專利名稱：氮化物半導(dǎo)體器件、多爾蒂放大器和漏極壓控放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及化合物半導(dǎo)體器件，并且更具體地，涉及將GaN氮 化物半導(dǎo)體或者含GaN作為主要成分的氮化物半導(dǎo)體用于電子溝道層的高 功率化合物半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
GaN具有3.4eV的大帶隙(bandgap)，并且傳統(tǒng)上被用于藍光發(fā)光二 極管和激光二極管。另一方面，由于其大的擊穿電壓以及大的飽和電子速 度，GaN被認為是執(zhí)行高電壓操作或高輸出操作所需的半導(dǎo)體器件的十分 有前景的材料。因此，針對諸如將GaN用于電子溝道層的HEMT之類的 FET，正在進行密集的研究。具體地，通過將具有GaN電子溝道層的高電 壓HEMT用于放大器，期望實現(xiàn)高效率的操作。 專利參考文獻1
日本特開專利申請2000-252458
專利參考文獻2
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索)

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個方面，提供了一種氮化物半導(dǎo)體器件，其包括襯底；堆疊 (stacked)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成在所述襯底上，并且包括 無摻雜氮化物半導(dǎo)體的電子溝道層和在所述電子溝道層上外延地形成的n 型氮化物半導(dǎo)體的電子供應(yīng)層，所述n型氮化物半導(dǎo)體的電子親合勢 (electron affinity)小于所述無摻雜氮化物半導(dǎo)體的電子親合勢，并且二 維電子氣被沿著與所述電子供應(yīng)層的界面而形成在所述電子溝道層中；柵
電極，其對應(yīng)于溝道區(qū)域而形成在所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上；以及源電極和
漏電極，其分別在所述柵電極的第一側(cè)和第二側(cè)，以與所述堆疊半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)相歐姆接觸地形成在所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上，所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在所
述襯底和所述電子溝道層之間包括連續(xù)地并且外延地形成的n型導(dǎo)電層和 包含Al的阻擋層。


圖l是示出多爾蒂(Doherty)放大器的構(gòu)造的電路圖； 圖2是示出漏極壓控放大器的構(gòu)造的電路圖； 圖3是對圖1的Doherty放大器的操作進行說明的示圖； 圖4是對圖2的漏極壓控放大器的操作進行說明的示圖； 圖5是示出根據(jù)本發(fā)明相關(guān)技術(shù)的GaN-HEMT的構(gòu)造的示圖； 圖6是對圖5的GaN-HEMT的問題進行說明的示圖； 圖7是對圖5的GaN-HEMT的問題進行說明的另一示圖； 圖8是對圖5的GaN-HEMT的問題進行說明的另一示圖； 圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的GaN-HEMT的構(gòu)造的示圖； 圖IO是示出圖9的GaN-HEMT的能帶結(jié)構(gòu)的示圖； 圖11是與比較示例相比較地示出圖9的GaN-HEMT中的空載電流 (idling current)的時間變化的示圖12是對本發(fā)明的功能進行說明的示圖13是示出根據(jù)圖11的比較示例(I)的GaN-HEMT的構(gòu)造的示
圖14是示出根據(jù)圖11的比較示例(II)的GaN-HEMT的構(gòu)造的示
圖15是對本發(fā)明的效果進行說明的示圖16是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的GaN-HEMT的能帶結(jié)構(gòu)的示
圖17是示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的GaN-HEMT的能帶結(jié)構(gòu)的示 圖；以及
