專利名稱：外延基底和半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及外延基底和半導(dǎo)體元件。
背景技術(shù)：
Y.Irokawa等人于2003年9月15日在Appl.Phys.Lett.(第83卷第11期)中描述了一種PIN二極管。PIN二極管上裝備有生長在GaN獨(dú)立式基底上的外延層。用氫化物氣相外延(HVPE)法在Al2O3基底上生長用作GaN獨(dú)立式基底的厚膜。將激光應(yīng)用在該厚膜上，使其與Al2O3基底分離，形成GaN獨(dú)立式基底。在該GaN獨(dú)立式基底上，用金屬有機(jī)氣相外延生長法生長厚度為3微米的無摻雜氮化鎵膜。然后在該無摻雜氮化鎵膜上生長厚度為0.3微米的Mg摻雜的氮化鎵膜。GaN獨(dú)立式基底、無摻雜氮化鎵膜和Mg摻雜的氮化鎵膜形成PIN結(jié)構(gòu)。
P.Kozodoy等人于1998年8月17日在Appl.Phys.Lett.(第73卷第7期)中描述了氮化鎵pn結(jié)的特征。首先，用LEO再結(jié)合用的SiO2掩膜通過金屬有機(jī)氣相外延生長法在c-平面藍(lán)寶石基底上生長厚度為2微米的GaN膜。掩膜形成為帶有5微米開孔的條帶，其分布間隔是45微米。在LEO生長時(shí)，氮化鎵在垂直于掩膜開孔的方向上生長，并且在掩膜上水平蔓延。生長的氮化鎵的高度和蔓延長度都約為8微米。在該LEO氮化鎵區(qū)域上形成pn結(jié)二極管。這種pn結(jié)二極管包括厚度為1微米的n型GaN膜、在該n型GaN膜頂部上生長的厚度為0.5微米的Mg摻雜的p型GaN膜。這種pn結(jié)二極管的尺寸是2微米×20微米。
在Kozodoy的論文中描述的氮化鎵pn結(jié)二極管中，低位錯(cuò)區(qū)域(小于106cm-2)處的反向泄漏電流比高位錯(cuò)區(qū)域(約4×108cm-2)處的低，這表明反向擊穿性得以改善。但是，該論文中的裝置結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，實(shí)際上不能在低位錯(cuò)區(qū)域上生產(chǎn)該裝置。在上述Irokawa的論文中，GaN外延層的厚度是3微米，不足以使載流子濃度達(dá)到5×1016cm-3。Irokawa論文中的PIN二極管的反向閉鎖電壓也不足夠高。
氮化物半導(dǎo)體如二極管的擊穿機(jī)理如下。當(dāng)作為反偏壓狀態(tài)下最大場強(qiáng)的肖特基(Schottky)結(jié)或PN結(jié)處的場強(qiáng)大于臨界值時(shí)，沖擊電離會使反向泄漏電流陡增。這就是公知的擊穿現(xiàn)象。理想的擊穿發(fā)生時(shí)間是當(dāng)耗盡層延伸時(shí)外延層足夠厚和即使結(jié)處的場強(qiáng)達(dá)到臨界值耗盡層也在外延層中。但是，如果外延層的厚度不足以提供載流子濃度，則外延層的整個(gè)厚度都會在結(jié)處的場強(qiáng)達(dá)到臨界值(穿通)之前耗盡，結(jié)處的場強(qiáng)將提前達(dá)到臨界值，與上述理想的情況相比，擊穿會在較低的電壓下發(fā)生。另外，因?yàn)楹谋M層延伸到外延層和基底之間的邊界面上，所以邊界面中的缺陷導(dǎo)致的泄漏電流能夠降低泄漏電流的反向性能，可能降低擊穿電壓。如果因?yàn)檫@些因素發(fā)生穿通，則擊穿電壓將下降。
本發(fā)明的目的是克服這些問題，提供一種包含III族化合物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體元件，III族化合物半導(dǎo)體層包括用于改善擊穿的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供用于該半導(dǎo)體元件的外延基底。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明提供一種包括III族氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體元件。該半導(dǎo)體元件包括(a)氮化鎵獨(dú)立式基底，該基底包括第一表面和與第一表面相反的第二表面，其載流子濃度大于1×1018cm-3；(b)放置在第一表面上的第一氮化鎵外延膜；(c)放置在第二表面上的歐姆電極；和(d)放置在第一氮化鎵外延層上的肖特基(Schottky)電極。第一氮化鎵外延膜的厚度至少是5微米，但不大于1000微米。第一氮化鎵外延膜的載流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3。半導(dǎo)體元件是肖特基(Schottky)二極管。
在這種肖特基(Schottky)二極管中，因?yàn)榈谝坏壨庋訉拥暮穸戎辽偈?微米，但不大于1000微米，還因?yàn)榈谝坏壨庋訉拥妮d流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3，所以可以對外延層的厚度和載流子濃度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在沒有穿通的情況下達(dá)到理想的擊穿效果。
另一方面，本發(fā)明提供一種包括III族氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體元件。該半導(dǎo)體元件包括(a)氮化鎵支撐底板，該底板包括第一表面和與第一表面相反的第二表面，其載流子濃度大于1×1018cm-3；(b)放置在第一表面上的第一氮化鎵外延層；(c)放置在第二表面上的歐姆電極；(d)放置在第一氮化鎵外延層上并且含有p型摻雜劑的第二氮化鎵外延層；和(e)放置在第二氮化鎵外延層上的歐姆電極。氮化鎵支撐底板具有n型導(dǎo)電性。第一氮化鎵外延層的厚度至少是5微米，但不大于1000微米。第一氮化鎵外延層的載流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3。半導(dǎo)體元件是pn結(jié)二極管。
