場效應晶體管的制作方法

專利名稱：場效應晶體管的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用了氮化物半導體的場效應晶體管，該氮化物半導體能夠適用于例如在空調器等民用設備的電源電路上利用的功率晶體管。
背景技術：
氮化物半導體與Si和GaAs等相比，禁帶寬度、絕緣擊穿電場、以及電子的飽和漂移速度均大。并且，對于形成在以(0001)面為主面的襯底上的AKiaN/GaN異質結構，在異質界面，因自發極化以及壓電極化而產生二維電子氣，即使不摻雜也會得到IXlO13cnT2以上的薄膜載流子濃度。近些年，將這樣高濃度的二維電子氣作為載流子來利用的高電子遷移率晶體管(HEMT)被關注，并且，提出了各種結構的HEMT。圖13是示出具有AKiaN/GaN異質結構的以往的場效應晶體管700的截面圖(例如，參照專利文獻1)。在該圖示出的利用了以往的氮化物半導體的場效應晶體管700中，在Si襯底701 上依次形成有低溫AlN緩沖層702、無摻雜GaN層703、以及無摻雜AlGaN層704。并且，由 Ti層以及Al層構成的源極電極705以及漏極電極707，被形成在無摻雜AlGaN層704上。 進而，由Ni層、Pt層以及Au層組構成的柵極電極706，被形成在源極電極705與漏極電極 707之間。進而，還形成有作為鈍化膜的SiN層(圖中未示出)。在這些結構的場效應晶體管700中，被形成在無摻雜AlGaN層704與無摻雜GaN 層703的界面的二維電子氣被利用為載流子。在源極與漏極之間施加電壓的情況下，溝道內的電子從源極電極705向漏極電極707移動。此時，通過控制施加到柵極電極706的電壓而使柵極電極706正下方的耗盡層的厚度發生變化，從而能夠控制從源極電極705向漏極電極707移動的電子，即能夠控制漏極電流。(先行技術文獻)(專利文獻)專利文獻1 (日本)特開2OO7-251144號公報發明要解決的課題然而，周知的是，在利用了 GaN的這些HEMT中，觀測到所謂電流崩塌的現象，這將在器件工作時造成間題。該現象是指，在源極與漏極之間、在源極與柵極之間、以及在漏極與襯底之間等一旦施加強的電場后，在源極與漏極之間的溝道電流減少的現象。

發明內容
于是，鑒于上述的課題，本發明的目的在于提供能夠抑制電流崩塌的場效應晶體管。用于解決課題的手段為了解決上述的課題，本發明的場效應晶體管，其中，包括由第一氮化物半導體構成的第一半導體層；以及由第二氮化物半導體構成的第二半導體層，該第二半導體層被形成在所述第一半導體層上，并且該第二氮化物半導體的禁帶寬度比所述第一氮化物半導體大，所述第一半導體層具有，穿透位錯密度在層疊方向增大的區域。在此，優選的是，在所述第一半導體層的與所述第二半導體層的接合面的穿透位錯密度在2X IO9CnT2以上。據此，在將第一半導體層與第二半導體層相接的部分作為溝道的場效應晶體管中，能夠使第一半導體層的穿透位錯密度提高，并成為不使電流崩塌變得嚴重的穿透位錯密度。其結果為，能夠實現能夠抑制電流崩塌的場效應晶體管。并且，也可以是，所述第一半導體層具有第三半導體層、結晶性控制層以及第四半導體層，所述結晶性控制層被形成在所述第三半導體層上，所述第四半導體層被形成在所述結晶性控制層上，在所述結晶性控制層，穿透位錯密度在層疊方向增大，所述第四半導體層的穿透位錯密度，比所述第三半導體層的穿透位錯密度大。據此，將第一半導體層的一部分作為穿透位錯密度高的層，將除此以外的部分作為穿透位錯密度低的層，并能夠使第一半導體層的膜厚變高。其結果為，能夠使高耐壓與電流崩塌的抑制相調和。也可以是，所述第一半導體層具有，穿透位錯密度在層疊方向減少的區域。據此，能夠將在第一半導體層的與第二半導體層的接合面的穿透位錯密度降低在 LexioicicnT2以下，將薄膜電阻抑制到實用上能夠使用的范圍內。并且，由于能夠使第一半導體層的膜厚變高，因此能夠實現高耐壓的場效應晶體管。并且，也可以是，所述第一半導體層的膜厚在2 μ m以上。據此，能夠實現高耐壓的場效應晶體管。發明效果根據本發明，能夠實現能夠抑制電流崩塌的高耐壓的場效應晶體管。


