專利名稱：氮化物半導體元件及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化物半導體元件及制造方法。
背景技術(shù)：
以往，作為斷開耐壓高的功率器件，作為氮化物系化合物半導體元件，公知的有用于緩和由基板和氮化物系化合物半導體之間的晶格常數(shù)差以及熱膨脹系數(shù)差引起的變形的緩沖層的元件(例如參照專利文獻1-5)。該緩沖層重復具有包含AlN層和GaN層的復合層。
專利文獻I日本特開2007-88426號公報
專利文獻2日本特開2009-289956號公報
專利文獻3日本專利第4525894號公報
專利文獻4日本特開2010-239034號公報
專利文獻5日本特表2007-518266號公報
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題
但是，由于AlN層和GaN層之間的晶格常數(shù)差，導致在緩沖層上產(chǎn)生2維電子氣的載流子(carrier)。因此，在AlN層和GaN層之間的界面上形成橫方向的泄漏路徑，漏電流增大。對此，有在AlN層和GaN層之間設置AlGaN層的方法(參照專利文獻3)。但是，即使采用該結(jié)構(gòu)，由于AlN層和GaN層的晶格常數(shù)差不變，因此在緩沖層整體上產(chǎn)生的載流子的總量也不變。因此，不能充分抑制漏電流。
此外，有這樣的方法通過向緩沖層中的GaN層添加雜質(zhì)來使GaN層高電阻化，減小緩沖層引起的漏電流的影響(參照專利文獻4、5)。作為該雜質(zhì)，已知有碳以及鐵和鎳等過渡金屬。但是，若在外延層添加高濃度的雜質(zhì)，則會在外延層產(chǎn)生裂紋，并且位錯密度增大，電子移動度下降。此外，過渡金屬的添加會產(chǎn)生使電流崩塌(collapse)以及電流暴跌 (slump)這樣的導通電阻惡化的現(xiàn)象。
解決課題的手段
在本發(fā)明的第一方式中，提供一種氮化物半導體元件，其具有基板；緩沖層，形成在所述基板的上方；活性層，形成在所述緩沖層上；以及至少兩個電極，形成在所述活性層的上方，所述緩沖層具有I層以上的復合層，所述復合層包含晶格常數(shù)不同的多個氮化物半導體層，對于所述復合層的至少I層而言，在所述多個氮化物半導體層中的晶格常數(shù)最大的氮化物半導體層中，在由于與上一層的氮化物半導體層之間的晶格常數(shù)差而產(chǎn)生載流子的載流子區(qū)域的至少一部分，摻雜有碳原子和氧原子。
在本發(fā)明的第二方式中，提供一種氮化物半導體元件的制造方法，具備在襯底的上方形成緩沖層的步驟；在緩沖層上形成活性層的步驟；以及在活性層的上方形成至少兩個電極的步驟，在形成緩沖層的步驟中具有層疊I層以上的復合層的層疊步驟，該復合層包含晶格常數(shù)不同的多個氮化物半導體層；以及摻雜步驟，在所述復合層的至少I層中的、 所述多個氮化物半導體層中的晶格常數(shù)最大的氮化物半導體層中，在由于與上一層的氮化物半導體層之間的晶格常數(shù)差而產(chǎn)生載流子的載流子區(qū)域的至少一部分，同時摻雜碳原子和氧原子。
并且，上述發(fā)明的概要并非是列舉了本發(fā)明所需要的全部必要特征。此外，這些特征群的組合也能成為發(fā)明。


圖1表示用于氮化物半導體元件的緩沖層的一部分的剖面圖。
圖2表示模擬中使用的GaN/AlN/GaN層疊構(gòu)造的原子模型。
圖3表示不含雜質(zhì)情況下的GaN層的上部中的狀態(tài)密度和能量的關(guān)系的曲線圖。
圖4表示雜質(zhì)的種類和圖2所示的原子模型的系統(tǒng)的內(nèi)聚能之間的關(guān)系的曲線圖。
圖5表示同時摻雜了碳和氧的情況下，AlN層下一層的GaN層的上部中的狀態(tài)密度和能量之間的關(guān)系的曲線圖。
圖6為本發(fā)明的第I實施方式涉及的外延基板的剖面圖。
圖7為電極以及形成電極的外延基板的平面圖。
圖8為測量了外延基板的漏電流特性的曲線圖。
圖9為本發(fā)明的第2實施方式涉及的氮化物半導體元件的剖面圖。
圖10為本發(fā)明的第3實施方式涉及的氮化物半導體元件的剖面圖。
符號說明
10、14、32、36、222、282、322、382 GaN 層
12、34、214、224、314、324A1N 層
17 :鎵原子
18 :氮原子
19 :招原子
20 :施主能級
22 :受主能級
30-,210-,310 :某底某板
31:晶種層
33 :載流子區(qū)域
37、280、380、400 緩沖層
38、39、292、294、394、396、398 :電極
40、42:曲線
100 :外延基板
200,300 :氮化物半導體元件
212、312:介入層
220、320 :復合層
263,365 :摻雜區(qū)域
290、390 :溝道層
343 AlGaN 層
392 電子供給層具體實施方式
