TWI572036B - Nitride crystal structure - Google Patents
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Description
本發明係關於一種電晶體結構，特別是關於一種氮化物電晶體結構。
隨著科技的進步，對於高能電子元件的需求與日俱增，傳統矽基(Si-based)與砷化鎵(GaAs)元件由於其能隙較小已不符合高功率元件應用需求，必須使用寬能隙半導體材料，例如碳化矽(SiC)或氮化鎵(GaN)等；相較於碳化矽，氮化鎵系列材料可藉由材料能隙調變與組合來達到較高之通道電子遷移率與載子濃度，因此更適合作為高能電子元件需求應用，一般熟知之氮化物電晶體結構，尤其是高電子遷移率電晶體(High Electron Mobility Transistor,HEMT)，其磊晶層結構由上至下為第一層氮化鋁鎵(AlGaN)層、第二層氮化鎵(GaN)層、第三層成核(Nucleation)層與第四層基板(Substrate)，其中第一層氮化鋁鎵層亦可稱為阻障層，第二層氮化鎵層亦可稱為通道層，又其中第二層氮化鎵層可為無摻雜氮化鎵層與半絕緣氮化鎵層之組合；並且由於氮化物材料獨特的極化效應(Polarization Effect)，包括自發極化(Spontaneous Polarization)與壓電極化(Piezoelectric Polarization)，在沒有摻雜任何雜質
的情況下，極化效應可以使氮化鋁鎵/氮化鎵異質結構在在氮化鎵層靠近界面處自動感應形成二維電子氣(Two Dimensional Electron Gas,2DEG)，在2DEG中的電子有較高之移動速度且其電子濃度大小與極化強弱有關。若要此磊晶結構具有元件操作功能，則必須在其上製作源極(Source)、汲極(Drain)與閘極(Gate)金屬電極，其中閘極電極介於源極與汲極電極之間，並且源極與汲極電極與半導體之間為歐姆接觸(Ohmic Contact)，閘極電極與半導體之間為蕭特基接觸(Schottky Contact)；元件操作方式為由源極提供一電流，該電流經由2DEG形成之通道由汲極電極輸出，並由閘極電極提供一電壓，藉由調節該電壓大小來控制通道電流開關特性與電流大小。
以上述之氮化物電晶體結構製作之元件一般為空乏型(Depletion Mode)元件，或稱為常通型(Normally On)元件，亦即在閘極電極施加電壓為0V時，2DEG通道間仍有電流產生，使源極與汲極之間為導通狀態；然而在高能電子應用上，尤其是高功率開關切換應用，增強型(Enchancement Mode)元件，或稱為常閉型(Normally Off)元件可提高元件與電路的安全性，增強型元件亦即在閘極電極施加電壓為0V時，2DEG通道間並無電流產生，必須在閘極電極施加正向偏壓才可使源極與汲極之間導通；理想狀態為在閘極電極正下方之通道區域並無2DEG形成，但閘極與源極之間，以及閘極與汲
極之間之通道區域仍有2DEG形成，為使元件導通須在閘極電極施加正向偏壓引發2DEG形成來導通元件，有諸多方式可達成此一增強型氮化物電晶體元件，例如可參照美國專利第US 7,728,356 B2號與US 7,851,825 B2號，藉由改變氮化物電晶體磊晶層結構與元件製程來達成。
上述之氮化物電晶體磊晶結構其晶體面向由基板朝上一般為鎵極性(Gallium Polar,Ga-polar)，或稱為鎵面向(Gallium Face,Ga-face)，相對於鎵面向的另一晶體面向為氮極性(Nitrogen Polar,N-polar)，或稱為氮面向(Nitrogen Face,N-face)，以晶體面向為氮面向製作之氮化物電晶體結構，其磊晶層結構由上至下為第一層氮化鎵(GaN)層、第二層氮化鋁鎵(AlGaN)層、第三層氮化鎵(GaN)層、第四層成核(Nucleation)層與第五層基板(Substrate)，其中第一層氮化鎵層亦可稱為通道層，第二層氮化鋁鎵層亦可稱為阻障層；該氮面向氮化物電晶體結構同樣擁有極化效應，可在氮化鋁鎵/氮化鎵異質結構在在氮化鎵層靠近界面處自動感應形成二維電子氣(2DEG)；有諸多方式可達成此一氮面向氮化物電晶體結構，例如可參照美國專利第US 8,878,249 B2號，藉由使用偏角度基板來達成。
上述之氮化物電晶體結構，尤其是高電子遷移率電晶體，其電晶體元件特性優劣很大一部份取決於2DEG通道中的電子移動速度與電子濃度，因此若能改善2DEG通道特
