TWI429076B - 二元第iii族-氮化物基高電子移動性電晶體及其製造方法 - Google Patents

二元第iii族-氮化物基高電子移動性電晶體及其製造方法 Download PDF

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Description

二元第III族氮化物基高電子移動性電晶體及其製造方法
本發明係關於半導體裝置，更特定關於含有氮化物基主動層之電晶體。
諸如矽(Si)及砷化鎵(GaAs)之類的材料，已泛用於半導體裝置中，做較低功率及(在Si之情形下)較低頻率應用。然而，此等較慣見的半導體材料並不太適合於較高功率及/或較高頻率應用，此係因其有相對較小的能隙(如，室溫下，Si有1.12電子伏特，GaAs有1.42電子伏特)及/或相對較小的崩潰電壓。
按Si與GaAs係難以處理的，在高功率、高溫及/或高頻應用及裝置方面的興趣已轉向寬能隙半導體材料，諸如碳化矽(室溫下α－SiC有2.996電子伏特)及第III族氮化物(如，室溫下氮化鎵(GaN)有3.36電子伏特)。此等材料就其典型來說，較砷化鎵及矽有更高的崩潰電場強度及更高的電子飽和速度。
在高功率及/或高頻應用方面，有一特別重要的裝置係「高電子移動性電晶體(HEMT)」，其在某些情形下亦稱為調變摻雜場效電晶體(modulation doped field effect transistor；MODFET)。此等裝置在一些情況下有操作上的優點，係因二個半導體材料若具相異能隙能量，則會在異質接面處會形成二維電子氣體(2 dimensional electron gas；2DEG)，而在該處，具較小能隙之材料有較高的電子親合性。二維電子氣體係在該非摻雜(「非蓄意摻雜」)的具較小能隙之材料中的一累積層，而能包含極高的片電子濃度，舉例來說，每平方厘米超過1013 個載子。另外，具較寬能隙之半導體所釋出的電子會轉移至二維電子氣體，由於離子化雜質散射減少而具有高電子移動性。
此高載子濃度和高載子移動性組合能給予高電子移動性電晶體極大的跨導性，且在高頻應用上可提供超乎金屬半導體場效電晶體(metal-semiconductor field effect transistor；MESFET)之強大性能優點。
以氮化鎵/氮化鋁鎵(GaN/AlGaN)材料系所製的高電子移動性電晶體因上述的高崩潰電場、其寬能隙、大導帶偏移及/或高飽和電子漂移速度等材料特徵的組合，故而有潛力來產生大量的射頻(radio frequency；RF)功率。二維電子氣體中的大部分電子係歸因於AlGaN中的極化。以GaN/AlGaN材料系所製的高電子移動性電晶體前此已有論述。美國專利第5,192,987及5,296,395號說明一AlGaN/GaN HEMT結構及其製造方法。美國專利第6,316,793號(屬Sheppard等人所發明)係共同受讓而以提及的方式併入本文中，該專利說明一高電子移動性電晶體裝置，其具有一半絕緣碳化矽基板、一氮化鋁緩衝層在該基板上、一絕緣氮化鎵層在該緩衝層上、一氮化鋁鎵阻障層在該氮化鎵層上、及一鈍化層在該氮化鋁鎵活性結構上。
本發明之一些具體實施例提供高電子移動性電晶體 (HEMT)及製造高電子移動性電晶體之方法，該等高電子移動性電晶體包含一第一二元第III族氮化物阻障層、一二元第III族氮化物通道層在該第一阻障層上、及一第二二元第III族氮化物阻障層在該通道層上。在一些具體實施例中，該第一阻障層包含一摻雜的二元第III族氮化物區，其鄰近該二元第III族氮化物通道層。在該摻雜的二元第III族氮化物區與該通道層之間，亦可配置一非摻雜的二元第III族氮化物層。
在本發明之其他具體實施例中，該第二阻障層包含一第一摻雜的二元第III族氮化物區，其鄰近該二元第III族氮化物通道層。在該第二阻障層的第一摻雜的二元第III族氮化物區與該通道層之間，可配置一非摻雜的二元第III族氮化物層。
在本發明之一些具體實施例中，該第一阻障層包含一氮化鋁(AlN)層，該通道層包含一氮化鎵(GaN)層，且該第二阻障層包含一氮化鋁層。該第一阻障層可有自約1奈米至約1毫米的厚度，該通道層可有自約0.3奈米至約10奈米的厚度，且該第二阻障層可有自約0.5奈米至約50奈米的厚度。
在本發明之附加具體實施例中，係在該第一氮化鋁阻障層與該氮化鎵通道層之間，配置一第一摻雜的氮化鋁層。該第一摻雜的氮化鋁層可包含一摻雜了矽、鍺及/或錫之氮化鋁層。該第一摻雜的氮化鋁層可有自約0.2奈米至約10奈米的厚度。該第一摻雜的氮化鋁層可有自約每立方厘米1×1017 至約每立方厘米1×1021 的摻雜劑濃度。在該第一摻雜 的氮化鋁層與該氮化鎵通道層之間，亦可配置一第一非摻雜的氮化鋁層。該第一非摻雜的氮化鋁層可有自約0.3奈米至約5奈米的厚度。
在其他具體實施例中，係在該第二氮化鋁阻障層與該氮化鎵通道層之間，配置一第二摻雜的氮化鋁層。該第二摻雜的氮化鋁層可包含一摻雜了矽、鍺及/或錫之氮化鋁層。該第二摻雜的氮化鋁層可有自約0.2奈米至約10奈米的厚度。該第二摻雜的氮化鋁層可有自約每立方厘米1×1017 至約每立方厘米1×1021 的摻雜劑濃度。在該第二摻雜的氮化鋁層與該氮化鎵通道層之間，可配置一第二非摻雜的氮化鋁層。該第二非摻雜的氮化鋁層可有自約0.3奈米至約5奈米的厚度。
在其他具體實施例中，係在該第二氮化鋁阻障層上與該氮化鎵通道層對立面提供一氮化鎵層。在該第二氮化鋁阻障層上與該氮化鎵通道層對立面的氮化鎵層可有自約0.3奈米至約100奈米的厚度，在一些具體實施例中，則小於10奈米。
