氮化鎵基半導體器件及其制造方法

專利名稱：氮化鎵基半導體器件及其制造方法
技術領域：
本公開涉及半導體器件及其制造方法，更具體地，涉及氮化鎵基半導體器件及其制造方法。
背景技術：
近來，隨著信息和通訊技術的快速發展，用于高速和大容量信號傳輸的技術正在快速發展。就此而言，隨著對個人移動電話、衛星通訊、軍用雷達、廣播通訊和通訊中繼器件的需求的增大，對使用微波和毫米波段的高速遠程通訊系統所需的高速和高功率電子器件的要求已經提高。用于控制相對高水平功率的功率器件在包括通訊領域的許多領域中用于各種目的，正在對其進行各種類型的研究。氮化鎵(GaN)基半導體具有優良的材料屬性，諸如大的能隙、高的熱和化學穩定性、高的電子飽和速度( 3X107cm/sec)等，因此GaN基半導體可以不僅應用到光學器件， 還可以應用到高頻和高功率電子器件。采用GaN基半導體的電子器件具有各種優點，諸如高的擊穿電場( 3X106V/cm)、高的最大電流密度、穩定的高溫操作特性、高熱導率等。特別地，在采用GaN基異質結結構的異質結構場效應晶體管(HFET)的情形下，由于結界面處的能帶不連續性大，所以電子可以密集地集中在結界面處，因此電子遷移率可以進一步增大。由于這樣的材料屬性，GaN基半導體可以應用到高功率器件。然而，由于GaN基半導體器件通常使用具有較低熱導率的藍寶石襯底，所以GaN基半導體器件不具有良好的散熱特性。盡管為了改善散熱特性可以使用SiC襯底來代替藍寶石襯底，但是SiC襯底較昂貴(是藍寶石襯底的約10倍貴)，因此用于制造GaN基半導體器件的總體成本增加。此外，在使用GaN基半導體器件作為功率器件的情形下，存在與電壓耐受特性、制造工藝等相關的各種問題。

發明內容
本發明的示范性實施例提供氮化鎵基半導體器件，其可以容易地散熱、在改善電壓耐受特性方面具有優點，并具有優良的操作特性。本發明的示范性實施例還提供制造GaN基半導體器件的方法。根據本發明的一方面，氮化鎵(GaN)基半導體器件包括散熱襯底；GaN基多層，布置在散熱襯底上，具有N面極性，并包括2維電子氣QDEG)；以及布置在GaN基多層上的柵極、源極和漏極。柵極可以具有平坦型結構。柵極可以具有雙凹陷結構。在此情形下，雙凹陷區域可以布置在GaN基多層中，柵極可以布置在雙凹陷區域中。散熱襯底可以包括具有比藍寶石襯底更高的熱導率的材料。散熱襯底可以是非晶AlN襯底、晶體AlN襯底、Si襯底、Ge襯底、非晶SiC襯底和陶瓷襯底中的一種。
GaN基多層可以包括布置在散熱襯底上的AlxGai_xN層(0. 1彡χ彡0. 6)；以及布置在 AlxGa1^xN 層上的 AlyGa1^yN 層(0 彡 y < 0. 01)。GaN基多層還可以包括布置在散熱襯底與Alx^vxN層之間的高電阻GaN基材料層。高電阻GaN基材料層可以具有大于或等于109Q/Sq的電阻。根據本發明的另一方面，氮化鎵(GaN)基半導體器件包括散熱襯底；GaN基多層， 布置在散熱襯底上，具有N面極性，并包括2維電子氣QDEG)；陰極，與GaN基多層的第一區域形成肖特基接觸；以及陽極，與GaN基多層的第二區域形成歐姆接觸。散熱襯底可以包括具有比藍寶石襯底更高的熱導率的材料。散熱襯底可以是非晶AlN襯底、晶體AlN襯底、Si襯底、Ge襯底、非晶SiC襯底和陶瓷襯底中的一種。GaN基多層可以包括布置在散熱襯底上的AlxGai_xN層(0. 1彡χ彡0. 6)；以及布置在 AlxGa1^xN 層上的 AlyGa1^yN 層(0 彡 y < 0. 01)。GaN基多層還可以包括布置在散熱襯底與Alx^vxN層之間的高電阻GaN基材料層。高電阻GaN基材料層可以具有大于或等于109Q/Sq的電阻。根據本發明的另一方面，一種制造氮化鎵(GaN)基半導體器件的方法，該方法包括在第一襯底上形成GaN基第一層；將第二襯底貼附到第一層；去除第一襯底；在第一層的通過去除第一襯底而暴露的表面上形成具有N面極性的GaN基第二層；在第二層上形成具有N面極性并包括2維電子氣QDEG)的GaN基第三層；以及形成利用第三層作為溝道層的半導體器件。