化合物半導體器件及其制造方法

化合物半導體器件及其制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種化合物半導體器件及其制造方法，功率供應電路和高頻放大器，其中化合物半導體器件包括：化合物半導體區域，具有其中形成階梯的表面；第一電極，形成為位于階梯的上表面的上方，上表面為非極性面；以及第二電極，沿著階梯的側表面形成為在豎直方向上與第一電極間隔開，側表面是極性面。
【專利說明】化合物半導體器件及其制造方法
【技術領域】
[0001]這里討論的實施例涉及一種化合物半導體器件和一種用于制造該化合物半導體器件的方法。
【背景技術】
[0002]由于氮化物半導體具有比如表現高飽和電子速率和寬帶隙這樣的特性，所以已經基于對這樣的特性的利用來研究將氮化物半導體應用于具有高耐受電壓和高功率的半導體器件。例如，作為氮化物半導體的GaN的帶隙是3.4eV并且大于Si的帶隙(1.1eV)和GaAs的帶隙(1.4eV);因此GaN表現高擊穿場強。GaN因此是用于在高電壓操作并且輸出高功率的功率半導體器件的高度實用的材料。
[0003]已經報導利用氮化物半導體的半導體器件、比如場效應晶體管、具體為高電子遷移率晶體管(HEMT)。在利用GaN的HEMT (GaN-HEMT)之中，例如其中GaN用于電子傳輸層并且其中AlGaN用于電子供應層的AlGaN/GaN-HEMT弓丨人關注。AlGaN/GaN-ΗΕΜΤ有望應用于高度地高效的開關器件和功率器件，這些開關器件和功率器件用于電動車輛。
[0004]在日本特開N0.2009-170746和日本特開N0.2008-4720中公開了有關技術。
[0005]在氮化物半導體器件中，需要一種用于控制二維電子氣體(2DEG)的局部生成的技術。例如鑒于所謂的故障保護，希望HEMT在如下常斷模式中操作，在該模式中，電流在沒有施加柵極電壓的情況下不流動。
[0006]在現有HEMT、比如AlGaN/GaN-HEMT中，分別用于電子傳輸層和電子供應層的GaN和AlGaN的表面(上表面)是c平面(0001)或者是m平面(1-100)或者a平面(11-20)。
[0007]在具有前一種結構的AlGaN/GaN-HEMT中，在作為極性面的c平面上形成柵極電極、源極電極和漏極電極。在GaN與AlGaN之間的晶格常數差在AlGaN中生成失真，這引起AlGaN的壓電極化和自發極化。由于沿著這樣的極性面形成晶體管中的溝道，所以由于壓電極化和自發極化而生成高濃度2DEG。然而，在這一情況下，即使沒有施加柵極電壓，溝道中的高濃度2DEG仍然引起柵極電流流動，因此向柵極電極施加負電壓以中斷柵極電壓。這一現象是在常通模式中的操作；因此有難以在常斷模式中實現所需操作這樣的問題。
[0008]在具有后一種結構的AlGaN/GaN-HEMT中，沿著各自為非極性面的m平面或者a平面形成柵極電極、源極電極和漏極電極。由于沿著這樣的非極性表面形成溝道，所以不引起壓電極化和自發極化。在沒有施加柵極電壓的情況下，在溝道中不生成2DEG，并且柵極電流不流動；因此實現在常斷模式中的操作。然而，在這一情況下，在溝道中2DEG的缺失增加了接通電阻，這成為了問題。
[0009]另外，存在對于具有前一種或者后一種結構的AlGaN/GaN-HEMT共同的問題。為了提供作為針對功率器件的要求的高耐受電壓，增加在柵極電極與漏極電極之間的長度Lgd。長度Lgd的增加令人遺憾地導致器件的尺寸的增加，這限制了可以集成的器件數目。雖然近年來增加了對具有細微結構并且實現高集成的功率器件、比如AlGaN/GaN-HEMT的需求，但是具有沿著極性或者非極性面形成的溝道的現有AlGaN/GaN-HEMT已經難以滿足這樣的需求。

【發明內容】

[0010]這里討論的實施例用相對簡單的配置實現了在常斷模式中的操作、降低了接通電阻并且盡可能多地減小了在柵極電極與漏極電極之間的水平距離以實現充分高的集成。因此，這里討論的實施例各自提供一種具有高可靠性和高耐受電壓的化合物半導體器件以及一種用于制造這樣的化合物半導體器件的方法。
[0011]根據本發明的一個方面，一種化合物半導體器件包括:化合物半導體區域，具有其中形成階梯的表面；第一電極，形成為位于階梯的上表面的上方，上表面為非極性面；以及第二電極，沿著階梯的側表面形成為在豎直方向上與第一電極間隔開，側表面是極性面。
[0012]將借助在權利要求中具體指出的單元和組合來實現和達到本發明的目的和優點。
[0013]將理解，前文總體描述和下文具體描述二者為示例和說明性的，而不限制要求保護的本發明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1A至IC是各自依次圖示根據第一實施例的用于制造AlGaN/GaN-HEMT的過程的示意橫截面圖；
[0015]圖2A至2C是各自依次圖示根據第一實施例的用于制造AlGaN/GaN-HEMT的后續過程的示意橫截面圖；
[0016]圖3示意地圖示了 GaN晶體的平面取向；
[0017]圖4A和4B各自示意地圖示了根據第一實施例的AlGaN/GaN-HEMT ；
[0018]圖5A和5B是各自示意性地圖示根據第一實施例的AlGaN/GaN-HEMT中的接通電阻的仿真計算結果的圖形；
[0019]圖6A至6C是各自依次圖示根據第一實施例的修改的用于制造AlGaN/GaN-HEMT的過程的示意橫截面圖；
[0020]圖7A至7C是各自依次圖示根據第一實施例的修改的用于制造AlGaN/GaN-HEMT的后續過程的示意橫截面圖；
[0021 ] 圖8A和8B各自示意地圖示根據第一實施例的修改的AlGaN/GaN-HEMT ；
[0022]圖9A至9C是各自依次圖示根據第二實施例的用于制造AlGaN/GaN-HEMT的過程的示意橫截面圖；
[0023]圖1OA和IOB是各自依次圖示根據第二實施例的用于制造AlGaN/GaN-HEMT的后續過程的示意橫截面圖；
[0024]圖1lA和IlB是各自依次圖示根據第二實施例的用于制造AlGaN/GaN-HEMT的后續過程的示意橫截面圖；
[0025]圖12A和12B各自示意地圖示根據第二實施例的AlGaN/GaN-HEMT ；
[0026]圖13A至13C是各自依次圖示根據第二實施例的修改的用于制造AlGaN/GaN-HEMT的過程的示意橫截面圖；
[0027]圖14A至14C是各自依次圖示根據第二實施例的修改的用于制造AlGaN/GaN-HEMT的后續過程的示意橫截面圖；[0028]圖15A和15B是各自依次圖示根據第二實施例的修改的用于制造AlGaN/GaN-HEMT的后續過程的示意橫截面圖；
[0029]圖16A和16B各自示意地圖示根據第二實施例的修改的AlGaN/GaN-HEMT ；
[0030]圖17是圖示根據第三實施例的功率供應設備的總體配置的示意圖；并且
[0031]圖18是圖示根據第四實施例的高頻放大器的總體配置的示意圖。
【具體實施方式】
[0032]現在將參照附圖具體描述實施例。在以下實施例的每個實施例中，將參照一種用于制造化合物半導體器件的方法描述該化合物半導體器件的配置。在附圖中，為了便于圖示，在相對尺寸和厚度上改變了圖示的部件中的一些部件。
[0033]第一實施例
