TWI464877B - 具有高效率之氮化物系異質結構場效電晶體 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種氮化物系(nitride-based)異質結構場效電晶體(heterostructure field effect transistor，以下簡稱HFET)，且更特別的是有關於一種高效率的氮化物系HFET，其能夠抑制HFET的漏電流(leakage current)，以及藉著降低電極及半導體層之間的能障來提高電流密度。
本發明專利申請案依據35 U.S.C.§119(a)主張韓國專利編號10-2011-0041763提交於韓國智慧財產局2011年5月3日的優先權，其中所揭露之內容併入本說明書以資參考。
近來，因應在全球在資訊及通信技術領域的成長，通信技術發展迅速以便達到高速及高容量的信號傳輸。特別是，對於個人移動電話、衛星通信、軍用雷達系統、廣播通信、通信中繼器等在無線通信技術的擴大需求，均可高速及高功率電子裝置的需求增加，以為微波及毫米(millimeter)波頻段的超高速資訊及通信系統所使用。因此，減少用於高功率電子設備之電源/組件中的能量損耗的研究，正在進行中。
由於氮化鎵系(GaN)之氮化物半導體可以很容易地應用於高頻率及高功率電子裝置、和光學元件其係因為其優
異的性能，例如高能量間隙、高導熱及化學穩定性、高飽和速度(約3×107cm/sec(釐米/秒))等，所以氮化鎵系之氮化物半導體一直受到積極地研究。
電子元件使用該氮化鎵系之氮化物半導體可具有附加的優點，例如高崩潰電場(約為3×106V/cm(伏特/釐米))、最大電流密度、穩定的高溫操作、高熱傳導係數等。HFET使用半導體材料/異質結構材料，例如氮化鋁鎵(AlGaN)及氮化鎵，可具有在異質接面(heterojunction)接觸介面之相對高價帶不連續性，從而可誘發高密度電子及可增強電子流動性，因而促成高功率裝置之應用。
第1圖係繪示習知的氮化物系HFET 10的基本配置。
請參照第1圖，習知的氮化物系HFET 10可包括低溫緩衝層12、半絕緣或高阻抗氮化鎵層13及氮化鋁鎵層15，各分別按順序形成在藍寶石基板11上。源極電極16及汲極電極18可形成在氮化鋁鎵層15的兩端，並且閘極電極17可形成在該源極電極16及該汲極電極18之間。保護層19可被形成於氮化鋁鎵層15之上，並介於源極電極16與閘極電極17之間，以及介於閘極電極17與汲極電極18之間。該氮化物系HFET 10包括在氮化鎵層13與氮化鋁鎵層15之間的接面上形成二維電子氣體(2DEG)層，其係因為氮化鎵層13及氮化鋁鎵層15具有不同能隙的異質結構。於此，藉由二維電子氣體層可形成通道用以響應信號，使電流流過該源極電極16及該汲極電極18之間，輸入至閘極電極17。氮化鎵層13可形成作為非摻雜氮化鎵層，並
形成為具有相對高的阻抗，以防止有關於藍寶石基板11及隔離裝置之漏電流。
本發明之實施例提供一種高效率的氮化物系高效率異質結構場效電晶體(HFET)，其能夠抑制漏電流，以及藉由降低電極及半導體層之間的能障(barrier)來提高電流密度。
根據本發明之實施例，提供一種HFET，其包括基板、形成在該基板上的半絕緣氮化鎵層、形成在該氮化鎵層上的氮化鋁鎵層、及形成在該氮化鋁鎵層上的碳化矽(SixC1-x)作用層。
該碳化矽(SixC1-x)作用層之x具有在範圍0<x<1的值。
該碳化矽(SixC1-x)作用層可對應於單晶、多晶及非晶之一者。
根據本發明之另一實施例，可藉由有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)通過原位操作，形成碳化矽作用層(SixC1-x functional layer)。
根據又一實施例，低溫氮化鎵層可形成在該碳化矽(SixC1-x)作用層上。
