半導(dǎo)體裝置制造方法
【專利摘要】一種半導(dǎo)體裝置(10)，包括：層疊結(jié)構(gòu)(100)，所述層疊結(jié)構(gòu)(100)包括具有第一接合部(151、153)和第二接合部(152、154)的雙接合結(jié)構(gòu)，在第一接合部(151、153)處寬帶隙層(102、104)和窄帶隙層(101、103、105)彼此層疊，在第二接合部(152、154)處窄帶隙層(101、103、105)和寬帶隙層(102、104)彼此層疊；以及接合至層疊結(jié)構(gòu)中的每一層的電極半導(dǎo)體層(110、120)。每個雙接合結(jié)構(gòu)均包括由具有負(fù)固定電荷的第一區(qū)(131、133)和具有正固定電荷的第二區(qū)(132、134)構(gòu)成的對。第一區(qū)較靠近第一接合部而較不靠近寬帶隙層的中心。第二區(qū)較靠近第二接合部而較不靠近寬帶隙層的中心。在每個接合部處均形成2DEG或2DHG。半導(dǎo)體裝置用作電能存儲設(shè)備例如電容器。
【專利說明】半導(dǎo)體裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置。具體地，本發(fā)明涉及形成于半導(dǎo)體基板中的半導(dǎo)體裝置，例如電容器等。

【背景技術(shù)】
[0002]日本公開特許公報第2005-19598號(JP 2005-19598A)描述了一種在通過電容絕緣膜隔離的半導(dǎo)體層中積累電荷的電容器。為了在不增加電容器在半導(dǎo)體基板的平面區(qū)域中占據(jù)的面積的情況下增加電容器的電容，JP 2005-19598A沿半導(dǎo)體基板的深度方向設(shè)置了積累電荷的部分。
[0003]在如JP 2005-19598A中的通過電容絕緣膜隔離的半導(dǎo)體層中積累電荷的電容器中，電容絕緣膜、半導(dǎo)體膜等的構(gòu)造需要制作成薄膜構(gòu)造以便于進(jìn)一步減小電容器的尺寸并且增加電容器的電容。然而，如果構(gòu)造變薄，則絕緣膜和/或半導(dǎo)體層中的缺陷變得更容易發(fā)生。因而，不容易得到小尺寸和高容量的電容器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明的第一方面的半導(dǎo)體裝置包括:層疊結(jié)構(gòu)，其中交替地層疊有至少一個窄帶隙層和至少一個寬帶隙層，所述至少一個窄帶隙層由與沿第一方向或與第一方向相反的方向與所述窄帶隙層相鄰的層的材料相比具有較窄的帶隙的材料形成，所述至少一個寬帶隙層由與沿第一方向或與第一方向相反的方向與所述寬帶隙層相鄰的層的材料相比具有較寬的帶隙的材料形成，所述層疊結(jié)構(gòu)包括至少一個雙接合結(jié)構(gòu)，所述雙接合結(jié)構(gòu)具有第一接合部和第二接合部，在第一接合部處寬帶隙層和窄帶隙層沿第一方向依次層疊并彼此接合，在第二接合部處窄帶隙層和寬帶隙層沿第一方向依次層疊并彼此接合，并且所述至少一個雙接合結(jié)構(gòu)中的每一個均包括至少一個由具有負(fù)固定電荷的第一區(qū)和具有正固定電荷的第二區(qū)構(gòu)成的對；第一導(dǎo)電型的第一電極半導(dǎo)體層，所述第一電極半導(dǎo)體層沿與第一方向相交的第二方向延伸并且接合至所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個窄帶隙層和所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個寬帶隙層；以及第二導(dǎo)電型的第二電極半導(dǎo)體層，所述第二電極半導(dǎo)體層沿與第一方向相交的第三方向延伸并且接合至所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個窄帶隙層和所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個寬帶隙層，其中第一區(qū)沿第一方向較靠近第一接合部而較不靠近寬帶隙層的中心位置，并且第二區(qū)沿第一方向較靠近第二接合部而較不靠近寬帶隙層的中心位置。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的第二方面的半導(dǎo)體裝置包括:層疊結(jié)構(gòu)，其中交替地層疊有至少一個窄帶隙層和至少一個寬帶隙層，所述至少一個窄帶隙層由與沿第一方向或與第一方向相反的方向與窄帶隙層相鄰的層的材料相比具有較窄的帶隙的材料形成，并且所述至少一個寬帶隙層由與沿第一方向或與第一方向相反的方向與寬帶隙層相鄰的層的材料相比具有較寬的帶隙的材料形成，所述層疊結(jié)構(gòu)包括至少一個雙接合結(jié)構(gòu)，所述雙接合結(jié)構(gòu)具有第一接合部和第二接合部，在第一接合部處寬帶隙層和窄帶隙層沿第一方向依次層疊并彼此接合，在第二接合部處窄帶隙層和寬帶隙層沿第一方向依次層疊并彼此接合，并且包括有至少一個由具有負(fù)固定電荷的第一區(qū)和具有正固定電荷的第二區(qū)構(gòu)成的對；肖特基電極層，所述肖特基電極層沿與第一方向相交的第二方向延伸并且肖特基接合至所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個窄帶隙層和所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個寬帶隙層；以及電極半導(dǎo)體層，所述電極半導(dǎo)體層沿與第一方向相交的第三方向延伸并且接合至所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個窄帶隙層和所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個寬帶隙層，其中第一區(qū)沿第一方向較靠近第一接合部而較不靠近寬帶隙層的中心位置，并且第二區(qū)沿第一方向較靠近第二接合部而較不靠近寬帶隙層的中心位置。
[0006]在本發(fā)明的上述方面中，由負(fù)固定電荷誘導(dǎo)的空穴的濃度與由正固定電荷誘導(dǎo)的電子的濃度之間的差為如下濃度差:所述濃度差使得當(dāng)在第一電極半導(dǎo)體層和第二電極半導(dǎo)體層之間施加電壓時只有空穴或只有電子缺失。
[0007]在上述方面中，半導(dǎo)體裝置可以為電能存儲半導(dǎo)體裝置。
[0008]在上述方面中，第一區(qū)可以通過將負(fù)固定電荷摻雜到在第一接合部處接合的寬帶隙層中來形成，以及第二區(qū)可以通過將正固定電荷摻雜到在第二接合部處接合的寬帶隙層中來形成。
[0009]在上述方面中，第一區(qū)的負(fù)固定電荷和第二區(qū)的正固定電荷可以包括通過自發(fā)極化和壓電極化中至少之一產(chǎn)生的極化電荷。
[0010]在上述方面中，第一區(qū)的負(fù)固定電荷和第二區(qū)的正固定電荷可以包括被摻雜的固定電荷和通過自發(fā)極化和壓電極化中至少之一產(chǎn)生的極化電荷兩者。
[0011]在上述方面中，半導(dǎo)體裝置還可以包括第三區(qū)，第三區(qū)設(shè)置在設(shè)置于所述至少一個雙接合結(jié)構(gòu)中之一中的第一區(qū)與第二區(qū)之間，或者第三區(qū)設(shè)置在設(shè)置于所述至少一個雙接合結(jié)構(gòu)中的兩個相互相鄰的雙接合結(jié)構(gòu)中之一中的第一區(qū)與設(shè)置在所述至少一個雙接合結(jié)構(gòu)中的所述兩個相互相鄰的雙接合結(jié)構(gòu)中另一個中的第二區(qū)之間，與第一區(qū)和第二區(qū)相比第三區(qū)具有較低濃度的正固定電荷或負(fù)固定電荷。
[0012]在上述方面中，第二區(qū)可以具有:具有負(fù)固定電荷的區(qū)和具有正固定電荷的區(qū)，并且所述具有負(fù)固定電荷的區(qū)較靠近第二區(qū)而較不靠近所述具有正固定電荷的區(qū)。
[0013]在上述方面中，第三區(qū)可以設(shè)置在設(shè)置于所述至少一個雙接合結(jié)構(gòu)中之一中的所述層中的具有最低耐受電壓的層中。
[0014]在上述方面中，第一電極半導(dǎo)體層可以通過將第一導(dǎo)電型雜質(zhì)摻雜到所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個層中來形成。
[0015]在上述方面中，第二電極半導(dǎo)體層可以通過將第二導(dǎo)電型雜質(zhì)摻雜到所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個層中來形成。