在這種pn結(jié)二極管中，因?yàn)榈谝坏壨庋訉拥暮穸戎辽偈?微米，但不大于1000微米，還因?yàn)榈谝坏壨庋訉拥妮d流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3，所以可以對外延層的厚度和載流子濃度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在沒有穿通的情況下達(dá)到理想的擊穿效果。
另一方面，本發(fā)明提供一種包括III族氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體元件。該半導(dǎo)體元件包括(a)氮化鎵支撐底板，該底板包括第一表面和與第一表面相反的第二表面，其載流子濃度大于1×1018cm-3；(b)放置在第一表面上的第一氮化鎵外延層；(c)放置在第一氮化鎵外延層中的p型半導(dǎo)體區(qū)域；(d)放置在p型半導(dǎo)體區(qū)域中的n型半導(dǎo)體區(qū)域；(e)放置在n型半導(dǎo)體區(qū)域上的源電極；(f)放置在第二表面上的漏電極；(g)放置在第一氮化鎵外延膜上的絕緣層；和(f)放置在絕緣層上的門電極。第一氮化鎵外延層的厚度至少是5微米，但不大于1000微米。第一氮化鎵外延層的載流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3。半導(dǎo)體元件是MIS晶體管。
MIS晶體管具有的結(jié)構(gòu)中包括放置在n型半導(dǎo)體區(qū)域上的源電極和放置在基底第二表面上的漏電極，其中，電流從一個(gè)電極垂直流向另一個(gè)電極。因?yàn)榈谝坏壨庋訉拥暮穸戎辽偈?微米，但不大于1000微米，還因?yàn)榈谝坏壨庋訉拥妮d流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3，所以可以對外延層的厚度和載流子濃度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在沒有穿通的情況下達(dá)到理想的擊穿效果。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，優(yōu)選用離子注入法將p型半導(dǎo)體區(qū)域的p型摻雜劑引入。另外，在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，優(yōu)選用離子注入法將n型半導(dǎo)體區(qū)域的n型摻雜劑引入。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，氮化鎵支撐底板第一表面的表面取向優(yōu)選在不大于(0001)的+5度但至少是(0001)的-5度范圍內(nèi)。這樣就提供了低位錯(cuò)的GaN基底。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，氮化鎵獨(dú)立式基底第一表面的表面取向優(yōu)選在不大于(1-100)或(11-20)的+5度但至少是(1-100)或(11-20)的-5度范圍內(nèi)。
使用該半導(dǎo)體元件時(shí)，外延層中的位錯(cuò)下降，反向泄漏電流下降，反向擊穿得以改善。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，氮化鎵支撐底板第一表面的位錯(cuò)密度優(yōu)選不大于1×108cm-2。
使用該半導(dǎo)體元件時(shí)，位錯(cuò)密度低，所以外延層中的位錯(cuò)下降，因此，反向泄漏電流下降，反向擊穿得以改善。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，氮化鎵支撐底板的第一表面優(yōu)選包括位錯(cuò)密度不大于1×108cm-2的第一區(qū)域和位錯(cuò)密度大于第一區(qū)域的位錯(cuò)密度的第二區(qū)域。
使用該半導(dǎo)體元件時(shí)，在位錯(cuò)密度較低的區(qū)域上形成的外延層中的位錯(cuò)較低。因此，半導(dǎo)體元件的反向泄漏電流進(jìn)一步下降，反向擊穿得以改善。
另一方面，本發(fā)明提供一種外延基底，其包括(a)氮化鎵獨(dú)立式基底，該基底包括第一表面和與第一表面相反的第二表面，其載流子濃度大于1×1018cm-3；和(b)放置在第一表面上的第一氮化鎵外延膜。第一氮化鎵外延膜的厚度至少是5微米，但不大于1000微米。第一氮化鎵外延膜的載流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3。
使用該外延基底時(shí)，因?yàn)榈谝坏壨庋幽さ暮穸戎辽偈?微米，但不大于1000微米，還因?yàn)榈谝坏壨庋幽さ妮d流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3，所以可以對外延層的厚度和載流子濃度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在沒有穿通的情況下達(dá)到理想的擊穿效果。所以提供的外延基底可用于反向擊穿性能改善的半導(dǎo)體元件。
本發(fā)明的外延基底還可以包括放置在第一氮化鎵外延膜上并且包括p型摻雜劑的第二氮化鎵外延膜。使用該外延基底時(shí)，提供的外延基底可用于反向擊穿性能改善的pn結(jié)二極管。另外，在本發(fā)明的外延基底中，優(yōu)選用離子注入法將p型摻雜劑引入，或者優(yōu)選用金屬有機(jī)氣相外延生長法形成p型外延層。
本發(fā)明的外延基底可以包括(c)放置在第一氮化鎵外延層中的p型半導(dǎo)體區(qū)域；和(d)放置在p型半導(dǎo)體區(qū)域中的n型半導(dǎo)體區(qū)域。第一氮化鎵外延膜和氮化鎵獨(dú)立式基底優(yōu)選具有n型導(dǎo)電性。
