CN109346521B - 氮化物半导体元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氮化物半导体元件，其包括基底、成核层、经掺杂的氮化物半导体层、经掺杂的第一缓冲层、通道层、阻障层、第一电极、第二电极与掺杂区。基底具有相对的第一表面及第二表面。成核层配置于基底的第一表面上。经掺杂的氮化物半导体层配置于成核层上。经掺杂的第一缓冲层配置于经掺杂的氮化物半导体层上。通道层配置于经掺杂的第一缓冲层上。阻障层配置于通道层上。第一电极配置于阻障层上。第二电极与经掺杂的氮化物半导体层电性连接。掺杂区至少配置于部分经掺杂的氮化物半导体层中，其中掺杂区自第一电极的下方延伸至与第二电极部分重叠。

Description

氮化物半导体元件
技术领域
本发明是有关于一种半导体元件，且特别是有关于一种氮化物半导体元件。
背景技术
为了使功率元件能够具有低导通电阻、高切换频率、高崩溃电压及高温操作等性能，氮化镓(GaN)半导体元件为目前高功率元件所瞩目的选择。然而，在操作上述元件时容易受到不同偏压和脉冲条件的影响，导致元件内部的缺陷捕抓或释放电子，使元件的导通电阻随着偏压条件或操作频率而变化，进而产生电流坍塌(current collapse)的现象，劣化元件的动态特性。
目前，本领域多是使用元件表面防护(surface passivation)或场板(fieldplate)等来改善电流坍塌现象及元件的动态特性，但效果有限。因此，如何提高元件的稳定性将会是氮化镓功率元件产品开发及商业化的一大课题。
发明内容
本发明提供一种氮化物半导体元件，其在成核层与缓冲层之间具有经掺杂的氮化物半导体层。
本发明所提供的一种氮化物半导体元件包括基底、成核层、经掺杂的氮化物半导体层、经掺杂的第一缓冲层、通道层、阻障层、第一电极与第二电极。基底具有相对的第一表面及第二表面。成核层配置于基底的第一表面上。经掺杂的氮化物半导体层配置于成核层上。经掺杂的第一缓冲层配置于经掺杂的氮化物半导体层上。通道层配置于经掺杂的第一缓冲层上。阻障层配置于通道层上。第一电极配置于阻障层上。第二电极与经掺杂的氮化物半导体层电性连接。掺杂区至少配置于部分经掺杂的氮化物半导体层中，其中掺杂区自第一电极的下方延伸至与第二电极部分重叠。
在本发明的氮化物半导体元件的一实施例中，上述的经掺杂的氮化物半导体层为P型氮化镓层。
在本发明的氮化物半导体元件的一实施例中，上述的第二电极例如配置于阻障层上。
在本发明的氮化物半导体元件的一实施例中，上述的经掺杂的第一缓冲层暴露出部分经掺杂的氮化物半导体层，且氮化物半导体元件还可包括第三电极，第三电极配置于暴露的经掺杂的氮化物半导体层上且与第二电极电性连接。
在本发明的氮化物半导体元件的一实施例中，上述的氮化物半导体元件还可包括第四电极，配置于阻障层上且位于第一电极与第二电极之间。
在本发明的氮化物半导体元件的一实施例中，上述的氮化物半导体元件还可包括第三电极，配置于阻障层上且位于第一电极与第二电极之间。
在本发明的氮化物半导体元件的一实施例中，上述的第二电极例如配置于基底的第二表面上。
在本发明的氮化物半导体元件的一实施例中，上述的氮化物半导体元件还可包括第三电极，配置于所述阻障层上。
在本发明的氮化物半导体元件的一实施例中，上述的氮化物半导体元件还可包括第四电极，配置于阻障层上且位于第一电极与第三电极之间。
在本发明的氮化物半导体元件的一实施例中，上述的氮化物半导体元件还可包括经掺杂的第二缓冲层，配置于成核层上，其中经掺杂的第一缓冲层与经掺杂的第二缓冲层的掺杂浓度低于1×1019个/cm3。
在本发明的氮化物半导体元件的一实施例中，上述的掺杂区例如自经掺杂的氮化物半导体层延伸至经掺杂的第一缓冲层中或成核层中。
本发明所提供的另一种氮化物半导体元件包括基底、成核层、经掺杂的氮化物半导体层、经掺杂的第一缓冲层、通道层、阻障层、第一电极与第二电极。基底具有相对的第一表面及第二表面。成核层配置于基底的第一表面上。经掺杂的氮化物半导体层配置于成核层上，其中，所述经掺杂的氮化物半导体层为P型氮化镓层。经掺杂的第一缓冲层配置于经掺杂的氮化物半导体层上，其中经掺杂的第一缓冲层的掺杂浓度为1×1019个/cm3以上。通道层配置于经掺杂的第一缓冲层上。阻障层配置于通道层上。第一电极配置于阻障层上。第二电极与经掺杂的氮化物半导体层电性连接。
