化合物半導體裝置及其製造方法

2023-05-12 05:12:41 2

專利名稱：化合物半導體裝置及其製造方法
技術領域：
本發明涉及化合物半導體裝置及其製造方法。
背景技術：
以往，對於在基板上方通過晶體生長形成有AlGaN層和GaN層且GaN層作為電子遷移層發揮功能的高電子遷移率電晶體(HEMT high electron mobility transistor)。 GaN的帶隙為3. 4eV，大於Si的帶隙(1.1eV)和GaAs的帶隙(1. 4eV)。因此，GaN系HEMT的耐壓高，有望作為用於汽車等的高耐壓功率器件。
另一方面，Si系場效應電晶體中必然存在體二極體。體二極體以成為反向並列的方式與電晶體連接，在可用於大功率電源的全橋電路方式中作為續流二極體發揮功能。然而，在GaN系HEMT中，這樣的體二極體必然不存在。因此，提出了沿基板的厚度方向層疊有 P型層和η型層的ρη結二極體與GaN系HEMT連接而成的結構。
然而，對於迄今為止提出的結構而言，二極體的工作容易發生延遲。而且，伴隨著延遲，在二極體作為續流二極體進行工作之前，HEMT中流動反向電流，使消耗電量增大。另外，由於延遲，在HEMT的源極和漏極間施加過電壓時，二極體不作為保護電路工作。
另外，對高耐壓功率器件的結構而言，存在源極和漏極被平行地配置在基板表面的橫型結構以及源極和漏極被垂直地配置在基板表面的縱型結構。在縱型結構中，電流路徑成為三維，因此每個晶片的電流量大於橫型結構。另外，在縱型結構中，源電極和漏電極形成在基板的表面和背面，所以與它們僅形成在基板表面的橫型結構相比，為了源電極和漏電極而必需的面積小。進而，在縱型結構中，每個 晶片的電極的比例大於橫型結構，所以散熱性高。因此，縱型結構的高耐壓功率器件的實用化得到期待。
然而，難以將上述ρη結二極體與縱型結構的GaN系HEMT連接。另外，即使能夠連接，也不能解決上述問題。
專利文獻
專利文獻1:日本特開2009-164158號公報
專利文獻2 日本特開2009-4398號公報
非專利文獻
非專利文獻I Applied Physics Expressl (2008) 011105
非專利文獻2 :Applied Physics Expressl (2008) 021104發明內容
本發明的目的在於提供一種化合物半導體裝置及其製造方法，其能夠使與縱型結構的HEMT連接的二極體適當地工作。
在化合物半導體裝置的一個方式中，設置有第I電極；第I化合物半導體層，形成於上述第I電極的上方；第2化合物半導體層，形成於上述第I化合物半導體層上；第3 化合物半導體層，形成於上述第2化合物半導體層上；以及第2電極，形成於上述第3化合物半導體層的上方。進而，還設置有第4化合物半導體層，形成於在上述第I化合物半導體層、上述第2化合物半導體層以及上述第3化合物半導體層的層疊體形成的開口部內，與上述第I化合物半導體層、上述第2化合物半導體層以及上述第3化合物半導體層的側面相接；柵電極，控制上述第2化合物半導體層與上述第4化合物半導體層的界面的電位；第 3電極，與上述第I化合物半導體層絕緣，與上述第I電極和上述第2化合物半導體層相接。 而且，上述第2化合物半導體層的晶格常數小於上述第I化合物半導體層和上述第3化合物半導體層的晶格常數，上述第4化合物半導體層的晶格常數小於上述第I化合物半導體層和上述第3化合物半導體層的晶格常數。另外，上述第2化合物半導體層的傳導帶的能量高於上述第3化合物半導體層的傳導帶的能量。
根據上述化合物半導體裝置等，能夠使與縱型結構的高電子遷移率電晶體連接的二極體適當地工作。


圖1A是表示第I實施方式的化合物半導體裝置的結構的截面圖。
圖1B是表示第I實施方式中的傳導帶的能量的圖。
圖1C是表示第I實施方式的變型例的結構的截面圖。
圖2A是表示第2實施方式的化合物半導體裝置的電極彼此的位置關係的圖。
圖2B是表示沿圖2A中的1-1線的截面的圖。
圖2C是表示沿圖2A中的I1-1I線的截面的圖。
圖3A是表示電子密度與從基板的表面起的距離的關係的圖。
圖3B是表示傳導帶的能量與從基板的表面起的距離的關係的圖。
圖3C是表示二極體特性的圖。
圖3D是表示漏極電流與柵電壓的關係的圖。
圖3E是表示漏極電流Id與源極-漏極間電壓的關係的圖。
圖4A是表示第2實施方式的化合物半導體裝置的製造方法的圖。
圖4B是與圖4A接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的圖。
圖4C是與圖4B接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的圖。
圖4D是與圖4C接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的圖。
圖5A是表示第2實施方式的化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖5B是與圖5A接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖5C是與圖5B接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖是與圖5C接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖5E是與圖接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖5F是與圖5E接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖5G是與圖5F接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖5H是與圖5G接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖51是與圖5H接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖5J是與圖51接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖5K是與圖5J接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖5L是與圖5K接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖6是表示MOCVD裝置的構成的圖。
