[发明专利]氮化物半导体外延叠层结构及其功率元件

说明书

本发明公开一种氮化物半导体外延叠层结构及其功率元件，该氮化物半导体外延叠层结构包含一硅基板；一含铝成核层，配置于前述硅基板上；一缓冲结构，配置于前述含铝成核层上，依序包含：一第一超晶格外延结构；一第一氮化镓系厚层，配置于前述第一超晶格外延结构上；一第二超晶格外延结构，配置于前述第一氮化镓系厚层上；及一第二氮化镓系厚层，配置于前述第二超晶格外延结构上；一通道层，配置于前述缓冲结构上；一阻挡层，配置于前述通道层上；及一二维电子气层，位于邻近前述通道层与前述阻挡层间的一界面；其中，该第一氮化镓系厚层及该第二氮化镓系厚层的总厚度大于两微米。

本申请是中国发明专利申请(申请号：201810110148.9，申请日：2018年02月05日，发明名称：氮化物半导体外延叠层结构及其功率元件)的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种氮化物半导体外延叠层结构及其功率元件，更具体而言，涉及一种应用于半导体功率元件的氮化镓系半导体外延叠层结构及其功率元件。

背景技术

近几年来，由于高频及高功率元件产品的需求与日俱增，三五族半导体材料氮化镓(GaN)的带隙约为3.4eV，热传导性1.5W/cm，其宽带隙及高热传导性(易于散热)适合操作在高温以及耐化学腐蚀的环境。此外，氮化镓材料的击穿电场为(3×10⁶V/cm)，载流子传输速度可以达到3×10⁷cm/s，使得氮化镓材料适合作为微波高功率元件，可施加高电压于其上而不致崩坏。因此，以氮化镓材料为主的氮化物半导体功率元件，如氮化铝镓/氮化镓(AlGaN/GaN)半导体功率元件等因具高速电子迁移率、可达到非常快速的切换速度、可于高频、高功率及高温工作环境下操作的元件特性，广泛地于工业运用，包含电子产品、不断电系统、汽车、马达、风力发电等领域，特别被应用在电源供应器(power supply)、DC/DC转换器(DC/DC converter)、DC/AC逆变器(AC/DC inverter)。

然而，现有的产品基于效率、价格等竞争力的考虑，在价格考虑下，选用较便宜但与氮化物半导体材料晶格常数及热膨胀系数不同的基板材料。因之，在基板材料与氮化物半导体材料间晶格常数及热膨胀系数的差异下，在基板上形成外延层时，便容易于外延层间产生外延缺陷。当外延缺陷密度较高时，则容易使外延层的表面平整度降低，而若外延缺陷延伸成长至外延层的表面时，则会成为使外延层表面产生裂纹(crack)的成因之一。因此，要在基板上形成外延缺陷密度低、表面平整、表面裂纹较少及/或较小的高品质氮化物半导体外延叠层结构并不容易。在各种不同基板材料中，硅基板以合理的成本结构被广泛地应用于氮化物半导体外延叠层结构成长之中。然而，直到目前为止在硅基板上生长高品质的氮化物半导体外延叠层结构仍然是本技术领域待解决的一课题。此外，经由此氮化物半导体外延叠层结构所制造的元件，如功率元件、萧特基二极管元件，也会因氮化物半导体外延叠层结构的品质优劣影响元件的性能。

请参阅图1，图1显示为一种现有可应用于功率元件制作的氮化物半导体外延叠层结构100的穿透式电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)影像。此氮化物半导体外延叠层结构100是在硅基板110的(111)表面上沿着[0001]方向先以金属有机化学气相沉积法(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)直接形成一层氮化铝成核层120，继而再在氮化铝成核层120上以相同的MOCVD法形成由多个氮化铝超晶格层131(18纳米厚)及氮化镓超晶格层132(5纳米厚)交错堆叠的超晶格叠层130。接着，在超晶格叠层130上再以MOCVD法形成一层厚度大于1000纳米的氮化镓厚层140。接着于其上以MOCVD法形成一阻挡层152，并在临近氮化镓厚层140及阻挡层152的接面处产生二维电子气(two-dimensional electron gas,2DEG,图未示)。

由图1中可以发现，此种构造的氮化物半导体外延叠层结构100即便下方具有超晶格叠层130的结构，许多外延缺陷145仍然形成于氮化镓厚层140内，并向上延伸至氮化镓厚层140的上半部，甚至是阻挡层152内。

发明内容