本申請(qǐng)基于2015年01月21日提出的在先日本專利申請(qǐng)第2015－009596號(hào)并要求享受其優(yōu)先權(quán)利益，并且在此通過引用包含其內(nèi)容的全部。

技術(shù)領(lǐng)域

在此說明的實(shí)施方式整體上涉及使用化合物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體裝置。

背景技術(shù)：

開關(guān)電源、變換器等電路中使用開關(guān)元件、二極管等功率半導(dǎo)體元件，對(duì)于該功率半導(dǎo)體元件而言，要求高耐壓以及低導(dǎo)通電阻。耐壓與導(dǎo)通電阻之間存在由元件材料決定的權(quán)衡(trade off)關(guān)系，但通過將氮化物半導(dǎo)體或碳化硅(SiC)等寬帶隙半導(dǎo)體作為元件材料來使用，與硅相比能夠改善由材料決定的權(quán)衡關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)高耐壓化以及低導(dǎo)通電阻化。

使用了GaN或AlGaN等氮化物半導(dǎo)體的元件具有優(yōu)異的材料特性，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的功率半導(dǎo)體元件。特別在具有AlGaN/GaN的異質(zhì)構(gòu)造的HEMT(High Electron Mobility Transistor)中，由于在AlGaN層與GaN層的界面產(chǎn)生由極化帶來的高濃度的二維電子氣，因此能夠?qū)崿F(xiàn)低導(dǎo)通電阻。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

實(shí)施方式提供能夠進(jìn)一步提高遷移率、并且進(jìn)一步減少電流崩塌的半導(dǎo)體裝置。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，半導(dǎo)體裝置具備：第1半導(dǎo)體層，設(shè)置在基板上；第2半導(dǎo)體層，設(shè)置在所述第1半導(dǎo)體層上，包含摻雜有碳的氮化物 半導(dǎo)體；第3半導(dǎo)體層，設(shè)置在所述第2半導(dǎo)體層上，包含摻雜有銦的氮化物半導(dǎo)體；以及第4半導(dǎo)體層，設(shè)置在所述第3半導(dǎo)體層上，包含帶隙比所述第3半導(dǎo)體層大的氮化物半導(dǎo)體。所述第3半導(dǎo)體層的銦濃度大于1×10¹⁸cm^－3且小于1×10¹⁹cm^－3。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置，能夠提供能夠進(jìn)一步提高遷移率、并且進(jìn)一步減少電流崩塌的半導(dǎo)體裝置。

附圖說明

圖1是實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的截面圖。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行說明。其中，附圖是示意性的或者是概念性的，各附圖的尺寸以及比率等不一定必須與現(xiàn)實(shí)的結(jié)構(gòu)相同。以下所示的一些實(shí)施方式例示了用于將本發(fā)明的技術(shù)思想具體化的裝置以及方法，本發(fā)明的技術(shù)思想并不是通過構(gòu)成部件的形狀、構(gòu)造、配置等來確定。另外，以下的說明中，對(duì)于具有相同功能以及結(jié)構(gòu)的要素附加相同的附圖標(biāo)記，并僅在必要時(shí)進(jìn)行重復(fù)說明。

圖1是實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置1的截面圖。半導(dǎo)體裝置1是使用作為化合物的氮化物半導(dǎo)體的氮化物半導(dǎo)體裝置。此外，半導(dǎo)體裝置1是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，具體而言是高電子遷移率晶體管(HEMT：High Electron Mobility Transistor)。

基板10由例如以(111)面為主面的硅(Si)基板構(gòu)成。作為基板10，可以使用碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)或藍(lán)寶石(Al₂O₃)等。此外，作為基板10，也可以使用包含絕緣層的基板。例如，作為基板10，可以使用SOI(Silicon On Insulator)基板。

緩沖層(第1半導(dǎo)體層)11設(shè)置在基板10上。緩沖層11具有對(duì)因形成在緩沖層11上的氮化物半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)與基板10的晶格常數(shù)不同而產(chǎn)生的畸變進(jìn)行緩和、并且對(duì)形成在緩沖層11上的氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)晶性進(jìn)行控制的功能。緩沖層11例如由Al_XGa_1－XN(0≤X≤1)構(gòu)成。

