專利名稱：半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件；具體地涉及一種配備在包含III族氮化物半導(dǎo)體作為主要材料的場效應(yīng)晶體管(在下文中簡稱為“FET”)中的半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
<相關(guān)技術(shù)1> 圖14是示意性示出根據(jù)相關(guān)技術(shù)I的FET的截面結(jié)構(gòu)的圖。圖14中示出的FET，例如，參考了 UMESH K. MISHRA 等人的“ AlGaN/GaNHEMTs-An Overview of Device Operationand Applications”，PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 90，NO. 6，JUNE 2002，pp. 1022-1031的描述。如圖14所示，緩沖層81、溝道層82和電子供應(yīng)層83以此順序形成在襯底80上。在圖14的示例中，緩沖層81包含未摻雜的氮化鎵(GaN)，溝道層82包含未摻雜的GaN，并且電子供應(yīng)層83包含未摻雜的氮化鎵鋁AlaG&1_aN。這里，通過與
晶軸平行的Ga平面生長來形成III族氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)。電子供應(yīng)層(AlaGai_aN) 83的Al組成比率a設(shè)定為在晶格常數(shù)方面充分降低與GaN的差這樣的值(例如，0.3或更小)。柵電極85形成在電子供應(yīng)層83上，并且與柵電極85相對(duì)地形成源電極841和漏電極842。充當(dāng)電子傳輸層的ニ維電子氣(在下文中簡稱為“2DEG”)層86形成在溝道層82中與電子供應(yīng)層83的界面附近，并且形成在電子供應(yīng)層83上的源電極841和漏電極842與2DEG層86歐姆接觸。<相關(guān)技術(shù)2>圖17是示意性示出根據(jù)相關(guān)技術(shù)2的FET的截面結(jié)構(gòu)的圖。圖17中示出的FET，例如，參考了 F. Medjdoub 等人的“Characteristics ofA1203/AlInN/GaN M0SHEMT”，ELECTRONICS LETTERS, 7th June2007Vol. 43，No. 12 的描述。如圖 17 所示，包含未摻雜的GaN的緩沖層91、包含未摻雜的GaN的溝道層92和包含未摻雜的氮化鋁銦InbAlgN的電子供應(yīng)層93以此順序形成在襯底90上。這里，通過與六方晶
晶軸平行的Ga平面生長來形成III族氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)。電子供應(yīng)層(141^^)93的In組成比率b設(shè)定為呈現(xiàn)與GaN相匹配的晶格這樣的值(例如，0. 17至0. 18)。柵電極95形成在電子供應(yīng)層93上，并且與柵電極95相對(duì)地形成源電極941和漏電極942。2DEG層96形成在溝道層92中與電子供應(yīng)層93的界面附近，并且形成在電子供應(yīng)層93上的源電極941和漏電極942與2DEG層96歐姆接觸。這里，雖然在F. Medjdoub 等人的“Characteristics ofA1203/A1 InN/GaNMOSHEMT”，ELECTRONICS LETTERS, 7th June2007Vol. 43, No. 12 中，包含氮化鋁(AlN)的間隔層(AlN間隔物)形成在包含InAlN的電子供應(yīng)層93和GaN溝道層92之間的界面上，但是在圖17中沒有示出。日本未審查專利公布No. 2001-274375公開了ー種FET，作為異質(zhì)結(jié)FET，具有包含InxGa1J (0彡x彡I)的溝道層、包含AlyGa^N (0 < y ^ I)的電子供應(yīng)層、中間層和包含GaN的n-型蓋帽層，它們按順序形成在襯底上，其中柵電極形成在柵極絕緣膜上，并且源電極和漏電極分別形成在n-型蓋帽層上；中間層至少包括單層的n-型雜質(zhì)層；并且由此在 電子供應(yīng)層和n-型蓋帽層之間產(chǎn)生的極化負(fù)電荷可以被中間層的電離正電荷所抵消，因此降低了阻擋電子的勢(shì)壘，并且可以降低源電阻和漏電阻。

發(fā)明內(nèi)容
下面分析相關(guān)技木。圖15是示意性示出圖14中所示的根據(jù)相關(guān)技術(shù)I的FET的電子供應(yīng)層(AlaGa1^aN)83中晶格應(yīng)變的量與漏電壓的依賴關(guān)系的曲線圖。橫軸表示漏電壓，縱軸表示應(yīng)變的量。圖16是示意性示出相關(guān)晶格應(yīng)變的應(yīng)變能與漏電壓的依賴關(guān)系的曲線圖。橫軸表示漏電壓，縱軸表示應(yīng)變能。這里，為了方便理解本說明書的下述分析示出了圖15和16，并且在 UMESH K. MISHRA 等人的“AlGaN/GaN HEMTs-An Overviewof Device Operationand Applications”，PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 90，NO. 6，JUNE 2002，pp. 1022-1031等中沒有公開。在圖14的FET中，電子供應(yīng)層(AlaGawN)83在零電壓(漏電壓=0)的熱平衡狀態(tài)時(shí)在拉伸方向上具有內(nèi)應(yīng)變，并且因此隨著漏電壓的増加，內(nèi)應(yīng)變幾乎仍然在拉伸方向上與漏電壓成比例増加。因此，應(yīng)變能隨著漏電壓的増加而單調(diào)遞增，并且如果超過臨界值Ecrit，則會(huì)出現(xiàn)晶體缺陷(位錯(cuò))。圖14的結(jié)構(gòu)中存在的問題是劣化開始電壓例如為約180V，并且相對(duì)較低。在下文中解釋晶格應(yīng)變和應(yīng)變能的這種表現(xiàn)的原理。在根據(jù)相關(guān)技術(shù)I的FET中，由于組成電子供應(yīng)層83的AlaGa1J的晶格常數(shù)(晶軸中的A軸長度)比組成緩沖層81的GaN的晶格常數(shù)小，所以在熱平衡狀態(tài)下，由于電子供應(yīng)層83中伴隨晶格失配的應(yīng)變，沿著平面在拉伸方向上存在應(yīng)變向量(e 1(a)，e 2(a)，0)
(e Ka) > 0, e 2(a) > 0)。此外，當(dāng)電壓施加到漏電極842上使得漏極可以具有比柵電極85更正的電勢(shì)時(shí)，在從襯底80向電子供應(yīng)層83中的表面的方向上,產(chǎn)生了電場向量(0,0, F3) (F3 < 0)。根據(jù)逆壓電效應(yīng)的原理，如果在垂直方向(Z方向)上電場F3施加到電介質(zhì)上，在水平方向上(在X-Y平面上)會(huì)產(chǎn)生與相關(guān)的電場強(qiáng)度成比例的應(yīng)變偏差(A e1(a), A e2(a)，0)(由逆壓電效應(yīng)造成的應(yīng)變)。這里，A ei(a)(i = 1,2)通過下面的表達(dá)式⑴表示。A e i(a) = di3(a)F3(I)這里，di3(a)(i = 1,2)是電子供應(yīng)層(AlGaN)83中的連接縱向(垂直方向)電場F3與水平方向應(yīng)變A e i(a)(i = 1,2)的壓電分量。當(dāng)半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)是平行于
晶軸的Ga平面生長，并且電場F3從襯底80指向表面時(shí)，應(yīng)變偏差指向拉伸方向。因此，在電子供應(yīng)層(AlGaN)83中產(chǎn)生的應(yīng)變向量(e T1(a)，e T2(a)，0)用下面表達(dá)式⑵表示。e Ti(a) — e i(a)+di3(a)F3(2)由于伴隨晶格失配的應(yīng)變e i(a)(i = 1,2)指向在拉伸方向，并且由逆壓電效應(yīng)造成的應(yīng)變A e i(a)也指向在拉伸方向，所以它們彼此加強(qiáng)，增加了電子供應(yīng)層(AlGaN)83中的內(nèi)應(yīng)變。應(yīng)變的量與縱向(垂直方向)的電場分量F3成比例增加。由于電場F3與漏電壓成比例，所以獲得了圖15所示的應(yīng)變的量和電壓(漏電壓)之間的關(guān)系。根據(jù)虎克定律，此時(shí)的應(yīng)變能Ea由下面的表達(dá)式(3)表示。
