TWI859917B - 氮化物半導體裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種氮化物半導體裝置，其具備電場強度之峰值較低，且漏電流亦受到抑制的極化超接合部。
本發明之氮化物半導體裝置，其具備設於閘極電極與汲極電極之間的極化超接合部，極化超接合部包含：第一氮化物半導體層；第二氮化物半導體層，設於第一氮化物半導體層上，並具有比第一氮化物半導體層之能隙更寬的能隙；第三氮化物半導體層，設於第二氮化物半導體層之頂面的一部分，並具有比第二氮化物半導體層之能隙更窄的能隙；及第四氮化物半導體層，設於第二氮化物半導體層之頂面的一部分，並與第三氮化物半導體層分離而設於比第三氮化物半導體層更靠汲極電極側，且具有比第二氮化物半導體層之能隙更窄的能隙；第四氮化物半導體層係電位浮動。
Description
本說明書所揭露之技術係關於一種氮化物半導體裝置。
專利文獻1及專利文獻2揭露了一種具備有極化超接合部的氮化物半導體裝置。極化超接合部係設於閘極電極與汲極電極之間，並具有將第一氮化物半導體層、第二氮化物半導體層及第三氮化物半導體層疊設而成的構造。第一氮化物半導體層係由非摻雜的GaN形成。第二氮化物半導體層係由非摻雜的AlGaN形成。第三氮化物半導體層係由非摻雜的GaN形成。極化超接合部係在與「將閘極電極與汲極電極連結之方向」直交的疊設方向上進行極化。在如此之極化超接合部中，閘極電極與汲極電極之間的電場強度會均一化。因此，具備極化超接合部的氮化物半導體裝置，係被視為可具有高耐壓之特性。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2016-146369號公報
[專利文獻2]日本特開2020-198331號公報
在具備極化超接合部的氮化物半導體裝置中，為了抑制崩潰現象，需要使極化超接合部中的電場強度之峰值降低的技術。再者，在具備極化超接合部的氮化物半導體裝置中，亦需要可抑制漏電流的技術。本說明書係提供一種氮化物半導體裝置，其具備電場強度之峰值較低，且漏電流亦受到抑制的極化超接合部。
本說明書揭露一種具備設於閘極電極與汲極電極之間的極化超接合部之氮化物半導體裝置。此極化超接合部可包含：第一氮化物半導體層、第二氮化物半導體層、第三氮化物半導體層及第四氮化物半導體層。該第二氮化物半導體層係設於該第一氮化物半導體層上，並具有比該第一氮化物半導體層之能隙更寬的能隙。該第三氮化物半導體層係設於該第二氮化物半導體層上的一部分，並具有比該第二氮化物半導體層之能隙更窄的能隙。該第四氮化物半導體層係設於該第二氮化物半導體層上的一部分，並與該第三氮化物半導體層分離而配置於比該第三氮化物半導體層更靠該汲極電極側，且具有比該第二氮化物半導體層之能隙更窄的能隙。該第四氮化物半導體層係電位浮動。在此氮化物半導體裝置中，電場強度係在該第三氮化物半導體層的該汲極電極側之端部及該第四氮化物半導體層的該汲極電極側之端部兩個位置中成為峰值。由於使電場強度的峰值分散，故電場強度的峰值會降低。又，
在此氮化物半導體裝置中，當關閉(off)時，會在電位浮動的該第四氮化物半導體層內殘存二維電洞氣體。因此，由於該第一氮化物半導體層與該第二氮化物半導體層之接合面附近的二維電子氣體會受到吸引，故該二維電子氣體會在該極化超接合部迂迴而抑制會在該極化超接合部之下方流動的漏電流。如此，上述氮化物半導體裝置可具備電場強度之峰值較低，且漏電流亦受到抑制的極化超接合部。
在將該閘極電極與該汲極電極連結之方向上進行測量時，該第三氮化物半導體層亦可長於該第四氮化物半導體層。由於在此氮化物半導體裝置中，係在該閘極電極與該汲極電極之間，將該第一氮化物半導體層、該第二氮化物半導體層及該第三氮化物半導體層疊設而成的部分確保得較寬，故可具有高耐壓之特性。再者，由於在此氮化物半導體裝置中，係設有該第四氮化物半導體層，故如上所述，電場強度的峰值會較低，且漏電流亦會受到抑制。
1~3:氮化物半導體裝置
10:疊設基板
11:基板
12:緩衝層
13:第一氮化物半導體層
14:第二氮化物半導體層
15:第三氮化物半導體層
16:第四氮化物半導體層
17:p型氮化物半導體區域(低濃度p型氮化物半導體區域)
18:p型氮化物半導體區域(高濃度p型氮化物半導體區域)
