專利名稱：氮化物半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式涉及氮化物半導(dǎo)體元件。
背景技術(shù)：
在開關(guān)電源和逆變器(inverter)等中使用的電力控制用元件(功率半導(dǎo)體元件) 中，要求高耐壓、低電阻的特性。半導(dǎo)體元件的耐壓特性和輸出特性存在由元件材料的物理性質(zhì)決定的折衷選擇(trade-off)關(guān)系。以往，使用硅作為功率半導(dǎo)體元件的材料。通過長年的技術(shù)開發(fā)，功率半導(dǎo)體元件的高耐壓、低電阻特性正達(dá)到被硅材料特性限制的極限。 因此，為了超越這個極限，進(jìn)行了采用碳化硅(SiC)和氮化物半導(dǎo)體等代替硅的新材料的元件的開發(fā)。例如，已知當(dāng)將作為氮化物半導(dǎo)體的氮化鎵(GaN)和氮化鋁鎵(AWaN)層疊而形成異質(zhì)結(jié)時，在其界面上產(chǎn)生二維電子氣體0DEG)。該2DEG具有表面載流子濃度為IX IO13CnT2、遷移率為1000cm2/Vs以上的特性。將它作為溝道使用的場效應(yīng)型晶體管 HFET(異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)型晶體管，Hetero-structure Field Effect Transistor)具有高耐壓、低通態(tài)電阻的特性，并且作為最大限度地發(fā)揮氮化物半導(dǎo)體的特征的裝置而被關(guān)注。但是，采用2DEG的HFET是不施加門極電壓時在源極漏極之間流動電流的常通(normally-on)元件。如果考慮到電路的安全性和耗電的降低，則優(yōu)選常斷 (normally-off)元件。特別是，電力控制中使用的功率半導(dǎo)體元件為常斷元件是安全上必須的要求，并且期望是具有常斷特性的氮化物半導(dǎo)體元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施方式提供具有常斷特性的低通態(tài)電阻且高耐壓的氮化物半導(dǎo)體元件。本發(fā)明實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件通常具備第一半導(dǎo)體層，其設(shè)置在基板上、 且含有第一導(dǎo)電型的氮化物半導(dǎo)體；第二半導(dǎo)體層，其設(shè)置在所述第一半導(dǎo)體層上、且含有具有與所述第一半導(dǎo)體層的表面載流子濃度相同量的表面載流子濃度的第二導(dǎo)電型的氮化物半導(dǎo)體；第三半導(dǎo)體層，其設(shè)置在所述第二半導(dǎo)體層上、且含有比所述第二半導(dǎo)體層的帶隙寬度更寬的氮化物半導(dǎo)體；第一主電極，其與所述第二半導(dǎo)體層電連接；第二主電極， 其與所述第一主電極隔開地設(shè)置、且與所述第二半導(dǎo)體層電連接；以及控制電極，其在所述第一主電極和所述第二主電極之間、隔著絕緣膜設(shè)置在貫通所述第三半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層而到達(dá)所述第一半導(dǎo)體層的第一溝槽的內(nèi)部。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，可以提供具有常斷特性的低通態(tài)電阻且高耐壓的氮化物半導(dǎo)體元件。


圖1是表示第一實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件的截面的模式圖。圖2是表示第一實施方式的變形例的氮化物半導(dǎo)體元件的截面的模式圖。圖3是表示第二實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件的截面的模式圖。圖4是表示第三實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件的截面的模式圖。圖5是表示第三實施方式的變形例的氮化物半導(dǎo)體元件的截面的模式圖。
具體實施例方式以下，參照

本發(fā)明的實施方式。并且，在以下的實施方式中，附圖中的同一部分標(biāo)記相同的符號，適當(dāng)?shù)厥÷云湓敿?xì)說明，并適當(dāng)?shù)卣f明不同的部分。并且，將第一導(dǎo)電型作為P型進(jìn)行說明，將第二導(dǎo)電型作為η型進(jìn)行說明。(第一實施方式)圖1示意性地示出第一實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件100的截面。氮化物半導(dǎo)體元件100具備設(shè)置在基板2上的作為第一半導(dǎo)體層的P型GaN層 5、設(shè)置在ρ型GaN層5上的作為第二半導(dǎo)體層的η型GaN層6、和設(shè)置在η型GaN層6上的作為第三半導(dǎo)體層的η型AWaN層7。作為第一半導(dǎo)體層的ρ型GaN層5的表面載流子濃度和作為第二半導(dǎo)體層的η型 GaN層6的表面載流子濃度大致為相同的量。