Ea — EY(a)ha ( e i(a)+d13(a)F3)(3)在上述表達(dá)式(3)中，EY(a)表不電子供應(yīng)層(AlGaN)83的楊氏模量。ha表不在柵電極85下面部分的電子供應(yīng)層(AlGaN)83的厚度。這里，由于Ga平面生長，假設(shè)沿著平面(i = 1,2)的方向是彼此等效的。由于應(yīng)變能Ea與垂直方向電場分量F3的平方成比例增加(F3的平方的系數(shù)是正值)，所以獲得了圖16所示的應(yīng)變能和電壓之間的關(guān)系。通過這種方式，根據(jù)相關(guān)技術(shù)I的FET存在的問題是由于伴隨晶格失配的內(nèi)應(yīng)カe 1(a)和由逆壓電效應(yīng)造成的應(yīng)變A e 1(a)彼此加強(qiáng)，所以隨著漏電壓的増加應(yīng)變能不期望地快速増加，并且劣化開始電壓降低。圖18是示意性示出圖17中所示的根據(jù)相關(guān)技術(shù)2的FET中包含InAlN的電子供應(yīng)層93中的晶格應(yīng)變的量與漏電壓的依賴關(guān)系的曲線圖。橫軸表示漏電壓，縱軸表示應(yīng)變的量。圖19示意性示出了應(yīng)變能與漏電壓的依賴關(guān)系的曲線圖。橫軸表示漏電壓，縱軸表示應(yīng)變能。為了方便理解本說明書的下述分析示出了圖18和19，并且在F. Medjdoub等人的“Characteristics of A1203/AlInN/GaN MOSHEMT”，ELECTRONICS LETTERS, 7th June2007Vol. 43，No. 12等中沒有公開。圖17中的電子供應(yīng)層(InAlN)93在零電壓(漏電壓=0)的熱平衡中不具有內(nèi)應(yīng)力。然而隨著漏電壓的増加，在拉伸方向上會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)變，并且其絕對(duì)值與電壓幾乎成比例增加。在根據(jù)相關(guān)技術(shù)2的FET中，沒有產(chǎn)生由熱平衡造成的內(nèi)應(yīng)變。結(jié)果，劣化開始電壓例如是240V，由此改善超過了圖14中的根據(jù)相關(guān)技術(shù)I的FET。然而這還不夠。在下文中解釋晶格應(yīng)變和應(yīng)變能的這種表現(xiàn)的原理。在根據(jù)相關(guān)技術(shù)2的FET中，由于組成圖17中電子供應(yīng)層93的InbAlgN的晶格常數(shù)(A軸長度)與組成緩沖層91的GaN的晶格常數(shù)幾乎相等，所以在熱平衡狀態(tài)，在電子供應(yīng)層(InAlN)93中不存在應(yīng)變。當(dāng)施加電壓使得漏電極942具有比柵極更正的電勢(shì)吋，在從襯底90向電子供應(yīng)層93中的表面的方向上,會(huì)產(chǎn)生電場向量(0,0, F3) (F3 < 0)。根據(jù)逆壓電效應(yīng)的原理，如果在垂直方向上電場F3施加到電介質(zhì)上，則在水平方向上會(huì)產(chǎn)生與電場強(qiáng)度成比例的應(yīng)變偏差(A e 1(b), A e2(b)，0)。這里，A e i(b) (i = 1,2)通過下面的表達(dá)式⑷表不。A e i(b) = di3(b)F3(4)
這里，di3(b) (i = 1,2)是電子供應(yīng)層(InAlN)93中的連接垂直方向電場與水平方向應(yīng)變的壓電分量。當(dāng)半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)是平行于
晶軸的Ga平面生長并且電場F3A襯底90指向表面吋，應(yīng)變偏差指向拉伸方向。因此，在電子供應(yīng)層(InAlN)93中產(chǎn)生的應(yīng)變向量(e T1(b)，e T2(b)，0)用下面表達(dá)式(5)表不。e Ti(b) = di3(b)F3(5)應(yīng)變的量與縱向方向上的電場分量F3成比例増加，因此獲得了圖18所示的應(yīng)變的量和電壓之間的關(guān)系。根據(jù)虎克定律，此時(shí)的應(yīng)變能Eb由下面的表達(dá)式(6)表示。 Eb = EY(b)hb(d13(b)F3)2(6)這里，EY(b)表不InAlN的楊氏模量。hb表不在柵電極95下面部分的電子供應(yīng)層(InAlN)93的厚度。這里，由于Ga平面生長，假設(shè)沿著平面(i = 1,2)的方向是彼此等效的。由于應(yīng)變能與縱向電場分量F3的平方成比例増加，所以獲得了圖19所示的應(yīng)變能和電壓之間的關(guān)系。通過這種方式，根據(jù)相關(guān)技術(shù)2的FET存在的問題是即使不存在伴隨晶格失配的內(nèi)應(yīng)變，但是由逆壓電效應(yīng)造成的應(yīng)變A e1(b)與電場成比例，因此隨著電壓的増加應(yīng)變能不期望的單調(diào)遞增，并且劣化開始電壓降低。如上所述，根據(jù)相關(guān)技術(shù)的FET存在的問題是當(dāng)高電壓施加在柵極和漏極之間時(shí)，很容易造成伴隨產(chǎn)生位錯(cuò)(失配位錯(cuò))的晶格弛豫，并且器件特性可能變差。因此，在包含III族氮化物半導(dǎo)體作為主要材料的場效應(yīng)晶體管中，考慮到上述問題發(fā)明了本發(fā)明，其主要目的是提供一種配備有FET的半導(dǎo)體器件，其中即使在柵極和漏極之間施加高電壓吋，也能夠使得該FET抑制器件劣化并提高可靠性。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種配備有場效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體器件，該場效應(yīng)晶體管具有經(jīng)受晶格弛豫的緩沖層、溝道層和電子供應(yīng)層以此順序分別用III族氮化物半導(dǎo)體以與
或
晶軸平行的生長模式形成在襯底上；并且具有源電極和漏電極，它們與溝道層電耦合；以及形成在電子供應(yīng)層上的柵電極，其中在緩沖層和電子供應(yīng)層中，存在于溝道層的III族原子平面?zhèn)壬系膶泳哂斜却嬖谟跍系缹拥腣族原子平面?zhèn)壬系膶痈L的A軸長度；并且電子供應(yīng)層具有比溝道層更大的帶隙。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，在包含III族氮化物半導(dǎo)體作為主要材料的場效應(yīng)晶體管中，即使在柵極和漏極之間施加高電壓吋，也能夠抑制器件劣化，并提高可靠性。


圖I是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)的圖；圖2是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的內(nèi)應(yīng)變與電壓的依賴關(guān)系的曲線圖；
圖3是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的應(yīng)變能與電壓的依賴關(guān)系的曲線圖；圖4是示出InAlN的A軸長度和帶隙與In組成比率的依賴關(guān)系的曲線圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的應(yīng)變能與電場強(qiáng)度的依賴關(guān)系的計(jì)算結(jié)果的曲線圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)的圖；圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的應(yīng)變能與電場強(qiáng)度的依賴關(guān)系的計(jì)算結(jié)果的曲線圖；圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)的圖；圖9是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的內(nèi)應(yīng)變與電壓的依賴關(guān)系的曲線圖；圖10是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的應(yīng)變能與電壓的依賴關(guān)系的曲線 