TWI716230B

TWI716230B - 含鋁氮化物電晶體結構

Info

Publication number: TWI716230B
Application number: TW108146960A
Authority: TW
Inventors: 林家慶; 劉冠顯; 陳志典; 張國仁
Original assignee: 國家中山科學研究院
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-01-11
Also published as: TW202125821A

Abstract

本發明揭示一種含鋁氮化物電晶體結構及其製作方法，藉由在含鋁氮化物電晶體結構中插入一層較低能隙之二元氮化物中間層，進一步改善二維電子氣通道之片載子濃度，來達到提升含鋁氮化物電晶體性能之功效。

Description

含鋁氮化物電晶體結構

本發明係關於一種電晶體結構，特別是關於一種含鋁氮化物電晶體之結構。

5G時代的到來，使得微波通訊發展愈往高速與巨量傳輸方向前進，進而帶動高頻高功率射頻元件開發與市場需求，因此在射頻元件材料的選擇上，必須以寬能隙半導體材料為主，例如碳化矽(SiC)或氮化鎵(GaN)等，才可滿足高能電子元件應用需求；比較兩種材料，氮化鎵相較於碳化矽由於可藉由材料能隙調變與組合，並針對元件應用需求來開發，因此比碳化矽更適合作為未來通訊發展的材料首選。

一般熟知之氮化鎵射頻元件結構以高電子遷移率電晶體(High Electron Mobility Transistor，HEMT)為主，其磊晶層結構由上至下為第一層氮化鋁鎵(AlGaN)層、第二層氮化鎵(GaN)層、第三層成核(Nucleation)層與第四層基板(Substrate)，其中第一層氮化鋁鎵層亦可稱為阻障層，第二層氮化鎵層亦可稱為通道層，又其中第二層氮化鎵層可為無摻雜氮化鎵層與半絕緣氮化鎵層之組合；並且由於氮化物材料獨特的極化效應(Polarization Effect)，包括自發極化 (Spontaneous Polarization)與壓電極化(Piezoelectric Polarization)，在沒有摻雜任何雜質的情況下，極化效應可以使氮化鋁鎵/氮化鎵異質結構在氮化鎵層靠近界面處自動感應形成二維電子氣(Two Dimensional Electron Gas,2DEG)，在2DEG中的電子有較高之移動速度且其電子濃度大小與極化強弱有關。

若要此磊晶結構具有元件操作功能，則必須在其上製作源極(Source)、汲極(Drain)與閘極(Gate)金屬電極，其中閘極電極介於源極與汲極電極之間，並且源極與汲極電極與半導體之間為歐姆接觸(Ohmic Contact)，閘極電極與半導體之間為蕭特基接觸(Schottky Contact)；元件操作方式為由源極提供一電流，該電流經由2DEG形成之通道由汲極電極輸出，並由閘極電極提供一電壓，藉由調節該電壓大小來控制通道電流開關特性與電流大小。

以上述之氮化物電晶體結構製作之元件一般為空乏型(Depletion Mode)元件，或稱為常通型(Normally On)元件，亦即在閘極電極施加電壓為0V時，2DEG通道間仍有電流產生，使源極與汲極之間為導通狀態；然而在高能電子應用上，尤其是高功率開關切換應用，增強型(Enchancement Mode)元件，或稱為常閉型(Normally Off)元件可提高元件與電路的安全性，增強型元件亦即在閘極電極施加電壓為0V時，2DEG通道間並無電流產生，必須在閘極電極施加正向偏壓才可使源極與汲極之間導通；有諸多方式可達成此一增強型氮化物電晶體元件，例如可參照美國專利第US 7,728,356 B2號與US 7,851,825 B2號，藉由改變氮化物電晶體磊晶層結構與元件製程來達成。