在本發明之一些具體實施例中，該第一二元第III族氮化物阻障層包含氮化鋁，在該第一阻障層上的二元第III族氮化物通道層包含氮化銦，且在該通道層上的第二二元第III族氮化物阻障層包含氮化鋁。在本發明之其他具體實施例中，該第一二元第III族氮化物阻障層包含氮化鎵，在該第一阻障層上的二元第III族氮化物通道層包含氮化銦，且在該通道層上的第二二元第III族氮化物阻障層包含氮化鎵。
在本發明之一些具體實施例中，該高電子移動性電晶體在其一主動區中不包含三元或四元第III族氮化物層。
下文將參考附圖為而更全面地說明本發明，附圖顯示了本發明之具體實施例。然而，不應認為本發明受限於本文所提出之具體實施例。較確切而言，本文提供此等具體實施例，以此本發明所揭露內容將更為詳盡完整且將更全面傳達本發明之範疇給熟習此項技術者。在圖式中，各層及區之厚度係為清楚起見而有所誇張。相同標號一以貫之係指相同元件。本文中所用詞語「及/或」係包含有關的列舉項目其中一或多個的任何及全部組合。
本文所用的術語係僅為說明特定具體實施例，其旨不在限制本發明。本文中所用的單數形式「一」、「一個」及「該」也傾向於包含複數形式，除非上下文清楚地指示其他情況。應進而瞭解，在此說明書中用到詞語「包含」及/或「包括」時，係指明所述特點、整體、步驟、作業、元件及/或組件存在，但並不排除有一或多個其他特點、整體、步驟、作業、元件、組件及/或彼等的群組存在或加入。
應瞭解，當一元件諸如一層、區或基板被指出係「在」或「延伸至」另一元件「上」時，係指直接在、或直接延伸至其他元件之上，或者指其間存有中介元件。相反地，當一元件被指出係「直接在」或「直接延伸至」另一元件「上」時，則其間不存有中介元件。亦應瞭解到，當一元件被指出係「連接」或「耦合」至另一元件時，其可直接連接或耦合至其他元件，或者其間存有中介元件。相反地，當一元件被指出係「直接連接」或「直接耦合」至另一元件時，則其間不存有中介元件。相同標號在說明書中一貫地係指相同元件。
應瞭解，雖然本文中可用詞語「第一」、「第二」等來說明各個元件、組件、區、層及/或段，但是此等元件、組件、區、層及/或段不應受限於此等詞語。此等詞語係僅用來區別一個元件、組件、區、層或段與另一區、層或段。如此，以下所討論之一第一元件、組件、區、層或段，在不脫離本發明教示的情形下，可稱為一第二元件、組件、區、層或段。
再者，相對性詞語諸如「下」或「底」及「上」或「頂」，在本文中可用來說明圖中所闡示之一個元件與另一元件的關係。應瞭解，相對性詞語傾向於包含該裝置位於圖示方位之外的不同方位。例如，若反轉圖中的裝置，則原本所說明在其他元件之「下」側上的元件，其方位會定向為在該等其他元件之「上」側上。因此，例示詞語「下」包含「下」及「上」兩方位，取決於圖示的特定方位。同樣地，若反轉該等圖其中之一所示的裝置，則原本所說明在其他元件「下方」或「以下」的元件，其方位會定向為在該等其他元件「以上」。因此，例示詞語「下方」或「以下」可包含「以上」及「以下」兩方位。
本文將參考本發明之理想化的具體實施例之截面圖示來說明本發明之具體實施例。所示形狀預期將因(舉例來說)製造技術及/或公差而有所變動。如此，不應認為本發明之具體實施例受限於本文所闡示的特定區域形狀，而應包含(舉例來說)製造所致的形狀偏差。舉例來說，所闡示為矩形的蝕刻區域者，就其典型來說，將會有錐形、圓形或曲形的特徵。如此，圖示的區域在本質上為概要性的，彼等之形狀並不旨在闡示一裝置區域之精確形狀且不旨在限制本發明之範疇。
除非另有定義，否則本文所用的一切詞語(包括技術及科學詞語)與熟習本發明技術者所共同瞭解的有相同含意。應進一步瞭解，諸如通用詞典所定義的詞語，其含意應被詮釋與相關技術領域背景中的含意一致，除非本文有明確定義，不應以理想化的或過度正式的意思來詮釋之。
熟習此技術者亦應瞭解，參考所指的與另一結構或特徵「鄰近」配置的結構或特徵，可在該鄰近結構或特徵上面或下面做部分疊置。
本發明之具體實施例提供二元氮化物基高電子移動性電晶體，諸如第III族氮化物基裝置。根據本發明一些具體實施例的二元第III族氮化物裝置，其主動區之各層係二元第III族氮化物，而有已減少或最少的合金散射。本文所用詞語「第III族氮化物」係指氮與週期表第III族中的元素鎵(Ga)、鋁(Al)及/或銦(In)所形成的那些半導體化合物。如熟習此技術領域者所應充分瞭解的，第III族元素能與氮組合而形成二元(如，氮化鎵)、三元(如，氮化銦鎵(InGaN))及四元(如，氮化鋁銦鎵(AlInGaN))化合物。此等化合物都有經驗公式：一莫耳氮與總共一莫耳第III族元素組合。據此，常用通式諸如Inx Ga1 － x N(其中0x1)來說明彼等。
更進而言之，本文所用的二元第III族氮化物係指氮及第III族元素其一，而在第III族氮化物基裝置之主動層中不蓄意併入其他的第III族元素。在本發明之一些具體實施例中，二元第III族氮化物含有一第二種第III族元素至多達約1%，而不致引起重大的合金散射。例如，在氮化鋁或氮化鎵長出期間，若有需要，可有少量銦存在，用以作為表面活性劑。據此，按照本發明所揭示，如熟習此技術者所應瞭解的，二元第III族氮化物層或區含有非理想的化合物。例如，即使裝置之一主動層中存有若干第三種第III族元素，例如製造期間由污染所非蓄意併入者，該主動層亦仍屬二元的。裝置之主動層係該裝置中二維電子氣體形成所在的各層，以及二維電子氣體形成所在的各層與裝置之源極、汲極及/或閘極接點及/或接觸層(即直接在層上形成一接點)之間所配置的各層。在二維電子氣體形成所在的各層中可併入摻雜劑(諸如矽)，而仍提供二元第III族氮化物結構。在本發明之一些具體實施例中，在二維電子氣體形成所在的各層與一基板之間的各層中，及/或在該基板中，可有非第III族氮化物材料，或有三元或四元化合物。例如，基板可為藍寶石或碳化矽(SiC)，或者漸變式過渡層可包含氮化鋁鎵(AlGaN)。
