常閉型異質結場效應晶體管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種常閉型異質結場效應晶體管。常閉型HFET具有：厚度為t1的無摻雜AlxGa1-xN層（11）、與該層（11）電連接且相互分開形成的源極電極（21）和漏極電極（22）、在這些源極電極和漏極電極之間形成于AlxGa1-xN層的厚度為t2的無摻雜AlyGa1-yN層（12）、在源極電極和漏極電極之間在AlyGa1-yN層的部分區(qū)域上形成為臺地形的厚度為t3的無摻雜AlzGa1-zN層（13），以及形成于AlzGa1-zN層的肖特基勢壘型柵極（23）；并且滿足y＞x＞z以及t1＞t3＞t2的條件。
【專利說明】常閉型異質結場效應晶體管【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及利用了氮化物半導體的異質結場效應晶體管(HFET)，特別涉及常閉型HFET的改良。
【背景技術】
[0002]與Si系及GaAs系的半導體相比，GaN, AlGaN等氮化物半導體具有較強的擊穿電場和良好的耐熱性，并且也具有電子飽和漂移速度快這樣的優(yōu)點，所以期待能夠提供在高溫動作、大功率動作等方面具有良好特性的電子器件。
[0003]眾所周知，在作為利用上述氮化物半導體制作的電子器件之一的HFET中，形成源于氮化物半導體積層結構所具有的異質結的二維電子氣體層，在源極電極與漏極電極之間通過具有肖特基結的柵極對氮化物半導體層進行電流控制。
[0004]圖11是表示利用了 AlGaN/GaN異質結的、目前具有代表性的HFET的剖面示意圖，在該HFET中，在藍寶石基板501上依次層積低溫GaN緩沖層502、無摻雜GaN層503、n型AlGaN層504，在n型AlGaN層504上形成有由Ti層與Al層的積層形成的源極電極505及漏極電極506，在源極電極505與漏極電極506之間形成有由Ni層、Pt層及Au層的積層形成的柵極507，該圖11的HFET是由于在無摻雜GaN層503與n型AlGaN層504的異質結界面所產生的高濃度二維電子氣體而在柵極電壓為OV時也有漏電流存在的常閉型。
[0005]可是，在應用HFET作為功率晶體管的情況下，在具有常閉型HFET的電路中，在停電時等情況下該電路在安全方面存在問題。因此，為了將HFET作為功率晶體管使用，需要HFET是當柵極電壓為OV時沒有電流流動的常閉型。為了滿足該要求，在專利文獻I的日本特開2006-339561號公報中已經提出一種在柵極上利用了臺地結構(^寸構造)和pn結的HFET0
[0006]現(xiàn)有技術文獻
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻1:(日本)特開2006-339561號公報
【發(fā)明內容】

[0009]圖12表示專利文獻I所公開的常閉型HFET的剖面示意圖。該HFET具有依次層積在藍寶石基板101上的厚度為IOOnm的AlN緩沖層102、厚度為2 u m的無摻雜GaN層103、厚度為25nm的無摻雜AlGaN層104、厚度為IOOnm的p型GaN層105、以及厚度為5nm的高濃度P型GaN層106，在該HFET中，無摻雜AlGaN層104由無摻雜Ala25Gaa 75N形成，其上方的p型GaN層105和高濃度p型GaN層106形成臺地O寸)。
[0010]在高濃度P型GaN層106上設有與之歐姆接合的Pd柵極電極111。而且，在無摻雜AlGaN層104上設有隔著p型GaN層105配置的由Ti層和Al層的積層形成的源極電極109與漏極電極110，這些電極設置在由元件分離區(qū)域107合圍的區(qū)域內。并且，氮化物半導體積層結構的上側表面由SiN膜108加以保護。[0011]該圖12的HFET的特征為，因為柵極電極111與高濃度P型GaN層106歐姆接合，所以在柵極區(qū)域形成由形成于無摻雜AlGaN層104與無摻雜GaN層103的界面的二維電子氣體層和P型GaN層105生成的pn結。而且，因為pn結引起的勢壘大于肖特基結引起的勢壘，所以該HFET與現(xiàn)有的具有肖特基結的柵極的HFET相比，即使提高柵極電壓，也難以產生柵極泄漏。
