專利名稱：場效應(yīng)晶體管和用于制備場效應(yīng)晶體管的多層外延膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GaN型場效應(yīng)晶體管(FET)，并且特別是涉及高頻GaN型FET，并且尤其是涉及適于毫米波段或亞毫米波段的GaN型FET。具體而言，本發(fā)明涉及使用在所謂的HEMT結(jié)構(gòu)中形成的二維電子氣的異質(zhì)結(jié)FET(HJFET)。此外，本發(fā)明涉及用于制備GaN型場效應(yīng)晶體管(FET)的多層外延膜的構(gòu)造。

背景技術(shù)：

在GaN型FET中，并且特別是在高頻GaN型FET，并且尤其是在適于毫米波段或亞毫米波段的GaN型FET中，為了實現(xiàn)高頻性能，廣泛地采用使用二維電子氣的HJFET結(jié)構(gòu)。特別是，通常采用在柵極電極下安置AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)并且在此異質(zhì)結(jié)界面貯存由起電子供應(yīng)層作用的AlGaN供給的電子以形成二維電子氣的構(gòu)造。在這樣的情況下，作為襯底1，使用藍寶石襯底，SiC襯底，Si襯底等，在其表面上形成起外延生長生長核作用的非常薄的成核層，并且在此成核層上生長GaN型外延層。常規(guī)上，將AlN成核層選作成核層，隨后形成GaN層作為緩沖層，并且還使GaN層連續(xù)地長大作為溝道層。通過在作為所述緩沖層和溝道層而連續(xù)形成的GaN層4的表面上使AlGaN電子供應(yīng)層5長大，在它們之間的導(dǎo)帶中的帶隙差ΔEc被用來實現(xiàn)在所述溝道層的所述GaN層和AlGaN電子供應(yīng)層5之間的異質(zhì)結(jié)界面處的二維電子氣的限制。圖4圖示了用于制備AlGaN/GaN HJFET的多層外延膜的構(gòu)造，其中采用GaN層作為此緩沖層，并且由外延生長連續(xù)地形成所述溝道層的GaN層，并且圖5圖示了使用具有所述構(gòu)造的多層外延膜制備的AlGaN/GaN HJFET的器件結(jié)構(gòu)的一個實例。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將要解決的問題
但是，在圖5中圖示的HJFET結(jié)構(gòu)中，所述HJFET結(jié)構(gòu)是使用具有如圖4中所示的采用GaN層作為緩沖層這樣的構(gòu)造的所述多層外延膜制備的，由于用于緩沖層的GaN層本身最初是n--GaN層，所述n--GaN層的殘余載流子濃度為n＝1015至1016cm-3這樣的水平，并且其膜厚度被設(shè)置為約1000nm，因此它具有下列問題。

特別是為了將具有圖5中圖示的結(jié)構(gòu)的GaN型HJFET用于亞毫米波段或毫米波段用的FET，必須進行柵極的微型化，即進一步縮短柵極長度Lg。在過去，盡管出現(xiàn)與此柵極長度Lg縮短相關(guān)的短溝道效應(yīng)，在AlGaAs/GaAs類HJFET中，通過采用將柵極長度Lg與有源層厚度(柵極到溝道的距離本文中，從柵極電極到溝道層底面的距離)a的縱橫比Lg/a設(shè)置在10以上的措施，有效抑制了短溝道效應(yīng)。至于具有如圖5中圖示的構(gòu)造的GaN型HJFET，在將柵極長度Lg設(shè)置在適于在毫米波段或亞毫米波段中使用的FET這樣的尺寸的情況下，通過將柵極長度Lg與有源層厚度(柵極到溝道的距離)a的縱橫比Lg/a設(shè)置在10以上的方法實現(xiàn)的降低短溝道效應(yīng)的作用的程度非常小。

