专利名称：场效应晶体管的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用了氮化物半导体的场效应晶体管，该氮化物半导体能够适用于例如在空调器等民用设备的电源电路上利用的功率晶体管。
背景技术：
氮化物半导体与Si和GaAs等相比，禁带宽度、绝缘击穿电场、以及电子的饱和漂移速度均大。并且，对于形成在以(0001)面为主面的衬底上的AKiaN/GaN异质结构，在异质界面，因自发极化以及压电极化而产生二维电子气，即使不掺杂也会得到IXlO13cnT2以上的薄膜载流子浓度。近些年，将这样高浓度的二维电子气作为载流子来利用的高电子迁移率晶体管(HEMT)被关注，并且，提出了各种结构的HEMT。图13是示出具有AKiaN/GaN异质结构的以往的场效应晶体管700的截面图(例如，参照专利文献1)。在该图示出的利用了以往的氮化物半导体的场效应晶体管700中，在Si衬底701 上依次形成有低温AlN缓冲层702、无掺杂GaN层703、以及无掺杂AlGaN层704。并且，由 Ti层以及Al层构成的源极电极705以及漏极电极707，被形成在无掺杂AlGaN层704上。 进而，由Ni层、Pt层以及Au层组构成的栅极电极706，被形成在源极电极705与漏极电极 707之间。进而，还形成有作为钝化膜的SiN层(图中未示出)。在这些结构的场效应晶体管700中，被形成在无掺杂AlGaN层704与无掺杂GaN 层703的界面的二维电子气被利用为载流子。在源极与漏极之间施加电压的情况下，沟道内的电子从源极电极705向漏极电极707移动。此时，通过控制施加到栅极电极706的电压而使栅极电极706正下方的耗尽层的厚度发生变化，从而能够控制从源极电极705向漏极电极707移动的电子，即能够控制漏极电流。(先行技术文献)(专利文献)专利文献1 (日本)特开2OO7-251144号公报发明要解决的课题然而，周知的是，在利用了 GaN的这些HEMT中，观测到所谓电流崩塌的现象，这将在器件工作时造成间题。该现象是指，在源极与漏极之间、在源极与栅极之间、以及在漏极与衬底之间等一旦施加强的电场后，在源极与漏极之间的沟道电流减少的现象。
发明内容
于是，鉴于上述的课题，本发明的目的在于提供能够抑制电流崩塌的场效应晶体管。用于解决课题的手段为了解决上述的课题，本发明的场效应晶体管，其中，包括由第一氮化物半导体构成的第一半导体层；以及由第二氮化物半导体构成的第二半导体层，该第二半导体层被形成在所述第一半导体层上，并且该第二氮化物半导体的禁带宽度比所述第一氮化物半导体大，所述第一半导体层具有，穿透位错密度在层叠方向增大的区域。在此，优选的是，在所述第一半导体层的与所述第二半导体层的接合面的穿透位错密度在2X IO9CnT2以上。据此，在将第一半导体层与第二半导体层相接的部分作为沟道的场效应晶体管中，能够使第一半导体层的穿透位错密度提高，并成为不使电流崩塌变得严重的穿透位错密度。其结果为，能够实现能够抑制电流崩塌的场效应晶体管。并且，也可以是，所述第一半导体层具有第三半导体层、结晶性控制层以及第四半导体层，所述结晶性控制层被形成在所述第三半导体层上，所述第四半导体层被形成在所述结晶性控制层上，在所述结晶性控制层，穿透位错密度在层叠方向增大，所述第四半导体层的穿透位错密度，比所述第三半导体层的穿透位错密度大。据此，将第一半导体层的一部分作为穿透位错密度高的层，将除此以外的部分作为穿透位错密度低的层，并能够使第一半导体层的膜厚变高。其结果为，能够使高耐压与电流崩塌的抑制相调和。也可以是，所述第一半导体层具有，穿透位错密度在层叠方向减少的区域。据此，能够将在第一半导体层的与第二半导体层的接合面的穿透位错密度降低在 LexioicicnT2以下，将薄膜电阻抑制到实用上能够使用的范围内。并且，由于能够使第一半导体层的膜厚变高，因此能够实现高耐压的场效应晶体管。并且，也可以是，所述第一半导体层的膜厚在2 μ m以上。据此，能够实现高耐压的场效应晶体管。发明效果根据本发明，能够实现能够抑制电流崩塌的高耐压的场效应晶体管。