[0034]第一實施例公開如下化合物半導體器件，該化合物半導體器件是肖特基型AlGaN/GaN-HEMT。圖1A至2C是各自以過程序列圖示用于制造第一實施例的AlGaN/GaN-HEMT的方法的示意橫截面圖。雖然未圖示，但是通過注入氬(Ar)或者另一材料在隔離區域中形成隔離結構。
[0035]如圖1A中所示，依次在生長襯底、比如m平面SiC襯底(下文稱為SiC襯底)I上形成作為化合物半導體層的緩沖層2和電子傳輸層3。代替SiC襯底，可以使用藍寶石襯底或者GaAs襯底作為生長襯底。襯底可以是半絕緣襯底或者傳導襯底。
[0036]具體而言,例如通過金屬有機氣相外延(MOVPE)在SiC襯底I上生長下文描述的化合物半導體。取代M0VPE，可以使用分子束外延(MBE)或者另一技術。在SiC襯底I上生長AlN至近似5nm的厚度，并且在其上生長i_GaN (本征GaN)或者n_GaN (η型GaN)至近似一到數十微米的厚度。在第一實施例中，在SiC襯底I上方形成1-GaN或者n-GaN層以便具有如下表面(與SiC襯底I的上表面平行的上表面)，該表面是作為非極性面的m平面。代替m平面，可以將該層形成為具有a平面。以這一方式，形成具有作為m平面的上表面的緩沖層2和電子傳輸層3以位于SiC襯底I上方。在形成緩沖層2時，AlGaN可以取代AlN或者可以在低溫生長GaN。可以采用GaN襯底作為生長襯底，并且可以在GaN襯底上形成電子傳輸層3而不形成緩沖層2。
[0037]在生長AlN和GaN時，使用三甲基鋁氣體、三甲基鎵氣體和氨氣的混合氣體作為源氣體。鑒于待生長的化合物半導體層適當確定是否供應三甲基鋁氣體(Al源)和三甲基鎵氣體(Ga源)及其流速。作為共同材料的氨氣的流速近似為IOOccm到10LM。另外，生長壓力近似為50到300Torr，并且生長溫度近似為1000到1200°C。
[0038]例如，為了生長η型GaN，在預定流速向混合氣體添加包含η型摻雜物、比如Si的氣體(例如SiH4氣體)以用Si摻雜GaN。作為摻雜物的Si的濃度例如近似為I X IO1Vcm30
[0039]如圖1B中所示，然后在電子傳輸層3的表面形成用作階梯的突起IlA0具體而言，干蝕刻電子傳輸層3的將在其上形成漏極電極的區域以形成具有近似一到數十微米的深度(通過耐受電壓確定的值；例如，深度對于數百伏特的耐受電壓為數微米并且對于數千伏特的耐受電壓為數十微米)的槽11。在這樣的干蝕刻中使用的蝕刻氣體的例子包括BCl3和Cl2。在電子傳輸層3的表面中槽11的形成在這一表面生成了突起11A，突起IlA用作階梯。[0040]圖3圖示了GaN晶體的平面取向。在GaN晶體中，在定義al軸[1000]、a2軸[0100]和a3軸[0010]時，GaN晶體的上表面是作為極性面的c平面(0001)。在這一情況下，作為非極性面的m平面(1-100)和a平面(11-20)與c平面(0001)正交。基于圖3中的平面取向的定義，在電子傳輸層3的表面之中，突起IlA的上表面是m平面3(ml)，槽11的底部是m平面3 (m2)，并且槽11的側表面(突起IlA的側表面)是c平面3 (cl)。
[0041]然后，如圖1C中所示，在電子傳輸層3上形成電子供應層4。具體而言，通過MOVPE或者另一技術在電子傳輸層3上生長1-AlGaN (本征AlGaN)或者n-AlGaN (η型AlGaN)至近似40nm的厚度。在第一實施例中，在電子傳輸層3上形成i_AlGaN或者n-AlGaN層以便具有作為m平面的上表面(與SiC襯底I的上表面平行的上表面)。如果電子傳輸層3被形成為具有作為a平面的上表面，則電子供應層4的上表面也是a平面。以這一方式，形成包括緩沖層2、電子傳輸層3和電子供應層4的化合物半導體區域。
[0042]在生長AlGaN時，使用三甲基鋁氣體、三甲基鎵氣體和氨氣的混合氣體作為源氣體。基于AlGaN的組成(AlxGa^N:0〈χ〈1)適當確定是否供應三甲基鋁氣體(Al源)和三甲基鎵氣體(Ga源)及其流速。氨氣的流速近似為IOOccm到10LM。另外，例如，生長壓力近似為50到300Torr，并且生長溫度近似為1000到1200°C。
[0043]例如，為了生長η型AlGaN，在預定流速向混合氣體添加包含η型摻雜物、比如Si的氣體(例如SiH4氣體)以用Si摻雜AlGaN。作為摻雜物的Si的濃度例如近似為IX IO13/
3
cm ο
[0044]然后，如圖2A中所示，干蝕刻電子供應層4的部分，并且隨后干蝕刻突起IlA的部分。具體而言，干蝕刻電子供應層4以暴露槽11的底部和突起IlA的將在其上形成源極電極的預定區域。例如，在干 蝕刻中，采用Cl2或者另一材料作為蝕刻氣體(或者同時使用(:12和SF6)。然后，干蝕刻突起IlA的將在其上形成源極電極的暴露的區域以形成具有近似Iym的深度的槽12。在這樣的干蝕刻中使用的蝕刻氣體的例子包括BCl3和(:12。基于圖3中的平面取向的定義，在電子傳輸層3中，槽12的底部是m平面(m3)，并且槽12的側表面(突起IlA的側表面)是c平面3 (c2)。在電子供應層4中，上表面是m平面4 (m)，一個側表面是c平面4 (Cl)，并且另一側表面是c平面4 (c2)。
[0045]然后，如圖2B中所示，形成源極電極5、漏極電極6和柵極電極7。具體而言，在槽12中形成源極電極5，并且在槽11中形成漏極電極6。形成用于形成源極電極5和漏極電極6的抗蝕劑掩模。向產品的整個表面上涂敷抗蝕劑，然后通過光刻技術形成其中暴露槽11和12的開口。以這一方式，形成具有這樣的開口的抗蝕劑掩模。在抗蝕劑掩模上并且在其中暴露槽11和12的開口中例如通過氣相沉積技術沉積電極材料、比如Ta/Al。沉積Ta至近似20nm的厚度,并且沉積Al至近似200nm的厚度。通過剝離(lift-off )技術去除抗蝕劑掩模和在其上沉積的Ta/Al。然后在近似400到1000°C、例如近似600°C在氮氛圍之下加熱SiC襯底I，并且讓其余Ta/Al與電子傳輸層3和電子供應層4歐姆接觸。在讓Ta/Al與電子傳輸層3和電子供應層4歐姆接觸的情況下，在一些情況下無需執行加熱。以這一方式，通過用電極材料的部分分別填充槽11和12來形成漏極電極6和源極電極5。
[0046]源極電極5的底部與電子傳輸層3的m平面3 (m3)歐姆接觸，并且源極電極5的側表面與電子傳輸層3的c平面3 (c2)和電子供應層4的c平面4 (c2)歐姆接觸。漏極電極6的底部與電子傳輸層3的m平面3 (m2)歐姆接觸，并且漏極電極6的側表面與電子供應層4的c平面4 (Cl)歐姆接觸。
[0047]然后，在電子供應層4的m平面4 (m)上形成柵極電極7。形成用于形成柵極電極7的抗蝕劑掩模。向產品的整個表面上涂敷抗蝕劑，然后通過光刻技術形成如下開口，該開口用于暴露電子供應層4的m平面4 (m)的將在其上形成柵極電極7的區域。以這一方式，形成具有這樣的開口的抗蝕劑掩模。
[0048]例如通過氣相沉積技術在抗蝕劑掩模上并且在開口中沉積電極材料、比如Ni/Au。沉積Ni至近似30nm的厚度,并且沉積Au至近似400nm的厚度。通過剝離技術去除抗蝕劑掩模和在其上沉積的Ni/Au。通過這一過程，在電子供應層4的m平面(m)上形成柵極電極7而又在它們之間建立肖特基接觸。
[0049]然后，如圖2C中所示，形成絕緣膜8。具體而言，例如通過化學氣相沉積(CVD)方法在產品的整個表面上沉積絕緣材料、比如氧化硅。通過光刻技術和干蝕刻來處理沉積的氧化硅。以這一方式，形成絕緣膜8以便在源極電極5、漏極電極6和柵極電極7上方具有用于暴露這些電極的開口。