以下，通過發(fā)明的實施方式說明了本發(fā)明。但是，以下的實施方式并非限定請求范圍的發(fā)明。此外，并不限定在實施方式中說明的特征的組合的全部就是發(fā)明的解決手段所必須的。
圖1是表示氮化物半導體元件中使用的緩沖層400的一部分的剖面圖。緩沖層 400例如形成在硅基板和GaN層等活性層之間。由于GaN和硅的晶格常數(shù)差( 17%)以及熱膨脹系數(shù)差( 56%)較大，若使GaN等活性層直接成長在硅基板上，則在外延成長膜上產(chǎn)生裂紋，或者基板被割裂。因此，在硅基板和GaN層之間設置有緩沖層400，該緩沖層400是將AlN層和GaN層反復重疊后的復合層層疊了多次后的層。圖1表示作為緩沖層 400的一部分的GaN層10、AlN層12、以及GaN層14。
如果在GaN層10上層疊了 AlN層12，則由于層間的晶格常數(shù)差，有時會在GaN層 10的上部產(chǎn)生2維電子氣。在HEMT等中，使用該2維電子氣作為溝道。但是，如果AlN層 12的厚度變大，則由該晶格常數(shù)差引起的變形就緩和。也考慮到若AlN層12的厚度變大， 則雖然在GaN層10上由于層間的晶格常數(shù)差產(chǎn)生載流子，但是載流子不會像2維電子氣那樣高密度地局部存在。在本說明書中，包括載流子沒有像作為HEMT的溝道使用的2維電子氣那樣高密度地存在的程度的狀態(tài)，將由層間的晶格常數(shù)差產(chǎn)生的載流子稱為2維電子氣的載流子。此外，將2維電子氣的載流子所存在的區(qū)域稱為載流子區(qū)域。
如上所述，在GaN層10上由于層間的晶格常數(shù)差而產(chǎn)生2維電子氣的載流子。因此，在AlN層12和GaN層10之間的界面上形成橫方向的泄漏路徑，漏電流增大。在本發(fā)明的實施方式中，在緩沖層400的復合層中包含的多個氮化物半導體層中，在晶格常數(shù)最大的氮化物半導 體層中同時摻雜碳原子和氧原子，從而補償2維電子氣的載流子。這些摻雜原子被摻雜在產(chǎn)生2維電子氣的載流子的載流子區(qū)域的至少一部分上。其次，說明緩沖層 400中的2維電子氣的能級產(chǎn)生以及驗證由雜質(zhì)原子引起的補償效果的模擬。
圖2表示模擬中使用的GaN/AlN/GaN的層疊構(gòu)造的原子模型。原子模型具有層疊了單元結(jié)構(gòu)2層的GaN層10、單元結(jié)構(gòu)2層的AlN層12以及單元結(jié)構(gòu)2層的GaN層14的超級單兀。GaN層10的厚度大約是lnm，AlN層的厚度大約是lnm，GaN層14的厚度大約是 lnm。圖2的原子模型包含鎵原子17、氮原子18以及鋁原子19，一共具有96個原子。通過對96個原子進行基于局部密度近似的第一原理電子狀態(tài)計算，從而進行了模擬。通過將鎵原子17或氮原子18適當與碳原子或氧原子置換，從而驗證了雜質(zhì)添加的效果。
模擬中使用了 Advance/PHASE。此外，計算中使用了 Vanderbilt型的超軟贗勢 (Ultra-soft pseudo-potentials)。在一般的坡度近似范圍內(nèi)計算交換相互作用?？紤]到電子旋轉(zhuǎn)，在下面的條件進行電子密度分布的計算。截止能量在波動函數(shù)以及電荷密度分布中分別為25Ry以及230Ry。k點采樣以3X3X2來進行，計算出的帶數(shù)是280。首先，說明圖2所示的原子模型不包含雜質(zhì)時的模擬結(jié)果。
圖3是表示不包含雜質(zhì)時的GaN層10的上部中的狀態(tài)密度和能量關(guān)系的曲線圖?？v軸表示AlN層12下一層的GaN層10的上部中的層分割處電子密度的和。橫軸表示將費米能級設為OeV時的能量?？芍谀芰繛榇蠹s2eV 3eV附近(即，傳導帶下大約OeV IeV)存在淺的施主能級20。該淺的施主能級20是由AlN和GaN的晶格常數(shù)差引起的壓電極化形成的能級，作為2維電子氣能級而發(fā)揮功能。
圖3所示的模擬中，由于為在絕對零度連雜質(zhì)也不會添加的條件，因此不存在載流子。因此，淺的施主能級20為空。如果溫度上升且添加雜質(zhì)來供給載流子，則淺的施主能級20中載流子電子15被捕獲。其結(jié)果是，費米能級Ef上升，淺的施主能級20中，被捕獲的載流子電子15作為2維電子氣而作用。一般情況下，公認為在從AlN層12下一層的 GaN層10的表面向基板方向大約IOnm的深度的位置存在作為2維電子氣而作用的載流子。 該載流子成為緩沖層的漏電流源。淺的施主能級20的總數(shù)(密度)換算成表面載流子濃度時，為5.6X1013cnT2。接著，說明圖2所示的原子模型的系統(tǒng)中添加雜質(zhì)情況下的模擬結(jié)果O
圖4是表示雜質(zhì)的種類和圖2所示的原子模型系統(tǒng)的內(nèi)聚能的關(guān)系的曲線圖?？v軸表示圖2所示的原子模型的96個原子的內(nèi)聚能的總和。橫軸表示添加的雜質(zhì)的模型。模型A表不未摻雜雜質(zhì)原子的情況。模型B表不在AlN層12下一層的GaN層10的上部中的載流子區(qū)域摻雜碳，并將碳原子與氮原子置換的情況。這種情況下，摻雜的碳作為受主原子而發(fā)揮功能，形成受主能級。
