层具有轻掺杂或者无掺杂，以在反向偏压时获得低电场，从而实现高的截断(standoff)电压。在无需降低正向偏压电阻的情况下即可获得这一优良特征。
III族-氮化物半导体材料系中的大的介质击穿电场使得能够形成截断区域尺寸降低的功率器件。该材料系还使得能够制造与公知的具有相似额定电压的器件相比具有降低的特定导通电阻的器件。在本文中讨论的III族-氮化物器件的情况下，与具有垂直几何结构的类似器件相比，在约300伏的额定电压下，平面器件在特定的导通电阻方面的改善约为一百倍。
该器件的特征还在于在接触中具有较低泄漏以及相对于势垒层具有高的击穿电场。因此，与传统的绝缘物(例如SiO2和SiN)相比，器件提供了较大的介电常数。GaN材料的高临界电场使得较薄的层即可以承受大的电压而不会击穿介质。GaN材料的介电常数约为10，其为SiO2的两倍。
通过以下参照附图对本发明进行的描述，本发明的其他特征和优点将会更加清楚。
根据本发明的另一个方面，可以在形成欧姆接触之前在半导体材料上形成薄层高掺杂多晶GaN。也可以使用多种其他的材料来在形成欧姆接触之前形成该薄层以及钝化所述半导体材料，所述材料包括其他的III族-氮化物材料，例如AlGaN。可以利用任何现有技术来形成该薄钝化层，例如PECVD、溅射淀积等。如果使用铝作为欧姆接触材料，则可以通过约850℃以下的温度利用退火步骤来实现良好的接触。
根据本发明的另一个特征，可以在形成欧姆接触之前在半导体材料的暴露表面上淀积非挥发、非扩散的材料，例如AIN、HfN或者其他合适的材料。所覆盖的材料防止在形成欧姆接触时由于高温、暴露在化学处理中、或者其他与低电阻欧姆接触形成相关的处理中所产生的表面损坏。可以在特定区域中去除该保护层，以允许形成肖特基接触。剩余的保护材料被保留以钝化接触区之间的区域内的半导体材料表面。
在形成欧姆接触之前，可以形成保护层，作为位于器件的强电场区域上方的含氮材料的牺牲层。该钝化材料作为氮的储存部分，以在III族-氮化物材料内保持化学计量(stoichiometry)。该钝化材料通过提供从所覆盖的牺牲层向III族-氮化物材料内扩散的等量的氮来平衡氮从III族-氮化物材料向外的扩散。在通过退火步骤形成欧姆接触之后，可以在待形成肖特基接触或栅接触的区域内去除保护层。剩余的材料钝化所述接触区之间的区域内的表面区域。
本发明使得能够形成具有简单的钝化层的III族-氮化物半导体器件结构，从而允许在低温退火步骤中形成欧姆接触。该钝化层还抑制了所完成器件中的表面击穿和电场聚集效应。根据本发明制造的器件可以承受极高的反向偏压，因为保持了III族-氮化物材料的介质完整性。所得到的器件具有改善的电压阻断特性，其几倍于传统器件的特性。
有利的是，可以在有源区之上或者之下生长覆层和接触层。在本发明中也可以使用用于形成电极、绝缘层等结构的其他公知工艺。
根据本发明，在此提供了一种在III族-氮化物材料系中实现的器件，其具有高的导电性和高电压阻断以及降低的导通电阻。所述器件利用欧姆接触和肖特基或绝缘接触来控制两个III族-氮化物材料之间的2DEG。
根据本发明，在此提供了一种在III族-氮化物中实现的FET器件。根据III族-氮化物材料系的性质，该FET能够承载大电流，其中压电和自发极化场形成具有高载流子迁移率和大电流生产量的2DEG。
根据本发明的一个特征，提供有良好的GaN绝缘体界面(而不是有源层处的附加绝缘层或者结构)来提高载流能力。无需附加的绝缘层，在此描述的异质界面的外延性质导致了在2DEG内的电子聚集时产生约高一个量级的电子迁移率。
根据本发明的一个实施方案，提供了一种具有降低的用于正向传导的导通电压的III族-氮化物器件。该器件形成有两种III族-氮化物材料层，其中一个III族-氮化物材料层的面内晶格常数大于另一个，从而在界面处形成2DEG。2DEG中的高载流子迁移率使得可通过较低的正向导电电压来开启器件。通过器件的电流通过2DEG沟道被分流并且离开欧姆接触以避免出现肖特基势垒。在反向电压条件下，肖特基接触使2DEG中断(interrupt)并且打开沟道以避免在反向偏压条件下产生电流流动。
根据本发明的一个特征，可以在III族-氮化物层的凹入部分内形成肖特基接触，以使得器件在施加正向偏压之前是非导通的。有利地，所述凹入部分具有倾斜的壁，以使得器件的参数易于控制。
