CN105280694A - 半导体功率元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半导体功率元件，包含一基板、一第一半导体层、一第二半导体层、一第三半导体层、一源极电极、一背向电极以及一P型金属氧化层。第一半导体层具有一第一能隙，且位于基板上方；第二半导体层具有一第二能隙大于第一能隙，且位于第一半导体层上方；第三半导体层具有一第三能隙小于第二能隙，且位于第二半导体层上方；源极电极位于第三半导体层上方；背向电极电连接源极电极；P型金属氧化层位于背向电极以及第三半导体层之间。

Description

半导体功率元件

技术领域

本发明涉及一种半导体功率元件，更具体而言，涉及一种p型金属氧化层上具有背向电极的半导体功率元件。

背景技术

近年来氮化镓材料在光电及电子元件的商业应用上，有相当大幅度的成长，以氮化镓为材料的半导体功率元件，如氮化铝镓-氮化镓(AlGaN/GaN)，具高速电子迁移率、可在恶劣和高温的环境下操作，以及提供高功率的操作特性。然而，在高功率元件的运用上，如何抑制栅极通道边缘处的高电场区域，以提升元件电特性及防止电流崩塌，将是重要的议题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种半导体功率元件，包含一基板；一第一半导体材料具有一第一能隙，且位于基板上方；一第二半导体层具有一第二能隙大于第一能隙，且位于第一半导体层上方；一第三半导体层具有一第三能隙小于第二能隙，且位于第二半导体层上方；一源极电极位于第三半导体层上方；一背向电极电连接源极电极；一背向电极电连接源极电极；以及一p型金属氧化层位于背向电极以及第三半导体层之间。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下。

附图说明

图1A～图1F是本发明的一实施例中一半导体功率元件100的制作流程图；

图2是本发明一实施例中半导体功率元件的开启状态示意图；

图3是本发明另一实施例的一半导体功率元件示意图。

符号说明

11基板

12缓冲层

13第一半导体层

1314第一界面

14第二半导体层

1415第二界面

15第三半导体层

16、26P型金属氧化层

17背向电极

18源极电极

19漏极电极

20栅极电极

2DEG二维电子气

2DHG二维空穴气

具体实施方式

以下实施例将伴随着附图说明本发明的概念，在附图或说明中，相似或相同的部分使用相同的标号，并且在附图中，元件的形状或厚度可扩大或缩小。需特别注意的是，图中未绘示或描述的元件，可以是熟悉此技术的人士所知的形式。

图1A～图1F显示本发明的一实施例中一半导体功率元件100的制作流程图。参照图1A～图1D，首先在基板11上形成一缓冲层12，接着依序形成一第一半导体层13在缓冲层12之上，一第二半导体层14在第一半导体层3之上，以及一第三半导体层15在第二半导体层14之上。参照图1E～图F，形成一p型金属氧化层16于第三半导体层15之上，接着形成一背向电极17于p型金属氧化层16之上，一源极电极18以及一漏极电极19分别形成于p型金属氧化层16的两侧，以及一栅极电极20形成在源极电极18与背向电极17之间，即完成本实施例的半导体功率元件100。在本实施例中，背向电极可影响元件的极化特性，以达到正负电荷平衡，使得整体电场分布均匀。

基板11的材料包含蓝宝石、碳化硅、氮化镓或硅；缓冲层12包含III-V族材料，例如但不限定为氮化铝(AlN)或氮化铝(AlN)及氮化铝镓(AlGaN)的叠层。以硅基板为例，缓冲层形成于硅基板的[111]面上，并朝(0001)的方向成长，用来减少硅基板与后续成长的外延叠层之间的晶格常数差异，以提升晶格品质。需注意的是，通过完全或部分移除基板，可使后续形成本实施例所述的半导体功率元件时减少元件的漏电路径，以达到降低漏电的效果。

