專利名稱：化合物半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
下文中公開的實(shí)施方案涉及化合物半導(dǎo)體器件以及用于制造化合物半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
近年來，已經(jīng)作出了積極的努力來開發(fā)設(shè)置有GaN層和AlGaN層的電子器件(化合物半導(dǎo)體器件)，其中GaN層和AlGaN層按所述順序形成在襯底上，以將GaN層用作電子傳輸層。這樣的化合物半導(dǎo)體器件的一個(gè)例子是GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)。將GaN基HEMT用作電源逆變器的開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)降低導(dǎo)通電阻和提高耐受電壓兩者。與Si基晶體管相比，HEMT還能夠降低備用功耗以及提高操作頻率。因此，可以降低逆變器的開光 損失和功耗。另外，就具有相似性能的晶體管而目，GaN基HEMT的尺寸可以比Si基晶體管制得更小。在其GaN層用作電子傳輸層并且其AlGaN層用作電子供給層的GaN基HEMT中，由于AlGaN與GaN之間的晶格常數(shù)差，所以在AlGaN中出現(xiàn)應(yīng)變。這引起壓電極化并且生成高濃度二維電子氣(2DEG)。相應(yīng)地，該GaN基HEMT應(yīng)用于高功率設(shè)備。然而，難以制造結(jié)晶度優(yōu)異的GaN襯底。為此，傳統(tǒng)上，在大多數(shù)情況下，通過異質(zhì)外延在Si襯底、藍(lán)寶石襯底或SiC襯底上形成GaN層、AlGaN層和其他層。特別地，容易以低成本獲得Si襯底來作為大直徑高品質(zhì)襯底。相應(yīng)地，已經(jīng)積極地研究了具有生長在Si襯底上的GaN層和AlGaN層的結(jié)構(gòu)。然而，GaN層、AlGaN層和Si襯底具有顯著不同的熱膨脹系數(shù)。另外，GaN層和AlGaN層的外延需要高溫處理。相應(yīng)地，在這樣的高溫處理時(shí)，由于不同的熱膨脹系數(shù)，所以在Si襯底中可能發(fā)生翹曲、裂紋等。鑒于與不同的熱膨脹系數(shù)相關(guān)的這類問題，已經(jīng)提出了其中Si晶體生長在藍(lán)寶石襯底上的復(fù)合襯底。然而，難以在藍(lán)寶石襯底上面生長優(yōu)異的Si晶體。另外，與氮化物半導(dǎo)體與Si之間的熱膨脹系數(shù)差相比，藍(lán)寶石與Si具有較大的熱膨脹系數(shù)差。因此，復(fù)合襯底中更有可能發(fā)生翹曲或裂紋。對(duì)于Si襯底結(jié)合到藍(lán)寶石襯底的復(fù)合襯底，也是這樣的。[文獻(xiàn)I]日本公開特許公報(bào)號(hào)2005-235989[文獻(xiàn)2]日本公開特許公報(bào)號(hào)11-214798[文獻(xiàn)3]日本特許號(hào)4126863[文獻(xiàn)4]日本公開特許公報(bào)號(hào)2010-161359
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種能夠防止因材料之間的熱膨系數(shù)差而產(chǎn)生的翹曲等的化合物半導(dǎo)體器件以及一種用于制造該化合物半導(dǎo)體器件的方法。根據(jù)實(shí)施方案的一個(gè)方面，提供一種化合物半導(dǎo)體器件，其包括襯底；形成在襯底上的電子傳輸層；和形成在電子傳輸層上的電子供給層。在襯底的表面上以混合方式存在與電子傳輸層相比具有較小熱膨脹系數(shù)的一個(gè)或更多個(gè)第一區(qū)域以及與電子傳輸層相比具有較大熱膨脹系數(shù)的一個(gè)或更多個(gè)第二區(qū)域。根據(jù)實(shí)施方案的另一方面，提供一種用于制造化合物半導(dǎo)體器件的方法，其包括在襯底上形成電子傳輸層；以及在電子傳輸層上形成電子供給層。在襯底的表面上 以混合方式存在與電子傳輸層相比具有較小熱膨脹系數(shù)的一個(gè)或更多個(gè)第一區(qū)域以及與電子傳輸層相比具有較大熱膨脹系數(shù)的一個(gè)或更多個(gè)第二區(qū)域。
