TWI608608B - 電晶體 - Google Patents

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Description

電晶體
本發明是有關於一種半導體元件，且特別是有關於一種電晶體。
對於GaN類的電晶體來說，由於其具有高電子遷移率、耐高壓、低通道電阻以及切換快速的優點，因此已逐漸應用到功率元件上。在含III族元素的氮化物材料中，由於電子分佈不均勻的原因，在c軸上會產生自發極化電場（spontaneous polarization field）。此外，在異質材料之間，能帶不連續性以及晶格常數不匹配會產生壓電極化電場（piezoelectric polarization field）。因此，電子被侷限在三角位能井（trangle potential well）中而形成高電子濃度的二維電子氣。
雖然高電子濃度的二維電子氣以及優異的傳輸特性使元件的輸出電流密度與導通電阻表現極為優異，但卻造成元件為常開（normally on）狀態而不易製作成常關型（normally off）（或増強型（enhancement mode））的電子元件，因而造成應用上的諸多限制。
為了在應用端易於使用，開發出具有大於0伏特的起始電壓（threshold voltage，Vth）的GaN場效電晶體是非常重要的。目前主流的技術包括使用嵌入式閘極（recessed gate）、氟離子處理閘極或p-(Al)GaN磊晶層閘極。此外，也可利用含III族元素的氮化物反極化層。然而，針對使用嵌入式閘極、氟離子處理閘極以及成長薄的InGaN反極化層，起始電壓仍相對不穩定或仍小於+1伏特。此外，目前大多採用(Al)GaN作為主流技術，但除了磊晶成長較困難之外，增加起始電壓的能力也相當有限。
本發明提供一種電晶體，其在閘極與阻障層之間具有超晶格（superlattice）結構。
本發明的電晶體包括緩衝層、通道層、阻障層、超晶格結構、閘極、源極以及汲極。所述緩衝層配置於基底上。所述通道層配置於所述緩衝層上。所述阻障層配置於所述通道層上。所述超晶格結構配置於所述阻障層上。所述閘極配置於所述超晶格結構上。所述源極配置於所述阻障層上且位於所述超晶格結構的一側，或配置於所述通道層上且位於所述阻障層的一側。所述汲極配置於所述阻障層上且位於所述超晶格結構的另一側，或配置於所述通道層上且位於所述阻障層的另一側。所述超晶格結構包括彼此堆疊的至少一第一金屬氮化物層與至少一第二金屬氮化物層，且所述超晶格結構的平均晶格常數大於GaN的晶格常數，其中所述第一金屬氮化物層與所述第二金屬氮化物層中的金屬各自選自由Al、Ga與In所組成的族群中的至少一者，且第一金屬氮化物層與所述第二金屬氮化物層不相同。
在本發明的電晶體的一實施例中，上述超晶格結構的厚度例如不超過200 nm。
在本發明的電晶體的一實施例中，上述第一金屬氮化物層的厚度例如介於0.2 nm至50 nm之間。
在本發明的電晶體的一實施例中，上述第二金屬氮化物層的厚度例如介於0.2 nm至50 nm之間。
在本發明的電晶體的一實施例中，所述至少一第一金屬氮化物層例如為多個所述第一金屬氮化物層，所述至少一第二金屬氮化物層例如為多個所述第二金屬氮化物層，且所述至少一第一金屬氮化物層與所述至少一第二金屬氮化物層彼此交錯堆疊層。
在本發明的電晶體的一實施例中，上述超晶格結構更包括至少一第三金屬氮化物層，所述至少一第一金屬氮化物層、所述至少一第二金屬氮化物層與所述至少一第三金屬氮化物層彼此堆疊。
在本發明的電晶體的一實施例中，上述第三金屬氮化物層的厚度例如介於0.2 nm至50 nm之間。
在本發明的電晶體的一實施例中，所述至少一第一金屬氮化物層例如為多個所述第一金屬氮化物層，所述至少一第二金屬氮化物層例如為多個所述第二金屬氮化物層，所述至少一第三金屬氮化物層例如為多個所述第三金屬氮化物層，且所述至少一第一金屬氮化物層、所述至少一第二金屬氮化物層與所述至少一第三金屬氮化物層彼此交錯堆疊。