22:汲極電極
24:源極電極
26:閘極電極
30:極化超接合部
102:非摻雜氮化物半導體層
104:低濃度p型氮化物半導體層
106:高濃度p型氮化物半導體層
116:薄膜氮化物半導體層
117:p型氮化物半導體區域
15L,16L:長度
GL:間隙長度
【圖1】係示意地顯示本實施態樣之氮化物半導體裝置的主要部分剖面圖。
【圖2】係示意地顯示比較例1之氮化物半導體裝置的主要部分剖面圖。
【圖3】係示意地顯示比較例2之氮化物半導體裝置的主要部分剖面圖。
【圖4】係示意地顯示製造本實施態樣之氮化物半導體裝置之過程的主要部分剖面圖。
【圖5】係示意地顯示製造本實施態樣之氮化物半導體裝置之過程的主要部分剖面圖。
【圖6】係示意地顯示製造本實施態樣之氮化物半導體裝置之過程的主要部分剖面圖。
如圖1所示，氮化物半導體裝置1包含：基板11、緩衝層12、第一氮化物半導體層13、第二氮化物半導體層14、第三氮化物半導體層15、第四氮化物半導體層16、p型氮化物半導體區域17、18、汲極電極22、源極電極24及閘極電極26。又，存在於閘極電極26與汲極電極22之間的第一氮化物半導體層13、第二氮化物半導體層14、第三氮化物半導體層15及第四氮化物半導體層16，係構成極化超接合部30。
在基板11的材料中，係採用了可由氮化物半導體系的半導體材料所長晶者。基板11並未特別限定，但例如可為氮化鎵、藍寶石或是矽。
緩衝層12係疊設設置於基板11上，並與基板11的頂面接觸。緩衝層12並未特別限定，但例如可為非摻雜的氮化鎵(GaN)。又，亦可在非摻雜的氮化鎵之底部包含氮化鋁鎵。
第一氮化物半導體層13係疊設設置於緩衝層12上，並與緩衝層12的頂面接觸。第一氮化物半導體層13並未特別限定，但例如可為非摻雜的氮化鎵。
第二氮化物半導體層14係疊設設置於第一氮化物半導體層13上，並與第一氮化物半導體層13的頂面接觸。第二氮化物半導體層14並未特別限定，但例如可為非摻雜的氮化鋁鎵。第二氮化物半導體層14的能隙寬於第一氮化物半導體層13的能隙。
第三氮化物半導體層15係疊設設置於第二氮化物半導體層14之頂面的一部分，並與第二氮化物半導體層14的頂面接觸。第三氮化物半導體層15包含位於閘極電極26下方的部分，及位於閘極電極26與汲極電極22之間的部分。位於閘極電極26與汲極電極22之間的第三氮化物半導體層15之部分，係構成極化超接合部30的一部分。第三氮化物半導體層15並未特別限定，但例如可為非摻雜的氮化鎵。第三氮化物半導體層15的能隙窄於第二氮化物半導體層14的能隙。
第四氮化物半導體層16疊設設置於第二氮化物半導體層14之頂面的一部分，並與第二氮化物半導體層14的頂面接觸。第四氮化物半導體層16係與第三氮化物半導體層15分離而配置於比第三氮化物半導體層15更靠汲極電極22側。又，第四氮化物半導體層16亦與汲極電極22分離配置。因此，第四氮化物半導體層16的電位為浮動。第四氮化物半導體層16係構成極化超接合部30的一部分。第四氮化物半導體層16並未特別限定，但例如可為非摻雜的氮化鎵。第四氮化物半導體層16的能隙窄於第二氮化物半導體層14的能隙。
p型氮化物半導體區域17、18係設於第三氮化物半導體層15與閘極電極26之間。p型氮化物半導體區域17、18包含低濃度p型氮化物半導體區域17及高濃度p型氮化物半導體區域18。低濃度p型氮化物半導體區域17係設於第三氮化物半導體層15與
高濃度p型氮化物半導體區域18之間，高濃度p型氮化物半導體區域18係設於低濃度p型氮化物半導體區域17與閘極電極26之間。低濃度p型氮化物半導體區域17與高濃度p型氮化物半導體區域18並未特別限定，但例如可為摻雜有鎂或是鋅作為p型雜質(受體)的氮化鎵。高濃度p型氮化物半導體區域18的雜質濃度高於低濃度p型氮化物半導體區域17的雜質濃度。因此，高濃度p型氮化物半導體區域18能以較低的接觸電阻與閘極電極26接觸。
汲極電極22及源極電極24各自係設於第二氮化物半導體層14上，並與第二氮化物半導體層14的表面接觸。汲極電極22與源極電極24係配置於隔著閘極電極26而相向的位置。汲極電極22與源極電極24各自並未特別限定，但例如可為多晶矽或是鈦與鋁的疊設電極。
