TWI574407B - 半導體功率元件 - Google Patents
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Description
本發明係關於一半導體功率元件，尤其關於一種具有中間層位於漸變層內的半導體功率元件。
為因應高頻率下應用半導體功率元件作為開關控制元件的需求，近來使用III-V族材料，如氮化鎵(GaN)，作為高頻率操作下的功率元件上發展迅速。因為其材料特性可藉由壓電效應在接面處產生二維電子氣(two-dimensional electron gas，2DEG)，透過電子本身的高遷移率、二維電子氣所具備的高濃度電子以及氮化鎵的低片電阻值等因素，使得III-V族材料在形成帶有二維電子氣的結構時具有高電流密度輸出、低切換損失以及可供高電壓操作等優點，因此適合應用於功率元件的製作。
常見的功率元件包含雙極性電晶體(Bipolar Junction Transition,BJT)與場效電晶體(Field Effect Transistor,FET)，其中雙極性電晶體(Bipolar Junction Transition,BJT)是透過控制電晶體內的兩個pn接面的偏壓程度而切換開關，並且具有輸出電流與輸入電流之間特定的比例關係，亦即電流增益。而場效電晶體是控制輸入訊號而改變電晶體內的電場，造成通道的特性改變而切換開關，而具有輸入電壓與輸出電流之間的特定關
係。而不論是雙極性電晶體或者場效電晶體，在使用III-V族材料來改善開關速度並提升效能上都面臨磊晶操作時的崩潰電壓與元件本身的漏電問題。其中，由基板與後續成長的磊晶材料之間的晶格常數差異衍伸出的磊晶品質問題，例如磊晶層的缺陷密度，對電晶體的崩潰電壓與漏電流的數值有重要的影響。
本發明提出一半導體功率元件，包含：一基板、一形成於基板上並具有第一晶格常數的第一半導體層，其中第一半導體層包含一第一III族元素、一形成於第一半導體層上的第一漸變層、一形成於第一漸變層上並具有第二晶格常數的第二半導體層，其中第二半導體層包含一第二III族元素、以及一位於第一漸變層內並且不包含第一III族元素與第二III族元素的第一中間層。第一漸變層包含第一III族元素與第二III族元素，並且第一漸變層中第一III族元素的組成比往遠離第一半導體層的方向漸減。而且，第一漸變層與第一中間層鄰接的兩界面具有同樣的組成。
本發明提出一半導體功率元件，包含一基板、一形成於基板之上並具有第一晶格常數的第一半導體層，其中第一半導體層包含一第一III族元素、一形成於第一半導體層上的第一漸變層、一形成於第一漸變層之上的第二漸變層、一形成於第二漸變層之上並具有第二晶格常數的第二半導體層，其中第二半導體層包含一第二III族元素、以及一位於第一漸變層內並且包含非晶質材料的第一中間層。第一漸變層包含第一III族元素與第二III族元素，並且第一漸變層中第一III族元素的組成比往遠
離第一半導體層的方向漸減。而且，第一漸變層與第二漸變層具有不同的組成。
2‧‧‧基板
4‧‧‧半導體層
6‧‧‧第一漸變層
7‧‧‧第二漸變層
106‧‧‧第一部分
107‧‧‧第二部分
108‧‧‧第三部分
109‧‧‧第四部分
8‧‧‧第一中間層
9‧‧‧第二中間層
10‧‧‧通道層
12‧‧‧電子供給層
14‧‧‧保護層
A~I‧‧‧漸變方式
圖式用以促進對本發明之理解，係本說明書之一部分。圖式之實施例配合實施方式之說明以解釋本發明之原理。
第1A-1G圖係依據本發明之實施例之製造流程各階段之剖面圖。
第2圖係依據本發明之實施例之剖面圖。
第3圖係依據本發明之實施例之剖面圖。
第4圖係依據本發明之實施例中各種漸變分布的示意圖。