上述之氮化物電晶體磊晶結構其通道層材料為氮化鎵，其阻障層材料為氮化鋁鎵，阻障層的氮化鋁鎵層其鋁含量約為25%，以此結構製作之電晶體元件，其崩潰電壓(Breakdown Voltage)依不同的元件製程設計，約落在300至600V之間，崩潰電壓越高代表其元件可操作電壓越高，以高能元件發展趨勢來看，發展高崩潰電壓元件有其必要，為達此一目的，必須使用能隙大於氮化鎵之含鋁氮化物材料作為電晶體元件結構中之通道層，始得以提高元件之崩潰電壓，例如參照論文研究[T.Nanjo et al,IEEE Trans.Electron Devices,vol.60,no.3,pp.1046-1053(2013)]，使用鋁含量15%之氮化鋁鎵材料作為電晶體元件結構中之通道層，以及使用鋁含量40%之氮化鋁鎵材料作為電晶體元件結構中之阻障層，則可將電晶體元件之崩潰電壓提高至1700V；再則參照論文研究[H.Tokuda et al,Appl.Phys.Exp.,vol.3,pp.121003(2010)]，使用鋁含量51%之氮化鋁鎵材料作為電晶體元件結構中之通道層，以及使用鋁含量86%之氮化鋁鎵材料作為電晶體元件結構中之阻障層，則可將電晶體元件之崩潰電壓提高至1800V，除此之外，使用氮化鋁鎵材料作為通道層之電晶體元件亦具有良好的高溫操作特性，參照論文研究[M.Hatano et al,IEICE Trans.Electron.,vol.E95-C,no.8,pp.1332-1336(2012)]，以氮化鋁鎵材料作為通道層之電晶體元件在常溫下其最大汲極電流(Maximum Drain Current,Idmax)與截止頻率(Cut-off Frequency,ft)均小於以氮化鎵材料作為通道層之電晶體元件，然而在元件操作溫度提高至300℃時，具有氮化鋁鎵通道層之電晶體元件其最大汲極電流與截止頻率即反超大於氮化鎵通道層之電晶體元件，顯示出氮化鋁鎵通道層之電晶體元件在高溫以及嚴苛環境下仍有優異的元件操作特性。

上述之以氮化鋁鎵材料作為通道層之氮化物電晶體結構，其2DEG通道特性將會受到嚴重的合金散射(Alloy Scattering)影響，參照論文研究[S.Bajaj et al,Appl.Phys.Lett.105,pp.263503(2014)]，使用鋁含量介於20至90%之間的氮化鋁鎵作為通道層之電晶體結構，其2DEG通道特性中的電子遷移率(Mobility)將大幅降低；再則參照美國專利第US 2012/0161205 A1號，其揭示一種利用氮化鋁或者氮化鋁鎵材料作為磊晶基板，可有效改善氮化鋁鎵磊晶之晶體品質，進而改善氮化鋁鎵/氮化鋁鎵結構之2DEG通道之電子遷移率特性；再則，在2DEG通道特性中，除了電子遷移率，另一重要特性為片載子濃度(Sheet Carrier Concentration)，片載子濃度大小將影響電晶體元件的電流特性，較高的片載子濃度將能有效地提高電晶體元件的操作電流，參照論文研究[G.Raj et al,World J.Condens.Matter Phys.5,pp.232-243(2015)]，在含鋁氮化物電晶體結構中，隨著氮化鋁鎵通道層鋁含量的增加，片載子濃度將隨之降低，當氮化鋁鎵通道層之鋁含量由6%增加至38%時，片載子濃度則由1.3x10¹³cm^-2降低至5x10¹²cm^-2，片載子濃度降低意謂著元件電流特性的降低，而上述美國專利並未揭露其有提高氮化鋁鎵/氮化鋁鎵結構之2DEG通道之片載子濃度之功效。

鑒於上述習知技術之缺點，而本發明提供一種可提高2DEG通道片載子濃度之含鋁氮化物電晶體結構與製作方法，利用一層較低能隙之二元氮化物中間層，其能隙需小於阻障層與通道層之含鋁氮化物材料，其位置介於含鋁氮化物阻障層與通道層之間，可提高2DEG通道片載子濃度，進而達到提升含鋁氮化物電晶體元件性能之功效。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種含鋁氮化物電晶體結構，可包括：一基板；一成核層，該成核層設置於該基板之上；一通道層，該通道層設置於該成核層之上；一中間層，該中間層設置於該通道層之上，該中間層之材料為二元氮化物材料；一阻障層，該阻障層設置於該中間層之上；一金屬電極模組，該金屬電極模組設置於該阻障層之上，該金屬電極模組可包含一源極、一汲極與一閘極，其中，該閘極設置於該源極與該汲極之間，該源極與該汲極之金屬電極為歐姆接觸，該閘極之金屬電極為蕭特基接觸。