根据本发明的另一示例性实施方案，提供了一种III族-氮化物材料系内的肖特基型整流器(rectifier)，其中器件通过沟道传导电流，所述沟道包括由两种不同的III族-氮化物材料的界面形成的2DEG。该器件包括肖特基接触和欧姆接触，以朝着所述欧姆接触在一个方向上进行传导，并且朝着所述肖特基接触在另一个方向上阻断电压。施加在肖特基接触上的电压使得电流流动通过2DEG形成的沟道，并且离开欧姆接触，而施加在相反方向上的电压耗尽肖特基接触下的2DEG，以在反向偏压的过程中阻断电压。当利用GaN作为III族-氮化物层的一层时，GaN层的高电阻特性防止出现通过器件的漏电流。该器件可被构造为III族-氮化物层具有轻掺杂或者无掺杂，以在反向偏压时获得低电场，从而实现高的截断(standoff)电压。在无需降低正向偏压电阻的情况下即可获得这一优良特征。
III族-氮化物半导体材料系中的大的介质击穿电场使得能够形成截断区域尺寸降低的功率器件。该材料系还使得能够制造与公知的具有相似额定电压的器件相比具有降低的特定导通电阻的器件。在本文中讨论的III族-氮化物器件的情况下，与具有垂直几何结构的类似器件相比，在约300伏的额定电压下，平面器件在特定的导通电阻方面的改善约为一百倍。
该器件的特征还在于在接触中具有较低泄漏以及相对于势垒层具有高的击穿电场。因此，与传统的绝缘物(例如SiO2和SiN)相比，器件提供了较大的介电常数。GaN材料的高临界电场使得较薄的层即可以承受大的电压而不会击穿介质。GaN材料的介电常数约为10，其为SiO2的两倍。
通过以下参照附图对本发明进行的描述，本发明的其他特征和优点将会更加清楚。
附图说明
图1A-1E是根据本发明的形成有钝化层的III族-氮化物器件的剖视图；
图2A-E是根据本发明的形成由钝化层的III族-氮化物器件的剖视图；
图3是根据本发明的III族-氮化物器件的剖视图；
图4是根据本发明的III族-氮化物器件的剖视图。
图2A-E是根据本发明的形成由钝化层的III族-氮化物器件的剖视图；
图3是根据本发明的III族-氮化物器件的剖视图；
图4是根据本发明的III族-氮化物器件的剖视图。
具体实施方式
在GaN材料的器件中，有大量的因素会对器件的功能和性能产生影响。III族-氮化物材料的大量晶格失配和这些材料中的强压电和极化效应会显著影响III族-氮化物异质结器件的电学性能。迄今为止所报道的大量GaN基器件利用应变的具有合金成分的GaN-AlGaN结，所述合金成分被设计用于释放应力，以防止导致器件的长期稳定性较差的失配。已经提出了用于构建异质结器件的各种器件和系统，以控制GaN-AlGaN结的晶格失配和应变。这些器件被典型的设计为利用压电和自发极化效应，并且可以使长期不稳定性最小化。
III族-氮化物器件，特别是GaN/AlGaN器件，在给定的器件中典型地具有用于控制电功率通量的一个或多个端子。施加在端子上的电势控制与终端耦接的导电沟道内的电流流量。所述导电沟道由两个不同半导体材料之间的至少一个异质界面限定。
当异质结器件的半导体材料由AlGaN/GaN材料组成并且AlGaN被用作势垒层时，出现由AlGaN的自发极化特性以及应变引入特征(即，通常所说的压电极化电场)产生的极化电荷。在III族-氮化物器件结构中对这些场的形成的控制导致了不同的特性，从而使GaN基的器件根据器件的设定特性适用于多种应用。
由GaN材料形成的异质结器件典型地包括设置在沟道层上的AlGaN势垒层以引入2DEG，2DEG在沟道中产生高浓度的电子，从而增强沟道的导电特性。由于在AlGaN/GaN层的界面处形成的2DEG的存在，基本地形成的III族-氮化物器件是名义上导通的，这是因为沟道的存在使得能够例如在电极之间传导电流。
现在参照图1A-1E，图1A-1E中示出了具有欧姆接触和栅电极的III族-氮化物器件14的形成工艺中的一系列步骤。器件14包括III族-氮化物层10，其可由多个III族-氮化物材料层组成，例如缓冲层、具有交替组分的超晶格层、或者组分渐变层(graded composition layer)。典型地，层10由GaN组成。
栅极绝缘层12形成在层10的上方，并由晶格常数小于层10的材料组成。典型地，层12由AlGaN形成。层12典型地使III族-氮化物器件钝化，但是在形成欧姆接触的高温工艺中经受氮的外扩散。