模型C表示AlN層12下一層的GaN層10的上部的載流子區(qū)域摻雜氧，氧原子與鎵原子置換的情況。這種情況下，摻雜的氧作為受主原子而發(fā)揮功能，形成受主能級。模型 D表示在AlN層12下一層的GaN層10的上部的載流子區(qū)域摻雜氧，氧原子與氮原子置換的情況。這種情況下，摻雜的氧作為施主原子而發(fā)揮功能，形成施主能級。模型E表示在AlN 層12下一層的GaN層10的上部的載流子區(qū)域同時摻雜碳和氧，并將碳原子和氮原子置換， 將氧原子和鎵原子置換的情況。這種情況下，摻雜的碳原子及氧原子作為受主原子而發(fā)揮功能，形成受主能級。
從圖4的曲線圖可知與模型A相比，模型B及模型C的內(nèi)聚能高。模型B表示如僅摻雜碳，則與什么也不摻雜的情況相比，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。即，表示雖然通過在氮位點替換碳從而形成受主能級，但是系統(tǒng)的內(nèi)聚能增加，很難摻雜高濃度的碳。因此，因為只摻雜碳而很難充分地補償2維電子氣能級。
關(guān)于模型C，也表示若只摻雜氧并在鎵位點替換，則與什么也不摻雜的情況相比， 系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。因此，雖然通過在鎵位點替換氧形成受主能級，但是由于與什么也不摻雜的情況相比系統(tǒng)的內(nèi)聚能增加，因此很難摻雜高濃度的氧。
另一方面，與模型A相比，可知模型D和模型E的內(nèi)聚能低。模型D表示在氮位置換氧的情況下，系統(tǒng)比模型A穩(wěn)定。但是在氮位替換的氧形成施主能級，即，向2維電子氣能級供給載流子，不能補償2維電子氣能級。
與此相對，模型E表示內(nèi)聚能最小,通過同時摻雜碳和氧,系統(tǒng)成為最穩(wěn)定的狀態(tài)。這被認為是由以下的理由引起的。
鋁和氧容易結(jié)合。此外，鎵和碳容易結(jié)合。另一方面，有鋁和碳很難結(jié)合的性質(zhì)。 在AlN層12和GaN層10之間的異性界面附近存在鋁，所以碳原子很難進入GaN層的氮位。 但是，通過存在氧，鋁中被引入氧，能夠屏蔽鋁的影響。其結(jié)果是，碳容易進入氮位。并且，在各模型中，補償所有的淺的施主能級。
圖5是表不同時摻雜碳和氧的情況下的AlN層12下一層的GaN層10的上部的載流子區(qū)域中的狀態(tài)密度和能量之間的關(guān)系的曲線圖?？v軸表示AlN層12下一層的GaN層 10的上部的載流子區(qū)域中的層分割處電子密度的和。橫軸表示將費米能級設為OeV時的勢能。在大約從2eV到大約3eV形成淺的施主能級20。此外，在從大約-1eV到大約IeV形成由碳和氧引起的受主能級22。因此，通過被置換為氮位點的碳Cn和被置換為鎵位點的氧 Oea所做的受主能級或深的能級，能夠充分補償2維電子氣能級。
通過同時摻雜碳Cn和氧Oea，在該原子模型的系統(tǒng)中，補償所有的淺的施主能級 20。此外，雖然未圖示，但是可知在AlN層12上一層的GaN層14的異質(zhì)界面附近形成的淺的受主能級的狀態(tài)密度也在模型A的1/30以下。即，也補償與2維電子氣能級同樣形成的 2維空穴氣體能級。因此，能夠降低漏電流。
在此，在摻雜的氧原子的濃度比碳原子的濃度高的情況下，在氮位點替換氧，形成施主能級。因此，不能充分補償2維電子氣能級。因此，優(yōu)選的是，摻雜的碳原子的濃度比氧原子的濃度高。從以上的模擬結(jié)果可知，通過在AlN層12下一層的GaN層10的上部的載流子區(qū)域同時摻雜碳原子和氧原子以使碳原子的濃度比氧原子濃度高，能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定且補償2維電子氣能級。結(jié)果是，能有效地降低緩沖層400的漏電流。
圖6是本發(fā)明的第I實施方式涉及的外延基板100的剖面圖。外延基板100具備基底基板30、晶種層31、緩沖層37以及GaN層36。基底基板30是例如厚度為500 μ m、直徑為2英寸的藍寶石基板。可以通過硅或碳化硅形成基底基板30。
晶種層31形成在基底基板30上。本例的晶種層31包含有在基底基板30上外延成長的GaN。緩沖層37形成在基底基板30的上方。本例的緩沖層37形成在晶種層31上。 并且，所謂“上方”包括在直接相接的狀態(tài)以及在上方?jīng)]有相接的狀態(tài)。此外，所謂“上”是 指直接相接的狀態(tài)。緩沖層37在晶種層31上外延成長。