在本发明的氮化物半导体元件的另一实施例中，上述的第二电极例如配置于阻障层上。
在本发明的氮化物半导体元件的另一实施例中，上述的氮化物半导体元件还可包括第三电极，配置于阻障层上且位于第一电极与第二电极之间。
在本发明的氮化物半导体元件的另一实施例中，上述的氮化物半导体元件还可包括掺杂区，至少配置于部分经掺杂的氮化物半导体层中，其中掺杂区自第一电极的下方延伸至与第二电极部分重叠。
在本发明的氮化物半导体元件的另一实施例中，氮化物半导体元件还可包括经掺杂的第二缓冲层，配置于成核层与经掺杂的氮化物半导体层之间，其中经掺杂的第二缓冲层的掺杂浓度为1×1019个/cm3以上。
基于上述，在本发明中，在成核层与缓冲层之间设置经掺杂的氮化物半导体层，且所述经掺杂的氮化物半导体层与电极电性连接，因此可以改善电流坍塌现象。更具体地说，在操作过程中，当经由与经掺杂的氮化物半导体层电性连接的电极对经掺杂的氮化物半导体层提供电压时，可使得电洞自经掺杂的氮化物半导体层射出，以消除在操作过程中被元件中的缺陷捕捉的电子来改善电流坍塌现象。
附图说明
图1是依照本发明一实施例所绘示的作为场效电晶体的氮化物半导体元件的剖面示意图；
图2是依照本发明另一实施例所绘示的作为场效电晶体的氮化物半导体元件的场效电晶体剖面示意图；
图3是依照依照本发明另一实施例所绘示的作为场效电晶体的氮化物半导体元件的剖面示意图；
图4是依照本发明另一实施例所绘示的作为萧特基(Schottky)二极体的氮化物半导体元件的剖面示意图；
图5是依照本发明另一实施例所绘示的作为萧特基二极体的氮化物半导体元件的剖面示意图；
图6是本发明另一实施例所绘示的作为萧特基二极体的氮化物半导体元件的剖面示意图；
图7是依照本发明另一实施例的作为场效电晶体的氮化物半导体元件的剖面示意图；
图8是依照本发明另一实施例所绘示的作为萧特基二极体的氮化物半导体元件的剖面示意图。
主要附图标号说明：
1、2、3、4、5、6、7、8：氮化物半导体元件；
100：基底；
102：成核层；
104：经掺杂的氮化物半导体层；
106、402：经掺杂的第一缓冲层；
108：通道层；
109：二维电子气；
110：阻障层；
112：第一电极；
114、302：第二电极；
116：掺杂区；
118、304：接触窗；
120、202、306：第三电极；
122、404：经掺杂的第二缓冲层；
204、308：第四电极；
S1：第一表面；
S2：第二表面。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
图1是依照本发明一实施例所绘示的作为场效电晶体的氮化物半导体元件的剖面示意图。
请参照图1，本发明的氮化物半导体元件1包括基底100、成核层102、经掺杂的氮化物半导体层104、经掺杂的第一缓冲层106、通道层108、阻障层110、第一电极112、第二电极114、掺杂区116、接触窗118、第三电极120以及经掺杂的第二缓冲层122。
基底100具有相对的第一表面S1以及第二表面S2。在一实施例中，基底100例如为硅(Si)基底、碳化硅(SiC)基底、蓝宝石(sapphire)基底或氮化镓(GaN)基底。成核层102配置于基底100的第一表面S1上。成核层102的材料例如是III族氮化物，例如AlN、GaN、AlGaN或其组合。
经掺杂的氮化物半导体层104配置于成核层102上。经掺杂的氮化物半导体层104例如是P型氮化镓层。在本实施例中，为了避免掺质扩散的问题，在经掺杂的氮化物半导体层104上配置有经掺杂的第一缓冲层106。经掺杂的第一缓冲层106的材料例如为III-V族化合物，例如III族氮化物。经掺杂的第一缓冲层106中的掺质例如是碳(C)、铁(Fe)或其组合，以提高经掺杂的第一缓冲层106的阻值。在本实施例中，经掺杂的第一缓冲层106中的掺杂浓度低于1×1019个/cm3。
通道层108配置于经掺杂的第一缓冲层106上。通道层108的材料例如是GaN。阻障层110配置于通道层108上。阻障层110的材料例如是AlGaN、AlInN、AlN、AlGaInN或其组合。通道层108中具有二维电子气(2DEG)109，其位于通道层108与阻障层110之间的界面下方。