圖18是示出根據(jù)本發(fā)明第四實施例的GaN-HEMT的構(gòu)造的示圖。
具體實施例方式
隨著用于蜂窩電話基站的放大器被設(shè)計用于WiMAX (全球微波接入 互操作性)，出現(xiàn)了對前所未有的高效率的需求。為了實現(xiàn)所期望的高效 率，研究對圖1中示出的Doherty放大器或者圖2中示出的漏極壓控放大 器的使用。
參考圖l， Doherty放大器具有第一信號路徑A和第二信號路徑B，第 一信號路徑A包括載波放大器(在下文中稱作"主放大器")1A和1/4波 長線路2A，第二信號路徑B包括1/4波長線路1B和峰值放大器(在下文 中稱作"輔助放大器")2B。
在此，被供應(yīng)給輸入端子IN的輸入信號被分到第一和第二信號路徑 A和B中待放大，并且在輸出端子OUT處被合并，其中輸入端子IN具有 輸入電阻Rs，并且負載阻抗RL連接到輸出端子OUT。因此，針對A類 或AB類操作來偏置主放大器1A，而針對C類操作來偏置輔助放大器 2B，從而使得與主放大器1A的情況相比，空載電流被減小。
因此，如圖3所示，當(dāng)輸入信號具有通常的功率范圍時，引起主放大 器1A的操作，而當(dāng)輸入信號功率超過預(yù)定功率級P()時，出現(xiàn)除主放大器 1A外的輔助放大器2B的操作，并且變得能夠形成具有大輸出功率的輸出 信號。在圖3中，應(yīng)注意橫軸代表輸入功率而縱軸代表輸出功率。
另一方面，就漏極壓控放大器而言，如圖2所示，輸入信號經(jīng)由信號 路徑A被供應(yīng)到主放大器3A，同時輸入信號還被檢測器(DET) 4B檢測
到，該檢測器4B在從信號路徑A分支出來的信號路徑上。因此，如圖4 所示，設(shè)置到信號路徑B的控制放大器5B基于指示輸入信號電平的檢測 信號Vd，控制構(gòu)成主放大器3A的晶體管的漏極電壓Vd。
就圖2的漏極壓控放大器而言，主放大器3A被維持在飽和狀態(tài)，并 且其輸出功率受控制放大器5B控制，該控制放大器5B響應(yīng)于輸入功率來 控制主放大器3A的漏極電壓Vd。因此，通過圖2的漏極壓控放大器，能 夠維持高的操作效率。
同時，發(fā)明人遇到這樣的問題，在具有如圖5的構(gòu)造所示的GaN電子 溝道層的GaN-HEMT 20被用于主放大器IA和輔助放大器2B的情況下， 出現(xiàn)如圖6所示的漏極電流漂移。當(dāng)出現(xiàn)這樣的漂移時，導(dǎo)致放大器操作 效率下降，并且不再可能獲得所期望的高效率的操作。
參考圖5， GaN-HEMT 20被形成在SiC襯底21上，并且包括SiC襯 底21上外延地形成的無摻雜A1N的緩沖層22、在緩沖層22上外延地形成 的無摻雜GaN的電子溝道層23、在電子溝道層23上外延地形成的n型 AlGaN的電子供應(yīng)層24和在電子供應(yīng)層24上外延地形成的n型GaN的蓋 層(cap layer) 25，其中對應(yīng)于預(yù)定的溝道區(qū)域，在蓋層25上，以與蓋層 25相肖特基接觸地形成柵電極27G。此外，在柵電極27G的兩側(cè)，在電子 供應(yīng)層24上，以與電子供應(yīng)層24相歐姆接觸地形成源電極27S和漏電極 27D。此外，蓋層25的暴露表面被SiN鈍化膜26覆蓋。
圖6示出空載狀態(tài)的源極一漏極電流Idsq的變化，其中在將到輔助放 大器2B的輸入功率從閾值P。增大到功率級Ps之后，圖5的GaN-HEMT 的輸入功率被關(guān)斷，其中閾值Po對應(yīng)于緊接在輔助放大器2B上電 (power-ON)之前的功率，并且在功率級Ps時輔助放大器2B執(zhí)行飽和操 作。應(yīng)當(dāng)參考圖3。此外，應(yīng)注意，源極一漏極電流Idsq代表在靜態(tài)狀態(tài) (靜止狀態(tài)(quiescent state))下通過功率測量而獲得的漏極電流。
參考圖6，可以看出，緊接在輔助放大器2B上電之前的狀態(tài)的大約 12mA/mm的GaN-HEMT空載電流在斷電(power OFF)后被減小到大約 4mA/mm。此外，可以看出，在此之后空載電流逐漸增大，然而它用大于 300秒的漂移時間來恢復(fù)空載電流的原始值。
這暗示如下的情況，如圖7所示，二維電子氣中的電子以在GaN-HEMT的高輸出功率操作時所引起的加速度，在朝向SiC襯底21的方向 上從電子溝道層23逃逸，并且被存在于GaN電子溝道層23和A1N下部 層22之間的界面附近的缺陷(defect)等捕獲，并且在斷電之后，因此捕 獲的電子逐漸地被釋放。