閘極電極26係設於p型氮化物半導體區域17、18上，並與p型氮化物半導體區域17、18的頂面接觸。閘極電極26並未特別限定，但例如可為多晶矽或是鎳、金、鈦及鋁的疊設電極。
接著，說明氮化物半導體裝置1的動作。氮化物半導體裝置1例如係以對汲極電極22施加正電位，並對源極電極24施加接地電位的方式使用。在氮化物半導體裝置1中，會在第一氮化物半導體層13與第二氮化物半導體層14之接合面中的第一氮化物半導體層13側產生二維電子氣體(2DEG)。此二維電子氣體會成為汲極電極22與源極電極24之間的電流路徑。若對閘極電極26施加負電位，則空乏層會從p型氮化物半導體區域17、18往下方擴散，而使p型氮化物半導體區域17、18下
方的二維電子氣體空乏化。藉此，在汲極電極22與源極電極24之間流動的電流路徑會在閘極電極26的下方被切斷，而使氮化物半導體裝置1關閉。
又，在氮化物半導體裝置1中，會在第一氮化物半導體層13與第二氮化物半導體層14之接合面中的第一氮化物半導體層13側產生二維電子氣體，並在第二氮化物半導體層14與第三氮化物半導體層15之接合面中的第三氮化物半導體層15側產生二維電洞氣體(2DHG)，且在第二氮化物半導體層14與第四氮化物半導體層16之接合面中的第四氮化物半導體層16側產生二維電洞氣體。又，在第二氮化物半導體層14中，會在第一氮化物半導體層13側產生正的固定電荷，並在第三氮化物半導體層15及第四氮化物半導體層16側產生負的固定電荷，且在厚度方向上進行極化。若氮化物半導體裝置1關閉，則第一氮化物半導體層13的二維電子氣體之電子會排出至汲極電極22，第三氮化物半導體層15的二維電洞氣體之電洞會經由p型氮化物半導體區域17、18而排出至閘極電極26，而使極化超接合部30中的第一氮化物半導體層13、第二氮化物半導體層14及第三氮化物半導體層15所疊設的部分空乏化。在氮化物半導體裝置1的極化超接合部30中的第一氮化物半導體層13、第二氮化物半導體層14及第三氮化物半導體層15所疊設的部分中，閘極電極26與汲極電極22之間的電場強度會均一化。氮化物半導體裝置1可具有高耐壓的特性。
若對閘極電極26施加接地電位，則從p型氮化物半導體區域17、18往下方擴散的空乏層會縮小，並且汲極電極22與源極電極24之間會經由二維電子氣體層而電性連接。藉此，汲極電極22與源極電極24之間會導通，而使氮化物半導體裝置1成為導通。
此處，為了幫助理解本實施態樣之氮化物半導體裝置1的特徵，係參照圖2所示之比較例1的氮化物半導體裝置2及圖3所示之比較例2的氮化物半導體裝置3。又，在比較例的氮化物半導體裝置2、3中，係對與圖1中氮化物半導體裝置1共通之構成元件賦予共通的符號。
圖2所示之比較例1的氮化物半導體裝置2，係未設有相當於第四氮化物半導體層16(參照圖1)之構成的例子，並相當於先前技術所舉例之專利文獻1所記載的氮化物半導體裝置。圖3所示之比較例2的氮化物半導體裝置3，係代替第四氮化物半導體層16而設置的薄膜氮化物半導體層116經由p型氮化物半導體區域117與汲極電極22電性連接的例子，並相當於先前技術所舉例之專利文獻2所記載的氮化物半導體裝置。
在圖1所示的本實施態樣之氮化物半導體裝置1中，當關閉時，電場強度會在第三氮化物半導體層15的汲極電極22側之端部及第四氮化物半導體層16的汲極電極22側之端部兩個位置成為峰值。由於電場強度的峰值會分散，故電場強度的峰值會降低。在圖2所示之比較例1的氮化物半導體裝置2中，電場強度成為峰值的位置會在第三氮化物半導體層15的汲極電極22側之端部，故電場強度的峰值會較高。如此，在本實施態樣的氮化物半導體裝置1中，由於電場強度的峰值較低，故可抑制崩潰現象。
在本實施態樣的氮化物半導體裝置1中，當關閉時，會在電位浮動的第四氮化物半導體層16內殘存二維電洞氣體。因此，第一氮化物半導體層13與第二氮化物半導體層14之接合面附近的二維電子氣體會受到吸引，因此該二維電子氣體會在極化超接合部30迂迴而抑制欲經由極化超接合部30下方之緩衝層12及基板11而流動的漏電流。在圖2所示之比較例1的氮化物半導體裝置2中，由於未設有電位浮動的第四氮化物半導體層16，故經由極化超接合部30下方之緩衝層12及基板11而流動的漏電流(參照圖中之箭頭)較大。又，在圖3所示之氮化物半導體裝置3中，較大的漏電流(參照圖中之箭頭)會經由第三氮化物半導體層15與薄膜氮化物半導體層116中產生的二維電洞氣體而在閘極電極26與汲極電極22之間流動。如此，在圖1所示的本實施態樣之氮化物半導體裝置1中，當關閉時可具有低漏電流這樣的特性。