[0050]然后，通過例如用于提供連接到源極電極5、漏極電極6和柵極電極7的布線的過程完成第一實施例的AlGaN/GaN-HEMT的制造。
[0051]圖4A和4B分別是圖示第一實施例的AlGaN/GaN-HEMT的示意橫截面圖和示意平面圖。AlGaN/GaN-HEMT具有在柵極電極7與源極電極5之間的橫向結構和在柵極電極7與漏極電極6之間的縱向結構。柵極電極7和源極電極5沿著突起IlA的上表面在橫向方向(水平方向)上相互間隔開，并且柵極電極7和漏極電極6沿著突起IlA的側表面在縱向方向(豎直方向)上相互間隔開。
[0052]在第一實施例的AlGaN/GaN-HEMT中，在電子傳輸層3中沿著到電子供應層4的界面并且在源極電極5與漏極電極6之間形成溝道。在電子供應層4的m平面4 (m)上形成柵極電極7。由于沿著突起IlA的作為非極性面的m平面形成溝道的在柵極電極7與源極電極5之間的如下部分，該部分包括在柵極電極7以下的區域，所以在沒有施加柵極電壓的狀態中在這一部分中不生成2DEG。作為對照，由于沿著突起IlA的作為極性面的c平面形成溝道的在柵極電極7與漏極電極6之間的部分，所以即使在沒有施加柵極電壓的狀態中仍然在這一部分中生成高濃度2DEG。因此穩定地使得能夠進行在常斷模式中的操作。
[0053]在第一實施例的AlGaN/GaN-HEMT中，沿著突起IlA的c平面形成溝道的在柵極電極7與漏極電極6之間的部分。因此與其中沿著m平面形成溝道的在柵極電極與漏極電極之間的部分的情況比較，較大地降低了接通電阻。
[0054]在第一實施例的AlGaN/GaN-HEMT中，形成源極電極5以便嵌入于突起IlA的槽12中并且接觸電子傳輸層3的c平面3 (c2)。在電子傳輸層3中，也在c平面3 (c2)上在與電子供應層4的界面生成2DEG。源極電極5與這一 2DEG接觸，從而建立穩定的歐姆接觸。
[0055]在第一實施例的AlGaN/GaN-HEMT中，在縱向結構中、換而言之沿著突起IlA的側表面形成溝道的在柵極電極7與漏極電極6之間的部分。即使增加在豎直方向上在柵極電極7與漏極電極6之間的長度Lgd以呈現高耐受電壓，在水平方向上在柵極電極7與漏極電極6之間的長度仍然至多等同于電子供應層4的厚度并且因此可忽略不計。因此，當在平面圖中查看器件時，器件占用的面積實質上大大減少，這實現了大量器件的集成。
[0056]描述具體的器件集成密度。假設溝道的在柵極電極7與源極電極5之間的部分在長度上為I μ m，溝道的長度在平面圖中基本上等同于I μ m。假設在豎直方向上在柵極電極7與漏極電極6之間的長度Lgd為IOym,耐受電壓近似為1000V。為了在各自具有橫向結構的現有AlGaN/GaN-HEMT中呈現近似1000V的耐受電壓，溝道具有Ilym的長度(在柵極電極與源極電極之間的I μ m長度+在柵極電極與漏極電極之間的10 μ m長度)。第一實施例的AlGaN/GaN-HEMT相應地使器件占用的面積能夠減少至具有橫向結構的這樣的現有AlGaN/GaN-HEMT將占用的面積的近似十一分之一，并且使器件集成密度能夠增加至現有AlGaN/GaN-HEMT的集成密度的近似11倍。在其中呈現近似數萬伏特的耐受電壓的情況下，第一實施例相似地使器件占用的面積能夠減少至現有器件占用的面積的近似百分之幾部分，并且使器件集成密度能夠增加至現有器件的集成密度的近似數百倍。[0057]通過仿真計算第一實施例的AlGaN/GaN-HEMT中的接通電阻。在這一計算中,采用一維泊松等式。由于尚未確定m平面上的電子和空穴的有效質量，所以基于GaN的m平面上的電子和空穴的有效質量等于c平面上的電子和空穴的有效質量這一假設執行計算。
[0058]圖5A和5B圖示了計算的結果。圖5A是圖示在以下條件之下在薄層電阻與柵極電壓之間的關系的圖形:電子傳輸層:本征GaN,電子供應層:n型Ala3Gaa7N(η型摻雜物濃度=IXlO1 Vcm3)和40nm厚度，以及柵極電壓:1.5到2.5V。圖5B是圖示在以下條件之下在薄層電阻與柵極電壓之間的關系的圖形:電子傳輸層:n型GaN (η型摻雜物濃度:1Χ1017/cm3),以及電子供應層:本征Ala3Gaa7N和40nm厚度。
[0059]從圖5A和5B清楚可見，與具有橫向結構和相同溝道長度的現有AlGaN/GaN-HEMT比較，在第一實施例的AlGaN/GaN-HEMT中顯著減少了接通電阻。具體而言，接通電阻在第一實施例的AlGaN/GaN-HEMT中比在這樣的現有AlGaN/GaN-HEMT中小近似15到30%。
[0060]如上文描述的那樣，在第一實施例中，用相對簡單的配置實現了在常斷模式中的操作，降低了接通電阻，并且盡可能多地減少了在柵極電極7與漏極電極6之間的水平距離以實現充分高的集成。在第一實施例中提供的AlGaN/GaN-HEMT因而具有高可靠性和耐受電壓。
[0061]修改
[0062]現在將描述第一實施例的修改。雖然本修改與第一實施例相似地公開了肖特基型AlGaN/GaN-HEMT，但是本修改在化合物半導體區域的結構方面不同于第一實施例。圖6A至7C是各自在過程序列中圖示用于制造本修改的AlGaN/GaN-HEMT的方法的示意橫截面圖。雖然未圖示，但是通過注入氬(Ar)或者另一材料在隔離區域中形成隔離結構。
[0063]如圖6A中所示，使用具有作為m平面的上表面(一個主平面)的GaN襯底10作為生長襯底。可以使用具有作為a平面的上表面的GaN襯底。由于將在后續過程中形成突起，所以待使用的GaN襯底10具有不少于近似數十微米的厚度。
[0064]然后，如圖6B中所示，在GaN襯底10的表面形成用作階梯的突起10A。具體而言，干蝕刻GaN襯底10的將在其上形成漏極電極的區域以形成具有近似10 μ m的深度的槽13。在這樣的干蝕刻中使用的蝕刻氣體的例子包括BCl3和Cl2。在GaN襯底10的表面中槽13的形成在這一表面生成突起10A，突起IOA用作階梯。在本修改中，GaN襯底10的突起IOA充當電子傳輸層。基于圖3中的平面取向的定義，在GaN襯底10的表面之中，突起IOA的上表面是m平面10 (ml)，槽13的底部是m平面10 (m2)，并且槽13的側表面(突起IOA的側表面)是c平面10 (Cl)。[0065]然后，如圖6C中所示，在GaN襯底10上形成電子供應層4。具體而言，通過MOVPE或者另一技術在GaN襯底10上生長1-AlGaN (本征AlGaN)或者η-AlGaN (η型AlGaN)至近似40nm的厚度。在本修改中，在GaN襯底10上形成1-AlGaN或者η-AlGaN層以便具有作為m平面的上表面(與突起IOA的上表面平行的上表面)。如果形成GaN襯底10以便具有作為a平面的上表面，則電子供應層4的上表面也是a平面。在本修改中，形成包括GaN襯底10和電子供應層4的化合物半導體區域。
[0066]在生長AlGaN時，使用三甲基鋁氣體、三甲基鎵氣體和氨氣的混合氣體作為源氣體。基于AlGaN的組成(AlxGa^N:0〈χ〈1)適當確定是否供應三甲基鋁氣體(Al源)和三甲基鎵氣體(Ga源)及其流速。氨氣的流速近似為IOOccm到10LM。另外，生長壓力近似為50到300Torr，并且生長溫度近似為1000到1200°C。
[0067]例如，為了生長η型AlGaN，在預定流速向混合氣體添加包含η型摻雜物、比如Si的氣體(例如SiH4氣體)以用Si摻雜AlGaN。作為摻雜物的Si的濃度例如近似為IX IO13/cm3.