圖1是模式性地示出本發明的實施例涉及的作為氮化物場效應晶體管的HEMT的構成的截面圖。圖2是示出X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬與電流崩塌度Raf/Rbf的關系的圖。圖3是示出穿透位錯密度與X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬的關系的圖。圖4是示出X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬與溝道的薄膜電阻的關系的圖表。圖5是示出X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬與第一氮化物半導體層的膜厚的關系的圖表。圖6是模式性地示出實施例1涉及的HEMT的構成的截面圖。圖7是模式性地示出各個實施例涉及的HEMT中的X射線(1012)線的半峰全寬在層疊方向發生變化的情況的圖表。圖8是模式性地示出實施例2涉及的HEMT的構成的截面圖。圖9是模式性地示出實施例2涉及的HEMT的變形例的構成的截面圖。圖10是模式性地示出實施例2涉及的HEMT的變形例的構成的截面圖。圖11是模式性地示出實施例3涉及的HEMT的構成的截面圖。
圖12是模式性地示出實施例4涉及的HEMT的構成的截面圖。圖13是模式性地示出以往的場效應型晶體管的構成的截面圖。
具體實施例方式以下，參照

本發明的實施例中的場效應晶體管。圖1是模式性地示出本發明的實施例涉及的作為場效應晶體管的HEMT100的構成的截面圖。如圖1示出，HEMT100包括，在襯底101上通過緩沖層102而依次被層疊的第一氮化物半導體層103以及第二氮化物半導體層104。HEMT100包括，在第二氮化物半導體層 104上排列形成的源極電極107、柵極電極108以及漏極電極109。第一氮化物半導體層103是本發明的第一半導體層的一個例子，且是被形成在緩沖層102上的由第一氮化物半導體構成的層。第二氮化物半導體層104是本發明的第二半導體層的一個例子，且是被形成在第一氮化物半導體層103上的由第二氮化物半導體構成的層，第二氮化物半導體的禁帶寬度比第一氮化物半導體大。以下，說明HEMT100包括的第一氮化物半導體層103。本發明人員預測到在HEMT100中第一氮化物半導體層103的溝道的結晶性與電流崩塌之間存在相關關系。因此，使第一氮化物半導體層103的結晶性發生變化來制作如圖1示出的結構的多個HEMT100，針對第一氮化物半導體層103，檢查了 X射線搖擺曲線的 (1012)線的半峰全寬與電流崩塌的對應關系。而且，對于測定樣本，利用了由厚度為2μπι 的GaN構成第一氮化物半導體層的ΗΕΜΤ。圖2是示出X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬與電流崩塌度Raf/Rbf的關系的圖表。在此，X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬是指，由針對以ω掃描模式來測定的(1012)面的X線衍射得到的搖擺曲線的半峰全寬。圖2示出的X射線搖擺曲線的(1012) 線的半峰全寬的值表示，由利用了 Cu的Ka射線(波長λ = 1. 埃)的X線衍射的搖擺曲線的半峰全寬。而且，對于在獲得搖擺曲線時利用的X射線，不需要限定為Cu的Ka射線來解釋，而可以利用Mo的Ka射線等其他的X射線。另一方面，圖2示出的電流崩塌度的測定方法如下所示。例如，在如圖1示出的結構的HEMT100中，在源極電極107施加OV的電壓，在柵極電極108施加OV的電壓，在襯底 101施加OV的電壓，在漏極電極109施加2V的電壓，測定源極與漏極之間的電阻，并設為 Rbf。其次，暫時在柵極電極108施加-5V的電壓，在漏極電極109施加200V的電壓，從而使 HEMT100成為斷開狀態，并保持30秒鐘。然后，在漏極電極109再次施加2V的電壓，測定源極與漏極之間的電阻，并設為Raf。此時，產生電流崩塌，源極與漏極之間的電阻增大。