圖1闡示一根據本發明一些具體實施例的高電子移動性電晶體。如圖1所見，提供一二元第III族氮化物(諸如氮化鎵)通道層14於一第一二元第III族氮化物阻障層12上。提供一第二二元第III族氮化物阻障層16於該通道層14上。該第一阻障層12及該第二阻障層16，舉例來說，可為氮化鋁，並可為非摻雜的或係包含鄰近於該該通道層14的摻雜區。更進而言之，該第一阻障層12、該通道層14及該第二阻障層16可藉金屬有機化學汽相沉積法(metal organic chemical vapor deposition；MOCVD)或熟習此技術者所知的其他技法，諸如分子束磊晶法(molecular beam epitaxy；MBE)或氫化物汽相磊晶法(hydride vapor phase epitaxy；HVPE)，而沉積及/或生長。氮化鋁基板、氮化鋁層、氮化鎵層及其他二元第III族氮化物層的製造技法係熟習此技術者所知，本文對此不必再有進一步說明。
在本發明之特定具體實施例中，可提供該第一阻障層12作為一基板(諸如氮化鋁基板)。或者，可在一基板上形成圖1之結構。例如，該第一阻障層12可由一氮化鋁緩衝層提供在一氮化鋁基板上。該氮化鋁緩衝層可提供比該氮化鋁基板更高的氮化鋁純度及/或品質。更進而言之，使用一氮化鋁基板可消除第一阻障層12與基板之間介面處的熱障，而且，在一氮化鋁基板上同質磊晶長出氮化鋁可有較低的氮化鋁異質磊晶成長的位錯密度。適用為第一阻障層12之氮化鋁基板，或者適合在本身上提供一氮化鋁緩衝層作為第一阻障層12之氮化鋁基板，舉例來說，可自Crystal IS公司(沃特弗利特(Watervliet)，紐約州)取得。
雖然氮化鋁可用來作為基板材料，而此時第一阻障層12係由基板所提供，但是本發明之具體實施例可利用任何合適的基板，諸如藍寶石、碳化矽、氮化鋁鎵、氮化鎵、矽、砷化鎵(GaAs)、鎵酸鑭(LGO)、氧化鋅(ZnO)、鋁酸鑭(LAO)、磷化銦(InP)及類似物。在一些具體實施例中，亦可形成一適當的緩衝層。例如，可用成核層及/或橫向再成長磊晶術(epitaxial lateral overgrowth；ELO)，在諸如碳化矽或藍寶石之基板上長成二元第III族氮化物層。更進而言之，可控制成長條件來控制該等二元第III族氮化物層之位錯密度及/或應變，以提供實質上釋放的氮化物層。
該第一阻障層12可為一非摻雜或非蓄意摻雜的二元第III族氮化物，諸如氮化鋁。在一些具體實施例中，該第一阻障層12可包含一厚的半絕緣或絕緣層，其具有一鄰近於通道層14的非摻雜、非蓄意摻雜及/或摻雜區。例如，在本發明之一些具體實施例中，該第一阻障層12可為厚約1奈米至約1毫米的氮化鋁。在本發明之一些具體實施例中，該第一阻障層12約厚1微米。
在本發明之一些具體實施例中，該通道層14係二元第III族氮化物，諸如氮化鎵或氮化銦，其限制條件為：在該通道層14與第二阻障層16間的介面處，該通道層14之導帶邊緣之能量小於該第二阻障層16之導帶邊緣之能量。特定地說，該通道層14可有一能隙小於該第二阻障層16之能隙，且該通道層14亦可有一較第二阻障層16大的電子親和性。該通道層14可為非摻雜或非蓄意摻雜，且可成長至約3至約100厚。例如，在一些具體實施例中，該通道層14可有小於約4奈米的厚度。該通道層14應充分地薄，以致該通道層14無二維電洞氣體形成於其與第一阻障層12間的接面處且保持同調應變。
在本發明之特定的具體實施例中，該第二阻障層16有足夠的厚度，及/或有足夠高的摻雜程度且在其與通道層14間的介面處感應出充分的載子濃度。如以上所討論，該第二阻障層16可為一二元第III族氮化物，諸如氮化鋁，且有一能隙大於該通道層14之能隙，及一較該通道層14小的電子親和性。該第二阻障層16，舉例來說，可厚約0.5奈米至約50奈米，但其厚不致引起斷裂或內部形成實質缺陷。若利用到接點凹槽，則該第二阻障層16可厚逾50奈米。在本發明之可靠的具體實施例中，該第二阻障層16係非摻雜或非蓄意摻雜的。
在該第二阻障層16上提供有源極及汲極歐姆接點20及22，且在該源極及汲極接點20及22之間配置一閘極接點24。合適的歐姆接點材料，舉例來說，包括鈦(Ti)、鋁(Al)、鎳(Ni)及/或金(Au)。可用非常高的退火溫度，或者可用薄的第二阻障層16，來提供良好的歐姆接點。更進而言之，也可用離子植入(如，矽離子)及退火及/或接點凹槽，來改善歐姆接點的品質。合適的閘極材料可取決於罩蓋層(cap layer)之組成物，然而，在可靠的具體實施例中，可用能做出對氮化物基半導體材料的肖特基接點(Schottky contact)的習知材料，諸如鎳(Ni)、鉑(Pt)、矽化鎢(NiSix )、銅(Cu)、鈀(Pd)、鉻(Cr)、鎢(W)及/或氮化鎢矽(WSiN)。
