TWI400801B - 半導體元件 - Google Patents

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Description

半導體元件
本發明涉及一種具有常關閉(normally-off)特性的半導體元件，特別是一種對高壓具有阻抗的半導體元件。
場效應電晶體元件(例如高電子遷移率電晶體(HEMT)和金屬半導體場效應電晶體(MESFET))通常具有常開特性，其中的每一個都具有異質接面(heterojunction)，以用於產生二維載流子氣體層來作為載流子傳導路徑。為了關閉具有常關閉特性的HEMT、MESFET等，需要一種用於在負電壓設定閘極電極的負電源，並且電路的價格必然提高。因此，需要一種具有常關閉特性的半導體元件(例如，參考日本特許公開第2007-19309號)。
為了形成具有常關閉特性的半導體元件，經常採用一種特殊閘極結構。作為這種用於向半導體元件賦予常關閉特性的特殊閘極結構，公知的是由金屬、絕緣材料、半導體等組成的疊層閘極結構以及為了使電子供應層變薄而對外形進行設計的凹槽閘極結構(例如，參考日本特許公開第2006-32650號、國際公開冊第2003/71607號和日本特許公開第2005-244072號)。由於工藝上的限制，這些閘極結構是藉由使用例如熱蒸發、電子束(EB)蒸發、濺射和化學氣相沉積(CVD)的技術而製備，其能夠在相對低的溫度下完成沉積。
然而，在具有能夠賦予常關閉特性的特殊閘極結構的上述半導體元件中，在針對與高壓用功率元件有關的半導體元件的情況下，存在這樣的問題：閘極結構很有可能由於不能承受高壓而被破壞，並且該半導體元件的可靠性從而降低。
本發明的一個觀點在於一種半導體元件，其包括半導體區域；源極電極和汲極電極，該源極電極和汲極電極設置在該半導體區域的主表面上；具有常關閉特性的閘極電極，該閘極電極設置在該半導體區域的主表面上，同時在其間插入p型材料膜，並且該閘極電極排列在該源極電極和該汲極電極之間；以及設置在該半導體區域的主表面上的第四電極，並且該第四電極排列在該閘極電極和該汲極電極之間。
本發明的各種具體實施例將參考附圖進行說明。需要注意的是，相同或相似的元件符號指的是所有附圖中相同或相似的部分或元件，並且將省略或簡化對相同或相似部分或元件的說明。
在以下說明中，將提出許多特定細節，例如特定信號值等，從而提供對本發明的完全理解。然而，對本領域技術人員來說顯而易見的是：本發明在沒有這些特定細節的情況下也能實現。
(第一具體實施例)
如圖1所示，依據本發明的第一具體實施例的半導體元件包括：半導體區域3；源極電極(第一電極)40和汲極電極(第二電極)44，其設置在該半導體區域3的主表面上；具有常關閉特性的閘極電極(第三電極)42，其設置在該半導體區域3的主表面之上，同時在其間插入p型材料膜60a，並且該閘極電極42排列在該源極電極40和該汲極電極44之間；以及設置在該半導體區域3的主表面上的第四電極50，其排列在該閘極電極42和該汲極電極44之間。該半導體區域3層疊在由氮化鋁(AlN)等製成的緩衝層20上，並且其設置在由藍寶石、矽、碳化矽等製成的支撐基板10上。如圖1所示，依據第一具體實施例的該半導體元件是HEMT。
該半導體區域3包括：第一半導體層30；以及第二半導體層32，其層疊在該第一半導體層30的主表面上，並且在該第一半導體層30的主表面之下直接產生二維載流子(電子)氣體層(2DEG層)31。該第一半導體層30是由例如氮化鎵(GaN)的氮化物半導體組成，其厚度例如為1到3微米，並且該第一半導體層30用作電子遷移層。該第二半導體層32由例如鋁鎵氮(AlGaN)的氮化物半導體組成，其厚度比該第一半導體層30薄，例如為5到50奈米(更優選5到30奈米)，並且該第二半導體層32用作電子供應層。