圖1A、1B、1C、ID是示出根據(jù)第一實(shí)施方案的GaN基HEMT的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2A、2B、2C、2D、2E、2F是示出大熱膨脹系數(shù)區(qū)域和小熱膨脹系數(shù)區(qū)域的陣列實(shí)例的不意圖；圖3A、3B、3C、3D是示出大熱膨脹系數(shù)區(qū)域和小熱膨脹系數(shù)區(qū)域的平面形狀的實(shí)例的不意圖；圖4A、4B是示出了根據(jù)第二實(shí)施方案的GaN基HEMT的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5A、5B、5C、5D、5E是按照步驟的順序示出用于制造根據(jù)第二實(shí)施方案的GaN基HEMT的方法的橫截面視圖；圖5F、5G、5H是按照?qǐng)D5A、5B、5C、5D、5E的步驟之后的步驟的順序示出用于制造GaN基HEMT的方法的橫截面視圖；圖6是不出第二實(shí)施方案的一個(gè)修改實(shí)施例的橫截面視圖；圖7是示出根據(jù)第三實(shí)施方案的GaN基HEMT的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖8A、8B、8C、8D是按照步驟的順序示出用于制造根據(jù)第三實(shí)施方案的GaN基HEMT的方法的橫截面視圖；圖9A、9B、9C、9D是按照步驟的順序示出用于制造根據(jù)第四實(shí)施方案的GaN基HEMT的方法的橫截面視圖；圖9E、9F、9G是按照?qǐng)D9A、9B、9C、9D的步驟之后的步驟的順序示出用于制造GaN基HEMT的方法的橫截面視圖；圖10是示出第四實(shí)施方案的修改實(shí)施例的橫截面視圖；圖11A、11B是示出根據(jù)第五實(shí)施方案的GaN基HEMT的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖12是示出高功率放大器的外部視圖的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；以及圖13A、13B是示出電源設(shè)備的示意圖。
具體實(shí)施例方式在下文中，將參照附圖對(duì)實(shí)施方案進(jìn)行具體描述。(第一實(shí)施方案)首先，將對(duì)第一實(shí)施方案進(jìn)行描述。圖1A、1B、1C、1D是不出根據(jù)第一實(shí)施方案的GaN基HEMT (化合物半導(dǎo)體器件)的結(jié)構(gòu)的示意圖。在第一實(shí)施方案中，如圖IA所不，電子傳輸層2形成在襯底I上,并且電子供給層3形成在電子傳輸層2上。此外，柵電極4g、源電極4s和漏電極4d形成在電子供給層3上，使得柵電極4g夾在源電極4s與漏電極4d之間。
在本實(shí)施方案中，如圖IB所示，在襯底I的表面上以混合方式存在大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia和小熱膨脹系數(shù)區(qū)域lb，所述大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia包含與組成電子傳輸層2的物質(zhì)相比具有較大熱膨脹系數(shù)的物質(zhì)，并且所述小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib包含與組成電子傳輸層2的物質(zhì)相比具有較小熱膨脹系數(shù)的物質(zhì)。在如上所述構(gòu)造的本實(shí)施方案中，當(dāng)通過高溫外延形成電子傳輸層2時(shí)，張應(yīng)力在每個(gè)大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia與電子傳輸層2之間的結(jié)合面上側(cè)上作用于電子傳輸層2，而壓應(yīng)力在每個(gè)小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib與電子傳輸層2之間的結(jié)合面上側(cè)上作用于電子傳輸層2。結(jié)果，這些應(yīng)力彼此抵消。同樣地，壓應(yīng)力在每個(gè)大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia與電子傳輸層2之間的結(jié)合面下側(cè)作用于襯底1，而張應(yīng)力在每個(gè)小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib與電子傳輸層2之間的結(jié)合面下側(cè)作用于襯底I。結(jié)果，這些應(yīng)力也彼此抵消。相應(yīng)地，即使通過高溫外延形成電子傳輸層2，此時(shí)襯底I中也不可能出現(xiàn)翹曲、裂紋等。注意，大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia和小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib的構(gòu)造不限于此。例如，如圖 IC所示，可以在大熱膨脹系數(shù)襯底材料Ic的表面上形成暴露與電子傳輸層2相比具有較大熱膨脹系數(shù)的大熱膨脹系數(shù)襯底材料Ic的開口，并且與電子傳輸層2相比具有較小熱膨脹系數(shù)的小熱膨脹系數(shù)襯底材料Id可以結(jié)合到大熱膨脹系數(shù)襯底材料lc。作為一個(gè)替代方案，如圖ID所示，其中形成有暴露小熱膨脹系數(shù)襯底材料Id的開口的大熱膨脹系數(shù)襯底材料Ic可以結(jié)合到小熱膨脹系數(shù)襯底材料Id的表面。