[0016]在上述方面中，第一電極半導(dǎo)體層或第二電極半導(dǎo)體層可以由與包括在所述層疊結(jié)構(gòu)中的所述層中的具有最窄帶隙的層相同的材料形成，并且形成為單個半導(dǎo)體層。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的上述方面，可以實(shí)現(xiàn)小尺寸的半導(dǎo)體裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面將參照附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的特征、優(yōu)點(diǎn)以及技術(shù)和產(chǎn)業(yè)意義，在附圖中相似的附圖標(biāo)記指代相似的元件，并且其中:
[0019]圖1為示意性示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的圖；
[0020]圖2為示意性示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的圖；
[0021]圖3為示意性示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的圖；
[0022]圖4為示意性示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的圖；
[0023]圖5為示意性示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的圖；
[0024]圖6為示意性示出根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的圖；
[0025]圖7為示意性示出根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置可以適合用作電能存儲半導(dǎo)體裝置例如電容器等。根據(jù)本發(fā)明的第一半導(dǎo)體裝置包括:層疊有至少三個半導(dǎo)體層的層疊結(jié)構(gòu)；沿與第一方向相交的第二方向延伸并且接合至層疊結(jié)構(gòu)的每一層的第一導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層；以及沿與第一方向相交的第三方向延伸并且接合至層疊結(jié)構(gòu)的每一層的第二導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層。根據(jù)本發(fā)明的第二半導(dǎo)體裝置包括:層疊有至少三個半導(dǎo)體層的層疊結(jié)構(gòu)；沿與第一方向相交的第二方向延伸并且肖特基接合至層疊結(jié)構(gòu)的每一層的肖特基電極層；以及沿與第一方向相交的第三方向延伸并且接合至層疊結(jié)構(gòu)的每一層的電極半導(dǎo)體層。
[0027]在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，層疊結(jié)構(gòu)通過層疊帶隙不同的半導(dǎo)體層來形成。帶隙不同的半導(dǎo)體層的組合的示例包括晶體材料、同位素材料和晶體結(jié)構(gòu)材料中的兩種或更多種材料的組合。更具體地，晶體材料的可能組合為多種元素的組合，例如:包含一種或更多種第III族原子和一種或更多種第V族原子的第II1-V族半導(dǎo)體化合物的組合，例如AlGaN和GaN的組合、AlGaAs和GaAs的組合、InAlGaAsP和InGaP的組合等；包含一種或更多種第II族原子和一種或更多種第VI族原子的第I1-VI族半導(dǎo)體化合物的組合，例如ZnMgO和ZnO的組合等；包含組成比彼此不同的一種或更多種第IV族原子的第IV族半導(dǎo)體化合物的組合，例如SiGeC、SiGeSi和Ge的組合等；第I1-1V-VI族半導(dǎo)體化合物的組合，例如CdS和CZTS的組合等；等。注意關(guān)于以上所列的化合物，省略了表示組成比的下標(biāo)，并且在應(yīng)用中，可以使用具有恰當(dāng)組成比的這樣的化合物。同位素材料的組合的示例包括13C和12C的組合以及28S1、29Si和3°Si的組合。晶體結(jié)構(gòu)材料的組合的示例包括纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN和閃鋅礦結(jié)構(gòu)GaN的組合以及單晶GaN和多晶GaN的組合。對于帶隙不同的半導(dǎo)體層的組合，組合可以為具有大的帶隙差和小的晶格常數(shù)差的組合以及具有大的帶隙差和大的自發(fā)極化系數(shù)及大的壓電極化系數(shù)的組合。每個半導(dǎo)體層均具有高熱導(dǎo)率、高遷移率、高飽和速度和低缺陷密度的特性。此外，組合可以為具有大的帶隙差、小的晶格常數(shù)差以及大的自發(fā)極化和壓電極化的系數(shù)的組合，例如AlGaN和GaN的組合等。
[0028]形成層疊結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層層疊為使得窄帶隙層和寬帶隙層沿第一方向(例如，從半導(dǎo)體裝置的反表面一側(cè)至正表面一側(cè)的方向)彼此交替。每個窄帶隙層均由與沿第一方向或相反方向與窄帶隙層相鄰的層的材料相比具有較窄的帶隙的材料形成。每個寬帶隙層均由與沿第一方向或相反方向與寬帶隙層相鄰的層的材料相比具有較寬的帶隙的材料形成。附帶地，窄帶隙層和寬帶隙層中的每一層均可以為本征半導(dǎo)體層。
[0029]因為層疊結(jié)構(gòu)具有至少三個半導(dǎo)體層，所以層疊結(jié)構(gòu)包括至少一個第一接合部和至少一個第二接合部(在下文中，包括由第一接合部和第二接合部構(gòu)成的連接結(jié)構(gòu)將稱為“雙接合結(jié)構(gòu)”)，在該至少一個第一接合部處寬帶隙層和窄帶隙層沿第一方向依次層疊并彼此接合，在該至少一個第二接合部處窄帶隙層和寬帶隙層沿第一方向依次層疊并彼此接合。在每個雙接合結(jié)構(gòu)中，第一接合部和第二接合部可以沿第一方向依次層疊。將示出并具體描述具有三層的層疊結(jié)構(gòu)的示例。在沿第一方向依次布置有窄帶隙層、寬帶隙層和窄帶隙層的層疊結(jié)構(gòu)中，第二接合部和第一接合部沿第一方向依次布置。相反地，在沿第一方向依次布置有寬帶隙層、窄帶隙層和寬帶隙層的層疊結(jié)構(gòu)中，第一接合部和第二接合部沿第一方向依次布置。
[0030]層疊結(jié)構(gòu)包括一個雙接合結(jié)構(gòu)或沿第一方向?qū)盈B的多個雙接合結(jié)構(gòu)。如果將一個窄帶隙層和一個寬帶隙層添加到層疊結(jié)構(gòu)中，則層疊結(jié)構(gòu)中的雙接合結(jié)構(gòu)的數(shù)量增加一個。例如，在由于依次層疊窄帶隙層和寬帶隙層而總共具有五層的層疊結(jié)構(gòu)中，層疊結(jié)構(gòu)中的雙接合結(jié)構(gòu)的數(shù)量為二。
[0031]在層疊有帶隙不同的半導(dǎo)體層中的三種或更多種半導(dǎo)體層的層疊結(jié)構(gòu)中，接合部的窄帶隙層和寬帶隙層的組合可以對于每個接合部而不同。具體地，例如，可以依次層疊AlhGaxAsAiaAsAVyGayAs (其中x古y)的層，或者可以依次層疊29Si/28Si/3°Si的層。此夕卜，雙接合結(jié)構(gòu)中的第一接合部的窄帶隙層和寬帶隙層與第二接合部的窄帶隙層和寬帶隙層的組合對于每個雙接合結(jié)構(gòu)可以不同。例如，可以依次層疊Al hGa^s/GaAs/Al^yGayAs/GaAs/AI^xGaxAs,或者還可以依次層疊 AlhGajs/GaAs/Al^xGaxAsZGaAsZAl^yGayAs GaAs/Al1^yGayAs0在前述組成式中，O <x<l,0<y<l且x古y。
[0032]層疊結(jié)構(gòu)中的每個雙接合結(jié)構(gòu)均包括至少一個由具有負(fù)固定電荷的第一區(qū)和具有正固定電荷的第二區(qū)構(gòu)成的對。第一區(qū)包含在第一接合部處接合的寬帶隙層中并且位于該層的沿第一方向較靠近第一接合部而較不靠近寬帶隙層的中心位置的一側(cè)中。第二區(qū)包含在第二接合部處接合的寬帶隙層中并且位于該層的沿第一方向較靠近第二接合部而較不靠近寬帶隙層的中心位置的一側(cè)中。