半導體器件可以具有包括柵極、源極和漏極的異質結構場效應晶體管(HFET)結構。該方法還可以包括在第三層中形成雙凹陷區域，其中柵極可以形成在雙凹陷區域中。半導體器件可以具有包括陰極和陽極的肖特基二極管結構。第一襯底可以是藍寶石襯底。第二襯底可以包括具有比第一襯底更高的熱導率的材料。第一襯底可以通過使用激光頂離方法被去除。在去除第一襯底的步驟之后，該方法還可以包括從第一層的暴露表面去除第一層的一部分；以及在剩余的第一層上再生長與第一層相同或相似的材料層。第二層和第三層可以依次形成在再生長材料層上。第一層可以由高電阻GaN基材料形成。第二層可以由AlxGa1^xN層(0. 1彡χ彡0. 6)形成。第三層可以由Aly^vyN層(0彡y<0.01)形成。


通過參照附圖詳細描述本發明的示范性實施例，本發明的以上和其它特征及優點將變得更加明顯，附圖中
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圖1是根據本發明一實施例的氮化鎵(GaN)基半導體器件的剖視圖；圖2是示出具有N面極性的GaN層和具有( 面極性的GaN層的晶體結構的圖；圖3是示出根據GaN基異質結結構的表面極性的2維電子氣QDEG)層的位置的圖；圖4是根據本發明另一實施例的GaN基半導體器件的剖視圖；圖5A至圖5H是示出根據本發明一實施例制造GaN基半導體器件的方法的剖視圖；圖6A至圖6C是示出根據本發明另一實施例制造GaN基半導體器件的方法的部分的剖視圖；圖7是根據本發明另一實施例的GaN基半導體器件的剖視圖；以及圖8A和圖8B是示出根據本發明另一實施例的制造GaN基半導體器件的方法的剖視圖。
具體實施例方式現在將參照附圖更全面地描述各種示范性實施例，附圖中示出了示范性實施例。將理解，當稱元件“連接到”或“耦接到”另一元件時，它可以直接連接到或耦接到另一元件，或者可以存在居間元件。相反，當稱元件“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件時，則沒有居間元件存在。這里使用時，術語“和/或”包括相關所列項中的一個或更多的任意和全部組合。將理解，雖然這里可使用術語“第一”、“第二”等描述各種元件、部件、區域、層和/ 或部分，但是這些元件、部件、區域、層和/或部分不應被這些術語限制。這些術語僅用于將一個元件、部件、區域、層或部分與另一元件、部件、區域、層或部分區別開。因此，下面論述的第一元件、部件、區域、層或部分可被稱為第二元件、部件、區域、層或部分而不偏離示范性實施例的教導。為了描述方便，空間相對術語諸如“之下”、“下面”、“下”、“之上”、“上”等可在這里用來描述如圖所示的一個元件或特征相對于另一(些)元件或特征的關系。將理解，空間相對術語旨在涵蓋除了附圖所示取向之外器件在使用或操作中的不同取向。例如，如果圖中的器件被倒置，則描述為在另一些元件或特征“之下”或“下面”的元件將會取向為在另一些元件或特征“之上”。因此，示范性術語“下面”可涵蓋之上和之下兩種取向。器件可以以其他方式取向(旋轉90度或在其他取向)，這里使用的空間相對描述語作相應的解釋。這里所用的術語僅用于描述特定實施例的目的，無意成為對示范性實施例的限制。這里使用時，除非上下文清楚地另外表明，否則單數形式“一”、“一個”和“該”旨在也包括復數形式。還將理解，術語“包括”和/或“包含”在本說明書中使用時指定所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或更多其他特征、整體、步驟、操作、 元件、部件和/或它們的組的存在或增加。這里參照剖視圖描述示范性實施例，剖視圖是示范性實施例的理想化實施例(和中間結構)的示意圖。因而，這樣，由例如制造技術和/或公差引起的圖示形狀的變化是可以預期的。因此，示范性實施例不應解釋為局限于這里示出的區域的特定形狀，而是將包括由例如制造引起的形狀偏差。