圖6和圖7的漂移時間的問題指示，在輔助放大器2B被開啟的間隔 期間，輔助放大器2B的輸出電流在降低，并且因此輸出功率在降低，并 且指示用于輔助放大器2B的GaN-HEMT不在以所期望的高效率來操作。 因此，輔助放大器2B不在提供所期望的輸出。
不僅在圖5的GaN-HEMT被用于圖1的Doherty放大器的輔助放大器 2B的情況下，而且在圖5的GaN-HEMT被用于圖2的漏極壓控放大器的 主放大器3A的情況下，圖6中漂移時間隨輸入功率而增大并且因此隨輸 出功率而增大的問題變?yōu)閲乐氐膯栴}。應(yīng)當(dāng)參考圖8的示意圖。
因此，如通過箭頭在圖8中示出的，期望減小具有圖5的構(gòu)造的GaN-HEMT中的漂移時間。
圖9示出根據(jù)第一實施例的GaN-HEMT 40的構(gòu)造。
參考圖9， GaN-HEMT 40被形成在SiC單晶襯底41的(0001)表面 上，并且包括SiC襯底41上外延地形成的厚度為0.3/xm的無慘雜A1N下 部層42、在下部層42上外延地形成的厚度例如為3/mi的無慘雜GaAs緩 沖層43、在緩沖層43上外延地形成的厚度為5 — 50nm (例如20nm)并且 摻雜有濃度為1X1017 —5X1018cm—3 (例如，2X10lscm—3)的Si的n型 GaN能帶控制層44、在能帶控制層44上外延地形成的厚度為5 —50nm
(優(yōu)選地具有20nm的厚度)的無摻雜AlGaN阻擋層(barrier layer) 45、 在阻擋層45上外延地形成的厚度例如為50nm的無摻雜GaN電子溝道層 46、經(jīng)由外延地形成的厚度例如為5nm的無摻雜AlGaN間隔層47而在電 子溝道層46上方外延地形成的厚度例如為20nm的n型AlGaN電子供應(yīng) 層48 (例如，電子供應(yīng)層48被摻雜有濃度為4X10"cm—3的Si)，以及在
電子供應(yīng)層48上外延地形成的厚度例如為7nm的n型GaN的蓋層49，其 中蓋層49被摻雜有濃度為5 X 1018cm—3的Si。
在電子溝道層46中，沿著與上方的間隔層47的界面形成了二維電子 氣(2DEG)。通過設(shè)置間隔層47，如本領(lǐng)域中所熟知的，可以通過電子 供應(yīng)層48中的摻雜電子來抑制二維電子氣中的電子的散亂(scattering)。
此外，在蓋層49上，以Ni層和Au層的堆疊的形式，以與蓋層49相 肖特基接觸地形成柵極長度為0.5/mi且單位柵極寬度為300/mi的柵電極 50G。在此，"單位柵極寬度"指通過柵電極對二維電子氣的濃度進行控 制的區(qū)域的寬度。
此外，在柵電極50G的橫向兩側(cè)，以與電子供應(yīng)層48相歐姆接觸 地、以Ta膜(未示出)和Al膜(未示出)的堆疊的形式分別形成源電極 50S和漏電極50D。因此，應(yīng)注意，作為Ta和Al相互擴散的結(jié)果，在源 電極50S或漏電極50D中，在Ta膜和Al膜之間的界面處形成TaA^層。 此外，蓋層49的位于柵電極50G和源電極50S之間的表面部分以及位于 柵電極50G和漏電極50D之間的表面部分被SiN保護膜51覆蓋。
在圖9的GaN-HEMT40中，應(yīng)注意，阻擋層45改變其組成(被表示 為GaxAlLXN)，從而使得組分參數(shù)x從在與電子溝道層46的界面處的 0.02連續(xù)變到在與能帶控制層44的界面處的0.05，因此，從與電子溝道 層46的界面到與能帶控制層44的界面，出現(xiàn)帶隙的連續(xù)增大。因此，就 圖9的GaN-HEMT 40而言，阻擋層45在與能帶控制層44的界面處具有 Ala()5Gaa95N的組成，并且在與電子溝道層46的界面處具有AlaQ2Gaa98N的 組成。
具體地，在將HEMT用于高效率放大器的情況下，優(yōu)選地，柵極長度 落入0.3—0.7/xm的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地落入0.5—0.6^m的范圍內(nèi)。當(dāng)柵極 長度被增大到超過上述范圍時，導(dǎo)致Doherty放大器增益減小。此外，導(dǎo) 致失真特性惡化。另一方面，當(dāng)柵極長度變得短于0.5/mi時，導(dǎo)致?lián)舸╇?壓下降到200V或更小。此外，由于惡化的夾斷(pinch-off)特性而導(dǎo)致效 率降低。因此，器件的可靠性惡化。