緩沖層11也可以將組分比不同的多個(gè)Al_XGa_1－XN層疊而構(gòu)成。在將緩沖層11以層疊構(gòu)造構(gòu)成的情況下，對(duì)層疊構(gòu)造的組分比進(jìn)行調(diào)整，以使該層疊構(gòu)造所包含的多個(gè)層的晶格常數(shù)從夾著緩沖層11的上下層之中的下層的晶格常數(shù)向上層的晶格常數(shù)變化。本實(shí)施方式中，如圖1所示，緩沖層11例如由AlGaN層11A和非摻雜GaN層11B的層疊構(gòu)造構(gòu)成。非摻雜是指有意地不摻雜雜質(zhì)，例如，在制造過程等中進(jìn)入的程度的雜質(zhì)量是非摻雜的范疇。GaN層11B的厚度例如為1μm左右。

高電阻層(第2半導(dǎo)體層)12設(shè)置在緩沖層11上。高電阻層12具有提高半導(dǎo)體裝置1的耐壓的功能。即，通過設(shè)置高電阻層12，與高電阻層12的電阻相應(yīng)的電壓被施加到高電阻層12，因此能夠與該電壓量相應(yīng)地提高耐壓。高電阻層12的電阻被設(shè)定為比緩沖層11的電阻大。高電阻層12由摻雜有碳(C)的Al_XIn_YGa_1－(X+Y)N(0≤X＜1、0≤Y＜1、0≤X+Y＜1)構(gòu)成。本實(shí)施方式中，高電阻層12例如由摻雜有碳(C)的GaN(C－GaN)構(gòu)成。高電阻層12的厚度例如為2μm左右。高電阻層12的電阻根據(jù)對(duì)半導(dǎo)體裝置1而言優(yōu)選的耐壓而被適當(dāng)設(shè)定。

溝道層(第3半導(dǎo)體層)13設(shè)置在高電阻層12上。溝道層13是形成晶體管的溝道(電流路徑)的層。溝道層13由結(jié)晶性良好的(高品質(zhì)的)氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成。關(guān)于溝道層13的具體結(jié)構(gòu)，留待后述。

阻擋層(第4半導(dǎo)體層)14設(shè)置在溝道層13上。阻擋層14由Al_XIn_YGa_1－(X+Y)N(0≤X＜1、0≤Y＜1、0≤X+Y＜1)構(gòu)成。阻擋層14由帶隙比溝道層13的帶隙大的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成。本實(shí)施方式中，阻擋層14例如由非摻雜AlGaN構(gòu)成。作為阻擋層14的AlGaN層中的Al的組分比例如為0.2左右。阻擋層14的厚度例如為30nm左右。

另外，構(gòu)成半導(dǎo)體裝置1的多個(gè)半導(dǎo)體層例如通過使用了MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法的外延生長(zhǎng)而被依次形成。即，構(gòu)成半導(dǎo)體裝置1的多個(gè)半導(dǎo)體層由外延層構(gòu)成。

在阻擋層14上相互離開地設(shè)有源極電極15以及漏極電極16。進(jìn)而，在阻擋層14上且在源極電極15以及漏極電極16之間，與源極電極15以及漏極電極16離開地設(shè)有柵極電極17。

柵極電極17與阻擋層14進(jìn)行肖特基接合。即，柵極電極17構(gòu)成為包 含與阻擋層14肖特基接合的材料。圖1所示的半導(dǎo)體裝置1為肖特基勢(shì)壘型HEMT。作為柵極電極17，例如使用Au/Ni的層疊構(gòu)造?！?”的左側(cè)表示上層，右側(cè)表示下層。另外，半導(dǎo)體裝置1不限定于肖特基勢(shì)壘型HEMT，也可以是在阻擋層14與柵極電極17之間存在柵極絕緣膜的MIS(Metal Insulator Semiconductor)型HEMT。

源極電極15與阻擋層14進(jìn)行歐姆接觸。同樣，漏極電極16與阻擋層14進(jìn)行歐姆接觸。即，源極電極15以及漏極電極16分別構(gòu)成為包含與阻擋層14進(jìn)行歐姆接觸的材料。作為源極電極15以及漏極電極16，例如使用Al/Ti的層疊構(gòu)造。