第1A-1G圖係依據本發明之第一實施例之製造流程圖，參考圖1A-1E，首先在基板2上形成一半導體層4，接著形成第一漸變層6的第一部分106在半導體層4之上，並接續形成一第一中間層8於第一漸變層6的第一部分106之上，接著在形成第一中間層8之後，於第一中間層8之上形成第一漸變層6的第二部分107，如第1E圖所示；其中，第一漸變層6中的第一部分106與第二部分107具有不同的晶格常數，而第一中間層8包含非晶質材料。在本實施例中，第一漸變層6的第一部分106與第二部分107包含同樣的化學元素，。接著如第1F圖所示，在第一漸變層6的第二
部分107之上形成通道層10。在本實施例中，通道層10與半導體層4包含不同的材料。參照第1G圖，接著在通道層10之上形成一電子供給層12。在本實施例中，選擇適當的材料形成通道層10與電子供給層12，藉由晶格常數的不同所造成壓電效應以及自身的極化現象，在通道層10的內部形成二維電子氣(2-D Electron Gas；2D-EG)而增加電子傳輸的效率。本實施例中通道層10、第一漸變層6與電子供給層12都包含III-V族元素，但第一中間層8不包含與通道層10、第一部分106、第二部分107或電子供給層12相同的III-V族元素組合。在其他實施例中，第一中間層8不包含III族元素，或是不包含與第一部分106或第二部分107所包含的III族元素。而本實施例中，第一部分106與第二部分107的厚度可依照製程條件不同，使得兩個部分的厚度相同或者相異。
基板2的材料可以是藍寶石(Sapphire)、氮化鎵或矽，並且在別的實施例中可以藉由移除部分的基板2，使得後續形成為半導體功率元件時，減少半導體功率元件的漏電路徑，達到減少漏電的效果。半導體層4形成於基板2之上，作為緩衝層來減少基板2與後續成長的磊晶疊層之間的晶格常數差異。在本實施例中，半導體層4的材料是氮化鋁並形成在由氮化鎵組成的基板2所具有的[111]平面上。形成在半導體層4之上的第一漸變層6包含第一部分106、第二部分107與第一中間層8，第一中間層8可以是非晶質材料而第一部分106與第二部分107的材料可以是半導體材料。具體而言，第一中間層8包含屬於非晶質材料的氮化矽，而第一部分106與第二部分107的材料則是由氮化鋁鎵組成的半導體材料。換句話說，包含III-V族元素的第一部分106與第二部分107為不包含相同III-V族元素
組合的第一中間層8所分隔。在別的實施例中，第一中間層8可以是部分覆蓋第一部分106，也就是第一部分106與第二部分107之間有某些區域直接接觸，而沒有第一中間層8介於其間，此時第一中間層8為一形成於第一部分106之上並具有周期性、半周期性或非週期性的圖形化結構。第一部分106與第二部分107包含的氮化鋁鎵具有同樣的漸變性質，也就是所包含的氮化鋁鎵中的鋁成分都往遠離基板2的方向遞減，而所包含的鎵成分也都往遠離基板2的方向遞增。換句話說，第二部分107包含的鎵含量比第一部分106多，但是第一部分106比第二部分107包含有更多的鋁含量。從能隙(energy bandgap)的角度來看第一部分106相較於第二部分107具有較高的能隙，並且能隙往遠離基板2的方向遞減。具體而言，本實施例中組成第一部分106的氮化鋁鎵化學式可以描述為Alx1Gay1N，而組成第二部分107的氮化鋁鎵化學式則可以描述為Alx2Gay2N，其中0<x2≦x1≦1並且0<y1≦y2≦1，亦即第一部分106與第二部分107包含隨著位置不同而改變組成比例的氮化鋁鎵。雖然第一部分106與第二部分107的整體相比之下，第二部分107的整體比第一部分106的整體具有較多的的鎵含量以及較少的鋁含量。在其他實施例中可以在兩個部分內最接近的區域得到相同組成的氮化鋁鎵，亦即在第一部分106的某個區域內的Alx1Gay1N與第二部分107的某個區域內Alx2Gay2N具有x2=x1並且y1=y2的特性。考量第一部分106與第二部分107包含的氮化鋁鎵的鋁成分都具有往遠離基板2的方向遞減並且鎵成分都往遠離基板2的方向遞增的特性，這兩個部分內具有同樣化學組成的區域應該是這兩個部分內最靠近的區域，亦即第一部分106與第二部分107與第一中間層8直接接觸的部分所具有的化學組成具有相同的組成比