此外，優(yōu)選地，將單位柵極寬度設(shè)定為200—400/mi的范圍，更優(yōu)選 地設(shè)定為250-300/mi的范圍。當(dāng)單位柵極寬度被增大時，導(dǎo)致Doherty放 大器增益減小，而當(dāng)單位柵極寬度變窄時，導(dǎo)致可實現(xiàn)的最大輸出功率減 小。
接下來，將簡要地對圖9的GaN-HEMT 40的制造工藝進行說明。 首先，通過將三甲基鎵(TMG)用作Ga的源、將三甲基鋁(TMA) 用作Al的源并且將氨用作氮化物源的MOVPE工藝，在作為單晶SiC襯底 的襯底41上外延地并且連續(xù)地生長無摻雜A1N下部層42和無摻雜GaN 緩沖層43，并且通過將TMG和氨用作源并且將硅烷(SiH4)用作Si摻雜 氣的MOVPE工藝，在緩沖層43上進一步生長n型GaN能帶控制層44。
此外，通過將TMG、 TMA和氨氣用作源的MOVPE工藝，在能帶控 制層44上外延地形成無摻雜AlGaN阻擋層45，并且通過將TMG和氨氣 用作源的MOVPE工藝，在阻擋層45上進一步形成無摻雜GaN的電子溝 道層46。
此外，通過將TMG、 TMA和氨氣用作源的MOVPE方法，在電子溝 道層46上形成間隔層47，并且通過添加甲烷氣來進一步繼續(xù)MOVPE工 藝。因此，在間隔層47上形成n型AlGaN的電子供應(yīng)層48。此外，通過 將TMG和氮氣用作源的MOVPE工藝，在電子供應(yīng)層48上外延地形成n 型GaN的蓋層49。
此外，在因此形成的蓋層49上形成抗蝕劑圖案(resist pattern)以暴 露器件隔離區(qū)域，并且器件隔離區(qū)域(未示出)的形成是通過在將這樣的 抗蝕劑圖案用作掩模的同時用離子注入工藝注入氮離子來進行的。
此外，在因此獲得的半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)上形成抗蝕劑圖案，以暴露預(yù)定 的源極和漏極區(qū)域，并且在將這樣的抗蝕劑圖案用作掩模的同時，用真空 蒸發(fā)沉積工藝分別以10nm的厚度和280nm的厚度來沉積Ta膜和Al膜。 此外，通過剝離(lift-off)工藝，將過量的Al膜和Ta膜與抗蝕劑圖案一 起去除，因此，在源極和柵極區(qū)域上分別形成源電極50S和漏電極50D。
此外，通過快速熱退火工藝來對因此形成的源電極50S和漏電極50D 進行退火。因此，使得Ta膜和Al膜相互反應(yīng)從而形成TaAl3層。
此外，通過等離子CVD工藝，在因此獲得的結(jié)構(gòu)上沉積SiN膜51。
然后通過抗蝕劑工藝使因此沉積的抗蝕劑膜51圖案化，因此，形成具有
如下開口的抗蝕劑圖案，該開口暴露GaN蓋層49的對應(yīng)于溝道區(qū)域的部 分。
此外，分別以10nm和200nm的膜厚度在這樣的抗蝕劑圖案上沉積Ni 膜和Au膜，隨后通過剝離工藝來去除抗蝕劑膜。因此，以與GaN膜49 相肖特基接觸地形成柵電極50G。
此外，在SiN膜51中形成用于暴露源電極50S和漏電極50D的開 口，因此，完成了圖9的GaN-HEMT的形成。
圖10示出圖9的GaN-HEMT 40的沿垂直于襯底41的橫截面得到的 能帶結(jié)構(gòu)。圖中，Ec代表導(dǎo)帶，Ev代表價帶并且Ef代表Fermi能級。
參考圖10，與通常的HEMT的情況類似地，在電子溝道層46和間隔 層47之間的界面處形成了二維電子氣2DEG以填充導(dǎo)帶Ec的陷落 (dip)。另一方面，通過本實施例的HEMT 40,電子溝道層46下面的無 摻雜AlGaN阻擋層45形成勢壘，因此，二維電子氣中的電子朝向襯底41 的加速逃逸被阻擋。因此，在阻擋層45下面的能帶控制層44由高摻雜的 n型層形成，并且因此，GaN緩沖層或在它下面的無摻雜A1N下部層的電 效應(yīng)(electric effect)被屏蔽。
因此，即使當(dāng)由于某種原因使高能載波到達了 GaN緩沖層43或者在 它下面的A1N下部層42，或者到達了與SiC襯底41的界面并且在那里被 捕捉，電氣變化也因阻擋層45所形成的電勢而被抑止，并且阻擋層45可 以形成穩(wěn)定的勢壘。
圖11是與先前說明的圖6的結(jié)果以及將參考圖12和圖13來進行說明 的本發(fā)明的比較示例的結(jié)果相比較地，示出圖9的GaN-HEMT 40的漂移 時間的示圖。與圖6類似地，橫軸代表在斷電之后逝去的持續(xù)時間(在 GaN-HEMT的飽和操作之后執(zhí)行所述斷電)，而縱軸代表在靜止狀態(tài)下測 得的漏極電流Idsq。
