[发明专利]化合物半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本文中所讨论的实施方案涉及化合物半导体器件以及用于制造该化合物半导体器件的方法。

背景技术

由于氮化物半导体具有例如表现出高饱和电子速度和宽带隙等的特性，所以已经研究了基于利用这样的特性而将氮化物半导体应用于具有高击穿电压和高功率的半导体器件。例如，作为氮化物半导体的GaN的带隙为3.4eV，其大于Si的带隙(1.1eV)和GaAs的带隙(1.4eV)；因而，GaN表现出高击穿场强。因此，GaN是用于在高电压下操作并且输出高功率的功率半导体器件的高度实用的材料。

已经报道了利用氮化物半导体的半导体器件，例如场效应晶体管，特别是高电子迁移率晶体管(HEMT)。在利用GaN的HEMT(GaN-HEMT)中，例如，其中GaN用于电子渡越层并且AlGaN用于电子供给层的AlGaN/GaN-HEMT正引起关注。

在AlGaN/GaN-HEMT中，由于GaN与AlGaN之间的晶格常数差而在AlGaN中产生应变。应变导致压电极化，并且压电极化以及在AlGaN和GaN之间的自发极化差导致高浓度二维电子气(2DEG)。因此，期望将AlGaN/GaN-HEMT应用于高效开关器件和具有高击穿电压的功率器件，以及用在例如电动车辆中。

以下文献中公开了相关技术：日本公开特许公报第2010-263011号；O.Ambacher，J.Smart，J.R.Shealy，N.G.Weimann，K.Chu，M.Murphy，W.J.Schaff，L.F.Eastman，R.Dimitrov，L.Wittmer，M.Stutzmann，W.Rieger和J.Hilsenbeck，Journal of Applied Physics，85，3222，1999；以及K.Matocha，T.P.Chow和R.J.Gutmann，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，第23卷，第79页，2002年。

在AlGaN/GaN-HEMT中，大量电子存在于沟道中，因此甚至在未施加栅极电压的状态下，在沟道中也有电流流动；换言之，该现象为常通模式下的操作。为了中断电流的这种流动，向栅电极施加负电压。为了将GaN-HEMT用作具有高击穿电压的功率器件，在故障安全方面，GaN-HEMT理想地以如下常断模式进行操作：其中，在未施加栅极电压的状态下，在沟道中没有电流流动。

金属氧化物半导体(MOS)GaN-HEMT已经被开发为可以以常断模式进行操作的GaN-HEMT；具体地，GaN用于电子渡越层，并且在电子渡越层上方形成有栅电极，其中在电子渡越层和栅电极之间插入栅极绝缘膜。在GaN-HEMT中，GaN通常用于形成表面(上表面)为Ga面(其为c面(0001))的电子渡越层。在这种情况下，在电子渡越层与栅极绝缘膜的界面的附近生成负的自发极化电荷。

这样的自发极化电荷随着温度的升高而显著改变。现有的GaN-HEMT具有阈值电压的高温依赖性问题。

图1A示出现有GaN-MOS二极管的一个例子的C-V特性，并且图1B示出在现有GaN-MOS二极管的该例子中的在平带电压与温度之间的关系(测量的Vfb)以及理论曲线(理想的Vfb)。从图1A清楚可见，C-V曲线随着温度的升高向右侧移动。这表明负的自发极化电荷随着温度的升高而增加。如图1B所示，尽管平带电压的温度依赖性理论上非常弱，但是负的自发极化电荷的温度依赖性显著增加了平带电压的温度依赖性，这带来了问题。

发明内容

本文中所讨论的实施方案提供了一种化合物半导体器件，该化合物半导体器件能够大幅降低阈值电压和平带电压的温度依赖性从而良好地稳定阈值电压和平带电压，并且该化合物半导体器件在常断模式下具有高可靠性和高耐受电压。

本文中所讨论的实施方案也提供了一种用于制造这样的化合物半导体器件的方法。

根据本发明的一个方面，化合物半导体器件包括：由化合物半导体形成的电子渡越层；以及形成为覆盖电子渡越层的电极，其中在电子渡越层和电极之间插入有绝缘膜，其中电子渡越层的在电极下方的部分形成为使得具有第一极性面的第一化合物半导体和具有第二极性面的第二化合物半导体交替布置，并且第一极性面中的极化电荷与第二极性面中的极化电荷具有相反的极性。

附图说明

图1A和图1B示出现有GaN-MOS二极管的特性；

图2A至图2C为依次示出用于制造根据第一实施方案的GaN-HEMT的过程的示意性截面图；