[0033]在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，因為在第一接合部處，寬帶隙層部分包含具有負(fù)固定電荷的第一區(qū)，所以在第一接合部處與寬帶隙層接合的窄帶隙層中形成2DHG區(qū)。此外，因為在第二接合部處，寬帶隙層部分包含具有正固定電荷的第二區(qū)，所以在第二接合部處與寬帶隙層接合的窄帶隙層中形成2DEG區(qū)。因為2DHG區(qū)和2DEG區(qū)積累電荷，所以本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置可以用作電能存儲半導(dǎo)體裝置例如電容器等。
[0034]下面將作為示例示出并描述第一導(dǎo)電型的電極半導(dǎo)體層為P層并且第二導(dǎo)電型的電極半導(dǎo)體層為η層的第一半導(dǎo)體裝置。在沒有電勢差給到半導(dǎo)體裝置的無偏壓期間，2DHG區(qū)電連接到P層，但未電連接到η層。2DEG區(qū)電連接到η層，但未電連接到ρ層。因此，2DHG區(qū)和2DEG區(qū)積累電荷。當(dāng)將反向偏置電壓施加到半導(dǎo)體裝置時(在反向偏壓期間)，耗盡層在P層與2DHG區(qū)之間以及η層與2DEG區(qū)之間延伸，使得耐受電壓得以保持?？梢酝ㄟ^調(diào)整構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu)的各個層的帶隙和厚度來保持期望的耐受電壓。下面將作為示例示出并且更具體地描述每個寬帶隙層的材料為AlGaN并且每個窄帶隙層的材料為GaN的構(gòu)造。當(dāng)寬帶隙層與窄帶隙層之間的界面處的電荷濃度(極化電荷和摻雜電荷的總和)為1.0X 113cnT2時，如果寬帶隙層的厚度D和窄帶隙層的厚度d兩者均大于或等于lOOnm，則可以得到約IV的耐受電壓。在半導(dǎo)體裝置中可以積累濃度與前述的界面處的電荷濃度大約相同的電荷。根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，電荷在2DHG區(qū)和2DEG區(qū)中積累，使得可以實(shí)現(xiàn)小尺寸的半導(dǎo)體裝置。
[0035]在本發(fā)明的第一半導(dǎo)體裝置中，負(fù)固定電荷在第一接合部或第二接合部中誘導(dǎo)的載流子(空穴)的濃度(2DHG區(qū)中的載流子濃度)與正固定電荷在第一接合部或第二接合部中誘導(dǎo)的載流子(電子)的濃度(在2DEG區(qū)中的載流子濃度)的差可以為如下濃度差:該濃度差使得當(dāng)在第一導(dǎo)電型的電極半導(dǎo)體層(第一電極半導(dǎo)體層)和第二導(dǎo)電型的電極半導(dǎo)體層(第二電極半導(dǎo)體層)之間施加電壓時只有空穴或只有電子缺失。在本發(fā)明的第二半導(dǎo)體裝置中，負(fù)固定電荷在第一接合部或第二接合部中誘導(dǎo)的空穴的濃度與正固定電荷在第一接合部或第二接合部中誘導(dǎo)的電子的濃度的差可以為如下濃度差:該濃度差使得當(dāng)在肖特基電極層與電極半導(dǎo)體層之間施加電壓時只有空穴或只有電子缺失。
[0036]如果2DEG區(qū)和2DHG區(qū)之間的載流子濃度差超過預(yù)定濃度差(例如，20% )，則當(dāng)2DHG區(qū)中的載流子濃度和2DEG區(qū)中的載流子濃度通過將反向偏置電壓施加到第一導(dǎo)電類型的電極半導(dǎo)體層以及第二半導(dǎo)體類型的電極半導(dǎo)體層(向其施加具有使得2DHG區(qū)中的載流子濃度和2DEG區(qū)中的載流子濃度降低的極性的電壓)時，具有兩個區(qū)中較低載流子濃度的2DHG區(qū)或2DEG區(qū)首先消失并且2DHG區(qū)和2DEG區(qū)中的另一區(qū)繼續(xù)存在。在這種情況下，電場在繼續(xù)存在的載流子層的端部中聚集，耐受電壓降低。因此，負(fù)固定電荷誘導(dǎo)的載流子層(2DHG區(qū))與正電荷誘導(dǎo)的載流子層(2DEG區(qū))之間的載流子濃度差可以為等于或小于20%的濃度差，其為“使得當(dāng)在第一電極半導(dǎo)體層與第二電極半導(dǎo)體層之間施加電壓時只有空穴或只有電子缺失的濃度差”。附帶地，使得當(dāng)在第一導(dǎo)電類型的第一電極半導(dǎo)體層與第二導(dǎo)電類型的第二電極半導(dǎo)體層之間施加電壓時只有空穴或只有電子消失的濃度差的數(shù)值上的具體范圍不限于等于或小于20%的上述濃度。該數(shù)值上的范圍的上限值根據(jù)用在半導(dǎo)體裝置中的半導(dǎo)體材料的特性(電容率等)、半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)(第一導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層與第二導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層之間的距離等)等而改變，并且有時變?yōu)?%或更小、或者50%或更小。
[0037]2DHG區(qū)和2DEG區(qū)中只有一個區(qū)缺失的情況包括以下兩種情況。一種情況為2DHG區(qū)和2DEG區(qū)共存的情況。在這種情況下，電極區(qū)域大。因此，這種情況對于作為電容器的半導(dǎo)體裝置的尺寸減小是有效的。第二種情況為2DHG區(qū)和2DEG區(qū)一起消失的情況。在這種情況下，只有固定電荷繼續(xù)存在，并且部分電壓通過固定電荷之間的電場被保留。因此，這種情況對于作為高耐受電壓半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體裝置的尺寸減小是有效的。
[0038]在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，正固定電荷或負(fù)固定電荷可以為極化電荷或摻雜電荷。只要半導(dǎo)體裝置包含極化電荷和摻雜電荷中至少之一就足夠了。半導(dǎo)體裝置可以包含極化電荷和摻雜電荷兩者。如果包含極化電荷和摻雜電荷兩者，則正固定電荷或負(fù)固定電荷為極化電荷和摻雜電荷的總和。極化電荷分為通過自發(fā)極化產(chǎn)生的極化電荷和通過壓電極化產(chǎn)生的極化電荷。例如，如果使用AlGaN和GaN的組合，則極化電荷可以用作該說明書中所描述的正固定電荷或負(fù)固定電荷。此外，例如，如果使用AlGaAs和GaAs，Si和Ge，13C和12C，28S1、29Si和3°Si的組合中的任一組合，則由于不能使用極化電荷而必需摻雜說明書中所描述的正固定電荷或負(fù)固定電荷。即使對于允許利用極化電荷的材料，也可以進(jìn)一步摻雜電荷以用作正固定電荷或負(fù)固定電荷。
[0039]在將正固定電荷或負(fù)固定電荷摻雜在層疊結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層中的情況下，摻雜的電荷可以分布為使得電荷沿層疊結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層的平面方向(法向量位于沿第一方向的平面方向)均勻地存在并且存在于等于幾個至幾十個原子的總厚度(即，小于或等于約1nm)的深度。在本文中，“沿平面方向均勻地”分布不限于原子沿平面方向均勻地分布的狀態(tài)(所謂的S摻雜狀態(tài))而且還包括幾個原子形成點(diǎn)形狀或線形狀集合并且原子的這樣的集合沿平面方向以基本相等的間隔均勻地分布的狀態(tài)。
[0040]層疊結(jié)構(gòu)還可以包括與第一區(qū)和第二區(qū)相比具有更低的固定電荷濃度的第三區(qū)。第三區(qū)可以設(shè)置在雙接合結(jié)構(gòu)中的第一區(qū)與第二區(qū)之間。此外，如果層疊結(jié)構(gòu)具有兩個或更多個雙接合結(jié)構(gòu)，則第三區(qū)可以設(shè)置在兩個相鄰雙接合結(jié)構(gòu)中之一中的第一區(qū)與兩個相鄰雙接合結(jié)構(gòu)中另一個中的第二區(qū)之間。
[0041]第三區(qū)的固定電荷可以為負(fù)固定電荷和正固定電荷中的僅一種電荷，也可以為負(fù)固定電荷和正固定電荷兩者。在第三區(qū)具有負(fù)固定電荷和正固定電荷兩者的情況下，第三區(qū)中具有負(fù)固定電荷的區(qū)與第三區(qū)中具有正固定電荷的區(qū)距第二區(qū)相比可以較靠近第二區(qū)。就是說，具有正固定電荷的區(qū)與具有負(fù)固定電荷的區(qū)距第一區(qū)相比可以較靠近第一區(qū)。