图1是模式性地示出本发明的实施例涉及的作为氮化物场效应晶体管的HEMT的构成的截面图。图2是示出X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽与电流崩塌度Raf/Rbf的关系的图。图3是示出穿透位错密度与X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽的关系的图。图4是示出X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽与沟道的薄膜电阻的关系的图表。图5是示出X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽与第一氮化物半导体层的膜厚的关系的图表。图6是模式性地示出实施例1涉及的HEMT的构成的截面图。图7是模式性地示出各个实施例涉及的HEMT中的X射线(1012)线的半峰全宽在层叠方向发生变化的情况的图表。图8是模式性地示出实施例2涉及的HEMT的构成的截面图。图9是模式性地示出实施例2涉及的HEMT的变形例的构成的截面图。图10是模式性地示出实施例2涉及的HEMT的变形例的构成的截面图。图11是模式性地示出实施例3涉及的HEMT的构成的截面图。
图12是模式性地示出实施例4涉及的HEMT的构成的截面图。图13是模式性地示出以往的场效应型晶体管的构成的截面图。
具体实施例方式以下，参照
本发明的实施例中的场效应晶体管。图1是模式性地示出本发明的实施例涉及的作为场效应晶体管的HEMT100的构成的截面图。如图1示出，HEMT100包括，在衬底101上通过缓冲层102而依次被层叠的第一氮化物半导体层103以及第二氮化物半导体层104。HEMT100包括，在第二氮化物半导体层 104上排列形成的源极电极107、栅极电极108以及漏极电极109。第一氮化物半导体层103是本发明的第一半导体层的一个例子，且是被形成在缓冲层102上的由第一氮化物半导体构成的层。第二氮化物半导体层104是本发明的第二半导体层的一个例子，且是被形成在第一氮化物半导体层103上的由第二氮化物半导体构成的层，第二氮化物半导体的禁带宽度比第一氮化物半导体大。以下，说明HEMT100包括的第一氮化物半导体层103。本发明人员预测到在HEMT100中第一氮化物半导体层103的沟道的结晶性与电流崩塌之间存在相关关系。因此，使第一氮化物半导体层103的结晶性发生变化来制作如图1示出的结构的多个HEMT100，针对第一氮化物半导体层103，检查了 X射线摇摆曲线的 (1012)线的半峰全宽与电流崩塌的对应关系。而且，对于测定样本，利用了由厚度为2μπι 的GaN构成第一氮化物半导体层的ΗΕΜΤ。图2是示出X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽与电流崩塌度Raf/Rbf的关系的图表。在此，X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽是指，由针对以ω扫描模式来测定的(1012)面的X线衍射得到的摇摆曲线的半峰全宽。图2示出的X射线摇摆曲线的(1012) 线的半峰全宽的值表示，由利用了 Cu的Ka射线(波长λ = 1. 埃)的X线衍射的摇摆曲线的半峰全宽。而且，对于在获得摇摆曲线时利用的X射线，不需要限定为Cu的Ka射线来解释，而可以利用Mo的Ka射线等其他的X射线。另一方面，图2示出的电流崩塌度的测定方法如下所示。例如，在如图1示出的结构的HEMT100中，在源极电极107施加OV的电压，在栅极电极108施加OV的电压，在衬底 101施加OV的电压，在漏极电极109施加2V的电压，测定源极与漏极之间的电阻，并设为 Rbf。其次，暂时在栅极电极108施加-5V的电压，在漏极电极109施加200V的电压，从而使 HEMT100成为断开状态，并保持30秒钟。然后，在漏极电极109再次施加2V的电压，测定源极与漏极之间的电阻，并设为Raf。此时，产生电流崩塌，源极与漏极之间的电阻增大。