[发明专利]具有掺杂的外延结构的III族氮化物半导体器件

说明书

技术领域

本申请涉及III族氮化物半导体，特别地涉及具有快速动态开关特性和高击穿电压特性的III族氮化物半导体器件。

背景技术

基于GaN的HEMT(高电子迁移率晶体管)器件非常适合作为功率开关器件。GaN HEMT功率器件的核心是AlGaN/GaN异质结(也称为势垒/沟道)，其沿着其界面界定高迁移率2DEG(二维电子气)。HEMT器件通过源极和漏极接触件形成，并且电流通过栅极电压来被调节。为了满足GaN HEMT功率器件的高击穿电压和低导通损耗要求，GaN外延结构必须仔细设计，以提供足够的竖直电压闭锁能力和高的横向电子迁移率。

为了实现对其Si器件对应物具有成本竞争力的GaN功率器件，通常使用MOCVD(金属有机化学气相沉积)反应器将GaN生长在150mm或200mm直径的Si衬底上(Si上GaN)。由于Si和GaN之间的晶格常数和热膨胀系数的差异很大，基于SiN和AlN的成核层通常生长在硅衬底上，随后是具有不同的Al组分的多个AlGaN过渡层，以减轻晶格失配和热失配。掺杂有铁或碳的单个GaN或AlGaN缓冲层沉积在AlGaN过渡层上以用于电压闭锁。然后GaN沟道层和AlGaN势垒层生长在掺杂有铁或碳的单个缓冲层上，以形成有源HEMT器件区域，其中高迁移率(>1500cm²/V·s)2DEG可以沿着AlGaN/GaN异质结界面横向地流动。

GaN和AlGaN缓冲层在被重掺杂有铁或碳杂质时变得高度电阻性，使得根据掺杂水平和缓冲层厚度，能够实现高达1200V或甚至更高的高电压闭锁能力。然而，在外延生长过程期间被有意地包含到缓冲层中以实现高电阻率的掺杂剂用作针对来自2DEG的自由载流子的陷阱，并且由于它们的深层受主特性而导致功率开关器件中的动态开关问题。例如，GaN外延层中的过高的高碳浓度导致被称为电流崩溃或Rdson偏移的动态开关问题。碳杂质用作深层陷阱，其在高电压应力(截止状态)下捕获自由载流子并在导通状态之后导致降低的电流或更高的Rdson(导通状态电阻)。这个问题导致了基于GaN HEMT的功率器件的很多可靠性问题，并且限制了基于GaN的功率器件开关技术的商业化。

因此，需要具有快速动态开关特性和高击穿电压特性的III族氮化物半导体器件。

发明内容

根据化合物半导体器件的实施例，化合物半导体器件包括掺杂有碳和/或铁的第一III族氮化物缓冲层、在第一III族氮化物缓冲层上方并且掺杂有碳和/或铁的第二III族氮化物缓冲层、在第二III族氮化物缓冲层上方的第一III族氮化物器件层、以及在第一III族氮化物器件层上方并且具有不同于第一III族氮化物器件层的带隙的第二III族氮化物器件层。二维电荷载气沿着第一和第二III族氮化物器件层之间的界面产生。第一III族氮化物缓冲层具有大于第二III族氮化物缓冲层的碳和/或铁的平均掺杂浓度。第二III族氮化物缓冲层具有相当于或大于第一III族氮化物器件层的碳和/或铁的平均掺杂浓度。

根据制造化合物半导体器件的方法的实施例，该方法包括：形成具有碳和/或铁的第一平均掺杂浓度的第一III族氮化物缓冲层；在第一III族氮化物缓冲层上方形成第二III族氮化物缓冲层，第二III族氮化物缓冲层具有小于第一平均掺杂浓度的碳和/或铁的第二平均掺杂浓度；在第二III族氮化物缓冲层上方形成第一III族氮化物器件层，第一III族氮化物器件层具有相当于或小于第二平均掺杂浓度的碳和/或铁的第三平均掺杂浓度；以及在第一III族氮化物器件层上方形成第二III族氮化物器件层，第二III族氮化物器件层具有不同于第一III族氮化物器件层的带隙，其中二维电荷载气沿着第一和第二III族氮化物器件层之间的界面产生。

在阅读以下详细描述以及查看附图时，本领域技术人员将认识到附加的特征和优点。

附图说明

附图的元件不一定相对于彼此成比例。相同的附图标记表示相应的相似部件。可以组合各种所示实施例的特征，除非它们彼此排斥。实施例在附图中示出，并且在下面的说明中详细描述。

图1示出了具有掺杂的外延结构的化合物半导体器件的实施例的截面图。

图2示出了用于制造图1所示的化合物半导体器件的MOCVD工艺的实施例的透视图。

图3示出了具有掺杂的外延结构的化合物半导体器件的另一实施例的截面图。

图4示出了图3所示的化合物半导体器件的不同的外延层的碳掺杂浓度水平的实施例的曲线图。

具体实施方式