該第一半導體層30和該第二半導體層32由不同類型的氮化物半導體製成，並且經製備使得該第二半導體層32的帶隙能量大於第一半導體層30的帶隙能量，並且第二半導體層32的晶格常數小於第一半導體層30的晶格常數。因此，第一半導體層30和第二半導體層32之間的介面形成異質接面，並且在第一半導體層30的介面附近，這種2DEG層31由電場產生，該電場藉由壓電極化而在第一半導體層30和第二半導體層32之間產生，或者該電場藉由第二半導體層32的自發極化而產生。
該源極電極40和該汲極電極44電連接到該2DEG層31。源極電極40和汲極電極44由例如鈦(Ti)、鋁(Al)等組成。用於源極電極40和汲極電極44的Ti、Al等具有低功函數。因此，每一對源極電極40和第二半導體層32以及汲極電極44和第二半導體層32互相適於按照如下的方式完成歐姆接觸(低阻接觸)：將源極電極40和汲極電極44進行退火處理。
閘極電極42設置在閘極結構上從而將常關閉特性賦予該半導體元件。以下將列出用在閘極電極42上的閘極結構的特定實例。
(A)例如，如圖1和圖2所示，閘極結構具有凹槽結構，該凹槽結構藉由移除該半導體區域3(第二半導體層32)的主表面的一部分而形成。就深度來說，圖1和圖2所示的該凹槽結構不會達到第一半導體層30，而保留在第二半導體層32內。而且，圖1和圖2所示的閘極結構是p型閘極結構，其中該閘極電極42設置在經形成的凹槽結構上，同時在其間插入p型材料膜60a。
(B)例如，如圖3所示，閘極結構具有凹槽結構，該凹槽結構藉由移除該半導體區域3(第一半導體層30和第二半導體層32)的主表面的一部分而形成。就深度來說，圖3所示的該凹槽結構達到第一半導體層30。而且，圖3所示的閘極結構是p型閘極結構，其中該閘極電極42設置在經形成的凹槽結構上，同時在其間插入p型材料膜60a。
(C)例如，如圖4所示，閘極結構是p型閘極結構，其中該p型材料膜60a設置在該半導體區域3(第二半導體層32)的主表面上，並且閘極電極42設置在該半導體區域3的主表面上，同時其間插入p型材料膜60a。
(D)例如，如圖5所示，閘極結構具有凹槽結構，該凹槽結構藉由移除該半導體區域3(第二半導體層32)的主表面的一部分而形成。就深度來說，圖5所示的該凹槽結構不會達到第一半導體層30，並且保留在第二半導體層32內。而且，圖5所示的閘極結構是絕緣閘極結構(MIS結構)，其中該閘極電極42設置在經形成的凹槽結構上，同時在其間插入絕緣膜60b。
(E)例如，如圖6所示，閘極結構具有凹槽結構，該凹槽結構藉由移除該半導體區域3(第一半導體層30和第二半導體層32)的主表面的一部分而形成。就深度來說，圖6所示的該凹槽結構達到第一半導體層30。而且，圖6所示的閘極結構是MIS結構，其中該閘極電極42設置在經形成的凹槽結構上，同時在其間插入絕緣膜60b。在這種結構中，FET的閾值得到增加。
(F)例如，如圖7所示，閘極結構是MIS結構，其中該絕緣膜60b設置在該半導體區域3(第二半導體層32)的主表面上，並且閘極電極42設置在該半導體區域3的主表面上，同時其間插入絕緣膜60b。
(G)例如，如圖8所示，閘極結構具有凹槽結構，該凹槽結構藉由移除該半導體區域3(第二半導體層32)的主表面的一部分而形成。就深度來說，圖8所示的該凹槽結構不會達到第一半導體層30，並且保留在第二半導體層32內。而且，圖8所示的閘極結構是p型閘極結構和MIS結構的組合結構，其中該閘極電極42設置在經形成的凹槽結構上，同時在其間插入p型材料膜60a和絕緣膜60b。