性，例如提高2DEG電子遷移率或是電子濃度，均有助於改善電晶體元件效能。例如參照美國專利第US 6,849,882 B2號，其揭示一種在氮化鋁鎵阻障層與氮化鎵通道層之間插入一層氮化鋁(AlN)層，藉此來提高2DEG通道之電子遷移率；又例如參照美國專利第US 7,795,642 B2號，其揭示一種利用氮化鋁鎵/氮化鎵/氮化鋁鎵組合層來取代氮化鋁鎵阻障層，並調整氮化鋁鎵之鋁含量來提高2DEG通道之電子濃度；再例如參照美國專利第US 2006/0163594 A1號，其揭示一種利用氮化銦鎵層取代氮化鋁鎵阻障層，藉此來提高2DEG通道之電子濃度。
職是之故，申請人乃進行試驗與研究，提出一種可提高2DEG通道電子遷移率與電子濃度之氮化物電晶體結構與製作方法，利用一層或多層較低五三比之氮化物中間層置於2DEG通道下方，其位置介於2DEG通道與基板之間，可提高2DEG通道電子遷移率與電子濃度，進而達到提升氮化物電晶體元件性能之功效。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種氮化物電晶體結構，整合一成核層、一通道層、一中間層、一阻障層、及一緩衝層等半導體結構，以製備出提高二維電子氣通道之電子遷移率與載子濃度，而達到提升
氮化物電晶體性能之功效。
本發明提出利用一層或多層以較低五三比磊晶成長之氮化物中間層置於2DEG通道下方，其位置介於2DEG通道與基板之間，可提高2DEG通道電子遷移率與電子濃度，進而達到提升氮化物電晶體元件性能之功效。其中五三比為氮化物材料在進行磊晶成長過程中之一主要調整參數，其比例為磊晶成長時所通入之五族元素莫爾流量與三族元素莫爾流量之比例，本發明提出之較低五三比氮化物中間層置於2DEG通道下方，其位置介於2DEG通道與基板之間，亦即此低五三比氮化物中間層處於通道層之中，因此，此一氮化物中間層成長時之五三比必須小於通道層成長時之五三比，才可達到本發明所提出之提高2DEG通道電子遷移率與電子濃度之功效。
為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種鎵面向氮化物電晶體結構，包括：一基板；一成核層，該成核層形成於該基板之上；一通道層，係設置於該成核層之上，該通道層中具有至少一中間層；一阻障層，該阻障層係位該通道層之上；一源極、一汲極與一閘極三個金屬電極，係設置於該阻障層之上，該閘極位置處於該源極與該汲極之間，該源極與該汲極之金屬電極為歐姆接觸，與該閘極金屬電極為蕭特基接觸；其中形成該中間層之成長五三比較形成該通道層之成長五三比低。
如上述中之鎵面向氮化物電晶體結構，其中該基板係為選自於藍寶石、碳化矽、矽、氮化鎵、氮化鋁或其他適合做為氮化物磊晶成長之基板材料；如上述中之鎵面向氮化物電晶體結構，其中該成核層可為氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵或其他可有效降低基板引發通道層應力與缺陷之氮化物材料；如上述中之鎵面向氮化物電晶體結構，其中該通道層可為氮化鎵或其他能隙小於阻障層材料能隙之氮化物材料；如上述中之鎵面向氮化物電晶體結構，其中該阻障層可為氮化鋁鎵、氮化銦鋁或其他能隙大於通道層材料能隙之氮化物材料；如上述中之鎵面向氮化物電晶體結構，其中該阻障層與通道層之界面必須形成二維電子氣；如上述中之鎵面向氮化物電晶體結構，其中該氮化物中間層可為氮化鎵、氮化鋁鎵或其他氮化物材料；如上述中之鎵面向氮化物電晶體結構，其中該氮化物中間層其成長之五三比必須小於通道層成長五三比；如上述中之鎵面向氮化物電晶體結構，其中該電晶體結構可為增強型或空乏型元件。
如上述中之鎵面向氮化物電晶體結構，其中該磊晶成長的方式為為選自於化學氣相磊晶法(Chemical Vapor Deposition，CVD)、有機金屬化學氣相磊晶法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)、分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy，MBE)、氫化物氣相磊晶(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)、離子增強化學氣相磊晶法(Plasma Enhanced