圖IC和ID示出沿著圖IB中的線I-I觀察的橫截面。盡管在圖IB所示的示例中，大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia和小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib以方格圖案的方式布置，但是這些區(qū)域的陣列不限于此。例如，如圖2A所示，平面形狀為方形的小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib可以以點(diǎn)圖案的方式布置，而大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia可以圍繞每個(gè)小熱膨脹系數(shù)區(qū)域lb。在這種情況下，如圖2C所示，小熱膨脹系數(shù)襯底材料Id還可以結(jié)合到大熱膨脹系數(shù)襯底材料Ic的表面，或如圖2E所示，大熱膨脹系數(shù)襯底材料Ic可以結(jié)合到小熱膨脹系數(shù)襯底材料Id的表面。圖2C和圖2E示出沿圖2A中的線I-I觀察的橫截面。另夕卜，如圖2B所示，平面形狀為方形的大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia可以以點(diǎn)圖案的方式布置，而小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib可以圍繞每個(gè)大熱膨脹系數(shù)區(qū)域la。在這種情況下，如圖2D所示，小熱膨脹系數(shù)襯底材料Id可以結(jié)合到大熱膨脹系數(shù)襯底材料Ic的表面，或如圖2F所示，大熱膨脹系數(shù)襯底材料Ic可以結(jié)合到小熱膨脹系數(shù)襯底材料Id的表面。圖2D和圖2F示出沿圖2B中的線II-II觀察的橫截面。另外，大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia和小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib的平面形狀不限于此。例如，如圖3A所示，小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib的平面形狀可以是規(guī)則六邊形。作為一個(gè)替代方案，如圖3B所示，大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia的平面形狀可以是規(guī)則六邊形。作為另一替代方案，如圖3C所示，小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib的平面形狀可以是圓形。作為再一替代方案，如圖3D所示，大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia的平面形狀可以是圓形。另外，大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia與小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib之間的比不限于此。然而，優(yōu)選地，大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia與小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib之間的比根據(jù)電子傳輸層2、大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia和小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib的各個(gè)熱膨脹系數(shù)和厚度等來適當(dāng)?shù)卮_定。大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia和小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib優(yōu)選地以不規(guī)則的方式布置而不是以規(guī)則的方式布置。這是為了在平行于襯底I的表面的各方向上抑制平均熱膨脹系數(shù)的變化。另外，優(yōu)選地，大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia與小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib之間的比在平行于襯底I的表面的各方向上是均勻的。例如，在每個(gè)方向上，所述比相對(duì)于其平均值的變化優(yōu)選地在10 %以內(nèi)，更優(yōu)選地在5 %以內(nèi)，甚至更優(yōu)選地在3 %以內(nèi)。如果大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia和小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib以規(guī)則的方式布置，則布置的節(jié)距優(yōu)選地小。