緩沖層37具有I層以上的復合層，該復合層包含晶格常數(shù)不同的多個氮化物半導體層。在本例中，緩沖層37的復合層是I層。本例的緩沖層37具有GaN層32和AlN層 34。緩沖層37降低由于基底基板30和在基底基板30的上方外延成長的GaN層36之間的晶格常數(shù)差及熱膨脹差引起的外延基板100的彎曲以及位錯密度。GaN層32的厚度例如是 1.4ym0 AlN層34的厚度例如是20nm。GaN層36作為緩沖層的最上層而發(fā)揮功能。GaN 層36例如具有I μ m的厚度。緩沖層37可以將復合層反復層疊，該復合層依次將GaN層32 和AlN層34外延成長而成。
在緩沖層37的至少一個復合層中，在多個氮化物半導體層(GaN層32、AlN層34) 中的、晶格常數(shù)最大的氮化物半導體層(GaN層32)的載流子區(qū)域33中摻雜碳原子和氧原子。碳原子和氧原子被摻雜到載流子區(qū)域33的至少一部分，優(yōu)選的是，摻雜到載流子區(qū)域 33的整體中。載流子區(qū)域33是指在晶格常數(shù)大的氮化物半導體層(GaN層32)中由于與直接上一層的氮化物半導體層(AlN層34)之間的晶格常數(shù)差而產(chǎn)生2維電子氣的載流子的區(qū)域。具體而言，摻雜碳原子和氧原子的摻雜區(qū)域從GaN層32的表面起形成規(guī)定的深度。 摻雜區(qū)域的深度可以是IOnm以上。但是，摻雜區(qū)域的深度為IOOnm以上時，位錯密度增加。 因此，優(yōu)選摻雜區(qū)域的深度為IOnm以上且IOOnm以下。GaN層32在與載流子區(qū)域33不同的區(qū)域可以具有不摻雜碳原子和氧原子的非摻雜區(qū)域。非摻雜區(qū)域相比于載流子區(qū)域33更靠近基底基板30 —側(cè)。即，GaN層32可以比摻雜區(qū)域的深度厚。
碳原子的摻雜濃度例如是I X 1018cm_3 5X 1019cm_3。將碳原子以5X IO19Cm-3以上的濃度摻雜的情況下，GaN層32的表面的結(jié)晶品質(zhì)惡化。如果將碳原子進一步以高濃度來摻雜的話，在基底基板30會產(chǎn)生裂紋。氧原子的摻雜濃度例如是I X IO18CnT3 5 X IO1W30 并且，碳原子和氧原子被有意圖地摻雜。有意圖地摻雜是指將碳原子和氧原子以設計的規(guī)定的濃度來摻雜。
此外，摻雜區(qū)域中的碳原子的摻雜濃度比摻雜區(qū)域中的氧原子的摻雜濃度高。若摻雜的氧原子的濃度比碳原子的濃度高，則氧原子置換成氮位點，形成施主能級。因此，不能充分地補償2維電子氣能級，結(jié)果是，不能充分地抑制漏電流。因此，優(yōu)選的是，使摻雜的碳原子的濃度比氧原子的濃度高。例如，碳濃度是1乂1019011_3，氧濃度是5\1018011_3。為了驗證外延基板100的漏電流特性，在GaN層36上形成電極38和電極39。
圖7是形成電極38和電極39的外延基板100的平面圖。本例的電極39是直徑為大約160 μ m的圓形電極。本例的電極38被設計為從電極39向半徑方向離開30 μ m,并包圍電極39。
圖8是測量外延基板100的漏電流特性的曲線圖?？v軸表示在電極38和電極39 之間流動的漏電流，橫軸表示在電極38和電極39之間施加的電壓。漏電流特性通過波形記錄器(Curve Tracer)測量。曲線40表示在載流子區(qū)域33不添加雜質(zhì)的情況下的漏電流特性。曲線42表示在載流子區(qū)域33添加雜質(zhì)的情況下的漏電流特性。在曲線40，對應施加電壓從OV向100V增加，漏電流急劇地增加，之后，漏電流為1E-5A左右。此外，在曲線 40，從600V附近，伴隨施加電壓的增加，漏電流緩緩增加。與此相對，在曲線42所示的外延基板100，在施加電壓從OV到大約1500V的范圍，漏電流與比較例相比，在比4位還小的 1E-9A左右大致恒定。
從該結(jié)果可知，通過使碳原子的濃度比摻雜的氧原子高，并同時摻雜碳原子和氧原子，能有效地補償形成在AlN層34下一層的GaN層32的載流子區(qū)域33上的2維電子氣的能級。因此，通過本例，能夠提供高耐壓、且充分抑制漏電流的外延基板100。并且，在只摻雜氧原子的情況下，不會發(fā)現(xiàn)·相比曲線40漏電流的顯著下降。此外，在只摻雜碳原子的情況下，為了獲得和曲線42相同程度的漏電流降低効果，必須以本例的3倍以上的濃度來摻雜碳原子，結(jié)晶品質(zhì)惡化且位錯密度增加。
接下來，說明外延基板100的制造方法。外延基板100的制造方法包括準備基底基板30的步驟、在基底基板30上外延成長晶種層31的步驟以及在晶種層31上形成緩沖層37的步驟。基底基板30例如是厚度為500 μ m、直徑為2英寸的藍寶石基板。在本例中，外延成長通過MOCVD法進行。在將晶種層31外延成長的步驟中，包含將GaN外延成長的步驟。GaN的外延成長如下這樣進行將三甲基鎵(TMGa)和氨(NH3)分別以14ymol/min、 12L/min的流量導入到反應室內(nèi)，將成長溫度設定為550°C，層厚為30nm。
在形成緩沖層37的步驟中，具有層疊I層以上的復合層的步驟，該復合層包含晶格常數(shù)不同的多個氮化物半導體層。在層疊復合層的步驟中，包含有在復合層的至少I層的多個氮化物半導體層中的、晶格常數(shù)最大的氮化物半導體層的載流子區(qū)域同時摻雜預先設定的濃度的碳原子和預先設定的濃度的氧原子的步驟。復合層包含GaN層和AlxGa(1_x)N (O <X彡I)層。在本例中，復合層可以包含GaN層32和AlN層34。