根據又一實施例，低溫氮化鎵層係形成在該碳化矽(SixC1-x)作用層下方。
根據又一實施例，保護層包括選自氮化矽(SixN)、氧化矽(SiOx)及氧化鋁(Al2O3)組成群組之至少一種材料，其可形成在該碳化矽作用層(SixC1-x)上。
根據又一實施例，該基板可包括選自藍寶石、矽、氮化鋁(AlN)、碳化矽(SiC)及氮化鎵組成群組之至少一種材料。
根據又一實施例，緩衝層包括選自氮化鋁、碳化矽(SiC)、氮化鎵組成群組之至少一種材料，其可形成在該基板上。
根據又一實施例，HFET可對應於常態開啟裝置、常態關閉裝置及蕭特基能障二極體之一者。
根據本發明之又一實施例，HFET可復包括摻雜有鋁之氮化鎵層，其係配置介於該基板上的半絕緣氮化鎵層及形成在氮化鎵層上的氮化鋁鎵層之間。
本發明的其他特徵及各個方面將顯示於以下之詳細描述、圖示及申請專利範圍。
提供以下的詳細描述，以協助讀者獲得全面了解本發明所述的方法、裝置及/或系統。因此，熟悉此技藝之人士可提議各種變更、修改以及此處所描述的方法、裝置及/或系統。該處理步驟及/或操作描述的改進為一例子；然而，該處理步驟及/或操作的順序並不侷限於本發明，並可如習知技藝做出改變，且步驟及/或操作的例外必然按照一定順序發生。此外，習知的功能及結構之描述可以省略，以增加其清晰度及簡明扼要。
在說明書中，需要說明的是在基板、層、圖案以及形成在基材、層、圖案等之「上」或「下」，該術語「上」可
包括「直接地在…上」及「間接地於…其間插入另一元素於其上」及術語「下」可包括「直接地在…下」及「間接地於…其間插入另一元素於其下」，基於相應的圖示，可確定每個元素「上」或「下」的標準。
於下文中，將參照圖示來描述本發明之實施例。
第2圖繪示實施例所述之異質結構場效電晶體(HFET)100之例子。
請參照第2圖，HFET 100可包括基板110、緩衝層120、半絕緣氮化鎵130、鋁摻雜氮化鎵層140、氮化鋁鎵層150及碳化矽作用層160。
使用各種材料係基於晶格常數、熱膨脹係數及相似於氮化物半導體層者如該半絕緣氮化鎵層130及該氮化鋁鎵層150，以形成該基板110。例如，基板110可包括選自藍寶石、矽、氮化鋁、碳化矽(SiC)及氮化鎵組成群組之至少一種材料。
該緩衝層120可形成在該基板110上。於此，可藉由SiC及GaN的複合物來形成緩衝層120。該緩衝層120可提高HFET 100的穩定性，其係藉由減少氮化物半導體層(如半絕緣氮化鎵層130及氮化鋁鎵層150)的晶格常數、熱膨脹係數等方面的差異。例如，該緩衝層120可包括選自氮化鋁、碳化矽及氮化鎵組成群組之至少一種材料，但不必侷限於此。
半絕緣氮化鎵層130可形成在緩衝層120上。半絕緣氮化鎵層130可防止與基板110相關聯之漏電流，並具有
相對高的阻抗以用於裝置間的絕緣。也就是說，由於相對高的阻抗，半絕緣氮化鎵層130可具有半絕緣特性。
摻雜有鋁的氮化鎵層140可形成在該半絕緣氮化鎵層130上，以作用成為通道層。藉由鈍化包含在氮化鎵層140中身為鋁所導致的缺陷之鎵空缺(Ga vacancy)，透過抑制二維(2D)電勢及三維(3D)電勢，摻雜有鋁的氮化鎵層140可提高氮化鎵層140的結晶度。當高品質的二維電子氣體(2DEG)層形成在摻雜有鋁氮且已提高結晶度的氮化鎵層140中，在二維電子氣體層中的電子運動期間，鎵空缺及其他缺陷所導致的散射會相對的少，從而導致流動性增加。
氮化鋁鎵層150可形成在摻雜有鋁的氮化鎵層140上，且碳化矽作用層160可形成在氮化鋁鎵層150上。源極電極171及汲極電極173可形成在碳化矽作用層160的兩端，閘極電極172可形成在源極電極171及汲極電極173之間。保護層190可形成在碳化矽作用層160上，且形成在該碳化矽作用層160上的該閘極電極172及該汲極電極173之間。於此，可使用氮化矽(SiN)形成該保護層190。
