[发明专利]半导体装置

说明书

技术领域

本文讨论的实施方案涉及半导体装置。

背景技术

氮化物半导体如GaN、AlN和InN以及其混合晶体具有宽带隙并且用在例如高功率电子器件或短波发射器件等器件中。对于这样的器件，已经关于场效应晶体管(FET)、特别是关于高电子迁移率晶体管(HEMT)进行了高功率器件的技术开发(例如，日本公开特许公报第2002-359256号)。这些氮化物半导体HEMT用于例如高功率和高效率放大器以及高功率开关器件等的器件。

在氮化物半导体HEMT中，在衬底上设置氮化铝镓/氮化镓(AlGaN/GaN)异质结构，其中GaN层用作电子渡越层。所用的衬底为例如蓝宝石、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)和硅(Si)等衬底。

GaN是如下氮化物半导体：其具有高饱和电子速度和宽带隙并且能够具有高耐压特性，从而表现出优异的电气特性。另外，由于GaN晶体是纤锌矿结构，所以晶体在平行于c轴的(0001)方向上具有极性。在AlGaN/GaN异质结构中，由于AlGaN与GaN之间的晶格应变而在AlGaN层中引起压电极化。因此，在界面附近形成高浓度的二维电子气(2DEG)，这提供了沟道。因此，GaN HEMT在高频和高功率器件中具有应用前景。

通过使用廉价且大的硅衬底可以大大地降低氮化物半导体HEMT的成本。这种衬底的使用允许廉价地提供氮化物半导体HEMT。硅衬底具有导电性。因此，硅衬底的使用涉及在硅衬底上形成具有高绝缘性能的氮化物层。在该氮化物膜上形成氮化物半导体层如电子渡越层。

然而，由于硅与氮化物之间的晶格常数和热膨胀系数的差异，所以翘曲和裂纹趋于出现在衬底和氮化物半导体层中，并且难以形成具有高绝缘性能的厚氮化物层。因此，高漏电流容易在衬底-栅极方向上流动。因而，难以确保在垂直方向上的耐受电压，即难以确保在衬底厚度方向上的足够耐受电压。

其中GaN薄膜和AlN薄膜形成周期性交替结构的应变层超晶格(SLS)缓冲为如下方法：该方法允许在减少翘曲和裂纹的出现的同时在硅衬底上形成具有大厚度的氮化物层(例如，日本公开特许公报第2012-23314号和第2007-67077号)。

在SLS缓冲层中，GaN薄膜和AlN薄膜形成膜厚度不超过临界膜厚度的应变层超晶格，使得减少在膜制造期间由于不同晶格常数而引起的裂纹的出现。

因此，氮化物层可以形成为具有大厚度。另外，SLS缓冲层将大的压缩应变包含在SLS缓冲层的膜内，使得消除在膜制造之后的冷却过程期间在整个氮化物层中所出现的强压缩应变，从而减少翘曲和裂纹的出现。以此方式，SLS缓冲层的形成使得可以以有效大的厚度形成具有宽带隙和高绝缘性能的AlN，从而使得可以增加在垂直方向上的耐受电压。

然而，经常出现的情况是，通过仅形成常规的SLS缓冲层，漏电流会流动并且可能无法得到所期望的耐受电压。

发明内容

本实施方案的目的为提供可以减少在衬底-栅极方向上的漏电流的半导体装置，例如利用氮化物半导体如GaN作为半导体材料的场效应晶体管。

根据本发明的一个方面，半导体装置包括：衬底；形成在衬底上的缓冲层；形成在缓冲层上的应变层超晶格缓冲层；在应变层超晶格缓冲层上的由半导体材料形成的电子渡越层；以及在电子渡越层上的由半导体材料形成的电子供给层，该应变层超晶格缓冲层为包含AlN的第一晶格层和包含GaN的第二晶格层的交替堆叠体，该应变层超晶格缓冲层掺杂有选自Fe、Mg和C中的一种、两种或更多种杂质。

附图说明

图1是示出第一实施方案中的半导体装置的结构的视图；

图2是示出SLS缓冲层的结构的视图；

图3是说明根据第一实施方案的半导体装置中的SLS缓冲层的视图；

图4是示出在衬底-栅极方向上的漏电流特性的图；

图5A和图5B是示出用于测量图4中所示的漏电流特性而制造的单元的视图；

图6A和图6B是示出制造根据第一实施方案的半导体装置的方法的过程图；

图7A和图7B是示出根据第一实施方案的半导体装置的其他结构的视图；

图8是说明根据第二实施方案的半导体装置中的SLS缓冲层的视图；

图9是示出第三实施方案中的分立封装半导体器件的视图；

图10是示出第三实施方案中的电源装置的电路的视图；以及

图11是示出第三实施方案中的高频放大器的结构的视图。

具体实施方式