在層疊復合層的步驟中，具有在晶種層31上外延成長GaN層32的步驟、在GaN 層32的載流子區(qū)域33同時摻雜碳原子和氧原子的步驟、以及在GaN層32上外延成長AlN 層34的步驟。GaN層32的外延成長可以如下這樣進行將TMGa和NH3分別以58 μ mol/ min、12L/min的流量導入，將成長溫度設定為1050°C，將成長壓力設定為50Torr，層厚為 1.4μπι。所謂GaN層32的載流子區(qū)域33是包含至少形成2維電子氣的區(qū)域。具體而言， GaN層32的載流子區(qū)域33可以是從GaN層32的表面向下方IOnm以上IOOnm以下的深度范圍的區(qū)域。
在GaN層32的載流子區(qū)域33同時摻雜碳原子和氧原子的步驟是在GaN層32的外延成長的剩余達到50nm時，通過同時導入例如丙烷這樣的碳化氫氣體和例如將氧氣稀釋后的氮氣或氫氣來進行的。在同時摻雜的步驟中，摻雜的碳原子的濃度比氧原子的濃度高。例如，調(diào)節(jié)丙烷的流量，使碳濃度為I X 1019CnT3。此外，調(diào)節(jié)氮氣流量，使氧濃度為 5 X IO18CnT3t5AlN層34的外延成長如下這樣進行將三甲基鋁(TMAl)和NH3分別以95 μ mol/ min、12L/min的流量導入,層厚為20nm。
形成緩沖層37的步驟還具有在AlN層34上外延成長GaN層36的步驟。GaN層 36的外延成長可以如下這樣進行將TMGa和NH3分別以19 μ mol/min、12L/min的流量導入，將成長溫度設定為1050°C、將成長壓力設定為200Torr,層厚為I μ m。并且,為了驗證外延基板100的漏電流特性，在GaN層36的上部形成兩個電極38和電極39。電極38和電極 39是將厚度20nm的Ti和厚度300nm的Al以該順序濺射沉積并通過剝離法而形成的。
如圖8所示，通過該制造方法制造的外延基板100，與沒有雜質(zhì)添加的比較例相比將漏電流抑制為4位左右。因此，通過同時摻雜碳和氧來補償2維電子氣能級，在緩沖層37 內(nèi)實質(zhì)上不存在2維電子氣的載流子。此外，漏電流的抑制効果持續(xù)到施加電壓為1500V。 由此，外延基板100具有1500V的高耐壓。
圖9是本發(fā)明的第2實施方式涉及的氮化物半導體元件200的剖面圖。氮化物半導體元件200具有基底基 板210、介入層212、緩沖層280、溝道層290、電極292以及電極 294?；谆?10與基底基板30相同。本例的基底基板210是面方位(111)的硅基板。
介入層212在基底基板210上外延成長。本例的介入層212是SiN。介入層212 防止在基底基板210與形成在基底基板210上的緩沖層280之間產(chǎn)生化學反應。
緩沖層280形成在基底基板210的上方。本例的緩沖層280形成在介入層212上。 本例的緩沖層 280 具有 AlN層 214、多個復合層(220-1、220-2、220-3、220-4、220-5、220_6) 和GaN層282。AlN層214在介入層212上成長。AlN層214作為緩沖層的最下層而發(fā)揮功能。AlN層214的層厚例如是40nm。
本例的緩沖層280具有6層連續(xù)的復合層220。各個復合層220包含GaN層和 AlxGa(1_x)N(0 < X彡I)層。本例的復合層220是將GaN層222和AlN層224從基底基板 210 一側(cè)按順序?qū)盈B而成。GaN層222和AlN層224對應于GaN層32和AlN層34。
各個復合層220中的AlN層224的層厚例如是50nm。第I復合層220-1中的GaN 層222的層厚例如是290nm。第2復合層220-2中的GaN層222的層厚例如是330nm。第3 復合層220-3中的GaN層222的層厚例如是390nm。第4復合層220-4中的GaN層222的層厚例如是470nm。第5復合層220-5中的GaN層222的層厚例如是580nm。第6復合層 220-6中的GaN層222的層厚例如是740nm。
在至少一個復合層220中的GaN層222中形成摻雜區(qū)域263。摻雜區(qū)域263可以形成在GaN層222的上部中的載流子區(qū)域全體。摻雜區(qū)域263可以形成在所有的GaN層 222，也可以形成在從靠近溝道層290 —側(cè)開始的規(guī)定數(shù)量的GaN層222。在本例的緩沖層 280中，在第6復合層220-6和第5復合層220-5形成摻雜區(qū)域263。摻雜區(qū)域263與圖6 關(guān)聯(lián)說明的摻雜區(qū)域相對應。
GaN層282形成在第6復合層220-6的AlN層224上。GaN層282作為緩沖層280 的最上層而發(fā)揮功能。溝道層290在GaN層282上外延成長而形成。本例的溝道層290包含η型GaN層。溝道層290通過在GaN中添加Si作為施主原子，從而構(gòu)成電子為多數(shù)的載流子的電子遷移層。