可使用選自氮化矽(SixN)、氧化矽(SiOx)及氧化鋁(Al2O3)組成群組之至少一種材料，形成保護層190。保護層190作為鈍化薄膜層，其可減少該碳化矽作用層160之不穩定的表面狀態，及減少高頻操作期間電流崩塌所導致的功率特性降低。
因此，當一態樣所述之HFET 100包含形成在該氮化鋁鎵層150上的碳化矽作用層160，可改進HFET 100的上
表面粗糙度。藉由通過碳化矽作用層160防止懸空鍵結(dangling bonding)，可用以阻止漏電流。在與形成源極電極及汲極電極之歐姆金屬鍵結期間，可降低能障以增加電流密度，從而最大化電子裝置的效率。
碳化矽作用層(SixC1-x functional layer)160之x具有在範圍0<x<1的值。也就是說，在碳化矽作用層160內之碳化矽可包括預定比例混合之矽及碳，且矽及碳的比例可以受到適當的控制。形成在氮化鋁鎵層150上的碳化矽作用層160可阻止漏電流。在碳化矽作用層(SixC1-x functional layer)160內之碳化矽可對應於矽豐富(silicon rich)的碳化矽以用於氮化鋁鎵層150及閘極電極間、或氮化鋁鎵層150及形成電極之歐姆金屬間的平穩電流流動，並形成為具有x，例如，在0.6<x<1的範圍內。
碳化矽作用層160中的SixC1-x可製造成碳化矽，其係具有各種結晶相(crystalline phase)以用於阻止表面漏電流、氮化鋁鎵層150及歐姆金屬間的平穩電流流動、等等。例如，碳化矽作用層160中的SixC1-x可形成為單晶碳化矽、多晶碳化矽及非晶碳化矽之一者。
可使用各種沉積方案(包括電漿增強化學氣相沉積法(PECVD)等)，在氮化鋁鎵層150上形成該碳化矽作用層160。例如，可藉由有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)，通過原位操作，形成碳化矽作用層160。可使用有機金屬化學氣相沉積法，藉由採用四溴化碳(tetrabromomethane，CBr4)作為碳源、及採用二叔丁基矽烷(ditertiarybutyl
silane，DTBSi)作為矽源，形成該碳化矽作用層160；而且，可在使用有機金屬化學氣相沉積法形成該氮化鋁鎵層150之後，通過原位操作可形成碳化矽作用層160。因此，可提高製作HFET的效率。
可額外地形成低溫氮化鎵作為在碳化矽作用層160之上或下之低溫緩衝層。低溫氮化鎵可提高HFET的穩定性及可改進效能，其係藉由最小化碳化矽作用層160及形成在碳化矽作用層160上的各種電極之間在晶格常數和熱膨脹係數方面的差異。
根據一實施例，HFET可應用於各種電子裝置，以及被製造成，例如，常態開啟裝置、常態關閉裝置及蕭特基(Schottky)能障二極體。
第3圖繪示一實施例所述之HFET 200的例子。在下文中，將主要針對與第3圖相關的部分描述，以避免重複說明，且其他部分可以理解為參照第2圖與上述描述相同。
請參照第3圖，HFET 200可對應於常態開啟裝置，並包括在基板210上之半絕緣氮化鎵層230、形成作為通道層且摻雜有鋁的氮化鎵層240、以及在該氮化鎵層240上之氮化鋁鎵層250。
碳化矽作用層260可形成在氮化鋁鎵層250上；通過歐姆金屬270a及270b連接至氮化鋁鎵層250之源極電極271及汲極電極273，可形成在碳化矽作用層260的兩端；閘極電極272可形成在源極電極271及汲極電極273之間。閘絕緣層280可被形成於閘極電極272之下。可形成
包含氮化矽(SixN)之保護層290以覆蓋源極電極271、汲極電極273和閘極電極272之側，以及覆蓋源極電極271和閘極電極272之間、與閘極電極272和汲極電極273之間的碳化矽作用層260。
於此，如上述第2圖說明中提到，可形成緩衝層(未圖示)，其可提高該HFET 200的穩定性，藉由最小化如半絕緣氮化鎵層230及氮化鋁鎵層250之氮化物半導體層在晶格常數和熱膨脹係數等方面的差異。例如，該緩衝層可包括氮化鋁、碳化矽、氮化鎵至少一種材料，但可不必侷限於此。
