CN107946187A - 氮化物半导体外延晶片以及场效应型氮化物晶体管 - Google Patents

氮化物半导体外延晶片以及场效应型氮化物晶体管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及氮化物半导体外延晶片以及场效应型氮化物晶体管。所述氮化物半导体外延晶片具备：基板、形成在所述基板上的作为电子渡越层的GaN层、和形成在所述GaN层上的作为电子供给层的AlGaN层，其中，所述GaN层具有纤锌矿型的晶体结构，并且，尽管在所述GaN层和所述基板以及所述AlGaN层之间的界面处受到晶格失配应力的影响，所述GaN层的c轴方向的晶格常数c与所述GaN层的a轴方向的晶格常数a的测定比c/a为1.6266以下，并且，其中，所述测定比c/a使得在所述GaN层的表面侧仅产生负电荷，以抑制电流崩塌，其中，由于所述晶格失配应力，在所述GaN层上，二维电子云在空间上感应。

Description

氮化物半导体外延晶片以及场效应型氮化物晶体管
本申请是申请日为2013年1月24日，申请号为201310027953.2，发明名称为《氮化物半导体外延晶片以及场效应型氮化物晶体管》的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体外延晶片以及场效应型氮化物晶体管。
背景技术
作为以往的技术，含有铟(In)、镓(Ga)、铝(Al)、氮(N)等的氮化物半导体通过控制这些III族元素的组成比，作为覆盖从紫外到可见光的大部分区域的革新性的高效率发光器件材料而进行了开发，并已实用化。
另外，氮化物半导体由于具有高的饱和电子速度和高的绝缘破坏耐压，因此作为在高频区域实现高效率、高输出的电子器件用材料也已实用化。
在专利文献1中公开了如下的氮化物半导体晶体管：在以GaN作为沟道层的氮化物半导体晶体管中，为了在形成为异质结构造的沟道内的电子被加速时不容易被表面态俘获，而具有晶格常数比GaN更大的盖层。
在专利文献2中公开了，为了提高缓冲层的均一性、提高形成在缓冲层上的III族氮化物半导体的结晶性，缓冲层的a轴的晶格常数比块状时的AlN的a轴的晶格常数更小的III族氮化物半导体元件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009－32713号公报
专利文献2：日本特开2010－272887号公报
发明内容
发明要解决的问题
对于场效应型氮化物晶体管，电流崩塌(current collapse)成为问题。电流崩塌是指，在场效应型氮化物晶体管中可明显观察到、在高电压操作时漏电流大幅度地减少的现象。该电流崩塌被理解为，通过将晶体管偏置，载流子被器件结构中的陷阱能级捕获，通过该被俘获的载流子形成负的电场而使自由载流子的流动受到阻碍，作为结果，引起器件的漏电流的减少或者通态电阻的增加。
作为电流崩塌中的陷阱能级的起源，假设了AlGaN阻挡层，也指出了起因于作为AlGaN阻挡层的底层、实质上的电子渡越部的GaN层的成分的重要性(例如，参照日本特表2004－517461号公报)。
一般在自然中存在的晶体在室温下的晶格常数为按照自然法规的一定值。纤锌矿型的GaN的c轴方向的晶格常数例如根据文献Bougrov等(Bougrov V.,Levinshtein M.E.,Rumyantsev S.L.,Zubrilov A.,in Properties of Advanced SemiconductorMaterialsGaN,AlN,InN,BN,SiC,SiGe.Eds.Levinshtein M.E.,Rumyant sev S.L.,Shur M.S.,JohnWiley&Sons,Inc.,New York,2001,1-30.)，为此时，GaN的c轴方向的晶格常数c与a轴方向的晶格常数a的比c/a为1.6271。而另一方面，在块状的异质基板上形成的薄层的GaN受到由与基板的晶格失配而产生的应力或者多层膜结构中的层间的应力等的影响。因此，该晶格常数的比c/a不一定与按照自然法规的规定值一致。