在本發明的電晶體的一實施例中，上述每一所述第一金屬氮化物層的厚度例如相同。
在本發明的電晶體的一實施例中，上述每一所述第一金屬氮化物層的厚度例如不同。
在本發明的電晶體的一實施例中，上述每一所述第二金屬氮化物層的厚度例如相同。
在本發明的電晶體的一實施例中，上述每一所述第二金屬氮化物層的厚度例如不同。
在本發明的電晶體的一實施例中，上述每一所述第三金屬氮化物層的厚度例如相同。
在本發明的電晶體的一實施例中，上述每一所述第三金屬氮化物層的厚度例如不同。
在本發明的電晶體的一實施例中，上述阻障層的材料例如為AlGaN、AlInN、InGaN或AlInGaN。
在本發明的電晶體的一實施例中，上述通道層的材料例如為GaN。
基於上述，在本發明的電晶體中，超晶格結構配置於閘極與阻障層之間，且超晶格結構的平均晶格常數大於GaN的晶格常數。因此，本發明的電晶體可藉由上述的超晶格結構來空乏（deplete）阻障層中所形成的二維電子氣而成為常關型的電晶體，並可因此改善起始電壓過低的問題。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為依照本發明實施例所繪示的電晶體的剖面示意圖。請參照圖1，電晶體10包括緩衝層102、通道層104、阻障層106、超晶格結構108、閘極110、源極112以及汲極114。在本實施例中，以具有反極化電場的超晶格結構108來空乏阻障層106中所形成的二維電子氣，以形成常關型的電晶體。此外，藉由改變超晶格結構108中各層的厚度與組成，可控制反極化電場的強度，因此可改善起始電壓過低的問題。以下將對各元件進行說明。
緩衝層102配置於基底100上。基底100例如為矽基底、SiC基底、藍寶石（sapphire）基底或GaN基底。緩衝層102的材料例如是GaN、AlGaN或AlN。此外，緩衝層102中可摻雜有C或Fe，以增加阻值。通道層104配置於緩衝層102上。通道層104的材料例如是GaN，其厚度例如介於100 nm至1000 nm之間。阻障層106配置於通道層104上。阻障層106可以是三元的III族金屬氮化物層或四元的III族金屬氮化物層。上述三元的III族金屬氮化物層的材料可以是AlInN、InGaN或AlGaN。上述四元的III族金屬氮化物層的材料可以是AlInGaN。阻障層106的厚度例如介於5 nm至80 nm之間。超晶格結構108配置於阻障層106上。閘極110配置於超晶格結構108上。閘極110的材料例如為金屬。源極112與汲極114配置於阻障層106上，且分別位於超晶格結構108的兩側。或者，在另一實施例中，源極112與汲極114也可配置於通道層104上，且分別位於阻障層106的兩側。在本實施例中，源極112與汲極114各自與超晶格結構108間隔一個預定距離。
在本實施例中，超晶格結構108由彼此堆疊的金屬氮化物層108a與金屬氮化物層108b所構成，且超晶格結構108的平均晶格常數大於GaN的晶格常數。超晶格結構108的厚度不超過200 nm。詳細地說，在本實施例中，超晶格結構108由四層金屬氮化物層108a與四層金屬氮化物層108b彼此交錯堆疊而構成，但本發明不限於此。在其他實施例中，超晶格結構108也可以是由更多層或更少層的金屬氮化物層108a與更多層或更少層的金屬氮化物層108b彼此交錯堆疊而構成，只要所形成的超晶格結構108的厚度不超過200 nm且超晶格結構108的平均晶格常數大於GaN的晶格常數即可。