參考圖11，可以看出，與漂移時間是300秒或更多的圖6的情況相 比，通過圖9的GaN-HEMT 40，漂移時間被減小到50秒或更小。
圖11的結(jié)果指示，如圖12所示，通過圖9的GaN-HEMT 40，阻擋
層45有效地發(fā)揮作用，并且如參考圖7所說明的，在朝向襯底的方向上 的來自二維電子氣的加速電子的逃逸被有效抑制。
應(yīng)注意，圖11的用(I)指示的比較示例對應(yīng)于在圖9的構(gòu)造中省略 能帶控制層44的情況。在此，可以看出，從斷電的時刻起經(jīng)過了 200秒 的時間之后，仍未恢復(fù)到初始漏極電流的二分之一。因此，通過圖13的 構(gòu)造，存在阻擋層45不能有效發(fā)揮作用或者阻擋層45變?yōu)橄葳宓目赡?性。在圖13中，用相同標號來指定之前進行了說明的那些部分，并且省 略對它們的描述。
此外，圖11的用(II)指示的比較示例對應(yīng)于這樣的情況其中如圖 14所示，在圖9的構(gòu)造中省略阻擋層45。在此，可以看出，與圖5的情況 相比，漂移時間在一定程度上得到改善，然而漂移時間超過了 100秒，并 且性能仍劣于本發(fā)明的情況。在圖14中，用相同標號來指定之前進行了 說明的那些部分，并且省略對它們的描述。
因此，在本發(fā)明的情況下，結(jié)合無摻雜AlGaN阻擋層45來使用n型 GaN的能帶控制層44很重要。如已經(jīng)注意到的，認為具有導(dǎo)電性的能帶 控制層44屏蔽存在于無摻雜GaN緩沖層43或者無摻雜A1N下部層45中 的缺陷的電效應(yīng)，并且因此抑制由阻擋層45的導(dǎo)帶所形成的勢壘的變 動。
為了實現(xiàn)這樣的效果，認為優(yōu)選的是在阻擋層45的下面并且因此在 更接近襯底的一側(cè)形成能帶控制層44。
雖然本實施例將組成遞變(composition graded)阻擋層45的Al組分 x從0.02變到0.05，但是組成遞變阻擋層45的組分改變范圍不限于先前所 說明的那些情況。因此，也可以從與能帶控制層44的界面到與電子溝道 層46的界面，將Al組分x從0變到0.07。因此，可以在與能帶控制層44 的界面處將組分x設(shè)定為0—0.03的范圍，并且在與電子溝道層46的界面 處將其設(shè)定為0.03 — 0.07的范圍。
當(dāng)組成遞變阻擋層45的Al組分x超過前述范圍時，層45中的缺陷增 多，并且組成遞變阻擋層45變?yōu)橄葳?。另一方面，?dāng)Al組成x減小到低 于前述范圍時，不會實現(xiàn)阻擋效果。
13
此外，為了實現(xiàn)充分的阻擋效果并且同時抑制由于晶格失配(lattice misfit)而導(dǎo)致的位錯的出現(xiàn)，優(yōu)選的是形成膜厚度在大約2 — 50nm的范 圍內(nèi)的組成遞變阻擋層45，從而使得位錯形成的臨界厚度不會被超過。
為了使能帶控制層44執(zhí)行所期望的功能，不必將全部的層44摻雜為 高濃度的n型。因此，也可以形成能帶控制層44以使得僅將它的與阻擋 層45接觸的部分摻雜為n型。能帶控制層44可以被形成為具有5 — 100nm 的厚度。此外，可以將阻擋層45的與能帶控制層44接觸的界面部分摻雜 為n型。
雖然本實施例使用SiC襯底作為襯底，但是本發(fā)明并不限于使用SiC 襯底的情況。因此，本發(fā)明也可以使用藍寶石襯底、GaN單晶襯底、異質(zhì) 外延襯底等，其中經(jīng)由緩沖層在Si襯底上形成GaN層。
此外，可以通過用AlGalnN替代AlGaN來用于電子供應(yīng)層48和間隔 層47，并且通過控制In含量來調(diào)節(jié)電子供應(yīng)層48和間隔層47的帶隙， 來控制GaN-HEMT 40的閾值。
此外，也可以通過其他的半導(dǎo)體氮化物來形成電子溝道層46、間隔層 47和電子供應(yīng)層48。
針對圖5的GaN-HEMT 20被用于圖1的Doherty放大器的主放大器 1A和輔助放大器2B的情況，以及圖5的GaN-HEMT 20被用于圖2的漏 極壓控放大器的主放大器3A的情況("本實施例之前")，并且針對本 實施例的GaN-HEMT 40被用于圖1的Doherty放大器的主放大器1A和輔 助放大器2B的情況，以及圖9的GaN-HEMT 40被用于圖2的漏極壓控放 大器的主放大器3A的情況("本實施例")，圖15比較單個GaN-HEMT 的漂移時間和漏極效率。