例如，将纤锌矿型的GaN且具有极性的Ga面出现在最表面这样的薄层的GaN没有什么特别顾虑地形成在a轴的晶格常数比GaN小的基板上时，可以容易地理解：GaN相对于a轴方向，或者换一种说法，有受到来自横向的压缩应力的可能性。该受到了来自横向的压缩的GaN晶格有时通过变形而相对于c轴方向延伸。即、GaN的c轴方向的晶格常数比按照自然法规的值更长，例如像这样显示比前述的值大的值的可能性高。
图3为显示GaN的c轴方向的晶格常数、和GaN层的c轴方向的晶格常数c与a轴方向的晶格常数a的比c/a之间关系的图表。如该图所示，随着c轴的晶格常数变大，比c/a也变大。已知：当晶体受到应力时，GaN、AlN、AlGaN等六方晶体在极性面的两端面间感应出由压电效应产生的电荷。例如，上述的GaN层受到来自横向的压缩应力，在层上下的极性面端具有电荷。
图4为显示以往的氮化物半导体外延晶片深度方向的谱带轮廓的图。在典型的场效应型氮化物晶体管用外延结构中，GaN层上进一步具有变形的AlGaN层。该GaN层上的AlGaN层由于与GaN层之间的晶格失配而受到来自横向的拉伸应力。对于GaN层，在表面侧具有正电荷51a，在基板侧具有负电荷51b。对于AlGaN层，在与GaN层的界面侧具有正电荷52a，在表面侧具有负电荷52b。已知在AlGaN层的与GaN层的界面侧存在的正电荷52a在电子亲合力比AlGaN更大的GaN层侧的界面附近感应出高浓度的电子，而在这里形成二维电子云54。另外，图4中，51c为GaN层的导带，51d为GaN层的价带，52c为AlGaN层的导带，52d为AlGaN层的价带。
GaN侧的正电荷51a和AlGaN侧的正电荷52a一起降低界面的电势，在费米面53下感应高浓度的电子、即二维电子云54。如果从该观点出发，则它们的效果相同。而另一方面，对于AlGaN侧和GaN侧的不同也需要关注。即，AlGaN侧的电荷52a、52b由于与二维电子云54在空间上分离，因此，对电子的运动的影响小。相对于此，GaN侧的电荷51a、51b由于与二维电子云54空间重合，因此，可以认为有作为电子陷阱发挥功能的可能性。如果换一种说法则为，起因于AlGaN层的拉伸变形的由压电效应产生的界面附近的正电荷52a在感应了高浓度的二维电子云54之外，还提供不阻碍其运动这样的令人满意的效果。而另一方面，可以说起因于GaN层的压缩变形的由压电效应产生的界面附近的正电荷51a俘获电子而对晶体管的工作造成不良影响。这可以认为是电流崩塌的原因之一。
这样的电流崩塌的发生使器件的输出恶化，因此，成为场效应型氮化物晶体管的工作上的问题。但是，以往的场效应晶体管中，由于在GaN层的表面侧具有起因于GaN层的压缩变形的正电荷，因此可以说，抑制电流崩塌的发生并不充分。
因此，本发明的目的在于提供一种可以抑制电流崩塌的氮化物半导体外延晶片以及场效应型氮化物晶体管。
用于解决问题的方法
本发明为了实现上述目的，提供以下的氮化物半导体外延晶片以及场效应型氮化物晶体管。
[1]一种氮化物半导体外延晶片，其特征在于，具备基板、形成在所述基板上的GaN层和形成在所述GaN层上的AlGaN层，所述GaN层具有纤锌矿型的晶体结构，所述GaN层的c轴方向的晶格常数c和所述GaN层的a轴方向的晶格常数a的比c/a为1.6266以下。
[2]根据[1]所述的氮化物半导体外延晶片，其中，在所述基板与所述GaN层之间形成有单层或者多层的缓冲层。
[3]根据[2]所述的氮化物半导体外延晶片，其中，所述缓冲层为AlN层。
[4]根据[1]至[3]任一项所述的氮化物半导体外延晶片，其中，所述基板由多型4H或者多型6H的碳化硅形成。