能够将这样增大率Raf/Rbf作为表示电流崩塌的大小的指标来处理。如图2示出，若电流崩塌度Raf/Rbf的值大，则电流崩塌坏，若电流崩塌度Raf/Rbf 的值小，则电流崩塌良。并且，随着X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽变小，电流崩塌度变大(电流崩塌变得严重)。特别是，在X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽在SOOarcsec以下时，电流崩塌变得非常严重。因此，第一氮化物半导体层103被形成为，在与第二氮化物半导体层104的接合面，X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽成为SOOarcsec以上。优选的是，被形成为，在作为沟道来发挥作用的第一氮化物半导体层103 的与第二氮化物半导体层104相接的部分(第一氮化物半导体层103中的离第二氮化物半导体层104的接合面IOOnm的范围内的部分)，X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽成为 800arcsec 以上。在此，能够将针对第一氮化物半导体层103的X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽，与第一氮化物半导体层103中存在的穿透位错密度对应起来。图3是示出第一氮化物半导体层103的X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽与第一氮化物半导体层103中存在的穿透位错密度的关系的图(参考非专利文献1 :P. Gay, P. B. Hirsch, A. Kelly, Acta Metal, 1 (1953)，315.)。如图3示出，能够将针对第一氮化物半导体层103的X射线摇摆曲线的(1012) 线的半峰全宽在SOOarcsec以上，换算为第一氮化物半导体层103的穿透位错密度在 2X10W2以上。因此，第一氮化物半导体层103被形成为，在与第二氮化物半导体层104 的接合面，穿透位错密度成为2X109cm-2以上，优选的是，在作为沟道来发挥作用的与第二氮化物半导体层104相接的部分，穿透位错密度成为2X IO9CnT2以上。图4是示出X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽与沟道的薄膜电阻的关系的图表。如图4示出，可以看到的倾向是，随着第一氮化物半导体层103的X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽变宽，作为沟道的第一氮化物半导体层103的薄膜电阻就增大。在此，若薄膜电阻是在1200Q/Sq.以下，则在实用上能够使用第一氮化物半导体层103。因此，需要X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽在1900arcsec以下。而且，若将X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽在1900arcsec以下换算为穿透位错密度，则根据图3能够换算为1. 6 X IOiciCnT2以下。其结果为，第一氮化物半导体层103被形成为，在与第二氮化物半导体层104的接合面，穿透位错密度成为1. 6 X IOiciCnT2以下。优选的是，第一氮化物半导体层103被形成为，在作为沟道来发挥作用的第一氮化物半导体层103的与第二氮化物半导体层104相接的部分，穿透位错密度成为1. 6X IOiciCnT2以下。在此，在利用厚度为1 μ m的第一氮化物半导体层103的情况下，HEMT100的耐压成为400V以下，在实用上不具有足够的耐压。这是因为，在强的电压施加到源极与漏极之间时，通过导电性的衬底101而产生源极与漏极之间的击穿的缘故。因此，为了制造耐压更高的HEMT100，而需要将源极与衬底之间以及漏极与衬底之间的耐压高耐压化，S卩，需要将第一氮化物半导体层103的膜厚变厚。