優(yōu)選地，其中所述區(qū)域以最密集的方式布置的方向上的節(jié)距是I U m或更小。圖2和圖3中的每幅圖中的方向9對(duì)應(yīng)于每個(gè)示例中以最密集的方式布置大熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ia和小熱膨脹系數(shù)區(qū)域Ib的方向。(第二實(shí)施方案)接下來，將對(duì)第二實(shí)施方案進(jìn)行描述。圖4A、4B是示出根據(jù)第二實(shí)施方案的GaN基HEMT(化合物半導(dǎo)體器件)的結(jié)構(gòu)的示意圖。在第二實(shí)施方案中，如圖4A所示，約Iiim至4iim厚(例如3iim厚)的未摻雜i-GaN層12形成在襯底11上，約Inm至30nm厚(例如5nm厚)的未摻雜i-AlGaN層13a 形成在i-GaN層12上，而約3nm至30nm厚(例如30nm厚)的n型n-AlGaN層13b形成在i-AlGaN層13a上。i-AlGaN層13a和n-AlGaN層13b中的Al組成為約0. I至0. 5 (例如0. 2)。n-AlGaN 層 13b 摻有約 I X IO18CnT3 至 I X 102°cm_3(例如 5X IO18CnT3)的 Si。約 2nm至20nm厚(例如IOnm厚)的n型n_GaN層21形成在n-AlGaN層13b上。n_GaN層21摻有約 I X IO18Cm 3 至 I X IO20Cm 3 (例如 5 X IO18Cm 3)的 Si。源電極14s和漏電極14d形成n-GaN層21上。源電極14s和漏電極14d與n_GaN層21具有歐姆接觸。源電極14s和漏電極14d包括例如形成在其上的Ti膜和Al膜。n-GaN層21上還形成有覆蓋源電極14s和漏電極14d的鈍化膜22。例如，形成氮化硅膜作為鈍化膜22。在位于源電極14s與漏電極14d之間的鈍化膜22部分中形成有用于柵電極的開口22a。另外，穿過開口 22a形成有與n-GaN層21具有肖特基接觸的柵電極14g。柵電極14g包括例如形成在其上的Ni膜和Au膜。鈍化膜22上面形成有覆蓋柵電極14g的鈍化膜23。例如，形成氮化硅膜作為鈍化膜23。鈍化膜22和23中形成有用于外部端子等的連接的開□。在第二實(shí)施方案中，如圖4A所示，襯底11包括硅襯底材料Ilb和形成在硅襯底材料Ilb上且其中設(shè)置開口的藍(lán)寶石襯底材料11a。如將在之后描述的，i-GaN層12用作電子傳輸層。另外，包含在硅襯底材料Ilb中的硅的熱膨脹系數(shù)比GaN的熱膨脹系數(shù)小，而包含在藍(lán)寶石襯底材料Ila中的藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)比GaN的熱膨脹系數(shù)大。就是說，在襯底11的表面上以混合的方式存在包含與GaN相比具有較大熱膨脹系數(shù)的藍(lán)寶石的大熱膨脹系數(shù)區(qū)域以及包含與GaN相比具有較小熱膨脹系數(shù)的硅的小熱膨脹系數(shù)區(qū)域。注意，如從襯底11的前表面?zhèn)扔^察的布局例如對(duì)應(yīng)于圖4B。就是說，柵電極14g、源電極14s和漏電極14d布置成類似梳齒的平面形狀,并且源電極14s和漏電極14d交替設(shè)置。換句話說，多個(gè)柵電極14g通過柵極互連件24g共同連接，多個(gè)源電極14s通過源極互連件24s共同連接，而多個(gè)漏電極14d通過漏極互連件24d共同連接。柵電極14g設(shè)置在這些源極和漏極之間?？梢酝ㄟ^采用如上所述的這種多指狀柵極結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)輸出功率。注意，圖4A所示的橫截面視圖描繪了沿圖4B中的線I-I觀察的橫截面。另外，有源區(qū)域30包括i-GaN層12、i-AlGaN層13a、n-AlGaN層13b等。每個(gè)有源區(qū)域30的外圍通過離子注入、臺(tái)面蝕刻等限定為無源區(qū)域。在如上所述配置的第二實(shí)施方案中，在i-GaN層12與i_AlGaN層13a之間的異質(zhì)結(jié)界面處產(chǎn)生由于壓電極化導(dǎo)致的高濃度載流子。就是說，在i-GaN層12與i-AlGaN層13a的界面附近通過由于晶格失配而產(chǎn)生的壓電效應(yīng)誘發(fā)電子。結(jié)果，產(chǎn)生二維電子氣層(2DEG)，并且該層用作電子傳輸層(通道)。另外，i-AlGaN層13a和n-AlGaN層13b用作電子供給層。另外，在第二實(shí)施方案中，如上所述，在襯底11的表面上以混合方式存在包含與GaN相比具有較大熱膨脹系數(shù)的藍(lán)寶石的大熱膨脹系數(shù)區(qū)域以及包含與GaN相比具有較小熱膨脹系數(shù)的硅的小熱膨脹系數(shù)區(qū)域。因此，與第一實(shí)施方案相似，盡管通過高溫外延形成用作電子傳輸層的i-GaN層12，在通過高溫外延形成用作電子傳輸層的i-GaN層12時(shí)也可以防止襯底11產(chǎn)生翹曲、裂紋等。接下來，將對(duì)用于制造根據(jù)第二實(shí)施方案的GaN基HEMT (化合物半導(dǎo)體器件)的方法進(jìn)行描述。圖5A和5B是按照步驟的順序示出用于制造根據(jù)第二實(shí)施方案的GaN基HEMT (化合物半導(dǎo)體器件)的方法的橫截面視圖。