现在参照图1B，在层12中开有欧姆接触窗11，以提供能够到达层10以淀积欧姆接触的通道。可以通过公知技术实现层12上选定部分的构图和去除。
现在参照图1C，在淀积欧姆接触材料之前，在器件14上形成非挥发、非扩散的材料16。材料16覆盖层12除了欧姆接触窗11之外的区域，并且在欧姆接触窗11的底部覆盖层10。材料16可以是AIN、HfN、AlGaN、高掺杂的GaN、高掺杂的多晶GaN、LPCVD SiN、或者能够防止半导体表面12在退火步骤中不会产生外扩散以及不会受到损害的其他合适的材料。可以形成约到厚的高掺杂GaN层作为层16。在任何情况下，材料16的厚度可以近似为或更大。
可以在形成层10或12的生长过程中形成材料16。也可以在给定包括层10或12的预形成的结构的情况下，在分立的步骤中淀积材料16。在外延生长过程中形成材料16可以为后形成的器件提供性能上的优点，包括有助于根据所生长的材料16的结构提高器件的击穿电压。
一旦在层12上方、以及欧姆接触窗11内的层10上方淀积了层16，即可在层16上方淀积用于实现欧姆接触19的材料。淀积在层16上方以及欧姆接触窗11内的材料18可以是欧姆金属，并且可以例如由铝组成。可以通过用于形成欧姆接触材料的公知技术来淀积材料18。保护层16为欧姆接触19与层10的连接提供了导电路径，特别地，提供了到达层10和层12之间的界面的导电路径，以允许在界面处与导电沟道连接。因此，器件14的导电电阻不会由于层16的引入而显著增加。
在欧姆材料18的淀积过程中，执行退火步骤以使得欧姆材料形成欧姆接触19。在退火步骤中，氮通常从层10和12中扩散出，导致层10和12的表面受到损害以及导致这些层的材料中出现掺杂效应。然而，富含氮的保护层16的存在抵制了退火步骤中通常会发生的外扩散过程。因此，层10和12的表面免于受到本来在退火步骤中的外扩散过程中会发生的损害。通过提供保护以防止氮从层10和12中外扩散，大大改善了器件的性能，实现了更高的击穿电压。
现在参照图1D，在图案中淀积抗蚀材料13，以能够形成栅极15和欧姆接触17。在淀积了光致抗蚀剂层13后，例如通过蚀刻去除除了由光致抗蚀剂13保护的位置之外的材料18。所述去除或者蚀刻过程也去除了构图的光致抗蚀剂13下方的保护层16。
参照图1E，得到的栅极接触15和欧姆接触17通过保护层16的剩余部分连接到器件14的特定区域。保护层16的剩余部分在欧姆接触17和层10中的导电沟道之间形成了低电阻连接。注意，栅接触15也位于保护层16的顶上。然而，栅接触15可以通过其他技术形成，并且不依赖于保护层16。
在从器件未覆盖光致抗蚀剂13的区域中去除材料18后，剥离光致抗蚀剂13，对得到的结构进行低温退火。退火步骤中的温度约低于850℃，并且优选为约600℃。低温退火步骤激活欧姆接触17，以在层10和接触17中形成的导电沟道之间提供低电阻连接点。低温退火步骤使得层10和12的氮外扩散较少或者为零，从而避免了高温退火步骤中通常会遇到的损害。
现在参照图2A-2E，在图2A-2E中示出了根据本发明的器件的另一个实施方案，其被示出为器件24.图2A中器件24的初始结构具有III族-氮化物层20，其可由多层III族-氮化物结构形成，例如包括缓冲层、超晶格层或者组分渐变层.在图2A所示的初始步骤中，在层20上淀积有保护层22.保护层22可通过任何公知的技术形成，包括PECVD、LPCVD和溅射.保护层22可由多种材料组成，包括AIN、HfN、高掺杂的GaN、高掺杂的多晶GaN、LPCVD SiN、或者其他的III族-氮化物材料，包括AlGaN。层22相对较薄，以能够在保护层22与覆盖的欧姆材料之间的界面处的隧穿效应的作用下，通过欧姆材料形成低电阻接触。保护层的厚度可以在左右，或者可以近似为或更大，以形成低电阻接触，从而利用界面处的隧道效应。可以在形成层20的生长过程中形成保护层22。也可以在给定包括层20的预形成的结构的情况下，在分立的步骤中淀积保护层22。如果在外延生长过程中形成保护层22，则可以为后形成的器件提供性能上的某些优点，包括由于保护层22的结构而使器件的击穿电压提高。