[0042]第三區(qū)可以設(shè)置在窄帶隙層中，或者也可以設(shè)置在寬帶隙層中。為了增加半導(dǎo)體裝置的耐受電壓，第三區(qū)可以設(shè)置在雙接合結(jié)構(gòu)中的層中的具有最低耐受電壓(峰值反向電壓)的層中。
[0043]本發(fā)明的第一半導(dǎo)體裝置中的第一導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層和第二導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層可以為多層結(jié)構(gòu)或單層結(jié)構(gòu)。如果第一導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層和第二導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層兩者均具有單層結(jié)構(gòu)，則電極半導(dǎo)體層可以通過使用與構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu)的窄帶隙層的材料相同的材料而非通過使用與構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu)的寬帶隙層的材料相同的材料來形成。在這種情況下，各個電極半導(dǎo)體層可以通過使用與其帶隙在層疊結(jié)構(gòu)中最窄的層的材料相同的材料來形成為單個半導(dǎo)體層。第一導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層和第二導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層可以為除構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層之外的半導(dǎo)體層，并且可以彼此接合。在第一導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層和第二導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層中的每個電極半導(dǎo)體層均為多層層疊結(jié)構(gòu)時，第一導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層和第二導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層可以通過將第一導(dǎo)電型雜質(zhì)和第二導(dǎo)電型雜質(zhì)分別注入層疊結(jié)構(gòu)來形成。
[0044]半導(dǎo)體裝置的第一導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層和第二導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層可以在第一導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層和第二導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層的表面等處接合至金屬電極等使得電壓經(jīng)由金屬電極施加到電極半導(dǎo)體層。
[0045]在本發(fā)明的第二半導(dǎo)體裝置中，根據(jù)與電極半導(dǎo)體層配對的肖特基電極層的材料，電極半導(dǎo)體層可以為第一導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層或者也可以為第二導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層。第二半導(dǎo)體裝置的電極半導(dǎo)體層可以設(shè)置為與第一半導(dǎo)體裝置的第一導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層的構(gòu)造或第一半導(dǎo)體裝置的第二導(dǎo)電型電極半導(dǎo)體層的構(gòu)造基本相同的構(gòu)造。
[0046]肖特基電極層可以為多層層疊結(jié)構(gòu)或單層結(jié)構(gòu)。在AlGaN和GaN的組合或AlGaAs和GaAs的組合用作層疊結(jié)構(gòu)的材料的情況下，Al、Pt、Au、Ni或Pd的金屬層或通過將這些金屬中的任意兩種或更多種金屬的層進(jìn)行層壓而形成的金屬層層疊結(jié)構(gòu)可以適合用作肖特基電極層。因為AlGaN和GaN的組合以及AlGaAs和GaAs的組合具有寬帶隙，故而以上述組合中的任一組合使用的這些金屬材料形成相對于空穴和相對于電子兩者的肖特基接合。
[0047]根據(jù)本發(fā)明，可以不僅通過層疊結(jié)構(gòu)中的正固定電荷或負(fù)固定電荷有利地實(shí)現(xiàn)增加的耐受電壓而且由于在構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu)的本征半導(dǎo)體層中存在載流子層(2DHG區(qū)和2DEG區(qū))而實(shí)現(xiàn)減小的損失。因此，可以在半導(dǎo)體裝置中實(shí)現(xiàn)增加的耐受電壓和減小的損失兩者并且減小半導(dǎo)體裝置的尺寸。
[0048]第一實(shí)施方案
[0049]如圖1所示，半導(dǎo)體裝置10包括層疊結(jié)構(gòu)100、ρ型電極半導(dǎo)體層110、η型電極半導(dǎo)體層120、接合到ρ型電極半導(dǎo)體層110的表面的第一電極191以及接合到η型電極半導(dǎo)體層120的表面的第二電極192。層疊結(jié)構(gòu)100包括:材料為GaN的均為本征半導(dǎo)體層的窄帶隙層101、103和105 ;以及材料為AlGaN的均為本征半導(dǎo)體層的寬帶隙層102和104。窄帶隙層101、103和105以及寬帶隙層102和104沿第一方向(沿著圖1中的箭頭Y的正方向)以窄帶隙層105、寬帶隙層104、窄帶隙層103、寬帶隙層102、窄帶隙層101的次序?qū)盈B。寬帶隙層102和104中的每一個由與沿第一方向與寬帶隙層102或104分別相鄰的窄帶隙層101或103的材料相比具有較寬的帶隙的材料形成。窄帶隙層103和105中的每一個均由與沿第一方向與窄帶隙層103或105分別相鄰的寬帶隙層102或104的材料相比具有較窄的帶隙的材料形成。窄帶隙層101由帶隙比沿與第一方向相反的方向與窄帶隙層101相鄰的寬帶隙層102的材料的帶隙更窄的材料形成。
[0050]窄帶隙層101和寬帶隙層102在第一接合部151處彼此接合。寬帶隙層102和窄帶隙層103在第二接合部152處彼此接合。窄帶隙層103和寬帶隙層104在第一接合部153處彼此接合。寬帶隙層104和窄帶隙層105在第二接合部154處彼此接合。層疊結(jié)構(gòu)100具有包括第一接合部151和第二接合部152的雙接合結(jié)構(gòu)以及包括第一接合部153和第二接合部154的雙接合結(jié)構(gòu)。就是說，層疊結(jié)構(gòu)100具有沿第一方向依次布置有第二接合部和第一接合部的雙接合結(jié)構(gòu)。
[0051]電極半導(dǎo)體層110沿第二方向(沿著圖1中所示的箭頭X的負(fù)方向)從層疊結(jié)構(gòu)100延伸。就是說，電極半導(dǎo)體層110沿第二方向相鄰于層疊結(jié)構(gòu)100。電極半導(dǎo)體層120沿第三方向(沿著圖1中所示的箭頭X的正方向)從層疊結(jié)構(gòu)100延伸。就是說，電極半導(dǎo)體層120沿第三方向相鄰于層疊結(jié)構(gòu)100。第二方向和第三方向與第一方向正交。電極半導(dǎo)體層I1和電極半導(dǎo)體層120在層疊結(jié)構(gòu)100的相對側(cè)上，并且沿X方向彼此面對。
[0052]ρ型電極半導(dǎo)體層110包括:材料為GaN的均為ρ型半導(dǎo)體層的ρ層111、113和115 ;以及材料為AlGaN的均為ρ型半導(dǎo)體層的ρ層112和114。η型電極半導(dǎo)體層120包括:材料為GaN的均為η型半導(dǎo)體層的η層121、123和125 ;以及材料為AlGaN的均為η型半導(dǎo)體層的η層122和124。ρ層111、窄帶隙層101和η層121通過一系列GaN材料層形成。P層112、覽市隙層102和η層122通過一系列AlGaN材料層形成。ρ層113、窄市隙層