Chemical Vapor Deposition，PECVD)或其他適合成長氮化物材料之磊晶方法。
為了達到上述目的，根據本發明所提出之另一方案，提供一種氮面向氮化物電晶體結構，包括：一基板；一成核層，該成核層形成於該基板之上；一緩衝層，係位於該成核層之上，該緩衝層中具有至少一中間層；一阻障層，該阻障層係位於該緩衝層之上；一通道層，該通道層係位該阻障層之上；一源極、一汲極與一閘極三個金屬電極，係設置於該通道層之上，其中該閘極位置處於該源極與該汲極之間，該源極與該汲極之金屬電極為歐姆接觸，與該閘極金屬電極為蕭特基接觸；其中形成該中間層之成長五三比較形成該緩衝層之成長五三比低。
如上述中之氮面向氮化物電晶體結構，其中該基板係為選自於藍寶石、碳化矽、矽、氮化鎵、氮化鋁或其他適合做為氮化物磊晶成長之基板材料；如上述中之氮面向氮化物電晶體結構，其中該成核層可為氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵或其他可有效降低基板引發緩衝層應力與缺陷之氮化物材料；如上述中之氮面向氮化物電晶體結構，其中該緩衝層可為氮化鎵或其他氮化物材料；如上述中之氮面向氮化物電晶體結構，其中該阻障層可為氮化鋁鎵、氮化銦鋁或其他能隙大於通道層材料能隙之氮化物材料；如上述中之氮面向氮化物電晶體結構，其中該通道層可為氮化鎵或其他能隙小於
阻障層材料能隙之氮化物材料；如上述中之氮面向氮化物電晶體結構，其中該阻障層與通道層之界面必須形成二維電子氣；如上述中之氮面向氮化物電晶體結構，其中該氮化物中間層可為氮化鎵、氮化鋁鎵或其他氮化物材料；如上述中之氮面向氮化物電晶體結構，其中該氮化物中間層其成長之五三比必須小於緩衝層成長五三比；如上述中之氮面向氮化物電晶體結構，其中該電晶體結構可為增強型或空乏型元件。
如上述中之氮面向氮化物電晶體結構，其中該磊晶成長的方式為為選自於化學氣相磊晶法(Chemical Vapor Deposition，CVD)、有機金屬化學氣相磊晶法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)、分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy，MBE)、氫化物氣相磊晶(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)、離子增強化學氣相磊晶法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)或其他適合成長氮化物材料之磊晶方法。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
100、200‧‧‧基板
101、201‧‧‧成核層
102、205‧‧‧通道層
103、203‧‧‧中間層
104、204‧‧‧阻障層
105、206‧‧‧源極
106、207‧‧‧汲極
107、208‧‧‧閘極
112、215‧‧‧二維電子氣
第一圖係為本發明一種鎵面向氮化物電晶體結構示意圖；
第二圖係為本發明一種氮面向氮化物電晶體結構示意圖；第三圖係為本發明一種具有低五三比中間層之氮化物電晶體電性量測結果；第四圖係為本發明一種具有低五三比中間層之氮化物電晶體電性量測結果。
以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。
請參閱第一圖所示，為本發明一種鎵面向氮化物電晶體結構示意圖。如圖一所示，本發明所提供一種鎵面向氮化物電晶體結構，包括有下列組成：一基板100，本實施例使用藍寶石作為磊晶基板，但亦可使用碳化矽、矽、氮化鎵、氮化鋁或其他適合做為氮化物磊晶成長之基板材料；其後於該基板100之上利用有機金屬化學氣相磊晶法磊晶成長成核層101，本實施例使用氮化鎵作為成核層101，但依磊晶方法的不同與選用不同基板，可選擇使用氮化鋁、氮化鋁鎵或其他可有效降低基板引發通道層102應力與缺陷之氮化物材料；其後於該成核層101之上成長通道層102，本實施例使用氮化鎵作為通道層102，但亦可使用其他能隙小於阻障層104