圖7A是表示圖5A 圖5L所示方法的變型例的截面圖。
圖7B是與圖7A接續而表示變型例的截面圖。
圖7C是與圖7B接續而表示變型例的截面圖。
圖7D是與圖7C接續而表示變型例的截面圖。
圖7E是與圖7D接續而表示變型例的截面圖。
圖7F是與圖7E接續而表示變型例的截面圖。
圖7G是與圖7F接續而表示變型例的截面圖。
圖8是表示第2實施方式的變型例的圖。
圖9A是表示第3實施方式的化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖9B是與圖9A接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖9C是與圖9B接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖9D是與圖9C接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖9E是與圖9D接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖9F是與圖9E接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖1OA是表示第4實施方式的化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖1OB是與圖1OA接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖1OC是與圖1OB接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖1OD是與圖1OC接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖1OE是與圖1OD接續而表示化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。
圖11是表示第5實施方式的電源裝置的構成的圖。
圖12是表示第6實施方式的高頻放大器的構成的圖。
具體實施方式
以下，參照附圖對實施方式進行具體說明。
(第I實施方式)
首先，說明第I實施方式。圖1A是表示第I實施方式的化合物半導體裝置的結構的截面圖，圖1B是表示第I實施方式中的傳導帶的能量的圖。
第I實施方式中，漏電極101上依次形成有化合物半導體層102、化合物半導體層 103和化合物半導體層104。由化合物半導體層102 104構成層疊體105，在層疊體105形成開口部105a。而且，在開口部105a內形成有與化合物半導體層102 104的側面相接的化合物半導體層107。在開口部105a內還形成有柵電極108。柵電極108被絕緣膜111所包圍。因此，柵電極108與漏電極101和化合物半導體層107等絕緣。進而，在化合物半導體層104上形成有源電極106。源電極106利用絕緣膜111與柵電極108絕緣。
另外，本實施方式中，在化合物半導體層102內形成有介由絕緣膜112與化合物半導體層102絕緣的電極109。電極109與漏電極101和化合物半導體層103相接。
其中，化合物半導體層103的晶格常數小於化合物半導體層102的晶格常數和化合物半導體層104的晶格常數。另外，化合物半導體層107的晶格常數小於化合物半導體層102的晶格常數和化合物半導體層104的晶格常數。因此，因化合物半導體層102與化合物半導體層107間的晶格常數之差引起的應變產生於化合物半導體層107。同樣，因化合物半導體層104與化合物半導體層107間的晶格常數之差引起的應變產生於化合物半導體層107。而且，因這些應變，產生壓電極化和自發極化，在化合物半導體層102和104的與化合物半導體層107的界面附近生成二維電子氣(2DEG)。2DEG是高電子密度且高電子遷移率的電子氣。因此，相應於化合物半導體層103與化合物半導體層107之間的界面的電位，源電極106 與漏電極101之間流動的電流發生變化。柵電極108控制該界面的電位。如此地，在第I實施方式中，包含縱型結構的HEMT。其中，將電極209以與上述2DEG相分隔的方式形成。應予說明，因上述晶格常數的關係，在化合物半導體層103的與化合物半導體層107的界面附近幾乎不生成2DEG。因此，縱型結構的HEMT進行常閉工作。為了更可靠地抑制該界面附近的2DEG的生成，優選化合物半導體層103的晶格常數為化合物半導體層107的晶格常數以下。另外，第I實施方式中，如圖1B所示，化合物半導體層103的傳導帶的能量高於化合物半導體層104的傳導帶的能量。而且，漏電極101介由電極109與化合物半導體層103連接，源電極106與化合物半導體層104連接。因此，若對漏電極101施加負電壓，則介由化合物半導體層103和104，電子從漏電極101向源電極106遷移，電流從源電極106向漏電極101流動。即，可得到續流二極體的功能。另外，因電極109與漏電極101和化合物半導體層103相接，源電極106與化合物半導體層104相接，所以該續流二極體在大電流流動至HEMT之前進行工作。因此，能夠抑制消耗電量的上升。另外，若向漏電極101施加正的大電壓，則介由化合物半導體層104和103，電子從源電極106向漏電極101遷移，電流從漏電極101向源電極106流動。S卩，可得到保護二極體的功能。因此，能夠防止HEMT發生故障。接著，對化合物半導體層102 104和107的材料的例子進行說明。