圖；圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的應(yīng)變能與電場強(qiáng)度的依賴關(guān)系的計(jì)算結(jié)果的曲線圖；圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)的圖；圖13是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的應(yīng)變能與電場強(qiáng)度的依賴關(guān)系的計(jì)算結(jié)果的曲線圖；圖14是示出根據(jù)相關(guān)技術(shù)I的FET的器件結(jié)構(gòu)的圖；圖15是示意性示出根據(jù)相關(guān)技術(shù)I的FET中的內(nèi)應(yīng)變與電壓的依賴關(guān)系的曲線圖；圖16是示意性示出根據(jù)相關(guān)技術(shù)I的FET中的應(yīng)變能與電壓的依賴關(guān)系的曲線圖；圖17是示出根據(jù)相關(guān)技術(shù)2的FET的器件結(jié)構(gòu)的圖；圖18是示意性示出根據(jù)相關(guān)技術(shù)2的FET中的內(nèi)應(yīng)變與電壓的依賴關(guān)系的曲線圖；以及圖19是示意性示出根據(jù)相關(guān)技術(shù)2的FET中應(yīng)變能與電壓的依賴關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式在下文中解釋根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選形式和實(shí)施例。在一些優(yōu)選形式中，場效應(yīng)晶體管具有經(jīng)受晶格弛豫的緩沖層、溝道層和電子供應(yīng)層以此順序分別用III族氮化物半導(dǎo)體以與
或
晶軸平行的生長模式形成在襯底上；且具有源電極和漏電極，它們電耦合到溝道層，并且柵電極形成在電子供應(yīng)層上，在這樣的場效應(yīng)晶體管中在緩沖層和電子供應(yīng)層中，在溝道層的III族原子平面?zhèn)壬洗嬖诘膶泳哂斜仍跍系缹拥腣族原子平面?zhèn)壬洗嬖诘膶痈蟮腁軸長度；并且電子供應(yīng)層比溝道層具有更大的帶隙。“與
或
晶軸平行的生長模式”指的是生長方向平行于
或
晶軸的生長模式。換句話說，上述場效應(yīng)晶體管形成在(0001)或(000-1)晶平面上。在一些優(yōu)選形式中緩沖層、溝道層和電子供應(yīng)層以此順序以與
晶軸平行的III族原子平面生長模式形成在襯底上；并且在溝道層的III族原子平面?zhèn)壬洗嬖诘碾娮庸?yīng)層的A軸長度比在溝道層的V族原子平面?zhèn)壬洗嬖诘木彌_層的A軸長度更大?！芭c
晶軸平行的III族原子平面生長模式”指的是生長方向平行于
晶軸的III族原子平面生長模式。換句話說，緩沖層、溝道層和電子供應(yīng)層以此順序形成在襯底的(0001)III族原子平面上。在一些優(yōu)選形式中，特征是緩沖層、溝道層和電子供應(yīng)層以此順序以與
晶軸平行的V族原子平面生長模式形成在襯底上；并且在溝道層的V族原子平面?zhèn)壬洗嬖诘碾娮庸?yīng)層的A軸長度比在溝道層的III族原子平面?zhèn)壬洗嬖诘木彌_層的A軸長度更小?！芭c
晶軸平行的V族原子平面生長模式”指的是生長方向平行于
晶軸的V族原子平面生長模式。換句話說，緩沖層、溝道層和電子供應(yīng)層以此順序形成在襯底的(OOO-I)V族原子平面上。 在一些優(yōu)選形式中緩沖層包含GaN ;溝道層包含GaN ;并且電子供應(yīng)層包含具有壓縮應(yīng)變的 InxAlhN(0. 18 < X < 0. 53)。在一些優(yōu)選形式中緩沖層包含AlzlGa^N(0 < Z1彡I);溝道層包含GaN ;并且電子供應(yīng)層包含具有壓縮應(yīng)變的Alz2Gah2N(0彡Z2 < 1，Z2 < Z1)。在一些優(yōu)選形式中緩沖層包含GaN ;溝道層包含GaN ;并且電子供應(yīng)層包含具有拉伸應(yīng)變的 InyAlhNO) < y < 0. 17)。在一些優(yōu)選形式中緩沖層包含AlulGa1I1N(0 < U1彡I);溝道層包含GaN ;并且電子供應(yīng)層包含具有拉伸應(yīng)變的Alu2Ga^N(0彡U2 < 1，U1 < U2)。在一些優(yōu)選形式中緩沖層的上表面具有(OOOl)Ga-面晶平面或(OOO-I)N-面晶平面。在一些優(yōu)選形式中溝道層可以形成在緩沖層的(OOOl)Ga-面晶平面上。在一些優(yōu)選形式中溝道層可以形成在緩沖層的(OOO-I)N-面晶平面上。在一些優(yōu)選形式中該器件在電子供應(yīng)層上具有絕緣膜；柵電極的下部嵌入到形成在絕緣膜中的開口中；且源電極與漏電極相対的上部的邊分別向源電極側(cè)和漏電極側(cè)突出，并且覆蓋該絕緣膜(場板結(jié)構(gòu))。在這種場效應(yīng)晶體管中，由于伴隨晶格失配在熱平衡的內(nèi)應(yīng)變和伴隨逆壓電效應(yīng)的應(yīng)變偏差彼此抵消，所以施加漏電壓期間的應(yīng)變能是受限的。因此與根據(jù)相關(guān)技術(shù)的場效應(yīng)晶體管相比，通過本發(fā)明，能夠改善劣化開始電壓。結(jié)果，即使在柵極和漏極之間施加高電壓時(shí)，也能夠防止器件劣化并提高可靠性。在下文中參考

示例性實(shí)施例。第一實(shí)施例圖I是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的示例性第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面結(jié)構(gòu)的圖。在圖I中，數(shù)字10表示襯底，11表示經(jīng)受晶格弛豫的緩沖層，12表示溝道層，以及13表示電子供應(yīng)層。通過III族原子平面生長形成半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，其中生長方向平行于
晶軸，電子供應(yīng)層13的帶隙大于溝道層12的帶隙，并且電子供應(yīng)層13的A軸長度大于緩沖層11的A軸長度。也就是說，在電子供應(yīng)層13中在零電壓熱平衡時(shí)產(chǎn)生壓縮應(yīng)變。這里，在緩沖層11和電子供應(yīng)層13中，在溝道層12的III族原子平面?zhèn)壬洗嬖诘膶邮请娮庸?yīng)層13，并且在溝道層12的V族原子平面?zhèn)壬洗嬖诘膶邮蔷彌_層11。那么，III族原子平面?zhèn)壬系膶?電子供應(yīng)層13)的A軸長度大于V族原子平面?zhèn)壬系膶?緩沖層11)的A軸長度。2DEG層16形成在溝道層12中，并且以相対的方式形成源電極141和漏電極142，它們與2DEG層16電耦合。柵電極15形成在電子供應(yīng)層13介于源電極141和漏電極142之間的部分上。溝道層12可以形成在緩沖層的(OOOl)Ga面晶平面上或緩沖層的(000-1)
N面晶平面上。圖2是示意性示出在圖I示出的FET的電子供應(yīng)層13中晶格應(yīng)變的量與漏電壓的依賴關(guān)系的曲線圖。圖3是示意性示出應(yīng)變能與漏電壓的依賴關(guān)系的曲線圖。在圖2和3中還示出了根據(jù)相關(guān)技術(shù)I和2的FET的特征。在零漏電壓熱平衡時(shí)，電子供應(yīng)層13在壓縮方向上具有內(nèi)應(yīng)變，并且隨著漏電壓的增加，內(nèi)應(yīng)變從壓縮轉(zhuǎn)為拉伸。因此如圖3所示，隨著漏電壓從零增加，應(yīng)變能一度減小，然后轉(zhuǎn)為增加。結(jié)果，例如，劣化開始電壓為約360V，與相關(guān)技術(shù)I和2的180V和240V相比顯著增加了。
在下文中，解釋本實(shí)施例中晶格應(yīng)變和應(yīng)變能的這種表現(xiàn)的原理。在本實(shí)施例中，由于電子供應(yīng)層13的晶格常數(shù)(A軸長度)比緩沖層11的更大，所以在熱平衡狀態(tài)，沿著平面的壓縮方向上的應(yīng)變向量(_ ε ιω，_ ε 2(χ)，0)存在于電子供應(yīng)層 13 中(這里，ε ιω > 0，ε 2(χ) > O)。當(dāng)漏電壓施加到柵極使得漏極具有正電勢(shì)時(shí)，在從襯底10向電子供應(yīng)層13中的表面的方向上會(huì)產(chǎn)生電場向量(0,0, F3) (F3 < O)。根據(jù)逆壓電效應(yīng)的原理,如果垂直方向電場F3施加到電介質(zhì)上,會(huì)產(chǎn)生與電場強(qiáng)度成比例的水平方向上的應(yīng)變偏差(Δ ε 1(χ),Δ ε 2(χ),0)。Δ ε i(x) (i = 1，2)通過下面的表達(dá)式(7)表示。Δ ε i(x) — di3(x)F3(7)這里，di3(x) (i = 1,2)是在組成電子供應(yīng)層13的材料中連接垂直方向電場分量F3與水平方向應(yīng)變?chǔ)?ε i(x)的壓電分量。當(dāng)半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)是生長方向平行于