在本實施態樣的氮化物半導體裝置1中，當在將閘極電極26與汲極電極22連結的方向上進行測量時，位於極化超接合部30的第三氮化物半導體層15之長度15L係長於第四氮化物半導體層16的長度16L。由於第三氮化物半導體層15的長度15L較長，故當氮化物半導體裝置1關閉時，極化超接合部30大部分會空乏化。因此，氮化物半導體裝置1可具有高耐壓的特性。
當在將閘極電極26與汲極電極22連結的方向上進行測量時，第三氮化物半導體層15與第四氮化物半導體層16之間的間隙長度GL可為0.1μm~2.0μm。又，第四氮化物半導體層16的長度16L可為0.1μm~1.0μm。若設定在如此之數值範圍，則氮化物半導體裝置1的極化超接合部30便可如上述般有效產生電場強度的峰值較低，且漏電流會受到抑制之特性。
接著，說明氮化物半導體裝置1的製造方法。首先，如圖4所示，例如使用有機金屬化學氣相成長(MOCVD)法，在基板11上依序將緩衝層12、第一氮化物半導體層13、第二氮化物半導體層14、非摻雜氮化物半導體層102、低濃度p型氮化物半導體層104及高濃度p型氮化物半導體層106成膜而形成疊設基板10。為了使緩衝層12具有絕緣性，亦可使緩衝層12包含碳或是鐵等。
接著，如圖5所示，利用使用了氯系氣體的乾式蝕刻技術，將低濃度p型氮化物半導體層104與高濃度p型氮化物半導體層106的一部分去除，並使非摻雜氮化物半導體層102露出。藉由此步驟，形成低濃度p型氮化物半導體區域17與高濃度p型氮化物半導體區域18。
接著，如圖6所示，利用使用了氯系氣體的乾式蝕刻技術，將非摻雜氮化物半導體層102的一部分去除，並使第二氮化物半導體層14露出。藉由此步驟，形成第三氮化物半導體層15與第四氮化物半導體層16。
接著，將閘極電極26進行成膜及加工，並將層間絕緣膜進行成膜，在層間絕緣膜形成接觸洞之後，藉由將汲極電極22及源極電極24進行成膜及加工，而完成圖1所示的氮化物半導體裝置1。
以上，雖詳細說明了本發明的具體例，但此等內容僅為示例，並非限定申請專利範圍。在申請專利範圍所記載的技術中，包含將以上所示例之具體例進行各
種變形及變更者。又，在本說明書或是圖式中說明過的技術元素，係以單獨或是藉由各種組合而產生技術用途者，並非限定於申請時請求項記載的組合。又，本說明書或是圖式中所示例的技術可同時達成複數目的，並且達成其中一個目的本身便具有技術用途。
1:氮化物半導體裝置
11:基板
12:緩衝層
13:第一氮化物半導體層
14:第二氮化物半導體層
15:第三氮化物半導體層
16:第四氮化物半導體層
17:低濃度p型氮化物半導體區域
18:高濃度p型氮化物半導體區域
22:汲極電極
24:源極電極
26:閘極電極
30:極化超接合部
15L,16L:長度
GL:間隙長度
Claims (3)
- 一種氮化物半導體裝置，具備設於閘極電極與汲極電極之間的極化超接合部； 該極化超接合部包含： 第一氮化物半導體層； 第二氮化物半導體層，設於該第一氮化物半導體層上，並具有比該第一氮化物半導體層之能隙更寬的能隙； 第三氮化物半導體層，設於該第二氮化物半導體層之頂面的一部分，並具有比該第二氮化物半導體層之能隙更窄的能隙；及 第四氮化物半導體層，設於該第二氮化物半導體層之該頂面的一部分，並與該第三氮化物半導體層分離而配置於比該第三氮化物半導體層更靠該汲極電極側，且具有比該第二氮化物半導體層之能隙更窄的能隙； 該第四氮化物半導體層係電位浮動。
- 如請求項1所述之氮化物半導體裝置，其中， 在將該閘極電極與該汲極電極連結之方向上進行測量時，該第三氮化物半導體層係長於該第四氮化物半導體層。
- 如請求項1或2所述之氮化物半導體裝置，其中， 該第一氮化物半導體層為非摻雜的氮化鎵； 該第二氮化物半導體層為非摻雜的氮化鋁鎵； 該第三氮化物半導體層為非摻雜的氮化鎵； 該第四氮化物半導體層為非摻雜的氮化鎵。
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