[5]一种场效应型氮化物晶体管，其特征在于，其为具备基板、形成在所述基板上的GaN层、形成在所述GaN层上的AlGaN层、直接或者隔着中间层形成在所述AlGaN层上的源电极和漏电极、以及在所述源电极和所述漏电极之间形成的栅电极的场效应型氮化物晶体管，所述GaN层具有纤锌矿型的晶体结构，所述GaN层的c轴方向的晶格常数c和所述GaN层的a轴方向的晶格常数a的比c/a为1.6266以下。
[6]根据[5]所述的场效应型氮化物晶体管，其中，在所述基板与所述GaN层之间形成有由单层或者多层构成的缓冲层。
[7]根据[6]所述的场效应型氮化物晶体管，其中，所述缓冲层为AlN层。
[8]根据[5]至[7]任一项所述的场效应型氮化物晶体管，其中，所述基板由多型4H或者多型6H的碳化硅形成。
发明效果
根据本发明，能够提供一种可以抑制电流崩塌的氮化物半导体外延晶片以及场效应型氮化物晶体管。
附图说明
图1为显示本发明实施方式所涉及的场效应型氮化物晶体管的概略构成例的截面图。
图2为显示本发明实施例所涉及的场效应型氮化物晶体管的、GaN层的c轴方向的晶格常数c与a轴方向的晶格常数a的比c/a和电流崩塌的关系的图表。
图3为显示GaN的c轴方向的晶格常数和、GaN层的c轴方向的晶格常数c与a轴方向的晶格常数a的比c/a的关系的图表。
图4为显示以往的氮化物半导体外延晶片的深度方向谱带轮廓的图。
符号说明
51a GaN层的正电荷、
51b GaN层的负电荷、
51c GaN层的导带、
51d GaN层的价带、
52a AlGaN层的正电荷、
52b AlGaN层的负电荷、
52c AlGaN层的导带、
52d AlGaN层的价带、
53 费米面、
54 二维电子云、
100 场效应型氮化物晶体管、
101 SiC基板、
102 AlN层、
102a AlN层的表面、
103 GaN层、
104 AlGaN层、
105 二维电子云、
106 源电极、
107 漏电极、
108 栅电极、
200 氮化物半导体外延晶片。
具体实施方式
实施方式的概要
本实施方式的氮化物半导体外延晶片，在具备基板、形成在上述基板上的GaN层和形成在上述GaN层上的AlGaN阻挡层的氮化物半导体外延晶片中，上述GaN层具有纤锌矿型的晶体结构，上述GaN层的c轴方向的晶格常数c与上述GaN层的a轴方向的晶格常数a的比c/a为1.6266以下。
通过使GaN层的c轴方向的晶格常数c与a轴方向的晶格常数a的比c/a为1.6266以下，在GaN层的表面侧不产生正电荷、或者产生负电荷，从而电子的俘获减少，电流崩塌被抑制。
实施方式
图1为显示本发明实施方式所涉及的场效应型氮化物晶体管的概略构成例的截面图。
该场效应型氮化物晶体管100为GaN系高电子迁移率晶体管(HEMT：High ElectronMobility Transistor)，作为基板例如具有碳化硅(SiC)基板101，在该SiC基板101上按氮化铝(AlN)层102、氮化镓(GaN)层103以及氮化铝镓(AlGaN)层104的顺序使它们外延生长，形成氮化物半导体外延晶片200，在AlGaN层104上形成源电极106、漏电极107以及栅电极108。
作为SiC基板101，可以使用多型4H或者多型6H的半绝缘性SiC基板。在这里，4H、6H的数字表示c轴方向的重复周期，H表示六方晶。另外，作为基板，为了降低寄生电容、得到良好的高频特性，优选半绝缘性SiC基板，但也可以是导电性SiC基板、蓝宝石基板、硅基板、GaN基板等。
AlN层102具有偏度Rsk为正的表面102a的形状，具有作为成核层的功能的同时，还具有作为缓冲SiC基板101与GaN层103的晶格常数差的缓冲层的功能。偏度Rsk显示表面粗糙度曲线，是将基准长度中的高度偏差Z(x)的立方平均除以均方根的立方的物理量(无单位数)。偏度Rsk为正的表面102a的形状表示在上方存在尖尖地隆起的凸部，偏度Rsk为负的表面102a的形状表示在下方存在尖尖地凹陷的凹部。为了抑制电流崩塌，偏度Rsk优选为正，更优选为0.5以上。