对于需要的第一氮化物半导体层103的膜厚，优选的是，例如，在需要800V以上的耐压以作为HEMT100的耐压的情况下，膜厚在4 μ m以上，在需要600V以上的耐压以作为HEMT100的耐压的情况下，膜厚在3 μ m以上，在需要400V以上的耐压以作为HEMT100的耐压的情况下，膜厚在2μπι以上。然而，如图5示出的第一氮化物半导体层103的膜厚与X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽的关系的图表，一般而言，若使第一氮化物半导体层103的膜厚增大，则因位错消灭而穿透位错密度降低，X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽变窄，因此，电流崩塌变得严重。也就是说，产生权衡的关系，即，随着第一氮化物半导体层103的膜厚变厚，耐压和迁移率就提高，但是，反而电流崩塌变得严重。本发明人发现了，为了打破上述的高耐压化所需要的第一氮化物半导体层103的厚膜化与因该厚膜化而导致电流崩塌变得严重这权衡关系，通过插入作为第一氮化物半导体层103的一部分的用于使X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽变宽的层，从而能够改善电流崩塌。因此，在第一氮化物半导体层103内，设置用于使X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽变宽的穿透位错密度在层叠方向增大的区域。在此，对于层叠方向，穿透位错密度在层叠方向增大的区域被设置在第一氮化物半导体层103的微小的区域即可，对于垂直于层叠方向的方向(面内方向)，优选的是，穿透位错密度在层叠方向增大的区域被设置在第一氮化物半导体层103的具有规定的宽度以上的宽度的区域。具体而言，优选的是，被设置在源极电极107与漏极电极109之间的距离的一半以上的面内方向的宽度的区域。这是因为，对于面内方向，在仅在第一氮化物半导体层103的微小的区域，穿透位错密度在层叠方向增大的情况下，虽然在位于该区域正上方的沟道的一部分能够改善沟道的耗尽化，但是，在沟道的其他的部分不能改善耗尽化，以HEMT100整体的特性来看，并不能充分改善电流崩塌。为了的确改善电流崩塌，而优选的是，在形成第一氮化物半导体层103的沟道的作为HEMT100来发挥作用的区域中，即在位于源极电极107与漏极电极109之间的区域(图1 的区域A)中，穿透位错密度在层叠方向增大的区域被设置在面内方向的大致所有的区域， 即穿透位错密度在层叠方向增大的区域被设置在形成沟道的大致所有的区域。而且，优选的是，在第一氮化物半导体层103，还设置穿透位错密度在层叠方向减少的区域。进而，为了高耐压化，优选的是，第一氮化物半导体层103的膜厚在2μπι以上。如上所述，根据本实施例的ΗΕΜΤ100，第一氮化物半导体层103被形成为，第一氮化物半导体层103的与第二氮化物半导体层104的接合面的穿透位错密度成为2Χ IO9CnT2 以上且LexioicicnT2以下。因此，能够将薄膜电阻抑制到实用上能够使用的范围内，并且能够抑制电流崩塌。并且，根据本实施例的ΗΕΜΤ100，不是第一氮化物半导体层103的全部而是一部分 (至少是与第二氮化物半导体层104的接合面，优选的是，作为沟道来发挥作用的第一氮化物半导体层103的离与第二氮化物半导体层104的接合面IOOnm的范围内)成为2 X 109cm_2 以上的穿透位错密度高的区域，其他的区域成为穿透位错密度低的区域。因此，能够使高耐压与电流崩塌的抑制相调和。(实施例1)以实施例1示出，本实施例的HEMT100的应用例。图6是模式性地示出本实施例涉及的HEMT200的构成的截面图。如图6示出，HEMT200包括，在衬底201上通过缓冲层202而依次被层叠的无掺杂 GaN层203、结晶性控制层204、无掺杂GaN层205、以及无掺杂AlGaN层206。而且，无掺杂 GaN层203是本发明的第三半导体层的一个例子，无掺杂GaN层205是本发明的第四半导体层的一个例子。