參考圖15，可以看出，通過使用本實施例的構(gòu)造，漂移時間被減小到 一半或更小。此外，由于如參考圖12所說明的對來自二維電子氣2DEG 的電子的逃逸的有效抑制，可以看出，通過使用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，漏極效率 得到顯著改善。 圖16示出根據(jù)第二實施例的GaN-HEMT 40A的能帶結(jié)構(gòu)。因為本實 施例的GaN-HEMT 40A具有與之前所說明的圖9的GaN-HEMT 40類似的 構(gòu)造，所以將省略對其結(jié)構(gòu)的描述。
在前一實施例的GaN-HEMT 40中，其中能帶控制層44被摻雜為n 型，引起了導(dǎo)帶Ec的拉低，但是導(dǎo)帶從沒有變得低于如圖10所示的 Fermi能級Ef。因此，就GaN-HEMT 40而言，從沒有這樣的情況，即形 成了不同于電子溝道層46中的二維電子氣2DEG的另一二維電子氣2DEG 的情況。
另一方面，根據(jù)本實施例，能帶控制層44中的Si摻雜濃度被進一步 提高，結(jié)果，能帶控制層44的導(dǎo)帶Ec被拉低到低于Fermi能級Ef。因 此，在導(dǎo)帶Ec被拉低到低于Fermi能級Ef的部分中形成了二維電子氣 2DEG。
應(yīng)注意，由于這樣的事實，即在無摻雜GaN電子溝道層46中形成的 二維電子氣2DEG具有1500cm2/V s的電子遷移率，而在高摻雜的GaN 層44中形成的二維電子氣2DEG具有至多100cm2/V s的電子遷移率，所 以這樣的二維電子氣2DEG的形成不會引起對HEMT 40A的正常操作的任 何實質(zhì)影響。
圖17示出根據(jù)第三實施例的GaN-HEMT 40B的能帶結(jié)構(gòu)。因為本實 施例的GaN-HEMT 40B具有與之前所說明的圖9的GaN-HEMT 40類似的 構(gòu)造，所以將省略對其結(jié)構(gòu)的描述。
根據(jù)圖9、圖10和圖16的實施例，以組成遞變層的形式形成了阻擋 層45，該組成遞變層在與電子溝道層46接觸的一側(cè)具有較小帶隙，并且 在與能帶控制層44接觸的一側(cè)具有較大帶隙。
但是，就本發(fā)明而言，阻擋層45由這樣的組成遞變層構(gòu)成并不是必 需的，并且也可以通過如圖17所示的具有一致A1組分的AlGaN層來形成 阻擋層45。在此，應(yīng)注意，圖17示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的GaN-HEMT 40B的能帶結(jié)構(gòu)。
因為關(guān)于其他方面，GaN-HEMT 40B具有與之前所說明的圖9的 GaN-HEMT40類似的構(gòu)造，所以將省略對其結(jié)構(gòu)的描述。
因為就本實施例而言，阻擋層45具有一致的Alo.o5Ga。.9sN的組成，所 以應(yīng)注意，電子溝道層46中的導(dǎo)帶Ec和價帶Ev的位置從圖中以虛線示 出的圖10的狀態(tài)開始改變，因此，在電子溝道層46中形成的二維電子氣 的厚度略微減小，并且因此其電子密度略有減小。
只要這樣的二維電子氣的減小被容許，就可以如本實施例的情況那 樣，將具有一致Al組分的AlGaN層用于阻擋層。
此外，應(yīng)注意本發(fā)明不僅可應(yīng)用于其中柵電極50G形成肖特基接觸的 GaN-HEMT，而且還可應(yīng)用于具有絕緣柵結(jié)構(gòu)的GaN-HEMT中，在所述 絕緣柵結(jié)構(gòu)中，例如如圖18所示，柵電極50G與柵極絕緣膜52形成接 觸。在圖18中，用相應(yīng)的標號來指定之前進行了說明的那些部分，并且 省略對它們的描述。
在圖18的示例中，柵極絕緣膜52形成在n型GaN蓋層49上，然而 也可以省略蓋層，并且在電子供應(yīng)層48上直接形成柵極絕緣膜。
至于柵極絕緣膜52，可以采用諸如SiN之類的寬隙(widegap)材 料。另一方面，也可以通過諸如A1203、 Ta205、 Hf02、 Zr02等之類的所謂 高K值材料來形成柵極絕緣膜52。
雖然針對優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了說明，但是本發(fā)明并不局限于這 樣的具體實施例，并且可以在專利的權(quán)利要求書中所描述的本發(fā)明的范圍 之內(nèi)，做出各種變體和修改。