在超晶格結構108中，金屬氮化物層108a的厚度例如介於0.2 nm至50 nm之間，且金屬氮化物層108b的厚度例如介於0.2 nm至50 nm之間。在本實施例中，金屬氮化物層108a的厚度與金屬氮化物層108b的厚度不同，其厚度例如分別為7 nm與1 nm，但本發明不限於此。在其他實施例中，金屬氮化物層108a的厚度也可以與金屬氮化物層108b的厚度相同。此外，在本實施例中，每一層金屬氮化物層108a的厚度彼此相同，且每一層金屬氮化物層108b的厚度彼此相同，但本發明不限於此。在其他實施例中，每一層金屬氮化物層108a的厚度可彼此不同，且每一層金屬氮化物層108b的厚度可彼此不同。另外，在本實施例中，每一個金屬氮化物堆疊（由一層金屬氮化物層108a與一層金屬氮化物層108b所構成）的厚度彼此相同，但本發明不限於此。在其他實施例中，每一個金屬氮化物堆疊的厚度也可以彼此不同。再者，在本實施例中，金屬氮化物層108a與阻障層106接觸，但本發明不限於此。在其他實施例中，也可以是金屬氮化物層108b與阻障層106接觸。
金屬氮化物層108a與金屬氮化物層108b中的金屬各自選自由Al、Ga與In所組成的族群中的至少一者，其條件在於金屬氮化物層108a與金屬氮化物層108b的材料不相同。換句話說，整體來看，由金屬氮化物層108a與金屬氮化物層108b所構成的超晶格結構108可為三元的III族金屬氮化物結構或四元的III族金屬氮化物結構。
在超晶格結構108為三元的III族金屬氮化物結構的情況下，金屬氮化物層108a與金屬氮化物層108b符合以下任一條件： （1）金屬氮化物層108a與金屬氮化物層108b中的一者包含三元的III族金屬氮化物，且另一者包含二元的III族金屬氮化物。上述的三元的III族金屬氮化物可以是AlGaN、AlInN或InGaN。上述的二元的III族金屬氮化物可以是AlN、InN或GaN。 （2）金屬氮化物層108a與金屬氮化物層108b皆包含二元的III族金屬氮化物。 （3）金屬氮化物層108a與金屬氮化物層108b皆包含三元的III族金屬氮化物。此時，金屬氮化物層108a中的三元的III族金屬氮化物與金屬氮化物層108b中的三元的III族金屬氮化物具有不同的組成比例。
在超晶格結構108為四元的III族金屬氮化物結構的情況下，金屬氮化物層108a與金屬氮化物層108b符合以下任一條件： （1）金屬氮化物層108a與金屬氮化物層108b皆包含三元的III族金屬氮化物。 （2）金屬氮化物層108a與金屬氮化物層108b中的一者包含三元的III族金屬氮化物，且另一者包含二元的III族金屬氮化物。
在本發明的電晶體10中，對於超晶格結構108的結構並不做任何限定，亦即不限定金屬氮化物層108a與金屬氮化物層108b的堆疊順序以及各自的材料、層數與厚度，只要所形成的超晶格結構108的厚度不超過200 nm且超晶格結構108的平均晶格常數大於GaN的晶格常數即可。如此一來，本發明的電晶體10可藉由超晶格結構108來空乏阻障層106中所形成的二維電子氣，以形成常關型的電晶體，並可改善起始電壓過低的問題。
在本實施例中，超晶格結構108由彼此堆疊的金屬氮化物層108a與金屬氮化物層108b所構成，但本發明不限於此。在其他實施例中，超晶格結構還可以包括除了金屬氮化物層108a與金屬氮化物層108b之外的金屬氮化物層，且由此三種金屬氮化物層彼此堆疊而構成。
圖2為依照本發明另一實施例所繪示的電晶體的剖面示意圖。在本實施例中，與圖1中相同的元件將以相同的元件符號表示，且不再對其進行描述。
請參照圖2，電晶體20與電晶體10的差異在於：在電晶體20中，超晶格結構208除了包括金屬氮化物層108a與金屬氮化物層108b之外，還包括金屬氮化物層208a。以下將對此做進一步說明。
