CN104916633A - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够提高栅极的导通电压的半导体装置。实施方式的半导体装置具备：第一氮化物半导体层；第二氮化物半导体层，设置在第一氮化物半导体层上，禁带宽度比第一氮化物半导体层的禁带宽度大；源极电极，设置在第二氮化物半导体层上；漏极电极，设置在第二氮化物半导体层上；第三氮化物半导体层，设置在源极电极与漏极电极之间的第二氮化物半导体层上，由高杂质浓度层和低杂质浓度层交替层叠而成，该高杂质浓度层含有p型杂质，该低杂质浓度层与高杂质浓度层相比p型杂质的浓度更低且禁带宽度更大，该第三氮化物半导体层的最下层以及最上层是高杂质浓度层；以及栅极电极，设置在第三氮化物半导体层上。

Description

半导体装置

本申请主张以日本专利申请2014－52734号(申请日：2014年3月14日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的全部内容。

技术领域

本发明的实施方式涉及半导体装置。

背景技术

在开关电源、逆变器等的电路中，使用开关元件、二极管等半导体元件。这些半导体元件要求高耐压、低导通电阻。并且，耐压与导通电阻的关系具有由元件材料决定的折衷(trade off)关系。

由于至今为止的技术开发的进步，半导体元件实现了接近作为主元件材料的硅的极限的低导通电阻。为了进一步降低导通电阻，需要变更元件材料。通过使用GaN、AlGaN等氮化物半导体或碳化硅(SiC)等宽禁带宽度半导体作为开关元件材料，能够改善由材料决定的折衷关系，显著实现低导通电阻。

在使用了GaN、AlGaN等氮化物半导体的元件中，作为可得到低导通电阻的元件，例如可以举出使用了AlGaN/GaN异质结构的HEMT(HighElectron Mobility Transistor：高电子迁移率晶体管)。HEMT通过异质结界面沟道的高迁移率和由极化产生的高电子浓度，实现低导通电阻。

但是，HEMT由于通过极化产生电子，所以在栅极电极下也存在高浓度的电子。因此，通常，会成为阈值电压为负的常开型元件。从安全动作方面来看，希望阈值电压为正的常关型元件。并且，在常关型元件中，为了使导通电流增加，希望提高栅极的导通电压。

发明内容

本发明提供一种能够提高栅极的导通电压的半导体装置。

本发明的一个方式的半导体装置，具备：第一氮化物半导体层；第二氮化物半导体层，设置在上述第一氮化物半导体层上，禁带宽度比上述第一氮化物半导体层的禁带宽度大；源极电极，设置在上述第二氮化物半导体层上；漏极电极，设置在上述第二氮化物半导体层上；第三氮化物半导体层，设置在上述源极电极与上述漏极电极之间的上述第二氮化物半导体层上，由高杂质浓度层和低杂质浓度层交替层叠，该高杂质浓度层含有p型杂质，该低杂质浓度层与上述高杂质浓度层相比上述p型杂质的浓度更低且禁带宽度更大，该第三氮化物半导体层的最下层以及最上层是上述高杂质浓度层；以及栅极电极，设置在上述第三氮化物半导体层上。

附图说明

图1是实施方式的半导体装置的示意剖面图。

具体实施方式

本说明书中，对于相同或类似的部件附加同一符号，有将重复的说明省略的情况。

本说明书中，“氮化物半导体”是指例如GaN类半导体。GaN类半导体是指GaN(氮化镓)、AlN(氮化铝)、InN(氮化铟)以及具备它们的中间组份的半导体的总称。

本说明书中，“非掺杂”表示没有有意地导入杂质。

实施方式的半导体装置具备：第一氮化物半导体层；第二氮化物半导体层，设置在第一氮化物半导体层上，禁带宽度比第一氮化物半导体层的禁带宽度大；源极电极，设置在第二氮化物半导体层上；漏极电极，设置在第二氮化物半导体层上；第三氮化物半导体层，设置在源极电极与漏极电极之间的第二氮化物半导体层上，由高杂质浓度层和低杂质浓度层交替层叠而成，该高杂质浓度层含有p型杂质，该低杂质浓度层与高杂质浓度层相比p型杂质的浓度更低且禁带宽度更大，该第三氮化物半导体层的最下层以及最上层是高杂质浓度层；以及栅极电极，设置在第三氮化物半导体层上。