根據一態樣，如第3圖所示之HFET 200對應於常態關閉裝置，並具有一個能夠中和極化電荷的溝槽結構，其位在閘極電極272下方，用以降低臨界電壓(threshold voltage)在氮化鋁鎵層250之缺陷或厚度方面之相依性。因此，當抑制會造成功率損耗的電阻時，用於電子元件的穩定操作之常態關閉特性的控制力可受到改善。
第4圖繪示一實施例所述之HFET 300之例子。在下文中，將主要針對與第4圖相關的部分描述，以避免重複說明，且其他部分可以理解成，相同於對照第2圖前述說明中所描述者。
請參照第4圖，HFET 300可對應蕭特基能障二極體，並包括在基板310上之半絕緣氮化鎵層330、形成作為通道層且摻雜有鋁的氮化鎵層340、以及在氮化鎵層340上之氮化鋁鎵層350。
在該氮化鋁鎵層350上可形成碳化矽作用層360，而每一陽極371及陰極372分別接合至蕭特基接觸370a及歐姆金屬370b，形成在該碳化矽作用層360的兩端。
可形成包含氮化矽(SixN)之保護層390，以覆蓋陽極371和陰極372的兩側，及覆蓋介於陽極371及陰極372之間的碳化矽作用層360。
於此，可參照如第2圖所述形成緩衝層(未圖示)，且該緩衝層可提高HFET 300的穩定性，其係藉由最小化氮化物半導體層者(例如，半絕緣氮化鎵層層330及該氮化鋁鎵層350)之晶格常數、熱膨脹係數等方面的差異。例如，該緩衝層可包括氮化鋁、碳化矽及氮化鎵之至少一種材料，但不必侷限於此。
與p-n接合二極體相比較，HFET 300作為蕭特基能障二極體，其可具有低開啟電壓，並由於相對較短的反向恢復時間(reverse recovery time)，其可作為低損耗及高效率的電源供應器。藉由防止短通道效應的存在可抑制漏電流，係因通道區域、源極區域及汲極區域的摻雜濃度增加。
第5A圖係由原子力顯微鏡(atomic force microscope)拍攝之習知技藝所述之氮化鋁鎵層的表面之照片。
第5B圖係由原子力顯微鏡拍攝之實施例所述之氮化鋁鎵層的表面之照片。
請參照第5A圖，習知技藝所述之氮化鋁鎵層的表面可具有粗糙且不平坦的表面、及約0.72奈米(nm)之測得均方根(RMS)值。請參照第5B圖，由於碳化矽作用層，實施
例所述之氮化鋁鎵層的表面可具有平滑且平坦的表面、及約0.43奈米之測得均方根值，其與習知技藝所述之氮化鋁鎵層的表面相比較明顯較小。
第6圖係繪示具氮化鋁鎵層的表面之習知蕭特基能障二極體與具氮化鋁鎵層的表面之蕭特基能障二極體的漏電流特性之間的比較之圖示。
第7圖係繪示具氮化鋁鎵層的表面之習知蕭特基能障二極體與具氮化鋁鎵層的表面之蕭特基能障二極體的電流-電壓特性之間的比較之圖示。
第6圖繪示，實施例所述之氮化鋁鎵層表面上之漏電流碳化矽蓋體，低於習知技藝所述之氮化鋁鎵層的表面之漏電流(參考值)。第7圖係繪示實施例所述之氮化鋁鎵層表面上之電流密度碳化矽蓋體，高於習知技藝所述之氮化鋁鎵層的表面之電流密度(參考值)。
根據本發明之實施例，提供一種高效率的HFET，其能夠抑制漏電流，並能藉由降低電極及半導體層之間的能障來提高電流密度。
在上述已說明的數個例子。然而，應該理解，其可做出各種修改。例如，如果以不同順序進行所描述的技術，以及/或者如果以不同的方式在所描述的系統、架構、元件或電路內之組件相結合及/或由其他組件或相等者更換或補充，均可以取得適當的結果。因此，其他實施均在下述申請專利範圍的範疇內。
10、100、200、300‧‧‧異質結構場效電晶體
11、110、210、310‧‧‧基板
12、120‧‧‧緩衝層
13、130、230、330‧‧‧氮化鎵層
15、150、250、350‧‧‧氮化鋁鎵層
16、171、271‧‧‧源極電極
17、172、272‧‧‧閘極電極
18、173、273‧‧‧汲極電極
19‧‧‧保護層
140、240、340‧‧‧摻雜有鋁的氮化鎵層