晶軸的III族原子平面生長，并且電場F3從襯底IO指向表面時(shí)，應(yīng)變偏差指向拉伸方向。因此,在電子供應(yīng)層13中產(chǎn)生的應(yīng)變向量(ε Τ1(χ), ε Τ2(χ),0)用下面表達(dá)式⑶表
/Jn οε Ti(x) — - ε i(x)+di3(x)F3(8)由于在表達(dá)式⑶中，伴隨晶格失配的應(yīng)變?chǔ)?i(x)(i = 1,2)指向壓縮方向，并且由逆壓電效應(yīng)造成的應(yīng)變?chǔ)?ε i(x)( = (IiswF3) (i = 1,2)指向拉伸方向，所以它們彼此抵消，并且減小了電子供應(yīng)層13中的內(nèi)應(yīng)變(ε Ti(x))。根據(jù)表達(dá)式(8),應(yīng)變的量與垂直方向電場分量F3成比例增加。由于縱向電場分量&與漏電壓成比例，所以獲得了圖2所示的應(yīng)變的量(晶格應(yīng)變)和電壓(漏電壓)之間的關(guān)系。根據(jù)虎克定律，此時(shí)的應(yīng)變能Ex由下面的表達(dá)式(9)表示。Ex — EY(x)hx (- ε 1(x)+d13(x)F3)(9)在上述表達(dá)式(9)中，EY(X)表不組成電子供應(yīng)層13的材料的楊氏模量。hx表不在柵電極15下面部分的電子供應(yīng)層13的厚度。這里，由于III族原子平面生長，假設(shè)沿著平面(i = 1，2)的方向是彼此等效的。根據(jù)上面的表達(dá)式(9)，應(yīng)變能Ex與垂直方向電場分量F3的平方成比例增加(F3的平方的系數(shù)是正值)。因此，獲得了圖3所示的應(yīng)變能和電壓(漏電壓)之間的關(guān)系。通過這種方式，在本實(shí)施例中，由于伴隨晶格失配的內(nèi)應(yīng)力-ε 1(x)和由逆壓電效應(yīng)造成的應(yīng)變△ ε 1(!￡)彼此抵消，所以電子供應(yīng)層13中的內(nèi)應(yīng)變?cè)跓崞胶鈺r(shí)是壓縮的，并且隨著電壓(漏電壓)的增加從壓縮轉(zhuǎn)為拉伸。因此，隨著電壓的增加，應(yīng)變能一度減小，然后轉(zhuǎn)為增加；并且在圖3所示的示例中劣化開始電壓為360V，劣化開始電壓是在應(yīng)變能達(dá)到臨界值Ecrit時(shí)的漏電壓，與相關(guān)技術(shù)I和2的情況下的180V和240V的劣化開始電壓相比顯著提高了。然后，由于電子供應(yīng)層13的帶隙大于溝道層12的帶隙，2DEG層16堆積在溝道層12內(nèi)部，電子在高電子遷移率的溝道層12中行進(jìn)，并因此可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)。在下文中解釋用于實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的具體晶體結(jié)構(gòu)。
圖4示出了 A軸長度(縱軸單位=埃=10_1Qm = O. I納米)與In組成比率(橫軸)的依賴關(guān)系(特性2)以及帶隙(縱軸單位=eV(電子伏))與InxAVxN的In組成比率的依賴關(guān)系(特性I)。從圖4所示的與In組成比率的依賴關(guān)系(特性I和2)，可以理解，通過將In組成比率X設(shè)定在O. 18 < X < O. 53的范圍內(nèi)，能夠使InxAlhN的A軸長度大于GaN的A軸長度(=3. 19埃)，并且使InxAVxN的帶隙大于GaN的帶隙(=3. 4eV)。因此，在如圖I所示的這種器件結(jié)構(gòu)中，例如，通過用GaN形成緩沖層11，用GaN形成溝道層12，并且用InxAlhNdn組成比率x :0. 18 < x < O. 53)形成電子供應(yīng)層13，電子供應(yīng)層13的A軸長度大于緩沖層11的A軸長度，并且電子供應(yīng)層13的帶隙大于溝道層12的帶隙。圖5是示出在根據(jù)圖I所示的本實(shí)施例的FET中，當(dāng)包含InxAlhN的電子供應(yīng)層13中的In組成比率X變化時(shí)，應(yīng)變能(縱軸J/m2)與垂直方向電場強(qiáng)度(橫軸V/cm)的依賴關(guān)系的計(jì)算結(jié)果的曲線圖。在圖5中，虛線(x = 0. 175)示出了當(dāng)包含InAlN的電子供應(yīng)層13與包含GaN的緩沖層11晶格匹配時(shí)應(yīng)變能與In組成比率的依賴關(guān)系，其對(duì)應(yīng)于根據(jù)相關(guān)技術(shù)2 (比較示例)的FET。在In組成比率X為O. 20,0. 225和O. 25的情況下的特性為二次函數(shù)的形式。作為分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)包含InxAlhN的電子供應(yīng)層13中的In組成比率x在O. 18 < X < O. 53的范圍內(nèi)時(shí)，可以獲得抵消應(yīng)變能的實(shí)驗(yàn)性效果。然而，在In組成比率X > O. 25的情況下晶格失配增加，并且如圖5所示在電場強(qiáng)度=O的熱平衡時(shí)不期望的應(yīng)變能過分增加。因此，期望將In組成比率X設(shè)定在O. 19 < X
<O. 25的范圍內(nèi)。作為進(jìn)一步分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)如圖5所示，當(dāng)In組成比率X設(shè)定在大約O. 2時(shí)，F(xiàn)ET內(nèi)部的應(yīng)變能最小。在In組成比率X = O. 20的情況下，特性為二次函數(shù)的形式，在大約I. 5X107V/cm的電場強(qiáng)度下呈現(xiàn)最小應(yīng)變能(=O)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過將In組成比率X設(shè)定在例如O. 19 < X < O. 21的范圍內(nèi)，能夠充分獲得本發(fā)明的功能和效果。在下文中，參考圖I，解釋根據(jù)上述實(shí)施例的FET的制造方法(這里，In組成比率X設(shè)定為O. 2) ο例如,通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(縮寫為M0CVD)方法,在(111)平面娃(Si)襯底10上以如下順序生長包含通過交替堆疊未摻雜的AlN和未摻雜的GaN形成的超晶格的200nm厚度的成核層(圖中未示出)、包含未摻雜的GaN的緩沖層11 (層厚度1 μ m)、包含未摻雜的GaN的溝道層12 (層厚度50nm)和包含未摻雜的Ina2Ala8N的電子供應(yīng)層13 (層厚度20nm)。這里，半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)是通過生長方向平行于
晶軸的Ga平面生長形成的。溝道層生長在緩沖層的(OOOl)Ga面晶平面上。電子供應(yīng)層(InAlN) 13的厚度被設(shè)定為使得比在緩沖層(GaN) 11上產(chǎn)生位錯(cuò)的臨界膜厚度薄。通過這樣做，能夠獲得抑制產(chǎn)生位錯(cuò)的良好的結(jié)晶質(zhì)量?；谧园l(fā)極化效應(yīng)和壓電極化效應(yīng)，在包含InAlN的電子供應(yīng)層13和包含GaN的溝道層12之間的界面上，會(huì)產(chǎn)生具有約3X IO13CnT2的面積域密度的正電荷。因此，盡管電子供應(yīng)層13和溝道層12都是未摻雜的，但會(huì)在包含GaN的溝道層12中形成了 2DEG層16。例如，通過蒸發(fā)和合金諸如鈦(Ti)/鋁(Al)/鎳(Ni)/金(Au)的金屬，在電子供應(yīng)層13上分別形成源電極141和漏電極142，并與2D EG層16歐姆接觸。隨后，通過離子注入氮(N)等，實(shí)現(xiàn)器件隔離。在介于源電極141和漏電極142之間的區(qū)域中，在包含InAlN的電子供應(yīng)層13上，通過蒸發(fā)和剝離如Ni/Au的金屬形成柵電極15。通過這種方式制造了如圖I所示的那樣的FET。第二實(shí)施例圖6是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的FET的截面結(jié)構(gòu)的圖。在圖6中，數(shù)字20表示襯底，21表示經(jīng)受晶格弛豫的包含AlzlGah1N的緩沖層，22是包含GaN的溝道層，并且23是包含Alz2Gah2N的電子供應(yīng)層。這里，Z1和Z2具有O彡Z2 < Z1彡I的關(guān)系。通過生長方向與
