[发明专利]半导体元件

说明书

本发明公开一半导体元件，其具有一通道层、一上阻障层、一缓冲层、以及一背向阻障层。前述通道层形成于一基底上。前述上阻障层形成于前述通道层上。前述通道层与前述上阻障层之间形成有一第一异质接面，使前述通道层中产生了一第一二维电子气。前述缓冲层形成于前述基底与前述通道层之间。前述背向阻障层形成于前述缓冲层与前述通道层之间。前述缓冲层与前述背向阻障层之间形成有一第二异质接面，使前述缓冲层中产生了一第二二维电子气。一源极电极，一漏极电极，及一栅极电极，分别形成于前述上阻障层上。前述第二二维电子气的载流子面密度小于8E+10cmsupgt;‑2/supgt;。

技术领域

本发明涉及半导体元件，尤指氮化镓(Gallium Nitride，GaN)半导体元件。

背景技术

GaN半导体元件能够传导大电流并且耐受高电压，所以越来越受到功率半导体业界的欢迎。GaN半导体元件的发展一般是专注于高功率或是高切换频率上的应用。针对这些应用所制造的元件，一般需要通过GaN系半导体材料本身特性及其异质接面(heterojunction)结构所产生的二维电子气来展现出高电子稼动率(high electronmobility)，所以这样的元件往往称为异质接面场效晶体管(heterojunction fieldeffect transistor，HFET)或是高电子稼动率晶体管(high electron mobilitytransistor，HEMT)。

图1显示一现有的GaN HEMT 10。GaN HEMT 10包含一通道层16与一阻障层18，其为不同组成的GaN系半导体材料外延层，长在基底12上与缓冲层14上。源极电极22、漏极电极24、栅极电极20则分别以金属所构成，设置于GaN HEMT 10的预定位置上。因为材料上的差异，所以通道层16与阻障层18分别具有不同的能带隙(energy band-gap)，也因此在两者之间形成了一个异质接面26。材料差异将导致不同的费米能阶(Fermi levels，E_f)以及极化效应(Polarization effect)。所以，在异质接面26附近，会根据外延层结构的极化方向总和所造成的能带扭曲形成一个低于费米能阶的量子位能阱(quantum well)，并产生二维电子气(2-dimensional electron gas，2DEG)28，在本图中，二维电子气28生成于通道层16侧。二维电子气28中的电子具有非常高的电子稼动率，其可以让GaN HEMT 10具有非常低的开启电阻(on-resistance，R_ON)。

在实际应用上，额外增加的动态(dynamic)R_ON或是电流崩塌(current collapse，CC)的现象，却是GaN HEMT业界所急切要解决的问题之一。一般相信，电流崩塌是GaN HEMT中所产生的缺陷(trap)所造成。在暂态操作时，电子被外延层中的缺陷所捕捉，进而影响了二维电子气的形成，导致了增加的动态R_ON。

发明内容

本发明实施例提供一半导体元件，其具有一通道层、一上阻障层、一缓冲层、以及一背向阻障层。前述通道层形成于一基底上。前述上阻障层形成于前述通道层上。前述通道层与前述上阻障层之间形成有一第一异质接面，导致在前述通道层中产生了一第一二维电子气。前述缓冲层形成于前述基底与前述通道层之间。前述背向阻障层形成于前述缓冲层与前述通道层之间。前述缓冲层与前述背向阻障层之间形成有一第二异质接面，导致在前述缓冲层中产生了一第二二维电子气。一源极电极，一漏极电极，及一栅极电极，分别形成于前述上阻障层上。前述第二二维电子气的载流子面密度小于8E+10cm^-2。