(H)例如，如圖9所示，閘極結構具有凹槽結構，該凹槽結構藉由移除該半導體區域3(第一半導體層30和第二半導體層32)的主表面的一部分而形成。就深度來說，圖9所示的該凹槽結構達到第一半導體層30。而且，圖9所示的閘極結構是p型閘極結構和MIS結構的組合結構，其中該閘極電極42設置在經形成的凹槽結構上，同時在其間插入p型材料膜60a和絕緣膜60b。
(I)例如，如圖10所示，在閘極結構中，p型材料膜60a形成在該半導體區域3(第二半導體層32)的主表面上，並且絕緣膜60b還形成在p型材料膜60a上。閘極電極42設置在該半導體區域3的主表面上，同時其間插入p型材料膜60a和絕緣膜60b。圖10所示的閘極結構是p型閘極結構和MIS結構的組合結構，其中該閘極電極42設置在該半導體區域3的主表面上，同時在其間插入p型材料膜60a和絕緣膜60b。
閘極電極42由鎳(Ni)、金(Au)、Ti、Al等的層疊體或合金形成。p型材料膜60a由GaN、AlInGaN形成，每一個都摻雜有例如鎂(Mg)或諸如氧化鎳(NiO(x))的金屬氧化物的p型雜質。數值x為任意數值，例如x為1。絕緣膜60b由二氧化矽(SiO2 )、氮化矽(Si3 N4 )、氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鉿(HfO)、氮化鋁(AlN)等形成。
值得注意的是，用於閘極電極42的閘極結構並不限定於上述結構。例如，閘極結構可以具有下述結構，其中閘極電極42設置在由複數個p型材料膜60a和複數個絕緣膜60b組成的層疊體上。
第四電極50設置在閘極電極42和汲極電極44之間，並且在施加高壓時具有阻止閘極電極42被破壞的功能。在傳統HEMT、MESFET等中，在關閉操作(OFF operation)時，高達幾百伏特的電壓施加到閘極電極和汲極電極之間，電場在汲極電極側的閘極電極的一端集中，並且因此作為閘極材料的絕緣膜等有時候會被破壞。如圖11所示，在這種連接方式下，將零到幾個伏特的電壓預先施加到第四電極50上，同時將源極電極作為參考，從而在OFF操作時，這種高達幾百伏特的電壓將被施加到汲極電極44和第四電極50之間，並且不會將高壓(強電場(intense electric field))施加到閘極電極42上。在這種情況下，能夠阻止閘極電極42被破壞。
因此，第四電極50需要具有高度可靠的結構，其即使在施加高電壓時也不會被破壞。以下將列出第四電極50的特定實例，其具有即使在施加高電壓時也不會被破壞的高度可靠的結構。
(A)例如，如圖11和圖12所示，該第四電極50是蕭特基(Schottky)電極，其與半導體區域3(第二半導體層32)的主表面進行蕭特基接觸。作為蕭特基電極的第四電極50是由Ni、Au、Ti、銠(Rh)、Al等的層疊體或合金形成。
(B)例如，如圖13所示，第四電極50是蕭特基電極，其設置在藉由移除該半導體區域3(第二半導體層32)的主表面的一部分而形成的凹槽結構上，並且與第二半導體層32進行蕭特基接觸。作為蕭特基電極的第四電極50是由Ni、Au、Ti、Rh、Al等的層疊體或合金形成。
(C)例如，如圖14所示，第四電極50設置在半導體區域3(第二半導體層32)的主表面上，同時在其間插入p型材料膜70。此時，優選在第四電極50和p型材料膜70互相之間採用歐姆接觸(低阻接觸)。第四電極50由Ni、Au、Ti、Al等的層疊體或合金形成。而且，該p型材料膜70由例如氮化鎵(GaN)、鋁銦鎵氮(AlInGaN)的氮化物半導體材料、例如氧化鎳(NiO(x))的金屬氧化物、例如矽(Si)和鍺(Ge)的半導體材料或者例如由Si和Ge製成的矽鍺(SiGe)的化合物半導體材料形成，其中的每一個都摻雜有p型雜質。
