氮化物半导体外延叠层结构及其功率元件制造技术

本发明专利技术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：一第一超晶格堆叠结构、一第一氮化镓系厚层，配置于前述第一超晶格堆叠结构上、一第二超晶格堆叠结构，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堆叠结构上；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，该第一氮化镓硅厚层及该第二氮化镓硅厚层的总厚度大于两微米。

Nitride semiconductor epitaxial stacking structure and its power element

The invention discloses a nitride semiconductor epitaxial stacking structure and a power element thereof. The nitride semiconductor epitaxial stacking structure comprises a silicon substrate, an aluminum-containing nucleating layer disposed on the silicon substrate, and a buffer structure disposed on the aluminum-containing nucleating layer, in sequence comprising a first superlattice stacking structure and a first superlattice stacking structure. A gallium nitride thick layer is disposed on the first superlattice stacking structure, a second superlattice stacking structure, a first gallium nitride thick layer and a second gallium nitride thick layer, disposed on the second superlattice stacking structure, a channel layer disposed on the buffer structure, and a barrier layer disposed on the buffer structure. A two-dimensional electron gas layer is located at an interface adjacent to the channel layer and the barrier layer, wherein the total thickness of the first gallium nitride silicon thick layer and the second gallium nitride silicon thick layer are greater than two microns.

【技术实现步骤摘要】
氮化物半导体外延叠层结构及其功率元件
本专利技术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。
技术介绍
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(powersupply)、DC/DC转换器(DC/DCconverter)、DC/AC逆变器(AC/DCinverter)。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
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(TransmissionElectronMicroscope,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-organicchemicalvapordeposition,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-dimensionalelectrongas,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。
技术实现思路
本专利技术是关于一种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：一第一超晶格堆叠结构、一第一氮化镓系厚层，配置于前述第一超晶格堆叠结构上、一第二超晶格堆叠结构，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堆叠结构上；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，该第一氮化镓硅厚层及该第二氮化镓硅厚层的总厚度大于两微米。一种半导体功率元件，包含前述氮化物半导体外延叠层结构；及一源极电极、一栅极电极、及一漏极电极，或一阴极及一阳极分别配置于前述氮化物半导体外延叠层结构上；其中，前述栅极电极位于前述源极电极及前述漏极电极之间。为让本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下。附图说明图1为现有的氮化物半导体外延叠层结构的TEM影像图；图2为本专利技术第一实施例的氮化物半导体外延叠层结构侧视示意图；图3A为现有的氮化物半导体外延叠层结构包含缓冲结构部分的局部的TEM影像图；图3B为本专利技术第二实施例的氮化物半导体外延叠层结构包含缓冲结构部分的局部的TEM影像图；图4A至图4C为本专利技术第三至五实施例的氮化物半导体外延叠层结构包含缓冲结构部分的局部外延叠层结构的侧视示意图；图5为采用本专利技术第六实施例的氮化物半导体外延叠层结构的功率元件的上视图；图6A为采用本专利技术第六实施例的氮化物半导体外延叠层结构的氮化物半导体功率元件单元的局部放大上视示意图；图6B为图6A沿剖线FF’的剖面示意图；图7为本专利技术第六实施例的氮化物半导体外延叠层结构细部侧视示意图；图8为本专利技术第七实施例的萧特基二极管元件单元侧视示意图；图9A为采用现有氮化物半导体外延叠层结构的功率元件测试单元的电性测试结果图；图9B为采用本专利技术第一实施例的氮化物半导体外延叠层结构的功率元件测试单元的电性测试结果图；图10A为采用现有氮化物半导体外延叠层结构的功率元件测试单元的侧视示意图；图10B为采用本专利技术第一实施例的氮化物半导体外延叠层结构的功率元件测试单元的侧视示意图。符号说明60、60’：介电层70：源极电极80：漏极电极90：栅极电极100、200、500：氮化物半导体外延叠层结构100’、200’：局部外延叠层110、210：基板120、220：氮化铝成核层130：超晶格叠层131：氮化铝超晶格层132：氮化镓超晶格层140：氮化镓厚层145、245：外延缺陷400、430、460、490：元件功能结构410：通道层152、420：阻挡层310、432、461、492：第一超晶格外延结构320、320’、431、462、491：第一氮化镓系厚层330、434、463、494：第二超晶格外延结构340、340’、433、464、493：第二氮化镓系厚层465、496：第三超晶格外延结构466、495：第三氮化镓系厚层510：帽层550：后阻挡层A：阳极C：阴极E0、E1：功率元件单元E2：萧特基二极管元件单元E3、E4：功率元件测试单元O1～O4：欧姆电极S：功率元件S70：源极垫S80：漏极垫S90：栅极垫FF’：剖线具体实施方式以下实施例将伴随着附图说明本专利技术的概念，在附图或说明中，相似或相同的部分是使用相同的标号，并且在附图中，元件的形状或厚度可扩大或缩小。需特别注意的是，图中未绘示或描述的元件，可以是熟悉此技术的人士所知的形式。请参阅图2，图2为本专利技术第一实施例显示的一种氮化物半导体外延叠层结构200侧视图。氮化物半导体外延叠层结构200包含一硅基板210，硅基板210上形成有一层氮化铝成核层220，氮化铝成核层22本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化物半导体外延叠层结构，其特征在于，包含：硅基板；含铝成核层，配置于该硅基板上；缓冲结构，配置于该含铝成核层上，依序包含：第一超晶格外延结构；第一氮化镓系厚层，配置于该第一超晶格外延结构上；第二超晶格外延结构，配置于该第一氮化镓系厚层上；以及第二氮化镓系厚层，配置于该第二超晶格外延结构上；通道层，配置于该缓冲结构上；阻挡层，配置该通道层上；以及二维电子气层，位于邻近该通道层与该阻挡层间的一界面；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。

【技术特征摘要】
2017.02.22 TW 1061058941.一种氮化物半导体外延叠层结构，其特征在于，包含：硅基板；含铝成核层，配置于该硅基板上；缓冲结构，配置于该含铝成核层上，依序包含：第一超晶格外延结构；第一氮化镓系厚层，配置于该第一超晶格外延结构上；第二超晶格外延结构，配置于该第一氮化镓系厚层上；以及第二氮化镓系厚层，配置于该第二超晶格外延结构上；通道层，配置于该缓冲结构上；阻挡层，配置该通道层上；以及二维电子气层，位于邻近该通道层与该阻挡层间的一界面；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。2.如权利要求1所述的氮化物半导体外延叠层结构，其中，该第一超晶格外延结构由多个氮化铝超晶格层及多个氮化铝镓超晶格层交互堆叠；其中，该第二超晶格外延结构由多个氮化铝镓超晶格层及多个氮化镓超晶格层交互堆叠。3.如权利要求1所述的氮化物半导体外延叠层结构，其中，该通道层为一氮化镓层，且该阻挡层为一氮化铝镓层。4.如权利要求1所述的氮化物半导体外延叠层结构，其中，还包含氮化铝镓后阻挡层位于该通道层与该缓冲结构之间，其中，该氮化铝镓后阻挡...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜尚儒，杨亚谕，刘家呈，张宗正，
申请(专利权)人：晶元光电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71