首先，如圖5A所示，將藍(lán)寶石襯底材料Ila結(jié)合到硅襯底材料Ilb上。在此結(jié)合中，進(jìn)行例如熱粘附。注意，硅襯底材料Ilb的表面上可存在自然氧化膜。然后，如圖5B所示，在藍(lán)寶石襯底材料Ila上形成暴露其中待形成開口的區(qū)域的抗蝕劑圖案26。其后，如圖5C所示，通過使用抗蝕劑圖案26作為掩模來進(jìn)行蝕刻例如濕法蝕刻，以在藍(lán)寶石襯底材料Ila中形成暴露硅襯底材料Ilb的多個(gè)部分的開口。如果在硅襯底材料Ilb的表面上存在自然氧化膜，則在此開口形成時(shí)移除暴露在藍(lán)寶石襯底材料Ila的開口中的自然氧化膜部分。然后，如圖所示，移除抗蝕劑圖案26。由此，可以獲得襯底11。接著，如圖5E所示，i-GaN層12形成在襯底11上，并且如圖5F所示，i_AlGaN層13a、n-AlGaN 層 13b 和 n-GaN 層 21 形成在 i-GaN 層 12 上。i-GaN 層 12、i-AlGaN 層 13a、n-AlGaN層13b和n-GaN層21通過晶體生長方法如金屬有機(jī)物氣相外延(MOVPE)法來形成。在這種情況下，這些層可以通過選擇原料氣來連續(xù)形成。例如，可以使用三甲基鋁(TMA)和三甲基鎵(TMG)分別作為鋁(Al)和鎵(Ga)的原料。例如，可以使用氨(NH3)作為氮(N)的原料。例如，可以使用硅烷(SiH4)作為包含在n-AlGaN層13b和n_GaN層21中作為雜質(zhì)的硅(Si)的原料。i-GaN層12、i-AlGaN層13a、n-AlGaN層13b和n_GaN層21包含氮化物半導(dǎo)體。在本實(shí)施方案中，在襯底11的表面上以混合方式存在包含與GaN相比具有較大熱膨脹系數(shù)的藍(lán)寶石的大熱膨脹系數(shù)區(qū)域以及包含與GaN相比具有較小熱膨脹系數(shù)的硅的小熱膨脹系數(shù)區(qū)域。結(jié)果，在形成這些氮化物半導(dǎo)體層時(shí)可以防止襯底11產(chǎn)生翹曲、裂紋等。在形成n-GaN層21之后，通過例如剝離方法在n_GaN層21上形成源電極14s和漏電極14d，如圖5G所示。在形成源電極14s和漏電極14d時(shí)，形成用于在其中待形成源電極14s和漏電極14d的區(qū)域中產(chǎn)生開口的抗蝕劑圖案。此外，氣相沉積Ti和Al，然后與抗蝕劑圖案一起移除附著到抗蝕劑圖案上的Ti和Al。然后，在氮?dú)夥罩?，?00°C至1000°C (例如，600°C )進(jìn)行熱處理，以形成歐姆接觸。接下來，如圖5H所示，在n-GaN層21上形成鈍化膜22，以覆蓋源電極14s和漏電極14d。通過例如等離子體CVD(化學(xué)氣相沉積)法形成氮化硅膜作為鈍化膜22。其后，形成暴露其中待形成開口 22a的區(qū)域的抗蝕劑圖案。接著，利用抗蝕劑圖案進(jìn)行蝕刻，以在鈍化膜22中形成開口 22a。然后，通過剝離方法形成適于通過開口 22a與n-GaN層21具有接觸的柵電極14g。在形成柵電極14g時(shí)，在移除形成開口 22a時(shí)所述使用的抗蝕劑圖案后，形成用于在其中形成有柵電極14g的區(qū)域中產(chǎn)生開口的新抗蝕劑圖案。另外，氣相沉積Ni和Au，然后與抗蝕劑圖案一起移除附著到抗蝕劑圖案上的Ni和Au。其后，在鈍化膜22上形成鈍化膜23，以覆蓋柵電極14g。通過例如等離子體CVD法形成氮化硅膜作為鈍化膜23。接著，形成用于共同連接多個(gè)柵電極14g的柵極互連件24g、用于共同連接多個(gè)源電極14s的源極互連件24s、用于共同連接多個(gè)漏電極14d的漏極互連件24d等(見圖4B)。由此，可以獲得具有圖4A、4B所示的結(jié)構(gòu)的GaN基HEMT。注意，如圖6所示，可以在n-GaN層21中設(shè)置用于源電極14s和漏電極14d的開口，并且源電極14s和漏電極14d可以形成為與n-AlGaN層13b具有接觸。在這種情況下，開口的深度可以為使n-GaN層21的一部分保持在其中或者可以從開口移除n-AlGaN層13b的一部分。就是說，開口的底面不一定需要與n-GaN層21的下表面齊平。(第三實(shí)施方案)接下來，將對(duì)第三實(shí)施方案進(jìn)行描述。圖7是示出根據(jù)第三實(shí)施方案的GaN基HEMT(化合物半導(dǎo)體器件)的結(jié)構(gòu)的示意圖。在第三實(shí)施方案中，如圖7所示，藍(lán)寶石襯底材料I Ia的開口內(nèi)部形成有用于覆蓋硅襯底材料Ilb的暴露部分的緩沖層31。例如，使用約IOnm至300nm厚(例如，IOOnm厚)的AlN層或AlGaN層作為緩沖層31。