[发明专利]纵向氮化物半导体晶体管装置

说明书

一种阈值电压偏差少的常关型纵向氮化物半导体晶体管装置，包括：包含氮化物半导体的漂移层、与漂移层电连接的信道区域、源极电极、漏极电极、栅极绝缘膜、栅极电极。所述栅极绝缘膜至少包括位于信道区域侧的第一绝缘膜、位于栅极电极侧的第二绝缘膜、在第二绝缘膜与栅极电极之间的第三绝缘膜，第二绝缘膜具有能阶位于第一绝缘膜及第三绝缘膜两者的带隙的内侧的电荷陷阱，且通过蓄积于电荷陷阱的电荷来调整阈值电压，所述阈值电压用于利用施加至栅极电极的电压而使信道区域的传导载流子实质上消失来阻断流动的电流。另外，在所述信道区域与所述栅极电极之间设置电荷蓄积用电极，且通过蓄积于所述电荷蓄积用电极的电荷来调整所述阈值电压。

技术领域

本发明涉及一种纵向氮化物半导体晶体管装置，尤其涉及一种具有场效应型栅极且适宜应用于大功率开关元件的纵向氮化物半导体场效应晶体管装置。

背景技术

作为氮化物半导体的GaN、AlN、InN或包含它们的混晶的半导体具有宽的带隙(band gap)，且传导电子具有高载流子迁移率，因此适用于高电压高输出电子器件。尤其是在利用氮化物半导体制作的纵向场效应晶体管(Vertical Field Effect Transistor)中，自源极流出的电子电流通过配置于源极区域的下部的厚且掺质浓度低的漂移层而流入漏极。因此，相对于关断时的漏极电压的耐电压高。而且，由于源极与漏极纵向地配置，每单位面积中流过的电流高，导通电阻低，因此适于用作大功率开关(电源开关(power switch))元件。图17(a)是作为第一现有例的纵向氮化物半导体场效应晶体管的剖面图(专利文献1)。首先，在基板1100上形成漂移层1101。在基板1100中使用n型导电性的GaN、SiC、Si等。氮化物半导体的外延生长(epitaxial growth)在c轴方向的生长容易获得良好的结晶性。因此，基板1100优选使用具有可获得向c轴方向的外延生长的晶面方位的单晶基板。例如，在使用晶体结构为六方晶的GaN基板或SiC基板的情况下，将基板的晶面方位设为c轴方向。使用GaN基板的情况下，使用外延结晶生长特别容易的Ga面的基板。另外，在使用Si基板的情况下，若使用晶面方位为(111)的基板，则可获得氮化物半导体向c轴方向的外延生长。在基板1100与漂移层1101之间，也可出于使漂移层1101外延生长时的结晶性提高的目的而插入缓冲层。另外，漂移层1101可用n型GaN、n型AlGaN、或具有组成倾斜的AlGaN等。在漂移层1101的上部设置阻挡层1102、第一氮化物半导体层1104、第二氮化物半导体层1105。阻挡层1102是出于阻止传导电子的流动为目的而设置，且在面内的一部分设置不阻挡传导电子的流动的开口部1103。开口部1103的制作有各种方法。例如，可在漂移层1101上的整个面形成阻挡层1102，并通过湿式蚀刻或干式蚀刻将开口部1103的阻挡层1102去除，然后使第一氮化物半导体层1104及第二氮化物半导体层1105生长以填埋开口部1103。在此种情况下，对于阻挡层1102，使用在漂移层1101上外延生长而成的p型GaN、p型AlGaN、掺杂有用于形成深陷阱能阶的掺质的高电阻氮化物半导体、绝缘膜、或者它们的层叠结构等。或者，也可在生长出漂移层1101之后，通过离子注入将p型掺质选择性地导入至开口部以外的部分，并通过其后的热工序加以活化，从而形成包括p型层的阻挡层1102。或者，也可在依次外延生长出漂移层1101、包含p型氮化物半导体的阻挡层1102、第一氮化物半导体层1104、第二氮化物半导体层1105之后，将n型掺质选择性地离子注入至开口部1103，并通过其后的热工序加以活化，从而使开口部1103的阻挡层1102进行n型反转。第二氮化物半导体层1105至少包含带隙比第一氮化物半导体层1104的至少一部分氮化物半导体大的氮化物半导体。例如，使用GaN作为第一氮化物半导体层1104，使用AlGaN作为第二氮化物半导体层1105。由此，在第二氮化物半导体层1105与第一氮化物半导体层1104的界面的第一氮化物半导体层1104侧形成包含二维电子气的导电层1111及导电层1112。在第二氮化物半导体层1105上形成栅极绝缘膜1106。作为其材料，使用氧化铝、氧化硅、氮化硅、氧化铪、氧化锆或现有已知的其他栅极绝缘物材料、或者它们的层叠膜。在栅极绝缘膜1106上形成栅极电极1107。另外，与第二氮化物半导体层1105接触地形成源极电极1109，在基板1100的背面形成漏极电极1110。另外，当在阻挡层1102中使用p型氮化物半导体时，为了将电位固定，也可设置主体电极1108。作为电极材料，例如使用Pd、Pt、Ni等。源极电极1109形成为同时与主体电极1108电连接。作为电极材料，例如使用由下层为Ti、上层为Al所构成的多层膜。此外，源极电极1109的形成也可在形成栅极电极1107之前进行，例如可在形成第二氮化物半导体层1105之后，首先形成主体电极1108及源极电极1109，继而沉积栅极绝缘膜1106，再形成栅极电极1107。背面的漏极电极1110也可在其他电极形成之前形成。主体电极1108是为了将阻挡层1102的电位固定而设置，但也可不设置主体电极1108。