现在参照图2B，在保护层22中开有欧姆接触窗21，以形成欧姆接触。可以通过任何类型的公知构图和材料去除技术来形成欧姆接触窗21。欧姆接触窗21提供了到达III族-氮化物层20的通路，以及到达III族-氮化物层20中的导电沟道的通路。
现在参照图2C，在保护层22和III族-氮化物层20上淀积欧姆接触26，从而通过欧姆接触窗21实现与III族-氮化物层20的接触。欧姆接触26的形成过程包括高温步骤，所述高温步骤通常会导致III族-氮化物层20中的氮外扩散，从而在III族-氮化物层20的表面区域内产生损害或缺陷。然而保护层22的存在降低或消除了氮从III族-氮化物层20中的外扩散，从而消除了在层20的表面区域内经常可以观察到的损坏。
现在参照图2D，在形成了欧姆接触26之后，形成肖特基接触窗25以将III族-氮化物层20从保护层22中暴露出来。在图2E中，肖特基接触28穿过肖特基接触窗25淀积，并且提供与III族-氮化物层20所形成的导电沟道的接触。保护层22还防止从III族-氮化物层20向外扩散，以提高器件24的性能。例如，可以保护漂移区27免于表面击穿，或者出现掺杂效应，而这种情况通常会由于氮从III族-氮化物层20中外扩散而发生。另外，还可以防止区域29出现通常会由氮从III族-氮化物层20中的外扩散而导致的电场聚集。典型地，进行低温退火步骤以激活欧姆接触26，保护层22的存在使得可以在较低的温度下进行退火，例如850℃，或者优选为例如600℃。
上述钝化/保护层可通过化学计量(stoichometric)的或非化学计量的方法淀积形成，所述方法包括PECVD和溅射淀积。保护层优选地包括薄N+GaN，也可以使用多种其他的材料。所得到的器件的电压阻断特性几倍于不具有保护层的器件(包括公知的不具有表面保护层的肖特基整流器或氮化镓器件)的特性。该钝化/保护层可通过降低或完全消除外扩散、或者通过补充提供外扩散的氮来防止氮从下方的层中向外扩散。该钝化/保护层可以通过提供其自身的氮外扩散来作为富含氮的阱，以平衡外扩散。因此该钝化/保护层可以被认为是用于实现所得到的器件的表面保护和钝化的封装物。不需要将钝化层从完成的器件上去除，从而所得到的器件的全部暴露表面是被钝化的。
根据本发明的技术，可以形成多种器件，包括肖特基二极管、诸如扩散致窄电阻的限流器件等。典型地，在制造过程中会经受氮外扩散现象，从而使得介质击穿阈值降低的任何类型的半导体器件都能够从本发明的技术中获益。本发明优选用于III族-氮化物材料系，所述材料系包括AIN、GaN、InN化合物以及这些材料的合金。保护层可以由任何非挥发、非扩散的材料形成，例如AlN、HfN、或者淀积在暴露的表面上、以保护半导体表面在退火或其他高温过程中不会产生氮外扩散的其他合适的材料。
器件14的层10具有比层12大的面内晶格常数。显然，可以使用多种III族-氮化物材料来形成器件14，只要其界面可以形成导电沟道。器件14可以设置在绝缘的或高阻的衬底上，所述衬底通常由公知的材料形成，例如碳化硅、硅、蓝宝石和其他公知的衬底材料。
器件14、24可被构造为具有多种不同的几何形状，以实现欧姆接触17和26以及肖特基接触28。例如，接触28可以是环绕欧姆接触26的肖特基接触。接触28也可以被形成为环绕欧姆接触26的一部分，同时形成有槽或者蚀刻区域以限制电流以特定的方向流动或者流向器件24的特定区域。欧姆接触26和形成为肖特基接触的接触28还可以彼此相隔不同的距离，以增加或降低击穿电压和导通电阻参数。
现在参照图3，图3中以器件31为例示出了本发明的一个可选实施方案。除了接触38由绝缘层34上的导电材料形成之外，器件31与器件24(图2A-2E)基本相似。因此，接触38为绝缘接触而不是肖特基接触，并且可以包括任何类型的金属导体来操作器件31。保护层32提供与器件24相同的防止氮从III族-氮化物层30外扩散的抑制特征。
可以通过多种方法来制造欧姆接触14、26和36，例如淀积之前的注入、在欧姆淀积之前在层10、12或20、22或30、32的顶部淀积高掺杂的III族-氮化物材料、在欧姆接触19、26和36下方形成III族-氮化物超晶格结构、蚀刻层12、22或32、或上述沉积步骤的结合等。