GaN层103具有纤锌矿型的晶体结构，发挥作为电子渡越层的功能。在GaN层103的AlGaN层104侧，存在起因于GaN层103与AlGaN层104的晶格常数差的由AlGaN层104内的压电效应(通过晶体变形而产生电场的效应)产生的二维电子云105。
GaN层的比c/a
另外，通过使GaN层103的c轴方向的晶格常数c与a轴方向的晶格常数a的比c/a为1.6266以下，可以将电流崩塌的产生抑制为1.2以下。进一步，从稳定性的角度出发，更优选为1.6260。另外，通过后述的制造方法，可以容易地使GaN层103的晶格常数的比c/a为1.6256以上1.6266以下。由于使用比c/a为1.6266以下范围的氮化物半导体外延晶片200的场效应型氮化物晶体管100在作为二维电子云105在空间上感应的场所的GaN层103的表面侧不产生正电荷、或者产生负电荷，因此，可以抑制电流崩塌。
AlGaN层104作为电子供给层而发挥功能，在GaN层103内诱发压电效应。
源电极106例如由钛与铝的多层结构构成。漏电极107例如由钛与铝的多层结构构成。栅电极108例如由镍与金的多层结构构成。另外，在AlGaN层104与源电极106之间、以及AlGaN层104与漏电极107以及AlGaN层104与栅电极108之间可以形成中间层。作为该中间层，例如可以举出GaN等。
AlN层表面的偏度控制
可以认为AlN层102的表面的偏度控制与V族原料和III族原料的供给量摩尔比(V/III比)有关系。为了使偏度Rsk为正，优选V/III比为1000～8000。
由供给到生长面或基板表面(以下称为“生长面”。)的三甲基铝(TMA：Tri MethylAluminum)分解的Al原子在生长面上与N原子反应形成AlN。另外，在AlN层102的生长初期阶段，在SiC基板101的表面生长AlN晶体。如果V/III比为1000～8000的范围，则由供给到生长面的TMA分解的Al原子在生长面的表面为容易移动的状态。容易移动生长面被认为是到达成为生长起点的AlN晶体、生长容易进行的状态。此时，将在生长初期形成的AlN晶体作为起点，进行生长以使从该起点出发AlN晶体变大为凸状，因此，形成的AlN层102的偏度为正。
将V/III比升高到10000而进行AlN层102的生长时，可以认为直到在生长初期阶段对生长面形成AlN晶体为止与上述同样地进行，但是，由于将V/III比提高到了10000，因此，Al原子在生长面的运动被抑制。其结果为，如果在生长面的表面均一地形成AlN晶体而进行生长，则在生长面上会形成由AlN晶体构成的多个山。而且，在AlN层102的生长途中产生的晶粒边界(boundary：当由AlN构成的多个平坦的山被结合时发生)、缺陷部分(阻碍晶体生长的部分)残存，其结果可以认为，AlN层102的偏度为负。
实施方式的制造方法
接下来，说明氮化物半导体外延晶片200以及场效应型氮化物晶体管100的制造方法的一个例子。
在本实施方式中使用如下的制造方法：促进SiC基板101上的薄层GaN层103的岛型生长，由在岛间的结合时所形成的悬键(dangling bond)间的互相拉伸，对薄层GaN层103整体产生拉伸应力。
首先，将SiC基板101在不含氨(NH3)的氢(H2)氛围中进行高温处理。仅以规定的时间(例如30秒以内)在NH3气体氛围中处理SiC基板101。将表面偏度Rsk为正这样的粗糙度的AlN层102形成为规定的膜厚(例如GaN层103的膜厚的1/20以下)。
然后，在形成AlN层102之后，在H2/NH3气体混合氛围、且H2/NH3比≤4的条件下，将SiC基板101在比规定的温度(例如，比AlN层102的形成温度(例如1150～1200℃)低50℃以上的温度(例如1100～1150℃)下进行冷却，使温度稳定化。之后，形成与AlN层102的膜厚相比为20倍以上这样的厚度的GaN层103。在GaN层103上层叠适宜膜厚的AlGaN层104，形成氮化物半导体外延晶片200。
