[发明专利]半导体器件

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于2011年10月31日提交的日本专利申请No.2011-239044，在这里通过引用的方式将其公开并入本文。

技术领域

本公开涉及一种半导体器件及其制造方法，所述半导体器件包括基于氮化镓（GaN）的高电子迁移率晶体管（HEMT）的结构。

背景技术

由氮化镓（GaN）表示的氮化物半导体是具有极宽带隙的半导体，并且GaN和AlN分别具有宽达3.4eV和6.2eV的带隙。此外，GaN的特征在于其击穿场和电子饱和漂移速度比诸如GaAs和Si的其它半导体的击穿场和电子饱和漂移速度大两倍或三倍。

另外，使用了铝（Al）和铟（In）的氮化物半导体形成多元混晶半导体，并且可以通过层叠具有不同带隙的半导体来设计异质结构。例如，已知的是根据由具有25%的Al成分比的氮化铝镓和氮化镓的异质结面上的晶格失配导致的变形生成的自发极化和压电极化，能够在C轴方向上获得大于或等于1.0×10¹³cm^-2的极高表面载流子浓度。使用高浓度二维电子气（2DEG）的AlGaN/GaN的这种HEMT表现出非常大和高的驱动能力，其比Si基器件的驱动能力大十倍并且大约比基于相同化合物半导体的AlGaN/GaAs的2DEG的驱动能力大四倍。此外，由于材料的高性能，在具有导通电阻和200V耐压作为元件极限的器件中，氮化物半导体的导通电阻实现为低于或等于使用Si的MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的导通电阻的十分之一以及低于或等于IGBT（绝缘栅极双极晶体管）的导通电阻的三分之一（例如，参见NPL.1）。

然而，在将GaN-HEMT应用于具有感应负载的电源、具有感应负载电机的逆变器等等时，存在如下问题。

在感应负载连接至HEMT的情况下，在HEMT截止时，需要消耗在电路内的感应负载中积累的能量。在这里，能量被表示为：E=(1/2)×LI²，其中L是自感并且I是电流。使用Si的MOSFET具有连接在器件结构中的漏极和源极之间的反并联寄生二极管。寄生二极管的阴极连接至漏极并且阳极连接至源极。当MOSFET截止时，使用寄生二极管的雪崩区域来消耗来自感应负载的能量。因此，MOSFET具有相对大的雪崩能量电阻。

雪崩能量电阻是器件的抗破坏的指标，并且被定义为在通过器件消耗在感应负载中积累的能量时未使得器件破坏的情况下能够消耗的最大能量。

另一方面，诸如GaN-HEMT和GaAs-HEMT的化合物半导体的场效应晶体管器件通常不具有P区并且因此不具有寄生二极管结构。因此，在元件内不能消耗来自感应负载的能量，能量超过栅极-漏极耐压（BVgd）和源极-漏极截止耐压（BVdsoff）并且最终引起元件破坏。因此，通常在具有自感L的感应负载（例如逆变器）的系统中将HEMT和保护元件一起使用。

图10A和10B是示出了保护元件连接的示例的示意图。图10A示出了二极管被连接在源极和漏极之间的示例。图10B示出了二极管被连接在栅极和漏极之间以及栅极和源极之间的示例。

例如在JP-A-2009-164158中描述了图10A中示出的连接配置。然而，因为二极管要求等于MOSFET的额定电流的电力容量，所以这种连接配置具有保护元件占据大的面积的缺点。

另外，图10B中示出的连接配置未提到GaN-HEMT。然而，这种连接配置等同于IGBT元件的保护电路。这种连接配置的机理如下。也就是说，当栅极-漏极电压增大时，栅极和漏极之间的齐纳二极管开始运行并且栅极和源极之间的二极管同时开始运行。因此，栅极电压增大并且沟道开启，使得释放雪崩能量。

这种连接配置具有如下机理：当通过连接至IGBT元件的感应负载中的能量增大漏极电压时，通过修改漏极电压以及向栅极电压传输经修改的漏极电压使得沟道开启，从而使得释放能量。因此，这种连接配置具有不需要大的保护元件的优点。

既然如此，与IGBT元件一样，可以向GaN-HEMT提供二极管作为保护元件。然而，因为IGBT元件的保护元件由Si二极管形成，所以通过相同的方式在GaN层上形成例如将被形成为二极管的多晶硅是很自然的。因为GaN层是半绝缘的，所以多晶硅层可以直接形成在GaN层上。然而，硅进入GaN层并且变为掺杂剂。为了避免这种不便，多晶硅层经由绝缘层直接形成在GaN层上。在这种情况下，通过GaN层、绝缘层和多晶硅层生成不期望的寄生电容。