例如，示為矩形的注入區域通常將具有倒圓或彎曲的特征和/或在其邊緣處的注入濃度梯度，而不是從注入區域到非注入區域的二元變化。類似地，通過注入形成的掩埋區域可以導致在掩埋區域與通過其發生注入的表面之間的區域中的一些注入。因此，附圖所示的區域本質上是示意性的，它們的形狀無意示出器件的區域的實際形狀，且無意限制示范性實施例的范圍。除非另行定義，否則這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)都具有與示范性實施例所屬領域的普通技術人員通常理解的含義相同的含義。還將理解，術語諸如通用字典中定義的那些應理解為具有與它們在相關領域的背景中的含義一致的含義，而不在理想化或過于形式化的意義上理解，除非這里明確地如此定義。下面將詳細描述根據本發明實施例的氮化鎵(GaN)基半導體器件及其制造方法。 在附圖中，層和區域的厚度為了清晰而被夸大。附圖中相似的附圖標記指示相似的元件，因此將省略對它們的描述。圖1示出根據本發明一實施例的氮化鎵(GaN)基半導體器件。參照圖1，異質結構場效應晶體管(HFET)器件200布置在散熱襯底100上。散熱襯底100可以是具有比藍寶石襯底更高的熱導率的導熱襯底，且可以是比單晶SiC襯底便宜的襯底。例如，散熱襯底100可以是非晶或晶體AlN襯底。然而，除AlN襯底之外的其它襯底例如Si襯底、Ge襯底、非晶SiC襯底和陶瓷襯底可以用作散熱襯底100。接合層105可以布置在散熱襯底100上。接合層105可以是例如硅氧化物層。接合層105可以選擇性地(可選地)提供。也就是說，可以提供接合層105或者可以不提供接合層105。基于GaN的層110、120和130可以堆疊在接合層105上。例如，GaN基第一層 110,GaN基第二層120和GaN基第三層130可以依次布置在接合層105上。第一層110是含有GaN的層且可以是具有比一般半導體更高的電阻的半絕緣層。第一層110可以是未摻雜的GaN層或用諸如Mg、Zn、C、Fe等的雜質摻雜的GaN層，第一層110的薄膜電阻(sheet resistance)可以例如大于或等于約IO9 Ω/Sq。在第一層110形成為具有高電阻的未摻雜 GaN層的情形下，可以防止在GaN基半導體器件的操作期間由于雜質的向外擴散引起的問題。后面將描述沒有用Mg、Zn、(或狗摻雜第一層110而增大第一層110的電阻的方法。 當第一層110具有高電阻(也就是說，半絕緣屬性)時，可以抑制/防止通過第一層110的電流泄漏，因此可以容易地增強GaN基半導體器件的特性。此外，第一層110可以具有N面極性。將在后面給出N面極性的詳細描述。第二層120可以是具有N面極性的AlxGi^xN層(這里，0. 1彡χ彡0. 6)。第二層 120的厚度可以從約20nm至50nm。第三層130可以是AlyGai_yN層(這里，0彡y < 0. 01)。 換句話說，第三層130可以是用小于約的Al摻雜的GaN層。在第三層130用Al摻雜的情形下，不僅第三層130的載流子(電子)濃度增大，而且第三層130的結晶性可以得到改善。因此，可以改善GaN基半導體器件的特性。第三層130的厚度可以從約IOnm至約 500nm。類似于第二層120，第三層130可以具有N面極性。二維電子氣層(下面稱為2DEG 層)可以存在于第三層130接觸第二層120的界面附近。第三層130可視為溝道層。柵極電極Gl可以布置在第三層130上，源極電極Sl和漏極電極Dl可以布置在柵極電極Gl的相反兩側。柵極電極Gl可以與第三層130形成肖特基接觸，而源極電極Sl 和漏極電極Dl可以與第三層130形成歐姆接觸。如果需要的話，肖特基接觸層(未示出) 可以布置在柵極電極Gl與第三層130之間，歐姆接觸層(未示出)可以分別布置在源極電極Sl與第三層130之間以及漏極電極Dl與第三層130之間。在使用肖特基接觸層和歐姆接觸層的情形下，柵極電極Gl以及源極/漏極電極Sl和Dl可以由相同的材料形成。