接下来，在AlGaN层104上形成源电极106、漏电极107以及栅电极108。通过干蚀刻在HEMT元件周围形成元件分离槽。另外，也可以通过离子注入来设置绝缘区域进行元件分离。经过以上的工序形成场效应型氮化物晶体管100。
接下来，说明本发明实施例所涉及的场效应型氮化物晶体管的制造方法的一个例子。
实施例1
首先，作为基板，准备多型4H或者多型6H的半绝缘性SiC基板101。接下来，在有机金属气相生长(MOVPE：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)装置中导入SiC基板101，在不含NH3的H2/N2混合气体流动氛围中，由1175℃的设定温度进行5分钟加热处理。通过该加热使SiC基板101的表面净化。
接下来，在MOVPE装置的作为反应炉的反应器中将氨气保持在温度1175℃的状态下，用25秒导入H2/NH3混合气体。通过该氨气的流动，继续在AlN形成阶段中防止氮原子的脱落，进行AlN的高品质化。
接下来，在将温度保持为1175℃的状态下，使用氨气和三甲基铝(TMA)作为原料，形成膜厚12nm的AlN层102。
然后，在MOVPE装置的反应器内，供给气体以使H2/NH3比为3，在H2/NH3气体混合氛围中冷却至1000℃的设定温度(SiC基板冷却工序)。
接下来，在AlN层102上，使用氨气和三甲基镓(TMG：Tri Methyl Gallium)作为原料，在温度1000℃下形成膜厚480nm的GaN层103。
然后，使用相同的MOVPE装置，在GaN层103上，使用氨气和TMA、以及TMG，在温度1000℃下形成膜厚30nm的AlGaN层104。经过以上的工序形成氮化物半导体外延晶片200。
为了对该氮化物半导体外延晶片200求出晶格常数比c/a，使用PANalytical公司制的多目的X射线衍射装置X'Pert机，使用波长为1.540562埃的铜的Kα1线作为X射线源，通过Fewster法进行精密晶格常数测定。其结果，GaN层103的相对于(-1-14)面的2西格玛值为99.973度，该GaN层103的相对于(006)面的2西格玛值为126.068度。由该结果求出所形成的氮化物半导体外延晶片200中的GaN层103的(114)面间隔为另外(006)面间隔为由这些数值求出GaN层103的a轴方向的晶格常数为 c轴方向的晶格常数为由此可以确认出，形成的氮化物半导体外延晶片200中的GaN层103的晶格常数的比c/a为1.6266。
使用光刻技术在AlGaN层104上分别形成源电极106、漏电极107以及栅电极108。经过以上的工序形成场效应型氮化物晶体管100。
电流崩塌的测定方法
实施例1例如通过脉冲I-V来测定电流崩塌。其它的实施例和比较例也相同。图2显示实施例1的电流崩塌的测定结果。
实施例2～5
实施例2～5除了在AlN层形成后的SiC基板冷却工序中将H2/NH3混合气体的H2/NH3比在≤4的范围内进行改变之外，用与实施例1同样的方法制造场效应型氮化物晶体管。对于AlN层形成后的SiC基板冷却工序中的H2/NH3混合气体，在实施例2中将H2/NH3比调整为4，在实施例3中将H2/NH3比调整为2.5，在实施例4中将H2/NH3比调整为1，在实施例5中将H2/NH3比调整为2来供给。在实施例2～5中形成的GaN层的晶格常数的比c/a分别为1.6256～1.6263。图2显示电流崩塌的测定结果。
比较例1～5
比较例1～5除了在AlN层形成后的SiC基板冷却工序中将H2/NH3混合气体的H2/NH3比设为＞4之外，用与实施例1同样的方法制造场效应型氮化物晶体管。对于AlN层形成后的SiC基板冷却工序中的H2/NH3混合气体，在比较例1中将H2/NH3比调整为8，在比较例2中将H2/NH3比调整为9，在比较例3中将H2/NH3比调整为7，在比较例4中将H2/NH3比调整为6，在比较例5中将H2/NH3比调整为5来供给。在比较例1～5中形成的GaN层的晶格常数的比c/a分别为1.6268～1.6299。图2显示电流崩塌的测定结果。