103和η層123通過一系列GaN材料層形成。ρ層114、寬帶隙層104和η層124通過一系列AlGaN材料層形成。ρ層115、窄帶隙層105和η層125通過一系列GaN材料層形成。ρ層111至115和η層121至125可以通過以下步驟形成:層疊作為本征半導(dǎo)體層的寬帶隙層102和104或也作為本征半導(dǎo)體層的窄帶隙層101、103和105，并且然后將ρ型雜質(zhì)和η型雜質(zhì)中的每一種注入到層疊的層的兩個相反端部中的相應(yīng)部分中。
[0053]寬帶隙層102包括具有負(fù)固定電荷的第一區(qū)131和具有正固定電荷的第二區(qū)132。在將GaN材料與AlGaN材料進(jìn)行組合的情況下，第一區(qū)131和第二區(qū)132由于極化而形成。包含在寬帶隙層102中的第一區(qū)131在沿第一方向較靠近第一接合部151而較不靠近寬帶隙層102的中心位置的一側(cè)中。包含在寬帶隙層102中的第二區(qū)132在沿第一方向較靠近第二接合部152而較不靠近寬帶隙層102的中心位置的一側(cè)中。更具體地，包含在寬帶隙層102中的第一區(qū)131靠近第一接合部151，并且包含在寬帶隙層102中的第二區(qū)132靠近第二接合部152。類似地，寬帶隙層104包括具有負(fù)固定電荷的第一區(qū)133和具有正固定電荷的第二區(qū)134。在將GaN材料與AlGaN材料進(jìn)行組合的情況下，第一區(qū)133和第二區(qū)134由于極化而形成。包含在寬帶隙層104中的第一區(qū)133在沿第一方向較靠近第一接合部153而較不靠近寬帶隙層104的中心位置的一側(cè)中。包含在寬帶隙層104中的第二區(qū)134在沿第一方向較靠近第二接合部154而較不靠近寬帶隙層104的中心位置的一側(cè)中。更具體地，包含在寬帶隙層104中的第一區(qū)133靠近第一接合部153，并且包含在寬帶隙層
104中的第二區(qū)134靠近第二接合部154。
[0054]當(dāng)在半導(dǎo)體裝置10的電極半導(dǎo)體層110和電極半導(dǎo)體層120之間未施加電壓時(沒有偏壓時)，在第一接合部151和153處接合的窄帶隙層101和103中分別形成2DHG區(qū)141和143。此外，在第二接合部152和154處接合的窄帶隙層103和105中分別形成2DEG區(qū)142和144。2DHG區(qū)141和143分別電連接到ρ層111和113，但未電連接到η層121和123。2DEG區(qū)142和144分別電連接到η層123和125，但未電連接到ρ層113和115。因此，2DHG區(qū)141和143以及2DEG區(qū)142和144積累電荷。當(dāng)在電極半導(dǎo)體層110與電極半導(dǎo)體層120之間給定電勢差時，如圖1所示第一電極191處于較低電勢一側(cè)并且第二電極192處于較高電勢一側(cè)(在反向偏壓時)，耗盡層在電極半導(dǎo)體層110與2DHG區(qū)141和143之間以及電極半導(dǎo)體層120與2DEG區(qū)142和144之間延伸，使得保持耐受電壓。附帶地，2DHG區(qū)141和143與2DEG區(qū)142和144之間的載流子濃度差為如下濃度差:該濃度差使得當(dāng)在肖特基電極層與電極半導(dǎo)體層之間施加電壓時只有空穴或只有電子缺失。可以通過調(diào)整構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu)100的各個層的厚度或帶隙來保持期望的耐受電壓。根據(jù)半導(dǎo)體裝置10，因為電荷通過2DHG區(qū)141和143以及2DEG區(qū)142和144積累，所以可以實(shí)現(xiàn)小尺寸的半導(dǎo)體裝置。
[0055]第二實(shí)施方案
[0056]在根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置中，正固定電荷或負(fù)固定電荷為摻雜電荷。如圖2所示，當(dāng)使用AlhGaxAs(C) < χ < I)和GaAs的組合時,不能利用極化電荷并且因而正固定電荷或負(fù)固定電荷被摻雜以在每個寬帶隙層中形成第一區(qū)和第二區(qū)。
[0057]在圖2中所示的半導(dǎo)體裝置20中，GaAs的層設(shè)置為替代半導(dǎo)體裝置10中通過使用GaN材料形成的層，并且AlhGaxAs的層設(shè)置為替代半導(dǎo)體裝置10中通過使用AlGaN形成的層。層疊結(jié)構(gòu)200包括窄帶隙層201、203和205以及寬帶隙層202和204。ρ型電極半導(dǎo)體層210包括ρ層211至215。η型電極220包括η層221至225。
[0058]寬帶隙層202具有:具有負(fù)固定電荷的第一區(qū)231和具有正固定電荷的第二區(qū)232。第一區(qū)231和第二區(qū)232通過分別將負(fù)固定電荷和正固定電荷δ摻雜到寬帶隙層202中來形成。寬帶隙層204具有:具有負(fù)固定電荷的第一區(qū)233和具有正固定電荷的第二區(qū)234。第一區(qū)233和第二區(qū)234通過分別將負(fù)固定電荷和正固定電荷δ摻雜到寬帶隙層204中來形成。半導(dǎo)體裝置20的其他具體構(gòu)造與第一實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置10的構(gòu)造基本相同。只要通過閱讀半導(dǎo)體裝置10的描述的同時假設(shè)將每個附圖標(biāo)記的百位中的I用2代替就可以理解半導(dǎo)體裝置20的其他具體構(gòu)造。
[0059]如通過第二實(shí)施方案所示，即使在具有均具有不能利用極化電荷的寬帶隙層(202,204)和窄帶隙層(201、203、205)的組合的僅一個或更多個雙接合結(jié)構(gòu)的層疊結(jié)構(gòu)中，通過摻雜固定電荷可以在每個寬帶隙層(202、204)中形成第一區(qū)(231、233)和第二區(qū)(232、234)。此外，在半導(dǎo)體裝置20中，形成2DHG區(qū)241和243以及2DEG區(qū)242和244，使得可以在2DHG區(qū)241和243以及2DEG區(qū)242和244中積累電荷。在無偏壓時和在反向偏壓時實(shí)現(xiàn)的操作和效果與在半導(dǎo)體裝置10中無偏壓時和在反向偏壓時實(shí)現(xiàn)的操作和效果基本相同。
[0060]第三實(shí)施方案
[0061]在圖3中所示的半導(dǎo)體裝置11中，窄帶隙層103具有:具有負(fù)固定電荷的第三區(qū)135。第三區(qū)135通過將負(fù)固定電荷摻雜到窄帶隙層103中而形成。第三區(qū)135中負(fù)固定電荷的濃度低于第一區(qū)131和133中的負(fù)固定電荷的濃度以及第二區(qū)132和134中的正固定電荷的濃度。第三區(qū)135設(shè)置在具有第一接合部151和第二接合部152的雙接合結(jié)構(gòu)的第二區(qū)132與具有第一接合部153和第二接合部154的雙接合結(jié)構(gòu)的第一區(qū)133之間。半導(dǎo)體裝置11的其他具體構(gòu)造與第一實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置10的構(gòu)造基本相同。
[0062]附帶地，在固定電荷通過摻雜形成的情況下，形成固定電荷的位置的自由度高，使得第一區(qū)和第二區(qū)可以不僅在第一接合部或第二接合部的寬帶隙層一側(cè)附近形成而且可以在第一接合部或第二接合部的窄帶隙層一側(cè)附近形成。還可以通過在寬帶隙層一側(cè)處形成的異質(zhì)結(jié)附近的固定電荷形成2DHG區(qū)和2DEG區(qū)。
[0063]因為半導(dǎo)體裝置11設(shè)置有具有負(fù)固定電荷的第三區(qū)135，所以窄帶隙層103的帶在反向偏壓時升高。因此，2DHG區(qū)143與2DEG區(qū)142之間的電子的溝道電流減小，并且2DHG區(qū)143與2DEG區(qū)142之間的耐受電壓提高。在無偏壓時和在反向偏壓時實(shí)現(xiàn)的其他操作和效果與在半導(dǎo)體裝置10中無偏壓時和在反向偏壓時實(shí)現(xiàn)的操作和效果基本相同。
[0064]第四實(shí)施方案