「GaN 和 AlGaN 的組合」在GaN和AlGaN之間，AlGaN的晶格常數小於GaN的晶格常數，AlGaN的傳導帶的能量高於GaN的傳導帶的能量。因此，作為化合物半導體層102和104，使用GaN層，而作為化合物半導體層103和107，使用AlGaN層。應予說明，為了降低與源電極106之間的接觸電阻，可以在化合物半導體層104的表層部包含以高濃度含有n型雜質的n+GaN層。對於這樣的組合而言，由於GaN與AlGaN之間的晶格常數的不同，在化合物半導體層102和104的與化合物半導體層107的界面附近生成高電子密度且高電子遷移率的2DEG。另外，在化合物半導體層103與化合物半導體層107之間，若Al相對於Al和Ga的總量的比例(Al的組成比率)相同，則它們的晶格常數也會相同，在它們的界面附近不會產生 2DEG。進而，因GaN與AlGaN之間的傳導帶的能量的不同，化合物半導體層103和104能夠作為續流二極體和保護二極體發揮功能。「 InAlN 和 AlN 的組合」在InAlN和AlN之間，AlN的晶格常數小於InAlN的晶格常數，AlN的傳導帶的能量高於InAlN的傳導帶的能量。因此，作為化合物半導體層102和104，使用InAlN層，而作為化合物半導體層103和107，使用AlN層。應予說明，為了降低與源電極106之間的接觸電阻，可以在化合物半導體層104的表層部包含以高濃度含有n型雜質的n+InAIN層。對於這樣的組合而言，由於InAlN與AlN之間的晶格常數的不同，在化合物半導體層102和104的與化合物半導體層107的界面附近生成高電子密度且高電子遷移率的2DEG。另外，在化合物半導體層103與化合物半導體層107之間，它們的晶格常數相同，在它們的界面附近不會生成2DEG。進而，因在InAlN與AlN之間的傳導帶的能量的不同，化合物半導體層103和104能夠作為續流二極體和保護二極體發揮功能。
「 InAlGaN 和 AlN 的組合」在InAlGaN和AlN之間，AlN的晶格常數小於InAlGaN的晶格常數，AlN的傳導帶的能量高於InAlGaN的傳導帶的能量。因此，作為化合物半導體層102和104，使用InAlGaN層，而作為化合物半導體層103和107，使用AlN層。應予說明，為了降低與源電極106之間的接觸電阻，在化合物半導體層104的表層部可以包含以高濃度含有n型雜質的n+InAlGaN層。對於這樣的組合而言，由於InAlGaN與AlN之間的晶格常數的不同，在化合物半導體層102和104的與化合物半導體層107的界面附近生成高電子密度且高電子遷移率的2DEG。另外，在化合物半導體層103與化合物半導體層107之間，它們的晶格常數相同，在它們的界面附近不會生成2DEG。進而，由於InAlGaN與AlN之間的傳導帶的能量的不同，化合物半導體層103和104能夠作為續流二極體和保護二極體發揮功能。「 InAlN 和 InAlGaN 的組合」在InAlN和InAlGaN之間，根據各元素相對於它們所含的In、Al及Ga的總量的比例(各元素的組成比率)，晶格常數和傳導帶的能量的大小關係發生變化。即，通過調節組成比率，能夠使InAlN的晶格常數小於InAlGaN的晶格常數，並能夠使InAlN的傳導帶的能量高於InAlGaN的傳導帶的能量。相反地，通過調節組成比率，也能夠使InAlGaN的晶格常數小於InAlN的晶格常數，並能夠使InAlGaN的傳導帶的能量高於InAlN的傳導帶的能量。在通過調節組成比率而使InAlGaN的晶格常數小於InAlN的晶格常數並使InAlGaN的傳導帶的能量高於InAlN的傳導帶的能量時，作為化合物半導體層102和104，使用InAlN層，而作為化合物半導體層103和107，使用InAlGaN層。應予說明，為了降低與源電極106之間的接觸電阻，在化合物半導體層104的表層部可以包含以高濃度含有n型雜質的n+InAIN層。對於這樣的組合而言，由於InAlN與InAlGaN之間的晶格常數的不同，在化合物半導體層102和104的與化合物半導體層107的界面附近生成高電子密度且高電子遷移率的2DEG。另外，在化合物半導體層103與化合物半導體層107之間，若In、Al和Ga的各組成比率相同，則它們的晶格常數也相同，它們的界面附近不會生成2DEG。進而，由於InAlN與InAlGaN之間的傳導帶的能量的不同，化合物半導體層103和104能夠作為續流二極體和保護二極體發揮功能。「Al組成比率不同的2種AlGaN的組合」即使元素的種類相同，若其組成比率不同，則晶格常數和傳導帶的能量也會不同。例如，AlGaN中，Al的組成比率越高，則晶格常數變得越小，傳導帶的能量變得越高。因此，作為晶格常數和傳導帶的能量不同的化合物半導體的組合，可以採用Ala3Gaa7N和Ala5Gaa5N的組合。此時，作為化合物半導體層102和104，使用Al的組成比率低的Ala3Gaa7N層，作為化合物半導體層103和107，使用Al的組成比率高的Ala5Gaa5N層。應予說明，為了降低與源電極106間的接觸電阻，在化合物半導體層104的表層部可以包含以高濃度含有n型雜質的n+Ala3Gaa7N層。對於這樣的組合而言，由於Ala3Gaa7N與Ala5Gaa5N之間的晶格常數的不同，在化合物半導體層102和104的與化合物半導體層107的界面附近生成高電子密度且高電子遷·移率的2DEG。另外，在化合物半導體層103與化合物半導體層107之間，它們的晶格常數相同，在它們的界面附近不生成2DEG。進而，由於△1(|.抑(|.小與Alci 5Gatl 5N之間的傳導帶的能量的不同，化合物半導體層103和104能夠作為續流二極體和保護二極體發揮功能。應予說明，代替上述2種AlGaN，可以使用In和Al的組成比率不同的2種InAIN，也可以使用In、Al及Ga的組成比率不同的2種InAlGaN。「含有多種化合物半導體的化合物半導體層103」如圖1C所示，化合物半導體層103例如可以含有3個化合物半導體層103a、103b和103c。在該例中，化合物半導體層103a和103c是AlGaN層，化合物半導體層103b是AlN層。另外，作為化合物半導體層102和104的材料，使用與AlGaN和AlN相比晶格常數大且傳導帶的能量低的材料，例如使用GaN。