[發明專利]Ⅲ族氮化物半導體器件及其制造方法

有效

• 申請號: 201210327148.7
• 申請日: 2012-09-06
• 公開（公告）號: CN102903738A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 程凱
• 申請（專利權）人: 程凱
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/778;H01L21/335
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 常亮

技術領域

本發明涉及微電子技術領域，特別是涉及一種Ⅲ族氮化物半導體器件及其制造方法。

背景技術

第Ⅲ族氮化物半導體具有大的禁帶寬度、高的介電擊穿電場和高的電子飽和漂移速率等特性，適用于制作高頻、高溫、高速轉換和大功率的電子器件。一方面，由于氮化鎵具有極高的遷移率和飽和速率，氮化鎵電子器件在高頻率功率放大器方面有很好的應用前景。從20世紀90年代至今，氮化鎵基射頻器件的研制一直是氮化鎵電子器件研究的熱點之一。另一方面，基于氮化鎵的功率開關器件近年來受到人們越來越多的關注。這是由于氮化鎵屬于寬禁帶半導體，因而具有很高的臨界電場，因此同傳統的硅器件相比，在同等擊穿電壓下氮化鎵功率器件具有極低的開態損耗。但是由于缺乏本征襯底，氮化鎵通常在硅、碳化硅或藍寶石等異質襯底上生長。

由于氮化鎵半導體和碳化硅、硅或藍寶石等異質襯底在晶格常數和熱膨脹系數方面存在差異，因此氮化鎵半導體與襯底的界面處往往具有較大的晶格失配。于是，通常先在襯底上預先生長一層氮化物成核層，來匹配氮化鎵和襯底之間巨大的晶格失配。然后在氮化物成核層上還需要生長氮化物緩沖層，以達到應力調控的目的。之后再生長氮化鎵半導體層，包括形成氮化鎵溝道層和氮化物勢壘層，構成有源區。

然而實際情況下，這種方法不僅會導致氮化物半導體器件的電流崩塌效應，而且會使氮化物半導體器件的漏電增大。這是由于，一方面，雖然這種方法生長了氮化物成核層和氮化物緩沖層來匹配氮化鎵和襯底之間巨大的晶格失配和熱失配，但是氮化物有源區依然存在著大量缺陷，包括較高密度的位錯（通常大于1E9cm^-2）和點缺陷。另外，在氮化物生長過程中，也會同時引入很多雜質，比如氫，氧，碳和硅等。這些缺陷和雜質會極大的降低器件的性能，這是由于位錯和碳雜質可以在禁帶中引入深能級，形成陷阱中心或電荷俘獲中心，將氮化物溝道層中的電荷俘獲，導致嚴重的電流崩塌效應。另一方面，非故意摻雜引入的氧和碳以及包括氮缺陷在內的本征缺陷，都會使氮化鎵器件工作時的漏電增大。為了減小漏電，在氮化物緩沖層實際生長過程中，可以通過摻入鐵、碳和鎂等雜質來補償非故意摻雜，然而，鐵、碳和鎂等雜質會再次引入深能級，將溝道中電荷俘獲，反而引起更嚴重的電流崩塌效應。因此人們非常難找到一種折中方案，在減小電流崩塌效應和減小漏電之間取得平衡。

因此，針對上述技術問題，有必要提供一種Ⅲ族氮化物半導體器件及其制造方法。

發明內容

有鑒于此，本發明通過在氮化物緩沖層和氮化物溝道層中間引入寬禁帶深能級調制層的方法，以達到同時降低氮化物半導體器件的電流崩塌效應、降低漏電流和提高擊穿電壓的目的。利用能帶工程，在寬禁帶深能級調制層、氮化物溝道層和氮化物勢壘層中間形成量子阱結構，起到限制載流子（比如說二維電子氣）的作用，大大提高半導體器件包括三極管和二極管中電極對溝道的控制。由于量子阱結構的限制作用，載流子無法通過氮化物緩沖層中的缺陷從一個電極轉移到另外一個電極，因此會極大降低電極間的漏電流。另外，在該寬禁帶深能級調制層中，深能級的密度受到了嚴格的控制，把載流子和氮化物緩沖層中的電荷俘獲中心隔離開來，避免了電流崩塌效應。因此，寬禁帶深能級調制層通過將氮化物溝道層和氮化物緩沖層隔離開來，既避免了氮化物溝道層中載流子通過氮化物緩沖層中的非故意摻雜雜質和本征缺陷產生的漏電流，又避免了氮化物溝道層中載流子被氮化物溝道層中的補償雜質和生長缺陷俘獲導致的電流崩塌效應。

另外，當氮化物緩沖層由鋁鎵氮層構成、氮化物深能級調制層由鋁鎵銦氮層構成、氮化物溝道層由氮化鎵層構成、氮化物勢壘層由鋁鎵氮層構成時，氮化鎵溝道層和鋁鎵氮勢壘層界面處形成量子阱，將載流子限制在量子阱中，形成二維電子氣溝道。鋁鎵銦氮深能級調制層與氮化鎵溝道層之間界面處，由于鋁鎵銦氮深能級調制層具有更大的禁帶寬度，因此對氮化鎵溝道層中的電子形成了勢壘。同理，鋁鎵氮緩沖層與鋁鎵銦氮深能級調制層界面處，由于鋁鎵氮緩沖層具有更大的禁帶寬度，因此對鋁鎵銦氮深能級調制層中的電子形成勢壘。上述兩種勢壘都有效的提高了量子阱溝道中二維電子氣進入鋁鎵銦氮緩沖層的勢壘，從而有效避免了二維電子氣被緩沖層中陷阱電荷的俘獲，大大減小了電流崩塌效應。