在溝道層290的上方形成至少兩個電極。在本例中，在溝道層290上形成電極292 和電極294。電極292和電極294中的一方，以肖特基連接的材料形成在溝道層290上，另一方以歐姆連接的材料形成在溝道層290上。本例的氮化物半導體元件200作為肖特基勢壘二極管而作用。并且，通過形成在溝道層290的上方的多個電極和絕緣膜等構(gòu)造，氮化物半導體元件200能夠作為多種元件而作用。
其次，說明氮化物半導體元件200的制造方法。氮化物半導體元件200的制造方法具備準備基底基板210的步驟、使介入層212在基底基板210上外延成長的步驟、在基底基板210的上方形成緩沖層280的步驟、在緩沖層280上形成溝道層290的步驟以及在溝道層290的上方形成至少兩個電極(292、294)的步驟。基底基板210可以是以CZ(丘克拉斯基)法成長的、直徑為4英寸、厚度為1_的硅基板。硅基板的Si結(jié)晶的面方位可以是(111)?；谆?10可以通過藍寶石或碳化硅形成。并且，在本例中，外延成長通過 MOCVD法進行。
介入層212的外延成長可以將NH3以35L/min的流量在O. 3分鐘內(nèi)導入并在成長溫度1000°C進行。形成緩沖層280的步驟具有在介入層212上外延成長AlN層214的步驟。AlN層214的外延成長如下這樣進行將TMAl和NH3分別以175 μ mol/min、35L/min的流量導入、 在成長溫度為1000°C、層厚為40nm來進行成長。
形成緩沖層280的步驟具有層疊I層以上的復合層220的步驟，該復合層220包含晶格常數(shù)不同的多個氮化物半導體層。層疊復合層220的步驟包括將GaN層222和AlN 層224相互層疊例如6個周期的步驟。層疊各個復合層220的條件與在外延基板100中層疊復合層的條件相同。并且，通過調(diào)節(jié)GaN層222的成長時間，可以控制為6段的復合層中的各個GaN層222的層厚從下向上逐漸變厚。
形成緩沖層280的步驟具有在復合層的最上一層外延成長GaN層282的步驟。 GaN層282的外延成長如下這樣進行將TMGa和NH3分別以58 μ mol/min、12L/min的流量導入，在成長溫度為1050°C、成長壓力為50Torr、層厚為200nm的情況下進行成長。在緩沖層280的上方形成溝道層290的步驟包括將TMGa和NH3分別以19 μ mol/min、12L/min的流量導入，同時添加硅烷(SiH4)，在成長溫度為1050°C、成長壓力為200Torr、層厚為500nm 的情況下外延成長η型GaN層的步驟。調(diào)整硅烷的流量，以使電子的載流子濃度為例如 2 X IO16Cm-3,摻雜Si作為施主原子。在載流子濃度中，氮化物半導體元件200的設計耐壓為 700V。
在溝道層290上形成至少兩個電極(292、294)的步驟具有在溝道層290上通過光刻技術(shù)形成電極圖案的步驟、通過濺射法將金屬沉積的步驟以及通過剝離法形成電極的步驟。陽極電極294在氮化物半導體元件200的表面大致中央形成抗蝕圖形，該抗蝕圖形具有例如直徑約160 μ m的圓形的開口部，將Ni和Au按該順序濺射沉積，將抗蝕剝離而形成。陰極電極292在電極間隔為IOym的情況下，在氮化物半導體元件200的表面中央部形成直徑約為180 μ m的圓形的抗蝕圖形，將Ti和Al按該順序濺射沉積，剝離抗蝕而形成。 也可以在形成陰極電極292之后，例如在700°C進行30分鐘的熱處理。通過進行熱處理，能夠在溝道層290和陰極電極292之間獲得良好的歐姆特性。
通過以上的制造方法形成的氮化物半導體元件200相比在緩沖層中不添加雜質(zhì)的以往的元件，能夠提供漏電流低并且關(guān)閉耐壓高的肖特基勢壘二極管。并且，在本例中， 雖然在緩沖層280中的第5復合層220-5和第6復合層220-6中添加了雜質(zhì)，但是也可以在任意一個復合層中添加雜質(zhì)。此外，添加雜質(zhì)的復合層不限定為2層，通過在至少一個復合層中添加雜質(zhì)，雖有程度上的差異，但是也能獲得降低漏電流的効果。
圖10是表示本發(fā)明的第3實施方式涉及的氮化物半導體元件300的剖面圖。氮化物半導體元件300具有基底基板310、介入層312、緩沖層380、溝道層290、電子供給層392、 電極394、電極396和電極398?；谆?10和介入層312與基底基板210和介入層212 相同。
緩沖層380 具有 AlN 層 314、多個復合層(320-1、320-2、320-3、320-4、320_5、 320-6)和GaN層382。AlN層314和GaN層382與AlN層214和GaN層382相同。各個復合層320具有GaN層322和AlN層324。GaN層322和AlN層324與GaN層222和AlN層 224相同。