本發明所提出之含鋁氮化物電晶體結構，其中，該基板之材料可為選自於藍寶石、碳化矽、矽、氮化鎵、氮化鋁及其他適合做為氮化物磊晶成長之基板材料所組成之群組。

本發明所提出之含鋁氮化物電晶體結構，其中，該成核層之材料可選自氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵及其他可有效降低基板引發通道層應力與缺陷之氮化物材料所組成之群組，該成核層厚度小於1微米。

本發明所提出之含鋁氮化物電晶體結構，其中，該通道層之材料可選自氮化鋁鎵、氮化鋁銦、氮化鋁銦鎵及其他能隙小於阻障層材料之能隙並且大於中間層材料之能隙之含鋁氮化物之群組，該通道層材料之鋁含量大於0.1%，該通道層厚度小於20微米。

本發明所提出之含鋁氮化物電晶體結構，其中，該阻障層之材料可選自氮化鋁鎵、氮化鋁銦、氮化鋁銦鎵及其他能隙大於通道層材料之能隙之含鋁氮化物所組成之群組，該阻障層材料之鋁含量大於5%，該阻障層厚度小於500nm。

本發明所提出之含鋁氮化物電晶體結構，其中，該阻障層與通道層之間可形成二維電子氣。

本發明所提出之含鋁氮化物電晶體結構，其中，該中間層之材料可選自氮化鎵、氮化銦及其他二元氮化物所組成之群組。

本發明所提出之含鋁氮化物電晶體結構，其中，該中間層材料之能隙可小於通道層與阻障層材料之能隙。

本發明所提出之含鋁氮化物電晶體結構，其中，該中間層厚度可小於10nm。

本發明所提出之含鋁氮化物電晶體結構，其中，該電晶體結構可為增強型或空乏型元件。

本發明所提出之含鋁氮化物電晶體結構，其中，其中，該含鋁氮化物電晶體結構之磊晶成長方式可為化學氣相磊晶法(Chemical Vapor Deposition，CVD)、有機金屬化學氣相磊晶法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)、分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy，MBE)、氫化物氣相磊晶(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)或離子增強化學氣相磊晶法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

100‧‧‧基板

101‧‧‧成核層

102‧‧‧通道層

103‧‧‧中間層

104‧‧‧阻障層

105‧‧‧源極

106‧‧‧汲極

107‧‧‧閘極

112‧‧‧二維電子氣

第一圖係為本發明之含鋁氮化物電晶體結構中間層與習知含鋁氮化物電晶體結構之能帶示意圖；

第二圖係為本發明之含鋁氮化物電晶體結構示意圖；

第三圖係為本發明之含鋁氮化物電晶體結構片不同中間層載子濃度量測結果。

以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

本發明之主要目的在於提出一種可提高2DEG通道片載子濃度之含鋁氮化物電晶體結構與製作方法。

為達到上述目的，本發明提出利用一層較低能隙之二元氮化物中間層，其能隙需小於阻障層與通道層之含鋁氮化物材料，其位置介於含鋁氮化物阻障層與通道層之間，可提高2DEG通道片載子濃度，進而達到提升氮化物電晶體元件性能之功效；其中，為避免三元化合物造成合金散射導致電晶體元件性能降低的影響，本發明提出之中間層材料限定為二元氮化物材料，再考量其能隙需小於含鋁氮化物之阻障層與通道層，因此，中間層材料可為氮化鎵或氮化銦，才可達到本發明所提出之提高2DEG通道片載子濃度之功效。

請參閱第一圖，該圖係為一般氮化鋁鎵(Al_xGa_1-xN)/氮化鋁鎵(Al_yGa_1-yN)2DEG結構與本發明提出之氮化鋁鎵(Al_xGa_1-xN)/氮化鎵(GaN)/氮化鋁鎵(Al_yGa_1-yN)2DEG結構之能帶變化圖，其中鋁含量x需大於鋁含量y並且氮化鎵中間層厚度為1nm，由圖中導電帶(Ec)之能帶變化可看出具中間層之2DEG結構，其二維位能井深度較一般2DEG結構之位能井深度為深，並且有較佳之載子侷限性，顯示出本發明提出之具有中間層之2DEG結構有提高片載子濃度之功效。