在此，所謂的表面載流子濃度為相同量，不是意味著嚴(yán)格地相等，而是例如當(dāng)ρ型 feiN層5和η型GaN層6耗盡時，ρ型GaN層5的負(fù)電荷和η型GaN層6的正電荷相抵消， 從而模擬地看作低濃度層的狀態(tài)。第三半導(dǎo)體層比第二半導(dǎo)體層的帶隙寬度更寬。例如，在第二半導(dǎo)體層是GaN層的情況下，可以采用AKiaN層、InAlN層等作為第三半導(dǎo)體層。進(jìn)一步地，在作為第三半導(dǎo)體層的η型AlGaN層7上，相互間隔開地設(shè)置作為第一主電極的源電極10和作為第二主電極的漏電極20。源電極10和漏電極20與η型GaN層 6電連接。在源電極10和漏電極20之間，設(shè)置有貫通η型AlGaN層7和η型GaN層6而到達(dá)P型GaN層5的第一溝槽。第一溝槽是在圖1中示出的溝槽31，在溝槽31內(nèi)部，隔著門極絕緣膜33設(shè)置作為控制電極的門電極30。本實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件100例如在將源電極10接地而將正電壓施加到漏電極20上的狀態(tài)下，將門極電壓施加到門電極30上，從而控制漏電極20和源電極10之間流動的漏極電流。如圖1所示，作為流動漏極電流的溝道層的η型GaN層6被設(shè)置在漏電極20和源電極10之間的溝槽31分割。進(jìn)一步地，在將源電極10接地而將正電壓施加到漏電極20 上的情況下，P型GaN層5和η型GaN層6之間的ρη結(jié)在門極漏極之間構(gòu)成反向偏置而不流動電流。
因此，通過將正的門極電壓施加到門電極30上時，在ρ型GaN層5和門極絕緣膜 33的界面上形成反向溝道，可以從漏電極20向源電極10流動漏極電流。S卩，在本實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件100中，實現(xiàn)常斷動作。對于將氮化物半導(dǎo)體作為材料的HFET的常斷化，已知有幾種方法。例如，將門電極下的阻擋層經(jīng)蝕刻而薄膜化的形成所謂的凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的方法。但是，采用該方法而常斷化的HFET的閾值電壓不會大大超過0V，因此即使是常斷元件，也不能說是實用的元件。特別是對于用于電力控制用的晶體管，為了提高電路的安全性而需要余量，要求+3V以上的閾值電壓。因此，關(guān)于采用MGaN/GaN系的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的HFET，研究了下述結(jié)構(gòu)通過蝕刻完全地除去門電極下的AKiaN層，并將AKiaN/GaN界面的二維電子氣體QDEG)分割的裝置結(jié)構(gòu)。這些裝置結(jié)構(gòu)在有效利用門極漏極之間和源極門極之間的AKiaN/GaN界面中存在的 2DEG的同時，通過門極絕緣膜和GaN層的界面的溝道控制漏極電流，所以稱為混合結(jié)構(gòu)等。該混合結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點是與凹進(jìn)結(jié)構(gòu)相比，能夠使閾值電壓升高。此外，與通過 AKiaN層的膜厚調(diào)整閾值電壓的凹進(jìn)結(jié)構(gòu)相比，還具有閾值電壓的偏差小的優(yōu)點。但是，只要是采用由門極電壓來控制η型GaN和門極絕緣膜之間的溝道的結(jié)構(gòu)，就存在難以使閾值電壓為+3V以上的問題。因此，研究了例如采用P型GaN層和門極絕緣膜之間的反向溝道的裝置結(jié)構(gòu)。在這些HFET中確認(rèn)閾值電壓得到提高，并期待其潛在性能，但是另一方面，擔(dān)心由ρ型GaN層引起的特性惡化。一方面是由于在高電阻的阻擋層上設(shè)置ρ型GaN層，導(dǎo)致門極漏極之間的耐壓下降。進(jìn)而，擔(dān)心從ρ型GaN層向溝道層(η型GaN層)的Mg擴散、以及由形成在ρ型GaN層和η型GaN層之間的ρη結(jié)的內(nèi)建電勢導(dǎo)致的2DEG減少，即AWaN/GaN界面的高電阻化。此外，還擔(dān)心由結(jié)晶品質(zhì)惡化的P型GaN層引起的溝道層(η型GaN層)的高電阻化。對此，本實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件100具有使ρ型GaN層5的表面載流子濃度和η型GaN層6的表面載流子濃度大致為相同量而確保電荷平衡，并且使門極漏極之間的耐壓提高的結(jié)構(gòu)。由此，即使增加P型GaN層5，也可以維持高耐壓。進(jìn)而，通過在提高溝道層(η型GaN層)的η型雜質(zhì)的濃度的同時使膜厚度變厚， 緩和了 Mg擴散和ρη結(jié)的內(nèi)建電勢的影響。由此，可以實現(xiàn)維持低通態(tài)電阻和高耐壓、并且提高閾值電壓的氮化物半導(dǎo)體元件。以下，說明第一實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件100的詳細(xì)情況。