使用該外延基底時(shí)，提供的外延基底可用于反向擊穿性能改善的晶體管。
在本發(fā)明的外延基底中，優(yōu)選用HVPE生長第一氮化鎵外延膜。因?yàn)樯L速度很快，所以能夠在實(shí)際可行的時(shí)間內(nèi)提供厚的外延膜。在本發(fā)明的外延基底中，優(yōu)選用金屬有機(jī)氣相外延生長法形成第二氮化鎵外延膜。用這樣的外延基底可以提供高質(zhì)量的外延膜。
在本發(fā)明的外延基底中，氮化鎵獨(dú)立式基底第一表面的表面取向優(yōu)選在不大于(0001)的+5度但至少是(0001)的-5度范圍內(nèi)。
用這樣的外延基底可以提供低位錯(cuò)的GaN基底。
在本發(fā)明的外延基底中，氮化鎵獨(dú)立式基底第一表面的表面取向優(yōu)選在不大于(1-100)或(11-20)的+5度但至少是(1-100)或(11-20)的-5度范圍內(nèi)。
用這樣的外延基底可以提供外延層中的位錯(cuò)下降、反向泄漏電流下降、反向擊穿改善的半導(dǎo)體元件用的外延基底。
在本發(fā)明的外延基底中，外延層中的位錯(cuò)密度優(yōu)選不大于1×108cm-2。
使用該外延基底時(shí)，位錯(cuò)密度低，所以外延層中的位錯(cuò)下降。從而可以提供反向泄漏電流下降、反向擊穿改善的半導(dǎo)體元件用的外延基底。
在本發(fā)明的外延基底中，氮化鎵支撐底板的第一表面優(yōu)選包括位錯(cuò)密度不大于1×108cm-2的第一區(qū)域和位錯(cuò)密度大于第一區(qū)域的位錯(cuò)密度的第二區(qū)域。
使用該外延基底時(shí)，可以在位錯(cuò)密度較低的區(qū)域上形成半導(dǎo)體元件，由此外延層中的位錯(cuò)進(jìn)一步降低。從而可以提供反向泄漏電流下降、反向擊穿改善的半導(dǎo)體元件用的外延基底。
通過結(jié)合附圖閱讀下面的說明書，可以更清楚本發(fā)明的上述及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中，類似的符號表示同樣的部件。
如上所述，本發(fā)明可以提供具有能夠改善反向擊穿性能的結(jié)構(gòu)的III族氮化物元件。還可以提供用于這種半導(dǎo)體元件的外延基底。


圖1是示出含有第一個(gè)實(shí)施方案的III族氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體元件的圖。
圖2是示出樣品A和樣品B的I-V特征的圖。
圖3A是用于描述在具有厚外延膜的肖特基(Schottky)二極管中擊穿現(xiàn)象的圖。圖3B是用于描述在具有薄外延膜的肖特基(Schottky)二極管中擊穿現(xiàn)象的圖。
圖4是示出樣品A和樣品C的I-V特征的圖。
圖5是示出樣品A和樣品D的I-V特征的圖。
圖6是示出樣品E、樣品F和樣品G的I-V特征的圖。
圖7是示出含有第二個(gè)實(shí)施方案的III族氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體元件的圖。
圖8是示出樣品H的I-V特征的圖。
圖9A是示出第四個(gè)實(shí)施方案的晶體管的圖。圖9B是示出沿圖9A中的II-II線剖開的剖視圖。
圖10A-10C是示出根據(jù)第五個(gè)實(shí)施方案生產(chǎn)外延基底的圖。圖10D-10G是示出生產(chǎn)外延基底的圖。
圖11A是示出在獨(dú)立式基底中高置換區(qū)域和低置換區(qū)域的一種排列的圖。圖11B是示出在獨(dú)立式基底中高置換區(qū)域和低置換區(qū)域的另一種排列的圖。
具體實(shí)施例方式
通過下面的說明和附圖易于理解本發(fā)明的前景。下面說明本發(fā)明實(shí)施方案的半導(dǎo)體元件和外延基底。如果可能，用類似的符號標(biāo)注相同的部件。
(第一個(gè)實(shí)施方案)圖1示出本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施方案的III族氮化物半導(dǎo)體元件。該半導(dǎo)體元件是肖特基(Schottky)二極管11。肖特基(Schottky)二極管11上裝備有氮化鎵支撐底板13、氮化鎵外延層15、歐姆電極17和肖特基(Schottky)電極19。氮化鎵支撐底板13包括第一表面13a和與第一表面相反的第二表面13b，其載流子濃度大于1×1018cm-3。氮化鎵外延層15放置在第一表面13a上。歐姆電極17放置在第二表面13b上。肖特基(Schottky)電極19放置在氮化鎵外延層15上。氮化鎵外延層15的厚度D1是5微米或更大并且1000微米或更小。另外，氮化鎵外延層15的載流子濃度是1×1014cm-3或更大并且1×1017cm-3或更小。當(dāng)載流子濃度是1×1014cm-3或更大時(shí)，“接通”電阻可以保持很低。當(dāng)載流子濃度是1×1017cm-3或更小時(shí)，可以增加擊穿電壓。
在這種肖特基(Schottky)二極管11中，因?yàn)榈壨庋訉?5的厚度是5微米或更大并且1000微米或更小，還因?yàn)檩d流子濃度是1×1014cm-3或更大并且1×1017cm-3或更小，所以可以以合適的方式設(shè)計(jì)外延層厚度和載流子濃度，以提供不會導(dǎo)致穿通的理想擊穿效果。從而可以增加肖特基(Schottky)二極管11的擊穿電壓。
GaN基底的載流子濃度高于外延層的載流子濃度。如圖1所示，在肖特基(Schottky)二極管11中，歐姆電極17放置在整個(gè)第二表面13b上。肖特基(Schottky)電極19形成在外延層的一部分表面上，例如大致在元件中心的一個(gè)圓上。對于肖特基(Schottky)電極19來說，可以使用諸如鎳金(Ni/Au)的材料，但是也可以使用Pt/Au或Au。氮化鎵支撐底板13和氮化鎵外延層15作為n型導(dǎo)體。氮化鎵外延層15直接在氮化鎵支撐底板13上均相外延生長。氮化鎵支撐底板13的厚度D2優(yōu)選如至少是100微米，但是不大于700微米。