图1是本实施方式的半导体装置的示意剖面图。本实施方式的半导体装置是使用GaN类半导体的HEMT。

如图1所示，半导体装置(HEMT)100具备基板10、缓冲层12、沟道层(第一氮化物半导体层)14、势垒(barrier)层(第二氮化物半导体层)16、源极电极18、漏极电极20、上覆层(cap layer)(第三氮化物半导体层)22以及栅极电极26。

基板10例如由硅(Si)形成。除了硅以外，例如也可以应用蓝宝石(Al₂O₃)或碳化硅(SiC)。

在基板10上设有缓冲层12。缓冲层12具备缓和基板10与沟道层14之间的晶格不匹配的功能。缓冲层12例如由氮化铝镓(Al_WGa_1－WN(0＜W＜1))的多层结构形成。

在缓冲层12上设有沟道层14。沟道层14例如是非掺杂的Al_ZGa_1－ZN(0≦Z＜1)。更具体而言，例如是非掺杂的GaN。沟道层14的膜厚例如大于等于0.5μm并且小于等于3μm。

在沟道层14上设有势垒层16。势垒层16的禁带宽度比沟道层14的禁带宽度大。势垒层16例如是非掺杂的Al_UGa_1－UN(0＜U≦1，Z＜U)。更具体而言，例如是非掺杂的Al_0.20Ga_0.80N。势垒层16的膜厚例如大于等于20nm且小于等于50nm。

沟道层14与势垒层16之间成为异质结界面。在HEMT100的导通动作时，在异质结界面形成二维电子气而成为载流子。

在势垒层16上形成有源极电极18和漏极电极20。源极电极18和漏极电极20例如是金属电极，金属电极例如是以铝(Al)为主成分的电极。源极电极18及漏极电极20与势垒层16之间优选是欧姆接触。源极电极18与漏极电极20之间的距离例如是18μm左右。

在势垒层16上的源极电极18与漏极电极20之间设有上覆层22。上覆层22具备将沟道层14的电势抬升、使HEMT100的阈值上升的功能。

上覆层22具备由高杂质浓度层22a与低杂质浓度层22b交替层叠的结构。上覆层22的最下层以及最上层是高杂质浓度层22a。

图1中例示出高杂质浓度层22a是3层、低杂质浓度层22b是2层的情况，但层数不限于3层和2层。此外，高杂质浓度层22a的组份、p型杂质浓度、以及膜厚也可以按每层而不同。同样，低杂质浓度层22b的组份、p型杂质浓度、以及膜厚也可以按每层而不同。

高杂质浓度层22a中含有p型杂质。p型杂质例如是Mg(镁)。从使HEMT100的阈值上升的观点来看，高杂质浓度层22a的p型杂质浓度优选大于等于1×10¹⁸atoms/cm³。

此外，从使上覆层22与栅极电极26之间的结为欧姆接触的观点来看，优选的是，上覆层22中的p型杂质的浓度在与栅极电极26相接的最上层的高杂质浓度层22a中最大。最上层的高杂质浓度层22a的p型杂质浓度优选大于等于1×10¹⁹atoms/cm³。

高杂质浓度层22a例如是p型的Al_XGa_1－XN(0≦X＜1)。更具体而言，例如是p型GaN。高杂质浓度层22a的膜厚例如大于等于1nm且小于等于10nm。高杂质浓度层22a是单晶。

杂质浓度例如能够通过SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry：次级离子质谱法)来分析。

低杂质浓度层22b的p型杂质浓度比高杂质浓度层22a的p型杂质浓度低。此外，低杂质浓度层22b的禁带宽度比高杂质浓度层22a的禁带宽度大。

低杂质浓度层22b例如是非掺杂的Al_YGa_1－YN(0＜Y≦1，X＜Y)。更具体而言，例如是非掺杂的Al_0.40Ga_0.60N。低杂质浓度层22b的膜厚例如大于等于1nm且小于等于10nm。低杂质浓度层22b是单晶。

在上覆层22上设有栅极电极26。栅极电极26例如是金属电极。金属电极例如是做成铂(Pt)和金(Au)的层叠结构的电极。栅极电极26与最上层的高杂质浓度层22a之间优选是欧姆接触。