超晶格結構208由彼此堆疊的金屬氮化物層108a、金屬氮化物層108b與金屬氮化物層208a所構成，且超晶格結構208的平均晶格常數大於GaN的晶格常數，超晶格結構208的厚度不超過200 nm。在本實施例中，超晶格結構208由三層金屬氮化物層108a、三層金屬氮化物層108b與金屬氮化物層208a彼此交錯堆疊而構成，但本發明不限於此。在其他實施例中，超晶格結構208也可以是由更多層或更少層的金屬氮化物層108a、更多層或更少層的金屬氮化物層108b與更多層或更少層的金屬氮化物層208a彼此交錯堆疊而構成，只要所形成的超晶格結構108的厚度不超過200 nm且超晶格結構108的平均晶格常數大於GaN的晶格常數即可。
此外，如同電晶體10，在電晶體20中，並不對每一層的金屬氮化物層108a、金屬氮化物層108b與金屬氮化物層208a的厚度做任何限定，只要所形成的超晶格結構108的厚度不超過200 nm且超晶格結構108的平均晶格常數大於GaN的晶格常數即可。
另外，在本實施例中，金屬氮化物層108a與阻障層106接觸，但本發明不限於此。在其他實施例中，也可以是金屬氮化物層108b或金屬氮化物層208a與阻障層106接觸。
與金屬氮化物層108a、金屬氮化物層108b相同，金屬氮化物層208a中的金屬選自由Al、Ga與In所組成的族群中的至少一者，其條件在於金屬氮化物層108a、金屬氮化物層108b與金屬氮化物層208a的材料彼此不相同。也就是說，整體來看，由金屬氮化物層108a、金屬氮化物層108b與金屬氮化物層208a所構成的超晶格結構208為四元的III族金屬氮化物結構，且金屬氮化物層108a、金屬氮化物層108b與金屬氮化物層208a符合以下任一條件： （1）金屬氮化物層108a、金屬氮化物層108b與金屬氮化物層208a中的一者包含四元的III族金屬氮化物，且其餘者皆包含三元的III族金屬氮化物。上述的四元的III族金屬氮化物為AlInGaN。 （2）金屬氮化物層108a、金屬氮化物層108b與金屬氮化物層208a中的一者包含四元的III族金屬氮化物，且其餘者皆包含二元的III族金屬氮化物。 （3）金屬氮化物層108a、金屬氮化物層108b與金屬氮化物層208a中的一者包含四元的III族金屬氮化物，其餘中的一者包含三元的III族金屬氮化物，且其餘中的一者包含二元的III族金屬氮化物。 （4）金屬氮化物層108a、金屬氮化物層108b與金屬氮化物層208a皆包含三元的III族金屬氮化物。 （5）金屬氮化物層108a、金屬氮化物層108b與金屬氮化物層208a中的二者皆包含三元的III族金屬氮化物，且其餘者包含二元的III族金屬氮化物。 （6）金屬氮化物層108a、金屬氮化物層108b與金屬氮化物層208a中的一者皆包含三元的III族金屬氮化物，且其餘者皆包含二元的III族金屬氮化物。 （7）金屬氮化物層108a、金屬氮化物層108b與金屬氮化物層208a皆包含二元的III族金屬氮化物。
在本發明的電晶體20中，對於超晶格結構208的結構並不做任何限定，亦即不限定金屬氮化物層108a、金屬氮化物層108b與金屬氮化物層208a的堆疊順序以及各自的材料、層數與厚度，只要所形成的超晶格結構208的厚度不超過200 nm且超晶格結構208的平均晶格常數大於GaN的晶格常數即可。如此一來，本發明的電晶體20可藉由超晶格結構208來空乏阻障層106中所形成的二維電子氣，以形成常關型的電晶體，並可改善起始電壓過低的問題。
當然，在其他實施例中，超晶格結構除了包括金屬氮化物層108a、金屬氮化物層108b與金屬氮化物層208a之外，還可以包括額外的金屬氮化物層，且此額外的金屬氮化物層只要符合上述條件即可。也就是說，在此情況下，本發明不限定這些金屬氮化物層的堆疊順序以及各自的材料、層數與厚度，只要所形成的超晶格結構的厚度不超過200 nm且超晶格結構8的平均晶格常數大於GaN的晶格常數即可。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10、20‧‧‧電晶體
100‧‧‧基底