(第一個(gè)工作例)制備HPVE生產(chǎn)的(0001)面GaN獨(dú)立式基底。用下述步驟生產(chǎn)肖特基(Schottky)二極管。n型導(dǎo)體GaN獨(dú)立式基底的載流子濃度是3×1018cm-3，厚度是400微米。在該基底中，平均位錯(cuò)密度是5×106cm-2。利用HVPE在GaN獨(dú)立式基底上生長載流子濃度是5×1015cm-3、厚度是20微米的n型導(dǎo)體外延膜，從而形成外延基底(后面稱為樣品A)。在該基底背面上形成歐姆電極，在外延膜上形成肖特基(Schottky)電極。在進(jìn)行了有機(jī)清潔后的整個(gè)基底背面表面上形成歐姆電極。為了形成歐姆電極，用EB蒸汽沉積法形成Ti/Al/Ti/Au(20nm/100nm/20nm/300nm)。形成歐姆電極膜后，在600℃下合金化約1分鐘。用電阻加熱沉積法形成作為500nm金膜的肖特基(Schottky)電極。肖特基(Schottky)電極的形狀是直徑為200微米的圓。在形成歐姆電極和肖特基(Schottky)電極前，并且在沉積前，在室溫下用HCl溶液(氫氯酸1∶純凈水1)將外延膜表面處理1分鐘。
利用HVPE在另一個(gè)GaN獨(dú)立式基底上生長載流子濃度是5×1015cm-3、厚度是3微米的外延膜，從而形成外延基底(后面稱為樣品B)。用上述同樣的方法形成歐姆電極和肖特基(Schottky)電極。
圖2是示出樣品A和樣品B的I-V特征的圖。在圖2中，特征曲線CA表示樣品A的特征，特征曲線CB表示樣品B的特征。圖3A是用于描述在具有厚外延膜的肖特基(Schottky)二極管中擊穿現(xiàn)象的圖。圖3B是用于描述在具有薄外延膜的肖特基(Schottky)二極管中擊穿現(xiàn)象的圖。樣品B的反向擊穿電壓小于樣品A的反向擊穿電壓。其原因如下。如圖3A所示，在樣品A中，外延層足夠厚，當(dāng)施加的電壓增加時(shí)，在耗盡層DepA達(dá)到基底和外延膜之間的邊界面之前在肖特基(Schottky)電極和外延膜之間的邊界面附近發(fā)生沖擊電離，從而導(dǎo)致反向泄漏電流的流動。這種沖擊電離決定了反向擊穿電壓。如圖3B所示，在樣品B中，外延膜沒有足夠的厚度，當(dāng)施加的電壓增加時(shí)，發(fā)生穿通現(xiàn)象，其中，在肖特基(Schottky)電極下面的外延表面處出現(xiàn)沖擊電離之前耗盡層DepB就到達(dá)了基底和外延膜之間的邊界面。這樣就降低了反向擊穿電壓。
(第二個(gè)工作例)制備HPVE生產(chǎn)的(0001)面GaN獨(dú)立式基底。n型導(dǎo)體GaN獨(dú)立式基底的載流子濃度是3×1018cm-3，厚度是400微米。在該基底中，平均位錯(cuò)密度是5×105cm-2。利用HVPE在GaN獨(dú)立式基底上生長載流子濃度是5×1015cm-3、厚度是20微米的n型導(dǎo)體外延膜，從而形成外延基底(后面稱為樣品C)。用在第一個(gè)工作例中使用的方法在該外延基底上形成肖特基(Schottky)二極管。
圖4是示出樣品A和樣品C的I-V特征的圖。在圖4中，特征曲線CA表示樣品A的特征，特征曲線CC表示樣品C的特征。在樣品A的GaN獨(dú)立式基底中，平均位錯(cuò)密度是5×106cm-2，而在樣品C的GaN獨(dú)立式基底中，平均位錯(cuò)密度是5×105cm-2。與樣品A的反向擊穿電壓相比，樣品C的反向擊穿電壓高。換句話說，可以認(rèn)為，支撐底板中的位錯(cuò)增加了反向泄漏電流。
(第三個(gè)工作例)制備HPVE生產(chǎn)的(1-100)面GaN獨(dú)立式基底。n型導(dǎo)體GaN獨(dú)立式基底的載流子濃度是3×1018cm-3，厚度是400微米。在該基底中，平均位錯(cuò)密度是5×105cm-2。利用HVPE在GaN獨(dú)立式基底上生長載流子濃度是5×1015cm-3、厚度是20微米的n型導(dǎo)體外延膜，從而形成外延基底(樣品D)。用在第一個(gè)工作例中使用的方法在該外延基底上形成肖特基(Schottky)二極管。
圖5是示出樣品A和樣品D的I-V特征的圖。在圖5中，特征曲線CA表示樣品A的特征，特征曲線CD表示樣品D的特征。因?yàn)闃悠稟中的GaN獨(dú)立式基底具有(0001)面，而樣品D中的GaN獨(dú)立式基底具有(1-100)面，所以與樣品A的反向擊穿相比，樣品C的反向擊穿性能得以改善。更具體地說，當(dāng)?shù)壞ぴ?1-100)面上外延生長時(shí)，不會在 方向上發(fā)生螺紋位錯(cuò)。所以在該肖特基(Schottky)二極管中泄漏電流非常小。
(第四個(gè)工作例)制備HPVE生產(chǎn)的(0001)面GaN獨(dú)立式基底。n型導(dǎo)體GaN獨(dú)立式基底的載流子濃度是3×1018cm-3，厚度是400微米。利用HVPE在GaN獨(dú)立式基底上生長載流子濃度是1×1017cm-3、厚度是10、5和3微米的n型導(dǎo)體外延膜，從而形成外延基底(樣品E、F、G)。用在第一個(gè)工作例中使用的方法在這些外延基底上形成肖特基(Schottky)二極管。
圖6示出上述樣品E、F和G的I-V特征。在圖6中，特征曲線CE、CF、CG分別表示樣品E、F、G的特征。樣品E和樣品F顯示出大致相同的反向擊穿電壓，但是樣品G的反向擊穿電壓小于樣品E和樣品F的反向擊穿電壓。在樣品G中，可以認(rèn)為，當(dāng)施加的電壓增加時(shí)，在外延膜中的耗盡層到達(dá)基底和外延膜之間的邊界面時(shí)發(fā)生穿通現(xiàn)象。從而降低了反向擊穿電壓。所以外延膜的厚度至少應(yīng)當(dāng)是5微米。