本发明可应用于双向器件，从而提高了其灵活性和其适合的应用的数量。本发明也可用于HEFT，其中栅电极与源/漏电极之间短路。可以变化欧姆接触和肖特基接触之间的间隔以调整器件参数，例如导通电阻和击穿电压。接触的几何形状可以被形成为多种结构，例如肖特基材料环绕欧姆接触、两个肖特基接触环绕每个欧姆接触、具有蚀刻区域的非环绕肖特基以限制电流流向器件上的特定区域等。
现在参照图4，其中以器件70为例示出了本发明的另一个实施方案。器件70包括衬底72，衬底72由绝缘或高阻材料组成，例如蓝宝石、硅、碳化硅或其他适合的材料。电阻性的III族-氮化物材料层74覆盖在衬底72上，并且可选地包括介于层74和层72之间的缓冲层73。缓冲层73可被插入层74和72之间，以降低或者减轻由层72和74之间的晶格失配引起的应变。层74上覆盖有另一个III族-氮化物材料层75，层75具有小于层74的面内晶格常数。根据III族-氮化物材料的性质，在层74和75之间形成能够承载大量电流的2DEG。如图4所示，层74、75可包括GaN/AlGaN。
器件70还包括保护层76，保护层76保护下方的层，并且提供用于构图器件以形成接触和电极。器件70还包括接触77和78，其中接触77是肖特基接触，而接触78是欧姆接触。接触77、78以场电极(filedplate)设计的方式排列，其中接触的一部分延伸穿过绝缘层76以与层75接触。保护层76防止在器件70形成过程中的高温处理步骤中氮的外扩散。
由于在层74、75之间的界面处形成了高密度高迁移率2DEG，所得到的器件是名义上导通的整流器。2DEG通过压电和自发极化力的结合形成，从而形成超薄但具有高导电性的层和高电阻性的层。在层74和75之间界面形成的沟道可以承载极大的电流，而无需利用传统器件中通常采用的高掺杂区域。因此，在器件进行导电的正偏压方向，可以通过沟道传送大量的电流。
在反偏压的条件下，沟道内的可移动电荷被耗尽，从而沟道中没有电流流过，并且下方的层74的高阻特性防止电荷流入该层。在器件70的形成过程中采用保护层76通过在工艺过程中避免III族-氮化物材料表面的损坏而改善了器件的反向偏压操作。由于层74和75是未掺杂的，因此反偏条件下的器件产生低的电场。由于电场值较低，因此器件能够承受高电压，但是仍然提供低的正向偏压电阻。通过提供高导电性2DEG而不是掺杂的电流载体，器件70在给定的击穿电压下大大提高了RA乘积(RA product)。器件70的另一个特征是通过蚀刻层75来隔离器件的能力，这归因于层74的电阻特性。所有这些特征和优点使得能够在单个芯片上集成大量器件同时占用较少的面积，从而能够在小于传统器件的空间内形成具有一定复杂性的大功率器件。
可以通过公知技术来形成欧姆接触、肖特基接触、绝缘层以及金属化接触的结构。另外，可以将其他的钝化层和覆层，以及用于形成与电流承载电极和栅极的接触以提供最终器件的技术应用在本文中描述的器件上。
用于构成器件14、24、31和70的III族-氮化物材料典型地具有远优于传统材料的阻断特性，从而使得器件可以被构造为小于传统材料所允许的尺寸，同时保持工作参数值不变。由于器件可以以小于传统器件的尺寸实现以执行可相比拟的功能，因此可以实现降低的导通电阻，以获得提高的功率效率。由本发明所提供的改善的击穿电压特征使得能够进一步减小尺寸同时具有更高的功率效率。
另外，在此描述的电极可以通过低电阻欧姆接触工艺形成，从而进一步改善上述器件的工作特性。
虽然根据特定实施方案对本发明进行了描述，但是多种其他的修改和调整以及应用对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，本发明不受本文中特定公开的限制，而仅由所附权利要求所限定。
III族-氮化物器件，特别是GaN/AlGaN器件，在给定的器件中典型地具有用于控制电功率通量的一个或多个端子。施加在端子上的电势控制与终端耦接的导电沟道内的电流流量。所述导电沟道由两个不同半导体材料之间的至少一个异质界面限定。
当异质结器件的半导体材料由AlGaN/GaN材料组成并且AlGaN被用作势垒层时，出现由AlGaN的自发极化特性以及应变引入特征(即，通常所说的压电极化电场)产生的极化电荷。在III族-氮化物器件结构中对这些场的形成的控制导致了不同的特性，从而使GaN基的器件根据器件的设定特性适用于多种应用。