第一电极112、第二电极114与第三电极120配置在阻障层110上，且第三电极120位于第一电极112与第二电极114之间，其中第二电极112经由穿过阻障层110、通道层108与经掺杂的第一缓冲层106的接触窗118而与经掺杂的氮化物半导体层104电性连接。在本实施例中，接触窗118延伸进入经掺杂的氮化物半导体层104中，但本发明不以此为限。在其他实施例中，接触窗118也可以是与经掺杂的氮化物半导体层104的表面接触。此外，在本实施例中，氮化物半导体元件1作为场效电晶体，因此第一电极112可视为源极，第二电极114可视为汲极，第三电极120可视为闸极，且因此第一电极112与第二电极114的材料例如是Al、Ti、Au或其合金或其他可与III-V族化合物形成欧姆接触(Ohmic contact)的材料，且第三电极120的材料例如是Ni、Mo、W、TiN或其组合。
第二缓冲层122配置在成核层102与经掺杂的氮化物半导体层104之间。经掺杂的第二缓冲层122中的掺质例如是碳、铁或其组合，以提高经掺杂的第二缓冲层122的阻值。在本实施例中，经掺杂的第二缓冲层122中的掺杂浓度低于1×1019个/cm3。经掺杂的第二缓冲层122的材料可和经掺杂的第一缓冲层106相同或不同，本发明不对此作限定。在其他实施例中，视实际需求也可以不设置经掺杂的第二缓冲层122。
掺杂区116配置于部分经掺杂的氮化物半导体层104中，其中掺杂区116中的掺质例如是中性原子，例如氮(N)、氩(Ar)或其组合。如此一来，掺杂区116可具有足够高的阻值。掺杂区116自第一电极112的下方横向延伸至第二电极114下方，并与第二电极114部分重叠。在本实施例中，掺杂区116除了位于经掺杂的氮化物半导体层104中之外，还自经掺杂的氮化物半导体层104延伸至经掺杂的第一缓冲层106中以及穿过经掺杂的第二缓冲层122至成核层102中。
在对氮化物半导体元件1操作时，当对第二电极114施加电压时，由于经掺杂的氮化物半导体层104通过接触窗118和第二电极114电性连接，使得电洞可自经掺杂的氮化物半导体层104射出，并朝向氮化物半导体元件1中被缺陷捕捉的电子行进并与其结合。如此一来，可消除被缺陷捕捉的电子所来的负电荷，且因此可改善甚至消除电流坍塌现象。此外，由于掺杂区116具有足够高的阻值且仅与第二电极114部分重叠，因此可有效地限制电洞朝向被缺陷捕捉的电子的行进路径，以提高改善甚至消除电流坍塌现象的效果。另外，在经掺杂的氮化物半导体层104中设置掺杂区116还可有效地避免产生漏电流。
图2是依照本发明另一实施例所绘示的作为场效电晶体的氮化物半导体元件的场效电晶体剖面示意图。在图2中，与图1相同的元件将以相同的元件符号表示，且省略对其的说明。请参照图2，氮化物半导体元件2与氮化物半导体元件1的差异在于：在氮化物半导体元件2中，由经掺杂的第一缓冲层106、通道层108与阻障层110构成的堆迭层暴露出部分经掺杂的氮化物半导体层104，且第三电极202配置于暴露的部分经掺杂的氮化物半导体层104上并与第二电极114电性连接。此外，第四电极204配置在阻障层110上且位于第一电极112与第二电极114之间。
在本实施例中，氮化物半导体元件2作为场效电晶体，因此第一电极112可视为源极，第二电极114可视为汲极，第四电极204可视为闸极。第三电极202的材料例如是Al、Ti、Ni、Au或其合金或其他可与III-V族化合物形成欧姆接触的材料，且第四电极204的材料例如是Ni、Mo、W、TiN或其组合。
与氮化物半导体元件1相似，在对氮化物半导体元件2操作时，当对第二电极114施加电压时，由于经掺杂的氮化物半导体层104通过与第二电极114电性连接的第三电极202而和第二电极114电性连接，使得电洞可自经掺杂的氮化物半导体层104射出，并朝向氮化物半导体元件2中被缺陷捕捉的电子行进并与其结合。如此一来，可消除被缺陷捕捉的电子所来的负电荷，且因此可改善甚至消除电流坍塌现象。此外，由于掺杂区116具有足够高的阻值且仅与第二电极114部分重叠，因此可有效地限制电洞朝向被缺陷捕捉的电子的行进路径，以提高改善甚至消除电流坍塌现象的效果。另外，在经掺杂的氮化物半导体层104中设置掺杂区116还可有效地避免产生漏电流。