在圖1中示出的氮化物半導(dǎo)體元件100中，在作為藍(lán)寶石基板的基板2上，可以例如采用MOCVD(金屬有機化合物化學(xué)氣相淀積，Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法，將含有氮化物半導(dǎo)體層的緩沖層3、非摻雜的GaN層4(第六半導(dǎo)體層)、p 型GaN層5、η型GaN層6和非摻雜的AWaN層7依次層疊。作為基板2，除了藍(lán)寶石基板以外，還可以采用SiC基板、Si基板、GaN基板等。非摻雜的GaN層4是載流子濃度低的高電阻層，可以是η型或ρ型中的任何一種導(dǎo)電型。非摻雜的GaN層4的厚度可以為約2 μ m。所謂的非摻雜，是指有意識地不摻雜η型雜質(zhì)或ρ型雜質(zhì)。在采用MOCVD法生長的GaN的情況下，即使是非摻雜的，也表現(xiàn)出η型導(dǎo)電性，但是電子濃度低、成為高電阻。此外，也可以采用由組分互不相同的非摻雜的氮化物半導(dǎo)體層疊而成的多層結(jié)構(gòu)來代替GaN層。作為第一半導(dǎo)體層的ρ型GaN層5的厚度可以設(shè)定為約0. 5 μ m，且可以摻雜作為 P型雜質(zhì)的Mg。作為第二半導(dǎo)體層的η型GaN層6的厚度可以設(shè)定為約0. 5 μ m，且可以摻雜作為 η型雜質(zhì)的Si。ρ型GaN層5和η型GaN層6的表面載流子濃度大致相等。例如，如果厚度相同， 則P型GaN層5的空穴濃度和η型GaN層6的電子濃度可以分別為約1 X 1016cm_3。作為第三半導(dǎo)體層的非摻雜AlGaN層7的厚度可以設(shè)定為約30nm，Al組份可以設(shè)定為約25%。非摻雜AWaN層7也同非摻雜GaN層4 一樣具有η型導(dǎo)電性。在非摻雜AlGaN層7上，相互隔開地設(shè)置有具有Al/Ti層結(jié)構(gòu)的源電極10和漏電極20。Al/Ti層結(jié)構(gòu)以Ti層與非摻雜AlGaN層7接觸的方式形成。在源電極10和漏電極20之間設(shè)置溝槽31。溝槽31例如可以通過由采用氯系蝕刻氣體的RIE (反應(yīng)離子蝕刻，Reactive Ion Etching)法對MGaN層和GaN層進(jìn)行蝕刻而形成。溝槽31的深度可以設(shè)定為約0. 75 μ m，且以貫通非摻雜AlGaN層7和η型GaN層 6而到達(dá)ρ型GaN層5的方式設(shè)置。此外，與從源電極10向漏電極20的方向的門極長度相當(dāng)?shù)臏喜?1的寬度可以設(shè)定為約1 μ m。在溝槽31的內(nèi)表面上設(shè)置覆蓋側(cè)壁和底面的門極絕緣膜33，進(jìn)一步地，設(shè)置填充溝槽31內(nèi)部的包含ρ型多晶硅的門電極30。門極絕緣膜33和設(shè)置在非摻雜AlGaN層7的表面上的表面保護(hù)膜32可以同時形成，例如可以采用由ALD (原子層沉積，Atomic Layer Deposition)法形成的厚度為約30nm 的氮化硅膜(SiN膜)。接下來，說明氮化物半導(dǎo)體元件100的動作。在氮化物半導(dǎo)體元件100中，在源極門極之間和門極漏極之間，通過在AlGaN/GaN 界面上產(chǎn)生2DEG，并經(jīng)由該2DEG使漏極電流流動，從而得到低通態(tài)電阻。進(jìn)一步地，在氮化物半導(dǎo)體元件100中，在作為溝道層的η型GaN層6中摻雜有η 型雜質(zhì)而低電阻化。由此，當(dāng)晶體管為導(dǎo)通狀態(tài)時，除了在AKiaN/GaN界面的2DEG以外，η 型GaN層6也有助于載流子導(dǎo)通，所以與采用非摻雜GaN的情況相比，能夠進(jìn)一步地降低通態(tài)電阻。此外，通過提高η型GaN層6的雜質(zhì)濃度，可以抑制ρ型GaN層5和η型GaN層6 之間的內(nèi)建電勢的影響。由此，可以防止AKiaN/GaN界面的2DEG的電子濃度的下降，結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)低通態(tài)電阻化。進(jìn)而，使η型GaN層6厚膜化，從而抑制由于ρ型GaN層5生長之后產(chǎn)生的Mg擴散、所謂的記憶效應(yīng)導(dǎo)致在AlGaN/GaN界面附近所含的Mg的量。由此，可以防止2DEG的電子濃度下降，從而維持低通態(tài)電阻。另一方面，在門電極30填充的溝槽31的側(cè)壁，η型GaN層6和門極絕緣膜33接觸的部分作為將AlGaN/GaN界面的2DEG和反向?qū)舆B接的溝道而發(fā)揮作用，所述反向?qū)有纬稍赑型GaN層5與門極絕緣膜33的界面上。因此，使η型GaN層6厚膜化導(dǎo)致使門電極30