晶軸平行的Ga平面生長形成半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，電子供應(yīng)層23的帶隙大于溝道層22的帶隙，并且電子供應(yīng)層23的A軸長度大于緩沖層21的A軸長度。在電子供應(yīng)層23中在熱平衡時(shí)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。2DEG層26形成在溝道層22中，并且以相對(duì)的方式形成源電極241和漏電極242，它們與2DEG層26電耦合。絕緣膜27形成在電子供應(yīng)層23上，并且以嵌入形成在絕緣膜27中的開口 28中的方式形成柵電極25。柵電極25被形成為使得在其源側(cè)端部分和漏側(cè)端部分覆蓋絕緣膜27，并具有屋檐形狀。該屋檐形狀的部分用作場板結(jié)構(gòu)，以減輕所謂的電場集中。根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)具有通過
晶軸的生長方向的Ga平面生長形成的應(yīng)變層，其中電子供應(yīng)層23的帶隙大于溝道層22的帶隙，并且電子供應(yīng)層23的A軸長度大于緩沖層21的A軸長度。因此，基于與第一實(shí)施例相同的原理，熱平衡時(shí)電子供應(yīng)層23的內(nèi)應(yīng)變和伴隨逆壓電效應(yīng)的應(yīng)變偏差彼此抵消(參考表達(dá)式(8))，因此，施加漏電壓時(shí)的應(yīng)變能是受限的。此外在本實(shí)施例中，產(chǎn)生在柵極的漏極側(cè)端的電場集中被場板效應(yīng)減弱。因此，垂直方向電場F3降低，并且根據(jù)表達(dá)式(9)，進(jìn)一步抑制了由逆壓電效應(yīng)造成的應(yīng)變能增加。圖7是示出在圖6中示出的FET結(jié)構(gòu)中當(dāng)電子供應(yīng)層(Alz2Gai_z2N) 23的Al組成比率Z2變化時(shí)，應(yīng)變能與垂直方向電場強(qiáng)度的依賴關(guān)系的計(jì)算結(jié)果的曲線圖。緩沖層(AlzlGa1^1N) 21的Al組成比率Z1固定為O. 2。在圖7中，虛線(Z2 = O. 2,Z1 = O)示出了與根據(jù)相關(guān)技術(shù)I的FET相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變能與垂直方向電場強(qiáng)度的依賴關(guān)系。作為分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)如果滿足表達(dá)式Z2 < Z1，則可以獲得抵消應(yīng)變能的實(shí)驗(yàn)性效果。作為進(jìn)一步分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Z1-Z2的值設(shè)定為約O. I時(shí)，作為在圖7中示出的Z2 = O. 1，Z1 = O. 2的結(jié)果，能夠最小化FET內(nèi)部的應(yīng)變能。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，當(dāng)滿足表達(dá)式O. 05 < Z1-Z2 < O. 15時(shí)，可以充分獲得期望的功能和效果。在下文中，解釋根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的FET的制造方法(Z2 = O. 1，Z1 = O. 2的情況)。例如，通過MOCVD方法，在(111)平面Si襯底20上以如下順序生長包含通過交替堆疊未摻雜的AlN和未摻雜的GaN形成的超晶格的200nm厚度的成核層(圖中未示出)、包含未慘雜的Ala 2Ga0 8N的緩沖層21(層厚度lym)、包含未慘雜的GaN的溝道層22 (層厚度50nm)和包含η型AlaiGaa9N的電子供應(yīng)層23 (層厚度20nm)。這里，半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)是通過生長方向平行于
晶軸的Ga平面生長形成的。溝道層22生長在(OOOl)Ga面晶平面上。溝道層(GaN) 22和電子供應(yīng)層(AlGaN) 23的厚度被設(shè)定為使得比在緩沖層(AlGaN) 21上產(chǎn)生位錯(cuò)的臨界膜厚度薄。通過這樣做，能夠獲得抑制產(chǎn)生位錯(cuò)的良好的結(jié)晶 質(zhì)量。例如，Si用作加入到電子供應(yīng)層(AlGaN) 23的η型雜質(zhì)，并且例如該雜質(zhì)的濃度設(shè)定為約5 X IO18Cm 3O基于自發(fā)極化效應(yīng)和壓電極化效應(yīng)，在緩沖層(AlGaN)21和溝道層(GaN) 22之間的界面上，會(huì)產(chǎn)生具有約IXlO13cnT2的表面密度的負(fù)電荷。此外，在電子供應(yīng)層(AlGaN) 23和溝道層(GaN) 22之間的界面上，產(chǎn)生了具有約5 X IO12CnT2的表面密度的正電荷。然而，由于高濃度的η型雜質(zhì)加入到電子供應(yīng)層(AlGaN) 23中，所以在溝道層(GaN) 22 中形成了 2DEG 層 26。例如，通過蒸發(fā)和合金諸如鈦(Ti)/鋁(Al)/鎳(Ni)/金(Au)的金屬，在電子供應(yīng)層23上分別形成源電極241和漏電極242，并與2DEG層26歐姆接觸。隨后，通過N等的離子注入，實(shí)現(xiàn)器件隔離。隨后，例如，通過等離子體化學(xué)氣相沉積(縮寫為“PECVD” )方法，形成包含氮化硅(Si3N4)的絕緣膜27 (膜厚度60nm)。在通過普通的光刻方法形成開口圖案之后，通過移除絕緣膜27并且例如通過用諸如氟化硫(SF6)的反應(yīng)氣體的干蝕刻方法暴露電子供應(yīng)層23，來形成開口 28。隨后，例如通過蒸發(fā)和剝離如Ni/Au的金屬，以嵌入到開口 28中的方式，形成柵電極25。通過這種方式制造了如圖6所示那樣的FET。第三實(shí)施例圖8是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的截面結(jié)構(gòu)的圖。在圖8中，數(shù)字30表示襯底，31表示經(jīng)過晶格弛豫的緩沖層，32表示溝道層，并且33表示電子供應(yīng)層。這里，通過生長方向平行于
晶軸的V族原子平面生長形成半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，電子供應(yīng)層33的帶隙大于溝道層32的帶隙，并且電子供應(yīng)層33的A軸長度小于緩沖層31的A軸長度。也就是說，在電子供應(yīng)層33中在熱平衡時(shí)產(chǎn)生拉伸應(yīng)變。這里，在緩沖層31和電子供應(yīng)層33中，在溝道層32的III族原子平面?zhèn)壬洗嬖诘膶邮蔷彌_層31，在溝道層32的V族原子平面?zhèn)壬洗嬖诘膶邮请娮庸?yīng)層33，并且III族原子平面?zhèn)壬系膶?緩沖層31)的A軸長度大于V族原子平面?zhèn)壬系膶?電子供應(yīng)層33)的A軸長度。2DEG層36形成在溝道層12中，并且以相對(duì)的方式形成源電極341和漏電極342，它們與2DEG層36電耦合。
柵電極35形成在電子供應(yīng)層33介于源電極341和漏電極342之間的部分上。圖9是示意性示出了在圖8示出的FET的電子供應(yīng)層33中晶格應(yīng)變的量與漏電壓的依賴關(guān)系的曲線圖。圖10是示意性示出應(yīng)變能與漏電壓的依賴關(guān)系的曲線圖。在圖9和10中，作為比較示例，還示出了根據(jù)相關(guān)技術(shù)I和2的FET的特性。在零漏電壓(漏電壓=0)的熱平衡時(shí)，電子供應(yīng)層33在拉伸方向上具有內(nèi)應(yīng)變，且內(nèi)應(yīng)變與漏電壓的增加成比例地從拉伸轉(zhuǎn)為壓縮，并且隨著漏電壓的增加，內(nèi)應(yīng)變一度減小然后轉(zhuǎn)為增加。結(jié)果，例如，劣化開始電壓約為360V，與相關(guān)技術(shù)I和2的180V和240V相比顯著增加了。