本發明關於一二元第III族氮化物第一阻障層、一二元第III族氮化物通道層及一二元第III族氮化物第二阻障層的具體實施例已說明於上。在本發明之一些具體實施例中，電晶體有一氮化鎵通道層。例如在圖2A中，氮化鋁層之間提供有一氮化鎵通道層，如此乃提供了一氮化鋁/氮化鎵/氮化鋁結構。在本發明之其他具體實施例中，提供一氮化銦通道層。如此，舉例來說，可提供一氮化鋁/氮化銦/氮化鋁、一氮化鎵/氮化銦/氮化鎵、一氮化鎵/氮化銦/氮化鋁或氮化鋁/氮化銦/氮化鎵結構，而仍在本發明之一些具體實施例之範疇內。氮化鋁/氮化銦/氮化鎵結構之各層厚度若經適當選擇，則氮化鋁/氮化銦/氮化鎵結構可為應變平衡，且可有比得上氮化鋁/氮化鎵結構的極大二維電子氣體。
圖2A為根據本發明之其他具體實施例之高電子移動性電晶體的示意圖。如圖2A所見，提供一摻雜層130於一第一氮化鋁阻障層112上。提供一氮化鎵通道層114於該摻雜層130上。在一些具體實施例中，可提供一摻雜的氮化鋁層、一摻雜的氮化鎵層及/或(例如)矽、鍺及/或錫之一delta型摻雜層於該氮化鎵通道層114與該氮化鋁阻障層112間的介面處，作為該摻雜層130。該摻雜層130(例如一delta型摻雜層)可提供自約每平方厘米1×1012 至約每平方厘米1×1014 的片電荷密度。提供一第二氮化鋁阻障層116於該氮化鎵通道層114上。該第一氮化鋁阻障層112可如以上說明，參考第一阻障層12來提供。該氮化鎵通道層114可如以上說明，參考通道層14來提供。該第二氮化鋁阻障層116可如以上說明，參考第二阻障層16來提供。在該第二阻障層116上可提供源極及汲極歐姆接點20及22，且在該源極及汲極20及22之間可配置一閘極接點24，如以上所說明。更進而言之，若該第一氮化鋁阻障層112實質上係釋放的(像是在一基板或厚磊晶層中)以致該氮化鎵通道層114對氮化鋁為同調應變，則該第二氮化鋁阻障層116可做得較厚。此點迥異於氮化鋁在實質上釋放的氮化鎵上成長而氮化鋁厚度受限之情形。
在本發明之一些具體實施例中，該摻雜層130可摻雜矽、鍺及/或錫，且可有自約每立方厘米1×1017 至約每立方厘米1×1021 的摻雜劑濃度。在該通道層114下方施行摻雜，該通道層114由於能帶彎曲而有高能量，其對鋁極性裝置有益。特定地說，無論提供的該摻雜層130如何(如，一摻雜的氮化鎵層或一摻雜的氮化鋁層)，摻雜劑濃度可夠低且該摻雜層130夠薄，使所有或實質上所有的電子轉移至氮化鎵通道(如，在摻雜區中無非蓄意的n型層形成)；但該摻雜層130應夠厚且摻雜程度應夠高，使通道中存在所需的電荷量。在本發明之特定的具體實施例中，該摻雜層130的厚度可自約0.3奈米至約5奈米。
在該第二氮化鋁阻障層116上，視情況可提供一氮化鎵層(未示出)。該氮化鎵層可增高對表面的阻障，或改善表面狀態。該氮化鎵層可為摻雜的，或在氮化鎵/氮化鋁介面處為delta型摻雜，而降低對表面的能量阻障，並降低或最小化對二維電子氣體密度的效應，且降低或防止二維電洞氣體形成。在該第二氮化鋁阻障層116上，可視情況提供一替代的氮化鋁銦鎵層或漸變層，其限制條件為：該第二氮化鋁阻障層116充分地厚，使通道中的電子不顯著地伸出第二氮化鋁阻障層116。
圖2B闡示本發明之其他具體實施例，其包含一非摻雜的氮化鋁層140配置在該摻雜層130與該氮化鎵通道層114之間。在本發明之一些具體實施例中，該非摻雜的氮化鋁層140的厚度可自約0.3奈米至約5奈米。該非摻雜的氮化鋁層140可將該摻雜層130與該通道層114間隔開，而降低或最小化離子化雜質散射。
雖然本發明之具體實施例闡示於圖2A及圖2B，而係包含摻雜及/或非摻雜層於該通道層114的一側上，摻雜及/或非摻雜層亦可包含於該通道層114的另一側或在兩側上。如此之層可如以上說明參考圖2A及圖2B來提供。
在圖1、2A及圖2B結構上，亦可提供一鈍化層(未示出)。在本發明之可靠的具體實施例中，該鈍化層可為氮化矽、二氧化矽、氧氮氧(ONO)結構及/或氧氮化矽。更進而言之，該鈍化層可為一單層或多層均勻及/或非均勻組成物。然而，按照氮化鋁做為裝置最外層之穩健性，可知如此的鈍化層並不必要。
本發明之利用氮化鋁在表面處作為第二阻障層的具體實施例可有一化學上穩健的表面，且若第一阻障層對於一基板或厚磊晶層實質上為應力釋放則該第二阻障層亦實質上為應力釋放。如此，該氮化鋁第二阻障層可成長至相對大的厚度，其限制條件為：氮化鎵通道層為同調成長。三明治式地夾在二個氮化鋁層之間的一氮化鎵層可有一高電場，其結果是進入該第一氮化鋁阻障層的電子有一大阻障(假設為鋁極性材料)。氮化鋁基板就典型來說有較氮化鎵更高的熱導性及更低的位錯密度。氮化鋁緩衝層預期有實質上不同於氮化鎵緩衝層的捕獲能階，而可能導致改善的可靠性。
圖3A直至3H係根據本發明一些具體實施例的電晶體模擬模型所做出的載子濃度圖形及能帶圖。在圖3A直至3H所反映的模擬中，二元第III族氮化物係理想化的，且其模型除了摻雜劑外無雜質。此等模擬無意為正確無誤，但係提供來闡示可能的趨向並估計不同設計的性質。據此，此等圖形係提供為該模型化的裝置結構之可能特徵之粗略估計，但僅同其基本假設及模型一樣地準確。據此，實際裝置之性質可不同於圖3A直至3H所闡示者。
圖3A闡示一二元第III族氮化物高電子移動性電晶體之模型化的能帶圖及電子濃度，該二元第III族氮化物高電子移動性電晶體具有一氮化鋁基板、一在該基板與通道層之間的1奈米厚的氮化鋁層(摻雜以矽，摻雜劑濃度每立方厘米1×1020 )、一20奈米厚的氮化鎵通道層及一1奈米厚的氮化鋁層。圖3B闡示一二元第III族氮化物高電子移動性電晶體之模型化的能帶圖及電子濃度，該二元第III族氮化物高電子移動性電晶體具有一氮化鋁基板、一在該基板與通道層之間的1奈米厚的氮化鋁層(摻雜以矽，摻雜劑濃度每立方厘米1×1020 )、一2奈米厚的氮化鎵通道層、一10奈米厚的氮化鋁層及一1奈米厚的氮化鎵層。