7的實際的門極長度增長的問題。例如，如上所述，溝槽31的門極長度方向的寬度為約Ιμπι。另一方面，η型GaN層 6的厚度為約0. 5 μ m，關(guān)于在溝槽31的側(cè)壁上在η型GaN層6和門極絕緣膜33的界面上形成的溝道的長度，將源極側(cè)和漏極側(cè)加在一起為1 μ m。即，在隔著門極絕緣膜33形成在門電極30與ρ型GaN層5和η型GaN層6之間的溝道的長度即實際的門極長度中，不能忽略η型GaN層6的厚度所帶來的長度。因此，通過使GaN層6變厚，門電極30的實際的門極長度變長，溝道電阻增加。與此相對，如本實施方式所示，如果在η型GaN層6中摻雜作為η型雜質(zhì)的Si，則可以使溝道電阻下降而降低通態(tài)電阻。換句話說，能夠不增大通態(tài)電阻，而使η型GaN層6的膜厚變厚， 能夠防止由于Mg擴散而導(dǎo)致AlGaN/GaN界面的2DEG的電子濃度的降低。另一方面，在本實施方式中，η型GaN層6的表面載流子濃度以與P型GaN層5的表面載流子濃度為相同程度的方式設(shè)置。由此，當(dāng)晶體管為斷開狀態(tài)時，η型GaN層6的離子化的施體和ρ型GaN層5的離子化的受體相抵消而形成近似的低載流子濃度區(qū)域，并且在門極漏極之間的橫向方向的電場分布變得均勻。由此，可以抑制由設(shè)置P型GaN層5而導(dǎo)致的門極漏極之間的耐壓降低。進(jìn)而，為了抑制閾值電壓，可以任意地改變ρ型GaN層5的載流子濃度。S卩，如果將η型GaN層6的表面載流子濃度改變?yōu)榕cρ型GaN層5的表面載流子濃度相同，則不會使門極漏極之間的耐壓降低，能夠通過改變P型GaN層5的雜質(zhì)濃度而控制閾值電壓。即通過使ρ型GaN層5和η型GaN層6的表面載流子濃度平衡，能夠不使元件的耐壓下降而使閾值設(shè)計的自由度提高。此外，根據(jù)ρ型GaN層5的表面載流子濃度和η型GaN層6的表面載流子濃度之間的平衡程度，門極漏極之間的耗盡層內(nèi)的電場分布改變，并且門極漏極耐壓也改變。因此，關(guān)于P型GaN層5和η型GaN層6之間的表面載流子濃度的相同的程度，只要是能夠確保根據(jù)元件的用途而要求的門極漏極耐壓的程度即可。例如，如果是電力控制用的，則P型 GaN層5和η型GaN層6之間的表面載流子濃度差優(yōu)選為10%以內(nèi)。雖然在本實施方式中例示了將第一半導(dǎo)體層作為ρ型GaN層6，但是第一半導(dǎo)體層也可以包含由不同組份的氮化物半導(dǎo)體層疊而成的結(jié)構(gòu)。此外，如以下說明的實施方式所例示的，第二半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層都可以包含由不同組份的氮化物半導(dǎo)體層疊而成的結(jié)構(gòu)。圖2是表示第一實施方式的變形例的氮化物半導(dǎo)體元件150的截面的模式圖。在本變形例的氮化物半導(dǎo)體元件中，第二半導(dǎo)體層包含摻雜有η型雜質(zhì)的第四半導(dǎo)體層以及與第三半導(dǎo)體層接觸且比第四半導(dǎo)體層的η型雜質(zhì)濃度更低的第五半導(dǎo)體層， 在上述這點與氮化物半導(dǎo)體元件100是不同的。具體而言，氮化物半導(dǎo)體元件150具有作為第四半導(dǎo)體層的η型GaN層6a和作為第五半導(dǎo)體層的非摻雜GaN層6b。η型GaN層6a設(shè)置在ρ型GaN層5上，并且摻雜有η型雜質(zhì)。非摻雜GaN層6b在η型GaN層6a上，以與非摻雜AlGaN層7接觸的方式設(shè)置。在圖1中示出的氮化物半導(dǎo)體元件100中，在非摻雜AlGaN層7和η型GaN層6之間的界面上產(chǎn)生2DEG。另一方面，在本變形例的氮化物半導(dǎo)體元件150中，在非摻雜AlGaN 層7和非摻雜GaN層6b之間的界面上產(chǎn)生2DEG。
在摻雜有η型雜質(zhì)的η型GaN層6和非摻雜GaN層6a之間，例如從傳導(dǎo)帶觀察到的費米能級的深度是不同的，η型GaN層6的費米能級比非摻雜GaN層6a的費米能級更淺。 因此，關(guān)于在AWaN/GaN界面上形成的勢井的深度，在非摻雜GaN層6b和非摻雜AlGaN層 7的界面比在η型GaN層6和非摻雜AlGaN層7的界面更深。在非摻雜GaN層6b和非摻雜AlGaN層7之間的界面上產(chǎn)生的2DEG的電子密度根據(jù)勢井的深度，比在η型GaN層6和非摻雜AlGaN層7之間產(chǎn)生的2DEG的電子密度更高。 因此，在本變形例的氮化物半導(dǎo)體元件150中，在AKkiN/GaN界面上形成的2DEG的電子密度比氮化物半導(dǎo)體元件100更高，能夠降低通態(tài)電阻。雖然在上述變形例中，第二半導(dǎo)體層由η型GaN層6a和非摻雜GaN層6b構(gòu)成，但是也可以構(gòu)成為由組成互不相同的半導(dǎo)體層層疊的結(jié)構(gòu)。例如，可以將η型GaN層6a替換為η型MGaN層。(第二實施方式)圖3是表示第二實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件200的截面的模式圖。在本實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件中，第一主電極以在貫通第三半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層而到達(dá)第一半導(dǎo)體層的第二溝槽的內(nèi)部延伸的方式設(shè)置，并且在第二溝槽的內(nèi)表面與第一半導(dǎo)體層接觸。進(jìn)而，第三半導(dǎo)體層包含組成互不相同的多個半導(dǎo)體層，與第二半導(dǎo)體層接觸的半導(dǎo)體層比第二半導(dǎo)體層的帶隙寬度更寬。以下，參照圖3具體地說明。