對于具有圖5中所示構(gòu)造的GaN型HJFET而示意性地圖示在柵極電極下面的能帶圖時，它顯示出圖6中所圖示的這樣形狀。注意力集中到用作其緩沖層/溝道層的GaN層4上，所述的GaN層4是在襯底1上形成的AlN成核層2上形成的。由于AlN成核層2是絕緣層，費米能級Ef位于在AlN成核層2和用于所述緩沖層的GaN之間的界面處的其帶隙的中心。用于所述緩沖層的GaN的導(dǎo)帶邊緣相對于費米能級Ef的位置由在此界面處的AlN和GaN的導(dǎo)帶能Ec之間的差值ΔEc(AlN/GaN)確定。另一方面，在AlGaN電子供應(yīng)層5和柵極電極8之間的界面處形成肖特基結(jié)，并且以肖特基結(jié)的高度確定AlGaN電子供應(yīng)層5的導(dǎo)帶邊緣相對于費米能級Ef的水平。AlGaN電子供應(yīng)層5供給電子并且被耗盡，因此，在AlGaN電子供應(yīng)層5和所述溝道層的GaN之間的界面處，AlGaN電子供應(yīng)層5的所述導(dǎo)帶邊緣相對于費米能級Ef的位置由此AlGaN電子供應(yīng)層5的厚度和由耗盡所產(chǎn)生的固定電荷的量確定。

在AlGaN電子供應(yīng)層5和所述溝道層的GaN之間的界面處，如圖6中所示，整個AlGaN電子供應(yīng)層5被耗盡這樣的情況下，AlGaN電子供應(yīng)層5的導(dǎo)帶邊緣相對于費米能級Ef的位置變得稍高于費米能級Ef。在考慮到AlGaN電子供應(yīng)層5中的導(dǎo)帶的態(tài)密度NC、產(chǎn)生殘余載流子的殘余施主密度ND等時，在AlGaN電子供應(yīng)層5和所述溝道層的GaN之間的界面處，AlGaN電子供應(yīng)層5的所述導(dǎo)帶邊緣的位置位于比費米能級Ef高例如，約3kT(k表示玻耳茲曼常數(shù)，并且T表示約300K的溫度)的水平。另一方面，在該界面處，由與AlGaN和GaN的導(dǎo)帶能Ec之間的差值ΔEc(AlGaN/GaN)對應(yīng)的能量，溝道層GaN的導(dǎo)帶邊緣的位置釘在比AlGaN電子供應(yīng)層5的所述導(dǎo)帶邊緣的所述位置低的水平。由于將所述溝道層GaN的所述導(dǎo)帶邊緣的位置設(shè)置成大大低于在此界面處的費米能級Ef，因此將電子以高濃度局部地積累，以組分其二維電子氣。此外，在此界面處積累的二維電子氣的電子由AlGaN電子供應(yīng)層5供給，包括從在AlGaN電子供應(yīng)層5存在的淺施主能級供給的電子的貢獻，和由AlGaN本身的極化電荷的貢獻。