160、260、360‧‧‧碳化矽作用層
190、290、390‧‧‧保護層
270a、270b、370b‧‧‧歐姆金屬
280‧‧‧閘絕緣層
370a‧‧‧蕭特基接觸
371‧‧‧陽極
372‧‧‧陰極
390‧‧‧載體頂部
Current(A)‧‧‧電流(安培)
Voltage(V)‧‧‧電壓(伏特)
第1圖係繪示習知技藝所述之異質結構場效電晶體(HFET)之剖視圖；第2圖係繪示實施例所述之異質結構場效電晶體之剖視圖；第3圖係繪示實施例所述之異質結構場效電晶體之剖視圖；第4圖係繪示實施例所述之異質結構場效電晶體之剖視圖；第5A圖係由原子力顯微鏡拍攝之習知技藝所述之氮化鋁鎵層的表面之照片；第5B圖係由原子力顯微鏡拍攝之實施例所述之氮化鋁鎵層的表面之照片；第6圖係繪示具氮化鋁鎵層的表面之習知蕭特基能障二極體與具氮化鋁鎵層的表面之蕭特基能障二極體的漏電流特性之間的比較之圖示；以及第7圖係繪示具氮化鋁鎵層的表面之習知蕭特基能障二極體與具氮化鋁鎵層的表面之蕭特基能障二極體的電流-電壓特性之間的比較之圖示。
本發明之圖示及詳細描述，除非另有說明，像是圖示參考數字可理解為元素、特徵及結構。這些元素的相對尺寸及描述可放大，以便達到清晰度、圖示性及便利性。
100‧‧‧異質結構場效電晶體
110‧‧‧基板
120‧‧‧緩衝層
130‧‧‧氮化鎵層
140‧‧‧鋁摻雜氮化鎵層
150‧‧‧氮化鋁鎵層
160‧‧‧碳化矽作用層
171‧‧‧源極電極
172‧‧‧閘極電極
173‧‧‧汲極電極
190‧‧‧保護層
Claims (11)
- 一種異質結構場效電晶體(HFET)，係包括：基板；半絕緣氮化鎵層(GaN)，係形成在該基板上；氮化鋁鎵層(AlGaN)，係形成在該氮化鎵層上；碳化矽(SixC1-X)作用層，係形成在該氮化鋁鎵層上，至少二電極，其形成在該SixC1-X作用層上，且彼此分開；以及保護層，形成在該SixC1-X作用層上之未形成該至少二電極的部分處；其中，該SixC1-x作用層與該氮化鋁鎵層相接觸，且該SixC1-X作用層配置於該至少二電極與該AlGaN層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的異質結構場效電晶體，其中，該SixC1-x作用層之x具有在範圍0<x<1之值。
- 如申請專利範圍第1項所述的異質結構場效電晶體，其中，該SixC1-x作用層對應於單晶、多晶及非晶之一者。
- 如申請專利範圍第1項所述的異質結構場效電晶體，其中，藉由有機金屬化學氣相沉積法(mocvd)通過原位操作，形成該SixC1-x作用層。
- 如申請專利範圍第1項所述的異質結構場效電晶體， 其中，低溫氮化鎵層係形成在該SixC1-x作用層上。
- 如申請專利範圍第1項所述的異質結構場效電晶體，其中，低溫氮化鎵層係形成在該SixC1-x作用層下方。
- 如申請專利範圍第1項所述的異質結構場效電晶體，其中，該保護層包括選自氮化矽(SixN)、氧化矽(SiOx)及氧化鋁(Al2O3)組成群組之至少一種材料。
- 如申請專利範圍第1項所述的異質結構場效電晶體，其中，該基板包括選自藍寶石、矽、氮化鋁(AlN)、碳化矽(SiC)及氮化鎵組成群組之至少一種材料。
- 如申請專利範圍第1項所述的異質結構場效電晶體，其中，緩衝層形成在該基板上，該包括選自氮化鋁(AlN)、碳化矽(SiC)、氮化鎵組成群組之至少一種材料。
- 如申請專利範圍第1項所述的異質結構場效電晶體，其中，該異質結構場效電晶體對應於常態開啟裝置、常態關閉元件及蕭特基能障二極體之一者。
- 如申請專利範圍第1項所述的異質結構場效電晶體，復包括：摻雜有鋁的氮化鎵層，配置於該基板上的半絕緣氮化鎵層、及形成在該氮化鎵層上的氮化鋁鎵層之間。
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