衬底201是，例如Si衬底、SiC衬底、蓝宝石衬底或GaN衬底等。例如，缓冲层202 是，通过低温生长而形成的由AlN构成的半导体层。结晶性控制层204是，通过由无掺杂AlN和GaN构成的超晶格结构体而成的半导体层，在结晶性控制层204中，穿透位错密度在层叠方向增大。在此，“超晶格结构”是指，将膜厚为5nm的AlN与膜厚为20nm的GaN作为一组，并将20个这样组交替层叠的结构。例如无掺杂GaN层203的膜厚为1. 5 μ m，例如无掺杂GaN层205的膜厚为1 μ m。
无掺杂GaN层203以及无掺杂GaN层205是，通过通常的结晶生长形成且没有添加杂质的单一的半导体层，因此，穿透位错密度在层叠方向减少。但是，由于穿透位错密度由结晶性控制层204变大，因此，被形成在结晶性控制层204的上方的无掺杂GaN层205的穿透位错密度，比被形成在下方的无掺杂GaN层203的穿透位错密度大。由无掺杂GaN层203、结晶性控制层204以及无掺杂GaN层205构成本实施例的HEMT100中的第一氮化物半导体层103。同样，由无掺杂AKkiN层206构成本实施例的 HEMT100中的第二氮化物半导体层104。HEMT200还包括，在无掺杂AlGaN层206上排列形成的源极电极207、栅极电极208 以及漏极电极209。作为欧姆电极的源极电极207以及漏极电极209，分别由被层叠在无掺杂AlGaN层 206上的Ti层和Al层构成。作为肖特基电极的栅极电极208，由被层叠在无掺杂AlGaN层 206上的Pt层和Au层构成。图7(G)中的曲线800示出本实施例涉及的HEMT200中的穿透位错密度的膜厚方向依赖性的模式图，图7(A)示出结晶结构的模式图。如图7(A)以及图7(G)示出，由无掺杂GaN层203，穿透位错密度在层叠方向(GaN 生长方向)单调地减少，但是，由结晶性控制层204的超晶格结构，穿透位错密度暂时增大。 然后，由无掺杂GaN层205，穿透位错密度在层叠方向(GaN生长方向)再次逐渐减少，据此， 在无掺杂GaN层205的与无掺杂AlGaN层206的接合面的X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽成为lOOOarcsec，若换算为穿透位错密度，则成为4. 4X109cm_2。在这些HEMT200 中，实现电流崩塌度Raf/Rbf = 2.8，成为实用上不会造成问题的程度。并且，第一氮化物半导体层103整体成为2. 5 μ m，此时的耐压为500V，因此能够超过在日本的商用电源所需要的耐压400V。如上所述，根据本实施例的HEMT200，沟道的结晶性由结晶性控制层204控制，穿透位错密度被调整为2X IO9CnT2以上且LexiOiciCnr2以下。因此，能够将薄膜电阻抑制到实用上能够使用的范围内，并且能够抑制电流崩塌。并且，根据本实施例的HEMT200，除了设置穿透位错密度大的结晶性控制层204以外，还设置穿透位错密度在层叠方向单调地减少的无掺杂GaN层203以及无掺杂GaN层 205。因此，能够使高耐压与电流崩塌的抑制相调和。(实施例2)以实施例2示出本实施例的HEMT100的应用例。图8是模式性地示出本实施例涉及的HEMT300的构成的截面图。如图8示出，HEMT300包括，在衬底201上通过缓冲层202而依次被层叠的无掺杂 GaN层303、结晶性控制层304、以及无掺杂AlGaN层206。HEMT300还包括，在无掺杂AlGaN 层206上排列形成的源极电极207、栅极电极208以及漏极电极209。例如，结晶性控制层304是由1 μ m的GaN构成的半导体层，以与通常的生长温度 1020°C相比低的温度(900°C至1000°C )或高的温度(1040°C至1100°C )来使GaN结晶生长，从而形成结晶性控制层304。因此，在结晶性控制层304中，穿透位错密度在层叠方向逐渐增大。例如，无掺杂GaN层303的膜厚为1. 5μπι。无掺杂GaN层303是，通过通常的结晶