能夠將這樣增大率Raf/Rbf作為表示電流崩塌的大小的指標來處理。如圖2示出，若電流崩塌度Raf/Rbf的值大，則電流崩塌壞，若電流崩塌度Raf/Rbf 的值小，則電流崩塌良。并且，隨著X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬變小，電流崩塌度變大(電流崩塌變得嚴重)。特別是，在X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬在SOOarcsec以下時，電流崩塌變得非常嚴重。因此，第一氮化物半導體層103被形成為，在與第二氮化物半導體層104的接合面，X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬成為SOOarcsec以上。優選的是，被形成為，在作為溝道來發揮作用的第一氮化物半導體層103 的與第二氮化物半導體層104相接的部分(第一氮化物半導體層103中的離第二氮化物半導體層104的接合面IOOnm的范圍內的部分)，X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬成為 800arcsec 以上。在此，能夠將針對第一氮化物半導體層103的X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬，與第一氮化物半導體層103中存在的穿透位錯密度對應起來。圖3是示出第一氮化物半導體層103的X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬與第一氮化物半導體層103中存在的穿透位錯密度的關系的圖(參考非專利文獻1 :P. Gay, P. B. Hirsch, A. Kelly, Acta Metal, 1 (1953)，315.)。如圖3示出，能夠將針對第一氮化物半導體層103的X射線搖擺曲線的(1012) 線的半峰全寬在SOOarcsec以上，換算為第一氮化物半導體層103的穿透位錯密度在 2X10W2以上。因此，第一氮化物半導體層103被形成為，在與第二氮化物半導體層104 的接合面，穿透位錯密度成為2X109cm-2以上，優選的是，在作為溝道來發揮作用的與第二氮化物半導體層104相接的部分，穿透位錯密度成為2X IO9CnT2以上。圖4是示出X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬與溝道的薄膜電阻的關系的圖表。如圖4示出，可以看到的傾向是，隨著第一氮化物半導體層103的X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬變寬，作為溝道的第一氮化物半導體層103的薄膜電阻就增大。在此，若薄膜電阻是在1200Q/Sq.以下，則在實用上能夠使用第一氮化物半導體層103。因此，需要X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬在1900arcsec以下。而且，若將X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬在1900arcsec以下換算為穿透位錯密度，則根據圖3能夠換算為1. 6 X IOiciCnT2以下。其結果為，第一氮化物半導體層103被形成為，在與第二氮化物半導體層104的接合面，穿透位錯密度成為1. 6 X IOiciCnT2以下。優選的是，第一氮化物半導體層103被形成為，在作為溝道來發揮作用的第一氮化物半導體層103的與第二氮化物半導體層104相接的部分，穿透位錯密度成為1. 6X IOiciCnT2以下。在此，在利用厚度為1 μ m的第一氮化物半導體層103的情況下，HEMT100的耐壓成為400V以下，在實用上不具有足夠的耐壓。這是因為，在強的電壓施加到源極與漏極之間時，通過導電性的襯底101而產生源極與漏極之間的擊穿的緣故。因此，為了制造耐壓更高的HEMT100，而需要將源極與襯底之間以及漏極與襯底之間的耐壓高耐壓化，S卩，需要將第一氮化物半導體層103的膜厚變厚。