在本實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件200中，在基板2上，層疊緩沖層3、非摻雜 AlGaN層41、ρ型AlGaN層42和ρ型GaN層43、η型GaN層6，進(jìn)一步依次層疊非摻雜AlN 層44、η型AlGaN層45和η型GaN層46。非摻雜AlGaN層41是表示η型導(dǎo)電性的高電阻層，厚度可以為約2 μ m。第一半導(dǎo)體層由ρ型AlGaN層42和ρ型GaN層43構(gòu)成。ρ型AlGaN層42的厚度可以設(shè)定為約0. 1 μ m，且可以摻雜作為ρ型雜質(zhì)的Mg。ρ型GaN層43的厚度可以設(shè)定為約 0. 4 μ m，且可以摻雜Mg。作為第二半導(dǎo)體層的η型GaN層6的厚度可以設(shè)定為約Ιμπι，且可以摻雜Si。例如，通過使ρ型AlGaN層42和ρ型GaN層43的載流子濃度為約1 X 1016cnT3，使 η型GaN層6的載流子濃度為約5X IO15CnT3，可以使第一半導(dǎo)體層的表面載流子濃度與第二半導(dǎo)體層的表面載流子濃度大致相同。第三半導(dǎo)體層可以構(gòu)成為將非摻雜AlN層44、Al組成為25%的η型AKkiN層45 和η型GaN層46依次層疊而成的結(jié)構(gòu)。非摻雜AlN層44設(shè)置在η型GaN層6上，并且比η型GaN層6的帶隙寬度更寬。非摻雜AlN層44的厚度可以設(shè)定為約2nm，η型AlGaN層45的厚度可以設(shè)定為約 30nm, η型GaN層46的厚度可以設(shè)定為約5nm。在η型MGaN層45和η型GaN層46中，可以摻雜作為η型雜質(zhì)的Si。例如，η 型AlGaN層45的載流子濃度可以為2 X IO1VcnT3, η型GaN層46的載流子濃度可以為2 SXlO1W3O與在圖1中示出的氮化物半導(dǎo)體元件100相同地，門電極30填充在設(shè)置于源電極11和漏電極20之間的溝槽31的內(nèi)部。溝槽31的從η型GaN層46的表面到ρ型GaN層 43的深度可以為約1. 2μπι。進(jìn)一步地，從源電極11向漏電極20的門極長度方向的寬度可以為約1. 5μπι。作為第一主電極的源電極11，以在從η型GaN層46的表面到非摻雜AlGaN層41 的第二溝槽即溝槽12的內(nèi)部延伸的方式設(shè)置。如圖3中所示，源電極11由兩個歐姆電極 13和14構(gòu)成。這是為了分別對ρ型AWaN層42和η型GaN層6形成低電阻的歐姆接觸。在溝槽12的側(cè)壁和底面上設(shè)置有具有Ni/iVg層疊結(jié)構(gòu)的歐姆電極14(第一歐姆電極)。歐姆電極14與露出溝槽12側(cè)壁的ρ型AWaN層42和ρ型GaN層43接觸。進(jìn)一步地，在溝槽12的周緣部，設(shè)置有具有Al/Ti層疊結(jié)構(gòu)的歐姆電極13(第二歐姆電極)。歐姆電極13以Ti層與η型GaN層46接觸的方式設(shè)置。此外，雖然在氮化物半導(dǎo)體元件200中，溝槽12以從η型GaN層46的表面到達(dá)非摻雜AlGaN層41的方式設(shè)置，但是也可以以到達(dá)ρ型AlGaN層42或ρ型GaN層43的深度的方式設(shè)置。另一方面，漏電極20以夾持門電極30且與源電極11隔開的方式設(shè)置。漏電極20 也具有Al/Ti層疊結(jié)構(gòu)，并且以Ti層與η型GaN層46接觸的方式設(shè)置。在本實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件200中，與第一實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件相同，可以維持低通態(tài)電阻和高耐壓，提高閾值電壓的控制性。進(jìn)一步地，在源電極11中，通過設(shè)置與ρ型AlGaN層42和ρ型GaN層43直接接觸的歐姆電極14，可以固定ρ型AlGaN層42和ρ型GaN層43的電位。由此，可以抑制閾值電壓的改變等，因此可以使開關(guān)動作時的穩(wěn)定性提高。(第三實施方式)圖4是表示第三實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件300的截面的模式圖。本實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件在第一主電極的正下方具備貫通第三半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層而到達(dá)第一半導(dǎo)體層的P型半導(dǎo)體區(qū)域。以下，參照圖4具體地說明。在本實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件300中，在基板2上，將含有氮化物半導(dǎo)體層的緩沖層3、非摻雜GaN層4、ρ型GaN層5、η型InGaN層51、非摻雜AlGaN層7依次層疊。非摻雜GaN層4可以是厚度約2 μ m的高電阻層。作為第一半導(dǎo)體層的ρ型GaN層5的厚度可以設(shè)定為約0. 5 μ m，且可以摻雜作為 P型雜質(zhì)的Mg而使載流子濃度為約1 X 1016cnT3。作為第二半導(dǎo)體層的η型hGaN層51的In組成可以為約1 %，厚度可以為約0. 5μπι。載流子濃度可以通過摻雜作為η型雜質(zhì)的Si而與ρ型GaN層5相同，為約 IX IO16CnT3。作為第三半導(dǎo)體層的非摻雜AKiaN層7的Al組成可以為約25%，厚度可以為約 30nmo門電極35填充在設(shè)置于源電極15和漏電極20之間的溝槽31的內(nèi)部。溝槽31的從非摻雜AlGaN層7的表面到ρ型GaN層5的深度可以為約0. 75 μ m。 進(jìn)一步地，從源電極11向漏電極20的門極長度方向的寬度可以為約1 μ m。門電極35具有Au/Ni的層結(jié)構(gòu)，并且可以以隔著門極絕緣膜33而填充在溝槽31