另外，作為化合物半導體層107，使用AlGaN層。構成化合物半導體層103b的AlN和構成化合物半導體層102和104的AlGaN之間的晶格常數的區別大，所以化合物半導體層103a和103c也作為緩衝層發揮功能。應予說明，化合物半導體層103a、103b和103c的厚度例如分別為IOOnm左右、IOnm左右、IOOnm左右。在該例中也可得到與「GaN和AlGaN的組合」的情況相同的作用。另外，在包括AlN的化合物半導體層103b的化合物半導體層103與AlGaN的化合物半導體層107之間，化合物半導體層103的晶格常數實質上小於化合物半導體層107的晶格常數。因此，與「GaN和AlGaN的組合」的情況相比，能夠可靠地抑制2DEG的生成。進而,化合物半導體層103中包括AlN的化合物半導體層103b，所以顯著地降低漏電流。(第2實施方式)接著，說明第2實施方式。圖2A是表示第2實施方式的化合物半導體裝置的電極彼此的位置關係的圖，圖2B是表示沿圖2A中的1-1線的截面的圖，圖2C是表示沿圖2A中的I1-1I線的截面的圖。第2實施方式中，在導電性的基板221上依次形成有GaN層202、AlGaN層203、GaN層 204a 以及 n+GaN 層 204b。作為基板221，例如可使用導電性GaN單晶基板、導電性藍寶石基板、導電性SiC基板、導電性Si基板等。應予說明，為了抑制基板221的厚度方向的電阻成分，優選基板221的電阻較低。作為導電性GaN單晶基板，可舉出導入有作為n型雜質的Si的GaN單晶基板。另夕卜，GaN層202中，摻雜有I X IO13CnT3 I X 102°cnT3左右的Si，其厚度為IOOnnTlOiim左右。AlGaN層203中也摻雜有n型雜質，其厚度為InnTlO y m左右。另外，AlGaN層203中的Al的組成比率為0. 3。應予說明，若AlGaN層203的厚度不足Inm時，則有時難以進行常閉工作。另一方面，若AlGaN層203的厚度超過10 y m，則在導通時難以得到充分高的電子濃度。因此，AlGaN層203的厚度優選為InnTlO y m左右。GaN 層 204a 中，摻雜有 I X IO13CnT3 I X 102°cnT3 左右的 Si，其厚度為 InnTlOiim 左右。另外，n+GaN層204b中摻雜有I X IO16CnT3 I X 1022cm_3左右的Si，其厚度為InnTlOiim左右。n+GaN層204b中的n型雜質的濃度高於GaN層204a中的n型雜質的濃度。因此，n+GaN層204b的電阻低於GaN層204a的電阻。應予說明，若GaN層204a和n+GaN層204b的總厚度不足5nm，則有時無法得到充分的耐壓性能。另一方面，若GaN層204a和n+GaN層204b的總厚度超過10 ii m，則伴隨著導通電阻的增加，導通時的電流密度下降。因此，GaN層204a和n+GaN層204b的總厚度優選為5nnTlO u m左右。由GaN 層 202、AlGaN 層 203、GaN 層 204a 和 n+GaN 層 204b 構成層疊體 205，在層疊體205形成開口部205a。而且，在開口部205a內形成有下面和側面被絕緣膜211a覆蓋的柵電極208。作為柵電極208，形成有Ni膜及位於其上的Au膜的層疊體。如圖2A所示，柵電極208以梳齒狀(指狀)形成有多個，各柵電極208的一端與柵總線208a連接。絕緣膜211a不與GaN層202、AlGaN層203、GaN層204a和n+GaN層204b的側面相接。在平面視 圖中，在與柵電極208延伸的方向(柵寬方向)正交的方向的一側，在絕緣膜211a與GaN層202、AlGaN 層 203、GaN 層 204a 以及 n+GaN 層 204b 之間形成有 AlGaN 層 207。並且，AlGaN層207與GaN層202、AlGaN層203、GaN層204a和n+GaN層204b的側面相接。如此地，柵電極208與基板221和AlGaN層207等絕緣。另外，在另一側，在絕緣膜211a與GaN層202、AlGaN層203、GaN層204a以及n+GaN層204b之間形成氧化矽膜252。應予說明，AlGaN層207中也摻雜有n型雜質，其厚度為InnTl y m左右。另外，AlGaN層207中的Al的組成比率為0.3。若AlGaN層207的厚度不足lnm，則難以生成充分濃度的2DEG。另一方面，若AlGaN層207的厚度超過I y m,則有時難以將電場從柵電極208施加於AlGaN層203和207的界面。因此，AlGaN層207的厚度優選為InnTliim左右。進而，形成有覆蓋柵電極208和絕緣膜211a的絕緣膜21 Ib。而且，在n+GaN層204b和絕緣膜211b等上形成有源電極206。源電極206利用絕緣膜211b與柵電極208絕緣。另外，作為源電極206，形成有Ta膜及位於其上的Al膜的層疊體。另外，本實施方式中，在氧化矽膜252的附近，對基板221和GaN層202形成開口部222，開口部222內形成有介由絕緣膜212與GaN層202絕緣的電極209。進而，在基板221的背面形成有與基板221和電極209相接的漏電極201。應予說明，漏電極201和電極209可以一體地形成。此時，它們包含例如Ta膜及位於其上的Al膜的層疊體。另外，也可以將導電性的基板221和漏電極201視為一個電極。應予說明，在絕緣膜211a的柵電極208和AlGaN層207之間的部分225作為HEMT的柵絕緣膜發揮功能。因此，部分225的厚度優選為InnTlOOnm左右。另外，絕緣膜211a的柵電極208和基板221之間的部分224的厚度優選為部分225的厚度以上。這是由於若部分224的厚度小於部分225的厚度，則柵電極208與基板221和漏電極201之間的距離變短，難以得到充分的耐壓性。另一方面，部分224的厚度優選為GaN層202的厚度以下。這是由於若部分224的厚度超過GaN層202的厚度，則柵電極208的底面位於AlGaN層203的底面的上方，柵電極208變得難以控制AlGaN層203與AlGaN層207的界面的電位。