8生长形成且没有添加杂质的单一的半导体层，因此，穿透位错密度在层叠方向减少。由无掺杂GaN层303以及结晶性控制层304构成本实施例的HEMT100中的第一氮化物半导体层103。图7(G)中的曲线801示出本实施例涉及的HEMT300中的穿透位错密度的膜厚方向依赖性的模式图，图7(B)示出结晶结构的模式图。如图7(B)以及图7(G)示出，由无掺杂GaN层303，穿透位错密度在层叠方向(GaN 生长方向)单调地减少，但是，由结晶性控制层304，穿透位错密度在层叠方向(GaN生长方向)逐渐增大。例如，在以生长温度为1050°C来使Iym的GaN生长从而形成结晶性控制层304的情况下，在结晶性控制层304的与无掺杂AKiaN层206的接合面的X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽成为1050arcsec，若换算为穿透位错密度，则成为4.9X109cm_2。 据此，HEMT300的电流崩塌度Raf/Rbf成为2. 7，能够将电流崩塌抑制到实用上不会造成问题的程度。而且，在所述实施例中，第一氮化物半导体层103由无掺杂GaN层303以及结晶性控制层304构成，包括作为穿透位错密度单调地减少的区域的无掺杂GaN层303。但也可以是，第一氮化物半导体层103由结晶性控制层304构成，仅包括穿透位错密度单调地增加的区域。在图9的截面图模式性地示出此时的HEMT300的构成，图7(G)中的曲线802示出穿透位错密度的膜厚方向依赖性的模式图，图7(C)示出结晶结构的模式图。如图7(C)以及图7(G)示出，由结晶性控制层304，穿透位错密度在层叠方向(GaN生长方向)逐渐增大。并且，同样，也可以是，第一氮化物半导体层103由无掺杂GaN层303、结晶性控制层304以及无掺杂GaN层305构成，在结晶性控制层304上包括穿透位错密度单调地减少的区域。无掺杂GaN层305是，通过通常的结晶生长形成且没有添加杂质的单一的半导体层。在图10的截面图模式性地示出此时的HEMT300的构成，图7(G)中的曲线803示出穿透位错密度的膜厚方向依赖性的模式图，图7(D)示出结晶结构的模式图。如图7(D)以及图7(G)示出，由结晶性控制层304，穿透位错密度在层叠方向(GaN生长方向)逐渐增大，但是，由无掺杂GaN层305，穿透位错密度在层叠方向(GaN生长方向)逐渐减少。(实施例3)以实施例3示出本实施例的HEMT100的应用例。图11是模式性地示出本实施例涉及的HEMT400的构成的截面图。如图11示出，HEMT400包括，在衬底201上通过缓冲层202而依次被层叠的无掺杂GaN层203、结晶性控制层404和405、以及无掺杂AlGaN层206。HEMT400还包括，在无掺杂AlGaN层206上排列形成的源极电极207、栅极电极208以及漏极电极209。结晶性控制层404是，通过由无掺杂AlN和GaN构成的超晶格结构体而成的半导体层，在结晶性控制层404中，穿透位错密度在层叠方向增大。在此，“超晶格结构”是指，将膜厚为5nm的AlN与膜厚为20nm的GaN作为一组，并将20个这样组交替层叠的结构。例如，结晶性控制层405是由1 μ m的GaN构成的半导体层，以与通常的生长温度 1020°C相比低的温度(900°C至1000°C )或高的温度(1040°C至1100°C )来使GaN结晶生长，从而形成结晶性控制层405。因此，在结晶性控制层405中，穿透位错密度在层叠方向逐渐增大。由无掺杂GaN层203、结晶性控制层404和405构成本实施例的HEMT100中的第一氮化物半导体层103。图7 (G)中的曲线804示出本实施例涉及的HEMT400中的穿透位错密度的膜厚方向依赖性的模式图，图7(E)示出结晶结构的模式图。如图7(E)以及图7(G)示出，由无掺杂GaN层203，穿透位错密度在层叠方向(GaN 生长方向)单调地减少，但是，由结晶性控制层404，穿透位错密度暂时增大，进一步，由结晶性控制层405，穿透位错密度在层叠方向(GaN生长方向)逐渐增大。