例。在本實施例中，第二部分107相較於第一部份106具有較大的晶格常數，而且第一部分106與第二部分107所具有的晶格常數介於通道層10的晶格常數以及半導體層4的晶格常數之間。在本實施例中，第一漸變層6的第一部分106與第二部分107包含氮化鋁鎵，而在別的實施例中第一部分106與第二部分107也可以包含氮化鋁銦鎵。
如上所述，藉由設置與緊鄰的半導體層所具有的III-V族元素組合不相同的第一中間層8，使得成長包含相鄰半導體層時，如第一部份106，出現在第一部分106內的缺陷(defect)受到第一中間層8的阻擋而不會延伸到第二部分107，而有效的減少磊晶中的缺陷密度而改善磊晶品質，進而改善後續做成元件時的漏電流以及崩潰電壓。形成在第一漸變層6之上的則是通道層10與電子供給層12的疊層，在本實施例中通道層10為氮化鎵(GaN)，電子供給層12為氮化鋁鎵(AlGaN)，藉由通道層10與電子供給層12之間晶格常數不同造成的壓電極化及自發極化在通道層10的內部形成二維電子氣，由於通道層10與電子供給層12為氮化鎵(GaN)與氮化鋁鎵(AlGaN)的組合，利用氮化鎵(GaN)與氮化鋁鎵(AlGaN)所形成的異質結構具有較高的電子遷移率與高濃度的電子載體，使得後續所形成的元件具有高功率與高效率的特點。且因AlGaN/GaN組成的異質結構不僅提供的高的二維電子氣濃度與高的電子移動率，更使得所形成的功率元件可以應用在高頻操作下具有耐高壓與高溫的特性。在本實施例中，半導體層4與通道層10之間每兩個磊晶疊層之間的晶格差異藉由第一漸變層6的設置而減少；亦即，半導體層4與第一部分106之間的晶格差異大於第二部分107與通道層10之間的晶格常數。因此，相對於直接成長通道層10於半導體層4之上所面臨
的晶格差異，第一漸變層6的存在使得磊晶成長時不會直接成長兩層晶格常數差異過大的磊晶層，因而可以改善磊晶成長的品質。更如前面所說，成長第一部份106時出現的缺陷受到存在於第一漸變層6內的第一中間層8阻擋，更避免了缺陷延伸到第二部分107而達到改善成長磊晶疊層的磊晶品質的效果。在本實施例中，通道層10與電子供給層12皆為無摻雜的半導體材料。在別的實施例中，通道層10更包含有位於通道層10與第一漸變層6之間的次電子供應層(未繪示於圖中)，而次電子供應層的材料可以是摻雜有碳的氮化鎵層或與電子供給層12同樣包含有氮化鋁鎵，藉由次電子供應層與通道層10的晶格常數差異，增加壓電極化與自發極化的效果，進而增加通道層10內二維電子氣(2DEG)的濃度。
參考第2圖，在本發明的另一實施例中，更可以在第一漸變層6之上再形成一第二漸變層7，然後再於第二漸變層7之上形成通道層10與電子供給層12的疊層，第二漸變層7與第一漸變層6同樣包含III-V族元素。第二漸變層7包含第三部分108、第四部份109與位於兩者之間的第二中間層9，其中第三部分108與第四部份109為包含III-V族元素的半導體材料層，而第二中間層9包含非晶質材料。在本實施例中，第二中間層9為氮化矽以阻擋第三部分108內的缺陷延伸到第四部份109，換句話說，包含III-V族元素的第三部分108與第四部分109，為不包含與第三部分108或第四部分109所包含的III-V族元素組合的第二中間層9所分隔。在其他實施例中，第二中間層9不包含III族元素，或是不包含第三部分108或第四部分109所包含的III族元素。而在其他實施例中，第一中間層8與第二中間層9可以包含相同或者不同的材料。本實施例中，第三部分108、第四