第一半导体层13具有一第一能隙，第二半导体层14具有一第二能隙大于第一半导体13的第一能隙，也即第二半导体层14的晶格常数小于第一半导体层13的晶格常数。具体而言，本实施例中组成第一半导体层13的材料包含In_xGa_(1-x)N，且0≦x<1，例如但不限定为氮化镓(GaN)；组成第二半导体层的材料包含Al_yIn_zGa_(1-z)N，且0<y<1以及0≦z<1，例如但不限定为氮化铝镓(AlGaN)。在本实施例中，通过第一半导体层13与第二半导体层14本身的自发极化，以及第一半导体层11与第二半导体层12之间晶格常数不同所造成的压电极化，在第一半导体层13与第二半导体层14之间的一第一界面1314形成一二维电子气2DEG。需注意的是，本实施例所述的第一半导体层13及第二半导体层14都为未掺杂的半导体材料，但依据实际应用也可为掺杂的半导体材料，掺杂物质例如但不限定为硅甲烷，用以增加压电极化与自发极化的效果，进而提升第一界面1314中二维电子气2DEG的浓度。

第三半导体层15具有一第三能隙小于第二半导体14的第二能隙，亦即第三半导体层15的晶格常数大于第二半导体层14的晶格常数。具体而言，本实施例中组成第三半导体层15的材料包含In_xGa_(1-x)N，且0≦x<1，例如但不限定为氮化镓(GaN)。如图1E所示，p型金属氧化层形成于第三半导体层的一上表面151。在本实施例中，利用黄光光刻技术定义出p型金属氧化层16的预定形成区域，接着通过射频溅镀系统，在制作工艺温度低于500℃的条件下，将p型金属氧化层16沉积于预定区域中，而p型金属氧化层16的材料包含NiO、MoO、CuO、ZnO或SnO₂等，但也可为其他金属氧化物材料。在本实施例中，通过第二半导体层14与第三半导体层15之间晶格常数不同，以及p型金属氧化层16形成于第三半导体层15上方所造成的反极化效应，将第二半导体层14表面的价带(Ev)提高至费米能阶(Ef)之上，进而在第二半导体层14与第三半导体层15之间的一第二界面1415且位于p型金属氧化层16下方的位置，形成一二维空穴气2DHG。需注意的是，本实施例所述的第三半导体层15为未掺杂的半导体材料，但依据实际应用也可为掺杂的半导体材料，掺杂物质例如但不限定为硅甲烷。此外，第三半导体层15具有保护层作用以防止第二半导体层14表面因后续制作工艺受到损害，也可避免二维电子气2DEG直接受到p型金属氧化层16的影响，造成电子浓度下降。本实施例所形成的p型金属氧化物，不易受到制作工艺过程影响其掺杂浓度，故具有较高浓度掺杂(>1E19)，元件特性优选。其制作工艺简单，不需经过干/湿蚀刻制作工艺，防止元件表面被严重损坏；低温的制作工艺温度，可降低制作工艺过程中造成元件特性的衰退；黄光光刻技术所采用去除光致抗蚀剂的化学液体为有机去光致抗蚀剂液，例如丙酮，属弱碱性，相较于干/湿蚀刻制作工艺所使用的强酸性去光致抗蚀剂液，例如氢氟酸，较不易损害元件表面。

如图1F所示，p型金属氧化层16位于背向电极17极第三半导体层15之间，背向电极17的材料可例如为镍/金合金材料或其他合金材料，并与p型金属氧化层16形成欧姆接触；源极电极18以及漏极电极19分别形成于背向电极17的两侧，位于第三半导体层15之上，其形成材料可例如为钛/铝/钛/金合金、钛/铝/镍/金合金或其他钛/铝合金材料，并与第三半导体层15形成欧姆接触，且源极电极18电连接背向电极17；一栅极电极20形成于源极电极18与p型金属氧化层16之间，其形成材料可例如为镍/金合金材料或其他合金材料，且位于第三半导体层15之上，与第三半导体层15形成萧特基接触，即完成本实施例的半导体功率元件100。其中，源极电极18、漏极电极19以及栅极电极20用以作为与外部电连接的端点，且可根据实际需求来控制半导体功率元件的操作状态以及二维电子气的分布情况。需注意的是，本实施例所述的栅极电极20位于远离漏极电极19且较接近源极电极18的位置，以利于提高元件的击穿电压。