[0068]然后，如圖7A中所示，干蝕刻電子供應層4的部分，并且隨后干蝕刻突起IOA的部分。具體而言，干蝕刻電子供應層4以暴露槽13的底部和突起IOA的將在其上形成源極電極的區域。在干蝕刻中，例如，采用Cl2或者另一材料作為蝕刻氣體(或者同時使用Cl2和SF6)。然后，干蝕刻突起IOA的將在其上形成源極電極的暴露的區域以形成具有近似Iym的深度的槽14。在這樣的干蝕刻中使用的蝕刻氣體的例子包括BCl3和Cl2。基于圖3中的平面取向的定義，在GaN襯底10中，槽14的底部是m平面(m3)，并且槽14的側表面(突起IOA的側表面)是c平面10 (c2)。在電子供應層4中，上表面是m平面4 (m)，一個側表面是c平面4 (Cl)，并且另一側表面是c平面4 (c2)。
[0069]然后，如圖7B中所示，形成源極電極5、漏極電極6和柵極電極7。具體而言，在槽14中形成源極電極5，并且然后在槽13中形成漏極電極6。形成用于形成源極電極5和漏極電極6的抗蝕劑掩模。向產品的整個表面上施加抗蝕劑，然后通過光刻技術形成其中暴露槽14和13的開口。以這一方式，形成具有這樣的開口的抗蝕劑掩模。在抗蝕劑掩模上并且在其中暴露槽14和13的開口中例如通過氣相沉積技術沉積電極材料、比如Ta/Al。沉積Ta至近似20nm的厚度，并且沉積Al至近似200nm的厚度。通過剝離技術去除抗蝕劑掩模和在其上沉積的Ta/Al。然后，例如在近似400到1000°C、比如近似600°C在氮氛圍之下加熱GaN襯底10，并且讓剩余Ta/Al與GaN襯底10和電子供應層4歐姆接觸。在一些情況下，只要讓Ta/Al與GaN襯底10和電子供應層4歐姆接觸，無需執行加熱。以這一方式，通過用電極材料的部分分別填充槽14和13來形成源極電極5和漏極電極6。
[0070]源極電極5的底部與GaN襯底10的m平面10 (m3)歐姆接觸，并且源極電極5的側表面與GaN襯底10的c平面10 (c2)和電子供應層4的c平面4 (c2)歐姆接觸。漏極電極6的底部與GaN襯底10的m平面10 (m2)歐姆接觸，并且漏極電極6的側表面與電子供應層4的c平面4 (Cl)歐姆接觸。
[0071]然后，在電子供應層4的m平面4 (m)上形成柵極電極7。形成用于形成柵極電極7的抗蝕劑掩模。向產品的整個表面上施加抗蝕劑，然后通過光刻技術形成如下開口，該開口用于暴露電子供應層4的m平面4 (m)的將在其上形成柵極電極7的區域。以這一方式，形成具有這樣的開口的抗蝕劑掩模。[0072]例如通過氣相沉積技術在抗蝕劑掩模上并且在開口中沉積電極材料、比如Ni/Au。沉積Ni至近似30nm的厚度,并且沉積Au至近似400nm的厚度。通過剝離技術去除抗蝕劑掩模和在其上沉積的Ni/Au。通過這一過程，在電子供應層4的m平面4 (m)上形成柵極電極7而又在它們之間建立肖特基接觸。
[0073]然后，如圖7C中所示，形成絕緣膜8。具體而言，例如通過CVD方法在產品的整個表面上沉積絕緣材料、比如氧化硅。通過光刻技術和干蝕刻來處理沉積的氧化硅。以這一方式，形成絕緣膜8以便在源極電極5、漏極電極6和柵極電極7上方具有用于暴露這些電極的開口。
[0074]然后，通過例如用于提供連接到源極電極5、漏極電極6和柵極電極7的布線的過程完成本修改的AlGaN/GaN-HEMT的制造。
[0075]圖8A和8B分別是圖示本修改的AlGaN/GaN-HEMT的示意橫截面圖和示意平面圖。AlGaN/GaN-HEMT具有在柵極電極7與源極電極5之間的橫向結構以及在柵極電極7與漏極電極6之間的縱向結構。柵極電極7和源極電極5沿著突起IOA的上表面在橫向方向(7K平方向)上相互間隔開，并且柵極電極7和漏極電極6沿著突起IOA的側表面在縱向方向(豎直方向)上相互間隔開。
[0076]在本修改的AlGaN/GaN-HEMT中，在突起IOA中沿著與電子供應層4的接口并且在源極電極5與漏極電極6之間形成溝道。在電子供應層4的m平面4 (m)上形成柵極電極
7。由于沿著突起IOA的作為非極性面的m平面形成溝道的在柵極電極7與源極電極5之間的如下部分，該部分包括在柵極電極7以下的區域，所以在其中沒有施加柵極電壓的狀態中在這一部分中不生成2DEG。作為對照，由于沿著突起IOA的作為極性面的c平面形成溝道的在柵極電極7與漏極電極6之間的部分，所以即使在其中未施加柵極電壓的狀態中仍然在這一部分中生成高濃度2DEG。因此穩定實現在常斷模式中的操作。
[0077]在本修改的AlGaN/GaN-HEMT中，沿著突起IOA的c平面形成溝道的在柵極電極7與漏極電極6之間的部分。因此與其中沿著m平面形成溝道的在柵極電極與漏極電極之間的部分的情況比較，較大降低了接通電阻。
[0078]在本修改的AlGaN/GaN-HEMT中，形成源極電極5以便嵌入于突起IOA的槽14中并且接觸GaN襯底10的c平面10 (c2)。在突起IOA中，也在與電子供應層4的接口處在c平面10 (c2)上生成2DEG。源極電極5與這一 2DEG接觸，從而建立穩定的歐姆接觸。
[0079]在本修改的AlGaN/GaN-HEMT中，在豎直結構中、換而言之沿著突起IOA的側表面形成溝道的在柵極電極7與漏極電極6之間的部分。即使增加在豎直方向上在柵極電極7與漏極電極6之間的長度Lgd以呈現高耐受電壓，在水平方向上在柵極電極7與漏極電極6之間的長度仍然至多等同于電子供應層4的厚度并且因此可忽略不計。因此，當在平面圖中查看器件時，器件占用的面積實質上大量減少，這實現了大量器件的集成。
[0080]描述具體的器件集成密度。假設溝道的在柵極電極7與源極電極5之間的部分在長度上為I μ m，溝道的長度在平面圖中基本上等同于I μ m。假設在豎直方向上在柵極電極7與漏極電極6之間的長度Lgd為10 μ m，耐受電壓近似為1000V。為了在各自具有橫向結構的現有AlGaN/GaN-HEMT中呈現近似1000V的耐受電壓，溝道具有Ilym的長度(在柵極電極與源極電極之間的I μ m長度+在柵極電極與漏極電極之間的10 μ m長度)。本修改的AlGaN/GaN-HEMT相應地使器件占用的面積能夠減少至具有橫向結構的這樣的現有AlGaN/GaN-HEMT占用的面積的近似十一分之一部分并且使器件集成密度能夠增加至現有AlGaN/GaN-HEMT的集成密度的近似11倍。在其中呈現近似數萬伏特的耐受電壓的情況下，本修改相似地使器件占用的面積能夠減少至現有器件占用的面積的近似百分之幾部分并且使器件集成密度能夠增加至現有器件的集成密度的近似數百倍。
[0081]如在第一實施例中那樣，接通電阻在本修改的AlGaN/GaN-HEMT中比在各自具有橫向結構和相同溝道長度的現有AlGaN/GaN-HEMT中小近似15到30%。
[0082]如上文描述的那樣，在本修改中，用相對簡單的配置實現了在常斷模式中的操作，降低了接通電阻，并且盡可能多地減少了在柵極電極7與漏極電極6之間的水平距離以實現充分高的集成。在本修改中提供的AlGaN/GaN-HEMT因而具有高可靠性和耐受電壓。另外，在本修改中，沒有提供緩沖層并且也沒有提供電子傳輸層，而GaN襯底的部分用作電子傳輸層。這一配置有效地減少了生產處理的數量。
[0083]第二實施例
[0084]現在將描述第二實施例。雖然第二實施例與第一實施例相似地公開了肖特基型AlGaN/GaN-HEMT，但是第二實施例在形成于電子傳輸層中的階梯的結構方面不同于第一實施例。圖9A至IIB是各自在過程序列中圖示用于制造第二實施例的AlGaN/GaN-HEMT的方法的示意橫截面圖。雖然未圖示，但是通過注入氬(Ar)或者另一材料在隔離區域中形成隔離結構。
[0085]如圖9A中所示，如在圖1A中的第一實施例中那樣依次在生長襯底、比如m平面SiC襯底(下文稱為SiC襯底)1上形成作為化合物半導體層的緩沖層2和電子傳輸層3。取代m平面SiC襯底，可以使用藍寶石襯底或者GaAs襯底作為生長襯底。襯底可以是半絕緣襯底或者傳導襯底。