能隙之氮化物材料；依本發明特徵需說明通道層102成長五三比，於本實施例中，通道層102成長五三比為848，該五三比之值可依磊晶設備與程序不同而改變，不應限制本發明通道層102成長五三比於該五三比值；而在成長該通道層102過程中，本發明係將五三比降低至71~346之間係以成長一低五三比中間層103，本實施例使用氮化鎵與氮化鋁鎵作為低五三比中間層103，但亦可使用其他氮化物材料，該五三比之值可依磊晶設備與程序不同而改變，不應限制本發明低五三比中間層103成長五三比於該五三比範圍；並且在上述該低五三比中間層103製程後，接續提昇五三比值至848成長通道層102；其後於該通道層102之上成長阻障層104，本實施例使用氮化鋁鎵作為阻障層104，但亦可使用氮化銦鋁或其他能隙大於通道層102能隙之氮化物材料，並且該阻障層104與該通道層102之界面必須形成二維電子氣112。其後於阻障層104之上製作三個金屬電極，源極105、汲極106與閘極107完成電晶體元件製作，其中閘極107位置處於源極105與汲極106之間，源極與汲極之金屬電極為歐姆接觸，閘極金屬電極為蕭特基接觸；並可由閘極電極提供一電壓，藉由調節該電壓大小來控制通道電流開關特性與電流大小；其中該電晶體結構可為增強型或空乏型元件。
請參閱第二圖所示，為本發明一種氮面向氮化物電晶體結構示意圖。如圖二所示，本發明所提供一種氮面向
氮化物電晶體結構，包括有下列組成：一基板200，本實施例使用藍寶石作為磊晶基板，但亦可使用碳化矽、矽、氮化鎵、氮化鋁或其他適合做為氮化物磊晶成長之基板材料；其後於該基板200之上利用有機金屬化學氣相磊晶法磊晶成長成核層201，本實施例使用氮化鎵作為成核層201，但依磊晶方法的不同與選用不同基板，可選擇使用氮化鋁、氮化鋁鎵或其他可有效降低基板引發緩衝層202應力與缺陷之氮化物材料；其後於該成核層201之上成長緩衝層202，本實施例使用氮化鎵作為緩衝層202，但亦可使用其他氮化物材料；依本發明特徵需說明緩衝層202成長五三比，於本實施例中，緩衝層202成長五三比為848，該五三比之值可依磊晶設備與程序不同而改變，不應限制本發明緩衝層202成長五三比於該五三比值；而在成長該緩衝層202過程中，本發明係將五三比降低至71~346之間係以成長一低五三比中間層203，本實施例使用氮化鎵與氮化鋁鎵作為低五三比中間層203，但亦可使用其他氮化物材料，該五三比之值可依磊晶設備與程序不同而改變，不應限制本發明低五三比中間層203成長五三比於該五三比範圍；並且在上述該低五三比中間層203製程後，接續提昇五三比值至848成長緩衝層202；其後於該緩衝層202之上成長阻障層204，本實施例使用氮化鋁鎵作為阻障層204，但亦可使用氮化銦鋁或其他能隙大於通道層205能隙之氮化物材料；其後於該阻障層204之上成長通道層205，本實
施例使用氮化鎵作為通道層205，但亦可使用其他能隙小於阻障層204能隙之氮化物材料；並且該通道層205與該阻障層204之界面必須形成二維電子氣215。其後於通道層205之上製作三個金屬電極，源極206、汲極207閘極208完成電晶體元件製作，其中閘極208位置處於源極206與汲極207之間，源極與汲極之金屬電極為歐姆接觸，閘極金屬電極為蕭特基接觸；並可由閘極電極提供一電壓，藉由調節該電壓大小來控制通道電流開關特性與電流大小；其中該電晶體結構可為增強型或空乏型元件。
請參閱第三圖所示，為本發明一種具有低五三比中間層之氮化物電晶體電性量測結果。如圖三所示，包含室溫(Room Temperature,RT)與低溫80K之2DEG電子遷移率(Mobility)與片載子濃度(Sheet Concentration)圖，該圖中比較一般氮化物電晶體結構與具有低五三比氮化物中間層之氮化物電晶體結構電性量測結果，其中低五三比氮化物中間層之五三比分別為177、141與71；由圖中可發現，隨著低五三比氮化物中間層五三比的降低，室溫與低溫電子遷移率有顯著的提高，室溫電子遷移率可由1481cm2/Vs提高至1815cm2/Vs；低溫80K電子遷移率更是由6349cm2/Vs大幅提高至13420cm2/Vs，由於低溫量測可使試片不受外在環境熱擾動影響，更能顯示出結構改善後之成果；然而與電子遷移率相比，片載子濃度則由1.4x1013cm-2降低至1.2x1013cm-2，但仍保持在1013
cm-2以上，仍足以滿足氮化鎵電晶體元件需求。