對于需要的第一氮化物半導體層103的膜厚，優選的是，例如，在需要800V以上的耐壓以作為HEMT100的耐壓的情況下，膜厚在4 μ m以上，在需要600V以上的耐壓以作為HEMT100的耐壓的情況下，膜厚在3 μ m以上，在需要400V以上的耐壓以作為HEMT100的耐壓的情況下，膜厚在2μπι以上。然而，如圖5示出的第一氮化物半導體層103的膜厚與X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬的關系的圖表，一般而言，若使第一氮化物半導體層103的膜厚增大，則因位錯消滅而穿透位錯密度降低，X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬變窄，因此，電流崩塌變得嚴重。也就是說，產生權衡的關系，即，隨著第一氮化物半導體層103的膜厚變厚，耐壓和遷移率就提高，但是，反而電流崩塌變得嚴重。本發明人發現了，為了打破上述的高耐壓化所需要的第一氮化物半導體層103的厚膜化與因該厚膜化而導致電流崩塌變得嚴重這權衡關系，通過插入作為第一氮化物半導體層103的一部分的用于使X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬變寬的層，從而能夠改善電流崩塌。因此，在第一氮化物半導體層103內，設置用于使X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬變寬的穿透位錯密度在層疊方向增大的區域。在此，對于層疊方向，穿透位錯密度在層疊方向增大的區域被設置在第一氮化物半導體層103的微小的區域即可，對于垂直于層疊方向的方向(面內方向)，優選的是，穿透位錯密度在層疊方向增大的區域被設置在第一氮化物半導體層103的具有規定的寬度以上的寬度的區域。具體而言，優選的是，被設置在源極電極107與漏極電極109之間的距離的一半以上的面內方向的寬度的區域。這是因為，對于面內方向，在僅在第一氮化物半導體層103的微小的區域，穿透位錯密度在層疊方向增大的情況下，雖然在位于該區域正上方的溝道的一部分能夠改善溝道的耗盡化，但是，在溝道的其他的部分不能改善耗盡化，以HEMT100整體的特性來看，并不能充分改善電流崩塌。為了的確改善電流崩塌，而優選的是，在形成第一氮化物半導體層103的溝道的作為HEMT100來發揮作用的區域中，即在位于源極電極107與漏極電極109之間的區域(圖1 的區域A)中，穿透位錯密度在層疊方向增大的區域被設置在面內方向的大致所有的區域， 即穿透位錯密度在層疊方向增大的區域被設置在形成溝道的大致所有的區域。而且，優選的是，在第一氮化物半導體層103，還設置穿透位錯密度在層疊方向減少的區域。進而，為了高耐壓化，優選的是，第一氮化物半導體層103的膜厚在2μπι以上。如上所述，根據本實施例的ΗΕΜΤ100，第一氮化物半導體層103被形成為，第一氮化物半導體層103的與第二氮化物半導體層104的接合面的穿透位錯密度成為2Χ IO9CnT2 以上且LexioicicnT2以下。因此，能夠將薄膜電阻抑制到實用上能夠使用的范圍內，并且能夠抑制電流崩塌。并且，根據本實施例的ΗΕΜΤ100，不是第一氮化物半導體層103的全部而是一部分 (至少是與第二氮化物半導體層104的接合面，優選的是，作為溝道來發揮作用的第一氮化物半導體層103的離與第二氮化物半導體層104的接合面IOOnm的范圍內)成為2 X 109cm_2 以上的穿透位錯密度高的區域，其他的區域成為穿透位錯密度低的區域。因此，能夠使高耐壓與電流崩塌的抑制相調和。(實施例1)以實施例1示出，本實施例的HEMT100的應用例。圖6是模式性地示出本實施例涉及的HEMT200的構成的截面圖。如圖6示出，HEMT200包括，在襯底201上通過緩沖層202而依次被層疊的無摻雜 GaN層203、結晶性控制層204、無摻雜GaN層205、以及無摻雜AlGaN層206。