[0086]在SiC襯底I上生長AlN至近似5nm的厚度，并且在其上生長i_GaN (本征GaN)或者η-GaN (η型GaN)至近似一到數十微米的厚度，通過例如MOVPE實現生長。在第二實施例中，在SiC襯底I上方形成1-GaN或者η-GaN層以便具有如下表面(與SiC襯底I的上表面平行的上表面)，該表面是作為非極性面的m平面。代替m平面，可以將該層形成為具有a平面。以這一方式，具有作為m平面的上表面的緩沖層2和電子傳輸層3被形成為位于SiC襯底I的上方。在形成緩沖層2時，AlGaN可以取代AlN或者可以在低溫生長GaN。可以采用GaN襯底作為生長襯底，并且可以在GaN襯底上形成電子傳輸層3而不形成緩沖層2。
[0087]在生長AlN和GaN時，使用三甲基鋁氣體、三甲基鎵氣體和氨氣的混合氣體作為源氣體。基于待生長的化合物半導體層適當確定是否供應三甲基鋁氣體(Al源)和三甲基鎵氣體(Ga源)及其流速。作為共同材料的氨氣的流速近似為IOOccm到10LM。另外，例如，生長壓力近似為50到300Torr，并且生長溫度近似為1000到1200°C。
[0088]為了生長η型GaN，例如，在預定流速向混合氣體添加包含η型摻雜物、比如Si的氣體(例如SiH4氣體)以用Si摻雜GaN。作為摻雜物的Si的濃度例如近似為I X IO1Vcm30
[0089]然后，如圖9B中所示，在電子傳輸層3的表面中形成用作階梯的凹陷21。具體而言，干蝕刻電子傳輸層3的表面的除了將在其上形成漏極電極的區域之外的部分以形成具有近似一到數十微米的深度(通過耐受電壓確定的值；例如，厚度對于數百伏特的耐受電壓為數微米并且對于數千伏特的耐受電壓為數十微米)的槽。在這樣的干蝕刻中使用的蝕刻氣體的例子包括此13和(:12。在電子傳輸層3的表面中形成的槽是用作階梯的凹陷21。基于圖3中的平面取向的定義，在電子傳輸層3的表面之中，凹陷21的底部是m平面3(ml)，電子傳輸層3的上表面是m平面3 (m2)，并且凹陷21的側表面是c平面3 (C)。
[0090]然后，如圖9C中所示，在凹陷21的底部形成n+區域22和n_區域23。具體而言，向產品的整個表面上施加抗蝕劑，并且通過光刻技術處理抗蝕劑以形成具有如下開口的抗蝕劑掩模，該開口用于在凹陷21的底部暴露將在其上形成源極電極的區域。用這一抗蝕劑掩模用η型摻雜物、比如Si摻雜凹陷21的底部。作為摻雜物的Si的濃度例如近似地不少于IXlO1Vcm3:例如近似為lX102°/cm3。以這一方式，在凹陷21的底部的將在其上形成源極電極的部分中形成η.區域22。通過灰化過程或者另一技術去除抗蝕劑掩模。
[0091]然后，向產品的整個表面上施加抗蝕劑，并且通過光刻技術處理抗蝕劑以形成具有如下開口的抗蝕劑掩模，該開口用于在凹陷21的底部暴露在將在其上形成柵極電極和漏極電極的部分之間的預定區域。用這一抗蝕劑掩模用η型摻雜物、比如Si摻雜凹陷21的底部。作為摻雜物的Si的濃度低于η+區域22的作為摻雜物的Si的濃度:例如近似不多于丄父^^/^^具體為近似丄父川16/^!!!3。以這一方式，在凹陷21的底部的在將在其上形成柵極電極和源極電極的部分之間的預定部分中形成η—區域23。通過灰化過程或者另一技術去除抗蝕劑掩模。
[0092]然后，如圖1OA中所示，在電子傳輸層3上形成電子供應層4。具體而言，通過MOVPE或者另一技術在電子傳輸層3上生長1-AlGaN(本征AlGaN)或者n_AlGaN(n型AlGaN)至近似40nm的厚度。在第二實施例中，在電子傳輸層3上形成1-AlGaN或者η-AlGaN層以便具有作為m平面的上表面(與SiC襯底I的上表面平行的上表面)。如果電子傳輸層3被形成為具有作為a平面的上表面，則電子供應層4`的上表面也是a平面。以這一方式，形成包括緩沖層2、電子傳輸層3和電子供應層4的化合物半導體區域。
[0093]在生長AlGaN時，使用三甲基鋁氣體、三甲基鎵氣體和氨氣的混合氣體作為源氣體。基于AlGaN的組成(AlxGa^N:0〈χ〈1)適當確定是否供應三甲基鋁氣體(Al源)和三甲基鎵氣體(Ga源)及其流速。氨氣的流速近似為IOOccm到10LM。另外，例如，生長壓力近似為50到300Torr，并且生長溫度近似為1000到1200°C。
[0094]為了生長η型AlGaN，例如，在預定流速向混合氣體添加包含η型摻雜物、比如Si的氣體(例如SiH4氣體)以用Si摻雜AlGaN。作為摻雜物的Si的濃度例如近似為IX IO13/
3
cm ο
[0095]然后，如圖1OB中所示，干蝕刻電子供應層4的部分。具體而言，干蝕刻電子供應層4以暴露n+區域22的表面和電子傳輸層3的上表面的將在其上形成漏極電極的區域。在這樣的干蝕刻中，例如，采用Cl2或者另一材料作為蝕刻氣體(或者同時使用Cl2和SF6)。基于圖3中的平面取向的定義,在電子供應層4中，一個上表面是m平面4 (ml)，另一上表面是m平面4 (m2)，并且側表面是c平面4 (C)。
[0096]然后，如圖1lA中所示，形成源極電極24、漏極電極25和柵極電極26。具體而言，在n+區域22上形成源極電極24，并且在如下區域上形成漏極電極25，該區域包括電極中轉層3的上表面和電子供應層4的上文提到的另一上表面。形成用于形成源極電極24和漏極電極25的抗蝕劑掩模。向產品的整個表面施加抗蝕劑，然后通過光刻技術形成其中暴露n+區域22的表面和上文提到的區域的開口。以這一方式，形成具有這樣的開口的抗蝕劑掩模。在抗蝕劑掩模上并且在用于暴露n+區域22的表面和上文提到的區域的開口中例如通過氣相沉積技術沉積電極材料、比如Ta/Al。沉積Ta至近似20nm的厚度,并且沉積Al至近似200nm的厚度。通過剝離技術去除抗蝕劑掩模和在其上沉積的Ta/Al。然后，例如在近似400到1000°C、例如近似600°C在氮氛圍之下加熱SiC襯底，并且讓剩余Ta/Al與電子傳輸層3和電子供應層4歐姆接觸。在一些情況下，只要讓Ta/Al與電子傳輸層3和電子供應層4歐姆接觸，無需執行加熱。通過這一過程，分別在n+區域22的表面和上文提到的區域上形成源極電極24和漏極電極25。
[0097]源極電極24的底部與n+區域22[m平面3 (ml)]歐姆接觸，并且源極電極24的側表面與電子供應層4的c平面4 (c2)歐姆接觸。在第二實施例中，由于源極電極24接觸n+區域22，所以建立了良好的歐姆接觸。漏極電極25的底部與電子傳輸層3的m平面3 (m2)和電子供應層4的m平面4 (m2)歐姆接觸。
[0098]然后，在電子供應層4的m平面4(ml)上形成柵極電極26。形成用于形成柵極電極26的抗蝕劑掩模。向產品的整個表面上施加抗蝕劑，然后通過光刻技術形成如下開口，該開口用于暴露電子供應層4的m平面4 (ml)的將在其上形成柵極電極26的區域。以這一方式，形成具有這樣的開口的抗蝕劑掩模。
[0099]通過例如氣相沉積技術在抗蝕劑掩模上并且在開口中沉積電極材料、比如Ni/Au。沉積Ni至近似30nm的厚度,并且沉積Au至近似400nm的厚度。通過剝離技術去除抗蝕劑掩模和在其上沉積的Ni/Au。通過這一過程，在電子供應層4的m平面4 (ml)上形成柵極電極26而又在它們之間建立肖特基接觸。
[0100]在第二實施例中，在電子供應層4的在柵極電極26與源極電極24之間的預定部分中形成n_區域23。n_區域23用于進一步增強耐受電壓。
[0101]然后，如圖1lB中所示，形成絕緣膜27。具體而言，例如通過CVD方法在產品的整個表面上沉積絕緣材料、比如氧化硅。通過光刻技術和干蝕刻來處理沉積的氧化硅。以這一方式，絕緣膜27被形成為在源極電極24、漏極電極25和柵極電極26上方具有用于暴露這些電極的開口。
[0102]然后，通過用于提供連接到源極電極24、漏極電極25和柵極電極26的布線的過程完成第二實施例的AlGaN/GaN-HEMT的制造。
[0103]圖12A和12B分別是圖示第二實施例的AlGaN/GaN-HEMT的示意橫截面圖和示意平面圖。AlGaN/GaN-HEMT具有在柵極電極26與源極電極24之間的橫向結構和在柵極電極26與漏極電極25之間的縱向結構。柵極電極26和源極電極24沿著凹陷21的底部在橫向方向(水平方向)上相互間隔開，并且柵極電極26和漏極電極25沿著凹陷21的側表面在縱向方向(豎直方向)上相互間隔開。