在功率轉(zhuǎn)換器件如(Schottky)二極管的漂移層(n層)中，為了改善擊穿性能，載流子濃度優(yōu)選至少是1×1017cm-3。為了防止穿通現(xiàn)象，重要的是要使外延厚度適合于載流子濃度。在載流子濃度是1×1017cm-3時(shí)，厚度為5微米或更大的外延膜就能夠提供對于高擊穿性能來說足夠厚度的外延膜。
(第二個(gè)實(shí)施方案)圖7示出第二個(gè)實(shí)施方案的含有III族半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體元件。該半導(dǎo)體元件是pn結(jié)二極管31。pn結(jié)二極管31包括氮化鎵支撐底板33；第一氮化鎵外延層35；第一歐姆電極37；第二氮化鎵外延膜39；第二歐姆電極41。氮化鎵支撐底板33包括第一表面33a和與第一表面33a相反的第二表面33b。其載流子濃度大于1×1018cm-3。氮化鎵支撐底板33具有n型導(dǎo)電性。第一氮化鎵外延層35的厚度至少是5微米且不大于1000微米。第一氮化鎵外延層35的載流子濃度至少是1×1014cm-3且不大于1×1017cm-3。第一氮化鎵外延層35放置在第一表面33a上。第一歐姆電極(如陰極)37放置在第二表面33b上。第二氮化鎵外延膜39放置在第一氮化鎵外延層35上并且包括p型摻雜劑。第二歐姆電極(如陽極)41放置在第二氮化鎵外延膜39上。
使用這種pn結(jié)二極管31時(shí)，因?yàn)榈谝坏壨庋訉?5的厚度至少是5微米且不大于1000微米，還因?yàn)榈谝坏壨庋訉?5的載流子濃度至少是1×1014cm-3且不大于1×1017cm-3，所以可以通過適當(dāng)設(shè)計(jì)外延層厚度和載流子濃度來達(dá)到不會產(chǎn)生穿通的理想擊穿效果。
氮化鎵支撐底板33和第一氮化鎵外延層35具有n型導(dǎo)電性，第二氮化鎵外延層39具有p型導(dǎo)電性。GaN獨(dú)立式基底33的載流子濃度高于外延層35的載流子濃度。第一氮化鎵外延層35的載流子濃度低于第二氮化鎵外延層39的載流子濃度。因此，耗盡層主要向第一氮化鎵外延層35延伸。可以用第一個(gè)實(shí)施方案的肖特基(Schottky)二極管11的厚度和載流子濃度設(shè)計(jì)外延層35的厚度和載流子濃度。氮化鎵外延層39的載流子濃度優(yōu)選至少是1×1017cm-3。
在pn結(jié)二極管31中，歐姆電極(陰極)37放置在基底33的整個(gè)第二表面33b上。用于陰極的材料例如可以是Ti/Al/Ti/Au(20nm/100nm/20nm/300nm)。用于陽極的材料例如可以是Ni/Au(50nm/100nm)。第一氮化鎵外延層35直接在氮化鎵支撐底板33上均相外延生長。第二氮化鎵外延層39直接在第一氮化鎵外延層35上均相外延生長。第一氮化鎵外延層35的厚度優(yōu)選大于第二氮化鎵外延層39的厚度。第二氮化鎵外延層的厚度D3優(yōu)選如至少是0.1微米，但是不大于10微米。
(第五個(gè)工作例)制備HPVE生產(chǎn)的(0001)面GaN獨(dú)立式基底。n型導(dǎo)體GaN獨(dú)立式基底的載流子濃度是3×1018cm-3，厚度是400微米。該基底的位錯(cuò)密度是5×105cm-3。利用HVPE在GaN獨(dú)立式基底上生長載流子濃度是5×1015cm-3、厚度是20微米的n型導(dǎo)體外延膜，從而形成外延基底。然后用金屬有機(jī)氣相外延生長法形成p型導(dǎo)體GaN層，從而形成含pn結(jié)的外延基底。用5×1019cm-3的Mg作為摻雜劑進(jìn)行摻雜，其厚度是1微米。載流子濃度是1×1018cm-3。用下述方法形成p型歐姆電極首先用Cl2基RIE將表面p型層干燥蝕刻成深度約為2微米的臺面形狀。在臺面上進(jìn)行Ni/Au電阻加熱真空蒸汽沉積，然后在700℃的氮?dú)庵羞M(jìn)行熱處理。P型電極的形狀例如可以是直徑為200微米的圓。用下述方法形成n型歐姆電極在基底的整個(gè)背面表面上進(jìn)行EB真空蒸汽沉積Ti/Al/Ti/Au(20nm/100nm/20nm/300nm)，然后在600℃的氮?dú)庵袩崽幚?分鐘(樣品H)。圖8示出樣品H的I-V特征。圖中所示的反向擊穿電壓類似于樣品C的反向擊穿電壓，樣品C是具有相同結(jié)構(gòu)的肖特基(Schottky)二極管。
(第三個(gè)實(shí)施方案)圖9A是示出第三個(gè)實(shí)施方案的晶體管。圖9B是沿圖9A中的II-II線剖開的剖視圖。III族氮化物半導(dǎo)體MIS場效應(yīng)晶體管71包括氮化鎵支撐底板53；氮化鎵外延層55；p型半導(dǎo)體區(qū)域57；n型半導(dǎo)體區(qū)域59；源電極61；漏電極63；門電極75。氮化鎵支撐底板53包括第一表面53a和與第一表面53a相反的第二表面53b。載流子濃度大于1×1018cm-3。氮化鎵外延層55放置在第一表面53a上。p型半導(dǎo)體區(qū)域57放置在氮化鎵外延層55上。n型半導(dǎo)體區(qū)域59放置在p型半導(dǎo)體區(qū)域57中。源電極61放置在高摻雜的n型半導(dǎo)體區(qū)域59上。漏電極63放置在第二表面53b上。門電極75放置在形成于氮化鎵外延層55上的絕緣層77上。p型半導(dǎo)體區(qū)域57包括放置在門電極75下面的延伸部分57b。用于絕緣層的材料可以是氧化硅膜、氧氮化硅膜、氮化硅膜、氧化鋁、氮化鋁、AlGaN等。氮化鎵外延層55的厚度至少是5微米，但不大于1000微米。氮化鎵外延層55的載流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3。
晶體管71具有垂直結(jié)構(gòu)，源電極61放置在n型半導(dǎo)體區(qū)域59上，漏電極63放置在基底的第二表面53b上，電流從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極。因?yàn)榈壨庋訉?5的厚度至少是5微米，但不大于1000微米，還因?yàn)榈壨庋訉?5的載流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3，所以可以通過適當(dāng)設(shè)計(jì)外延層厚度和載流子濃度來達(dá)到不會產(chǎn)生穿通的理想擊穿效果。