(D)例如，如圖15所示，第四電極50設置在凹槽結構上，同時在其間插入p型材料膜70，該凹槽結構藉由移除該半導體區域3(第二半導體層32)的主表面的一部分而形成。此時，優選在第四電極50和p型材料膜70互相之間採用歐姆接觸(低阻接觸)。第四電極50由Ni、Au、Ti、Al等的層疊體或合金形成。而且，該p型材料膜70由例如AlInGaN的氮化物半導體材料、例如Si和Ge的半導體材料或者例如由Si和Ge製成的SiGe的化合物半導體材料形成，其中的每一個都摻雜有p型雜質。
以下將對依據本發明的第一具體實施例的半導體元件中存在的常關閉特性進行說明。
當正常開啟操作(On operation)中的閘極控制信號沒有施加到閘極電極42和源極電極40之間時，p型材料膜60a提高直接位於閘極電極42之下的第一半導體層30上的電位，並且減少2DEG層31的電子，從而使直接位於閘極電極42之下的2DEG層31耗盡。特定地，該p型材料膜60a(以及該絕緣膜60b的附近)形成第一半導體層30(2DEG層31)中的耗盡層。特定的，在沒有向閘極電極42施加偏壓的正常狀態下，耗盡層形成在2DEG層31中，並且在源極電極40和汲極電極44之間的電子流動被阻塞，從而獲得常關閉特性。
而且，在依據第一具體實施例的半導體元件中，該凹槽直接設置在閘極電極42之下，並且作為電子供應層的第二半導體層32部分地變薄。這樣，電場減弱，並且該2DEG層31的濃度降低，該電場是由基於電子供應層和電子遷移層之間的異質接面的壓電極化以及由電子供應層的自發極化而產生。因此，該半導體元件獲得常關閉特性將變得容易。
按照本發明第一具體實施例的半導體元件，即使在提供特定閘極結構作為將常關閉特性賦予半導體元件的凹槽結構的情況下，高壓(強電場)施加到代替閘極電極42的第四電極50上，從而減少閘極電極42被施加的高壓而被破壞的可能性。而且，如果第四電極50是蕭特基電極等，其在施加高壓時是高度可靠的，那麼將減少依據第一具體實施例的半導體元件在成為功率元件時被破壞的可能性，並且半導體元件的可靠性得到增強。
(第二具體實施例)
如圖16所示，依據本發明的第二具體實施例的半導體元件區別於圖1所示出的依據第一具體實施例的半導體元件，因為第四電極50和源極電極40是互相短路的。第二具體實施例中的其他部分基本上類似於第一具體實施例，並且因此將省略同樣的說明。
第四電極50和源極電極40是由導電材料互聯而互相短路。當源極電極40的電位高於汲極電極44時，第四電極50和汲極電極44之間產生電流。
依據第二具體實施例的半導體元件，其按照以上所述進行配置，還能夠獲得與依據第一具體實施例的半導體元件類似的效應。
而且，按照第二具體實施例的半導體元件，第四電極50和源極電極40互相短路，因此該半導體元件能夠由與源極電極、閘極電極和汲極電極組成的傳統三極FET類似的控制來使用。
(第三具體實施例)
依據本發明的第三具體實施例的半導體元件區別於圖1所示出的依據第一具體實施例的半導體元件，因為第四電極50和半導體區域3的接觸面具有整流特性。第三具體實施例中的其他部分基本上類似於第一具體實施例，並且因此將省略同樣的說明。
如果第四電極50是蕭特基電極，那麼在第四電極50和汲極電極44之間的部分成為蕭特基障壁二極體，並且該半導體元件成為其中具有高速二極體的半導體元件。圖17是包括位於第四電極50和汲極電極44之間的蕭特基障壁二極體的半導體元件的等效電路圖。蕭特基障壁二極體的陽極連接到源極端80，並且其中的陰極連接到汲極端82。因此，該蕭特基障壁二極體串聯到依據第三具體實施例的半導體元件，並且用作回饋二極體、再生二極體或保護二極體。例如，當電感負載或電容負載連接到HEMT時，汲極端82的電位會低於源極端80的電位，並且在某些情況下將反向過電壓施加到HEMT上。同時，蕭特基障壁二極體施加正向偏壓，變為導電狀態，從而能夠使HEMT上沒有反向過電壓或者產生再生電流，即，流過的回饋電流。而且，向汲極電極44延伸的場板可以由第四電極50形成。該場板減弱在第四電極50和汲極電極44之間產生的電場。因此，由於減少了流過第四電極50的漏電流，該半導體元件能夠達到高阻塞電壓。