图3是依照本发明另一实施例所绘示的作为场效电晶体的氮化物半导体元件的场效电晶体剖面示意图。在图3中，与图1相同的元件将以相同的元件符号表示，且省略对其的说明。请参照图3，氮化物半导体元件3与氮化物半导体元件1的差异在于：在氮化物半导体元件3中，第二电极302配置于基底100的第二表面S2下，且通过接触窗304延伸至经掺杂的氮化物半导体层104中。此外，第三电极306位于阻障层110上且与第二电极302电性连接，且第四电极308设置在第一电极112与第三电极306之间。
在本实施例中，氮化物半导体元件3作为场效电晶体，因此第一电极112可视为源极，第三电极306可视为汲极，第四电极308可视为闸极。第二电极302与第三电极306的材料例如是Al、Ti、Ni、Au或其合金或其他可与III-V族化合物形成欧姆接触的材料，且第四电极308的材料例如是Ni、Mo、W、TiN或其组合。
与氮化物半导体元件1相似，在对氮化物半导体元件3操作时，当对第三电极306施加电压时，由于经掺杂的氮化物半导体层104通过接触窗304以及与第三电极306电性连接的第二电极302而和第三电极306电性连接，使得电洞可自经掺杂的氮化物半导体层104射出，并朝向氮化物半导体元件3中被缺陷捕捉的电子行进并与其结合。如此一来，可消除被缺陷捕捉的电子所来的负电荷，且因此可改善甚至消除电流坍塌现象。此外，由于掺杂区116具有足够高的阻值且仅与第二电极302部分重叠，因此可有效地限制电洞朝向被缺陷捕捉的电子的行进路径，以提高改善甚至消除电流坍塌现象的效果。另外，在经掺杂的氮化物半导体层104中设置掺杂区116还可有效地避免产生漏电流。
图4至图6是依照本发明实施例所绘示的作为萧特基二极体的氮化物半导体元件的剖面示意图。在图4至图6中，与图1至图3相同的元件将以相同的元件符号表示，且省略对其的说明。
在图4中，氮化物半导体元件4与氮化物半导体元件1的差异在于：在氮化物半导体元件4中，第一电极112与第二电极114之间不具有第三电极，且氮化物半导体元件4作为萧特基二极体，因此第一电极112可视为阳极，第二电极114可视为阴极。此时，第一电极112材料例如是Ni、W、Mo、TiN或其组合，第二电极114的材料例如是Ti、Al或其组合。
在图5中，氮化物半导体元件5与氮化物半导体元件1的差异在于：在氮化物半导体元件5中，第一电极112与第二电极114之间不具有第三电极，且氮化物半导体元件5作为萧特基二极体，因此第一电极112可视为阳极，第二电极114可视为阴极。此时，第一电极112材料例如是Ni、W、Mo、TiN或其组合，第二电极114与第三电极202的材料例如是Ti、Al或其组合。
在图6中，氮化物半导体元件6与氮化物半导体元件1的差异在于：在氮化物半导体元件6中，第一电极112与第三电极306之间不具有第四电极，且氮化物半导体元件6作为萧特基二极体，因此第一电极112可视为阳极，第三电极306可视为阴极。此时，第一电极112材料例如是Ni、W、Mo、TiN或其组合，第二电极302与第三电极306的材料例如是Ti、Al或其组合。
图7是依照本发明另一实施例的作为场效电晶体的氮化物半导体元件的剖面示意图。在图7中，与图1相同的元件将以相同的元件符号表示，且省略对其的说明。请参照图7，氮化物半导体元件7与氮化物半导体元件1的差异在于：在氮化物半导体元件7中，经掺杂的第一缓冲层402与经掺杂的第二缓冲层404的掺杂浓度为1×1019个/cm3以上，且未设置有掺杂区116。由于经掺杂的第一缓冲层402的掺杂浓度为1×1019个/cm3以上，使得于经掺杂的第一缓冲层402具有高阻值，因此相对于氮化物半导体元件1，在氮化物半导体元件7中可不需设置掺杂区116而可具有相似的效果。当然，在其他实施例中，也可以额外设置掺杂区116。
图8是依照本发明另一实施例所绘示的作为萧特基二极体的氮化物半导体元件的剖面示意图。在图8中，与图4相同的元件将以相同的元件符号表示，且省略对其的说明。请参照图8，氮化物半导体元件8与氮化物半导体元件4的差异在于：在氮化物半导体元件8中，经掺杂的第一缓冲层402与经掺杂的第二缓冲层404的掺杂浓度为1×1019个/cm3以上，且未设置有掺杂区116。由于经掺杂的第一缓冲层402的掺杂浓度为1×1019个/cm3以上，使得于经掺杂的第一缓冲层402具有高阻值，因此相对于氮化物半导体元件4，在氮化物半导体元件8中可不需设置掺杂区116而可具有相似的效果。当然，在其他实施例中，也可以额外设置掺杂区116。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰。