[0065]可以在層疊結(jié)構(gòu)中形成具有負(fù)固定電荷的第三區(qū)和具有正固定電荷的第三區(qū)兩者。在圖4中所示的半導(dǎo)體裝置12中，窄帶隙層103具有:具有負(fù)固定電荷的第三區(qū)137和具有正固定電荷的第三區(qū)138。第三區(qū)137和138通過分別將負(fù)固定電荷和正固定電荷摻雜到寬帶隙層103中來形成。第三區(qū)137中的負(fù)固定電荷的濃度和第三區(qū)138中正固定電荷的濃度低于第一區(qū)131和133中的負(fù)固定電荷的濃度和第二區(qū)132和134中的正固定電荷的濃度。第三區(qū)137和138設(shè)置在具有第一接合部151和第二接合部152的雙接合結(jié)構(gòu)的第二區(qū)132與具有第一接合部153和第二接合部154的雙接合結(jié)構(gòu)的第一區(qū)133之間。半導(dǎo)體裝置12的其他具體構(gòu)造與第一實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置10的構(gòu)造基本相同。
[0066]因為半導(dǎo)體裝置12設(shè)置有第三區(qū)137和138，所以與半導(dǎo)體裝置11的情況一樣，窄帶隙層103的帶在反向偏壓時升高。因此，在2DHG區(qū)143與2DEG區(qū)142之間，電子的溝道電流和正空穴的溝道電流減小。因此，與第三實(shí)施方案相比2DHG區(qū)143與2DEG區(qū)142之間的耐受電壓進(jìn)一步提高。在無偏壓時和在反向偏壓時實(shí)現(xiàn)的其他操作和效果與在半導(dǎo)體裝置10中無偏壓時和在反向偏壓時實(shí)現(xiàn)的操作和效果基本相同。
[0067]第五實(shí)施方案
[0068]如圖5所示，半導(dǎo)體裝置30包括層疊結(jié)構(gòu)300、p型電極半導(dǎo)體層310、n型電極半導(dǎo)體層320、接合到ρ型電極半導(dǎo)體層310的表面的第一電極391以及接合到η型電極半導(dǎo)體層320的表面的第二電極392。層疊結(jié)構(gòu)300包括:材料為AlhGaxAs(C) < χ < I)的均為本征半導(dǎo)體層的寬帶隙層301、303和305 ;以及材料為GaAs的均為本征半導(dǎo)體層的窄帶隙層302和304。寬帶隙層301、303和305以及窄帶隙層302和304沿第一方向(沿著圖5中的箭頭Y的正方向)以寬帶隙層305、窄帶隙層304、寬帶隙層303、窄帶隙層302、寬帶隙層301的次序?qū)盈B。窄帶隙層302和304由與沿第一方向與窄帶隙層302和304相鄰的寬帶隙層301和303的材料相比具有較窄的帶隙的材料形成。寬帶隙層303和305由與沿第一方向與寬帶隙層303和305相鄰的窄帶隙層302和304的材料相比具有較寬的帶隙的材料形成。寬帶隙層301由與沿與第一方向相反的方向與寬帶隙層301相鄰的窄帶隙層302的材料相比具有更寬的的帶隙材料形成。
[0069]寬帶隙層301和窄帶隙層302在第二接合部352處彼此接合。窄帶隙層302和寬帶隙層303通過第一接合部351接合。寬帶隙層303和窄帶隙層304在第二接合部354處接合。窄帶隙層304和寬帶隙層305在第一接合部353處接合。層疊結(jié)構(gòu)300具有包括第一接合部351和第二接合部352的雙接合結(jié)構(gòu)以及包括第一接合部353和第二接合部354的雙接合結(jié)構(gòu)。層疊結(jié)構(gòu)300具有沿第一方向依次布置有第一接合部和第二接合部的雙接合結(jié)構(gòu)。
[0070]電極半導(dǎo)體層310沿第二方向(沿著圖5中所示的箭頭X的負(fù)方向)從層疊結(jié)構(gòu)300延伸。電極半導(dǎo)體層320沿第三方向(沿著圖5中所示的箭頭X的正方向)從層疊結(jié)構(gòu)300延伸。第二方向和第三方向與第一方正交。電極半導(dǎo)體層310和電極半導(dǎo)體層320位于層疊結(jié)構(gòu)300的沿X方向的兩個相對端上并且彼此面對。
[0071]ρ型電極半導(dǎo)體層310包括:材料為AVxGaxAs的均為ρ型半導(dǎo)體層的P層311、313和315 ；以及材料為GaAs的均為ρ型半導(dǎo)體層的P層312和314。η型電極半導(dǎo)體層320包括:材料為Al^GaxAs的均為η型半導(dǎo)體層的η層321、323和325 ；以及材料為GaAs的均為η型半導(dǎo)體層的η層322和324。ρ層311、寬帶隙層301和η層321通過一系列AlhGaxAs材料層形成。ρ層312、窄帶隙層302和η層322通過一系列GaAs材料層形成。P層313、覽市隙層303和η層323通過一系列AlpxGaxAs材料層形成。ρ層314、窄市隙層304和η層324通過一系列GaAs材料層形成。ρ層315、寬帶隙層305和η層325通過一系列AlhGaxAs材料層形成。ρ層311至315和η層321至325可以通過以下步驟形成:層疊作為本征半導(dǎo)體層的窄帶隙層302和304或也作為本征半導(dǎo)體層的寬帶隙層301、303和305，并且然后將ρ型雜質(zhì)或η型雜質(zhì)中的每一種注入到每個層疊的層的兩個相反端部中的相應(yīng)部分中。
[0072]寬帶隙層301包括具有負(fù)固定電荷的第二區(qū)332。寬帶隙層303包括具有負(fù)固定電荷的第一區(qū)331和具有正固定電荷的第二區(qū)334。寬帶隙層305包括具有負(fù)固定電荷的第一區(qū)333。第一區(qū)331和333以及第二區(qū)332和334通過將負(fù)固定電荷或正固定電荷合適地S摻雜到寬帶隙層301、303和305中而形成。包含在寬帶隙層303中的第一區(qū)331在沿第一方向較靠近第一接合部351而較不靠近寬帶隙層303的中心位置的一側(cè)中。包含在寬帶隙層301中的第二區(qū)332在沿第一方向較靠近第二接合部352而較不靠近寬帶隙層301的中心位置的一側(cè)中。更具體地，寬帶隙層303中的第一區(qū)331包含在靠近第一接合部351的位置中，并且寬帶隙層301中的第二區(qū)332包含在靠近第二接合部352的位置中。包含在寬帶隙層305中的第一區(qū)333在沿第一方向較靠近第一接合部353而較不靠近寬帶隙層305的中心位置的一側(cè)中。包含在寬帶隙層303中的第二區(qū)334在沿第一方向較靠近第二接合部354而較不靠近寬帶隙層303的中心位置的一側(cè)中。更具體地，寬帶隙層305中的第一區(qū)333包含在靠近第一接合部353的位置中，并且寬帶隙層303中的第二區(qū)334包含在靠近第二接合部354的位置中。
[0073]窄帶隙層302具有:具有負(fù)固定電荷的第三區(qū)335和具有正固定電荷的第三區(qū)336。窄帶隙層304具有:具有負(fù)固定電荷的第三區(qū)337和具有正固定電荷的第三區(qū)338。第三區(qū)335、336、337和338通過將負(fù)固定電荷和正固定電荷摻雜到窄帶隙層302和304中的每一個中來形成。第三區(qū)335和337中的負(fù)固定電荷的濃度以及第三區(qū)336和338中的正固定電荷的濃度低于第一區(qū)331和333中的負(fù)固定電荷的濃度以及第二區(qū)332和334中的正固定電荷的濃度。第三區(qū)335和336設(shè)置在包括在具有第一接合部351和第二接合部352的雙接合結(jié)構(gòu)中的第一區(qū)331與第二區(qū)332之間。第三區(qū)337和338設(shè)置在包括在具有第一接合部353和第二接合部354的雙接合結(jié)構(gòu)中的第一區(qū)333與第二區(qū)334之間。
[0074]在半導(dǎo)體裝置30的無偏壓的情況下，在第一接合部處351和第二接合部353處接合的窄帶隙層302中形成2DHG區(qū)341和2DEG區(qū)342。此外，在第一接合部353和第二接合部354處接合的窄帶隙層304中形成2DHG區(qū)343和2DEG區(qū)344。2DHG區(qū)341和343分別電連接到P層311和313，但未電連接到η層321和323。此外，2DEG區(qū)342和344分別電連接到η層323和325，但未電連接到ρ層313和315。因此，2DHG區(qū)341和343以及2DEG區(qū)342和344積累電荷。如圖5所示，在反向偏壓時，耗盡層在電極半導(dǎo)體層310與2DHG區(qū)341和343之間以及電極半導(dǎo)體層320與2DEG區(qū)342和344之間延伸，使得保持耐受電壓?？梢酝ㄟ^調(diào)整構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu)300的各個層的厚度或帶隙來保持期望的耐受電壓。根據(jù)半導(dǎo)體裝置30，因為2DHG區(qū)341和343以及2DEG區(qū)342和344積累電荷，所以可以實(shí)現(xiàn)小尺寸的半導(dǎo)體裝置。