圖3C闡示一二元第III族氮化物高電子移動性電晶體之模型化的能帶圖及電子濃度，該二元第III族氮化物高電子移動性電晶體具有一氮化鋁基板、一在該基板與通道層之間的1奈米厚的氮化鋁層(摻雜以矽，摻雜劑濃度每立方厘米1×1020 )、一2奈米厚的氮化鎵通道層及一在該通道層上的10奈米厚的氮化鋁層。如圖3C所見，圖3C之組態預期有較圖3A及圖3B組態任一要高的峰值電子濃度。圖3B和圖3C闡示有氮化鎵罩蓋層與無氮化鎵罩蓋層的差異。氮化鎵罩蓋層似乎提供較大的阻障及較低的二維電子氣體密度。
圖3D闡示一二元第III族氮化物高電子移動性電晶體之模型化的能帶圖及電子濃度，該二元第III族氮化物高電子移動性電晶體具有一氮化鋁基板、一在該基板與通道層之間的5奈米厚的氮化鋁層(摻雜以矽，摻雜劑濃度每立方厘米3×1019 )、一2奈米厚的氮化鎵通道層及一在該通道層上的10奈米厚的氮化鋁層。如圖3D所見，圖3D之組態預期有較 圖3A及圖3B組態任一要高的峰值電子濃度，且約同或稍高於圖3C結構所預期的峰值電子濃度，但在底部氮化鋁有較圖3C結構更大的能帶彎曲。
圖3E闡示一二元第III族氮化物高電子移動性電晶體之模型化的能帶圖及電子濃度，該二元第III族氮化物高電子移動性電晶體具有一氮化鋁基板、一在該基板與通道層之間的5奈米厚的氮化鋁層(摻雜以矽，摻雜劑濃度每立方厘米3×1016 )、一2奈米厚的氮化鎵通道層及一在該通道層上的10奈米厚的氮化鋁層。如圖3E所見，圖3E之組態預期有較圖3D之組態要低的峰值電子濃度，但在底部氮化鋁有較小的能帶彎曲。
圖3F闡示一二元第III族氮化物高電子移動性電晶體之模型化的能帶圖及電子濃度，該二元第III族氮化物高電子移動性電晶體具有一氮化鋁基板、在該基板與通道層之間的一5奈米厚的氮化鋁層(摻雜以矽，摻雜劑濃度每立方厘米3×1019 )和一2奈米厚非摻雜的氮化鋁層、一2奈米厚的氮化鎵通道層及一在該通道層上的10奈米厚的氮化鋁層。如圖3F所見，圖3F之組態預期有約同於圖3D組態的峰值電子濃度，但在底部氮化鋁鎵有較大的能帶彎曲。
圖3G闡示一二元第III族氮化物高電子移動性電晶體之模型化的能帶圖及電子濃度，該二元第III族氮化物高電子移動性電晶體具有一氮化鋁基板、一1奈米厚的氮化鋁層(摻雜以矽，摻雜劑濃度每立方厘米1×1020 )、一2奈米厚的氮化鎵通道層及一在該通道層上的1奈米厚的氮化鋁層。圖 3G結構類似於圖3A之結構，但由於其較薄的氮化鎵層而有較小的能帶彎曲。該較薄的氮化鎵較不可能導致二維電洞氣體形成於該第一氮化鋁阻障層與該氮化鎵通道層間的介面處。較厚的氮化鎵層預期會有較大的二維電子氣體，而較厚的氮化鎵層預期會有較大的二維電洞氣體。
圖3H闡示一二元第III族氮化物高電子移動性電晶體之模型化的能帶圖及電子濃度，該二元第III族氮化物高電子移動性電晶體具有一氮化鋁基板、一1奈米厚的氮化鋁層(摻雜以矽，摻雜劑濃度每立方厘米1×1020 )、一2奈米厚的氮化鎵通道層及一在該通道層上的5奈米厚的氮化鋁層。如圖3G所見，圖3G之組態預期因較厚的氮化鋁阻障層而有稍低於圖3H之組態的峰值電子濃度。較諸於圖3H結構，圖3C結構模型增加了氮化鋁厚度，可提供略增的二維電子氣體密度。
下表1係圖3A直至3H中所模擬的結構之特徵及性質總結。
一般來說，較厚的頂部氮化鋁、有較高的片摻雜密度、及不具備氮化鎵罩蓋等情形預期會導致氮化鎵通道層中有較高的電子密度。
雖然本發明之具體實施例已參考特定的高電子移動性電晶體結構而在本文中有所說明，但是不應斷言本發明受限於如此的結構。例如，在高電子移動性電晶體裝置中仍可包括多個額加層，而仍受惠於本發明之教授。在一些具體實施例中，可沈積絕緣層(諸如氮化矽)或氧氮氧結構，用以做出金屬－絕緣層－半導體高電子移動性電晶體(MISHEMT)且/或鈍化該表面。該等附加層亦可包括一或多個組成式漸變過渡層。
還有，亦可提供其他結構，諸如凹槽式或「T」型閘極結構、再成長接點區，或類似物。據此，本發明之一些具體實施例提供二元第III族氮化物結構，例如：美國專利第6,316,793號及2001年7月12日申請、2002年6月6日公開的美國專利公開案第2002/0066908A1號所說明者，關於「具有一閘極接點於一氮化鎵基罩蓋段上的氮化鋁鎵/氮化鎵高電子移動性電晶體及其製造方法("ALUMINUM GALLIUM NITRIDE/GALLIUM NITRIDE HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS HAVING A GATE CONTACT ON A GALLIUM NITRIDE BASED CAP SEGMENT AND METHODS OF FABRICATING SAME")」；美國專利第6,849,882號，授予Smorchkova等人，題為「具有阻障/間隔層的第III族氮化物基高電子移動性電晶體(HEMT)("GROUP－III NITRIDE BASED HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR(HEMT)WITH BARRIER/SPACER LAYER")」；美國專利申請案第10/617,843號，2003年7月11日申請，關於「使用非蝕刻接點凹槽的氮化物基電晶體及其製造方法("NITRIDE－BASED TRANSISTORS