10的內(nèi)部的方式設(shè)置。在作為第一主電極的源電極15的正下方，設(shè)置有作為ρ型半導(dǎo)體區(qū)域的P型GaN 區(qū)域19。ρ型GaN區(qū)域19以從非摻雜AlGaN層7的表面到非摻雜GaN層4的深度的方式設(shè)置。ρ型GaN區(qū)域19的載流子濃度比ρ型GaN層5更高，例如可以為IXlO17 IXio1W3OP型GaN區(qū)域19例如可以通過用ρ型GaN填充在溝槽18的內(nèi)部而形成，所述溝槽 18從非摻雜AWaN層7的表面貫通非摻雜AWaN層7、η型InGaN層51和ρ型GaN層5而到達(dá)非摻雜GaN層4。此外，可以采用離子注入來形成。此外，ρ型GaN區(qū)域19即使不到達(dá)非摻雜GaN層4，只要是到達(dá)ρ型GaN層5的深度即可。源電極15以與ρ型GaN區(qū)域19和非摻雜AWaN層7接觸的方式設(shè)置。如圖4中所示，源電極15可以由兩個歐姆電極16和17構(gòu)成。歐姆電極17 (第一歐姆電極)設(shè)置在P型GaN區(qū)域19上，例如可以包含使Ni層與P型GaN區(qū)域19接觸而成的Ni/Ag的層疊結(jié)構(gòu)。另一方面，歐姆電極16(第二歐姆電極)設(shè)置在溝槽18的周緣部， 可以包含使Ti層與非摻雜AlGaN層7接觸而成的Ti/Al的層疊結(jié)構(gòu)。本實施方式的氮化物半導(dǎo)體元件300通過在作為第二半導(dǎo)體層的η型InGaN層51 中摻雜η型雜質(zhì)，可以維持低通態(tài)電阻和高耐壓，并且提高閾值電壓的控制性。進(jìn)一步地，通過經(jīng)由設(shè)置在源電極15的正下方的ρ型GaN區(qū)域19來連接ρ型GaN 層5和源電極15，可以固定ρ型GaN層5的電位。由此，可以提高晶體管的開關(guān)動作時的穩(wěn)定性。如上所述地，P型GaN區(qū)域19的載流子濃度比ρ型GaN層5的載流子濃度更高。 由此，可以降低ρ型GaN區(qū)域19的電阻，進(jìn)一步地，可以降低P型GaN區(qū)域19和歐姆電極 17之間的接觸電阻。因此，源電極15和ρ型GaN層5之間的電位差變小，從而可以使ρ型 GaN層5的電位穩(wěn)定。圖5是表示第三實施方式的變形例的氮化物半導(dǎo)體元件350的截面的模式圖。本變形例的氮化物半導(dǎo)體元件在第二主電極的正下方具備貫通第三半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層而到達(dá)第一半導(dǎo)體層的η型半導(dǎo)體區(qū)域。以下，參照圖5具體地說明。在氮化物半導(dǎo)體元件350中，在Si基板61上，將含有多層氮化物半導(dǎo)體層的層疊緩沖層62、非摻雜GaN層4、ρ型GaN層5、η型GaN層6、非摻雜AlGaN層7依次層疊。例如也可以使用藍(lán)寶石基板、SiC基板、GaN基板等來代替Si基板61。非摻雜GaN層4是厚度為約2 μ m的高電阻層。作為第一半導(dǎo)體層的ρ型GaN層5的厚度可以為約0. 5 μ m，且可以摻雜作為ρ型雜質(zhì)的Mg而使載流子濃度為1 X IO16CnT3。作為第二半導(dǎo)體層的η型GaN層的厚度可以為約0. 5 μ m，并且可以通過摻雜作為 η型雜質(zhì)的Si而使載流子濃度與ρ型GaN層5的相同，為1 X IO1W30作為第三半導(dǎo)體層的非摻雜AKiaN層7的Al組成可以為約25%，厚度可以為約 30nmo
如與氮化物半導(dǎo)體元件300相同，門電極35填充在設(shè)置于源電極15和漏電極20 之間的溝槽31內(nèi)部。進(jìn)一步地，在源電極15的正下方，設(shè)置有從非摻雜AKiaN層7的表面到達(dá)非摻雜 GaN層4的ρ型GaN區(qū)域19。此外，源電極15由與ρ型GaN區(qū)域19接觸的歐姆電極17和與非摻雜AKiaN層7接觸的歐姆電極16構(gòu)成。另一方面，在本變形例中，在作為第二主電極的漏電極21的正下方，也設(shè)置有從非摻雜AlGaN層7的表面到達(dá)非摻雜GaN層4的η型GaN區(qū)域23。漏電極21具有包含與η型GaN區(qū)域23接觸的Ti層的Ti/Al層疊結(jié)構(gòu)。例如，η型GaN區(qū)域23可以通過將從非摻雜AlGaN層7的表面貫通非摻雜AlGaN 層7、η型InGaN層51和ρ型GaN層5而到達(dá)非摻雜GaN層4的溝槽22的內(nèi)部用η型GaN 填充而形成。此外，可以采用離子注入來形成。此外，η型GaN區(qū)域23即使不到達(dá)非摻雜GaN層4，只要是到達(dá)ρ型GaN層5的深度即可。