[0104]在第二實施例的AlGaN/GaN-HEMT中，在電子傳輸層3中沿著與電子供應層4的界面并且在源極電極24與漏極電極25之間形成溝道。在電子供應層4的m平面4 (ml)上形成柵極電極26。由于沿著凹陷21的作為非極性面的m平面形成溝道的在柵極電極26與源極電極24之間的如下部分，該部分包括在柵極電極26以下的區域，所以在其中沒有施加柵極電壓的狀態中在這一部分中不生成2DEG。作為對照，由于沿著凹陷21的作為極性面的c平面形成溝道的在柵極電極26與漏極電極25之間的部分，所以即使在其中沒有施加柵極電壓的狀態中仍然在這一部分中生成高濃度2DEG。因此穩定實現在常斷模式中的操作。[0105]在第二實施例的AlGaN/GaN-HEMT中，沿著凹陷21的c平面形成溝道的在柵極電極26與漏極電極25之間的部分。因此與其中沿著m平面形成溝道的在柵極電極與漏極電極之間的部分的情況比較，大量降低了接通電阻。
[0106]在第二實施例的AlGaN/GaN-HEMT中，在電子傳輸層3的η.區域22上形成源極電極24，從而在它們之間建立接觸。這一結構使得能夠在源極電極24與電子傳輸層3之間建立穩定的歐姆接觸。
[0107]在第二實施例的AlGaN/GaN-HEMT中，在縱向結構中、換而言之沿著凹陷21的側表面形成溝道的在柵極電極26與漏極電極25之間的部分。即使增加在豎直方向上在柵極電極26與漏極電極25之間的長度Lgd以呈現高耐受電壓，在水平方向上在柵極電極26與漏極電極25之間的長度仍然至多等同于絕緣膜27的厚度并且因此可忽略不計。因此當在平面圖中查看器件時，器件占用的面積實質上大大減小，這實現了大量器件的集成。
[0108]描述具體器件集成密度。假設溝道的在柵極電極26與源極電極25之間的部分為
1.5μπι (1μπι+0.5μπι)，溝道的長度在平面圖中基本上等同于1.5μπι。假設在豎直方向上在柵極電極26與漏極電極25之間的長度Lgd為ΙΟμπι，耐受電壓近似為1000V。為了在各自具有橫向結構的現有AlGaN/GaN-HEMT中呈現近似1000V的耐受電壓，溝道具有11.5μπι的長度(在柵極電極與源極電極之間的1.5 μ m長度+在柵極電極與漏極電極之間的10 μ m長度)。第二實施例的AlGaN/GaN-HEMT相應地使器件占用的面積能夠減少至具有橫向結構的這樣的現有AlGaN/GaN-HEMT占用的面積的近似八分之一部分并且使器件集成密度能夠增加至現有AlGaN/GaN-HEMT的集成密度的近似八倍。在其中呈現近似數萬伏特的耐受電壓的情況下，第二實施例相似地使器件占用的面積能夠減少至現有器件占用的面積的近似百分之幾部分并且使器件集成密度能夠增加至現有器件的集成密度的近似數百倍。
[0109]如在第一實施例中那樣，接通電阻在第二實施例的AlGaN/GaN-HEMT中比在各自具有橫向結構和相同溝道長度的現有AlGaN/GaN-HEMT中小近似15到30%。
[0110]如上文描述的那樣，在第二實施例中，用相對簡單的配置實現了在常斷模式中的操作，降低了接通電阻，并且盡可能多地減少了在柵極電極26與漏極電極25之間的水平距離以實現充分高的集成。在第二實施例中提供的AlGaN/GaN-HEMT因而具有高可靠性和耐受電壓。
[0111]修改
[0112]現在將描述第二實施例的修改。雖然本修改與第二實施例相似地公開了 AlGaN/GaN-HEMT，但是該修改與第二實施例不同在于提供了包括柵極絕緣體的金屬絕緣體半導體(MIS)器件。圖13A至15B是各自在過程序列中圖示用于制造本修改的AlGaN/GaN-HEMT的方法的示意橫截面圖。雖然未圖示，但是通過注入氬(Ar)或者另一材料在隔離區域中形成隔離結構。
[0113]如在圖9A中的第二實施例中那樣依次在生長襯底、比如m平面SiC襯底(下文稱為SiC襯底)1上形成作為化合物半導體層的緩沖層2和電子傳輸層3。取代m平面SiC襯底，可以使用藍寶石襯底或者GaAs襯底作為生長襯底。襯底可以是半絕緣襯底或者傳導襯底 。
[0114]在SiC襯底I上生長AlN至近似5nm的厚度，并且在其上生長1-GaN (本征GaN)或者η-GaN (η型GaN)至近似I μ m的厚度，通過例如MOVPE實現生長。在本修改中，在SiC襯底I上方形成1-GaN或者η-GaN層以便具有如下表面(與SiC襯底I的上表面平行的上表面)，該表面是作為非極性面的m平面。取代m平面，該層可被形成為具有a平面。以這一方式，各自具有作為m平面的上表面的緩沖層2和電子傳輸層3被形成為位于SiC襯底I上方。在形成緩沖層2時，AlGaN可以取代AlN或者可以在低溫生長GaN。可以采用GaN襯底作為生長襯底，并且可以在GaN襯底上形成電子傳輸層3而不形成緩沖層2。
[0115]在生長AlN和GaN時，使用三甲基鋁氣體、三甲基鎵氣體和氨氣的混合氣體作為源氣體。基于待生長的化合物半導體層適當確定是否供應三甲基鋁氣體(Al源)和三甲基鎵氣體(Ga源)及其流速。作為共同材料的氨氣的流速近似為IOOccm到10LM。另外，例如，生長壓力近似為50到300Torr，并且生長溫度近似為1000到1200°C。
[0116]為了生長η型GaN，例如，在預定流速向混合氣體添加包含η型摻雜物、比如Si的氣體(例如SiH4氣體)以用Si摻雜GaN。作為摻雜物的Si的濃度例如近似為I X IO1Vcm30
[0117]然后，如圖13B中所示，如在圖9B中的第二實施例中那樣在電子傳輸層3的表面中形成用作階梯的凹陷21。具體而言，干蝕刻電子傳輸層3的表面的除了將在其上形成漏極電極的區域之外的部分以形成具有近似一到數十微米的深度(通過耐受電壓確定的值；例如，厚度對于數百伏特的耐受電壓為數微米并且對于數千伏特的耐受電壓為數十微米)的槽。在這樣的干蝕刻中使用的蝕刻氣體的例子包括BCl3和Cl2。在電子傳輸層3的表面中形成的槽是用作階梯的凹陷21。基于圖3中的平面取向的定義，在電子傳輸層3的表面之中，凹陷21的底部是m平面3 (ml)，電子傳輸層3的上表面是m平面3 (m2)，并且凹陷21的側表面是c平面3 (C)。
[0118]然后，如圖13C中所示，在凹陷21的底部形成η.區域31和η_區域32。具體而言，向產品的整個表面施加抗蝕劑，并且通過光刻技術處理抗蝕劑以形成具有如下開口的抗蝕劑掩模，該開口用于在凹陷21的底部暴露將在其上形成源極電極的區域。用這一抗蝕劑掩模用η型摻雜物、比如Si摻雜凹陷21的底部。作為摻雜物的Si的濃度例如近似不少于IXlO1Vcm3:例如近似為lX102°/cm3。 以這一方式，在凹陷21的底部的將在其上形成源極電極的部分中形成n+區域31。通過灰化過程或者另一技術去除抗蝕劑掩模。
[0119]然后，向產品的整個表面施加抗蝕劑，并且通過光刻技術處理抗蝕劑以形成具有如下開口的抗蝕劑掩模，該開口用于在凹陷21的底部暴露將在其上形成柵極電極的區域。用這一抗蝕劑掩模用η型摻雜物、比如Si摻雜凹陷21的底部。作為摻雜物的Si的濃度低于η+區域31中的濃度:例如近似不多于1父1017/0113、具體為近似1\1016/(^3。以這一方式，在凹陷21的底部的將在其上形成柵極電極的部分中形成η—區域32。通過灰化過程或者另一技術去除抗蝕劑掩模。
[0120]然后，如圖14Α中所示，在電子傳輸層3上形成電子供應層4。具體而言，通過MOVPE或者另一技術在電子傳輸層3上生長1-AlGaN (本征AlGaN)或者η-AlGaN (η型AlGaN)至近似40nm的厚度。在本修改中，在電子傳輸層3上形成1-AlGaN或者η-AlGaN層以具有作為m平面的上表面(與SiC襯底I的上表面平行的上表面)。如果電子傳輸層3被形成為具有作為a平面的上表面，則電子供應層4的上表面也是a平面。以這一方式，形成包括緩沖層2、電子傳輸層3和電子供應層4的化合物半導體區域。