[0075]此外，因為半導(dǎo)體裝置30設(shè)置有第三區(qū)335至338，所以與在半導(dǎo)體裝置11和12中一樣，窄帶隙層302和304的帶在反向偏壓時升高。因此，電子的溝道電流和正空穴的溝道電流在2DHG區(qū)341與2DEG區(qū)342之間以及2DHG區(qū)343與2DEG區(qū)344之間減小。因此，2DHG區(qū)343與2DEG區(qū)342之間以及2DHG區(qū)343與2DEG區(qū)344之間的耐受電壓提高。
[0076]第六實(shí)施方案
[0077]在圖6中所示的半導(dǎo)體裝置31中，寬帶隙層303具有:具有負(fù)固定電荷的第三區(qū)339和具有正固定電荷的第三區(qū)340。第三區(qū)339和340通過將負(fù)固定電荷和正固定電荷摻雜到寬帶隙層303中而形成。第三區(qū)339中負(fù)固定電荷的濃度和第三區(qū)340中正固定電荷的濃度低于第一區(qū)331和333中的負(fù)固定電荷的濃度以及第二區(qū)332和334中的正固定電荷的濃度。第三區(qū)339和340設(shè)置在具有第一接合部351和第二接合部352的雙接合結(jié)構(gòu)的第一區(qū)351與具有第一接合部353和第二接合部354的雙接合結(jié)構(gòu)第二區(qū)334之間。半導(dǎo)體裝置31的其他具體構(gòu)造與第一實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置30的構(gòu)造基本相同。
[0078]因為半導(dǎo)體裝置31設(shè)置有第三區(qū)339和340，所以如在半導(dǎo)體裝置11、12和30中一樣，寬帶隙層303的帶在反向偏壓時升高。因此，電子的溝道電流和正空穴的溝道電流在2DHG區(qū)341與2DEG區(qū)344之間減小，并且2DHG區(qū)341與2DEG區(qū)344之間的耐受電壓增力口。在無偏壓時和在反向偏壓時得到的其他操作和效果與通過半導(dǎo)體裝置30中得到的操作和效果基本相同。
[0079]如以上結(jié)合第五實(shí)施方案和第六實(shí)施方案所示，第三區(qū)可以設(shè)置在寬帶隙層中，或者也可以設(shè)置在窄帶隙層中。此外，第三區(qū)還可以設(shè)置在寬帶隙層和窄帶隙層兩者中。為了提高半導(dǎo)體裝置的耐受電壓，第三區(qū)可以設(shè)置在包括在雙接合結(jié)構(gòu)中的層中的具有最低耐受電壓的層中。
[0080]第七實(shí)施方案
[0081]圖7中所示的半導(dǎo)體裝置40包括層疊結(jié)構(gòu)400、ρ型電極半導(dǎo)體層410、η型電極半導(dǎo)體層420、接合到ρ型電極半導(dǎo)體層410的表面的第一電極491以及接合到η型電極半導(dǎo)體層420的表面的第二電極492。電極半導(dǎo)體層410通過材料為GaAs的ρ型的單個半導(dǎo)體層形成。電極半導(dǎo)體層420通過材料為GaAs的η型的單個半導(dǎo)體層形成。半導(dǎo)體裝置40的其他具體構(gòu)造與半導(dǎo)體裝置20的構(gòu)造基本相同。只要通過閱讀半導(dǎo)體裝置20的描述的同時假設(shè)將每個附圖標(biāo)記的百位中的2用4代替就可以理解半導(dǎo)體裝置40的其他具體構(gòu)造。
[0082]在半導(dǎo)體裝置40中，因為電極半導(dǎo)體層410和420中的每一個均由單個半導(dǎo)體層形成，所以能夠減小對沿平行于Y方向的方向在電極半導(dǎo)體層410和420中流動的電流的電阻。
[0083]修改方案
[0084]可以用肖特基電極層替換根據(jù)第一實(shí)施方案至第七實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置中的ρ型電極半導(dǎo)體層和η型電極半導(dǎo)體層。能夠合適地使用的肖特基電極層的示例包括Al、Pt、Au, Ni和Pd的金屬層或通過將上述金屬層中的任意層層疊而得到的多層金屬層。
[0085]雖然以上已經(jīng)描述了本發(fā)明的實(shí)施方案，但是上述實(shí)施方案僅為說明性的，而不限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明包括以上所示的各種修改和變化方案。例如，盡管在上述實(shí)施方案中每個電極半導(dǎo)體層的延伸方向(電極半導(dǎo)體層與層疊結(jié)構(gòu)相鄰的方向)與層疊結(jié)構(gòu)的層壓方向(第一方向)正交，但這不是限制性的。就是說，每個電極半導(dǎo)體層的延伸方向(電極半導(dǎo)體層與層疊結(jié)構(gòu)相鄰的方向)可以為任意方向，只要延伸方向與層疊結(jié)構(gòu)的層壓方向相交即可。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體裝置，包括: 層疊結(jié)構(gòu)，其中交替地層疊有至少一個窄帶隙層和至少一個寬帶隙層，所述至少一個窄帶隙層由與沿第一方向或與所述第一方向相反的方向與所述窄帶隙層相鄰的層的材料相比具有較窄的帶隙的材料形成，所述至少一個寬帶隙層由與沿所述第一方向或與所述第一方向相反的方向與所述寬帶隙層相鄰的層的材料相比具有較寬的帶隙的材料形成，所述層疊結(jié)構(gòu)包括至少一個雙接合結(jié)構(gòu)，所述雙接合結(jié)構(gòu)具有第一接合部和第二接合部，在所述第一接合部處所述寬帶隙層和所述窄帶隙層沿所述第一方向依次層疊并彼此接合，在所述第二接合部處所述窄帶隙層和所述寬帶隙層沿所述第一方向依次層疊并彼此接合，并且所述至少一個雙接合結(jié)構(gòu)中的每一個均包括至少一個由具有負(fù)固定電荷的第一區(qū)和具有正固定電荷的第二區(qū)構(gòu)成的對； 第一導(dǎo)電型的第一電極半導(dǎo)體層，所述第一電極半導(dǎo)體層沿與所述第一方向相交的第二方向延伸并且接合至所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個窄帶隙層和所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個寬帶隙層；以及 第二導(dǎo)電型的第二電極半導(dǎo)體層，所述第二電極半導(dǎo)體層沿與所述第一方向相交的第三方向延伸并且接合至所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個窄帶隙層和所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個寬帶隙層，其中 所述第一區(qū)沿所述第一方向較靠近所述第一接合部而較不靠近所述寬帶隙層的中心位置，并且 所述第二區(qū)沿所述第一方向較靠近所述第二接合部而較不靠近所述寬帶隙層的中心位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中 由所述負(fù)固定電荷誘導(dǎo)的空穴的濃度與由所述正固定電荷誘導(dǎo)的電子的濃度之間的差為如下濃度差:所述濃度差使得當(dāng)在所述第一電極半導(dǎo)體層和所述第二電極半導(dǎo)體層之間施加電壓時只有空穴或只有電子缺失。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述半導(dǎo)體裝置為電能存儲半導(dǎo)體裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中: 所述第一區(qū)通過將所述負(fù)固定電荷摻雜到在所述第一接合部處接合的所述寬帶隙層中來形成；以及 所述第二區(qū)通過將所述正固定電荷摻雜到在所述第二接合部處接合的所述寬帶隙層中來形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中: 所述第一區(qū)的所述負(fù)固定電荷和所述第二區(qū)的所述正固定電荷包括通過自發(fā)極化和壓電極化中至少之一產(chǎn)生的極化電荷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中: 所述第一區(qū)的所述負(fù)固定電荷和所述第二區(qū)的所述正固定電荷包括被摻雜的固定電荷和通過自發(fā)極化和壓電極化中至少之一產(chǎn)生的極化電荷兩者。