依據第三具體實施例的半導體元件，其按照以上該進行配置，還能夠獲得與依據第一具體實施例的半導體元件類似的效應。
而且，按照第三具體實施例的半導體元件，在橋接變換器等的情況下，可以省略外部再生二極體。
而且，按照第三具體實施例的半導體元件，反向恢復電流要比由矽p-i-n結構組成的傳統快速恢復二極體(FRD)減少的多。
而且，按照第三具體實施例的半導體元件，可以使得具有這種用作回饋二極體、再生二極體或保護二極體的附加二極體的組合半導體元件的尺寸降低和成本下降。
(第四具體實施例)
如圖18所示，依據本發明的第四具體實施例的半導體元件區別於圖16所示出的依據第三具體實施例的半導體元件，其中第四電極50是如圖15構造。第四具體實施例中的其他部分基本上類似於第一具體實施例，並且因此將省略同樣的說明。
即，依據該具體實施例的閘極結構是p型閘極結構，其中如圖2所示的該閘極電極42設置在凹槽結構上，同時在其間插入p型材料膜60a。而且，依據該具體實施例的第四電極50設置在半導體區域3的主表面上，同時在其間插入p型材料膜70。而且，第四電極50設置在藉由移除該半導體區域3(第二半導體層32)的主表面的一部分而形成的凹槽結構上。
優選的是，第四電極50是由與閘極電極42相同的Ni、Au、Ti、Al等的層疊體或合金形成。優選的是，p型材料膜70由與p型材料膜60a相同的材料形成。優選的是，半導體區域3(第二半導體層32)保留在第四電極50下方，從而具有等於或大於該半導體區域3(第二半導體層32)的厚度，以保留在閘極電極42下方。第四電極50不需要設置在凹槽結構上。
依據第四具體實施例的半導體元件，其按照以上所述進行配置，還能夠獲得與依據第三具體實施例的半導體元件類似的效應。
而且，按照第四具體實施例的半導體元件，p-n二極體形成在第四電極50和汲極電極44之間。依據該具體實施例的等效電路和功能是與依據第三具體實施例的半導體元件相同構造，如圖17所示。與蕭特基障壁二極體相比，該p-n二極體能夠獲得高阻塞電壓和低漏電流。而且，因為p型材料膜60a、70、閘極電極42和第四電極50能夠在共同製造工藝中形成，該半導體元件的生產工藝能夠得到簡化。
(其他具體實施例)
以上對基於具體實施例的本發明進行了說明；然而不應該認為構成本公開的一部分的說明書和附圖限定了本發明。從本公開可知，各種可選具體實施例、實例和操作技術對本領域技術人員來說將是顯而易見的。
例如，如第一到第三具體實施例中所述，依據本發明的半導體元件不會限定於組成第一半導體層30的GaN和組成第二半導體層32的AlGaN的單一異質接面，其還可能向半導體元件添加AlInGaN覆蓋層和間隔層。該覆蓋層和間隔層添加到半導體元件中，從而建立第一半導體層30和第二半導體層32之間的晶格匹配，並且能夠抑制壓電電荷的產生。
而且，儘管已經在第一到第三具體實施例中說明該半導體元件是HEMT，但是本發明還能以類似的方式施加至MESFET。
而且，在第一到第三具體實施例中，還可能將場板結構引入到源極電極40、閘極電極42、汲極電極44和第四電極50中。將該場板結構引入到各個電極中，從而減輕在每一個電場周圍的耗盡層中的電場濃度。
而且，儘管已經在第一到第三具體實施例中說明了使用二維載流子氣體層作為導電路徑的載流子是電子；但是該載流子還可以是電洞。
對於本領域技術人員來說，在接受本公開的教導並不脫離其範圍的情況下進行的各種修改是可能的。
3．．．半導體區域
10．．．支撐基板
20．．．緩衝層
30．．．第一半導體層
31．．．2DEG層
32．．．第二半導體層