[0121]在生長AlGaN時，使用三甲基鋁氣體、三甲基鎵氣體和氨氣的混合氣體作為源氣體。基于AlGaN的組成(AlxGa^N:0〈χ〈1)適當確定是否供應三甲基鋁氣體(Al源)和三甲基鎵氣體(Ga源)及其流速。氨氣的流速近似為IOOccm到10LM。另外，生長壓力近似為50到300Torr，并且生長溫度近似為1000到1200°C。
[0122]為了生長η型AlGaN，例如，在預定流速向混合氣體添加包含η型摻雜物、比如Si的氣體(例如SiH4氣體)以用Si摻雜AlGaN。作為摻雜物的Si的濃度例如近似為IX IO13/
cm ο
[0123]然后，如圖14B中所示，干蝕刻電子供應層4。具體而言，干蝕刻電子供應層4，從而留下電子供應層4的僅在凹陷21的側表面上的部分。在這樣的干蝕刻中，例如，采用Cl2或者另一材料作為蝕刻氣體(或者同時使用Cl2和SF6)。基于圖3中的平面取向的定義，在電子供應層4中，上表面是m平面4 (m)，并且側表面是c平面4 (C)。
[0124]然后，如圖14C中所示，形成柵極絕緣體33。具體而言，在產品的整個表面上沉積絕緣材料、比如Al2O315通過例如原子層沉積(ALD)沉積Al2O3至近似2至200nm的厚度；在這一情況下，沉積Al2O3至近似40nm的厚度。取代ALD，可以通過例如等離子體CVD或者濺射沉積Al2O315取代Al2O3，可以使用Al的氮化物或者氮氧化物。另外，為了形成柵極絕緣體33，可以使用S1、Hf、Zr、T1、Ta或者W的氧化物、氮化物或者氮氧化物，或者可以采用其適當組合以形成多層結構。
[0125]然后，通過光刻技術和干蝕刻來處理沉積的Al2O3,以僅在n_區域32上留下Al2O3,該n_區域32是將在其上形 成柵極電極的區域。以這一方式，在n_區域32上形成柵極絕緣體33。
[0126]然后，如圖15A中所示，形成源極電極34、漏極電極35和柵極電極36。具體而言，在n+區域31上形成源極電極34，并且在如下區域中形成漏極電極35，該區域包括電極中轉層3和電子供應層4的上表面。形成用于形成源極電極34和漏極電極35的抗蝕劑掩模。向產品的整個表面上施加抗蝕劑，然后通過光刻技術形成用于暴露n+區域31的表面和上文提到的區域的開口。以這一方式，形成具有這樣的開口的抗蝕劑掩模。在抗蝕劑掩模上并且在用于暴露n+區域31的表面和上文提到的區域的開口中例如通過氣相沉積技術沉積電極材料、比如Ta/Al。沉積Ta至近似20nm的厚度，并且沉積Al至近似200nm的厚度。通過剝離技術去除抗蝕劑掩模和在其上沉積的Ta/Al。然后，例如在近似400到1000°C、例如近似600°C在氮氛圍之下加熱SiC襯底，并且讓剩余Ta/Al與電子傳輸層3和電子供應層4歐姆接觸。在一些情況下，只要讓Ta/Al與電子傳輸層3和電子供應層4歐姆接觸，無需執行加熱。通過這一過程，分別在n+區域31的表面和上文提到的區域上形成源極電極34和漏極電極35。
[0127]源極電極34的底部與n+區域31 [m平面3 (ml)]歐姆接觸。在本修改中，由于源電極34接觸η.區域31，所以建立了良好的歐姆接觸。漏極電極35的底部與電子傳輸層3的m平面3 (m2)和電子供應層4的m平面4 (m)歐姆接觸。
[0128]然后，在柵極絕緣體33上形成柵極電極36。形成用于形成柵極電極36的抗蝕劑掩模。向產品的整個表面上施加抗蝕劑，然后通過光刻技術形成如下開口，該開口用于暴露柵極絕緣體33的如下表面，該表面是將在其上形成柵極電極36的區域。以這一方式，形成具有這樣的開口的抗蝕劑掩模。
[0129]通過例如氣相沉積技術在抗蝕劑掩模上并且在開口中沉積電極材料、比如Ni/Au。沉積Ni至近似30nm的厚度,并且沉積Au至近似400nm的厚度。通過剝離技術去除抗蝕劑掩模和在其上沉積的Ni/Au。通過這一過程，在n_區域32上方形成柵極電極36，而在其間插入柵極絕緣體33。
[0130]在本修改中，在n_區域32上方形成柵極電極36，而在其間插入柵極絕緣體33。在其中沒有向柵極電極36施加柵極電壓的情況下，η—區域32的高電阻使晶體管能夠處于關斷模式中。對照而言，在其中施加柵極電壓的情況下，彎曲η—區域32的能帶，并且η—區域32變成η+區域，這使晶體管能夠處于接通模式中。
[0131]然后，如圖15Β中所示，形成絕緣膜37。具體而言，通過例如CVD方法在產品的整個表面上沉積絕緣材料、比如氧化硅。通過光刻技術和干蝕刻來處理沉積的氧化硅。以這一方式，形成絕緣膜37以便在源極電極34、漏極電極35和柵極電極36上方具有用于暴露這些電極的開口。
[0132]然后，通過用于提供連接到源極電極34、漏極電極35和柵極電極36的布線的過程完成本修改的AlGaN/GaN-HEMT的制造。
[0133]圖16A和16B分別是圖示本修改的AlGaN/GaN-HEMT的示意橫截面圖和示意平面圖。AlGaN/GaN-HEMT具有在柵極電極36與源極電極34之間的橫向結構和在柵極電極36與漏極電極35之間的縱向結構。柵極電極36和源極電極34沿著凹陷21的底部在橫向方向(水平方向)上相互間隔開，并且柵極電極36和漏極電極35沿著凹陷21的側表面在縱向方向(豎直方向)上相互間隔開。
[0134]在本修改的AlGaN/GaN-HEMT中，在源極電極34與漏極電極35之間形成溝道。在柵極絕緣體33上形成柵極電極36以位于n_區域32的上方。沿著凹陷21的作為非極性面的c平面形成溝道的在柵極電極36與漏極電極35之間的部分、即沿著電子傳輸層3到電子供應層4的界面的區域。因此，即使在其中沒有施加柵極電壓的狀態中仍然在這一部分中生成高濃度2DEG。對照而言，在其中沒有施加柵極電壓的情況下由于n_區域32而不在溝道的在柵極電極36以下的部分中生成2DEG，并且晶體管因此處于關斷模式中。因此穩定實現在常斷模式中的操作。
[0135]在本修改的AlGaN/GaN-HEMT中，沿著凹陷21的c平面形成溝道的在柵極電極36與漏極電極35之間的部分。因此與其中沿著m平面形成溝道的在柵極電極與漏極電極之間的部分的情況比較，較大地降低了接通電阻。
[0136]在本修改的AlGaN/GaN-HEMT中，在電子傳輸層3的n+區域31上形成源極電極34，從而在它們之間建立接觸。這一結構使得能夠在源極電極34與電子傳輸層3之間建立穩定的歐姆接觸。
[0137]在本修改的AlGaN/GaN-HEMT中，在橫向結構中、換而言之沿著凹陷21的側表面形成溝道的在柵極電極36與漏極電極35之間的部分。即使增加在豎直方向上在柵極電極36與漏極電極35之間的長度Lgd以呈現高耐受電壓，在水平方向上在柵極電極36與漏極電極35之間的長度仍然至多等同于絕緣膜37的厚度并且因此可忽略不計。因此，當在平面圖中查看器件時，器件占用的面積實質上較大地減小，這實現了大量器件的集成。
[0138]如在第二實施例中那樣，接通電阻在本修改的AlGaN/GaN-HEMT中比在各自具有橫向結構和相同溝道長度的現有AlGaN/GaN-HEMT中小近似15到30%。
[0139]如上文描述的那樣，在本修改中，用相對簡單的配置實現了在常斷模式中的操作，降低了接通電阻，并且盡可能多地減少在柵極電極36與漏極電極35之間的水平距離以實現充分高的集成。在本修改中提供的AlGaN/GaN-HEMT因而具有高可靠性和耐受電壓。
[0140]雖然已經描述了第一和第二實施例及其修改，但是實施例不限于此。在第一實施例及其修改中，例如，可以如在第二實施例的修改中那樣形成柵極絕緣體以提供具有MIS結構的AlGaN/GaN-HEMT。另外，在第二實施例及其修改中，可以如在第一實施例的修改中那樣使用具有作為m平面或者a平面的上表面的GaN襯底以提供不包括緩沖層和電子傳輸層的 AlGaN/GaN-HEMT。
[0141]第三實施例
[0142]第三實施例公開了從第一和第二實施例及其修改的AlGaN/GaN-HEMT中選擇的AlGaN/GaN-HEMT被應用于的電源設備。圖17是圖示根據第三實施例的電源設備的總體配置的示意圖。