接着，说明本实施方式的半导体装置的制造方法的一例。

首先，准备基板10、例如Si基板。接着，例如，在Si基板上通过外延生长使缓冲层12生长。

接着，在缓冲层12上，通过外延生长来形成作为沟道层14的非掺杂的GaN、作为势垒层16的非掺杂的Al_0.20Ga_0.80N。

接着，通过外延生长使作为高杂质浓度层22a的p型GaN、作为低杂质浓度层22b的非掺杂的Al_0.40Ga_0.60N交替地连续成膜，从而形成上覆层22。

上覆层22例如在势垒层16表面形成被进行了构图的绝缘膜，在势垒层16表面选择性地生长。

接着，在势垒层16表面，通过金属膜的成膜和构图，形成源极电极18以及漏极电极20。此外，通过金属膜的成膜和构图，在上覆层22上形成栅极电极26。

通过上述制造方法，制造图1所示的半导体装置100。

接着，说明本实施方式的半导体装置100的作用以及效果。

本实施方式的HEMT100中，在栅极电极26的正下方，存在含有p型杂质的上覆层22，从而沟道层14的电势抬升。因此，抑制二维电子气的发生，与不存在上覆层22的情况相比，HEMT100的阈值上升。当异质结界面的导带下端的能量与费米能级相比在高能量侧时，即使栅极电压为0V，沟道层14也耗尽，HEMT100成为常关动作。

为了使HEMT100的导通电流增加，优选使导通动作时对栅极电极26施加的栅极的导通电压增大。然而，若导通动作时的栅极的导通电压变得过大，则例如在源极电极18与栅极电极26之间流过的栅极漏电流增大，有可能产生耗电增大或动作故障。

若增大上覆层22的禁带宽度，则势垒层16与上覆层22之间的pn结的正向的开启(日语：立ち上がり)电压上升，结果，有可能提升栅极的导通电压。

另一方面，对于GaN类半导体来说，禁带宽度越大，p型杂质的活化率越低，越难以形成p型半导体。例如，对GaN和AlGaN、GaN和AlN进行比较，则禁带宽度较小的GaN的p型杂质的活化率更高。因此，禁带宽度大的半导体难以提高p型杂质浓度而抬升沟道层14的电势。

在本实施方式中，使禁带宽度小的高杂质浓度层22a和禁带宽度大的低杂质浓度层22b层叠。根据该结构，在p型杂质的活化率高的高杂质浓度层22a的作用下，使上覆层22整体的p型杂质浓度提高。并且，在禁带宽度大的低杂质浓度层22b的作用下，使上覆层22整体的禁带宽度增大。

因而，作为上覆层22整体，能够实现禁带宽度大且p型杂质浓度高的氮化物半导体层。因而，能够实现进行常关动作且栅极的导通电压高的HEMT100。

低杂质浓度层22b的膜厚优选大于等于1nm且小于等于10nm，更加优选大于等于2nm且小于等于6nm。

若低杂质浓度层22b的膜厚低于上述范围，则难以使上覆层22整体的禁带宽度增大。此外，若高于上述范围，则上覆层22整体的p型杂质浓度有可能不足。

高杂质浓度层22a的膜厚优选大于等于1nm且小于等于10nm，更加优选大于等于2nm且小于等于6nm。

若高杂质浓度层22b的膜厚低于上述范围，则难以使上覆层22整体的p型杂质浓度增大。此外，若高于上述范围，则上覆层22整体的禁带宽度有可能变得过小。

此外，从为了使上覆层22具备使高杂质浓度层22a和低杂质浓度层22b各自的性质平均化的特性的观点来看，上覆层22的低杂质浓度层22b以及高杂质浓度层22b各自的膜厚优选小于等于10nm。此外，从为了使上覆层22具备使高杂质浓度层22a和低杂质浓度层22b各自的性质平均化的特性的观点来看，上覆层22优选成为超晶格结构。

此外，优选的是，上覆层(第三氮化物半导体层)22的平均铝组份比势垒层(第二氮化物半导体层)16的平均铝组份低。若上覆层22的禁带宽度比势垒层16的禁带宽度宽，则有可能栅极电极26正下方的压电极化量变大，HEMT100的阈值降低。