其结果为，在结晶性控制层405的与无掺杂AlGaN层206的接合面的X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽成为lOSOarcsec，若换算为穿透位错密度，则成为5. 2 X IOW20据此，HEMT400的电流崩塌度Raf/Rbf成为2. 9，能够将电流崩塌抑制到实用上不会造成问题的程度。(实施例4)以实施例4示出本实施例的HEMT100的应用例。图12是模式性地示出本实施例涉及的HEMT500的构成的截面图。T500包括，在衬底201上通过缓冲层202而依次被层叠的无掺杂GaN层203、结晶性控制层504、无掺杂GaN层505、结晶性控制层506和507、以及无掺杂AKkiN层206。 HEMT500还包括，在无掺杂AlGaN层206上排列形成的源极电极207、栅极电极208以及漏极电极209。结晶性控制层504以及506分别是，通过由无掺杂AlN和GaN构成的超晶格结构体而成的半导体层，在结晶性控制层504以及506中，穿透位错密度在层叠方向增大。在此， “超晶格结构”是指，将膜厚为5nm的AlN与膜厚为20nm的GaN作为一组，并将20个这样组
交替层叠的结构。无掺杂GaN层505是，通过通常的结晶生长形成且没有添加杂质的单一的半导体层，因此，穿透位错密度在层叠方向减少。例如，无掺杂GaN层505的膜厚为0. 5 μ m。例如，结晶性控制层507是由1 μ m的GaN构成的半导体层，以与通常的生长温度 1020°C相比低的温度(900°C至1000°C )或高的温度(1040°C至1100°C )来使GaN结晶生长，从而形成结晶性控制层507。因此，在结晶性控制层507中，穿透位错密度在层叠方向逐渐增大。由无掺杂GaN层203、结晶性控制层504、506和507、以及无掺杂GaN层505构成本实施例的HEMT100中的第一氮化物半导体层103。图7(G)中的曲线805示出本实施例涉及的HEMT500中的穿透位错密度的膜厚方向依赖性的模式图，图7(F)示出结晶结构的模式图。如图7(F)以及图7(G)示出，由无掺杂GaN层203，穿透位错密度在层叠方向(GaN 生长方向)单调地减少，但是，由结晶性控制层504的超晶格结构，穿透位错密度暂时增大。然后，由无掺杂GaN层505，穿透位错密度暂时减少后，再次，由结晶性控制层506的超晶格结构，穿透位错密度暂时增大，进一步，由结晶性控制层507，穿透位错密度逐渐增大。 其结果为，在结晶性控制层507的与无掺杂AKiaN层206的接合面的X射线摇摆曲线的 (1012)线的半峰全宽成为llOOarcsec，若换算为穿透位错密度，则成为5.3X109cm_2。据此，HEMT500的电流崩塌度Raf/Rbf成为2. 5，能够将电流崩塌抑制到实用上不会造成问题的程度。以上，根据实施例说明了本发明的场效应晶体管，但是，本发明不仅限于该实施例。在不脱离本发明的宗旨的范围内所进行的本领域的技术人员能够想到的各种变形的也包含在本发明的范围内。例如，在所述实施例中，第一氮化物半导体层103(作为沟道来发挥作用的GaN层) 包括结晶性控制层。但是，若在第一氮化物半导体层103的与第二氮化物半导体层104的接合面，X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽在800至1900arcsec之间，并且，换算为穿透位错密度而在2X IO9CnT2以上且4. 4X IOiciCnT2以下，则不仅限于此。这样的区域是，适当地控制第一氮化物半导体层103的形成条件而形成的。也就是说，一边使氨与三甲基镓的流量比(V族元素与III族元素的比例)增大， 一边使GaN层在缓冲层102上结晶生长，将V族元素与III族元素的比例成为1150，使GaN 层生长2 μ m，从而形成第一氮化物半导体层103。在此情况下，在沟道的X射线摇摆曲线的 (1012)线的半峰全宽成为950arcsec，若换算为穿透位错密度，则成为4.0X109cm_2。据此， HEMT的电流崩塌度Raf/Rbf成为3. 5，能够将电流崩塌抑制到实用上不会造成问题的程度。