AND METHODS OF FABRICATION THEREOF USING NON－ETCHED CONTACT RECESSES")；美國專利申請案第10/772,882號，2004年2月5日申請，係關於「具有電荷轉移所致能量阻障的氮化物異質接面電晶體及其製造方法("NITRIDE HETEROJUNCTION TRANSISTORS HAVING CHARGE－TRANSFER INDUCED ENERGY BARRIERS AND METHODS OF FABRICATING THE SAME")」；美國專利申請案第10/897,726號,2004年7月23日申請，題為「製造具有一罩蓋層及一凹槽式閘極的氮化物基電晶體的方法("METHODS OF FABRICATING NITRIDE－BASED TRANSISTORS WITH A CAP LAYER AND A RECESSED GATE")」；美國專利申請案第10/849,617號，2004年5月20日申請，題為「製造具有再成長歐姆接點區的氮化物基電晶體的方法("METHODS OF FABRICATING NITRIDE－BASED TRANSISTORS HAVING REGROWN OHMIC CONTACT REGIONS AND NITRIDE－BASED TRANSISTORS HAVING REGROWN OHMIC CONTACT REGIONS")」；美國專利申請案第10/849,589號，2004年5月20日申請，題為「具有一混合通道層之半導體裝置、電流孔徑電晶體及彼等之製造方法("SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING A HYBRID CHANNEL LAYER,CURRENT APERTURE TRANSISTORS AND METHODS OF FABRICATING SAME")；美國專利公開案第2003/0020092號，2002年7月23日申請，2003年1月30日公開，關於「絕緣閘極氮化鋁鎵/氮化鎵高電子移動性電晶體("INSULATING GATE ALGAN/GAN HEMT")」；美國專利申請案第10/996,249號，2004年11月23日申請，題為「用於氮化物基電晶體的罩蓋層及/或鈍化層、電晶體結構及彼等之製造方法("CAP LAYERS AND/OR PASSIVATION LAYERS FOR NITRIDE－BASED TRANSISTORS,TRANSISTOR STRUCTURES AND METHODS OF FABRICATING SAME")」；美國專利申請案第＿＿＿＿＿＿＿＿＿號(代理人檔案編號5308－516)，2005年3月15日申請，題為「能保持高溫逆偏壓測試條件的第III族氮化物場效應電晶體(FET)("GROUP III NITRIDE FIELD EFFECT TRANSISTORS(FETs)CAPABLE OF WITHSTANDING HIGH TEMPERATURE REVERSE BIAS TEST CONDITIONS")」；美國專利申請案第11/005,107號，2004年12月6日申請，題為「高功率密度及/或線性電晶體("HIGH POWER DENSITY AND/OR LINEARITY TRANSISTORS")」；及美國專利申請案第11/005,423號，2004年12月6日申請，題為「在毫米波頻率下具有多瓦數輸出功率的場效電晶體(FET)("FIELD EFFECT TRANSISTORS(FETs)HAVING MULTI－WATT OUTPUT POWER AT MILLIMETER－WAVE FREQUENCIES")」，該等揭露內容併入本文中，視同有完整說明。本發明之具體實施例亦可應用以高電子移動性電晶體結構，例如：載於應用物理通訊(Applied Physics Letters)第73卷第13號(1998年)，Yu等人所著「由壓電效應在第III－V族氮化物中所做的肖特基阻障工程("Schottky barrier engineering in III－V nitrides via the piezoelectric effect")」；或於美國專利第6,584,333號，2001年7月12日申請，關於「具有一閘極接點於一氮化鎵基罩蓋段上的氮化鋁鎵/氮化鎵高電子移動性電晶體及其製造方法("ALUMINUM GALLIUM NITRIDE/GALLIUM NITRIDE HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS HAVING A GATE CONTACT ON A GALLIUM NITRIDE BASED CAP SEGMENT AND METHODS OF FABRICATING SAME")」，該等揭露內容以提及的方式併入本文中，視同在本文中係整體提出。
在圖式與說明書中，已揭示本發明之典型具體實施例，雖然使用了特定詞語，但是該等詞語僅用於一般性及說明性意思，而非為了限制之目的，本發明之範疇係在以下申請專利範圍中提出。
12．．．第一阻障層
14．．．通道層
16．．．第二阻障層
20．．．源極
22．．．汲極
24．．．閘極接點
112．．．第一氮化鋁阻障層
114．．．氮化鎵通道層
116．．．第二氮化鋁阻障層
130．．．摻雜層