通過用離子注入法形成p型半導(dǎo)體區(qū)域，可以形成具有平面結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件，該平面結(jié)構(gòu)在選擇區(qū)域中具有p導(dǎo)電性半導(dǎo)體。對于p型摻雜劑來說，可以使用鎂等。通過用離子注入法形成n型半導(dǎo)體區(qū)域，可以形成具有平面結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件，該平面結(jié)構(gòu)具有n導(dǎo)電性半導(dǎo)體。對于n型摻雜劑來說，可以使用硅等。p型半導(dǎo)體區(qū)域57將n型半導(dǎo)體區(qū)域59與外延層55電隔離。p型半導(dǎo)體區(qū)域57包括放置在絕緣膜下面的延伸部分57b，絕緣膜在門電極下面。當(dāng)在門電極75上施加電勢時(shí)，在絕緣膜和p型區(qū)域57的邊界面處形成n型反向?qū)?，電勢由n型半導(dǎo)體區(qū)域59通過載流子反向?qū)拥竭_(dá)外延層55。p型半導(dǎo)體區(qū)域57的深度優(yōu)選至少是0.1微米，但不大于3微米。p型半導(dǎo)體區(qū)域57表面部分的載流子濃度優(yōu)選至少是5×1017cm-3。如圖9A所示，門電極75的分支75a在源電極61的分支61a之間。電極75、61的角被圓整，以防止擊穿。
在第一至第三個(gè)實(shí)施方案的半導(dǎo)體元件11、31、71中，氮化鎵支撐底板第一表面的表面取向優(yōu)選是(0001)面(包括結(jié)晶學(xué)上等同的面)。結(jié)果可以提供低位錯(cuò)的GaN基底。另外，在半導(dǎo)體元件11、31、71中，氮化鎵支撐底板第一表面的表面取向優(yōu)選是(1-100)面(包括結(jié)晶學(xué)上等同的面)或(11-20)面(包括結(jié)晶學(xué)上等同的面)。考慮到表面取向中的不一致性，這些優(yōu)選不超過從這些晶面的+5度且不小于從這些晶面的-5度。使用半導(dǎo)體元件11、31、71時(shí)，外延層中的位錯(cuò)下降，反向泄漏電流下降，反向擊穿得以改善。另外，使用半導(dǎo)體元件11、31、71時(shí)，氮化鎵支撐底板第一表面的位錯(cuò)密度優(yōu)選至少是1×108cm-2。使用半導(dǎo)體元件11、31、71時(shí)，低位錯(cuò)密度降低了外延層中的位錯(cuò)，因此，反向泄漏電流下降，反向擊穿性能得以改善。另外，在半導(dǎo)體元件11、31、71中，氮化鎵支撐底板的第一表面優(yōu)選包括位錯(cuò)密度不大于1×108cm-2的第一區(qū)域和位錯(cuò)密度大于第一區(qū)域的位錯(cuò)密度的第二區(qū)域。使用這樣的半導(dǎo)體元件11、31、71時(shí)，如果在位錯(cuò)密度較低的區(qū)域中形成半導(dǎo)體元件，則外延層中的位錯(cuò)可以進(jìn)一步降低。因此，反向泄漏電流進(jìn)一步下降，反向擊穿性能得以改善。
(第五個(gè)實(shí)施方案)圖10A-10C示出根據(jù)第五個(gè)實(shí)施方案生產(chǎn)外延基底。如圖10A所示，制備氮化鎵獨(dú)立式基底83。n導(dǎo)電性氮化鎵獨(dú)立式基底83的載流子濃度大于1×1018cm-3。如圖10B所示，外延膜85層放在氮化鎵獨(dú)立式基底83的第一表面83a上。氮化鎵外延膜85的厚度至少是5微米，但不大于1000微米。氮化鎵外延膜85例如可以具有n型導(dǎo)電性，其載流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1016cm-3。這樣就產(chǎn)生了外延基底81。可以用這樣的基底生產(chǎn)第一至第三個(gè)實(shí)施方案的半導(dǎo)體元件。優(yōu)選用HVPE生長氮化鎵外延膜85。
如圖10C所示，肖特基(Schottky)電極膜87層放在外延基底81的外延膜85表面上，歐姆電極膜89層放在基底83的第二表面83b上。因?yàn)榈壨庋幽?5的厚度至少是5微米，但不大于1000微米，還因?yàn)檩d流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3，所以可以對外延層厚度和載流子濃度進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到在肖特基(Schottky)電極膜87和歐姆電極膜89之間施加電勢時(shí)沒有穿通的理想擊穿效果。這樣就提供了擊穿性能改善的半導(dǎo)體元件用的外延基底。
在該外延基底81中，還可以在氮化鎵外延膜85上形成p型半導(dǎo)體區(qū)域，在p型半導(dǎo)體區(qū)域中形成n型半導(dǎo)體區(qū)域。這樣就提供了擊穿性能改善的晶體管用的外延基底。
圖10D-10G示出外延基底的生產(chǎn)。如圖10D和10E所示生產(chǎn)外延基底81。如圖10F所示，p型氮化鎵外延膜93層放在外延基底81上，制備外延基底91。優(yōu)選用金屬有機(jī)氣相外延生長法生長氮化鎵外延膜93。氮化鎵外延膜93的載流子濃度大于氮化鎵外延膜85的載流子濃度，使耗盡層主要形成在氮化鎵外延膜85上。
如圖10G所示，歐姆電極膜95層放在外延基底91的外延膜93上，歐姆電極膜97層放在第二表面83b上。因?yàn)榈壨庋幽?5的厚度至少是5微米，但不大于1000微米，還因?yàn)榈壨庋幽?5的載流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3，所以可以對外延層厚度和載流子濃度進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到在歐姆電極膜95和歐姆電極膜97之間施加電勢時(shí)沒有穿通的理想擊穿效果。這樣就提供了擊穿性能改善的半導(dǎo)體元件用的外延基底91。