由GaN材料形成的异质结器件典型地包括设置在沟道层上的AlGaN势垒层以引入2DEG，2DEG在沟道中产生高浓度的电子，从而增强沟道的导电特性。由于在AlGaN/GaN层的界面处形成的2DEG的存在，基本地形成的III族-氮化物器件是名义上导通的，这是因为沟道的存在使得能够例如在电极之间传导电流。
现在参照图1A-1E，图1A-1E中示出了具有欧姆接触和栅电极的III族-氮化物器件14的形成工艺中的一系列步骤。器件14包括III族-氮化物层10，其可由多个III族-氮化物材料层组成，例如缓冲层、具有交替组分的超晶格层、或者组分渐变层(graded composition layer)。典型地，层10由GaN组成。
栅极绝缘层12形成在层10的上方，并由晶格常数小于层10的材料组成。典型地，层12由AlGaN形成。层12典型地使III族-氮化物器件钝化，但是在形成欧姆接触的高温工艺中经受氮的外扩散。
现在参照图1B，在层12中开有欧姆接触窗11，以提供能够到达层10以淀积欧姆接触的通道。可以通过公知技术实现层12上选定部分的构图和去除。
现在参照图1C，在淀积欧姆接触材料之前，在器件14上形成非挥发、非扩散的材料16。材料16覆盖层12除了欧姆接触窗11之外的区域，并且在欧姆接触窗11的底部覆盖层10。材料16可以是AIN、HfN、AlGaN、高掺杂的GaN、高掺杂的多晶GaN、LPCVD SiN、或者能够防止半导体表面12在退火步骤中不会产生外扩散以及不会受到损害的其他合适的材料。可以形成约到厚的高掺杂GaN层作为层16。在任何情况下，材料16的厚度可以近似为或更大。
可以在形成层10或12的生长过程中形成材料16。也可以在给定包括层10或12的预形成的结构的情况下，在分立的步骤中淀积材料16。在外延生长过程中形成材料16可以为后形成的器件提供性能上的优点，包括有助于根据所生长的材料16的结构提高器件的击穿电压。
一旦在层12上方、以及欧姆接触窗11内的层10上方淀积了层16，即可在层16上方淀积用于实现欧姆接触19的材料。淀积在层16上方以及欧姆接触窗11内的材料18可以是欧姆金属，并且可以例如由铝组成。可以通过用于形成欧姆接触材料的公知技术来淀积材料18。保护层16为欧姆接触19与层10的连接提供了导电路径，特别地，提供了到达层10和层12之间的界面的导电路径，以允许在界面处与导电沟道连接。因此，器件14的导电电阻不会由于层16的引入而显著增加。
在欧姆材料18的淀积过程中，执行退火步骤以使得欧姆材料形成欧姆接触19。在退火步骤中，氮通常从层10和12中扩散出，导致层10和12的表面受到损害以及导致这些层的材料中出现掺杂效应。然而，富含氮的保护层16的存在抵制了退火步骤中通常会发生的外扩散过程。因此，层10和12的表面免于受到本来在退火步骤中的外扩散过程中会发生的损害。通过提供保护以防止氮从层10和12中外扩散，大大改善了器件的性能，实现了更高的击穿电压。
现在参照图1D，在图案中淀积抗蚀材料13，以能够形成栅极15和欧姆接触17。在淀积了光致抗蚀剂层13后，例如通过蚀刻去除除了由光致抗蚀剂13保护的位置之外的材料18。所述去除或者蚀刻过程也去除了构图的光致抗蚀剂13下方的保护层16。
参照图1E，得到的栅极接触15和欧姆接触17通过保护层16的剩余部分连接到器件14的特定区域。保护层16的剩余部分在欧姆接触17和层10中的导电沟道之间形成了低电阻连接。注意，栅接触15也位于保护层16的顶上。然而，栅接触15可以通过其他技术形成，并且不依赖于保护层16。
在从器件未覆盖光致抗蚀剂13的区域中去除材料18后，剥离光致抗蚀剂13，对得到的结构进行低温退火。退火步骤中的温度约低于850℃，并且优选为约600℃。低温退火步骤激活欧姆接触17，以在层10和接触17中形成的导电沟道之间提供低电阻连接点。低温退火步骤使得层10和12的氮外扩散较少或者为零，从而避免了高温退火步骤中通常会遇到的损害。