如此地構成的第2實施方式中，因GaN層202與AlGaN層207之間的晶格常數之差所引起的應變產生於AlGaN層207。同樣，因GaN層204a和n+GaN層204b與AlGaN層207之間的晶格常數之差所引起的應變產生於AlGaN層207。而且，因這些應變而產生壓電極化和自發極化，在GaN層202、GaN層204a以及n+GaN層204b的與AlGaN層207的界面附近生成二維電子氣(2DEG)。因此，相應於AlGaN層203與AlGaN層207之間的界面的電位，在源電極206和漏電極201之間流動的電流發生變化。另外，能夠通過柵電極208來控制該界面的電位。另外，第2實施方式中，若向漏電極201施加負的電壓，則介由AlGaN層203、GaN層204a和n+GaN層204b，電子從漏電極201向源電極206遷移，電流從源電極206向漏電極201流動。即，可得到續流二極體的功能。另外，電極209與漏電極201和AlGaN層203相接，源電極206與n+GaN層204b相接，因此，該續流二極體在大電流流動至HEMT之前進行工作。因此，能夠抑制消耗電量的上升。另外，若向漏電極201施加正的大電壓，則介由n+GaN層204b、GaN層204a和AlGaN層203，電子從源電極206向漏電極201遷移，電流從漏電極201向源電極206流動。即，可得到保護二極體的功能。因此，能夠防止HEMT發生故障。在此，對於本申請發明人進行的關於第2實施方式的模擬進行說明。(第I模擬)在第I模擬中，對於電子密度(cm—3)與從基板221的表面起的距離之間的關係以及傳導帶的能量(eV)與從基板221的表面起的距離之間的關係進行調查。該模擬中，將GaN層202的厚度設為lOOOnm，將AlGaN層203的厚度設為200nm，將GaN層204a的厚度設為300nm，將n+GaN層204b的厚度設為200nm。將其結果示於圖3A和圖3B。其中，圖3A中，將柵電壓Vgs為OV且電源關閉時的關係以點劃線表示，將柵電壓Vgs為IOV且電源導通時的關係以實線表示。柵電壓Vgs等於源極-漏極間電壓Vds。如圖3A所示，電源關閉時，在AlGaN層203的AlGaN/GaN異質結面，電子密度不連續地減少。因此，電流在源電極206和漏電極201之間不流動。另一方面，電源導通時，電子被吸引到通過柵電極208施加的電場，所以AlGaN層203的電子密度與關閉時相比顯著地變高。因此，電流可靠地在源電極206和漏電極201之間流動。因此，可看出通過切換向柵電極208施加的電壓，能夠可靠地切換HEMT的導通和關閉。另外，如圖3B所示，電源關閉時，與電源導通的情況相比，AlGaN層203的傳導帶的能量高。這意味著電源關閉時,與電源導通的情況相比,AlGaN層203中存在的電子顯著少。因此，可看出HEMT進行常閉工作。(第2模擬)在第2模擬中調查了二極體特性。將其結果示於圖3C。如圖3C所示，確認了適當的二極體特性。因此，可看出能得到續流二極體和保護二極體的功能。(第3模擬)第3模擬中調查了漏極 電流Id (A/m)與柵電壓Vgs (V)之間的關係。該模擬中，將源極-漏極間電壓Vds設為IOV。將其結果示於圖3D。如圖3D所示，柵電壓Vgs為OV時的漏極電流Id是OA/m。這意味著實現了良好的常閉工作。另外，確認了伴隨著柵電壓Vgs的上升，漏極電流Id適當地上升。因此，可看出HEMT進行常閉工作，另外，HEMT的特性良好。
(第4模擬)第4模擬中調查了漏極電流Id (A/m)與源極-漏極間電壓Vds (V)之間的關係。該模擬中，將柵電壓Vgs設為0V、2V、4V、6V、8V或10V。將其結果示於圖3E。如圖3E所示，與源極-漏極間電壓Vds無關地，柵電壓Vgs為OV時的漏極電流Id成為OA/m。這意味著實現了良好的常閉工作。另外，確認了伴隨著源極-漏極間電壓Vds的上升，漏極電流Id適當地上升。因此，可看出HEMT進行常閉工作，另外，HEMT的特性良好。接著，說明第2實施方式的化合物半導體裝置的製造方法。圖4A 圖4D是以工序順序表示第2實施方式的化合物半導體裝置的製造方法的圖，如同圖2A，主要表示電極彼此的位置關係。另外，圖5A 圖5L是以工序順序表示第2實施方式的化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。 首先，如圖4A和圖5A所示，在基板221上形成用於選擇性生長的掩模251。在形成掩模251之際,例如,通過化學氣相沉積(CVD chemical vapor deposition)法等在基板221的整個面形成氧化矽膜，其後，通過光刻和幹法刻蝕，從預定形成層疊體205的區域去除氧化矽膜。如圖4A所示，掩模251的平面形狀成為大致與柵電極208的平面形狀相同的梳齒狀(指狀)。接著，如圖4B和圖5B所示，在基板221上依次將GaN層202、AlGaN層203、GaN層204a以及n+GaN層204b例如通過有機化學氣相沉積(MOCVD metal organic chemicalvapor deposition)法來形成。也可以通過分子束外延(MBE :molecular beam epitaxy)法來形成 GaN 層 202、AlGaN 層 203、GaN 層 204a 以及 n+GaN 層 204b。在此，說明MOCVD裝置。圖6是表示MOCVD裝置的構成的圖。在石英制反應管40的周圍配置有聞頻線圈41,在反應管40的內側配置有用於載置基板I的碳基座42。在反應管40的上遊端(圖6中的左側的端部)連接有2根氣體導入管44和45，供給化合物的源氣體。例如，從氣體導入管44導入NH3氣作為N源氣體，從氣體導入管45導入三甲基鋁(TMA)、三甲基鎵(TMG)等有機III族化合物原料作為III族元素的源氣體。在基板I上進行晶體生長，剩餘氣體從氣體排出管46向除害塔排出。其中，在減壓氣氛下利用MOCVD法進行晶體生長時，氣體排出管46與真空泵連接，真空泵的排出口與除害塔連接。MOCVD 法中，GaN 層 202、AlGaN 層 203、GaN 層 204a 以及 n+GaN 層 204b 在基板 221的從掩模251露出的部分選擇性地生長。在形成它們之際，根據所要形成的化合物半導體層，適當地設定屬於Al源的TMA氣和屬於Ga源的TMG的供給的有無和流量。另外，將屬於N源的氨氣的流量設為10slnT50slm左右。另外，生長壓力為50Torr 300Torr左右，生長溫度為800°C 1300°C左右。進而，在使其含有n型雜質時，例如將含Si的氣體，例如SiH4氣以規定的流量向原料氣體添加，以成為上述各濃度範圍內的規定值的方式摻雜Si。例如，將形成AlGaN層203時的條件例如如下設定。三甲基鎵(TMG)的流量(T50sccm三甲基鋁(TMA)的流量(T50sccm氨(NH3)的流量20slm壓力IOOTorr溫度1100°C