其余的配置與第二實(shí)施方案相同。根據(jù)如上所述配置的第三實(shí)施方案，通過緩沖層31來減輕硅襯底材料Ilb與i-GaN層12之間的應(yīng)變等。這使得i-GaN層12的結(jié)晶性甚至更優(yōu)異。接下來，將對(duì)用于制造根據(jù)第三實(shí)施方案的GaN基HEMT (化合物半導(dǎo)體器件)的方法進(jìn)行描述。圖8A至8D是按照步驟的順序示出用于制造根據(jù)第三實(shí)施方案的GaN基HEMT (化合物半導(dǎo)體器件)的方法的橫截面視圖。首先，如圖8A所示，以與第二實(shí)施方案中的方式相同的方式實(shí)施直到在藍(lán)寶石襯底材料Ila中形成開口的處理步驟。然后，如圖8B所示，在被制造的HEMT的整個(gè)表面上面形成緩沖層31。緩沖層31通過晶體生長方法如MOVPE法形成。其后，如圖8C所示，移除剩余的抗蝕劑圖案26和緩沖層31，而保留在藍(lán)寶石襯底材料Ila的開口內(nèi)的緩沖層31部分。由此，可以獲得襯底11。其后，如圖8D所示，以與第二實(shí)施方案中的方式相同的方式實(shí)施從形成i-GaN層12直到形成鈍化膜23的處理步驟。接著，形成用于共同連接多個(gè)柵電極14g的柵極互連件24g、用于共同連接多個(gè)源電極14s的源極互連件24s、用于共同連接多個(gè)漏電極14d的漏極互連件24d等。由此，可以獲得具有圖7所示的結(jié)構(gòu)的GaN基HEMT。(第四實(shí)施方案)接下來，將對(duì)第四實(shí)施方案進(jìn)行描述。這里，將對(duì)GaN基HEMT (化合物半導(dǎo)體器件)的結(jié)構(gòu)以及用于制造GaN基HEMT的方法進(jìn)行描述。圖9A和9B是按照步驟的順序示出用于制造根據(jù)第四實(shí)施方案的GaN基HEMT(化合物半導(dǎo)體器件)的方法的橫截面視圖。首先，如圖9A所示，制備其中在藍(lán)寶石襯底材料41a上設(shè)置硅襯底材料14b的襯底?？梢允褂米鳛樗{(lán)寶石上硅(SOS)襯底分布的襯底作為襯底。作為一個(gè)替代方案，可以 借助于熱粘附等來形成襯底。接下來，如圖9B所示，在硅襯底材料41b上形成暴露其中待形成開口的區(qū)域的抗蝕劑圖案42。其后，如圖9C所示，通過使用抗蝕劑圖案42作為掩模來進(jìn)行蝕刻，例如濕法蝕刻，以在硅襯底材料41b中形成暴露藍(lán)寶石襯底材料41a的一部分的開口。然后，如圖9D所示，移除抗蝕劑圖案42。由此，可以獲得襯底41。接下來，如圖9E所示，在被制造的HEMT的整個(gè)表面上面形成緩沖層43。例如，形成約IOnm至300nm厚(例如，IOOnm厚)的AlN層或AlGaN層作為緩沖層43。其后，如圖9F所示，以與第二實(shí)施方案中的方式相同的方式在緩沖層43上形成i-GaN層12。另外，如圖9G所示，在i-GaN層12上形成i-AlGaN層13a、n_AlGaN層13b和n_GaN層21。緩沖層43通過晶體生長方法如MO VPE方法來形成?？梢耘c緩沖層43 —起連續(xù)形成i_GaN層12、i-AlGaN層13a、n-AlGaN層13b和n-GaN層21。在本實(shí)施方案中，襯底41的表面上以混合方式存在包含與GaN相比具有較大熱膨脹系數(shù)的藍(lán)寶石的大熱膨脹系數(shù)區(qū)域以及包含與GaN相比具有較小熱膨脹系數(shù)的硅的小熱膨脹系數(shù)區(qū)域。結(jié)果，在形成這些氮化物半導(dǎo)體層時(shí)可以防止襯底41產(chǎn)生翹曲、裂紋等。其后，同樣如圖9G所示，以與第二實(shí)施方案中的方式相同的方式實(shí)施從形成源電極14s和漏電極14d直到形成鈍化膜23的處理步驟。接著，形成用于共同連接多個(gè)柵電極14g的柵極互連件24g、用于共同連接多個(gè)源電極14s的源極互連件24s、用于共同連接多個(gè)漏電極14d的漏極互連件24d等。由此，可以獲得GaN基HEMT。注意，如圖10所示，可以省略緩沖層43的形成。(第五實(shí)施方案)接下來，將對(duì)第五實(shí)施方案進(jìn)行描述。圖IlA至IlB是示出根據(jù)第五實(shí)施方案的GaN基HEMT (化合物半導(dǎo)體器件)的結(jié)構(gòu)的示意圖。在第五實(shí)施方案中，如圖IIA和IlB所示，以與第二實(shí)施方案中的方式相同的方式配置HEMT，藍(lán)寶石襯底材料Ila包括設(shè)置為在平面圖中與柵電極14g重疊的溝道應(yīng)力調(diào)節(jié)部51。其余的配置與第二實(shí)施方案相同。根據(jù)如上所述配置的第五實(shí)施方案，防止了在柵電極14g下方立即出現(xiàn)二維電子氣層，由此能夠進(jìn)行常閉操作。另外，如圖IlB所示，如果藍(lán)寶石襯底材料Ila只包括溝道應(yīng)力調(diào)節(jié)部51，則可以使適當(dāng)?shù)亩S電子氣層保持在柵電極14g與源電極14s之間以及在柵電極14g與漏電極14d之間，同時(shí)防止在柵電極14g下方立即出現(xiàn)二維電子氣層。