而且，無摻雜 GaN層203是本發明的第三半導體層的一個例子，無摻雜GaN層205是本發明的第四半導體層的一個例子。襯底201是，例如Si襯底、SiC襯底、藍寶石襯底或GaN襯底等。例如，緩沖層202 是，通過低溫生長而形成的由AlN構成的半導體層。結晶性控制層204是，通過由無摻雜AlN和GaN構成的超晶格結構體而成的半導體層，在結晶性控制層204中，穿透位錯密度在層疊方向增大。在此，“超晶格結構”是指，將膜厚為5nm的AlN與膜厚為20nm的GaN作為一組，并將20個這樣組交替層疊的結構。例如無摻雜GaN層203的膜厚為1. 5 μ m，例如無摻雜GaN層205的膜厚為1 μ m。
無摻雜GaN層203以及無摻雜GaN層205是，通過通常的結晶生長形成且沒有添加雜質的單一的半導體層，因此，穿透位錯密度在層疊方向減少。但是，由于穿透位錯密度由結晶性控制層204變大，因此，被形成在結晶性控制層204的上方的無摻雜GaN層205的穿透位錯密度，比被形成在下方的無摻雜GaN層203的穿透位錯密度大。由無摻雜GaN層203、結晶性控制層204以及無摻雜GaN層205構成本實施例的HEMT100中的第一氮化物半導體層103。同樣，由無摻雜AKkiN層206構成本實施例的 HEMT100中的第二氮化物半導體層104。HEMT200還包括，在無摻雜AlGaN層206上排列形成的源極電極207、柵極電極208 以及漏極電極209。作為歐姆電極的源極電極207以及漏極電極209，分別由被層疊在無摻雜AlGaN層 206上的Ti層和Al層構成。作為肖特基電極的柵極電極208，由被層疊在無摻雜AlGaN層 206上的Pt層和Au層構成。圖7(G)中的曲線800示出本實施例涉及的HEMT200中的穿透位錯密度的膜厚方向依賴性的模式圖，圖7(A)示出結晶結構的模式圖。如圖7(A)以及圖7(G)示出，由無摻雜GaN層203，穿透位錯密度在層疊方向(GaN 生長方向)單調地減少，但是，由結晶性控制層204的超晶格結構，穿透位錯密度暫時增大。 然后，由無摻雜GaN層205，穿透位錯密度在層疊方向(GaN生長方向)再次逐漸減少，據此， 在無摻雜GaN層205的與無摻雜AlGaN層206的接合面的X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬成為lOOOarcsec，若換算為穿透位錯密度，則成為4. 4X109cm_2。在這些HEMT200 中，實現電流崩塌度Raf/Rbf = 2.8，成為實用上不會造成問題的程度。并且，第一氮化物半導體層103整體成為2. 5 μ m，此時的耐壓為500V，因此能夠超過在日本的商用電源所需要的耐壓400V。如上所述，根據本實施例的HEMT200，溝道的結晶性由結晶性控制層204控制，穿透位錯密度被調整為2X IO9CnT2以上且LexiOiciCnr2以下。因此，能夠將薄膜電阻抑制到實用上能夠使用的范圍內，并且能夠抑制電流崩塌。并且，根據本實施例的HEMT200，除了設置穿透位錯密度大的結晶性控制層204以外，還設置穿透位錯密度在層疊方向單調地減少的無摻雜GaN層203以及無摻雜GaN層 205。因此，能夠使高耐壓與電流崩塌的抑制相調和。(實施例2)以實施例2示出本實施例的HEMT100的應用例。圖8是模式性地示出本實施例涉及的HEMT300的構成的截面圖。如圖8示出，HEMT300包括，在襯底201上通過緩沖層202而依次被層疊的無摻雜 GaN層303、結晶性控制層304、以及無摻雜AlGaN層206。HEMT300還包括，在無摻雜AlGaN 層206上排列形成的源極電極207、柵極電極208以及漏極電極209。例如，結晶性控制層304是由1 μ m的GaN構成的半導體層，以與通常的生長溫度 1020°C相比低的溫度(900°C至1000°C )或高的溫度(1040°C至1100°C )來使GaN結晶生長，從而形成結晶性控制層304。因此，在結晶性控制層304中，穿透位錯密度在層疊方向逐漸增大。例如，無摻雜GaN層303的膜厚為1. 5μπι。無摻雜GaN層303是，通過通常的結晶