形成n+GaN層204b後，如圖5C所示，通過溼法蝕刻等來除去掩模251。通過除去掩模251，可得到具備開口部205a的層疊體205。其中，基板221在其表面成為非極性面的n型GaN單晶基板的情況下，GaN層202、AlGaN層203、GaN層204a以及n+GaN層204b的各表面朝向a軸方向。即，各化合物半導體層中，表面朝向a軸方向。另外,GaN層202、AlGaN層203、GaN層204a以及n+GaN層204b的與開口部205a面對的側面的面取向為(0001 )。即，各化合物半導體層中，側面的米勒指數為(0001)。應予說明，在不使用這樣的選擇性生長法的情況下，也可以在基板221的整個面形成各化合物半導體層之後，通過光刻和幹法刻蝕來加工各化合物半導體層而形成層疊體
205。除去掩模251之後，如圖5C所示，同樣地形成氧化矽膜252來作為覆蓋層疊體205的一部分的選擇性生長用掩模。氧化矽膜252以將層疊體205的使AlGaN層207生長的區域露出並覆蓋其它部分的方式進行形成。在形成氧化矽膜252之際，例如通過CVD法等在基板221的整個面形成氧化矽膜，其後，將預定形成AlGaN層207的區域內的部分通過光刻 和幹法刻蝕進行除去即可。接著，如圖所示，在層疊體205的從氧化矽膜252露出的部分上，例如通過MOCVD法形成AlGaN層207。此時也使用例如圖6所示的MOCVD裝置。MOCVD法中，AlGaN層207在層疊體205的從氧化矽膜252露出的部分選擇性地橫向生長。其結果是，層疊體205的側面的一部分在從最下部到最上部的範圍內被AlGaN層207覆蓋。作為AlGaN層207的生長條件,例如採用與AlGaN層203的生長條件相同的條件。 形成AlGaN層207後，如圖5E所示，在整個面形成絕緣膜211a，例如通過化學機械研磨(CMP :chemical mechanical polishing)法使其表面平坦化。作為絕緣膜211a,例如通過等離子體cvd法、原子層沉積(ALD :atomic layer deposition)法等而形成厚度50nm左右的氮化矽膜。另外，代替氮化矽膜，也可以形成氧化鉿膜、氧化鉭膜或氧化鋁膜。進而，也可以將這4種中的2種以上層疊使用。接著，如圖5F所示，在絕緣膜211a上形成在形成柵電極208的部分形成有開口部253a的抗蝕劑圖案253。其後，將抗蝕劑圖案253作為掩模來加工絕緣膜211a，從而對絕緣膜211a形成電極溝226。在電極溝226的形成中，例如進行使用了 SF6氣的幹法刻蝕。接著，如圖4C和圖5G所示，在電極溝226內形成柵電極208。柵電極208例如可通過剝離法形成。在形成柵電極208時也使用抗蝕劑圖案253，在形成柵電極208後除去。接著，如圖5H所示，在絕緣膜211a上形成覆蓋柵電極208的絕緣膜211b。作為絕緣膜211b，例如通過等離子體CVD法等而形成厚度IOOOnm左右的氮化矽膜。其後，如圖51所示，通過加工絕緣膜21 lb、絕緣膜211a以及氧化矽膜252，至少使n+GaN 層 204b 和 AlGaN 層 207 露出。接著，如圖4D和圖5J所示，形成與n+GaN層204b和AlGaN層207相接的源電極
206。例如通過剝離法以不與柵總線208a相接的方式形成源電極206。接著，將基板221的表面側用表面保護層進行覆蓋，研磨基板221的背面，調節基板221的厚度。接著，如圖5K所示，在基板221和GaN層202，形成到達至AlGaN層203的開口部222。其後，如圖5L所示，在開口部222的側面形成絕緣膜212。作為絕緣膜212，例如形成氮化矽膜。而且，在開口部222內形成電極209，進而，在基板221的背面形成漏電極201。電極209和漏電極201可以一體地形成，此時，例如通過蒸鍍法依次形成Ta膜和Al
膜即可。如此地能夠完成第2實施方式的化合物半導體裝置。其中，如圖7A所示，可以在形成AlGaN層207後除去氧化矽膜252。此時，除去氧化矽膜252後，如圖7B所示，形成絕緣膜211a。接著，如圖7C所示，將抗蝕劑圖案253作為掩模而加工絕緣膜211a，從而對絕緣膜211a形成電極溝226。其後，如圖7D所示，形成柵電極208。接著，如圖7E所示，形成絕緣膜211b。然後，如圖7F所示，通過加工絕緣膜211b和絕緣膜211a，至少使n+GaN層204b和AlGaN層207露出。其後，如圖7G所示，進行與上述方法相同的處理。以這樣的方法形成的化合物半導體裝置中，能夠僅在氧化矽膜252不存在的部分進行微細化。
