[发明专利]半导体器件及制造方法

说明书

技术领域

本文中讨论的实施方案涉及半导体器件及其制造方法。

背景技术

诸如氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)的氮化物半导体或者由GaN、AlN和InN的混合晶体形成的材料通常具有宽的带隙。这些材料被用作大功率电子器件、短波长发光器件或类似器件。其中，作为大功率器件(例如，专利文件1)，已经开发了与场效应晶体管(FET)(具体地，与高电子迁移率晶体管(HEMT))相关联的技术。包括氮化物半导体的高电子迁移率晶体管(HEMT)可以被用于大功率和高效率放大器、大功率开关器件或类似器件。

具有氮化物半导体的HEMT通常包括形成在衬底上的氮化铝镓/氮化镓(AlGaN/GaN)异质结构，其中GaN层用作电子传输层。注意，衬底可以由蓝宝石、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、硅(Si)或类似材料形成。

GaN是氮化物半导体中的一种，具有高饱和电子速度或宽带隙。因此，GaN能够获得优良的耐压性并且表现出优异的电特性。由于GaN的晶体结构是六方晶形纤维锌矿结构，所以GaN沿平行于c轴的[0001]方向被极化(纤维锌矿形式)。此外，当形成AlGaN/GaN异质结构时，AlGaN与GaN之间的晶格应变可能引起压电极化。结果，在用作沟道的GaN层的界面附近可产生高浓度的二维电子气(2DEG)。因此，可以开发出利用GaN的高电子迁移率晶体管(HEMT)作为潜在的大功率器件。

但是，当利用GaN的高电子迁移率晶体管(HEMT)处于小于或等于夹断电压的断开状态时，电流可以穿过电子传输层的位于栅电极正下方的下部，使得电流可能从漏电极侧泄漏到源电极侧。具体地，如图1所示，具有GaN的HEMT包括形成在衬底911上的缓冲层912、电子传输层913以及电子供给层914。HEMT还包括在电子供给层914上的栅电极921、源电极922和漏电极923。注意，电子传输层913由GaN形成，电子供给层914由AlGaN形成。因此，在电子传输层913与电子供给层914之间的界面附近形成了2DEG 913a。

通常，电子传输层913形成为使得电子传输层913充分厚以确保结晶度。但是，当电子传输层913厚的时候，由施加到栅电极921的电压产生的电场可能不能到达栅电极921正下方的区域的部分或区域，这可能加剧在电子传输层913的下部中的漏电流的产生。即，通过向栅电极921等施加栅电压而形成的耗尽区域919可能不能到达电子传输层913的下部，这可能加剧沿图1中示出的电子传输层913的下部中沿箭头指示的方向的漏电流的产生。当在用作大功率放大器的具有GaN的HEMT中这样的漏电流增加时，可能降低放大效率。

此外，由于高浓度的二维电子气(2DEG)，具有GaN的HEMT通常易于处于常通状态。因此，具有GaN的HEMT不能容易地获得常断特性。当前的功率电子器件市场中的许多半导体器件具有常断特性。因此，考虑到具有GaN的HEMT与半导体器件之间的相容性，非常优选的是具有GaN的HEMT具有常断特性。

相应地，公开了用于控制漏电流的多种方法。例如，可以通过减薄由GaN形成的电子传输层913或通过将用作受体的杂质如Mg或Fe掺杂到电子传输层913的下部以增加电子传输层913下部的电阻来控制漏电流(例如，专利文件1)。此外，公开了用于维持常断状态的多种方法。例如，通过在电子供给层与栅电极之间形成掺杂Mg的低电阻p型GaN层，使得可以通过由低电阻p型GaN层供给的空穴来抑制栅电极正下方的2DEG的产生，可以维持常断状态(例如，专利文件2)。

相关技术文件

专利文件1：日本公开特许公报号2002-359256

专利文件2：日本公开特许公报号2010-135641

非专利文件1：Journal of Crystal Growth 248(2003)513

然而，在维持期望的结晶度的同时降低电子传输层913的厚度可能非常困难，原因是电子传输层913的变薄可能增加导通电阻。此外，如图2所示，当在电子传输层913的下方形成掺杂有p型杂质元素如Mg的p-GaN层931时，由于Mg向GaN的扩散敏感性，所以已经掺杂在p-GaN层931中的Mg可能扩散到电子传输层913中。结果，由于Mg扩散到电子传输层913中，所以在电子传输层913中形成了Mg扩散区913b，这可能因为电子传输层913中的2DEG浓度降低或电子迁移率降低而使HEMT的特性劣化。注意，图2示出了具有GaN的HEMT的状态，其中由于Mg扩散到电子传输层913中而消除了2DEG。