源極 / 漏極電極 Sl 和 Dl 可以包括 Ni、Ti、TiN、Pt、Au、RuO2, V、W、WN、Hf、HfN, Mo、NiSi^CoSi2, WSi、PtSi、Ir、&、Ta、TaN, Cu、Ru、Co以及它們的組合中的至少一種。此外，盡管沒有示出， 但是柵極絕緣層可以進一步布置在柵極電極Gl與第三層130之間。在此情形下，柵極電極 Gl不與第三層130形成肖特基接觸。換句話說，柵極電極Gl不一定要與第三層130形成肖特基接觸，與使用肖特基接觸的情形相比，可以使用更多種類的材料來構成柵極電極G1。此外，柵極電極Gl以及源極/漏極電極Sl和Dl可以由相同的材料形成。鈍化層(未示出) 可以進一步布置在第三層130上，鈍化層覆蓋柵極電極Gl以及源極/漏極電極Sl和D1。 鈍化層可以具有包括例如硅氮化物層、硅氧化物層等的單層結構或多層結構。在如上所述的GaN基半導體器件中，可以認為，第一層110、第二層120、第三層 130、柵極電極Gl以及源極/漏極電極Sl和Dl構成HFET器件200。由于HFET器件200形成于包括具有N面極性的第一、第二和第三層110、120和130的GaN基多層上，所以HFET 器件200可視為N面HFET器件。下面將參照圖2描述N面極性和( 面極性。圖2的㈧和⑶分別示出具有N面極性的GaN層和具有( 面極性的GaN層的晶體結構。參照圖2，具有纖鋅礦結構的GaN層可以具有N面極性或( 面極性，在N面極性中 N原子布置在最上層(暴露表面)上，如(A)中所示，在( 面極性中( 原子布置在最上層 (暴露表面)上，如(B)所示。具有N面的GaN層可在Z軸方向上具有
取向，而具有( 面的GaN層可在Z軸方向上具有W001]取向。此外，在GaN基異質結結構例如GaN/AWaN結構中，將要形成2DEG層的位置可以根據GaN層和AWaN層的表面極性而變化。對其的詳細描述將在下面參照圖3給出。參照圖3的㈧，如果GaN/AWaN/GaN層具有N面極性，則2DEG層可以形成在設置于AKkiN層上的GaN層中。參照圖3的(B)，如果GaN/AKkiN/GaN層具有fei面極性，則 2DEG層可以形成在設置于AlGaN層下的GaN層中。如上所述，根據GaN基材料層(多層) 的表面極性，由其形成的器件的特性和配置可以改變。根據本發明的實施例，通過在具有N面極性的GaN基材料層(多層)上形成器件， 可以獲得各種優點。具體地，具有N面極性的GaN基材料層可以具有比AWaN基材料層更好的表面形態。因此，具有N面極性的GaN基材料層可以表現出小的表面電流泄漏和高的遷移率。因此，根據本發明一實施例的GaN基半導體器件可以具有優良的電屬性。圖4示出根據本發明另一實施例的GaN基半導體器件。本實施例為圖1所示的實施例的變型。參照圖4，柵極電極G1’可以具有凹陷柵極結構。換句話說，凹陷區域Rl可以布置在第三層130中，柵極電極G1’可以布置在凹陷區域Rl中。柵極電極G1’可以具有雙凹陷柵極結構。換句話說，凹陷區域Rl可以具有雙凹陷結構，柵極電極G1’可以布置于其上。 附圖標記Gll表示形成在凹陷區域Rl中的柵極絕緣層。柵極絕緣層Gll可以包含A1203、 SiOx, SixNy、Sc203、A1N、Ga2O3, Gd2O3, AlxGa2(1_x)O3, MgO 以及它們的組合中的至少一種。盡管這里沒有列出，但是在晶體管中使用的任何柵極絕緣層材料可以應用到柵極絕緣層Gl 1。在圖4中，除了凹陷區域R1、柵極電極G1’和柵極絕緣層Gll之外的構造可以與圖1的那些相同。因此，圖4所示的器件可視為布置在散熱襯底100上的具有凹陷柵極結構的N面HFET 器件200，。如圖4所示，當柵極電極G1’具有凹陷柵極結構時，2DEG層的電特性可以通過柵極電極G1’改變，源極電極Sl和漏極電極Dl之間的有效溝道長度可以增大，因此HFET器件 200’的電壓耐受特性可以得到加強。特別地，如果凹陷區域Rl具有雙凹陷結構，則對于加強電壓耐受特性而言會是更有利的。如果凹陷區域Rl具有單凹陷結構，則電場會集中在凹陷區域Rl處，因此會降低擊穿電壓。