图2显示本发明一实施例中半导体功率元件的开启状态示意图。本实施例的半导体功率元件100是一常开型半导体功率元件，当给予漏极电极19一正偏压(如+600～+1000V)，背向电极17电连接源极电极18并同时接地(0V)，给予栅极电极20一负偏压(如-10～-20V)，使栅极电极20下方的导带(Ec)拉升至费米能阶(Ef)之上，以消散栅极电极20下方的二维电子气2DEG，半导体功率元件100呈现关闭状态(逆向偏压状态)，此时通过p型金属氧化层16下方二维空穴气2DHG与二维电子气2DEG的形成，可有效改善电场过度集中于栅极电极20下方，以利于分散电场强度，使整体电场分布更加均匀，进而防止电流崩塌导致元件烧毁。此外，本实施例中，将背向电极17接地(0V)，以固定背向电极的电位，以防止电位浮动，增加元件的稳定性。需注意的是，本实施例的半导体功率元件利用氮化镓(GaN)与氮化铝镓(AlGaN)所形成的异质结构，使得元件具有较高的电子迁移率，达到非常快的切换速度，且具有可在高频、高功率及高温工作环境下操作的元件特性。

图3显示本发明另一实施例的一半导体功率元件300。本实施例的半导体功率元件与前一实施例具有相似的结构，除了将p型金属氧化层26形成一纳米柱结构，得以局部加强二维空穴气2DHG的浓度，有效改善电场过度集中于栅极电极下方，以利于分散电场强度，使整体电场分布更加均匀，进而防止电流崩塌导致元件烧毁。

需了解的是，本发明中上述的实施例在适当的情况下，是可互相组合或替换，而非仅限于所描述的特定实施例。本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何显而易见的修饰或变更都不脱离本发明的精神与范围。

Claims (10)

1.一种半导体功率元件，包含：

基板；

第一半导体层，具有第一能隙，且位于该基板上方；

第二半导体层，具有第二能隙，大于该第一能隙且位于该第一半导体层上方；

第三半导体层，具有第三能隙，小于该第二能隙且位于该第二半导体层上方；

源极电极，位于该第三半导体层上方；

一背向电极，电连接该源极电极；以及

p型金属氧化层，位于该背向电极以及该第三半导体层之间。

2.如权利要求1所述的半导体功率元件，还包括漏极电极，且该p型金属氧化层位于该源极电极以及该漏极电极之间。

3.如权利要求1所述的半导体功率元件，还包括栅极电极位于该源极电极以及该背向电极之间。

4.如权利要求1所述的半导体功率元件，其中该p型金属氧化层包括NiO、MoO、CuO、ZnO或SnO₂。

5.如权利要求1所述的半导体功率元件，其中该p型金属氧化层包括纳米柱结构。

6.如权利要求1所述的半导体功率元件，还包括二维电子气以及第一界面位于该第一半导体层以及该第二半导体层之间，其中当该半导体功率元件处于开启状态时，该二维电子气形成于该第一界面。

7.权利要求1所述的半导体功率元件，还包括二维空穴气以及第二界面位于该第二半导体层以及该第三半导体层之间，其中当该半导体功率元件处于开启状态时，该二维空穴气形成于该第二界面。

8.权利要求1所述的半导体功率元件，其中该第一半导体层包括In_xGa_(1-x)N，且0≦x<1。

9.权利要求1所述的半导体功率元件，其中该第二半导体层包括Al_yIn_zGa_(1-z)N，且0<y<1以及0≦z<1。

10.权利要求1所述的半导体功率元件，其中该第三半导体层包括In_wGa_(1-w)N，且0≦w<1。