緩沖層380的至少一個復合層320除了具有GaN層322和AlN層324之外還具有 AlGaN層343，在這一點上，緩沖層380與緩沖層280不同。緩沖層380的、從溝道層390 — 側(cè)的規(guī)定數(shù)量的復合層320具有AlGaN層343。在本例中，第6復合層320-6和第5復合層 320-5具有AlGaN層343。AlGaN層343設置在AlN層324和GaN層322之間，Al的組成可以是連續(xù)的、或逐步變化的AlxGa(1_x)N(0 < X < I)層。
在各復合層320中的AlN層324的層厚、例如是50nm。第I復合層320_1中的GaN 層322的層厚、例如是290nm。 第2復合層320-2中的GaN層322的的層厚、例如是330nm。 第3復合層320-3中的GaN層322以及AlGaN層343的層厚、例如是390nm以及50nm。第 4復合層320-4中的GaN層322及AlGaN層343的層厚、例如是450nm以及40nm。第5復合層320-5中的GaN層322以及AlGaN層343的層厚、例如是560nm以及40nm。第6復合層320-6中的GaN層322及AlGaN層343的層厚、例如是720nm以及40nm。
在本例中，在至少一個復合層320中的GaN層322形成摻雜區(qū)域365。摻雜區(qū)域 365也可以形成在GaN層322的上部中的載流子區(qū)域整體。在本例中，在第6復合層320-6 和第5復合層320-5形成摻雜區(qū)域365。摻雜區(qū)域365與圖6關(guān)聯(lián)說明的摻雜區(qū)域相對應。
此外，也可以是所有的復合層320中，在GaN層322和AlN層324之間具有AlGaN 層343。進而，也可以是構(gòu)成各復合層320的GaN層322的層厚從基底基板310 —側(cè)向溝道層390慢慢變厚。通過這樣構(gòu)成緩沖層380，使位錯密度減少，抑制基板的彎曲量，將外延膜更厚的層疊，能夠形成高耐壓的氮化物半導體元件300。
電子供給層392可以是在溝道層390上外延成長的層厚為30nm的AlxGa(1_x)N層。電子供給層392也可以是招組成X = O. 22的Ala22Gaa78N層。由于溝道層390和電子供給層392之間的晶格常數(shù)差，在異性界面產(chǎn)生壓電電場。通過壓電電場在從溝道層390的表面起深度大約2nm的區(qū)域產(chǎn)生2維電子氣。
在溝道層390的上方形成至少兩個電極。在本例中，在電子供給層392上形成源極電極394、柵極電極396和漏極電極398。源極電極394和漏極電極398可以是與電子供給層392歐姆連接的歐姆電極。柵極電極396可以是與電子供給層392肖特基連接的肖特基電極。也可以是柵極電極396的柵極長為2 μ m、柵極寬為O. 2_。此外，也可以是源極/ 漏極間的距離是15 μ m、柵極/漏極間的距離是10 μ m。氮化物半導體元件300具有1000V 以上的耐壓，作為能夠有效地降低漏電流的電場效應晶體管而作用。并且，在制造氮化物半導體元件300的情況下，在AlGaN層343下一層的GaN層322的載流子區(qū)域同時摻雜氧原子和碳原子。
以上，通過實施方式說明了本發(fā)明，不過，本發(fā)明的技術(shù)范圍不受以上的實施方式記載的范圍所限定。本行業(yè)專業(yè)人員明白，對上述實施例能夠加以多種多樣的改良和變更。 根據(jù)權(quán)利要求的記載可以明確，實施了這樣的變更和改良的實施方式也包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍之內(nèi)。
應該注意的是，在權(quán)利要求、說明書和圖中表示的裝置、系統(tǒng)、程序，和在方法中的動作、 次序、步驟和階段等的各處理的執(zhí)行順序，只要沒有特別注明“比...先”、“在...之前”等，或者只要不是后邊的處理必須使用前面的處理的輸出，就可以以任意的順序?qū)嵤?有關(guān)權(quán)利要求、說明書和圖紙中的動作流程，為了說明上的方便，說明中使用了“首先”、“其次”、等字樣，但即使這樣也不意味著以這個程序?qū)嵤┦潜仨毜臈l件。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導體元件，其具有 基底基板; 緩沖層，形成在所述基底基板的上方； 活性層，形成在所述緩沖層上；以及 至少兩個電極，形成在所述活性層的上方， 所述緩沖層具有I層以上的復合層，所述復合層包含晶格常數(shù)不同的多個氮化物半導體層， 對于所述復合層的至少I層而言，在所述多個氮化物半導體層中的晶格常數(shù)最大的氮化物半導體層中，在由于與上一層的氮化物半導體層之間的晶格常數(shù)差而產(chǎn)生載流子的載流子區(qū)域的至少一部分，摻雜有碳原子和氧原子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導體元件，其中， 摻雜有所述碳原子和所述氧原子的所述氮化物半導體層中，在與所述載流子區(qū)域不同的區(qū)域具有未摻雜所述碳原子和所述氧原子的非摻雜區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化物半導體元件，其中， 所述非摻雜區(qū)域比所述載流子區(qū)域更靠近所述基底基板一側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項所述的氮化物半導體元件，其中， 所述氮化物半導體層中的所述碳原子的濃度比所述氧原子的濃度高。