部份109與第一部分106、第二部份107相似，都是包含III-V族元素的半導體材料層，並且第三部分108和第四部份109也和第一部分106、第二部分107具有同樣的漸變性質，也就是所包含的氮化鋁鎵中的鋁成分都往遠離基板2的方向遞減，而所包含的鎵成分也都往遠離基板2的方向遞增。從能隙(energy bandgap)的角度來看，第一部分106相較於第二部分107具有較高的能隙，以及第三部分108相較於第四部分109具有較高的能隙，並且能隙往遠離基板2的方向遞減。因此，對第一部分106、第二部份107、第三部分108與第四部份109而言，第一部份106含有的鋁最多而第四部份109含有的鎵最多，並且這四個部分的化學組成都可以寫成AlaGabN，其中0<a≦1以及0<b≦1。更進一步討論，鋁含量的大小依序為第四部份109<第三部分108<第二部份107<第一部分106，而鎵含量的大小則依序為第一部分106<第二部份107<第三部分108<第四部份109。換句話說，第二漸變層7所包含的鋁含量所在的範圍與第一漸變層6所包含的鋁含量所在的範圍不同；相同地，第二漸變層7所包含的鎵含量所在的範圍與第一漸變層6所包含的鎵含量所在的範圍也不同。
在本實施例中，第二漸變層7中的第二中間層9與第一漸變層6中的第一中間層8同樣為非晶質材料氮化矽(SiN)。在別的實施例中，更可以在第二漸變層7之上再形成同樣具有中間層或不具有中間層的其他漸變層，並於形成複數個漸變層之後再於其上形成通道層10與電子供給層12的疊層。在本實施例中，第二漸變層7中的第三部分108與第四部份109相較於第一漸變層6中的第一部分106與第二部分107具有較大的晶格常數，並且第一部分106、第二部分107、第三部分108與第四部份109的晶
格常數介於通道層10的晶格常數以及半導體層4的晶格常數之間。在本實施例中，第一漸變層6與第二漸變層7包含氮化鋁鎵，而在別的實施例中第一漸變層6與第二漸變層7也可以包含氮化鋁銦鎵。
上述實施例中，藉由通入三甲基鋁以及氨氣到反應腔內形成由氮化鋁組成的半導體層4，例如是以三甲基鋁大約為氨氣五分之一的比例通入形成半導體層4，亦即三甲基鋁的流量大約是220sccm而氨氣的流量大約是1000sccm以形成具有150nm厚度由氮化鋁組成的半導體層4。第一漸變層6與第二漸變層7的材料可以包含有III-V族半導體材料，例如氮化鋁鎵。其中，鋁含量可以是介於20%~80%之間。本實施例中，第一漸變層6與第二漸變層7是通入三甲基鋁、三甲基鎵與氨氣到反應腔內以形成具有400nm厚度由氮化鋁鎵組成的漸變層，更藉由調整這些氣體的比例使得這些漸變層的組成具有漸變式的分布。具體而言，三甲基鋁、氨氣與三甲基鎵等氣體大約是以介於30：1：100~65：25：4000之間的比例通入以形成組成不同的第一漸變層6與第二漸變層7，其中三甲基鋁的流量大約是65~300sccm、三甲基鎵的流量大約是10~25sccm而氨氣的流量大約是1000~4000sccm。本實施例中，由氮化鎵組成的通道層10，是由氨氣與三甲基鎵所組成，大約以三甲基鎵為氨氣六十分之一的比例通入以形成半導體層10，其中通入反應腔內的三甲基鎵大約是130sccm，而氨氣大約是6000sccm，而其中通道層10的厚度介於為25nm~3000nm之間。而在本實施例中所提及通入反應腔內的氣體流量與各種氣體之間的比例，可以依照需求做調整。
參考第3圖，在上述實施例中完成第一漸變層6、通道層10與電子供給層12等半導體疊層之後，在電子供給層12上分別形成與電極