然而，如果凹陷區域Rl形成為具有雙凹陷結構，如本實施例中那樣，則可以降低電場的集中，因此對于加強電壓耐受特性而言，具有雙凹陷結構的凹陷區域Rl可以是更有利的。盡管圖4示出凹陷區域Rl形成為具有未到達第三層130與第二層120之間的界面的深度，但是形成凹陷區域Rl的范圍(深度)可以改變。例如，凹陷區域Rl可以形成為到達第三層130與第二層120之間的界面或者可以形成為穿透第三層130并延伸到第二層 120中。HFET器件200’的閾值電壓可以根據凹陷區域Rl的深度而改變。例如，當凹陷區域Rl形成為具有較大深度時，HFET器件200’的閾值電壓可以在正方向上增大。因此，可以容易地實現常閉型器件。由于如上所述根據本實施例的GaN基半導體器件布置在散熱襯底100上，所以GaN 基半導體器件可以具有優良的散熱特性。此外，當柵極電極G1’具有雙凹陷結構時，可以增強GaN基半導體器件的電壓耐受特性。圖5A至圖5H示出根據本發明一實施例制造GaN基半導體器件的方法。參照圖5A，具有( 面極性的GaN基第一層110可以形成在第一襯底SUBl上。第一襯底SUBl可以是例如藍寶石襯底。由于沒有襯底具有與GaN基材料相同的晶格常數和熱膨脹系數，所以GaN基材料通常生長在藍寶石襯底上。在形成第一層110之前，緩沖層101 可以形成在第一襯底SUBl上，然后第一層110可以形成在其上。可以布置緩沖層101以通過減小第一襯底SUBl和第一層110之間晶格常數和熱膨脹系數的差異來防止第一層110 的結晶性的惡化。緩沖層101可以由例如GaN或SiC形成。第一層110是含GaN的層，可以是具有比一般半導體更高的電阻的半絕緣層。第一層110可以是未摻雜GaN層或用諸如Mg、zn、c、 等的雜質摻雜的GaN層，第一層110的薄膜電阻可以例如大于或等于約IO9 Ω/Sq。下面將簡要地描述不用Mg、Zn、C或狗摻雜第一層110而形成具有高電阻的第一層110的方法。在生長緩沖層101之后，通過在約900°C 至約950°C的溫度熱處理(退火)所生長的緩沖層101若干分鐘，緩沖層101的晶粒尺寸可以變得較小。當GaN薄膜(也就是第一層110)生長在這樣的具有小晶粒尺寸和高密度的緩沖層101上時，形成了能夠俘獲電子的( 空位，因此第一層110可以具有高電阻而沒有用雜質摻雜。這里，用于生長GaN薄膜(也就是第一層110)的溫度可以為從約1020°C至約 1050°C。在將溫度從熱處理緩沖層101的溫度提升到從約1020°C至約1050°C的溫度的時段(也就是溫度上升時段)期間，可以進行GaN薄膜(也就是第一層110)的生長工藝。以此方式，可以獲得具有高電阻的未摻雜GaN層(也就是第一層110)。然而，形成第一層110 的方法不限于此，可以對其進行各種修改。參照圖5B和圖5C，第二襯底SUB2可以貼附到第一層110的頂表面。在接合層105
9形成在第二襯底SUB2的底表面上之后，第二襯底SUB2可以經由接合層105貼附到第一層 110。接合層105可以由例如硅氧化物形成。接合層105可以布置在第一層110的頂表面上，而不是在第二襯底SUB2的底表面上。第二襯底SUB2可以對應于圖1的散熱襯底100。 也就是說，第二襯底SUB2可以是具有比第一襯底SUBl (例如藍寶石襯底)更高的熱導率的導熱襯底。第二襯底SUB2可以比單晶SiC襯底便宜。例如，第二襯底SUB2可以是非晶或晶體AlN襯底。然而，除AlN襯底之外的其它襯底，例如Si襯底、Ge襯底、非晶SiC襯底和陶瓷襯底，可以用作第二襯底SUB2。參照圖5D，可以去除第一襯底SUB1。第一襯底SUBl可以通過使用例如激光頂離 (laser lift-off)法來去除。由于激光頂離法在本領域是公知的，所以將省略對其的詳細描述。在去除緩沖層101之后，包括第一層110、接合層105和第二襯底SUB2的堆疊結構可以被倒置。其結果示于圖5E。