8生長形成且沒有添加雜質的單一的半導體層，因此，穿透位錯密度在層疊方向減少。由無摻雜GaN層303以及結晶性控制層304構成本實施例的HEMT100中的第一氮化物半導體層103。圖7(G)中的曲線801示出本實施例涉及的HEMT300中的穿透位錯密度的膜厚方向依賴性的模式圖，圖7(B)示出結晶結構的模式圖。如圖7(B)以及圖7(G)示出，由無摻雜GaN層303，穿透位錯密度在層疊方向(GaN 生長方向)單調地減少，但是，由結晶性控制層304，穿透位錯密度在層疊方向(GaN生長方向)逐漸增大。例如，在以生長溫度為1050°C來使Iym的GaN生長從而形成結晶性控制層304的情況下，在結晶性控制層304的與無摻雜AKiaN層206的接合面的X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬成為1050arcsec，若換算為穿透位錯密度，則成為4.9X109cm_2。 據此，HEMT300的電流崩塌度Raf/Rbf成為2. 7，能夠將電流崩塌抑制到實用上不會造成問題的程度。而且，在所述實施例中，第一氮化物半導體層103由無摻雜GaN層303以及結晶性控制層304構成，包括作為穿透位錯密度單調地減少的區域的無摻雜GaN層303。但也可以是，第一氮化物半導體層103由結晶性控制層304構成，僅包括穿透位錯密度單調地增加的區域。在圖9的截面圖模式性地示出此時的HEMT300的構成，圖7(G)中的曲線802示出穿透位錯密度的膜厚方向依賴性的模式圖，圖7(C)示出結晶結構的模式圖。如圖7(C)以及圖7(G)示出，由結晶性控制層304，穿透位錯密度在層疊方向(GaN生長方向)逐漸增大。并且，同樣，也可以是，第一氮化物半導體層103由無摻雜GaN層303、結晶性控制層304以及無摻雜GaN層305構成，在結晶性控制層304上包括穿透位錯密度單調地減少的區域。無摻雜GaN層305是，通過通常的結晶生長形成且沒有添加雜質的單一的半導體層。在圖10的截面圖模式性地示出此時的HEMT300的構成，圖7(G)中的曲線803示出穿透位錯密度的膜厚方向依賴性的模式圖，圖7(D)示出結晶結構的模式圖。如圖7(D)以及圖7(G)示出，由結晶性控制層304，穿透位錯密度在層疊方向(GaN生長方向)逐漸增大，但是，由無摻雜GaN層305，穿透位錯密度在層疊方向(GaN生長方向)逐漸減少。(實施例3)以實施例3示出本實施例的HEMT100的應用例。圖11是模式性地示出本實施例涉及的HEMT400的構成的截面圖。如圖11示出，HEMT400包括，在襯底201上通過緩沖層202而依次被層疊的無摻雜GaN層203、結晶性控制層404和405、以及無摻雜AlGaN層206。HEMT400還包括，在無摻雜AlGaN層206上排列形成的源極電極207、柵極電極208以及漏極電極209。結晶性控制層404是，通過由無摻雜AlN和GaN構成的超晶格結構體而成的半導體層，在結晶性控制層404中，穿透位錯密度在層疊方向增大。在此，“超晶格結構”是指，將膜厚為5nm的AlN與膜厚為20nm的GaN作為一組，并將20個這樣組交替層疊的結構。例如，結晶性控制層405是由1 μ m的GaN構成的半導體層，以與通常的生長溫度 1020°C相比低的溫度(900°C至1000°C )或高的溫度(1040°C至1100°C )來使GaN結晶生長，從而形成結晶性控制層405。因此，在結晶性控制層405中，穿透位錯密度在層疊方向逐漸增大。由無摻雜GaN層203、結晶性控制層404和405構成本實施例的HEMT100中的第一氮化物半導體層103。圖7 (G)中的曲線804示出本實施例涉及的HEMT400中的穿透位錯密度的膜厚方向依賴性的模式圖，圖7(E)示出結晶結構的模式圖。如圖7(E)以及圖7(G)示出，由無摻雜GaN層203，穿透位錯密度在層疊方向(GaN 生長方向)單調地減少，但是，由結晶性控制層404，穿透位錯密度暫時增大，進一步，由結晶性控制層405，穿透位錯密度在層疊方向(GaN生長方向)逐漸增大。