[发明专利]具有由氮化物半导体制成的缓冲层的半导体器件

说明书

技术领域

本文中的公开内容涉及半导体器件和制造半导体器件的方法。

背景技术

氮化物半导体具有高饱和电子速度和宽带隙。专注于这样的特性，已经在进行将氮化物半导体应用于高电压和高功率的半导体器件方面的研究。氮化物半导体GaN具有3.4eV的带隙，其高于Si的带隙(其为1.1eV)和GaAs的带隙(其为1.4eV)。此外，GaN具有高的击穿场强。因此，氮化物半导体(如GaN)非常有望用作用于高电压操作和产生高功率的电源装置的半导体器件材料。

关于使用氮化物半导体的半导体器件，已经在大量报道中对场效应晶体管、特别是高电子迁移率晶体管(即HEMT)做了描述。对GaN HEMT的关注主要涉及使用GaN作为电子渡越层和使用AlGaN作为电子供给层的AlGaN/GaN HEMT。在AlGaN/GaN HEMT中，由于GaN和AlGaN之间的晶格常数差，所以在AlGaN中出现了应变。以这种方式生成的压电极化之差和AlGaN自身诱导的极化导致高密度的2DEG(即，二维电子气)的生成。因此，预期可以获得高效开关器件和高压功率器件。从电路设计和安全角度来说，期望提供一种具有常断特性的氮化物半导体晶体管。

通过使用MOVPE(即，金属有机气相外延)在衬底上形成氮化物半导体的电子沟道层和电子供给层来制造氮化物半导体晶体管。衬底可以由蓝宝石、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、硅(Si)等制成。硅衬底的使用通过提供廉价的、大量的衬底实现了显著的成本降低。

然而，用于硅衬底的硅具有与形成氮化物半导体层的氮化物半导体显著不同的晶格常数和热膨胀常数。由于硅与氮化物半导体之间的晶格常数和热膨胀常数大的差异，所以硅衬底可以容易地形成畸变并且氮化物半导体层可以容易地遭受裂纹。因此，难以增加氮化物半导体层的厚度。禁止增加氮化物半导体层的厚度妨碍了提高半导体器件的击穿电压和降低位错密度的努力。这削弱了使用氮化物半导体的最初目的——提高半导体器件的击穿电压。

用于增加氮化物半导体层的厚度同时避免出现衬底畸变和裂纹的方法包括形成具有阶梯式Al组成的AlGaN缓冲结构和形成SLS(即，应变层超晶格)缓冲结构。更具体地说，在硅衬底上形成具有这样的缓冲结构的缓冲层，然后在缓冲层上通过使用氮化物半导体形成电子沟道层和电子供给层。具有阶梯式Al组成的AlGaN缓冲结构的缓冲层具有其中逐个地堆叠多个AlGaN层的结构，多个AlGaN层具有分别不同的Al组成。具有SLS缓冲结构的缓冲层具有其中逐个地反复堆叠GaN薄膜和AlN薄膜的结构。

具有这些缓冲结构的任何一种的缓冲层具有对由GaN制成的电子沟道层大的压应变，这抵消了在膜形成后的温度下降过程期间在整个氮化物半导体层中生成的强的拉伸应变。结果，抑制了畸变和裂纹被。

上述缓冲结构必然具有复杂的结构，造成形成缓冲层所需的时间长度增加，进而导致产量下降。此外，含有昂贵的有机金属材料的原材料的量增加，造成所制造的半导体器件更加昂贵。

因此，期望提供一种半导体器件和制造半导体器件的方法，其中在硅衬底等上形成氮化物半导体，使得硅衬底等中的畸变和氮化物半导体层中的裂纹被抑制，并且使得在低成本下实现了满意的特性。

[专利文献1]日本公开特许公报第2012-023314号

[专利文献2]日本公开特许公报第2007-067077号

发明内容

根据本实施方案的一个方面，一种半导体器件，包括：在衬底上由氮化物半导体制成的缓冲层；在缓冲层上由氮化物半导体制成的第一半导体层；在第一半导体层上由氮化物半导体制成的第二半导体层；以及形成在第二半导体层上的栅电极、源电极和漏电极，其中缓冲层具有掺杂于其中的包括选自C、Mg、Fe和Co的元素以及选自Si、Ge、Sn和O的元素两者的元素。

根据本实施方案的一个方面，一种制造半导体器件的方法，包括：在衬底上形成由氮化物半导体制成的缓冲层；在缓冲层上形成由氮化物半导体制成的第一半导体层；在第一半导体层上形成由氮化物半导体形成的第二半导体层；以及在第二半导体层上形成栅电极、源电极和漏电极，其中缓冲层具有掺杂于其中的包括选自C、Mg、Fe和Co的元素以及选自Si、Ge、Sn和O的元素两者的元素。

附图说明

图1A和图1B是示出了由于形成GaN层后的热收缩而产生的衬底在边缘处向上弯曲的翘曲的图；

图2是示出了为研究翘曲而制造的测试材料的结构的图；

图3是示出了掺杂在缓冲层中的Si的密度与衬底在边缘处向下弯曲的翘曲之间的关系的图；