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，還包括: 第三區(qū)，所述第三區(qū)設(shè)置在設(shè)置于所述至少一個雙接合結(jié)構(gòu)中之一中的所述第一區(qū)與所述第二區(qū)之間，或者所述第三區(qū)設(shè)置在設(shè)置于所述至少一個雙接合結(jié)構(gòu)中的兩個相互相鄰的雙接合結(jié)構(gòu)中之一中的所述第一區(qū)與設(shè)置在所述至少一個雙接合結(jié)構(gòu)中的所述兩個相互相鄰的雙接合結(jié)構(gòu)中另一個中的所述第二區(qū)之間，與所述第一區(qū)和所述第二區(qū)相比所述第三區(qū)具有較低濃度的所述正固定電荷或所述負(fù)固定電荷。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述第三區(qū)具有:具有負(fù)固定電荷的區(qū)和具有正固定電荷的區(qū)，并且 所述具有負(fù)固定電荷的區(qū)較靠近所述第二區(qū)而較不靠近所述具有正固定電荷的區(qū)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述第三區(qū)設(shè)置在設(shè)置于所述至少一個雙接合結(jié)構(gòu)中之一中的所述層中的具有最低耐受電壓的層中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述第一電極半導(dǎo)體層通過將第一導(dǎo)電型雜質(zhì)摻雜到所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個層中來形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述第二電極半導(dǎo)體層通過將第二導(dǎo)電型雜質(zhì)摻雜到所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個層中來形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述第一電極半導(dǎo)體層或所述第二電極半導(dǎo)體層由與包括在所述層疊結(jié)構(gòu)中的所述層中的具有最窄帶隙的層相同的材料形成，并且形成為單個半導(dǎo)體層。
13.一種半導(dǎo)體裝置，包括: 層疊結(jié)構(gòu)，其中交替地層疊有至少一個窄帶隙層和至少一個寬帶隙層，所述至少一個窄帶隙層由與沿第一方向或與所述第一方向相反的方向與所述窄帶隙層相鄰的層的材料相比具有較窄的帶隙的材料形成，并且所述至少一個寬帶隙層由與沿所述第一方向或與所述第一方向相反的方向與所述寬帶隙層相鄰的層的材料相比具有較寬的帶隙的材料形成，所述層疊結(jié)構(gòu)包括至少一個雙接合結(jié)構(gòu)，所述雙接合結(jié)構(gòu)具有第一接合部和第二接合部，在所述第一接合部處所述寬帶隙層和所述窄帶隙層沿所述第一方向依次層疊并彼此接合，在所述第二接合部處所述窄帶隙層和所述寬帶隙層沿所述第一方向依次層疊并彼此接合，并且包括有至少一個由具有負(fù)固定電荷的第一區(qū)和具有正固定電荷的第二區(qū)構(gòu)成的對； 肖特基電極層，所述肖特基電極層沿與所述第一方向相交的第二方向延伸并且肖特基接合至所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個窄帶隙層和所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個寬帶隙層；以及 電極半導(dǎo)體層，所述電極半導(dǎo)體層沿與所述第一方向相交的第三方向延伸并且接合至所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個窄帶隙層和所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個寬帶隙層，其中 所述第一區(qū)沿所述第一方向較靠近所述第一接合部而較不靠近所述寬帶隙層的中心位置，并且 所述第二區(qū)沿所述第一方向較靠近所述第二接合部而較不靠近所述寬帶隙層的中心位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體裝置，其中 由所述負(fù)固定電荷誘導(dǎo)的空穴的濃度與由所述正固定電荷誘導(dǎo)的電子的濃度之間的差為如下濃度差:所述濃度差使得當(dāng)在所述肖特基電極層和所述電極半導(dǎo)體層之間施加電壓時只有空穴或只有電子缺失。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述第一區(qū)通過將所述負(fù)固定電荷摻雜到在所述第一接合部處接合的所述寬帶隙層中來形成；并且 所述第二區(qū)通過將所述正固定電荷摻雜到在所述第二接合部處接合的所述寬帶隙層中來形成。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述第一區(qū)的所述負(fù)固定電荷和所述第二區(qū)的所述正固定電荷包括通過自發(fā)極化和壓電極化中至少之一產(chǎn)生的極化電荷。
17.根據(jù)權(quán)利要求13至16中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述第一區(qū)的所述負(fù)固定電荷和所述第二區(qū)的所述正固定電荷包括被摻雜的固定電荷和通過自發(fā)極化和壓電極化中至少之一產(chǎn)生的極化電荷兩者。
18.根據(jù)權(quán)利要求13至17中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，還包括: 第三區(qū)，所述第三區(qū)設(shè)置在設(shè)置于所述至少一個雙接合結(jié)構(gòu)中之一中的所述第一區(qū)與所述第二區(qū)之間，或者所述第三區(qū)設(shè)置在設(shè)置于所述至少一個雙接合結(jié)構(gòu)中的兩個相互相鄰的雙接合結(jié)構(gòu)中之一中的所述第一區(qū)與設(shè)置于所述至少一個雙接合結(jié)構(gòu)中的所述兩個相互相鄰的雙接合結(jié)構(gòu)中另一個中的所述第二區(qū)之間，與所述第一區(qū)和所述第二區(qū)相比所述第三區(qū)具有較低濃度的所述正固定電荷或所述負(fù)固定電荷。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述第三區(qū)具有:具有負(fù)固定電荷的區(qū)和具有正固定電荷的區(qū)，并且 所述具有負(fù)固定電荷的區(qū)較靠近所述第二區(qū)而較不靠近所述具有正固定電荷的區(qū)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述第三區(qū)設(shè)置在設(shè)置于所述至少一個雙接合結(jié)構(gòu)中之一中的所述層中的具有最低耐受電壓的層中。
21.根據(jù)權(quán)利要求13至20中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述電極半導(dǎo)體層通過將第一導(dǎo)電型雜質(zhì)摻雜到所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個層中來形成。
22.根據(jù)權(quán)利要求13至21中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述電極半導(dǎo)體層通過將第二導(dǎo)電型雜質(zhì)摻雜到所述層疊結(jié)構(gòu)中的每一個層中來形成。
23.根據(jù)權(quán)利要求13至20中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述電極半導(dǎo)體層由與所述層疊結(jié)構(gòu)中的所述層中的所述層疊結(jié)構(gòu)的具有最窄帶隙的層相同的材料形成，并且形成為單個半導(dǎo)體層。
【文檔編號】H01L29/20GK104205346SQ201380014865
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月19日
【發(fā)明者】櫛田知義, 榊裕之, 大森雅登 申請人:豐田自動車株式會社, 學(xué)校法人豐田學(xué)園