在下文中，解釋本實(shí)施例中晶格應(yīng)變和應(yīng)變能的這種表現(xiàn)的原理。在本實(shí)施例中，由于電子供應(yīng)層33的晶格常數(shù)(A軸長度)比緩沖層31的晶格常數(shù)(A軸長度)小，所以在熱平衡狀態(tài)，在電子供應(yīng)層33中沿著的平面存在拉伸方向上的應(yīng)
變向量(-ε Ky)，- ε 2(y)，0) ( ε κΥ) > O, ε 2(y) > O)。當(dāng)電壓施加到柵極使得漏極可以具有正電勢(shì)時(shí)，在從襯底30向電子供應(yīng)層33中的表面的方向上，會(huì)產(chǎn)生電場向量(0，0，F(xiàn)3) (F3 < O)。根據(jù)逆壓電效應(yīng)的原理，如果垂直方向電場F3施加到電介質(zhì)上,則在水平方向上會(huì)產(chǎn)生與電場強(qiáng)度成比例的應(yīng)變偏差(Δ ε 1(y), Δ ε 2(y),0)。這里，Δ ε i(y) (i = 1,2)通過下面的表達(dá)式(10)表示。Δ ε i(y) = -(IiswF3(10)在表達(dá)式(10)中，di3(y) (i = 1,2)是在組成電子供應(yīng)層33的材料中連接垂直方向電場分量F3與水平方向應(yīng)變?chǔ)?ε i(y)的壓電分量。當(dāng)半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)是生長方向平行于
晶軸的V族原子平面生長，并且電場從襯底10指向表面時(shí)，應(yīng)變偏差指向壓縮方向。因此，在電子供應(yīng)層33中產(chǎn)生的應(yīng)變向量(ε T1(y)，ε T2(y),0)由下面表達(dá)式(11)表不。ε Ti(y) — ε i(y)_di3(x)F3(11)由于伴隨晶格失配的應(yīng)變?chǔ)?i(y)指向在拉伸方向，并且由逆壓電效應(yīng)造成的應(yīng)變?chǔ)?ε i(y)指向在壓縮方向，所以它們彼此抵消，并且減小了電子供應(yīng)層33中的內(nèi)應(yīng)變。由于應(yīng)變的量與垂直方向電場分量F3成比例增加，所以獲得了圖9所示的晶格應(yīng)變和電壓之間的關(guān)系。根據(jù)虎克定律，此時(shí)的應(yīng)變能Ey由下面的表達(dá)式(12)表示。Ey — EY(y)hy ( ε 1(y)+d13(y)F3)(12)在上述表達(dá)式(12)中，EY(y)表不組成電子供應(yīng)層33的材料的楊氏模量。hy表不在柵電極35下面部分的電子供應(yīng)層33的厚度。這里，由于V族原子平面生長，假設(shè)沿著平面(i = 1，2)的方向是彼此等效的。由于應(yīng)變能Ex與垂直方向電場分量F3的平方成比例增加(F3的平方的系數(shù)是正值)，所以獲得了圖10所示的應(yīng)變能和電壓之間的關(guān)系。通過這種方式，在本實(shí)施例中，由于伴隨晶格失配的內(nèi)應(yīng)力ε 1(y)和由逆壓電效應(yīng)造成的應(yīng)變△ e1(y)彼此抵消，所以在熱平衡時(shí)內(nèi)應(yīng)變是拉伸的，并且隨著電壓的增加從拉伸轉(zhuǎn)為壓縮。因此，隨著電壓(漏電壓)的增加，應(yīng)變能Ey—度減小然后轉(zhuǎn)為增加，并且與相關(guān)技術(shù)I和2相比，劣化開始電壓(應(yīng)變能等于臨界值Ecrit時(shí)的漏電壓360V)顯著提聞。然后，由于電子供應(yīng)層33的帶隙大于溝道層32的帶隙，2DEG層36形成在溝道層12內(nèi)部，電子在高電子遷移率的溝道層32中行進(jìn)，并因此可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)。在下文中解釋用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的具體晶體結(jié)構(gòu)。從圖4所示，通過將In組成比率y設(shè)定在O < y < O. 17的范圍內(nèi)，InyAlhyN的A軸長度大于GaN的A軸長度，并且InyAVyN的帶隙大于GaN的帶隙。因此，在如圖8所示的這種器件結(jié)構(gòu)中 ，例如，通過用GaN形成緩沖層31，用GaN形成溝道層32，并且用InyAlhNOXySO. 17)形成電子供應(yīng)層33，電子供應(yīng)層33的A軸長度小于緩沖層31的A軸長度，并且電子供應(yīng)層33的帶隙大于溝道層32的帶隙。圖11是示出在圖8所示的FET結(jié)構(gòu)中，當(dāng)包含InyAlpyN的電子供應(yīng)層33的In組成比率y變化時(shí)，應(yīng)變能與垂直方向電場強(qiáng)度的依賴關(guān)系的計(jì)算結(jié)果的曲線圖。在圖11中，虛線(X = O. 175)示出了 InAlN電子供應(yīng)層33與GaN緩沖層11晶格匹配的情況，對(duì)應(yīng)于根據(jù)相關(guān)技術(shù)2的FET。作為分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)包含InyAl1J的電子供應(yīng)層33的In組成比率x在O
<y < O. 17的范圍內(nèi)時(shí)，可以獲得抵消應(yīng)變能的實(shí)驗(yàn)性效果。然而，在y < O. I的情況下，晶格失配增加，并且在熱平衡時(shí)應(yīng)變能不期望地過分增加。因此，期望將y設(shè)定在O. I < y < O. 16的范圍內(nèi)。作為進(jìn)一步分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)如圖11所示，當(dāng)y設(shè)定在約O. 15時(shí)，F(xiàn)ET內(nèi)部的應(yīng)變能可以最小。在實(shí)際應(yīng)用中，通過將y設(shè)定在O. 14<y<0. 16的范圍內(nèi)，能夠充分獲得期望的效果。解釋根據(jù)第三實(shí)施例的FET的制造方法(y = O. 15的情況)。例如，通過MOCVD方法，在(111)面Si襯底30上以如下順序生長包含通過交替堆疊未摻雜的AlN和未摻雜的GaN形成的超晶格的200nm厚度的成核層(圖中未不出)、包含未摻雜的GaN的緩沖層31 (層厚度1 μ m)、包含未摻雜的GaN的溝道層32 (層厚度50nm)和包含η型Ina 15Α10.85Ν的電子供應(yīng)層33 (層厚度20nm)。這里，半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)是通過生長方向平行于
晶軸的N平面生長形成的。溝道層32生長在緩沖層31的(000-1)N面晶平面上。包含Inai5Ala85N的電子供應(yīng)層33的厚度被設(shè)置為使得比在包含GaN的緩沖層31上產(chǎn)生位錯(cuò)的臨界膜厚度薄。通過這樣做，能夠獲得抑制產(chǎn)生位錯(cuò)的良好的結(jié)晶質(zhì)量。例如，Si用作加入到包含Inai5Ala85N的電子供應(yīng)層33的η型雜質(zhì)，并且例如該雜質(zhì)的濃度約設(shè)定為5X1019cnT3?；谧园l(fā)極化效應(yīng)和壓電極化效應(yīng)，在電子供應(yīng)層(Inai5Ala85N) 33和溝道層(GaN) 32之間的界面上，產(chǎn)生了具有約3 X IO13CnT2的表面密度的負(fù)電荷。然而，由于高濃度的η型雜質(zhì)加入到電子供應(yīng)層33中，在溝道層(GaN) 32中形成了 2DEG層36。例如，通過蒸發(fā)和合金諸如Ti/Al/Ni/Au的金屬，在電子供應(yīng)層33上分別形成源電極341和漏電極342，并與2DEG層36歐姆接觸。隨后，通過離子注入N等，實(shí)現(xiàn)器件隔離。通過蒸發(fā)和剝離如Ni/Au的金屬，在電子供應(yīng)層33介于源電極341和漏電極342之間的部分上形成柵電極35。通過這種方式制造了如圖8所示那樣的FET。