另外，雖然在圖5中示出的漏電極21以與η型GaN區(qū)域23接觸的方式設(shè)置，但是也可以以與溝槽22的周緣部的非摻雜AlGaN層7和η型GaN區(qū)域23雙方接觸的方式形成。在根據(jù)本變形例的氮化物半導(dǎo)體元件350中，通過在η型GaN層6中摻雜η型雜質(zhì)，可以維持低通態(tài)電阻和高耐壓，并且提高閾值電壓的控制性。此外，通過經(jīng)由P型GaN 區(qū)域19使源電極15和ρ型GaN層5連接，可以固定ρ型GaN層5的電位，可以使晶體管的開關(guān)動作穩(wěn)定。進(jìn)一步地，通過在設(shè)置在漏電極21的正下方的η型GaN區(qū)域23和ρ型GaN層5 之間形成的Pn結(jié)，能夠確保門極漏極之間的耐壓。即，可以使門極漏極之間的ρ型GaN層5 和η型GaN層6中的電位分布大致相同，并且使由ρ型GaN層5的表面載流子濃度和η型 GaN層6的表面載流子濃度相等而帶來的提高耐壓的效果更大。以上參照本發(fā)明的第一 第三實施方式說明了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于這些實施方式。例如，基于申請時的技術(shù)水平，本領(lǐng)域技術(shù)人員能完成的設(shè)計的變更和材料的變更等與本發(fā)明的技術(shù)思想相同的實施方式也包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。此外，在本申請的說明書中，所謂的“氮化物半導(dǎo)體”包括 BxInyAlzGa1^rzN(0彡χ彡1，0彡y彡1，0彡ζ彡1，0彡x+y+z彡1)的III-V族化合物半導(dǎo)體，進(jìn)一步地，還包括除N(氮)以外還含有磷(P)或砷(As)等作為V族元素的混晶。雖然說明了本發(fā)明的幾個實施方式，但是這些實施方式是作為例子進(jìn)行提示的， 不是用來限定發(fā)明的范圍。這些新穎的實施方式可以由其他各種方式進(jìn)行實施，并且在不脫離發(fā)明主旨的范圍內(nèi)，可以進(jìn)行各種省略、替換、變更。這些實施方式及其變形都包含在發(fā)明的范圍和主旨中，同時包含在權(quán)利要求的范圍所記載的發(fā)明及其等價范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，其具備第一半導(dǎo)體層，其設(shè)置在基板上、且含有第一導(dǎo)電型的氮化物半導(dǎo)體；第二半導(dǎo)體層，其設(shè)置在所述第一半導(dǎo)體層上、且含有具有與所述第一半導(dǎo)體層的表面載流子濃度相同量的表面載流子濃度的第二導(dǎo)電型的氮化物半導(dǎo)體；第三半導(dǎo)體層，其設(shè)置在所述第二半導(dǎo)體層上、且含有比所述第二半導(dǎo)體層的帶隙寬度更寬的氮化物半導(dǎo)體；第一主電極，其與所述第二半導(dǎo)體層電連接；第二主電極，其與所述第一主電極隔開地設(shè)置、且與所述第二半導(dǎo)體層電連接；以及控制電極，其在所述第一主電極和所述第二主電極之間、隔著絕緣膜設(shè)置在貫通所述第三半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層而到達(dá)所述第一半導(dǎo)體層的第一溝槽的內(nèi)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第三半導(dǎo)體層包含組成互不相同的多個半導(dǎo)體層，所述多個半導(dǎo)體層中的與所述第二半導(dǎo)體層接觸的半導(dǎo)體層比所述第二半導(dǎo)體層的帶隙寬度更寬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第三半導(dǎo)體層包含 AlGaN 層，所述AlGaN層與包含GaN的所述第二半導(dǎo)體層接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第三半導(dǎo)體層包含AlN層，所述AlN層與包含GaN的所述第二半導(dǎo)體層接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第二半導(dǎo)體層包含摻雜了所述第二導(dǎo)電型的雜質(zhì)的第四半導(dǎo)體層以及與所述第三半導(dǎo)體層接觸且比所述第四半導(dǎo)體層的所述第二導(dǎo)電型的雜質(zhì)濃度更低的第五半導(dǎo)體層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第四半導(dǎo)體層和所述第五半導(dǎo)體層的組成不同。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第四半導(dǎo)體層包含 AlGaN,所述第五半導(dǎo)體層包含GaN。