[0012]而且，在圖12的HFET中，因為在柵極電極111的下方設有高濃度p型GaN層106，所以，在與柵極電極111之間容易形成歐姆接合。通常P型氮化物半導體難以形成歐姆接合，所以設有高濃度P型GaN層106。
[0013]在此，在氮化物半導體中激活高濃度p型雜質而生成高濃度P型載流子是不容易的，這是眾所周知的。通常，為了激活高濃度P型雜質而生成高濃度P型載流子，需要進行電子束照射或高溫退火等。
[0014]于是，本發(fā)明的目的在于提供不需要摻雜p型雜質以及激活該p型雜質的結構簡單且成本低的常閉型HFET。
[0015]用于解決課題的技術方案
[0016]本發(fā)明的常閉型HFET的特征在于，具有:厚度為h的無摻雜AlxGahN層、與該層電連接且相互分開形成的源極電極和漏極電極、在這些源極電極和漏極電極之間形成在AlxGa1J層上的厚度為t2的無摻雜AlyGapyN層、在源極電極和漏極電極之間在AlyGapyN層的部分區(qū)域上形成為臺地形O *型)的厚度為t3的無摻雜AlzGa1=N層，以及形成在AlzGa1=N層上的肖特基勢壘型柵極電極，并且滿足y > X > z以及& > t3 > t2的條件。
[0017]另外，更優(yōu)選滿足X — z > 0.03的條件，而且也優(yōu)選滿足t3/t2 > 4的條件。柵極電極可以由Ni/Au積層、WN層、TiN層、W層以及Ti層中的任一層形成。進而，也優(yōu)選在AlxGa1J層與AlyGapyN層之間附加地含有IOnm以上、不足50nm厚度的無摻雜GaN層。進而，還優(yōu)選AlxGa1J層、AlyGapyN層以及AlzGa1=N層都具有在(0001)面即上側面露出Ga原子面的Ga極性。
[0018]發(fā)明效果
[0019]根據(jù)上述的本發(fā)明，能夠提供不需要摻雜p型雜質以及激活該p型雜質的結構簡單且成本低的常閉型HFET。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是表不本發(fā)明一實施方式的HFET的剖面不意圖；
[0021]圖2是表示圖1HFET的能帶結構的一例的曲線示意圖；
[0022]圖3是表示圖1HFET所含有的二維電荷密度qns與源極-柵極間電壓Vgs的關系的曲線圖；
[0023]圖4是表示在能帶結構內基于異質結界面附近相鄰兩層的極化差(分極差)所產生的二維固定電荷密度O的曲線示意圖；
[0024]圖5是表示求出圖1所示的HFET所具有的多層氮化物半導體層中Al組成比與閾值電壓Vth的關系的計算結果的曲線圖；
[0025]圖6是表示求出圖1所示的HFET所具有的多層氮化物半導體層中厚度比率與閾值電壓Vth的關系的計算結果的曲線圖；[0026]圖7是表示求出圖1所示的HFET中源極-柵極Vgs與漏電流Id的關系的實測數(shù)據(jù)的曲線圖；
[0027]圖8是表示求出圖1所示的HFET中源極-漏極電壓Vds與漏電流Id的關系的實測數(shù)據(jù)的曲線圖；
[0028]圖9是表不本發(fā)明另一實施方式的HFET的剖面不意圖；
[0029]圖10是表示圖9所示的HFET中能帶結構的一例的曲線示意圖；
[0030]圖11是表示現(xiàn)有常閉型HFET的一例的剖面示意圖；
[0031] 圖12是表示專利文獻I的常閉型HFET的剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0032]圖1是表示本發(fā)明一實施方式的HFET的剖面示意圖。需要說明的是，在本申請的附圖中，厚度、長度、寬度等為了附圖的明了化與簡單化而適當改變，不表示實際的尺寸關系。
[0033]在圖1的HFET中，在藍寶石等基板(未圖示)上，隔著緩沖層10沉積有厚度為h的AlxGahN層11，與該AlxGahN層11電連接且相互分開形成有源極電極21和漏極電極22，在源極電極21與漏極電極22之間，在AlxGa1J層11上沉積有厚度為t2的無摻雜AlyGa1J層12，而且在源極電極21與漏極電極電極22之間，在AlyGapyN層12的部分區(qū)域上形成有臺地形的厚度為t3的無摻雜AlzGa1=N層13，并且在AlzGa1=N層13上形成有肖特基勢壘型柵極電極23。需要說明的是，這些AlxGa1J層、AlyGa1J層以及AlzGa1J層都具有在(0001)面即上側面露出Ga原子面的Ga極性。