Claims (14)

1.一种氮化物半导体元件，包括：
基底，具有相对的第一表面及第二表面；
成核层，配置于所述基底的所述第一表面上；
经掺杂的氮化物半导体层，配置于所述成核层上，其中，所述经掺杂的氮化物半导体层为P型氮化镓层；
经掺杂的第一缓冲层，配置于所述经掺杂的氮化物半导体层上；
通道层，配置于所述经掺杂的第一缓冲层上；
阻障层，配置于所述通道层上；
第一电极，配置于所述阻障层上，其中，所述第一电极为源极；
第二电极，与所述经掺杂的氮化物半导体层电性连接，其中，所述第二电极为汲极；以及
掺杂区，至少配置于部分所述经掺杂的氮化物半导体层中，其中所述掺杂区自所述第一电极的下方延伸至与所述第二电极部分重叠，其中，所述经掺杂的第一缓冲层或者所述掺杂区为高阻态。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其中，所述第二电极配置于所述阻障层上。
3.根据权利要求2所述的氮化物半导体元件，其中，所述经掺杂的第一缓冲层暴露出部分所述经掺杂的氮化物半导体层，且所述氮化物半导体元件更包括第三电极，所述第三电极配置于暴露的所述经掺杂的氮化物半导体层上且与所述第二电极电性连接。
4.根据权利要求3所述的氮化物半导体元件，更包括第四电极，配置于所述阻障层上且位于所述第一电极与所述第二电极之间。
5.根据权利要求2所述的氮化物半导体元件，更包括第三电极，配置于所述阻障层上且位于所述第一电极与所述第二电极之间。
6.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其中，所述第二电极配置于所述基底的所述第二表面上，且所述氮化物半导体元件更包括第三电极，所述第三电极配置于所述阻障层上。
7.根据权利要求6所述的氮化物半导体元件，更包括第四电极，配置于所述阻障层上且位于所述第一电极与所述第三电极之间。
8.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，更包括经掺杂的第二缓冲层，配置于所述成核层与所述经掺杂的氮化物半导体层之间，其中所述经掺杂的第一缓冲层与所述经掺杂的第二缓冲层的掺杂浓度低于1×1019个/cm3。
9.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其中，所述掺杂区自所述经掺杂的氮化物半导体层延伸至所述经掺杂的第一缓冲层中或所述成核层中。
10.一种氮化物半导体元件，包括：
基底，具有相对的第一表面及第二表面；
成核层，配置于所述基底的所述第一表面上；
经掺杂的氮化物半导体层，配置于所述成核层上，其中，所述经掺杂的氮化物半导体层为P型氮化镓层；
经掺杂的第一缓冲层，配置于所述经掺杂的氮化物半导体层上，其中所述经掺杂的第一缓冲层的掺杂浓度为1×1019个/cm3以上，且所述经掺杂的第一缓冲层为高阻态；
通道层，配置于所述经掺杂的第一缓冲层上；
阻障层，配置于所述通道层上；
第一电极，配置于所述阻障层上，其中，所述第一电极为源极；以及
第二电极，与所述经掺杂的氮化物半导体层电性连接，其中，所述第二电极为汲极。
11.根据权利要求10所述的氮化物半导体元件，其中，所述第二电极配置于所述阻障层上。
12.根据权利要求11所述的氮化物半导体元件，更包括第三电极，配置于所述阻障层上且位于所述第一电极与所述第二电极之间。
13.根据权利要求10所述的氮化物半导体元件，更包括掺杂区，至少配置于部分所述经掺杂的氮化物半导体层中，其中所述掺杂区自所述第一电极的下方延伸至与所述第二电极部分重叠。
14.根据权利要求10所述的氮化物半导体元件，更包括经掺杂的第二缓冲层，配置于所述成核层与所述经掺杂的氮化物半导体层之间，其中所述经掺杂的第二缓冲层的掺杂浓度为1×1019个/cm3以上。
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