[0143]第三實施例的功率供應設備包括高壓一次電路41、低壓二次電路42和在一次電路41與二次電路42之間提供的變壓器43。一次電路41包括交流電源44、橋接整流器電路45以及多個(在第三實施例中為四個)切換器件46a、46b、46c和46d。橋接整流器電路45包括切換器件46e。二次電路42包括多個(在第三實施例中為三個)切換器件47a、47b和 47c。
[0144]在第三實施例中，在一次電路41的切換器件46a、46b、46c、46d和46e中的每個切換器件中運用從第一和第二實施例及其修改的AlGaN/GaN-HEMT中選擇的AlGaN/GaN-HEMT。對照而言，在二次電路42的切換器件47a、47b和47c中的每個切換器件中使用現有的使用硅的MIS場效應晶體管(FET)。
[0145]在第三實施例中，在高壓電路中使用的AlGaN/GaN-HEMT呈現高耐受電壓并且具有以下效果:用相對簡單的配置實現在常斷模式中的操作，降低接通電阻并且盡可能多地減少在柵極電極與漏極電極之間的水平距離以提供充分高的集成密度。這一配置實現具有高可靠性并且呈現高功率的電源電路。
[0146]第四實施例
[0147]第四實施例公開了從第一和第二實施例及其修改的AlGaN/GaN-HEMT中選擇的AlGaN/GaN-HEMT被應用于的高頻放大器。圖18是圖示根據第四實施例的高頻放大器的總體配置的示意圖。
[0148]第四實施例的高頻放大器包括數字預失真電路51、混合器52a和52b以及功率放大器53。數字預失真電路51補償輸入信號的非線性失真。混合器52a混合受到非線性失真補償的輸入信號與交流信號。功率放大器53放大與交流信號混合的輸入信號并且包括從第一和第二實施例及其修改的AlGaN/GaN-HEMT中選擇的AlGaN/GaN-HEMT。在圖18中所示的配置中，例如，切換操作允許混合器52b混合輸出信號與交流信號、然后向數字預失真電路51傳輸混合的信號。
[0149]在第四實施例中，在高頻放大器中使用的AlGaN/GaN-HEMT呈現高耐受電壓并且具有以下效果:用相對簡單的配置實現在常斷模式中的操作、降低接通電阻并且盡可能多地減少在柵極電極與漏極電極之間的水平距離以提供充分高的集成密度。這一配置實現具有高可靠性和高耐受電壓的高頻放大器。
[0150]其它實施例
[0151]在第一至第四實施例中，AlGaN/GaN-HEMT已經各自被描述為化合物半導體器件。本公開內容可以應用于除了例如下文描述的HEMT的這樣的AlGaN/GaN-HEMT之外的化合物半導體器件。
[0152]另一 HEMT的第一例子
[0153]第一例子公開了 InAlN/GaN-HEMT作為化合物半導體器件。InAlN和GaN是使得能夠基于其組成具有接近的晶格常數的化合物半導體。在這一情況下，在第一和第二實施例及其修改的每個中的電子傳輸層和電子供應層分別由1-GaN或者n-GaN和1-1nAIN或者η-ΙηΑ1Ν形成。此外，由于在這一情況下基本上不生成壓電極化，所以2DEG主要由InAlN的自發極化生成。
[0154]在第一例子中，如在上文提到的AlGaN/GaN-HEMT中那樣，用相對簡單的配置實現在常斷模式中的操作，降低了接通電阻，并且盡可能多地減少在柵極電極與漏極電極之間的水平距離以提供充分高的集成密度。在第一例子中提供的InAlN/GaN-HEMT因而具有高可靠性和耐受電壓。另一 HEMT的第二例子
[0155]第二例子公開了 InAlGaN/GaN-HEMT作為化合物半導體器件。可以改變InAlGaN的組成以調整它的晶格常數以小于GaN的晶格常數。在這一情況下，在第一和第二實施例及其修改中的每個中的電子傳輸層和電子供應層分別由1-GaN或者n-GaN和i_InAlGaN或者 n-1nAlGaN 形成。
[0156]在第二例子中，如在上文提到的AlGaN/GaN-HEMT中那樣，用相對簡單的配置實現了在常斷模式中的操作，降低了接通電阻，并且盡可能多地減少了在柵極電極與漏極電極之間的水平距離以提供充分高的集成密度。在第二例子中提供的InAlGaN/GaN-HEMT因而具有高可靠性和耐受電壓。
[0157]這里記載的所有例子和條件語言旨在于示范目的以輔助閱讀者理解本發明和發明人為了發展本領域而貢獻的概念，并且將解釋為不限于該具體記載的例子和條件，并且這樣的例子在說明書中的組織也不涉及表明本發明的優劣。雖然已經具體描述了本發明的實施例，但是應當理解，可以對其進行各種改變、替換和變更而不脫離本發明的精神實質和范圍。
【權利要求】
1.一種化合物半導體器件，包括: 化合物半導體區域，具有其中形成階梯的表面； 第一電極，形成在所述階梯的上表面的上方，所述上表面為非極性面；以及第二電極，沿著所述階梯的側表面形成，從而在豎直方向上與所述第一電極間隔開，所述側表面是極性面。
2.根據權利要求1所述的化合物半導體器件，還包括: 第三電極，沿著所述階梯的所述上表面形成，從而在水平方向上與所述第一電極間隔開。
3.根據權利要求2所述的化合物半導體器件， 其中所述第三電極被形成為填充所述階梯的所述上表面中形成的槽并且部分接觸所述槽中的極性面。
4.根據權利要求2所述的化合物半導體器件， 其中第一 η摻雜區域被形成為位于所述階梯中所述第三電極的下方。
5.根據權利要求4所述的化合物半導體器件， 其中第二η摻雜區域在所述階梯中形成于所述第一電極與所述第三電極之間，并且摻雜物濃度在所述第二 η摻雜區域中比在所述第一 η摻雜區域中更低。
6.根據權利要求1至5中的任`一權利要求所述的化合物半導體器件， 其中所述階梯是突起的形式。
7.根據權利要求1至5中的任一權利要求所述的化合物半導體器件， 其中所述階梯是凹陷的形式。
8.一種用于制造化合物半導體器件的方法，該方法包括: 在化合物半導體區域的表面中形成階梯； 形成第一電極，所述第一電極在所述階梯的上表面的上方，所述上表面為非極性面；以及 沿著所述階梯的側表面形成第二電極，所述第二電極在豎直方向上與所述第一電極間隔開，所述側表面是極性面。
9.根據權利要求8所述的用于制造化合物半導體器件的方法，所述方法還包括: 沿著所述階梯的所述上表面形成第三電極，所述第三電極在水平方向上與所述第一電極間隔開。
10.根據權利要求9所述的用于制造化合物半導體器件的方法， 其中所述第三電極被形成為填充所述階梯的所述上表面中形成的槽并且部分地接觸所述槽中的極性面。
11.根據權利要求9所述的用于制造化合物半導體器件的方法， 其中第一 η摻雜區域在所述階梯中被形成為位于所述第三電極的下方。
12.根據權利要求11所述的用于制造化合物半導體器件的方法， 其中第二 η摻雜區域在所述階梯中形成于所述第一電極與所述第三電極之間，并且摻雜物濃度在所述第二 η摻雜區域中比在所述第一 η摻雜區域中更低。
13.根據權利要求8至12中的任一權利要求所述的用于制造化合物半導體器件的方法，其中所述階梯是突起的形式。
14.根據權利要求8至12中的任一權利要求所述的用于制造化合物半導體器件的方法， 其中所述階梯是凹陷的形式。
15.一種功率供應電路，包括: 變壓器； 高壓電路；以及 低壓電路，其中 所述變壓器設置于所述高壓電路與所述低壓電路之間，并且 所述高壓電路包括晶體管， 所述晶體管包括: 化合物半導體區域，具有其中形成階梯的表面； 第一電極，形成為位于所述階梯的上表面的上方，所述上表面為非極性面；以及第二電極，沿著所述階梯的側表面形成為在豎直方向上與所述第一電極間隔開，所述側表面是極性面。
16.一種高頻放大器，用于放大輸入的高頻電壓、然后輸出所述放大的高頻電壓，所述放大器包括:` 晶體管，包括: 化合物半導體區域，具有其中形成階梯的表面； 第一電極，形成為位于所述階梯的上表面的上方，所述上表面為非極性面；以及第二電極，沿著所述階梯的側表面形成為在豎直方向上與所述第一電極間隔開，所述側表面是極性面。
【文檔編號】H02M3/335GK103515429SQ201310180255
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年5月15日 優先權日:2012年6月18日
【發明者】朱雷 申請人:富士通株式會社