如上所述的第五實(shí)施方案的這種配置可以應(yīng)用于第一、第三和第四實(shí)施方案。同樣地，圖6所示的第二實(shí)施方案的修改實(shí)施例的配置可以應(yīng)用于第一、第三、第四和第五實(shí)施方案。另外，也可以將電阻器和電容器等制造在襯底11或41上，以形成單片微波集成電路(MMIC)。根據(jù)這些實(shí)施方案的GaN基HEMT可以用作例如高功率放大器。圖12示出高功率放大器的外部視圖。在此實(shí)施例中，連接至源電極的源極端子81s設(shè)置在封裝的表面上。另夕卜，連接至柵電極的柵極端子81g和連接至漏電極的漏極端子Sld伸出封裝的側(cè)表面之外。根據(jù)這些實(shí)施方案的GaN基HEMT也可以用在例如電源設(shè)備中。圖13A是示出PFC(功率因數(shù)校正)電路的電路圖，而圖13B是示出包括圖13A中所示的PFC電路的服務(wù)器電源(電源設(shè)備)的示意圖。如圖13A所示，PFC電路90設(shè)置有連接至與AC電源(AC)連接的二極管電橋91的電容器92。扼流線圈93的一個(gè)端子連接至電容器92的一個(gè)端子，并且開關(guān)元件94的一個(gè)端子和二極管96的陽極連接至扼流線圈93的另一個(gè)端子。開關(guān)元件94對(duì)應(yīng)于上述實(shí)施方案中的任一個(gè)的HEMT，并且開關(guān)元件94的一個(gè)端子對(duì)應(yīng)于HEMT的漏電極。另外，開關(guān)元件94的另一個(gè)端子對(duì)應(yīng)于HEMT的源電極。電容器95的一個(gè)端子連接至二極管96的陰極。電容器92的另一個(gè)端子、開關(guān)元件94的另一個(gè)端子以及電容器95的另一個(gè)端子接地。DC電源(DC)源自電容器95的兩個(gè)端子之間。如圖13B所示，在組裝到服務(wù)器電源100等當(dāng)中后，使用PFC電路90。
也可以配置能夠較高速工作、等同或類似于如以上提到的這種服務(wù)器電源100的電源設(shè)備。另外，可以將等同或類似于開關(guān)元件94的開關(guān)元件用在開關(guān)電源或電子裝置中。另外，可以使用這些半導(dǎo)體器件作為用于全橋電源電路(如服務(wù)器的電源電路)的部件。在任一種實(shí)施方案中，可以使用碳化硅(SiC)襯底、藍(lán)寶石襯底、硅襯底、GaN襯底、GaAs襯底等作為襯底。襯底可以是導(dǎo)電的、半絕緣的或絕緣的。另外，柵電極、源電極和漏電極的結(jié)構(gòu)不限于上述實(shí)施方案中提到的結(jié)構(gòu)。例如，這些電極中的每個(gè)電極可以由單層組成。另外，用于形成這些電極的方法不限于剝離法。另夕卜，可以跳過形成源電極和漏電極之后的熱處理，只要能夠得到歐姆特性即可?？梢詫?duì)柵電極進(jìn)行熱處理。每個(gè)層的厚度、材料等不限于上述實(shí)施方案中提到的厚度、材料等。在下文中，將對(duì)本發(fā)明的各個(gè)方面進(jìn)行整體描述，作為補(bǔ)充注釋。本文中所敘述的所有示例和條件語言意在用于教導(dǎo)的目的，以幫助讀者理解本發(fā)明以及由本發(fā)明人貢獻(xiàn)的概念，以促進(jìn)本領(lǐng)域的發(fā)展，并且，本文中所敘述的所有示例和條件語言將解釋為不限于這樣的具體敘述的示例和條件，說明書中的這樣的示例的組織也不涉及描述本發(fā)明的優(yōu)勢和劣勢。盡管已詳細(xì)描述了本發(fā)明的實(shí)施方案，但應(yīng)當(dāng)理解，可以在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行各種變化、置換和替換。
權(quán)利要求
1.一種化合物半導(dǎo)體器件，包括 襯底； 在所述襯底上形成的電子傳輸層；和 在所述電子傳輸層上形成的電子供給層， 其中在所述襯底的表面上以混合方式存在與所述電子傳輸層相比具有較小熱膨脹系數(shù)的一個(gè)或更多個(gè)第一區(qū)域以及與所述電子傳輸層相比具有較大熱膨脹系數(shù) 的一個(gè)或更多個(gè)第二區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的化合物半導(dǎo)體器件，所述襯底包括 與所述電子傳輸層相比具有較小熱膨脹系數(shù)的第一襯底材料；和 設(shè)置在所述第一襯底材料上且與所述電子傳輸層相比具有較大熱膨脹系數(shù)的第二襯底材料， 其中在所述第二襯底材料中形成用于暴露出所述第一襯底材料的開口。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的化合物半導(dǎo)體器件，所述襯底包括 與所述電子傳輸層相比具有較大熱膨脹系數(shù)的第二襯底材料；和 設(shè)置在所述第二襯底材料上且與所述電子傳輸層相比具有較小熱膨脹系數(shù)的第一襯底材料， 其中在所述第一襯底材料中形成用于暴露出所述第二襯底材料的開口。