第四實(shí)施例圖12是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的截面結(jié)構(gòu)的圖。在圖12中，數(shù)字40表示襯底，41表示經(jīng)受晶格弛豫的包含AlulGa1I1N的緩沖層，42是包含GaN的溝道層，并且43是包含Alu2Gapu2N的電子供應(yīng)層。這里，U1和U2具有O彡U1 < U2彡I的關(guān)系。通過生長方向與
晶軸平行的N平面生長形成半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，電子供應(yīng)層43的帶隙大于溝道層42的帶隙，并且電子供應(yīng)層43的A軸長度小于緩沖層41的A軸長度。也就是說，在電子供應(yīng)層43中在熱平衡時(shí)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。溝道層42形成在緩沖層41的(000-1)Ga面晶平面上。2DEG層46形成在溝道層42中，并且以相對(duì)的方式形成源電極441和漏電極442，它們與2DEG層46電耦合。
絕緣膜47形成在電子供應(yīng)層43上，并且以嵌入形成在絕緣膜47中的開口 48中的方式形成柵電極45。柵電極45被形成為使得在其源側(cè)端部分和漏側(cè)端部分覆蓋絕緣膜47，并具有屋檐形狀。該屋檐形狀的部分用作所謂的場板。根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)具有通過
晶軸的生長方向的N平面生長形成的應(yīng)變層，其中電子供應(yīng)層43的帶隙大于溝道層42的帶隙；并且電子供應(yīng)層43的A軸長度小于緩沖層41的A軸長度。因此，在本實(shí)施例，基于與第三實(shí)施例類似的原理，熱平衡時(shí)電子供應(yīng)層43的內(nèi)應(yīng)變和伴隨逆壓電效應(yīng)的應(yīng)變偏差彼此抵消；因此，施加漏電壓時(shí)的應(yīng)變能是受限的。此外在本實(shí)施例中，產(chǎn)生在柵極的漏極側(cè)端的電場集中被場板效應(yīng)減弱。因此，垂直方向電場分量&降低，并且根據(jù)表達(dá)式(12)，進(jìn)一步抑制了由逆壓電效應(yīng)造成的應(yīng)變能增加。圖13是示出在圖12中示出的FET結(jié)構(gòu)中當(dāng)包含Alu2Ga1I2N的電子供應(yīng)層43的Al組成比率112變化時(shí)，應(yīng)變能與垂直方向電場強(qiáng)度的依賴關(guān)系的計(jì)算結(jié)果的曲線圖。包含AlulGa1I1N的緩沖層41的Al組成比率U1固定為O. I。在圖13中，虛線(U2 = O. 2,U1 = O)示出了在根據(jù)相關(guān)技術(shù)I的FET (Ga平面生長)中應(yīng)變能與垂直方向電場強(qiáng)度的依賴關(guān)系。作為分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)如果緩沖層的Al組成比率U1和電子供應(yīng)層43的Al組成比率U2滿足表達(dá)式U1 < U2,則可以獲得抵消應(yīng)變能的實(shí)驗(yàn)性效果。作為進(jìn)一步分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)Su2-U1的值設(shè)定為約O. I時(shí)，作為在圖13中示出的U2 = O. 2，U1 = O. I的結(jié)果，能夠最小化FET內(nèi)部的應(yīng)變能。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，當(dāng)滿足表達(dá)式O. 05 < U2-U1 < O. 15時(shí)，可以充分獲得期望的功能和效果。在下文中，解釋根據(jù)本發(fā)明的本實(shí)施例的FET的制造方法(這里，U2 = O. 1，U1 =O. O的情況)。例如，通過MOCVD方法，在(111)平面Si襯底40上以如下順序生長包含通過交替堆疊未摻雜的AlN和未摻雜的GaN形成的超晶格的200nm厚度的成核層(圖中未示出)、包含未摻雜的GaN的緩沖層41 (層厚度1 μ m)、包含未摻雜的GaN的溝道層42 (層厚度50nm)和包含η型Ala ^a0.9N的電子供應(yīng)層43 (層厚度20nm)。這里，半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)是通過生長方向平行于
晶軸的N平面生長形成的。溝道層42生長在緩沖層41的(OOO-I)N面晶平面上。包含AlaiGaa9N的電子供應(yīng)層43的厚度被設(shè)定為使得比在包含GaN的緩沖層41上產(chǎn)生位錯(cuò)的臨界膜厚度薄。通過這樣做，能夠獲得抑制產(chǎn)生位錯(cuò)的良好的結(jié)晶質(zhì)量。例如，Si用作加入到包含Alci lGatl 9N的電子供應(yīng)層43的η型雜質(zhì)，并且該雜質(zhì)的濃度設(shè)定為約5 X IO18CnT3?；谧园l(fā)極化效應(yīng)和壓電極化效應(yīng)，在電子供應(yīng)層(AlGaN)43和溝道層(GaN)42之間的界面上，會(huì)產(chǎn)生具有約5X IO12CnT2的表面密度的負(fù)電荷。然而，由于高濃度的η型雜質(zhì)加入到電子供應(yīng)層43中，在溝道層(GaN) 42中形成了 2DEG層46。例如，通過蒸發(fā)和合金諸如Ti/Al/Ni/Au的金屬，在電子供應(yīng)層43上分別形成源電極441和漏電極442，并與2DEG層46歐姆接觸。隨后，通過N等的離子注入，實(shí)現(xiàn)器件隔離。
隨后，例如，通過PECVD方法，形成包含Si3N4的絕緣膜47 (60nm)。在通過普通的光刻方法形成開口圖案之后，通過移除絕緣膜47并且例如通過用如SF6的反應(yīng)氣體的干蝕刻方法暴露電子供應(yīng)層43，來形成開口 48。隨后，例如通過蒸發(fā)和剝離如Ni/Au的金屬，以嵌入到開口 48中的方式，形成柵電極45。通過這種方式制造了如圖12所示的那樣的FET。雖然已經(jīng)根據(jù)上述實(shí)施例解釋了本發(fā)明，但是理所當(dāng)然，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例，并且包括對(duì)應(yīng)本發(fā)明原理的各種實(shí)施例。例如，雖然在上述實(shí)施例中Si用作襯底，但是也可以采用包含碳化硅(SiC)、藍(lán)寶石(Al2O3)、GaN、金剛石(C)等的其它襯底。雖然在上述實(shí)施例中AlN和GaN的超晶格用作成核層，但是也可以使用單層的AlN、AlGaN、GaN 等。雖然在上述實(shí)施例中GaN或AlGaN用作緩沖層的材料，但是也可以使用包含A1N、氮化銦鎵(InGaN)、InAlN, InAlGaN等的其它III族氮化物半導(dǎo)體。雖然在上述實(shí)施例中GaN用作溝道層的材料，但是也可以使用具有比電子供應(yīng)層小的帶隙的其它III族氮化物半導(dǎo)體。例如，可以采用包含AlGaN、InAlN、InAlGaN、InGaN、氮化銦(InN)等的其它III族氮化物半導(dǎo)體。雖然在上述實(shí)施例中InAlN或AlGaN用作電子供應(yīng)層的材料，但是也可以采用具有比溝道層大的帶隙的其它III族氮化物半導(dǎo)體。例如，可以采用AlN、GaN、InAlGaN、InGaN
坐寸ο雖然在上述實(shí)施例中電子供應(yīng)層是未摻雜的或η型的，但是也可以采用多層結(jié)構(gòu)，如包含未摻雜層和η型層的雙層結(jié)構(gòu)或包含未摻雜層、η型層和未摻雜層的三層結(jié)構(gòu)。雖然在上述實(shí)施例中Si3N4用作絕緣膜，但是也可以使用包含氧化鋁(Al2O3)、氧化硅(SiO2)等的其它絕緣材料。雖然在上述實(shí)施例中使用Ti/Al/Ni/Au作為源電極和漏電極的材料，但是也可以使用其它材料，如 Ti/Al、Ti/Al/鑰(Mo)/Au，*Ti/Al/· (Nb)/Au。雖然在上述實(shí)施例中使用Ni/Au作為柵電極的材料，但是也可以使用其它材料，如Ni/ 鈀(Pd) /Au、Ni/ 鉬(Pt) /Au、Ti/Au、Ti/Pd/Au,或 Ti/Pt/Au。雖然在上述實(shí)施例中柵電極形成在電子供應(yīng)層上，但是也可以在電子供應(yīng)層和柵電極之間插入例如厚度為幾nm的蓋帽層，蓋帽層包含諸如AIN、AlGaN, GaN, InAlN,InAlGaN, InGaN或InN的III族氮化物半導(dǎo)體。