相關(guān)申請的交叉引用
本申請基于2007年8月31日遞交的日本優(yōu)先權(quán)申請第2007-226594 號，該日本優(yōu)先權(quán)申請的全部內(nèi)容通過引用被結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1. 一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括襯底；在所述襯底上形成的堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括無摻雜氮化物半導(dǎo)體的電子溝道層，和在所述電子溝道層上外延地形成的n型氮化物半導(dǎo)體的電子供應(yīng)層，所述n型氮化物半導(dǎo)體的電子親合勢小于所述無摻雜氮化物半導(dǎo)體的電子親合勢，并且沿著與所述電子供應(yīng)層的界面在所述電子溝道層中形成二維電子氣；柵電極，其對應(yīng)于溝道區(qū)域而形成在在所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上；以及源電極和漏電極，其分別在所述柵電極的第一側(cè)和第二側(cè)、以與所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相歐姆接觸地形成在所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上；所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括，在所述襯底和所述電子溝道層之間連續(xù)地并且外延地形成的n型導(dǎo)電層和包含Al的阻擋層。
2. 如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中所述n型導(dǎo)電層和所 述電子溝道層包含作為其構(gòu)成元素的Ga和N，而所述阻擋層包含作為其 構(gòu)成元素的Ga、 N和Al。
3. 如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中所述阻擋層從其與所 述電子供應(yīng)層接觸的一側(cè)到其與所述n型導(dǎo)電層接觸的一側(cè)，連續(xù)增大其 Al組分。
4. 如權(quán)利要求3所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中所述Al組分在與所 述導(dǎo)電層的界面處落入0.03—0.07的范圍內(nèi)，并且在與所述電子溝道層的 界面處落入0.0—0.3的范圍內(nèi)，所述Al組分通過Al組分參數(shù)x來表示， 并且所述Al組分參數(shù)x將所述阻擋層的組成表示為AlxGai_xN。
5. 如權(quán)利要求4所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中所述阻擋層的膜厚度 在2—50nm范圍內(nèi)。
6. 如權(quán)利要求l一5中的任一項所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中所述 阻擋層在其鄰近與所述n型導(dǎo)電層的界面的部分處被摻雜為n型。
7. 如權(quán)利要求l一6中的任一項所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中所述n 型導(dǎo)電層被摻雜有濃度級別在lX1017—5X1018cm—3的范圍內(nèi)的n型摻雜 物。
8. 如權(quán)利要求1—7中的任一項所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中所述n 型導(dǎo)電層在其鄰近與所述阻擋層的界面的部分處被摻雜為n型。
9. 如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中所述n型導(dǎo)電層的膜 厚度為5 — 100nm。