其結果為，在結晶性控制層405的與無摻雜AlGaN層206的接合面的X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬成為lOSOarcsec，若換算為穿透位錯密度，則成為5. 2 X IOW20據此，HEMT400的電流崩塌度Raf/Rbf成為2. 9，能夠將電流崩塌抑制到實用上不會造成問題的程度。(實施例4)以實施例4示出本實施例的HEMT100的應用例。圖12是模式性地示出本實施例涉及的HEMT500的構成的截面圖。T500包括，在襯底201上通過緩沖層202而依次被層疊的無摻雜GaN層203、結晶性控制層504、無摻雜GaN層505、結晶性控制層506和507、以及無摻雜AKkiN層206。 HEMT500還包括，在無摻雜AlGaN層206上排列形成的源極電極207、柵極電極208以及漏極電極209。結晶性控制層504以及506分別是，通過由無摻雜AlN和GaN構成的超晶格結構體而成的半導體層，在結晶性控制層504以及506中，穿透位錯密度在層疊方向增大。在此， “超晶格結構”是指，將膜厚為5nm的AlN與膜厚為20nm的GaN作為一組，并將20個這樣組
交替層疊的結構。無摻雜GaN層505是，通過通常的結晶生長形成且沒有添加雜質的單一的半導體層，因此，穿透位錯密度在層疊方向減少。例如，無摻雜GaN層505的膜厚為0. 5 μ m。例如，結晶性控制層507是由1 μ m的GaN構成的半導體層，以與通常的生長溫度 1020°C相比低的溫度(900°C至1000°C )或高的溫度(1040°C至1100°C )來使GaN結晶生長，從而形成結晶性控制層507。因此，在結晶性控制層507中，穿透位錯密度在層疊方向逐漸增大。由無摻雜GaN層203、結晶性控制層504、506和507、以及無摻雜GaN層505構成本實施例的HEMT100中的第一氮化物半導體層103。圖7(G)中的曲線805示出本實施例涉及的HEMT500中的穿透位錯密度的膜厚方向依賴性的模式圖，圖7(F)示出結晶結構的模式圖。如圖7(F)以及圖7(G)示出，由無摻雜GaN層203，穿透位錯密度在層疊方向(GaN 生長方向)單調地減少，但是，由結晶性控制層504的超晶格結構，穿透位錯密度暫時增大。然后，由無摻雜GaN層505，穿透位錯密度暫時減少后，再次，由結晶性控制層506的超晶格結構，穿透位錯密度暫時增大，進一步，由結晶性控制層507，穿透位錯密度逐漸增大。 其結果為，在結晶性控制層507的與無摻雜AKiaN層206的接合面的X射線搖擺曲線的 (1012)線的半峰全寬成為llOOarcsec，若換算為穿透位錯密度，則成為5.3X109cm_2。據此，HEMT500的電流崩塌度Raf/Rbf成為2. 5，能夠將電流崩塌抑制到實用上不會造成問題的程度。以上，根據實施例說明了本發明的場效應晶體管，但是，本發明不僅限于該實施例。在不脫離本發明的宗旨的范圍內所進行的本領域的技術人員能夠想到的各種變形的也包含在本發明的范圍內。例如，在所述實施例中，第一氮化物半導體層103(作為溝道來發揮作用的GaN層) 包括結晶性控制層。但是，若在第一氮化物半導體層103的與第二氮化物半導體層104的接合面，X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬在800至1900arcsec之間，并且，換算為穿透位錯密度而在2X IO9CnT2以上且4. 4X IOiciCnT2以下，則不僅限于此。這樣的區域是，適當地控制第一氮化物半導體層103的形成條件而形成的。也就是說，一邊使氨與三甲基鎵的流量比(V族元素與III族元素的比例)增大， 一邊使GaN層在緩沖層102上結晶生長，將V族元素與III族元素的比例成為1150，使GaN 層生長2 μ m，從而形成第一氮化物半導體層103。在此情況下，在溝道的X射線搖擺曲線的 (1012)線的半峰全寬成為950arcsec，若換算為穿透位錯密度，則成為4.0X109cm_2。據此， HEMT的電流崩塌度Raf/Rbf成為3. 5，能夠將電流崩塌抑制到實用上不會造成問題的程度。