现在参照图2A-2E，在图2A-2E中示出了根据本发明的器件的另一个实施方案，其被示出为器件24.图2A中器件24的初始结构具有III族-氮化物层20，其可由多层III族-氮化物结构形成，例如包括缓冲层、超晶格层或者组分渐变层.在图2A所示的初始步骤中，在层20上淀积有保护层22.保护层22可通过任何公知的技术形成，包括PECVD、LPCVD和溅射.保护层22可由多种材料组成，包括AIN、HfN、高掺杂的GaN、高掺杂的多晶GaN、LPCVD SiN、或者其他的III族-氮化物材料，包括AlGaN。层22相对较薄，以能够在保护层22与覆盖的欧姆材料之间的界面处的隧穿效应的作用下，通过欧姆材料形成低电阻接触。保护层的厚度可以在左右，或者可以近似为或更大，以形成低电阻接触，从而利用界面处的隧道效应。可以在形成层20的生长过程中形成保护层22。也可以在给定包括层20的预形成的结构的情况下，在分立的步骤中淀积保护层22。如果在外延生长过程中形成保护层22，则可以为后形成的器件提供性能上的某些优点，包括由于保护层22的结构而使器件的击穿电压提高。
现在参照图2B，在保护层22中开有欧姆接触窗21，以形成欧姆接触。可以通过任何类型的公知构图和材料去除技术来形成欧姆接触窗21。欧姆接触窗21提供了到达III族-氮化物层20的通路，以及到达III族-氮化物层20中的导电沟道的通路。
现在参照图2C，在保护层22和III族-氮化物层20上淀积欧姆接触26，从而通过欧姆接触窗21实现与III族-氮化物层20的接触。欧姆接触26的形成过程包括高温步骤，所述高温步骤通常会导致III族-氮化物层20中的氮外扩散，从而在III族-氮化物层20的表面区域内产生损害或缺陷。然而保护层22的存在降低或消除了氮从III族-氮化物层20中的外扩散，从而消除了在层20的表面区域内经常可以观察到的损坏。
现在参照图2D，在形成了欧姆接触26之后，形成肖特基接触窗25以将III族-氮化物层20从保护层22中暴露出来。在图2E中，肖特基接触28穿过肖特基接触窗25淀积，并且提供与III族-氮化物层20所形成的导电沟道的接触。保护层22还防止从III族-氮化物层20向外扩散，以提高器件24的性能。例如，可以保护漂移区27免于表面击穿，或者出现掺杂效应，而这种情况通常会由于氮从III族-氮化物层20中外扩散而发生。另外，还可以防止区域29出现通常会由氮从III族-氮化物层20中的外扩散而导致的电场聚集。典型地，进行低温退火步骤以激活欧姆接触26，保护层22的存在使得可以在较低的温度下进行退火，例如850℃，或者优选为例如600℃。
上述钝化/保护层可通过化学计量(stoichometric)的或非化学计量的方法淀积形成，所述方法包括PECVD和溅射淀积。保护层优选地包括薄N+GaN，也可以使用多种其他的材料。所得到的器件的电压阻断特性几倍于不具有保护层的器件(包括公知的不具有表面保护层的肖特基整流器或氮化镓器件)的特性。该钝化/保护层可通过降低或完全消除外扩散、或者通过补充提供外扩散的氮来防止氮从下方的层中向外扩散。该钝化/保护层可以通过提供其自身的氮外扩散来作为富含氮的阱，以平衡外扩散。因此该钝化/保护层可以被认为是用于实现所得到的器件的表面保护和钝化的封装物。不需要将钝化层从完成的器件上去除，从而所得到的器件的全部暴露表面是被钝化的。
根据本发明的技术，可以形成多种器件，包括肖特基二极管、诸如扩散致窄电阻的限流器件等。典型地，在制造过程中会经受氮外扩散现象，从而使得介质击穿阈值降低的任何类型的半导体器件都能够从本发明的技术中获益。本发明优选用于III族-氮化物材料系，所述材料系包括AIN、GaN、InN化合物以及这些材料的合金。保护层可以由任何非挥发、非扩散的材料形成，例如AlN、HfN、或者淀积在暴露的表面上、以保护半导体表面在退火或其他高温过程中不会产生氮外扩散的其他合适的材料。
器件14的层10具有比层12大的面内晶格常数。显然，可以使用多种III族-氮化物材料来形成器件14，只要其界面可以形成导电沟道。器件14可以设置在绝缘的或高阻的衬底上，所述衬底通常由公知的材料形成，例如碳化硅、硅、蓝宝石和其他公知的衬底材料。
器件14、24可被构造为具有多种不同的几何形状，以实现欧姆接触17和26以及肖特基接触28。例如，接触28可以是环绕欧姆接触26的肖特基接触。接触28也可以被形成为环绕欧姆接触26的一部分，同时形成有槽或者蚀刻区域以限制电流以特定的方向流动或者流向器件24的特定区域。欧姆接触26和形成为肖特基接触的接触28还可以彼此相隔不同的距离，以增加或降低击穿电压和导通电阻参数。