102‧‧‧緩衝層
104‧‧‧通道層
106‧‧‧阻障層
108、208‧‧‧超晶格結構
108a、108b、208a‧‧‧金屬氮化物層
110‧‧‧閘極
112‧‧‧源極
114‧‧‧汲極
圖1為依照本發明一實施例所繪示的電晶體的剖面示意圖。 圖2為依照本發明另一實施例所繪示的電晶體的剖面示意圖。
10‧‧‧電晶體
100‧‧‧基底
102‧‧‧緩衝層
104‧‧‧通道層
106‧‧‧阻障層
108‧‧‧超晶格結構
108a、108b‧‧‧金屬氮化物層
110‧‧‧閘極
112‧‧‧源極
114‧‧‧汲極

Claims (10)

  1. 一種電晶體，包括： 緩衝層，配置於基底上； 通道層，配置於所述緩衝層上； 阻障層，配置於所述通道層上； 超晶格結構，配置於所述阻障層上，所述超晶格結構包括彼此堆疊的至少一第一金屬氮化物層與至少一第二金屬氮化物層，且所述超晶格結構的平均晶格常數大於GaN的晶格常數，其中所述第一金屬氮化物層與所述第二金屬氮化物層中的金屬各自選自由Al、Ga與In所組成的族群中的至少一者，且所述第一金屬氮化物層與所述第二金屬氮化物層不相同； 閘極，配置於所述超晶格結構上； 源極，配置於所述阻障層上且位於所述超晶格結構的一側，或配置於所述通道層上且位於所述阻障層的一側；以及 汲極，配置於所述阻障層上且位於所述超晶格結構的另一側，或配置於所述通道層上且位於所述阻障層的另一側。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電晶體，其中所述超晶格結構的厚度不超過200 nm。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電晶體，其中所述第一金屬氮化物層的厚度介於0.2 nm至50 nm之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電晶體，其中所述第二金屬氮化物層的厚度介於0.2 nm至50 nm之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電晶體，其中所述至少一第一金屬氮化物層包括多個所述第一金屬氮化物層，所述至少一第二金屬氮化物層包括多個所述第二金屬氮化物層，且所述至少一第一金屬氮化物層與所述至少一第二金屬氮化物層彼此交錯堆疊。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的電晶體，其中每一所述第一金屬氮化物層的厚度不同。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的電晶體，其中每一所述第二金屬氮化物層的厚度不同。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的電晶體，其中所述超晶格結構更包括至少一第三金屬氮化物層，所述至少一第一金屬氮化物層、所述至少一第二金屬氮化物層與所述至少一第三金屬氮化物層彼此堆疊。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的電晶體，其中所述至少一第一金屬氮化物層包括多個所述第一金屬氮化物層，所述至少一第二金屬氮化物層包括多個所述第二金屬氮化物層，所述至少一第三金屬氮化物層包括多個所述第三金屬氮化物層，且所述至少一第一金屬氮化物層、所述至少一第二金屬氮化物層與所述至少一第三金屬氮化物層彼此交錯堆疊。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的電晶體，其中所述阻障層的材料包括AlGaN、AlInN、InGaN或AlInGaN。
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