140．．．非摻雜的氮化鋁層
圖1係一根據本發明一些具體實施例的二元第III族氮化物基高電子移動性電晶體之截面。
圖2A及2B係根據本發明一些具體實施例的二元氮化鎵基高電子移動性電晶體之截面。
圖3A直至3H係根據本發明一些具體實施例的電晶體模擬模型所做出的載子濃度圖形及能帶圖。
12．．．第一阻障層
14．．．通道層
16．．．第二阻障層
20．．．源極
22．．．汲極
24．．．閘極接點

Claims (63)

  1. 一種高電子移動性電晶體(HEMT)，其包含：一第一二元第III族氮化物阻障層，其包含一第一摻雜的二元第III族氮化物區；一二元第III族氮化物通道層，其位於該第一阻障層上；一第二二元第III族氮化物阻障層，其位於該通道層上；及一第一非摻雜的二元第III族氮化物層，其配置於該第一摻雜的二元第III族氮化物區與該通道層之間。
  2. 如請求項1之高電子移動性電晶體，其中該第二阻障層包含一第二摻雜的二元第III族氮化物區，其鄰近於該二元第III族氮化物通道層。
  3. 如請求項2之高電子移動性電晶體，進一步包含一第二非摻雜的二元第III族氮化物層，其配置於該第二摻雜之二元第III族氮化物區與該通道層之間。
  4. 如請求項1之高電子移動性電晶體，其中該第一阻障層包含一氮化鋁層，該通道層包含一氮化鎵層，且該第二阻障層包含一氮化鋁層。
  5. 如請求項4之高電子移動性電晶體，其中該第一阻障層具有的厚度自約1奈米至約1毫米，該通道層具有的厚度自約0.3奈米至約10奈米，且該第二阻障層具有的厚度自約0.5奈米至約50奈米。
  6. 如請求項4之高電子移動性電晶體，進一步包含一第一摻雜的氮化鋁層，其配置於該第一氮化鋁阻障層與該氮化鎵通道層之間。
  7. 如請求項6之高電子移動性電晶體，其中該第一摻雜的氮化鋁層包含一摻雜矽的氮化鋁層。
  8. 如請求項6之高電子移動性電晶體，其中該第一摻雜的氮化鋁層具有的厚度自約0.2奈米至約10奈米。
  9. 如請求項6之高電子移動性電晶體，其中該第一摻雜的氮化鋁層具有的摻雜劑濃度自約每立方厘米1×1017 至約每立方厘米1×1021 。
  10. 如請求項6之高電子移動性電晶體，其中該第一非摻雜的二元第III族氮化物層包含一第一非摻雜的氮化鋁層，其配置於該第一摻雜的氮化鋁層與該氮化鎵通道層之間。
  11. 如請求項10之高電子移動性電晶體，其中該第一非摻雜的氮化鋁層具有的厚度自約0.3奈米至約5奈米。
  12. 如請求項6之高電子移動性電晶體，進一步包含一第二摻雜的氮化鋁層，其配置於該第二氮化鋁阻障層與該氮化鎵通道層之間。
  13. 如請求項12之高電子移動性電晶體，其中該第二摻雜的氮化鋁層包含一摻雜矽的氮化鋁層。
  14. 如請求項12之高電子移動性電晶體，其中該第二摻雜的氮化鋁層具有的厚度自約0.2奈米至約10奈米。
  15. 如請求項12之高電子移動性電晶體，其中該第二摻雜的氮化鋁層具有的摻雜劑濃度自約每立方厘米1×1017 至約每立方厘米1×1021 。
  16. 如請求項12之高電子移動性電晶體，進一步包含一第二非摻雜的氮化鋁層，其配置於該第二摻雜的氮化鋁層與 該氮化鎵通道層之間。
  17. 如請求項16之高電子移動性電晶體，其中該第二非摻雜的氮化鋁層具有的厚度自約0.3奈米至約5奈米。
  18. 如請求項4之高電子移動性電晶體，進一步包含一摻雜的氮化鋁層，其配置於該第二氮化鋁阻障層與該氮化鎵通道層之間。
  19. 如請求項18之高電子移動性電晶體，其中該摻雜的氮化鋁層包含一摻雜矽的氮化鋁層。
  20. 如請求項18之高電子移動性電晶體，其中該摻雜的氮化鋁層具有的厚度自約0.2奈米至約10奈米。
  21. 如請求項18之高電子移動性電晶體，其中該摻雜的氮化鋁層有一自約每立方厘米1×1017 至約每立方厘米1×1021 的摻雜劑濃度。
  22. 如請求項18之高電子移動性電晶體，其中該第一非摻雜的二元第III族氮化物層包含一非摻雜的氮化鋁層，其配置於該摻雜的氮化鋁層與該氮化鎵通道層之間。
  23. 如請求項22之高電子移動性電晶體，其中該非摻雜的氮化鋁層具有的厚度自約0.3奈米至約5奈米。
  24. 如請求項4之高電子移動性電晶體，進一步包含一氮化鎵層，其位於該第二氮化鋁阻障層之與該氮化鎵通道層對立的面上。
  25. 如請求項24之高電子移動性電晶體，其中位於該第二氮化鋁阻障層之與該氮化鎵通道層對立之面上的該氮化鎵層具有一自約0.3奈米至約10奈米的厚度。
  26. 如請求項1之高電子移動性電晶體，其中該第一二元第III族氮化物阻障層包含氮化鋁，該二元第III族氮化物通道層在該第一阻障層上包含氮化銦，且該第二二元第III族氮化物阻障層在該通道層上包含氮化鋁。
  27. 如請求項1之高電子移動性電晶體，其中該第一二元第III族氮化物阻障層包含氮化鎵，該二元第III族氮化物通道層在該第一阻障層上包含氮化銦，且該第二二元第III族氮化物阻障層在該通道層上包含氮化鎵。
  28. 如請求項1之高電子移動性電晶體，其中該第一二元第III族氮化物阻障層包含氮化鎵，該二元第III族氮化物通道層在該第一阻障層上包含氮化銦，且該第二二元第III族氮化物阻障層在該通道層上包含氮化鋁。
  29. 如請求項1之高電子移動性電晶體，其中該第一二元第III族氮化物阻障層包含氮化鋁，該二元第III族氮化物通道層在該第一阻障層上包含氮化銦，且該第二二元第III族氮化物阻障層在該通道層上包含氮化鎵。
