[发明专利]化合物半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本文中讨论的实施方案涉及化合物半导体器件及其制造方法。

背景技术

近年来，积极地开发了其中GaN层和AlGaN层依次布置在衬底之上以及其中使用GaN层作为电子传输层的电子器件(化合物半导体器件)。这种化合物半导体器件之一是GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)。使用GaN HEMT作为用于电源的变频器的开关不仅能够降低导通电阻而且能够增强介电强度。此外，与Si晶体管相比，GaN HEMT可以降低待机功耗并且可以增加工作频率。这些能够降低开关损耗并且能够降低变频器的功耗。与在性能上与GaN HEMT相当的Si晶体管相比，GaN HEMT能够缩小尺寸。

在包括用作电子传输层的GaN层以及用作电子供给层的AlGaN层的GaN HEMT中，在AlGaN层中引起了由于在AlGaN层与GaN层之间的晶格常数差而产生的应变。因此，出现了压电极化并且获得了高浓度二维电子气(2DEG)。相应地，所述GaN HEMT适用于大功率器件应用。

然而，很难生产具有良好的结晶性的GaN衬底。因此，例如，常规的GaN化合物半导体层如GaN层和AlGaN层主要通过异质外延生长而形成在Si衬底、蓝宝石衬底或SiC衬底之上。特别地，大尺寸、高质量的Si衬底容易以低成本获得。因此，通过在Si衬底之上生长GaN层和AlGaN层而形成的结构正被积极地研究。

然而，GaN层、AlGaN层以及Si衬底之间的热膨胀系数存在大的差异。另一方面，高温处理被用于外延生长GaN层和AlGaN层。因此，在某些情况下在这样的高温处理期间，由于热膨胀系数的差而使Si衬底变得翘曲或开裂。为了解决由这样的热膨胀系数之差导致的问题，研究了下列技术：一种用于在GaN层、AlGaN层以及Si衬底之间设置缓冲层的技术，该缓冲层具有其中组成彼此不同的两种类型的化合物半导体层交替地堆叠的超晶格结构。

然而，在常规的包括具有超晶格结构的缓冲层的化合物半导体器件中，难以充分地抑制开裂、翘曲等。此外，难以使得形成在这样的超晶格结构上的电子传输层和电子供给层具有良好的结晶性。

还研究了下列的技术：一种用于形成具有与在Si衬底的背面上的GaN化合物半导体层的热膨胀系数接近的热膨胀系数的层的技术。然而，对于这种常规技术，在形成该层时出现了翘曲等。因为在形成电子传输层和电子供给层期间这种翘曲的出现引起衬底温度的变化，所以难以获得期望的性能。

日本公开特许公报第2010-228967号和第2011-119715号是相关技术的例子。

发明内容

实施方案的一个目的是提供一种化合物半导体器件，所述化合物半导体器件能够抑制由于材料之间热膨胀系数的差异而引起的开裂等。

根据实施方案的一个方面，一种化合物半导体器件包括：衬底；设置在所述衬底之上的GaN化合物半导体多层结构；以及基于AlN的并且设置在所述衬底与所述GaN化合物半导体多层结构之间的应力消除层，其中，所述应力消除层的与GaN化合物半导体多层结构接触的表面包括以2×10¹⁰cm^-2或更大的数目密度形成的并且深度为5nm或更大的凹部。

附图说明

图1是描绘根据第一实施方案的化合物半导体器件的构造的图示；

图2A和2B是描绘根据第一实施方案的化合物半导体器件的作用的图示；

图3A至图3C是描述表面轮廓与偏度(skewness)Rsk之间的关系的图；

图4A和图4B是描绘根据第二实施方案的GaN HEMT的构造的图；

图5A至图5D是依次地示出用于制造根据第二实施方案的GaN HEMT的方法的操作的截面图；

图6是示出第二实施方案的修改方案的截面图；

图7是描绘大功率放大器的外观的示例的图示；

图8A和图8B是描绘电源系统的图示；

图9A至图9C是示出了通过分析应力消除层的表面轮廓获得的结果的曲线图；以及

图10A和10B是示出凹部的深度、翘曲的大小以及裂纹的长度之间的关系的曲线图；

具体实施方式

在下文中，将参考附图对实施方案进行详细描述。

(第一实施方案)

现在描述第一实施方案。图1是描绘根据第一实施方案的化合物半导体器件的构造的图示。