40．．．源極電極
42．．．閘極電極
44．．．汲極電極
50．．．第四電極
60a．．．p型材料膜
60b．．．絕緣膜
70．．．p型材料膜
80．．．源極端
82．．．汲極端
圖1是依據本發明第一具體實施例的半導體元件的橫截面示意圖。
圖2是依據本發明第一具體實施例的半導體元件中用作閘極電極的閘極結構的橫截面示意圖(第1)。
圖3是依據本發明第一具體實施例的半導體元件中用作閘極電極的閘極結構的橫截面示意圖(第2)。
圖4是依據本發明第一具體實施例的半導體元件中用作閘極電極的閘極結構的橫截面示意圖(第3)。
圖5是依據本發明第一具體實施例的半導體元件中用作閘極電極的閘極結構的橫截面示意圖(第4)。
圖6是依據本發明第一具體實施例的半導體元件中用作閘極電極的閘極結構的橫截面示意圖(第5)。
圖7是依據本發明第一具體實施例的半導體元件中用作閘極電極的閘極結構的橫截面示意圖(第6)。
圖8是依據本發明第一具體實施例的半導體元件中用作閘極電極的閘極結構的橫截面示意圖(第7)。
圖9是依據本發明第一具體實施例的半導體元件中用作閘極電極的閘極結構的橫截面示意圖(第8)。
圖10是依據本發明第一具體實施例的半導體元件中用作閘極電極的閘極結構的橫截面示意圖(第9)。
圖11是用於解釋依據本發明第一具體實施例的半導體元件的操作的橫截面示意圖。
圖12是依據本發明第一具體實施例的半導體元件中的第四電極的橫截面示意圖(第1)。
圖13是依據本發明第一具體實施例的半導體元件中的第四電極的橫截面示意圖(第2)。
圖14是依據本發明第一具體實施例的半導體元件中的第四電極的橫截面示意圖(第3)。
圖15是依據本發明第一具體實施例的半導體元件中的第四電極的橫截面示意圖(第4)。
圖16是依據本發明第二具體實施例的半導體元件的橫截面示意圖。
圖17是依據本發明第三具體實施例的半導體元件的等效電路圖，該半導體元件包括位於第四電極和汲極電極之間的蕭特基障壁二極體。
圖18是依據本發明第四具體實施例的半導體元件的橫截面示意圖。
3．．．半導體區域
10．．．支撐基板
20．．．緩衝層
30．．．第一半導體層
31．．．2DEG層
32．．．第二半導體層
40．．．源極電極
42．．．閘極電極
44．．．汲極電極
50．．．第四電極
60a．．．p型材料膜

Claims (7)

  1. 一種半導體元件，其包含：半導體區域；源極電極和汲極電極，該源極電極和汲極電極設置在該半導體區域的主表面上；閘極電極，其具有常關閉特性，該閘極電極設置在該半導體區域的主表面上，同時在其間插入p型材料膜，並且該閘極電極排列在該源極電極和該汲極電極之間；以及第四電極，其設置在該半導體區域的主表面上，並且該第四電極排列在該閘極電極和該汲極電極之間，其中保留在該第四電極下方的該半導體區域的厚度大於保留在該閘極電極下方的該半導體區域的厚度。
  2. 根據申請專利範圍第1項的半導體元件，其中該第四電極和該半導體區域之間的接觸面具有整流特性。
  3. 根據申請專利範圍第1項的半導體元件，其中該第四電極設置在藉由移除該半導體區域的主表面的一部分而形成的凹槽結構上。
  4. 根據申請專利範圍第1項的半導體元件，其中該第四電極與該半導體區域的主表面進行蕭特基接觸。
  5. 根據申請專利範圍第1項的半導體元件，其中該第四電極設置在該半導體區域的主表面上，同時在其間插入該p型材料膜。
  6. 根據申請專利範圍第5項的半導體元件，其中位於該閘極電極下方的該p型材料膜是由與位於該第四電極下方 的p型材料膜相同的材料而形成。
  7. 根據申請專利範圍第1項的半導體元件，其中該源極電極和該第四電極互相電連接。
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