  30. 如請求項1之高電子移動性電晶體，其中該高電子移動性電晶體在其主動區中不包含三元或四元第III族氮化物層。
  31. 如請求項24之高電子移動性電晶體，其中在該第二氮化鋁阻障層之與該氮化鎵通道層對立之面上的該氮化鎵層，係摻雜或delta型摻雜於該氮化鎵層與該第二氮化鋁層間的介面處。
  32. 如請求項28之高電子移動性電晶體，其中該氮化鎵、氮 化銦及氮化鋁層為應變平衡。
  33. 如請求項32之高電子移動性電晶體，進一步於該氮化鋁層上包含一氮化鎵罩蓋層。
  34. 一種製造一高電子移動性電晶體(HEMT)的方法，其包含：形成一第一二元第III族氮化物阻障層，其包含一第一摻雜的二元第III族氮化物區；形成一二元第III族氮化物通道層於該第一阻障層上；形成一第二二元第III族氮化物阻障層於該通道層上；及形成一第一非摻雜的二元第III族氮化物層，其配置於該第一摻雜的二元第III族氮化物區與該通道層之間。
  35. 如請求項34之方法，其中該第二阻障層包含一第二摻雜的二元第III族氮化物區，其鄰近於該二元第III族氮化物通道層。
  36. 如請求項35之方法，進一步包含形成一第二非摻雜的二元第III族氮化物層，其配置於該第二摻雜的二元第III族氮化物區與該通道層之間。
  37. 如請求項34之方法，其中該第一阻障層包含一氮化鋁層，該通道層包含一氮化鎵層，且該第二阻障層包含一氮化鋁層。
  38. 如請求項37之方法，其中該第一阻障層具有的厚度自約1奈米至約1毫米，該通道層具有的厚度自約0.3奈米至約10奈米，且該第二阻障層具有的厚度自約0.5奈米至約50奈米。
  39. 如請求項37之方法，進一步包含：形成一第一摻雜的氮 化鋁層，其配置於該第一氮化鋁阻障層與該氮化鎵通道層之間。
  40. 如請求項39之方法，其中該第一摻雜的氮化鋁層包含一摻雜了矽的氮化鋁層。
  41. 如請求項39之方法，其中該第一摻雜的氮化鋁層具有的厚度自約0.2奈米至約10奈米。
  42. 如請求項39之方法，其中該第一摻雜的氮化鋁層具有的摻雜劑濃度自約每立方厘米1×1017 至約每立方厘米1×1021 。
  43. 如請求項39之方法，其中形成該第一非摻雜的二元第III族氮化物層包含形成一第一非摻雜的氮化鋁層，其配置於該第一摻雜的氮化鋁層與該氮化鎵通道層之間。
  44. 如請求項43之方法，其中該第一非摻雜的氮化鋁層具有的厚度自約0.3奈米至約5奈米。
  45. 如請求項39之方法，進一步包含：形成一第二摻雜的氮化鋁層，其配置於該第二氮化鋁阻障層與該氮化鎵通道層之間。
  46. 如請求項45之方法，其中該第二摻雜的氮化鋁層包含一摻雜矽的氮化鋁層。
  47. 如請求項45之方法，其中該第二摻雜的氮化鋁層具有的厚度自約0.2奈米至約10奈米。
  48. 如請求項45之方法，其中該第二摻雜的氮化鋁層具有的摻雜劑濃度自約每立方厘米1×1017 至約每立方厘米1×1021 。
  49. 如請求項45之方法，進一步包含：形成一第二非摻雜的氮化鋁層，其配置於該第二摻雜的氮化鋁層與該氮化鎵通道層之間。
  50. 如請求項49之方法，其中該第二非摻雜的氮化鋁層具有的厚度自約0.3奈米至約5奈米。
  51. 如請求項37之方法，進一步包含：形成一摻雜的氮化鋁層，其配置於該第二氮化鋁阻障層與該氮化鎵通道層之間。
  52. 如請求項51之方法，其中該摻雜的氮化鋁層包含一摻雜矽的氮化鋁層。
  53. 如請求項51之方法，其中該摻雜的氮化鋁層具有的厚度自約0.2奈米至約10奈米。
  54. 如請求項51之方法，其中該摻雜的氮化鋁層具有的摻雜劑濃度自約每立方厘米1×1017 至約每立方厘米1×1021 。
  55. 如請求項51之方法，其中形成該第一非摻雜的二元第III族氮化物層包含形成一非摻雜的氮化鋁層，其配置於該摻雜的氮化鋁層與該氮化鎵通道層之間。
  56. 如請求項55之方法，其中該非摻雜的氮化鋁層具有的厚度自約0.3奈米至約5奈米。
  57. 如請求項37之方法，進一步包含：形成一氮化鎵層於該第二氮化鋁阻障層之與該氮化鎵通道層對立的面上。
  58. 如請求項57之方法，其中在該第二氮化鋁阻障層之與該氮化鎵通道層對立之面上的該氮化鎵層具有一自約0.3奈米至約10奈米的厚度。
  59. 如請求項34之方法，其中該第一二元第III族氮化物阻障層包含氮化鋁，該二元第III族氮化物通道層在該第一阻障層上包含氮化銦，且該第二二元第III族氮化物阻障層在該通道層上包含氮化鋁。
  60. 如請求項34之方法，其中該第一二元第III族氮化物阻障層包含氮化鎵，該二元第III族氮化物通道層在該第一阻障層上包含氮化銦，且該第二二元第III族氮化物阻障層在該通道層上包含氮化鎵。
  61. 如請求項34之方法，其中該第一二元第III族氮化物阻障層包含氮化鎵，該二元第III族氮化物通道層在該第一阻障層上包含氮化銦，且該第二二元第III族氮化物阻障層在該通道層上包含氮化鋁。
  62. 如請求項34之方法，其中該第一二元第III族氮化物阻障層包含氮化鋁，該二元第III族氮化物通道層在該第一阻障層上包含氮化銦，且該第二二元第III族氮化物阻障層在該通道層上包含氮化鎵。
  63. 如請求項34之方法，其中該高電子移動性電晶體在其主動區中不包含三元或四元第III族氮化物層。
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