并且，在使GaN层在缓冲层102上结晶生长时，掺杂杂质浓度为IO16CnT3以上的B、 As、P或N等杂质，从而形成GaN层。形成后的GaN层，含有杂质浓度为IO16CnT3以上的B、As、 P或N等杂质。根据这些掺杂原子和N原子的大小的不同，GaN的晶格常数失真，在GaN层导入位错。在此情况下，在沟道的X射线摇摆曲线的(1012)线的半峰全宽成为850arcsec， 若换算为穿透位错密度，则成为3.2X109cnT2。据此，冊1^的电流崩塌度1^/1^成为3.8， 能够将电流崩塌抑制到实用上不会造成问题的程度。并且，在所述实施例中，第一氮化物半导体层103，由GaN构成，但也可以，除了 GaN 以外，还由含有Al以及h等的AlmGiiJrvNa)彡χ彡1，0彡y彡1)系的半导体材料构成。产业利用性本发明，有用于场效应晶体管，尤其有用于在空调器等民用设备的电源电路等上利用的功率晶体管。符号说明100、200、300、400、500HEMT101、201 衬底102、202 缓冲层103第一氮化物半导体层104第二氮化物半导体层107、207、705 源极电极108、208、706 栅极电极109、209、707 漏极电极203、205、303、305、505、703 无掺杂 GaN 层204、304、404、405、504、506、507 结晶性控制层206、704 无掺杂 AlGaN 层701Si 衬底702低温AlN缓冲层800、801、802、803、804、805 曲线
1权利要求
1.一种场效应晶体管，包括由第一氮化物半导体构成的第一半导体层；以及由第二氮化物半导体构成的第二半导体层，该第二半导体层被形成在所述第一半导体层上，并且该第二氮化物半导体的禁带宽度比所述第一氮化物半导体大， 所述第一半导体层具有，穿透位错密度在层叠方向增大的区域。
2.如权利要求1所述的场效应晶体管，所述第一半导体层具有第三半导体层、结晶性控制层以及第四半导体层，所述结晶性控制层被形成在所述第三半导体层上，所述第四半导体层被形成在所述结晶性控制层上， 在所述结晶性控制层，穿透位错密度在层叠方向增大， 所述第四半导体层的穿透位错密度，比所述第三半导体层的穿透位错密度大。
3.如权利要求1所述的场效应晶体管，在所述第一半导体层的与所述第二半导体层的接合面的穿透位错密度在2X IO9CnT2以上。
4.如权利要求1所述的场效应晶体管，所述第一半导体层具有，穿透位错密度在层叠方向减少的区域。
5.如权利要求1至4的任一项所述的场效应晶体管， 所述第一半导体层的膜厚在2 μ m以上。
6.如权利要求1至5的任一项所述的场效应晶体管，所述第一半导体层具有作为所述穿透位错密度在层叠方向增大的区域的层，该层具有由GaN以及AlN构成的超晶格结构。
7.如权利要求1至5的任一项所述的场效应晶体管，所述第一半导体层具有作为所述穿透位错密度在层叠方向增大的区域的层，该层由 GaN构成，且以900°C至1000°C或1040°C至1100°C的温度结晶生长而形成。
8.如权利要求1至5的任一项所述的场效应晶体管，所述第一半导体层具有作为所述穿透位错密度在层叠方向增大的区域的层，该层以 IO16CnT3以上的杂质浓度含有B、As、P或N。
9.如权利要求1至5的任一项所述的场效应晶体管，所述第一半导体层是，一边使V族元素与III族元素的比例增大一边进行结晶生长而形成的。
全文摘要
本发明的目的在于提供能够抑制电流崩塌的场效应晶体管，作为场效应晶体管的HEMT(100)，包括由第一氮化物半导体构成的第一半导体层(103)；以及由第二氮化物半导体构成的第二半导体层(104)，该第二半导体层被形成在第一半导体层(103)上，并且第二氮化物半导体的禁带宽度比第一氮化物半导体大，第一半导体层(103)具有，穿透位错密度在层叠方向增大的区域。
文档编号H01L21/20GK102224581SQ20098014636
公开日2011年10月19日 申请日期2009年11月18日 优先权日2008年11月21日
发明者上田哲三, 引田正洋, 松尾尚庆, 田中健一郎 申请人:松下电器产业株式会社