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的化合物半導(dǎo)體器件，其中所述第一襯底材料是硅襯底材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的化合物半導(dǎo)體器件，其中所述第二襯底材料是藍(lán)寶石襯底材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的化合物半導(dǎo)體器件，其中所述電子傳輸層包含氮化物半導(dǎo)體。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)所述的化合物半導(dǎo)體器件，其中所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域以不規(guī)則的方式布置。
8.一種包括化合物半導(dǎo)體器件的電源裝置，其中所述化合物半導(dǎo)體器件包括 襯底； 形成在所述襯底上的電子傳輸層；和 形成在所述電子傳輸層上的電子供給層， 其中在所述襯底的表面上以混合方式存在與所述電子傳輸層相比具有較小熱膨脹系數(shù)的一個(gè)或更多個(gè)第一區(qū)域以及與所述電子傳輸層相比具有較大熱膨脹系數(shù)的一個(gè)或更多個(gè)第二區(qū)域。
9.一種包括化合物半導(dǎo)體器件的高功率放大器，其中所述化合物半導(dǎo)體器件包括 襯底； 形成在所述襯底上的電子傳輸層；和 形成在所述電子傳輸層上的電子供給層， 其中在所述襯底的表面上以混合方式存在與所述電子傳輸層相比具有較小熱膨脹系數(shù)的一個(gè)或更多個(gè)第一區(qū)域以及與所述電子傳輸層相比具有較大熱膨脹系數(shù)的一個(gè)或更多個(gè)第二區(qū)域。
10.一種制造化合物半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括在襯底上形成電子傳輸層；以及 在所述電子傳輸層上形成電子供給層， 其中在所述襯底的表面上以混 合方式存在與所述電子傳輸層相比具有較小熱膨脹系數(shù)的一個(gè)或更多個(gè)第一區(qū)域以及與所述電子傳輸層相比具有較大熱膨脹系數(shù)的一個(gè)或更多個(gè)第二區(qū)域。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造化合物半導(dǎo)體器件的方法，其中所述襯底包括 與所述電子傳輸層相比具有較小熱膨脹系數(shù)的第一襯底材料；和 設(shè)置在所述第一襯底材料上且與所述電子傳輸層相比具有較大熱膨脹系數(shù)的第二襯底材料， 其中在所述第二襯底材料中形成用于暴露出所述第一襯底材料的開口。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造化合物半導(dǎo)體器件的方法，其中所述襯底包括 與所述電子傳輸層相比具有較大熱膨脹系數(shù)的第二襯底材料；和 設(shè)置在所述第二襯底材料上且與所述電子傳輸層相比具有較小熱膨脹系數(shù)的第一襯底材料， 其中在所述第一襯底材料中形成用于暴露出所述第二襯底材料的開口。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造化合物半導(dǎo)體器件的方法，其中所述第一襯底材料是硅襯底材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造化合物半導(dǎo)體器件的方法，其中所述第二襯底材料是藍(lán)寶石襯底材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造化合物半導(dǎo)體器件的方法，其中所述電子傳輸層包含氮化物半導(dǎo)體。
16.根據(jù)權(quán)利要求10至15中任一項(xiàng)所述的制造化合物半導(dǎo)體器件的方法，其中所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域以不規(guī)則的方式布置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種化合物半導(dǎo)體器件及其制造方法，所述化合物半導(dǎo)體器件包括襯底；形成在襯底上的電子傳輸層；以及形成在電子傳輸層上的電子供給層，其中在襯底的表面上以混合方式存在與電子傳輸層相比具有較小熱膨脹系數(shù)的一個(gè)或更多個(gè)第一區(qū)域以及與電子傳輸層相比具有較大熱膨脹系數(shù)的一個(gè)或更多個(gè)第二區(qū)域。
文檔編號(hào)H01L21/335GK102637735SQ20121003156
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月14日
發(fā)明者山田敦史, 清水早苗 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社