[0034]圖2的曲線圖示意性地表示圖1的HFET中的能帶結構的一例，即該曲線圖的橫軸表示從AlzGa1=N層13的上表面向深度方向的距離(nm)，縱軸表示電子能級(eV)，將費米能級Ef作為基準的OeV0而且,在圖2白勺例子中，設定x=0.04、tplOOOnm、y=0.21、t2=10nm、z=0 以及 t3=50nm。
[0035]圖3是表示HFET中源極-柵極間電壓Vgs與二維電荷密度qns的關系的曲線示意圖，如該曲線圖中實線曲線所示，當增大源極-柵極間電壓Vgs而使二維電荷密度qns為正值時的Vgs與閾值電壓Vth對應。
[0036]在圖3的曲線圖所示的實線曲線中，正值的部分可以通過虛線所表示的直線進行近似，二維電荷密度qns (C/cm2)能夠通過與Vgs成正比的下式(I)表示。另外，該公式(I)可以由電容模型導出。
[0037]QHs- O j+ O 2 ? t3 ￡ 2/ (七2 e 3+七3 e 2) +C.(Vgs — Vb)...(I)
[0038]在此，x表示電子電荷，ns表示二維電子密度(cnT2)，o工表示基于AlxGa1J層11與AlyGa1J層12的極化差的正二維固定電荷密度，O 2表示基于AlyGa1J層12與AlzGa1=N層13的極化差的負二維固定電荷密度，t2與t3分別表示AlyGa1J層12與AlzGa1=N層13的厚度，￡2與￡3分別表示AlyGapyN層12與AlzGahN層13的介電常數(shù)，C表示溝道層與柵極電極之間的單位面積電容(也稱為柵極電容)，Vgs表示柵極-源極電極間電壓，而Vb表示(1/q) X (柵極電極的肖特基勢壘高度)。
[0039]作為與公式(I)相關的參考，圖4示意性地表示在與圖2對應的能帶結構內二維固定電荷密度O i與02。[0040]在HFET為常閉型的情況下，當Vgs=Vth (閾值電壓)時必須使qns=0/cm2，所以，根據(jù)公式(I)，公式(2 )成立，并且可變形為公式(3 )。
[0041]0= O j+ O 2 ? t3 e 2/ (t2 e 3+t3 e 2) +C ? (Vth — Vb)...(2)
[0042]Vth=Vb — ( 1/C) ? { O ^ O 2 ? t3 e 2/ (t2 e 3+t3 e 2) }...(3)
[0043]而且，因為l/C=t2/e2+t3/e3，所以公式(3)可以變形為公式(4)。
[0044]Vth=Vb - (t2/ e 2+t3/ e 3) ? { o !+ o 2 ? t3 e 2/ (t2 e 3+t3 e 2) }...(4)
[0045]在此，因為可以假設e2 N ，所以公式(4)可以變形為公式(5)。
[0046]Vth ~ Vb — O J (t2+t3) / ￡ 3 — 0 2^3/ e 3...(5)
[0047]而且，o I依賴于AlxGa1-JiN層11與AlyGa1-JfN層12的Al組成比，可以由o i=a(y —x)表示,O 2依賴于AlyGa^yN層12與AlzGa1=N層13的Al組成比,可以由o 2=a (z — y)表示。另外，a表示比例常數(shù)(C/cm2)。
[0048]因此，公式(5)可以通過公式(6)表示，可以變形為公式(7)。
[0049]Vth N Vb — a (y — x) (t2+t3) / e 3 — a (z — y) t3/ e 3...(6)
[0050]Vth N Vb+a (x — z) t3/ e 3 — a (y — x) t2/ e 3...(7)
[0051]在此，比例常數(shù)a可以通過實驗求出，可以采用a=8.65X10 —6C/cm2的值。
[0052]圖5的曲線圖在公式(7)中假設t2=10nm、t3=50nm、y — x=0.17、以及Vb=L OV典型的值而表示依賴于(X - z)得到的閾值電壓Vth。即圖5的曲線圖的橫軸表示(X - z)，縱軸表示Vth (V)。根據(jù)圖5的曲線圖可知，為了得到大于Vth=OV的Vth > IV的常閉型HFET，優(yōu)選滿足X — Z > 0.03的條件。而且可知通過提高X的值,能夠提高Vth。