现在参照图3，图3中以器件31为例示出了本发明的一个可选实施方案。除了接触38由绝缘层34上的导电材料形成之外，器件31与器件24(图2A-2E)基本相似。因此，接触38为绝缘接触而不是肖特基接触，并且可以包括任何类型的金属导体来操作器件31。保护层32提供与器件24相同的防止氮从III族-氮化物层30外扩散的抑制特征。
可以通过多种方法来制造欧姆接触14、26和36，例如淀积之前的注入、在欧姆淀积之前在层10、12或20、22或30、32的顶部淀积高掺杂的III族-氮化物材料、在欧姆接触19、26和36下方形成III族-氮化物超晶格结构、蚀刻层12、22或32、或上述沉积步骤的结合等。
本发明可应用于双向器件，从而提高了其灵活性和其适合的应用的数量。本发明也可用于HEFT，其中栅电极与源/漏电极之间短路。可以变化欧姆接触和肖特基接触之间的间隔以调整器件参数，例如导通电阻和击穿电压。接触的几何形状可以被形成为多种结构，例如肖特基材料环绕欧姆接触、两个肖特基接触环绕每个欧姆接触、具有蚀刻区域的非环绕肖特基以限制电流流向器件上的特定区域等。
现在参照图4，其中以器件70为例示出了本发明的另一个实施方案。器件70包括衬底72，衬底72由绝缘或高阻材料组成，例如蓝宝石、硅、碳化硅或其他适合的材料。电阻性的III族-氮化物材料层74覆盖在衬底72上，并且可选地包括介于层74和层72之间的缓冲层73。缓冲层73可被插入层74和72之间，以降低或者减轻由层72和74之间的晶格失配引起的应变。层74上覆盖有另一个III族-氮化物材料层75，层75具有小于层74的面内晶格常数。根据III族-氮化物材料的性质，在层74和75之间形成能够承载大量电流的2DEG。如图4所示，层74、75可包括GaN/AlGaN。
器件70还包括保护层76，保护层76保护下方的层，并且提供用于构图器件以形成接触和电极。器件70还包括接触77和78，其中接触77是肖特基接触，而接触78是欧姆接触。接触77、78以场电极(filedplate)设计的方式排列，其中接触的一部分延伸穿过绝缘层76以与层75接触。保护层76防止在器件70形成过程中的高温处理步骤中氮的外扩散。
由于在层74、75之间的界面处形成了高密度高迁移率2DEG，所得到的器件是名义上导通的整流器。2DEG通过压电和自发极化力的结合形成，从而形成超薄但具有高导电性的层和高电阻性的层。在层74和75之间界面形成的沟道可以承载极大的电流，而无需利用传统器件中通常采用的高掺杂区域。因此，在器件进行导电的正偏压方向，可以通过沟道传送大量的电流。
在反偏压的条件下，沟道内的可移动电荷被耗尽，从而沟道中没有电流流过，并且下方的层74的高阻特性防止电荷流入该层。在器件70的形成过程中采用保护层76通过在工艺过程中避免III族-氮化物材料表面的损坏而改善了器件的反向偏压操作。由于层74和75是未掺杂的，因此反偏条件下的器件产生低的电场。由于电场值较低，因此器件能够承受高电压，但是仍然提供低的正向偏压电阻。通过提供高导电性2DEG而不是掺杂的电流载体，器件70在给定的击穿电压下大大提高了RA乘积(RA product)。器件70的另一个特征是通过蚀刻层75来隔离器件的能力，这归因于层74的电阻特性。所有这些特征和优点使得能够在单个芯片上集成大量器件同时占用较少的面积，从而能够在小于传统器件的空间内形成具有一定复杂性的大功率器件。
可以通过公知技术来形成欧姆接触、肖特基接触、绝缘层以及金属化接触的结构。另外，可以将其他的钝化层和覆层，以及用于形成与电流承载电极和栅极的接触以提供最终器件的技术应用在本文中描述的器件上。
用于构成器件14、24、31和70的III族-氮化物材料典型地具有远优于传统材料的阻断特性，从而使得器件可以被构造为小于传统材料所允许的尺寸，同时保持工作参数值不变。由于器件可以以小于传统器件的尺寸实现以执行可相比拟的功能，因此可以实现降低的导通电阻，以获得提高的功率效率。由本发明所提供的改善的击穿电压特征使得能够进一步减小尺寸同时具有更高的功率效率。
另外，在此描述的电极可以通过低电阻欧姆接触工艺形成，从而进一步改善上述器件的工作特性。
虽然根据特定实施方案对本发明进行了描述，但是多种其他的修改和调整以及应用对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，本发明不受本文中特定公开的限制，而仅由所附权利要求所限定。