10. —種多爾蒂放大器，其包括載波放大器和峰值放大器， 所述載波放大器和所述峰值放大器中的每個包括氮化物半導(dǎo)體器件，所述氮化物半導(dǎo)體器件包括 襯底；在所述襯底上形成的堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括無摻 雜氮化物半導(dǎo)體的電子溝道層，和在所述電子溝道層上外延地形成的n型 氮化物半導(dǎo)體的電子供應(yīng)層，所述.n型氮化物半導(dǎo)體的電子親合勢小于所 述無摻雜氮化物半導(dǎo)體的電子親合勢，并且沿著與所述電子供應(yīng)層的界面 在所述電子溝道層中形成二維電子氣；柵電極，其對應(yīng)于溝道區(qū)域而形成在所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上；以及源電極和漏電極，其分別在所述柵電極的第一側(cè)和第二側(cè)、以與所述 堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相歐姆接觸地形成在所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上；所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括，在所述襯底和所述電子溝道層之間連續(xù)地 并且外延地形成的n型導(dǎo)電層和包含Al的阻擋層。
11. 一種漏極壓控放大器，其包括對輸入信號進行放大的主放大器和 響應(yīng)于所述輸入信號的電平來控制漏極電壓的控制放大器，所述主放大器包括氮化物半導(dǎo)體器件，所述氮化物半導(dǎo)體器件包括 襯底；在所述襯底上形成的堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括無摻 雜氮化物半導(dǎo)體的電子溝道層，和在所述電子溝道層上外延地形成的n型 氮化物半導(dǎo)體的電子供應(yīng)層，所述n型氮化物半導(dǎo)體的電子親合勢小于所 述無摻雜氮化物半導(dǎo)體的電子親合勢，并且沿著與所述電子供應(yīng)層的界面 在所述電子溝道層中形成二維電子氣； 柵電極，其對應(yīng)于溝道區(qū)域而形成在所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上；以及源電極和漏電極，其分別在所述柵電極的第一側(cè)和第二側(cè)、以與所述 堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相歐姆接觸地形成在所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上；所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括，在所述襯底和所述電子溝道層之間連續(xù)地并且外延地形成的n型導(dǎo)電層和包含Al的阻擋層。
全文摘要
本發(fā)明提供了氮化物半導(dǎo)體器件、多爾蒂放大器和漏極壓控放大器。氮化物半導(dǎo)體器件包括襯底；在襯底上形成的堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包括無摻雜氮化物半導(dǎo)體的電子溝道層和在電子溝道層上外延地形成的n型氮化物半導(dǎo)體的電子供應(yīng)層，該n型氮化物半導(dǎo)體的電子親合勢小于該無摻雜氮化物半導(dǎo)體的電子親合勢，并且沿著與電子供應(yīng)層的界面在電子溝道層中形成二維電子氣；柵電極，其對應(yīng)于溝道區(qū)域而形成在堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上；以及源電極和漏電極，其分別在柵電極的第一側(cè)和第二側(cè)、以與堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相歐姆接觸地形成在堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上，所述堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括，在襯底和電子溝道層之間連續(xù)地并且外延地形成的n型導(dǎo)電層和包含Al的阻擋層。
文檔編號H03F1/02GK101378074SQ20081013335
公開日2009年3月4日 申請日期2008年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者今西健治, 吉川俊英 申請人:富士通株式會社