應予說明，在第2實施方式中，如圖8所示，可以設置有柵總線208b，其連接在與一部分柵電極208的與柵總線208a連接的端部相反側的端部。此時，對於與柵總線208a和208b連接的柵電極208而言，與一端未與柵總線208b連接的柵電極208相比，以高速傳遞信號。因此，將前者的柵電極208作為需要迅速傳遞信號的電極，將後者的柵電極208作為不太需要迅速傳遞信號的電極，根據目的而區分使用。(第3實施方式)接著，說明第3實施方式。第3實施方式中，在柵電極208之前形成源電極206。圖9A 圖9F是以工序順序表示第3實施方式的化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。首先，如同第2實施方式，進行形成AlGaN層207為止的處理(圖5A 圖OT)，進而，除去氧化矽膜252 (圖7A)。接著，如圖9A所示，在n+GaN層204b和AlGaN層207上形成源電極206。源電極206例如可通過剝離用形成。其後，如圖9B所示，在源電極206上形成絕緣膜211a，使其表面平坦化。進而，將抗蝕劑圖案253作為掩模而加工絕緣膜211a，從而在絕緣膜211a形成電極溝226。能夠與第2實施方式同樣地進行絕緣膜211a的形成和加工等。接著，如圖9C所示，在電極溝226內形成柵電極208。柵電極208例如可通過剝離法形成。在形成柵電極208時也使用抗蝕劑圖案253，在形成柵電極208後除去。接著，如圖9D所示，在絕緣膜21 Ia上形成覆蓋柵電極208的絕緣膜21 lb。能夠與第2實施方式同樣地進行絕緣膜211b的形成。其後，用表面保護層覆蓋基板221的表面側，如圖9E所示，研磨基板221的背面，調節基板221的厚度。接著，在基板221和GaN層202形成到達至AlGaN層203的開口部222。接著，如圖9F所示，在開口部222的側面形成絕緣膜212。然後，在開口部222內形成電極209，進而，在基板221的背面形成漏電極201。絕緣膜212的形成、電極209的形成以及漏電極201的形成可與第2實施方式同樣地進行。如此地完成第3實施方式的化合物半導體裝置。(第4實施方式)接著，說明第4實施方式。第4實施方式中，在柵電極208與基板221之間形成2層結構的絕緣膜。圖1OA 圖1OE是以工序順序表示第4實施方式的化合物半導體裝置的製造方法的截面圖。首先，如同第2實施方式，進行形成AlGaN層207為止的處理(圖5A 圖OT)，進而，除去氧化矽膜252 (圖7A)。接著，如圖1OA所示，在整個面形成絕緣膜301。作為絕緣膜301，例如通過等離子體CVD法、ALD法等而形成氮化矽膜。若利用等離子體CVD法或ALD法，則特別能夠各向同性地形成絕緣膜301。將絕緣膜301的厚度設為適於柵絕緣膜的厚度，例如設為InnTlOOnm左右。另外，代替氮化矽膜，也可以形成氧化鉿膜、氧化鉭膜或氧化鋁膜。進而，也可以將這4種中的2種以上層疊使用。其後，如圖1OB所示，在絕緣膜301上形成在形成柵電極208的部分形成了開口部253a的抗蝕劑圖案253。接著，如圖1OC所示，在絕緣膜301上和抗蝕劑圖案253上形成絕緣膜302。作為絕緣膜302，例如通過濺射法等來形成氮化矽膜。若利用濺射法，則特別能夠各向異性地形成絕緣膜302。另外，代替氮化矽膜，也可以形成氧化鉿膜、氧化鉭膜或氧化鋁膜。並且，也可以將這4種中的2種以上層疊使用。 接著，如圖1OD所示，在開口部205a內的絕緣膜302上形成柵電極208。柵電極208例如可通過剝離法形成。在形成柵電極208時也使用抗蝕劑圖案253，在形成柵電極208後除去。其後，如圖1OE所示，與第2實施方式同樣地進行絕緣膜21 Ib的形成、源電極206的形成、電極209的形成以及漏電極201的形成等。如此地完成第4實施方式的化合物半導體裝置。其中，優選將絕緣膜302的厚度設為適於柵電極208與基板221的絕緣分離的厚度，將位於柵電極208與基板221之間的絕緣膜301和302的總厚度設成與第2實施方式中的絕緣膜211a的部分224相同。第廣第4化合物半導體裝置例如可用於開關半導體元件。另外，這樣的開關元件可用於開關電源或電子設備。進而，也可以將這些化合物半導體裝置用作伺服器的電源電路等全橋電源電路用部件。另外，如上所述，導電性基板的材料沒有特別限定，但漏電極的材料優選根據基板的材料來選擇。例如，在使用導電性SiC基板時，作為漏電極的材料，優選使用Ni，也可以使用NiS1、TaSi或WSi等。另外，在使用導電性Si基板時，作為漏電極的材料，可以使用Al、TiSi, CoSi 等。(第5實施方式)接著，說明第5實施方式。第5實施方式的電源裝置中，包含第廣第4實施方式的任一化合物半導體裝置。圖11是表示第5實施方式的電源裝置的構成的圖。第5實施方式中，如圖11所示，設有高壓的一次電路401和低壓的二次電路402，進而，在一次電路401與二次電路402之間設有變壓器403。—次電路401中設有交流電源404、所謂的橋式整流電路405以及多個(在此為4個)開關元件406a、406b、406c和406d。另外，橋式整流電路405中，設有開關元件406e。二次電路402中，設有多個(在此為3個)開關元件407a、407b和407c。而且，開關兀件406a、406b、406c、406d和406e中可使用第I 第4實施方式中的任一種。另一方面，開關元件407a、407b和407c中可採用使用了矽的MIS(metal-1nsulator-semiconductor) FET0根據這樣的電源電路，能夠得到高可靠性，該電源電路例如可用於大功率的用途。(第6實施方式)接著，說明第6實施方式。在第6實施方式的高頻放大器中，含有第廣第4實施方式中的任一種化合物半導體裝置。圖12是表示第6實施方式的高頻放大器的構成的圖。在第6實施方式中，如圖12所示，設有數字預失真電路501、混頻器502a和502b以及功率放大器503。數字預失真電路501是補償輸入信號的非線性失真的電路。混頻器502a將非線性失真被補償過的輸入信號和交流信號進行混頻。功率放大器503中可使用第f第4實施 方式中的任一種，功率放大器503放大交流信號和混頻的輸入信號。並且，本實施方式中，例如也可以通過開關的切換，使輸入側的信號在混頻器502b與交流信號進行混頻，並將與交流信號混頻過的輸入側的信號向數字預失真電路501輸送。根據這樣的高頻放大電路，能夠得到高可靠性，該高頻放大電路例如可以用於手機或無線通信的基站。產業上的可利用性根據上述化合物半導體裝置等，能夠使與縱型結構的高電子遷移率電晶體連接的二極體適當地工作。
權利要求