在上述外延基底81、91中，可以用HVPE生長外延膜85，在實(shí)際可行的時(shí)間內(nèi)生長厚度最大約為1000微米的外延膜。用外延基底91通過金屬有機(jī)氣相外延生長法可以提供高質(zhì)量的外延膜。另外，使用外延基底81、91時(shí)，氮化鎵獨(dú)立式基底83第一表面83a的表面取向優(yōu)選是(0001)面(包括結(jié)晶學(xué)上等同的面)。用這種外延基底可以提供低位錯(cuò)的GaN獨(dú)立式基底。另外，使用外延基底81、91時(shí)，氮化鎵獨(dú)立式基底第一表面83a的表面取向優(yōu)選在不大于(1-100)面(包括結(jié)晶學(xué)上等同的面)和(11-20)面(包括結(jié)晶學(xué)上等同的面)的+5度但至少是(1-100)面(包括結(jié)晶學(xué)上等同的面)和(11-20)面(包括結(jié)晶學(xué)上等同的面)的-5度范圍內(nèi)。使用外延基底81、91時(shí)，外延層中的位錯(cuò)下降，反向泄漏電流下降，反向擊穿得以改善。
圖11A是示出在GaN獨(dú)立式基底上高位錯(cuò)區(qū)域和低位錯(cuò)區(qū)域的一種排列的圖。圖11B是示出在GaN獨(dú)立式基底上高位錯(cuò)區(qū)域和低位錯(cuò)區(qū)域的另一種排列的圖。用于外延基底81、91的氮化鎵獨(dú)立式基底82的第一表面82a包括第一區(qū)域，其上顯示有具有較大螺紋位錯(cuò)密度的高位錯(cuò)區(qū)域82c；第二區(qū)域，其上顯示有具有較小螺紋位錯(cuò)密度的低位錯(cuò)區(qū)域82d。高位錯(cuò)區(qū)域82c被低位錯(cuò)區(qū)域82d環(huán)繞，在第一表面82a上，第一區(qū)域無規(guī)地點(diǎn)狀分布在第二區(qū)域中。整體螺紋位錯(cuò)密度例如不大于1×108cm-2。使用這些外延基底81、91時(shí)，低位錯(cuò)密度降低了外延層中的位錯(cuò)，因此，反向泄漏電流下降，反向擊穿性能得以改善。
在圖11B所示的氮化鎵獨(dú)立式基底84中，第一表面84a包括第一區(qū)域，其上顯示有具有較大螺紋位錯(cuò)密度的高位錯(cuò)區(qū)域84c；第二區(qū)域，其上顯示有具有較小螺紋位錯(cuò)密度的低位錯(cuò)區(qū)域84d。低位錯(cuò)區(qū)域82d沿高位錯(cuò)區(qū)域82c延伸。結(jié)果，在第一表面84a上，第一區(qū)域(條帶區(qū)域)和第二區(qū)域(條帶區(qū)域)交替式排列。每一個(gè)低位錯(cuò)區(qū)域84d與另一個(gè)低位錯(cuò)區(qū)域82d都被高位錯(cuò)區(qū)域84c隔開。
低位錯(cuò)區(qū)域的螺紋位錯(cuò)密度至少是1×108cm-2，其螺紋勢密度比第一區(qū)域的位錯(cuò)密度高，例如至少是1×108cm-2。通過在位錯(cuò)密度較低的區(qū)域上形成半導(dǎo)體元件，外延膜中的位錯(cuò)可以進(jìn)一步降低。結(jié)果，反向泄漏電流進(jìn)一步下降，反向擊穿性能得以改善。
與使用硅半導(dǎo)體的半導(dǎo)體元件相比，使用氮化鎵半導(dǎo)體的高反向擊穿電壓半導(dǎo)體元件能夠提供更高的反向擊穿電壓和更低的正向“接通”電阻(forward“on”resistance)。
前面用優(yōu)選實(shí)施方案說明了本發(fā)明的原理，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不背離本發(fā)明的這些原理的情況下可以改變這些排列和細(xì)節(jié)。本發(fā)明并不限于這些實(shí)施方案公開的具體結(jié)構(gòu)。例如，實(shí)施方案中描述了常關(guān)(normal-off)晶體管，但是本發(fā)明不限于這種晶體管。因此，本發(fā)明包括權(quán)利要求書的保護(hù)范圍和在權(quán)利要求書的精神范圍內(nèi)作出的校正和改動。
權(quán)利要求
1.一種外延基底，其包括氮化鎵獨(dú)立式基底，該基底包括第一表面和與所述第一表面相反的第二表面，并且其載流子濃度大于1×1018cm-3；和放置在所述第一表面上的第一氮化鎵外延膜；其中所述第一氮化鎵外延膜的厚度至少是5微米，但不大于1000微米；且所述第一氮化鎵外延膜的載流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延基底，其包括放置在所述第一氮化鎵外延膜中的p型半導(dǎo)體區(qū)域；和放置在所述p型半導(dǎo)體區(qū)域中的n型半導(dǎo)體區(qū)域；其中，所述第一氮化鎵外延膜和所述氮化鎵獨(dú)立式基底具有n型導(dǎo)電性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延基底，其還包括放置在所述第一氮化鎵外延膜上并且包括p型摻雜劑的第二氮化鎵外延膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的外延基底，其中，用離子注入法將所述p型摻雜劑引入。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的外延基底，其中，用金屬有機(jī)氣相外延生長法形成所述第二氮化鎵外延膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的外延基底，其中，所述氮化鎵獨(dú)立式基底的所述第一表面的表面取向在不大于(0001)的+5度但至少是(0001)的-5度范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的外延基底，其中，所述氮化鎵獨(dú)立式基底的所述第一表面的表面取向在不大于(1-100)或(11-20)的+5度但至少是(1-100)或(11-20)的-5度范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的外延基底，其中，所述氮化鎵獨(dú)立式基底的所述第一表面的位錯(cuò)密度不大于1×108cm-2。