在溝道層13與阻擋層14的異質(zhì)結(jié)構(gòu)造中，阻擋層14的晶格常數(shù)比溝道層13的晶格常數(shù)小，因此阻擋層14發(fā)生畸變。通過由該畸變帶來的壓電效應(yīng)，在阻擋層14內(nèi)產(chǎn)生壓電極化，在溝道層13與阻擋層14的界面附近產(chǎn)生二維電子氣(2DEG：two-dimensional electron gas)。該二維電子氣成為源極電極15以及漏極電極16間的溝道。并且，通過柵極電極17與阻擋層14的接合而產(chǎn)生的肖特基勢(shì)壘，能夠?qū)崿F(xiàn)漏極電流的控制。此外，由于二維電子氣具有高的電子遷移率，因此半導(dǎo)體裝置1能夠?qū)崿F(xiàn)非?？斓拈_關(guān)動(dòng)作。

如上述那樣構(gòu)成半導(dǎo)體裝置1。半導(dǎo)體裝置1例如為常通型。在半導(dǎo)體裝置1導(dǎo)通時(shí)，例如柵極電極17被施加0V，源極電極15被施加0V，漏極電極16被施加高電壓(例如200V)。此時(shí)，在漏極電極16以及源極電極15之間，經(jīng)由在溝道層13形成的溝道而流過漏極電流。

在半導(dǎo)體裝置1截止時(shí)，例如柵極電極17被施加負(fù)電壓(例如－15V)，源極電極15被施加0V，漏極電極16被施加200V。此時(shí)，在柵極電極17的下方延伸的耗盡層的厚度得到控制，漏極電流被切斷。

(溝道層13的結(jié)構(gòu))

接著，對(duì)溝道層13的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。溝道層13由GaN(氮化鎵)構(gòu)成。溝道層13的厚度例如為1μm左右。進(jìn)而，作為溝道層13的GaN層中摻雜有銦(In)。在摻雜有銦(In)的GaN層(In－GaN層)中，其銦濃度被設(shè)定為大于1×10¹⁸cm^－3且小于1×10¹⁹cm^－3。通過將銦濃度設(shè)定為上述條件，能夠抑制溝道層13的結(jié)晶性惡化。

在MOCVD法中，使GaN材料外延生長(zhǎng)時(shí)，作為Ga原料而使三甲基鎵(TMGa)的碳分子進(jìn)入結(jié)晶，從而結(jié)晶內(nèi)的雜質(zhì)濃度增大，帶隙中的阱密度變高。另外，生長(zhǎng)速度越快，TMGa的流量越增加，由碳雜質(zhì)帶來結(jié)晶性的惡化越顯著。另一方面，在使GaN生長(zhǎng)時(shí)，通過摻雜銦(In)來降低結(jié)晶內(nèi)的碳濃度，由此提高結(jié)晶的表面平坦性。

本實(shí)施方式中，為了減少結(jié)晶內(nèi)的碳雜質(zhì)，在溝道層13中摻雜銦(In)。由此，能夠減小溝道層13的碳濃度。具體而言，溝道層13的碳濃度被設(shè)定為1×10¹⁸cm^－3以下。

如以上詳細(xì)敘述的那樣，根據(jù)本實(shí)施方式，通過在溝道層13中摻雜銦(In)，能夠減小溝道層13的碳濃度。由此，能夠抑制溝道層13的結(jié)晶性惡化。結(jié)果，能夠進(jìn)一步提高半導(dǎo)體裝置1的遷移率。

此外，由于溝道層13的雜質(zhì)濃度(即，碳濃度)減小，因此能夠減少帶隙中的阱。由此，能夠進(jìn)一步減少電流崩塌現(xiàn)象(動(dòng)作時(shí)漏極電流降低的現(xiàn)象)，此外，能夠提高溝道層13的耐壓。由此，能夠提高半導(dǎo)體裝置1的動(dòng)作特性。

本申請(qǐng)說明書中，“層疊”除了相互相接而重疊的情況以外，還包括在中間插入其他層而重疊的情況。此外，“設(shè)置在…上”，除了直接相接而設(shè)置的情況以外，還包括在中間插入其他層而設(shè)置的情況。

說明了本發(fā)明的一些實(shí)施方式，但這些實(shí)施方式是作為例來提示的，并沒有要限定發(fā)明的范圍。這些新的實(shí)施方式能夠以其他多種形態(tài)實(shí)施，在不脫離發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)能夠進(jìn)行各種省略、替換、變更。這些實(shí)施方式及其變形包含于發(fā)明的范圍及主旨，并且包含于權(quán)利要求書所記載的發(fā)明及其等效范圍。