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體層包含 AlGaN層和GaN層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一主電極在貫通所述第三半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層而到達(dá)所述第一半導(dǎo)體層的第二溝槽的內(nèi)部延伸，并且在所述第二溝槽的內(nèi)表面與所述第一半導(dǎo)體層接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一主電極包含第一歐姆電極和第二歐姆電極，所述第一歐姆電極與所述第一半導(dǎo)體層接觸，所述第二歐姆電極與所述第三半導(dǎo)體層接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一歐姆電極包含 Ni和Ag，所述第二歐姆電極包含Ti和Al。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，其進(jìn)一步具備第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體區(qū)域，所述第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體區(qū)域設(shè)置于所述第一主電極的正下方、且貫通所述第三半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層而到達(dá)所述第一半導(dǎo)體層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述半導(dǎo)體區(qū)域的載流子濃度比所述第一半導(dǎo)體層的載流子濃度更高。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一主電極包含第一歐姆電極和第二歐姆電極，所述第一歐姆電極與所述半導(dǎo)體區(qū)域接觸，所述第二歐姆電極與所述第三半導(dǎo)體層接觸。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一歐姆電極包含 Ni和Ag，所述第二歐姆電極包含Ti和Al。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，其進(jìn)一步具備第二導(dǎo)電型的半導(dǎo)體區(qū)域，所述第二導(dǎo)電型的半導(dǎo)體區(qū)域設(shè)置于所述第二主電極的正下方且貫通所述第三半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層而到達(dá)所述第一半導(dǎo)體層。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，設(shè)置于所述第一溝槽內(nèi)部的絕緣膜包含氮化硅膜。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述基板是藍(lán)寶石基板、 SiC基板和GaN基板中的任一種。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，其進(jìn)一步具備設(shè)置于所述基板上、且比所述第一半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層的電阻更高的第六半導(dǎo)體層，所述第一半導(dǎo)體層設(shè)置于所述第二半導(dǎo)體層和所述第六半導(dǎo)體層之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第六半導(dǎo)體層隔著包含多個氮化物半導(dǎo)體層的緩沖層設(shè)置于所述基板上。
全文摘要
本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件具備第一半導(dǎo)體層，其設(shè)置在基板上且含有第一導(dǎo)電型的氮化物半導(dǎo)體；第二半導(dǎo)體層，其設(shè)置在所述第一半導(dǎo)體層上、且含有具有與所述第一半導(dǎo)體層的表面載流子濃度相同量的表面載流子濃度的第二導(dǎo)電型的氮化物半導(dǎo)體。在所述第二半導(dǎo)體層上設(shè)置第三半導(dǎo)體層，其含有比所述第二半導(dǎo)體層的帶隙寬度更寬的氮化物半導(dǎo)體。所述氮化物半導(dǎo)體元件進(jìn)一步具備第一主電極，其與所述第二半導(dǎo)體層電連接；第二主電極，其與所述第一主電極隔開地設(shè)置、且與所述第二半導(dǎo)體層電連接；以及具備控制電極，其在所述第一主電極和所述第二主電極之間、隔著絕緣膜設(shè)置在貫通所述第三半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層而到達(dá)所述第一半導(dǎo)體層的第一溝槽的內(nèi)部。
文檔編號H01L29/778GK102237402SQ20111010914
公開日2011年11月9日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月6日
發(fā)明者吉岡啟, 大野哲也, 齋藤涉, 藤本英俊, 齊藤泰伸 申請人:株式會社東芝