并且，在使GaN層在緩沖層102上結晶生長時，摻雜雜質濃度為IO16CnT3以上的B、 As、P或N等雜質，從而形成GaN層。形成后的GaN層，含有雜質濃度為IO16CnT3以上的B、As、 P或N等雜質。根據這些摻雜原子和N原子的大小的不同，GaN的晶格常數失真，在GaN層導入位錯。在此情況下，在溝道的X射線搖擺曲線的(1012)線的半峰全寬成為850arcsec， 若換算為穿透位錯密度，則成為3.2X109cnT2。據此，冊1^的電流崩塌度1^/1^成為3.8， 能夠將電流崩塌抑制到實用上不會造成問題的程度。并且，在所述實施例中，第一氮化物半導體層103，由GaN構成，但也可以，除了 GaN 以外，還由含有Al以及h等的AlmGiiJrvNa)彡χ彡1，0彡y彡1)系的半導體材料構成。產業利用性本發明，有用于場效應晶體管，尤其有用于在空調器等民用設備的電源電路等上利用的功率晶體管。符號說明100、200、300、400、500HEMT101、201 襯底102、202 緩沖層103第一氮化物半導體層104第二氮化物半導體層107、207、705 源極電極108、208、706 柵極電極109、209、707 漏極電極203、205、303、305、505、703 無摻雜 GaN 層204、304、404、405、504、506、507 結晶性控制層206、704 無摻雜 AlGaN 層701Si 襯底702低溫AlN緩沖層800、801、802、803、804、805 曲線
1權利要求
1.一種場效應晶體管，包括由第一氮化物半導體構成的第一半導體層；以及由第二氮化物半導體構成的第二半導體層，該第二半導體層被形成在所述第一半導體層上，并且該第二氮化物半導體的禁帶寬度比所述第一氮化物半導體大， 所述第一半導體層具有，穿透位錯密度在層疊方向增大的區域。
2.如權利要求1所述的場效應晶體管，所述第一半導體層具有第三半導體層、結晶性控制層以及第四半導體層，所述結晶性控制層被形成在所述第三半導體層上，所述第四半導體層被形成在所述結晶性控制層上， 在所述結晶性控制層，穿透位錯密度在層疊方向增大， 所述第四半導體層的穿透位錯密度，比所述第三半導體層的穿透位錯密度大。
3.如權利要求1所述的場效應晶體管，在所述第一半導體層的與所述第二半導體層的接合面的穿透位錯密度在2X IO9CnT2以上。
4.如權利要求1所述的場效應晶體管，所述第一半導體層具有，穿透位錯密度在層疊方向減少的區域。
5.如權利要求1至4的任一項所述的場效應晶體管， 所述第一半導體層的膜厚在2 μ m以上。
6.如權利要求1至5的任一項所述的場效應晶體管，所述第一半導體層具有作為所述穿透位錯密度在層疊方向增大的區域的層，該層具有由GaN以及AlN構成的超晶格結構。
7.如權利要求1至5的任一項所述的場效應晶體管，所述第一半導體層具有作為所述穿透位錯密度在層疊方向增大的區域的層，該層由 GaN構成，且以900°C至1000°C或1040°C至1100°C的溫度結晶生長而形成。
8.如權利要求1至5的任一項所述的場效應晶體管，所述第一半導體層具有作為所述穿透位錯密度在層疊方向增大的區域的層，該層以 IO16CnT3以上的雜質濃度含有B、As、P或N。
9.如權利要求1至5的任一項所述的場效應晶體管，所述第一半導體層是，一邊使V族元素與III族元素的比例增大一邊進行結晶生長而形成的。
全文摘要
本發明的目的在于提供能夠抑制電流崩塌的場效應晶體管，作為場效應晶體管的HEMT(100)，包括由第一氮化物半導體構成的第一半導體層(103)；以及由第二氮化物半導體構成的第二半導體層(104)，該第二半導體層被形成在第一半導體層(103)上，并且第二氮化物半導體的禁帶寬度比第一氮化物半導體大，第一半導體層(103)具有，穿透位錯密度在層疊方向增大的區域。
文檔編號H01L21/20GK102224581SQ20098014636
公開日2011年10月19日 申請日期2009年11月18日 優先權日2008年11月21日
發明者上田哲三, 引田正洋, 松尾尚慶, 田中健一郎 申請人:松下電器產業株式會社