請參閱第四圖所示，為本發明一種具有低五三比中間層之氮化物電晶體電性量測結果。如圖四所示，現請再參考第4圖，其顯示為本發明提出之具有低五三比氮化物中間層之氮化物電晶體結構電性量測結果，包含室溫(Room Temperature,RT)與低溫80K之2DEG電子遷移率(Mobility)與片載子濃度(Sheet Concentration)圖，該圖中比較一般氮化物電晶體結構與具有低五三比氮化物中間層之氮化物電晶體結構電性量測結果，其中低五三比氮化物中間層分別為氮化鎵與氮化鋁鎵，其五三比分別為71與346；由圖中可發現，當使用氮化鋁鎵作為低五三比氮化物中間層時，室溫電子遷移率可由1481cm2/Vs提高至1800cm2/Vs；低溫80K電子遷移率更是由6349cm2/Vs大幅提高至14800cm2/Vs，同樣顯示出結構改善後之成果；並且在片載子濃度量測結果，使用氮化鋁鎵作為低五三比氮化物中間層可使片載子濃度由1.4x1013cm-2提高至2.1x1013cm-2，顯示出使用氮化鋁鎵作為低五三比氮化物中間層可同時提升片載子濃度。
上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
100‧‧‧基板
101‧‧‧成核層
102‧‧‧通道層
103‧‧‧中間層
104‧‧‧阻障層
105‧‧‧源極
106‧‧‧汲極
107‧‧‧閘極
112‧‧‧二維電子氣
Claims (17)
- 一種鎵面向氮化物電晶體結構，包括：一基板；一成核層，該成核層形成於該基板之上；一通道層，係設置於該成核層之上，該通道層中具有至少一中間層；一阻障層，該阻障層係位該通道層之上；一源極、一汲極與一閘極三個金屬電極，係置於該阻障層之上，該閘極位置處於該源極與該汲極之間，該源極與該汲極之金屬電極為歐姆接觸，與該閘極金屬電極為蕭特基接觸；其中形成該中間層之成長五三比較形成該通道層之成長五三比低，該中間層之成長五三比範圍係為71~177之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之鎵面向氮化物電晶體結構，其中，該基板係選自藍寶石、碳化矽、矽、氮化鎵、氮化鋁其中之一。
- 如申請專利範圍第1項所述之鎵面向氮化物電晶體結構，其中，該成核層、該通道層、該中間層、該阻障層係包含氮化物。
- 如申請專利範圍第3項所述之鎵面向氮化物電晶體結構，其中，該成核層係為氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵其中之一。
- 如申請專利範圍第3項所述之鎵面向氮化物電晶體結構，其中，該通道層係為氮化鎵。
- 如申請專利範圍第3項所述之鎵面向氮化物電晶體結構，其中，該阻障層係為氮化鋁鎵、氮化銦鋁其中之一。
- 如申請專利範圍第3項所述之鎵面向氮化物電晶體結構，其中，該中間層係為氮化鎵、氮化鋁鎵其中之一。
- 如申請專利範圍第1項所述之鎵面向氮化物電晶體結構，其中，該阻障層與該通道層之界面係形成二維電子氣。
- 一種氮面向氮化物電晶體結構，係包括：一基板；一成核層，該成核層形成於該基板之上；一緩衝層，係位於該成核層之上，該緩衝層中具有至少一中間層；一阻障層，該阻障層係位於該緩衝層之上；一通道層，該通道層係位該阻障層之上；一源極、一汲極與一閘極三個金屬電極，係設置於該通道層之上，其中該閘極位置處於該源極與該汲極之間，該源極與該汲極之金屬電極為歐姆接觸，與該閘極金屬電極為蕭特基接觸；其中形成該中間層之成長五三比較形成該緩衝層之成長五三比低，該中間層之成長五三比範圍係為71~346之間。
- 如申請專利範圍第9項所述之氮面向氮化物電晶體結構，其中，該基板係選自藍寶石、碳化矽、矽、氮化鎵、氮化鋁其中之一。
- 如申請專利範圍第9項所述之氮面向氮化物電晶體結構，其中，該成核層、該緩衝層、該通道層、該中間層、該阻障層係包含氮化物。
- 如申請專利範圍11項所述之氮面向氮化物電晶體結構，其中，該成核層係為氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵其中之一。
- 如申請專利範圍11項所述之氮面向氮化物電晶體結構，其中，該緩衝層係為氮化鎵。
- 如申請專利範圍第11項所述之氮面向氮化物電晶體結構，其中，該阻障層係為氮化鋁鎵、氮化銦鋁其中之一。
- 如申請專利範圍第11項所述之氮面向氮化物電晶體結構，其中，該通道層係為氮化鎵。
- 如申請專利範圍第11項所述之氮面向氮化物電晶體結構，其中，該中間層係為氮化鎵、氮化鋁鎵其中之一。
- 如申請專利範圍第11項所述之氮面向氮化物電晶體結構，其中，該阻障層與該通道層之界面必須形成二維電子氣。
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