圖5E的包括第二襯底SUB2、接合層105和第一層110的堆疊結構對應于上下顛倒的圖5D的包括第一層110、接合層105和第二襯底SUB2的堆疊結構。因此，圖5E的第一層 110具有N面極性。參照圖5F，GaN基第二層120和GaN基第三層130可以依次形成在第一層110的頂表面(N面)上。由于第一層110具有N面極性，所以第二層120和第三層130可以形成為具有N面極性。第二層120可以是具有N面極性的AlxGai_xN層(這里，0. 1 < χ < 0. 6)， 第二層120的厚度可以從約20nm至50nm。第三層130可以是AlyGai_yN層(這里，0彡y <0.01)。換句話說，第三層130可以是用小于約的Al摻雜的GaN層。第三層130的厚度可以從約IOnm至約500nm。2DEG層可以存在于第三層130的接觸第二層120的界面附近。第三層130可以被視為溝道層。參照圖5G，凹陷區域Rl可以通過部分蝕刻第三層130而形成。凹陷區域Rl可以形成為具有雙凹陷結構。換句話說，凹陷區域Rl可以形成為使得凹陷區域Rl的下部具有第一寬度，而凹陷區域Rl的上部具有比第一寬度大的第二寬度。各種方法/操作中的任一種可以用于形成凹陷區域R1。例如，代替通過形成第三層130并部分蝕刻第三層130而形成凹陷區域R1，凹陷區域Rl可以在沉積第三層130的同時形成。在此情形下，在形成第三層130期間，凹陷區域Rl可以形成在被具有不同尺寸的兩個掩模圖案覆蓋的部分處。此外， 凹陷區域Rl的深度/范圍不限于圖5G所示的那些。換句話說，如上面參照圖4描述的那樣，凹陷區域Rl的深度/范圍可以改變。例如，凹陷區域Rl可以形成為到達第三層130和第二層120之間的界面或者可以形成為穿透第三層130并延伸到第二層120中。參照圖5H，柵極絕緣層Gll和柵極電極G1，可以形成在凹陷區域Rl中。因此，柵極電極G1’可以具有雙凹陷結構。源極電極Sl和漏極電極Dl可以形成在第三層130的在柵極電極G1’相反兩側的部分上。在形成源極電極Sl和漏極電極Dl之前，第三層130的表面(頂表面)可以被激光處理。通過激光處理可以改善第三層130與源極電極Sl和漏極電極Dl之間的歐姆接觸。激光處理是可選操作。此外，盡管未示出，但是歐姆接觸層可以分別布置在源極電極Sl與第三層130之間以及漏極電極Dl與第三層130之間。接著，盡管未示出，但是鈍化層可以形成在第三層130上，鈍化層覆蓋柵極電極 G1’以及源極/漏極電極Sl和D1。鈍化層可以具有包括例如硅氮化物層和硅氧化物層中的至少一種的單層結構或多層結構。因而，可以容易地制造HFET結構的GaN基半導體器件，其布置在散熱襯底(也就是第二襯底SUB》上并具有優良的散熱特性和改善的電壓耐受特性。在上述制造方法中可以進行各種修改。如果不進行圖5G所示的凹陷操作，且接下來的操作在平坦的第三層130上進行，則可以制造如圖1所示的具有平坦柵極電極Gl的 GaN基半導體器件。根據本發明的另一實施例，圖5E的第一層110可以被部分去除。其結果示于圖6A 中。為了部分去除第一層110，可以使用化學機械拋光(CMP)法、干法蝕刻法或濕法蝕刻法。 這里，第一層110的去除部分的厚度可以小于或等于若干微米(ym)。接著，如圖6B所示，與第一層110相同或相似的材料層110’可以再生長在剩余的第一層110上。下文中，再生長的材料層110’將被稱作“再生長層”。如圖6C所示，第二層120和第三層130可以依次形成在再生長層110’上。接著， 盡管未示出，接下來的操作可以在第三層130上進行，可以制造GaN基半導體器件。如圖6A至圖6C所示，如果第一層110被部分去除，形成再生長層110’并進行接下來的操作，則可以改善薄膜(GaN基的層)和GaN基半導體器件的特性。具體地，在圖5A 所示的操作中生長在第一襯底SUBl上的第一層110可以包括在第一層110的下部分中的多個缺陷(包括位錯)。其原因可以是通過緩沖層101沒有充分減小第一襯底SUBl與第一層110的晶格常數之間的差異。