[发明专利]第Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体器件

说明书

本非临时申请基于2009年2月3日提交日本专利局的日本专利申请2009-022950，该日本专利申请2009-022950的全部内容通过引用结合在此。

技术领域

本发明涉及第III-V族化合物半导体器件的改进，更特别地，涉及包括沟道层和阻挡层的第III-V族化合物半导体器件的改进，所述的沟道层和阻挡层形成异质界面(hetero-interface)。

背景技术

在将由GaN、AlGaN、InGaN等代表的第III族氮化物半导体用于电子器件的情况下，预期这些材料的优异性能可以实现良好的器件性能例如高耐电压、高速运行、高耐热性、低接通电阻等。因此，目前正在开发使用第III族氮化物半导体代替Si材料的电子器件。特别是对于场效应晶体管(FET)，采用形成在AlGaN/GaN的异质结界面附近的二维电子气，可以降低FET的接通电阻。如此，提出了各种利用异质结界面的器件结构。

图3是使用第III族氮化物半导体的常规的异质结型场效应晶体管(HFET)(参考IEICE的技术报告(Technical Report ofIEICE)，ED2001-185，第7-12页)的示意性横截面图。这种HFET是平面型器件，并且包括缓冲层(或晶体成核层)303、GaN沟道层304和AlGaN阻挡层305，它们以这种顺序层叠在蓝宝石、Si、SiC等的基板302上。在AlGaN阻挡层305上形成的是源极电极306、栅极电极307和漏极电极308。在源极电极306和漏极电极308之间，阻挡层305的上表面和栅极电极307的上表面被由SiN等的绝缘体膜形成的保护层覆盖。

当长时间运行上述第III族氮化物半导体HFET时，出现的问题是HFET器件的接通电阻与器件初始状态相比逐渐增加，然后源极-漏极电流逐渐降低。

对于第III族氮化物半导体HFET，所谓的电流崩塌(current collapse)现象是熟知的，其中当施加源极-漏极电压时，与器件的静止状态相比，沟道区域中的薄层(sheet)载流子密度降低。为了抑制这种现象，已经尝试使保护层309(参见图3)例如具有抑制电流崩塌的功能。然而，即使提供这样的对策，也难以避免漏极电流如上所述那样降低。

为了研究这个问题的起因，本发明人已经对性能已劣化的HFET器件进行了SIMS(次级离子质谱法)。结果，已经发现，与非劣化的器件中相比，在劣化的HFET器件中，氢原子浓度在半导体层中，特别是在从AlGaN阻挡层的上表面侧至异质结界面和GaN沟道层附近的区域变得更高。

通过SIMS还发现，在覆盖器件上表面的绝缘体膜内含有约10²⁰个/cm³的高水平浓度的氢原子。尽管通过射频溅射沉积此时分析的绝缘体膜，但是存在以下的充分可能性：甚至通过使用其它沉积方法例如在用于形成电子器件的方法中通常使用的电子束蒸发法和CVD(化学气相沉积)法中的一种沉积的绝缘体膜中，取决于沉积条件而含有约10¹⁹-10²¹个/cm³的氢原子。这种约10²⁰个/cm³的氢浓度水平比第III族氮化物晶体层如AlGaN阻挡层和GaN沟道层中含有的氢原子浓度(约10¹⁸个/cm³)高约2位数。

因此，据推测，当器件处于其运行状态时，在朝器件的基板侧产生强电场的条件下，氢原子从含有高浓度氢原子的绝缘体膜迁移或者扩散至HFET器件的内部。此时，在绝缘体膜中的氢键的解离引起的缺陷增加，因而电荷被定位在这些缺陷处。结果，以与熟知的电流崩塌现象类似的原理，在AlGaN阻挡层/GaN沟道层的异质界面附近中产生的二维电子气(以下称为″2DEG″)中的电子浓度相对降低，因而在HFET的电流沟道中的电阻成分(component)增加。因此，据推测，这是其中源极和漏极之间的电流降低的模型。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，并且本发明的一个目的是提供一种改进的第III-V族化合物半导体器件，其中长时间的器件运行中，接通电阻不增加。