雖然在上述實(shí)施例中溝道層形成在電子供應(yīng)層上，但是也可以在電子供應(yīng)層和溝道層之間插入例如厚度為幾nm的間隔層，間隔層包含諸如AIN、AlGaN, GaN, InAlN,InAlGaN, InGaN或InN的III族氮化物半導(dǎo)體。雖然在上述實(shí)施例中通過在電子供應(yīng)層上形成柵電極形成了肖特基型柵極，但是也可以使用通過在電子供應(yīng)層和柵電極之間插入A1203、SiO2, Si3N4等的絕緣膜形成的金屬-絕緣膜-半導(dǎo)體(MIS)型柵極。雖然在上述實(shí)施例中通過N等的離子注入實(shí)現(xiàn)了器件隔離，但是對(duì)于離子注入可以使用如硼(B)的其它離子。而且，也可以通過臺(tái)面腐蝕實(shí)現(xiàn)器件隔離。雖然在上述實(shí)施例中沒有在器件的最外表面上形成保護(hù)膜，但是可以形成包含諸如Si3N4、SiO2或Al2O3的絕緣材料的保護(hù)膜。本發(fā)明能夠獲得一種包含高劣化開始電壓的氮化物半導(dǎo)體的FET，并且大大有助于提高用于便攜式電話基站、固定無線電傳輸設(shè)備、數(shù)字廣播地面基站、雷達(dá)設(shè)備、馬達(dá)控制器、高頻發(fā)生器、供電設(shè)備、逆變照明燈等的電子器件的性能。前文提到的專利文獻(xiàn)和非專利文獻(xiàn)中的公開通過引用并入本說明書中。在本申請(qǐng)中所有公開(包含權(quán)利要求)的要旨的范圍內(nèi)，并且進(jìn)一步基于它們的基本技術(shù)思想，能夠修改和調(diào)整實(shí)施例。此外，在本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍內(nèi)，能夠不同地組合或選擇各種公開部件。也就是說，理所當(dāng)然，本發(fā)明包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)包括權(quán)利要求和技術(shù)思想的所有公開所能夠進(jìn)行的各種修改和修正。
權(quán)利要求
1.一種配備有場效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體器件，所述場效應(yīng)晶體管包括 分別使用III族氮化物半導(dǎo)體以緩沖層、溝道層和電子供應(yīng)層的順序堆疊在襯底上方的半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)； 源電極，所述源電極與所述溝道層電耦合； 漏電極，所述漏電極與所述溝道層電耦合；以及 柵電極，所述柵電極形成在所述電子供應(yīng)層上方， 其中，在所述緩沖層和所述電子供應(yīng)層中，存在于所述溝道層的III族原子平面?zhèn)壬系膶泳哂斜却嬖谟谒鰷系缹拥腣族原子平面?zhèn)壬系膶哟蟮腁軸長度；并且所述電子供應(yīng)層具有比所述溝道層大的帶隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中存在于所述溝道層的所述III族原子平面?zhèn)壬系乃鲭娮庸?yīng)層的A軸長度比存在于所述溝道層的所述V族原子平面?zhèn)壬系乃鼍彌_層的A軸長度大。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中存在于所述溝道層的所述V族原子平面?zhèn)壬系乃鲭娮庸?yīng)層的A軸長度比存在于所述溝道層的所述III族原子平面?zhèn)壬系乃鼍彌_層的A軸長度小。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中所述緩沖層包含GaN，所述溝道層包含GaN，并且所述電子供應(yīng)層包含具有壓縮應(yīng)變的InxAU其中O. 18 < X < O. 53。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中所述緩沖層包含AlzlGah1N，其中O<Z1≤1，所述溝道層包含GaN，并且所述電子供應(yīng)層包含具有壓縮應(yīng)變的Alz2Gah2N，其中.O ≤Z2 < 1, Z2 < Z1。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其中所述緩沖層包含GaN，所述溝道層包含GaN，并且所述電子供應(yīng)層包含具有拉伸應(yīng)變的InyAl^N,其中O < y < O. 17。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其中所述緩沖層包含AlulGah1N，其中O≤U1<1，所述溝道層包含GaN，并且所述電子供應(yīng)層包含具有拉伸應(yīng)變的Alu2Ga1JN,其中O<U2≤I, U1 < u2。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件，其中所述電子供應(yīng)層包含軸長度具有壓縮應(yīng)變的 InxAlhN,其中 O. 19 < X < O. 25。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中所述電子供應(yīng)層包含具有壓縮應(yīng)變的Alz2Ga^z2N,其中 O ^ z2 < I, z2 < Z1,0. 05 < Z1-Z2 < O. 15。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件，其中所述電子供應(yīng)層包含具有壓縮應(yīng)變的InyAVyN,其中 O. I < y < O. 16。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件，其中所述電子供應(yīng)層包含具有拉伸應(yīng)變的Alu2Ga^u2N,其中 O < U2 ^ I, U1 < U2,0. 05 < U2-U1 < O. 15。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中所述器件在所述電子供應(yīng)層上方具有絕緣膜；所述柵電極的下部嵌入到形成在所述絕緣膜中的開口中；并且所述柵電極的上部的與所述源電極和所述漏電極相對(duì)的各側(cè)分別向所述源電極側(cè)和所述漏電極側(cè)突出，并覆蓋所述絕緣膜。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中所述溝道層形成在所述緩沖層的(0001)Ga面晶平面上。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中所述溝道層形成在所述緩沖層的(000-1)N面晶平面上。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中所述緩沖層經(jīng)受晶格弛豫。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中所述緩沖層、所述溝道層和所述電子供應(yīng)層以此順序以與
晶軸平行的III族原子平面生長模式形成在所述襯底上方。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中所述緩沖層、所述溝道層和所述電子供應(yīng)層以此順序以與
晶軸平行的V族原子平面生長模式形成在所述襯底上方。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件，其包含場效應(yīng)晶體管，該場效應(yīng)晶體管具有經(jīng)受晶格弛豫的緩沖層、溝道層和電子供應(yīng)層，以此順序以與
或
晶軸平行的生長模式按順序使用III族氮化物半導(dǎo)體分別形成在襯底上；并且具有源電極和漏電極，它們與溝道層電耦合；以及形成在電子供應(yīng)層上的柵電極，其中，在緩沖層和電子供應(yīng)層中，存在于溝道層的III族原子平面?zhèn)壬系膶泳哂斜却嬖谟跍系缹拥腣族原子平面?zhèn)壬系膶哟蟮腁軸長度；并且電子供應(yīng)層具有比溝道層大的帶隙。
文檔編號(hào)H01L29/10GK102651396SQ20121004817
公開日2012年8月29日 申請(qǐng)日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者安藤裕二 申請(qǐng)人:瑞薩電子株式會(huì)社