1.一種化合物半導體裝置，其特徵在於，具有 第I電極， 第I化合物半導體層，形成於所述第I電極的上方， 第2化合物半導體層，形成於所述第I化合物半導體層上， 第3化合物半導體層，形成於所述第2化合物半導體層上， 第2電極，形成於所述第3化合物半導體層的上方， 第4化合物半導體層，形成於在所述第I化合物半導體層、所述第2化合物半導體層以及所述第3化合物半導體層的層疊體形成的開口部內，與所述第I化合物半導體層、所述第2化合物半導體層以及所述第3化合物半導體層的側面相接， 柵電極，控制所述第2化合物半導體層與所述第4化合物半導體層的界面的電位，以及第3電極，與所述第I化合物半導體層絕緣，與所述第I電極和所述第2化合物半導體層相接； 其中，所述第2化合物半導體層的晶格常數小於所述第I化合物半導體層和所述第3化合物半導體層的晶格常數， 所述第4化合物半導體層的晶格常數小於所述第I化合物半導體層和所述第3化合物半導體層的晶格常數， 所述第2化合物半導體層的傳導帶的能量高於所述第3化合物半導體層的傳導帶的能量。
2.如權利要求1所述的化合物半導體裝置，其特徵在於，所述第3電極如下形成與因所述第I化合物半導體層與所述第4化合物半導體層之間的晶格常數之差而生成的二維電子氣以及因所述第3化合物半導體層與所述第4化合物半導體層之間的晶格常數之差而生成的二維電子氣相分隔。
3.如權利要求1所述的化合物半導體裝置，其特徵在於，所述第2化合物半導體層的晶格常數為所述第4化合物半導體層的晶格常數以下。
4.如權利要求1所述的化合物半導體裝置，其特徵在於，具有柵絕緣膜，所述柵絕緣膜將所述柵電極和所述第4化合物半導體層進行絕緣。
5.如權利要求4所述的化合物半導體裝置，其特徵在於，具有絕緣膜，所述絕緣膜比所述柵絕緣膜厚，將所述柵電極和所述第I電極進行絕緣。
6.如權利要求1所述的化合物半導體裝置，其特徵在於，所述第I電極和所述第3電極一體地形成。
7.如權利要求1所述的化合物半導體裝置，其特徵在於，所述第I化合物半導體層、所述第2化合物半導體層以及所述第3化合物半導體層含有Ga和N， 所述第I化合物半導體層、所述第2化合物半導體層以及所述第3化合物半導體層的各表面朝向a軸方向。
8.如權利要求1所述的化合物半導體裝置，其特徵在於，所述第I化合物半導體層、所述第2化合物半導體層以及所述第3化合物半導體層含有Ga和N， 所述側面的面取向為(0001)。
9.如權利要求1所述的化合物半導體裝置，其特徵在於，所述第3化合物半導體層的電阻在所述第2電極側變得低於所述第2化合物半導體層側。
10.如權利要求1所述的化合物半導體裝置，其特徵在於，所述第2化合物半導體層和所述第4化合物半導體層是GaN層或AlGaN層， 所述第2化合物半導體層和所述第4化合物半導體層是與所述第2化合物半導體層和所述第4化合物半導體層相比以高比例含有Al的AlGaN層。
11.如權利要求4所述的化合物半導體裝置，其特徵在於，所述柵絕緣膜含有選自氮化矽膜、氧化鉿膜、氧化鉭膜和氧化鋁膜中的至少一種。
12.如權利要求5所述的化合物半導體裝置，其特徵在於，所述絕緣膜含有選自氮化矽膜、氧化鉿膜、氧化鉭膜和氧化鋁膜中的至少一種。
13.一種化合物半導體裝置的製造方法，其特徵在於，具有如下工序 形成依次層疊有第I化合物半導體層、第2化合物半導體層以及第3化合物半導體層的層疊體的工序， 對所述層疊體形成開口部的工序， 在所述開口部內形成與所述第I化合物半導體層、所述第2化合物半導體層以及所述第3化合物半導體層的側面相接的第4化合物半導體層的工序， 形成控制所述第2化合物半導體層與所述第4化合物半導體層的界面的電位的柵電極的工序， 在所述第3化合物半導體層的上方形成第2電極的工序， 在所述第I化合物半導體層的下方形成第I電極，進而形成與所述第I化合物半導體層絕緣且與所述第I電極和所述第2化合物半導體層相接的第3電極的工序； 其中，所述第2化合物半導體層的晶格常數小於所述第I化合物半導體層和所述第3化合物半導體層的晶格常數， 所述第4化合物半導體層的晶格常數小於所述第I化合物半導體層和所述第3化合物半導體層的晶格常數， 所述第2化合物半導體層的傳導帶的能量高於所述第3化合物半導體層的傳導帶的能量。
14.如權利要求13所述的化合物半導體裝置的製造方法，其特徵在於，將所述第3電極如下形成與因所述第I化合物半導體層與所述第4化合物半導體層之間的晶格常數之差而生成的二維電子氣以及因所述第3化合物半導體層與所述第4化合物半導體層之間的晶格常數之差而生成的二維電子氣相分隔。
15.如權利要求13所述的化合物半導體裝置的製造方法，其特徵在於，所述第2化合物半導體層的晶格常數為所述第4化合物半導體層的晶格常數以下。
16.如權利要求13所述的化合物半導體裝置的製造方法，其特徵在於，具有形成將所述柵電極和所述第4化合物半導體層進行絕緣的柵絕緣膜的工序。
17.如權利要求16所述的化合物半導體裝置的製造方法，其特徵在於，形成所述柵絕緣膜的工序具有如下工序形成絕緣膜的工序，所述絕緣膜比所述柵絕緣膜厚，將所述柵電極和所述第I電極進行絕緣。
18.如權利要求13所述的化合物半導體裝置的製造方法，其特徵在於，將所述第I電極和所述第3電極一體地形成。
19.如權利要求13所述的化合物半導體裝置的製造方法，其特徵在於，所述第I化合物半導體層、所述第2化合物半導體層以及所述第3化合物半導體層含有Ga和N， 所述第I化合物半導體層、所述第2化合物半導體層以及所述第3化合物半導體層的各表面朝向a軸方向。
20.如權利要求13所述的化合物半導體裝置的製造方法，其特徵在於，所述第I化合物半導體層、所述第2化合物半導體層以及所述第3化合物半導體層含有Ga和N， 所述側面的面取向為(0001)。
全文摘要
本發明中設有與化合物半導體層(102)絕緣且與電極(101)和化合物半導體層(103)相接的電極(109)。化合物半導體層(103)的晶格常數小於化合物半導體層(102)和化合物半導體層(104)的晶格常數，化合物半導體層(107)的晶格常數小於化合物半導體層(102)和化合物半導體層(107)的晶格常數。另外，化合物半導體層(103)的傳導帶的能量高於化合物半導體層(104)的傳導帶的能量。
文檔編號H01L21/8234GK103003929SQ20108006805
公開日2013年3月27日 申請日期2010年7月14日 優先權日2010年7月14日
發明者今田忠紘 申請人:富士通株式會社