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項所述的氮化物半導體元件，其中， 在摻雜有所述碳原子和所述氧原子的所述氮化物半導體層中，實質(zhì)上不存在由于與上一層的所述氮化物半導體層之間的晶格常數(shù)的差異而產(chǎn)生的載流子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一項所述的氮化物半導體元件，其中， 所述見合層包含GaN層和形成在所述GaN層上的AlxGad_x)N層， 在所述GaN層摻雜有所述碳原子和所述氧原子， 其中，O < X≤I。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一項所述的氮化物半導體元件，其中， 所述復合層包含GaN層、形成在所述GaN層上的AlGaN層以及形成在所述AlGaN層上的AlN層， 在所述GaN層摻雜有所述碳原子和所述氧原子。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任意一項所述的氮化物半導體元件，其中， 所述基底基板包含硅、藍寶石或碳化硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任意一項所述的氮化物半導體元件，其中， 所述氮化物半導體元件是二極管或電場效應晶體管。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任意一項所述的氮化物半導體元件，其中， 所述碳原子和所述氧原子同時摻雜于所述氮化物半導體層中。
11.一種氮化物半導體元件的制造方法，包括 在基底基板的上方形成緩沖層的步驟； 在所述緩沖層上形成活性層的步驟；以及 在所述活性層的上方形成至少兩個電極的步驟， 在形成所述緩沖層的步驟中具有層疊I層以上的復合層的層疊步驟，所述復合層包含晶格常數(shù)不同的多個氮化物半導體層；以及 摻雜步驟，在所述復合層的至少I層中的、所述多個氮化物半導體層中的晶格常數(shù)最大的氮化物半導體層中，在由于與上一層的氮化物半導體層之間的晶格常數(shù)差而產(chǎn)生載流子的載流子區(qū)域的至少一部分，同時摻雜碳原子和氧原子。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制造方法，其中， 在所述摻雜步驟中，以在所述氮化物半導體層中的與所述載流子區(qū)域不同的區(qū)域，存在未摻雜所述碳原子和所述氧原子的非摻雜區(qū)域的方式同時摻雜所述碳原子和所述氧原子。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的制造方法，其中， 摻雜到所述氮化物半導體層的所述碳原子的濃度比摻雜到所述氮化物半導體層的所述氧原子的濃度高。
14.根據(jù)權(quán)利要求11-13中任意一項所述的制造方法，其中， 所述見合層包含GaN層和形成在所述GaN層的AlxGad_x)N層， 在所述摻雜步驟中，在所述GaN層同時摻雜所述碳原子和所述氧原子， 其中，O < X彡I。
15.根據(jù)權(quán)利要求11-14中任意一項所述的制造方法，其中， 所述復合層包含GaN層、形成在所述GaN層上的AlGaN層以及形成在所述AlGaN層上的AlN層， 在所述摻雜步驟中，在所述GaN層同時摻雜所述碳原子和所述氧原子。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氮化物半導體元件及其制造方法，所述氮化物半導體元件耐壓高，且能有效地降低漏電流。該氮化物半導體元件，具有基底基板；緩沖層，形成在基底基板的上方；活性層，形成在緩沖層上；以及至少兩個電極，形成在活性層的上方，緩沖層具有1層以上的復合層，該復合層包含晶格常數(shù)不同的多個氮化物半導體層；復合層的至少1層中，在多個氮化物半導體層中的晶格常數(shù)最大的氮化物半導體層中的載流子區(qū)域，有意圖地摻雜預先設定的濃度的碳原子和預先設定的濃度的氧原子。
文檔編號H01L21/335GK103022120SQ20121033438
公開日2013年4月3日 申請日期2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日
發(fā)明者巖見正之, 古川拓也 申請人:先進動力設備技術(shù)研究協(xié)會