上覆层22的平均铝组份通过将各高杂质浓度层22a的铝组份与膜厚的积、和各低杂质浓度层22b的铝组份与膜厚之积的总和、除以上覆层22的膜厚而求出。

例如，设高杂质浓度层22a的第i(1≦i)层的组份用Al_XiGa_1－XiN表示，膜厚用Tai表示，低杂质浓度层22b的第i(1≦i)层的组份用Al_YiGa_1－YiN表示，膜厚用Tbi表示，则在高杂质浓度层22a为n层(1≦i≦n)的情况下，上覆层22的铝平均组份用下式表示。

$\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Xi}\·\mathrm{Tai}+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Yi}\·\mathrm{Tbi}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Tai}+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Tbi}}$

因而，例如，若设势垒层16的组份用Al_UGa_1－UN表示，则优选的是满足下式。

$\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Xi}\&CenterDot;\mathrm{Tai}+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Yi}\&CenterDot;\mathrm{Tbi}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Tai}+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Tbi}}<U$

另外，上覆层22的平均铝组份能够通过基于SIMS的膜厚方向的组份分析而求出。此外，例如，在上覆层22为超晶格结构的情况下，还能通过光致发光法(photoluminescence method)法求出。

如以上那样，根据本实施方式，提供一种能够进行常关动作且栅极的导通电压提高的HEMT100。

在实施方式中，作为氮化物半导体层的材料，以GaN、AlGaN为例进行了说明，但例如也可以应用含有铟(In)的InGaN、InAlN、InAlGaN。此外，作为氮化物半导体层的材料，也可以应用AlN。

此外，在实施方式中，作为势垒层，以非掺杂的AlGaN为例进行了说明，但也可以应用n型的AlGaN。

说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意欲限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其它各种形态实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。例如，可以将一个实施方式的构成要素与其它实施方式的构成要素替换或变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨中，并且包含在权利要求所记载的发明及其等同范围内。

符号说明

14   沟道层(第一氮化物半导体层)

16   势垒层(第二氮化物半导体层)

18   源极电极

20   漏极电极

22   上覆层(第三氮化物半导体层)

22a  高杂质浓度层

22b  低杂质浓度层

26   栅极电极

100  HEMT(半导体装置)

Claims (8)

1.一种半导体装置，其特征在于，具备：

第一氮化物半导体层；

第二氮化物半导体层，设置在上述第一氮化物半导体层上，禁带宽度比上述第一氮化物半导体层的禁带宽度大；

源极电极，设置在上述第二氮化物半导体层上；

漏极电极，设置在上述第二氮化物半导体层上；

第三氮化物半导体层，设置在上述源极电极与上述漏极电极之间的上述第二氮化物半导体层上，由高杂质浓度层和低杂质浓度层交替层叠而成，该高杂质浓度层含有p型杂质，该低杂质浓度层与上述高杂质浓度层相比上述p型杂质的浓度更低且禁带宽度更大，该第三氮化物半导体层的最下层以及最上层是上述高杂质浓度层；以及

栅极电极，设置在上述第三氮化物半导体层上。

2.如权利要求1记载的半导体装置，其特征在于，

上述高杂质浓度层是Al_XGa_1－XN，0≦X＜1，

上述低杂质浓度层是Al_YGa_1－YN，0＜Y≦1，X＜Y。

3.如权利要求2记载的半导体装置，其特征在于，

上述第一氮化物半导体层是Al_ZGa_1－ZN，0≦Z＜1，

上述第二氮化物半导体层是Al_UGa_1－UN，0＜U≦1，Z＜U。

4.如权利要求3记载的半导体装置，其特征在于，

上述第三氮化物半导体层的平均铝组份比上述第二氮化物半导体层的平均铝组份低。

5.如权利要求1～4中的任一项记载的半导体装置，其特征在于，

上述低杂质浓度层的膜厚大于等于1nm且小于等于10nm。

6.如权利要求1～4中的任一项记载的半导体装置，其特征在于，

上述高杂质浓度层的膜厚大于等于1nm且小于等于10nm。

7.如权利要求1～4中的任一项记载的半导体装置，其特征在于，

上述高杂质浓度层的p型杂质浓度大于等于1×10¹⁸atoms/cm³。

8.如权利要求1～4中的任一项记载的半导体装置，其特征在于，

上述第三氮化物半导体层中的上述p型杂质的浓度在最上层的上述高杂质浓度层中成为最大。