D、電極S以及電極G，用以作為與外部電性連接的端點，而可以根據需求來控制功率元件的操作狀態以及通道層10內部的電子分布情況，其中電極S、電極D與電極G的材料可以是Ni與Au的合金。在一實施例中，電極D與電極S和電子供給層12之間形成歐姆接觸，而電極G與電子供給層12則形成蕭特基接觸。如第3圖所示，形成上述的電極之後，於其上形成保護層14覆蓋電子供給層12的表面，以防止電子供給層12的表面與其他製程中的通入的成分發生反應，造成通道層10的電性受到影響而產生不穩定的變化，亦即用來保護電子供給層12之表面成分不受外在的影響而改變組成。而在本實施例中，保護層14可以是氧化物或者氮化物，例如保護層14可以是氧化矽或氧化鋁等氧化物，也可以是氮化矽或氮化鎵等氮化物。接著再蝕刻保護層14，以露出部分電極D、G與S與外界電性連接，使得電極D、G與S可以是僅有一部份表面未被保護層14所覆蓋，也可以露出部分表面以及與部分表面不共面的側面，增加與外界電性連接的方便性。
在上述實施例中，第一漸變層6與第二漸變層7所包含的氮化鋁鎵或氮化鋁銦鎵具有連續的漸變方式或是非連續的漸變方式，例如步階式。參考第4圖所列的各種漸變方式，每種方式內的垂直方向所代表的是為漸變層中一種成分的濃度，在本發明的實施例以鎵的濃度作為垂直軸；水平方向為漸變層中距離半導體層4的距離，或是距離基板2的位置。因此，各種漸變方式所描述的皆為漸變層中越遠離半導體層4就具備有越高濃度的鎵含量。其中A~D的漸變方式鎵濃度的分布是連續性的漸變，使得漸變曲線為一直線或者曲線。E~F的漸變方式中鎵濃度的分布則是步階式的方式漸變，兩種漸變方式的差異在於單位距離內濃度的變化量不同，但
同樣使得在第一漸變層6與第二漸變層7中某段區域內鎵的濃度將維持一定。漸變方式G中鎵濃度的分布則同樣在某段區域內維持一定濃度，但是在這段區域的前後以曲線的方式漸變，而類似的漸變方式H中鎵濃度的分布則是先以直線的方式增加濃度，並在達到一定濃度便維持並且不再增加，因而在一定濃度的區域之後沒有再增加鎵的濃度。漸變方式I中鎵濃度的分布是以鋸齒式的方式進行漸變，亦即在鎵的濃度上升一定程度之後緊鄰的區域內所具有的鎵濃度反而會降低，再接著重複前述的分布方式，而這種分布方式中每次鎵濃度上升的區域較每次鎵濃度下降的區域來的大，亦即在第一漸變層6與第二漸變層7內隨著離半導體層4的距離增加而鎵濃度增加的區域較減少的區域大，因此第一漸變層6與第二漸變層7中越遠離半導體層4的部分依然具有較高濃度的鎵含量。這些漸變方式中濃度分布的最小值未必是0，例如漸變方式B、E，在距離半導體層4的距離為0的地方鎵含量的濃度不為0。並且這些漸變方式中也未必從距離半導體層4的距離為0的地方開始進行漸變分布，例如漸變方式F在離半導體層4一段距離後濃度才進行變化。在其他實施例中，第4圖所列的各種漸變方式不限於是用以描述第一漸變層6與第二漸變層7各自的鎵含量漸變方式。例如第一漸變層6內的鎵含量可以是以漸變方式A分布，而第二漸變層7內的鎵含量是以漸變方式H分布；又或者，第一漸變層6與第二漸變層7內的鎵含量同樣以漸變方式B的方式進行漸變，亦即第一漸變層6與第二漸變層7內的鎵含量可以具有相同或者相異的漸變方式。在別的實施例中，第4圖所描述的也可是第一漸變層6與第二漸變層7內的組成分布，並形成一個由第一漸變層6延續到第二漸變層7的漸變分布，例如這個漸變分
布是依照漸變方式H的方式分布。
惟上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟於此項技藝之人士均可在不違背本發明之技術原理及精神的情況下，對上述實施例進行修改及變化。因此本發明之權利保護範圍如後述之申請專利範圍所列。