如果第一層110的包括多個缺陷的部分(圖5A中的下部分，圖5E中的上部分)被去除并且再生長層110’ (圖6B)形成在其上，則再生長層110’可以具有優良的結晶性。因此，生長在再生長層110’上的第二層120和第三層130的結晶性和特性可以得到改善，且因此GaN基半導體器件的特性可由此得到改善。在圖1至圖4中， 第一層110的上部分可以對應于再生長層110’，因此圖1至圖4所示的薄膜(GaN基的層) 和GaN基半導體器件的特性可以是優良的。圖7示出根據本發明另一實施例的GaN基半導體器件。根據本實施例的GaN基半導體器件包括肖特基二極管結構。參照圖7，肖特基二極管器件300布置在散熱襯底100上。散熱襯底100可以與圖 1的散熱襯底100相同。預定的接合層105可以布置在散熱襯底100與第一層110之間，肖特基二極管器件300可以布置在接合層105上。接合層105可以是例如硅氧化物層。肖特基二極管器件300可以包括GaN基的多層，例如第一層110、第二層120和第三層130。第一層110、第二層120和第三層130可以分別對應于圖1的第一層110、第二層 120和第三層130。2DEG層可以形成在第三層130的在第三層130與第二層120之間的界面附近的部分中。肖特基二極管器件300可以包括布置在第三層130上的陽極Al和陰極 Cl。肖特基接觸層1可以布置在陰極Cl與第三層130之間，而歐姆接觸層2可以布置在陽極Al與第三層130之間。肖特基接觸層1和/或歐姆接觸層2可以根據構成陽極Al和陰極Cl的材料而不被布置。盡管沒有示出，但是覆蓋陰極Cl和陽極Al的鈍化層可以進一步布置在第三層130 上。鈍化層可以具有包括例如硅氮化物層、硅氧化物層等的單層結構或多層結構。此外，可以進一步布置分別接觸陰極Cl和陽極Al的第一金屬焊盤層(未示出)和第二金屬焊盤層 (未示出)。
具有圖7所示結構的半導體器件可以被視為布置在散熱襯底100上的N面GaN基肖特基器件。圖8A和圖8B示出根據本發明另一實施例的制造GaN基半導體器件的方法。參照圖8A，通過使用與圖5A至圖5F的方法類似的方法，可以制備接合層105、GaN 基第一層110、GaN基第二層120和GaN基第三層130依次布置在第二襯底SUB2上的堆疊結構。參照圖8B，陽極Al和陰極Cl可以在第三層130上形成為彼此分開。肖特基接觸層1可以形成在陰極Cl與第三層130之間，歐姆接觸層2可以形成在陽極Al與第三層130 之間。接著，盡管沒有示出，但是覆蓋陽極Al和陰極Cl的鈍化層可以形成在第三層130 上。部分鈍化層可以被蝕刻以暴露陽極Al和陰極Cl，可以進一步形成分別接觸陰極Cl和陽極Al的暴露部分的第一金屬焊盤層(未示出)和第二金屬焊盤層(未示出)。通過使用如上所述的方法，N面GaN基肖特基器件可以容易地制造在散熱襯底(也就是第二襯底SUB》上。類似于參照圖5A至圖5H描述的修改，可以在圖8A和8B所示的制造方法中進行各種修改。盡管已經參照本發明的示范性實施例具體顯示和描述了本發明，但是本領域普通技術人員將理解，可以在其中進行形式和細節上的各種變化而不背離由所附權利要求書定義的本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種氮化鎵(GaN)基半導體器件，包括 散熱襯底；GaN基多層，布置在所述散熱襯底上，具有N面極性，且包括2維電子氣QDEG)；以及布置在所述GaN基多層上的柵極、源極和漏極。
2.如權利要求1所述的GaN基半導體器件，其中所述柵極具有平坦型結構。
3.如權利要求1所述的GaN基半導體器件，其中所述GaN基多層包括雙凹陷區域，且所述柵極布置在所述雙凹陷區域中。
4.如權利要求1所述的GaN基半導體器件，其中所述散熱襯底包括具有比藍寶石襯底更高的熱導率的材料。
5.如權利要求4所述的GaN基半導體器件，其中所述散熱襯底為非晶AlN襯底、晶體 AlN襯底、Si襯底、Ge襯底、非晶SiC襯底和陶瓷襯底中的一種。