[0053]而且，圖6的曲線圖假設x=0.04、y=0.21、z=0, t2=10nm以及Vb=L OV典型的值而表示公式(7)中依賴于t3/t2得到的閾值電壓Vth。即圖6的曲線圖的橫軸表示t3/t2，縱軸表示Vth (V)。根據(jù)圖6的曲線圖可知，為了得到大于Vth=OV的Vth > IV的常閉型HFETJt選滿足t3/t2 > 4的條件。
[0054]圖7和圖8的曲線圖表不在圖1的HFET中x=0.04、y=0.21、t2=10nm、z=0、以及t3=50nm時源極電極21和漏極電極22由TiAl層形成且柵極電極23由TiN層形成的情況下實測的電壓電流特性。
[0055]即圖7的曲線圖的橫軸表示源極-柵極間電壓Vgs (V)，縱軸表示漏電流Id CA/mm)，其中，源極-漏極間電壓Vds設定為5V。在該圖7的曲線圖中，可知當Vgs大于IV后，Id升高，實際上閾值電壓Vth大于IV。
[0056]另一方面，圖8的曲線圖的橫軸表示源極-漏極間電壓Vds (V)，縱軸表示漏電流Id (A/mm)，其中，該曲線圖所示的多條曲線按照從下方曲線向上方曲線的順序，與源極-柵極間電壓Vgs分別從OV至5V的每升高0.5V的條件相對應。
[0057]圖9是示意圖表示本發(fā)明另一實施方式的HFET的剖面圖，與圖1相比，不同之處只在于，該圖9的HFET在AlxGa1J層11與AlyGapyN層12之間插入IOnm以上、不足50nm厚度的GaN層11a。該GaN層Ila不含有與Ga不同種類的原子即Al，所以，可作為因不同原子導致的電子散射減少、產生較高電子移動度的溝道層發(fā)揮作用，從這個觀點出發(fā)，優(yōu)選該 GaN 層 11a。
[0058]圖10的曲線圖與圖2的曲線圖類似，示意性地表示在具有厚度為20nm的GaN層Ila的情況下圖9的HFET中的能帶結構。[0059]工業(yè)實用性
[0060]如上所述，根據(jù)本發(fā)明，能夠提供不需要摻雜p型雜質以及激活該p型雜質的結構簡單且成本低的常閉型HFET。
[0061]附圖標記說明
[0062]10緩沖層；11無慘雜AlxGa1-JiN層；lla無慘雜GaN層；12無慘雜AlyGapyN層；13無摻雜AlzGa1=N層；21源極電極；22漏極電極；23肖特基勢壘型柵極。
【權利要求】
1.一種常閉型HFET，其特征在于，具有: 厚度為h的無摻雜AlxGa^N層(11)、 與所述AlxGahN層電連接且相互分開形成的源極電極(21)和漏極電極(22)、 在所述源極電極和所述漏極電極之間形成在所述AlxGahN層上的厚度為t2的無摻雜AlyGai_yN 層(12)、 在所述源極電極和所述漏極電極之間在所述AlyGai_yN層的部分區(qū)域上形成為臺地形的厚度為t3的無摻雜AlzGa1=N層(13)、 形成在所述AlzGa1=N層上的肖特基勢壘型柵極電極(23 )， 并且滿足y > X > z以及h > t3 > t2的條件。
2.如權利要求1所述的常閉型HFET，其特征在于，滿足X— z > 0.03的條件。
3.如權利要求1所述的常閉型HFET，其特征在于，滿足t3/t2> 4的條件。
4.如權利要求1所述的常閉型HFET，其特征在于，柵極電極(23)由Ni/Au積層、WN層、TiN層、W層及Ti層中的任一層形成。
5.如權利要求1所述的常閉型HFET，其特征在于，在所述AlxGahN層(11)與所述AlyGa卜yN層(12)之間附加地含有IOnm以上不足50nm厚度的無摻雜GaN層(11a)。
6.如權利要求1所述的常閉型HFET，其特征在于，所述AlxGa1J層(11)、所述AlyGapyN層(12)及所述AlzGa1=N層(13)都具有在(0001)面即上側面露出Ga原子面的Ga極性。
【文檔編號】H01L29/812GK103493188SQ201280011446
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年1月25日 優(yōu)先權日:2011年3月4日
【發(fā)明者】J.K.特懷南 申請人:夏普株式會社