2‧‧‧基板
4‧‧‧半導體層
6‧‧‧第一漸變層
106‧‧‧第一部分
107‧‧‧第二部分
8‧‧‧第一中間層
10‧‧‧通道層
12‧‧‧電子供給層
14‧‧‧保護層
Claims (10)
- 一半導體功率元件，包含：一第一半導體層，具有一第一晶格常數，並包含一第一III族元素；一第二半導體層，具有一第二晶格常數，並包含一第二III族元素；一第一漸變層，位於該第一半導體層與該第二半導體層之間，並包含該第一III族元素與該第二III族元素，且該第一漸變層中之該第一III族元素的一組成比往遠離該第一半導體層的一方向漸減；以及一第一中間層，位於該第一漸變層內，且不包含該第一III族元素與該第二III族元素；其中，該第一中間層與該第一漸變層鄰接的兩界面具有同樣的組成。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體功率元件，更包含一第二漸變層，形成於該第一漸變層之上，其中該第二漸變層的一晶格常數大於該第一漸變層的一晶格常數。
- 如申請專利範圍第2項所述之半導體功率元件，其中該第一漸變層的該晶格常數或該第二漸變層的該晶格常數介於該第一晶格常數以及該第二晶格常數之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體功率元件，其中該第一中間層包含一非晶質材料。
- 一半導體功率元件，包含： 一第一半導體層，具有一第一晶格常數，並包含一第一III族元素；一第二半導體層，具有一第二晶格常數，且包含一第二III族元素；一第一漸變層，位於該第一半導體層及該第二半導體層之間，其中，該第一漸變層中之該第一III族元素組成比往遠離該第一半導體層的一方向漸減，具有一第一含量的該第一III族元素；其中，該第一漸變層包含：一第一部份，位於該第一半導體層上，包含一第一區域具有一第一第一Ⅲ族元素組成比；以及一第二部份，位於該第一部份上，包含一第二區域具有一第二第一Ⅲ族元素組成比；以及一第一中間層，位於該第一部份及該第二部分之間，且不包含該第一Ⅲ族元素；其中，該第一第一Ⅲ族元素組成比等於該第二第一Ⅲ族元素組成比。
- 一半導體功率元件，包含：一第一半導體層，具有一第一晶格常數，並包含一第一III族元素；一第二半導體層，具有一第二晶格常數，且包含一第二III族元素；一第一漸變層，包含該第一III族元素與該第二III族元素，並且該第一漸變層中之該第一UI族元素的一組成比往遠離該第 一半導體層的一方向漸減；一第二漸變層，與該第一漸變層一同位於該第一半導體層與該第二半導體層之間，且與該第一漸變層具有不同的組成；以及一第一中間層，位於該第一漸變層內；其中，該第一中間層包含一非晶質材料。
- 如申請專利範圍第5項所述之半導體功率元件，更包含：一第二漸變層，位於該第一半導體層及該第二半導體層之間；以及一第二中間層，位於該第二漸變層內。
- 如申請專利範圍第7項所述之半導體功率元件，其中該第二漸變層的一能隙往遠離該第一半導體層的該方向逐漸變低。
- 如申請專利範圍第7項所述之半導體功率元件，其中該第二漸變層具有一第二含量的該第一III族元素，並且該第一含量與該第二含量不相同。
- 如申請專利範圍第5項所述之半導體功率元件，更包含一第二漸變層，位於該第一半導體層及該第二半導體層之間，其中該第二漸變層包含：一第三部份，位於該第一半導體層上，包含一第三區域具有一第三第一Ⅲ族元素組成比；一第四部份，位於該第三部份上，包含一第三區域具有一第四第一Ⅲ族元素組成比；以及一第二中間層，位於該第三部份及該第四部分之間，且不包含該 第一Ⅲ族元素。
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