6.如權利要求1所述的GaN基半導體器件，其中所述GaN基多層包括 布置在所述散熱襯底上的AlxGai_xN層，其中0. 1彡χ彡0. 6 ；以及布置在所述AlxGai_xN層上的AlyGai_yN層，其中0彡y < 0.01。
7.如權利要求6所述的GaN基半導體器件，其中所述GaN基多層還包括布置在所述散熱襯底與所述Alx(;ai_xN層之間的高電阻GaN基材料層。
8.如權利要求7所述的GaN基半導體器件，其中所述高電阻GaN基材料層具有大于或等于IO9 Ω/Sq的電阻。
9.一種氮化鎵(GaN)基半導體器件，包括 散熱襯底；GaN基多層，布置在所述散熱襯底上，具有N面極性，且包括2維電子氣QDEG)； 陰極，與所述GaN基多層的第一區域形成肖特基接觸；以及陽極，與所述GaN基多層的第二區域形成歐姆接觸。
10.如權利要求9所述的GaN基半導體器件，其中所述散熱襯底包括具有比藍寶石襯底更高的熱導率的材料。
11.如權利要求10所述的GaN基半導體器件，其中所述散熱襯底是非晶AlN襯底、晶體 AlN襯底、Si襯底、Ge襯底、非晶SiC襯底和陶瓷襯底中的一種。
12.如權利要求9所述的GaN基半導體器件，其中所述GaN基多層包括 布置在所述散熱襯底上的AlxGai_xN層，其中0. 1彡χ彡0. 6 ；以及布置在所述AlxGai_xN層上的AlyGai_yN層，其中0彡y < 0.01。
13.如權利要求12所述的GaN基半導體器件，其中所述GaN基多層還包括布置在所述散熱襯底與所述Alx(;ai_xN層之間的高電阻GaN基材料層。
14.如權利要求13所述的GaN基半導體器件，其中所述高電阻GaN基材料層具有大于或等于IO9 Ω/sq的電阻。
15.一種制造氮化鎵(GaN)基半導體器件的方法，該方法包括 在第一襯底上形成GaN基第一層；將第二襯底貼附到所述第一層； 去除所述第一襯底；在所述第一層的通過去除所述第一襯底而暴露的表面上形成具有N面極性的GaN基第二層；在所述第二層上形成具有N面極性并包括2維電子氣QDEG)的GaN基第三層；以及形成利用所述第三層作為溝道層的半導體器件。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述半導體器件具有包括柵極、源極和漏極的異質結構場效應晶體管(HFET)結構。
17.如權利要求16所述的方法，還包括在所述第三層中形成雙凹陷區域， 其中所述柵極形成在所述雙凹陷區域中。
18.如權利要求15所述的方法，其中所述半導體器件具有包括陰極和陽極的肖特基二極管結構。
19.如權利要求15所述的方法，其中所述第一襯底是藍寶石襯底。
20.如權利要求15所述的方法，其中所述第二襯底包括具有比所述第一襯底更高的熱導率的材料。
21.如權利要求15所述的方法，其中所述第一襯底通過使用激光頂離方法被去除。
22.如權利要求15所述的方法，其中在去除所述第一襯底之后，該方法還包括 從所述第一層的暴露表面去除所述第一層的一部分；以及在剩余的第一層上再生長與所述第一層相同或相似的材料層。
23.如權利要求15所述的方法，其中所述第一層由高電阻GaN基材料形成。
24.如權利要求15所述的方法，其中所述第二層由AlxGai_xN層形成，其中 0. 1 彡 χ 彡 0. 6。
25.如權利要求15所述的方法，其中所述第三層由AlyGai_yN層形成，其中0彡y < 0. 01。
全文摘要
本發明提供一種氮化鎵(GaN)基半導體器件及其制造方法。GaN基半導體器件可以包括散熱襯底(也就是導熱襯底)；GaN基多層，布置在散熱襯底上并具有N面極性；以及布置在GaN基多層上的異質結構場效應晶體管(HFET)或肖特基電極。HFET器件可以包括具有雙凹陷結構的柵極。在制造這樣的GaN基半導體器件時，可以使用晶片接合工藝和激光頂離工藝。
文檔編號H01L29/778GK102403347SQ201110259899
公開日2012年4月4日 申請日期2011年9月2日 優先權日2010年9月14日
發明者李哉勛, 金基世 申請人:三星Led株式會社