根据图2，在实施例1～5中形成的GaN层的晶格常数的比c/a显示为1.6256以上1.6266以下的范围E内的值，电流崩塌的值都显示为1.2以下。而另一方面，在比较例1～5中形成的GaN层的晶格常数的比c/a显示为比1.6266大、电流崩塌为1.4以上这样大的值。以上可知，通过使GaN层的晶格常数的比c/a为1.6266以下，可抑制电流崩塌的发生。另外，本实施例中，通过使AlN层形成后的SiC基板冷却时的混合气体导入比H2/NH3最适化，从而以使GaN层的晶格常数的比c/a为1.6256以上1.6266以下的范围的方式形成，将电流崩塌的发生抑制为1.2以下，但也可以适宜调整其他的制造条件，进一步降低GaN层的晶格常数的比c/a。从前述的实施例的结果可以容易地推出：GaN层的晶格常数的比c/a越小，越可抑制电流崩塌的发生。
另外，本发明并不限于上述实施方式和上述实施例，在没有改变发明宗旨的范围内可以实施变形。例如，上述的制造方法在不改变发明宗旨的范围内，也可以进行工序的削除、追加、变更，来制造氮化物半导体外延晶片和场效应型氮化物晶体管。

Claims (10)

1.一种氮化物半导体外延晶片，其具备：
基板、
形成在所述基板上的作为电子渡越层的GaN层、和
形成在所述GaN层上的作为电子供给层的AlGaN层，
其中，所述GaN层具有纤锌矿型的晶体结构，并且，尽管在所述GaN层和所述基板以及所述AlGaN层之间的界面处受到晶格失配应力的影响，所述GaN层的c轴方向的晶格常数c与所述GaN层的a轴方向的晶格常数a的测定比c/a为1.6266以下，并且，
其中，所述测定比c/a使得在所述GaN层的表面侧仅产生负电荷，以抑制电流崩塌，其中，由于所述晶格失配应力，在所述GaN层上，二维电子云在空间上感应。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体外延晶片，进一步具有在所述基板与所述GaN层之间形成的单层或者多层缓冲层。
3.根据权利要求2所述的氮化物半导体外延晶片，其中，所述缓冲层具有AlN层。
4.根据权利要求1所述的氮化物半导体外延晶片，其中，所述基板具有多型4H或者多型6H的碳化硅。
5.一种场效应型氮化物晶体管，其具备：
基板、
形成在所述基板上的作为电子渡越层的GaN层、
形成在所述GaN层上的作为电子供给层的AlGaN层、
直接或者隔着中间层形成在所述AlGaN层上的源电极和漏电极、以及
在所述源电极和所述漏电极之间形成的栅电极，
其中，所述GaN层具有纤锌矿型的晶体结构，并且，尽管在所述GaN层和所述基板以及所述AlGaN层之间的界面处受到晶格失配应力的影响，所述GaN层的c轴方向的晶格常数c与所述GaN层的a轴方向的晶格常数a的测定比c/a为1.6266以下，并且，
其中，所述测定比c/a使得在所述GaN层的表面侧仅产生负电荷，以抑制电流崩塌，其中，由于所述晶格失配应力，在所述GaN层上，二维电子云在空间上感应。
6.根据权利要求5所述的场效应型氮化物晶体管，其中，进一步具有在所述基板与所述GaN层之间形成的单层或者多层缓冲层。
7.根据权利要求6所述的场效应型氮化物晶体管，其中，所述缓冲层具有AlN层。
8.根据权利要求5所述的场效应型氮化物晶体管，其中，所述基板具有多型4H或者多型6H的碳化硅。
9.根据权利要求5所述的场效应型氮化物晶体管，其中，所述GaN层在一侧直接接触AlN层，在另一侧直接接触所述AlGaN层。
10.根据权利要求5所述的场效应型氮化物晶体管，其中，所述中间层具有GaN层。
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