請參閱第二圖，係為本發明之含鋁氮化物電晶體結構示意圖，如圖所示，其結構係包括一基板100，本實施例使用藍寶石作為磊晶基板，但亦可使用碳化矽、矽、氮化鎵、氮化鋁或其他適合做為氮化物磊晶成長之基板材料；其後於該基板100之上利用有機金屬化學氣相磊晶法磊晶成長一成核層101，本實施例使用氮化鋁作為成核層101，但依磊晶方法的不同與選用不同基板，可選擇使用氮化鎵、氮化鋁鎵或其他可有效降低基板引發通道層102應力與缺陷之氮化物材料；其後於該成核層101之上成長一通道層102，本實施例使用氮化鋁鎵(鋁含量36%)作為通道層102，但亦可使用其他能隙小於阻障層104之能隙並且大於中間層103之能隙之含鋁氮化物材料；其後於該通道層102之上成長一中間層103，本實施例使用氮化鎵作為中間層103，但亦可使用氮化銦或其他能隙小於通道層102與阻障層104之二元氮化物材料，並且該中間層103需有延伸通道層102與阻障層104之間的二維電子氣112之導電帶位能井深度之功效，其後於該中間層103之上成長一阻障層104，本實施例使用氮化鋁鎵(鋁含量51%)作為阻障層104，但亦可使用其他能隙大於通道層102之能隙之含鋁氮化物材料，並且該阻障層104與該通道層102之間必須形成一二維電子氣112，其後於阻障層104之上製作金屬電極模組，分別為一源極105、一汲極106與一閘極107以完成電晶體元件製作，其中閘極107位置處於源極105與汲極106之間，源極105與汲極106之金屬電極為歐姆接觸，閘極107之金屬電極為蕭特基接觸；並可由閘極電極提供一電壓，藉由調節該電壓大小來控制通道電流開關特性與電流大小；其中該電晶體結構可為增強型或空乏型元件。

現請參考第三圖，該圖係為本發明提出之具有二元氮化物中間層之含鋁氮化物電晶體結構之室溫片載子濃度量測結果，該圖中比較不同氮化鎵中間層厚度之含鋁氮化物電晶體結構之室溫片載子濃度量測結果，其中氮化鎵中間層厚度分別為0、0.5、1、2與5nm，由圖中可發現，隨著氮化鎵中間層厚度的增加，片載子濃度有顯著的提高，當中間層厚度由0增加至1nm時，片載子濃度可由6.4x10¹²cm^-2大幅提升至4.7x10¹³cm^-2；然而，當中間層厚度持續增加時，片載子濃度則有下降的趨勢，當中間層厚度增加至5nm時，片載子濃度則降低至1.3x10¹²cm^-2，顯示出在此中間層厚度下，已無法保持2DEG結構特性，本實施例顯示之最佳中間層厚度可藉由改變中間層、通道層與阻障層之材料而有所差異，但本發明不以此為限，不應以本實施例之最佳中間層厚度侷限本發明之內容範圍。

本發明之含鋁氮化物電晶體，其中，該成核層厚度可小於1μm，該厚度係與該成核層材料與基板材料之晶格差異有關，兩者之間晶格差異越大則該成核層厚度需越厚；該通道層材料之鋁含量可大於0.1%，該通道層厚度可小於20μm，該厚度與該通道層鋁含量多寡以及該通道層磊晶晶體品質有關，該通道層鋁含量越高其磊晶困難度越高，需有較厚之該通道層厚度才可抑制缺磊晶陷延伸至2DEG結構，避免增加電晶體元件之漏電流途徑；該中間層厚度可小於10nm，以確保2DEG結構特性；該阻障層材料之鋁含量可大於5%，該阻障層厚度可小於500nm，該厚度不宜過厚以避免影響閘極電極控制通道電流能力，亦或可以製程蝕刻方式調整閘極電極下之阻障層厚度，以符合電晶體元件功能需求。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化，因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。