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的外延基底，其中，所述氮化鎵獨(dú)立式基底的所述第一表面包括位錯(cuò)密度不大于1×108cm-2的第一區(qū)域和位錯(cuò)密度大于所述第一區(qū)域的所述位錯(cuò)密度的第二區(qū)域。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的外延基底，其中，用HVPE生長所述第一氮化鎵外延膜。
11.一種包含III族氮化物半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體元件，該半導(dǎo)體元件包括氮化鎵支撐底板，該底板包括第一表面和與所述第一表面相反的第二表面，并且其載流子濃度大于1×1018cm-3；放置在所述第一表面上的第一氮化鎵外延層；放置在所述第二表面上的歐姆電極；和放置在所述第一氮化鎵外延層上的肖特基電極；其中所述第一氮化鎵外延層的厚度至少是5微米，但不大于1000微米；所述第一氮化鎵外延層的載流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3；且所述半導(dǎo)體元件是肖特基二極管。
12.一種包含III族氮化物半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體元件，該半導(dǎo)體元件包括氮化鎵支撐底板，該底板包括第一表面和與所述第一表面相反的第二表面，并且其載流子濃度大于1×1018cm-3；放置在所述第一表面上的第一氮化鎵外延層；放置在所述第二表面上的歐姆電極；放置在所述第一氮化鎵外延層上并且含有p型摻雜劑的第二氮化鎵外延層；和放置在所述第二氮化鎵外延層上的歐姆電極；其中所述氮化鎵支撐底板具有n型導(dǎo)電性；所述第一氮化鎵外延層的厚度至少是5微米，但不大于1000微米；所述第一氮化鎵外延膜的載流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3；且所述半導(dǎo)體元件是pn結(jié)二極管。
13.一種包含III族氮化物半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體元件，該半導(dǎo)體元件包括氮化鎵支撐底板，該底板包括第一表面和與所述第一表面相反的第二表面，并且其載流子濃度大于1×1018cm-3；放置在所述第一表面上的第一氮化鎵外延層；放置在所述第一氮化鎵外延層中的p型半導(dǎo)體區(qū)域；放置在所述p型半導(dǎo)體區(qū)域中的n型半導(dǎo)體區(qū)域；放置在所述n型半導(dǎo)體區(qū)域上的源電極；放置在所述第二表面上的漏電極；放置在所述第一氮化鎵外延膜上的絕緣層；和放置在所述絕緣層上的門電極；其中所述第一氮化鎵外延層的厚度至少是5微米，但不大于1000微米；所述第一氮化鎵外延層的載流子濃度至少是1×1014cm-3，但不大于1×1017cm-3；且所述半導(dǎo)體元件是MIS晶體管。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體元件，其中，用離子注入法將所述p型半導(dǎo)體區(qū)域的p型摻雜劑引入。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的半導(dǎo)體元件，其中，用離子注入法將所述n型半導(dǎo)體區(qū)域的n型摻雜劑引入。
16.根據(jù)權(quán)利要求11-15中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述氮化鎵支撐底板的所述第一表面的表面取向在不大于(0001)的+5度但至少是(0001)的-5度范圍內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求11-15中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述氮化鎵獨(dú)立式基底的所述第一表面的表面取向在不大于(1-100)或(11-20)的+5度但至少是(1-100)或(11-20)的-5度范圍內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求11-17中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述氮化鎵支撐底板的所述第一表面的位錯(cuò)密度不大于1×108cm-2。
19.根據(jù)權(quán)利要求11-17中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述氮化鎵支撐底板的所述第一表面包括位錯(cuò)密度不大于1×108cm-2的第一區(qū)域和位錯(cuò)密度大于所述第一區(qū)域的所述位錯(cuò)密度的第二區(qū)域。
全文摘要
在肖特基二極管11中，氮化鎵支撐底板13包括第一表面13a和與第一表面相反的第二表面13b，其載流子濃度大于1×10
文檔編號H01L29/12GK1744326SQ20051009902
公開日2006年3月8日 申請日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月1日
發(fā)明者木山誠, 岡久拓司, 櫻田隆 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社