即，在AlN成核層2和用于緩沖層的GaN之間的界面處，將用于所述緩沖層的GaN的所述導(dǎo)帶邊緣的位置設(shè)置得比費米能級Ef高{1/2×Eg(AlN)-ΔEc(AlN/GaN)}。另一方面，在AlGaN電子供應(yīng)層5和用于所述溝道層的GaN之間的界面處，將用于所述溝道層的GaN的所述導(dǎo)帶邊緣的位置設(shè)置在相對于費米能級Ef低約{ΔEc(AlGaN/GaN)-3kT}(k表示玻耳茲曼常數(shù)，并且T表示約300K的溫度)的位置。另一方面，在所述GaN層是其殘余載流子濃度在n＝1015至1016cm-3左右這樣水平的n--GaN層時，所述GaN層的所述導(dǎo)帶邊緣的位置在比費米能級Ef高約3kT(k表示玻耳茲曼常數(shù)，并且T表示約300K的溫度)的位置。即，在用于所述緩沖層的GaN層本身最初是其殘余載流子濃度低到n＝1015至1016cm-3左右并且其膜厚度也薄到約1000nm的n--GaN層時，在AlN成核層2和用于所述緩沖層的GaN之間的界面附近，用于所述緩沖層的GaN的所述導(dǎo)帶邊緣的位置構(gòu)成這樣的帶結(jié)構(gòu)，其中它的位置相對于費米能級Ef以凹形形式降低。相反，在AlGaN電子供應(yīng)層5和用于所述溝道層的GaN之間的界面附近，用于所述溝道層的GaN的所述導(dǎo)帶邊緣的位置以凸形形式迅速上升，并且與費米能級Ef相交。在AlGaN電子供應(yīng)層5和用于所述溝道層的GaN之間的界面處形成的二維電子氣被以限定在狹窄區(qū)域中的狀態(tài)保持，直到用于所述溝道層的GaN的所述導(dǎo)帶邊緣的位置與費米能級Ef相交。但是，由于用于所述緩沖層的所述GaN層本身最初是其殘余載流子濃度低到n＝1015至1016cm-3左右并且其膜厚度也薄到約1000nm的n--GaN層，所以在接近于用于所述溝道層的GaN的區(qū)域中，用于所述緩沖層的GaN的所述導(dǎo)帶邊緣的位置被保持在僅比費米能級Ef高約3kT(k表示玻耳茲曼常數(shù)，并且T表示約300K的溫度)的狀態(tài)。即，在接近于用于所述溝道層的GaN的所述區(qū)域中，由于用于所述緩沖層的GaN的所述導(dǎo)帶邊緣的位置接近于費米能級Ef，所以可以容易地將電子注入到用于所述緩沖層的GaN中。注入到該用于所述緩沖層的GaN中的電子將是導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档秃蛫A斷故障的因素。具體而言，在具有圖5中所圖示的構(gòu)造的GaN型HJFET中，在縮短柵極長度Lg以適于在毫米波段或亞毫米波段中使用的FET時，它被認(rèn)為成為引起圖7中所示例的這樣的器件性能降低的因素，這是由短溝道效應(yīng)導(dǎo)致的。

作為所述緩沖層，在采用鋁含量比率低的AlGaN代替GaN時，通常，此鋁含量比率低的AlGaN本身是n-層，其中殘余載流子濃度低到n＝1014至1015cm-3左右。此外，在整個緩沖層由這樣的鋁含量比率低的n-類AlGaN形成時，其帶結(jié)構(gòu)變成通過將在如圖4中示例的采用GaN緩沖層的情況下的帶結(jié)構(gòu)位移與AlGaN和GaN的導(dǎo)帶能Ec之間的差值ΔEc(AlGaN/GaN)對應(yīng)的能量而得到的帶結(jié)構(gòu)。因此，在AlGaN和GaN的導(dǎo)帶能Ec之間的差值ΔEc(AlGaN/GaN)不超過2kT(k表示玻耳茲曼常數(shù)，并且T表示約300K的溫度)的情況下，不能完全地排除在超過此微小階梯的情況下將電子從所述溝道層的GaN注入到所述緩沖層的AlGaN中的影響。

本發(fā)明將解決上述問題，并且本發(fā)明的目的在于提供一種HJFET結(jié)構(gòu)，其在將適于毫米波段或亞毫米波段的FET的柵極長度Lg縮短的情況下可以避免由短溝道效應(yīng)引起的器件性能降低，從而有效地抑制從所述溝道層至所述緩沖層的電子注入的影響，并且提供用于制備HJFET的多層外延膜。具體而言，在AlGaN/GaN/類HJFET或AlGaInN/GaInN類HJFET中，目的在于提供HJFET結(jié)構(gòu)，其在將適于毫米波段或亞毫米波段的FET的柵極長度Lg縮短的情況下可以避免由短溝道效應(yīng)引起的器件性能降低，從而有效地抑制從所述溝道層至所述緩沖層的電子注入的影響，并且提供用于制備HJFET的多層外延膜。
解決問題的手段
首先，本發(fā)明的發(fā)明人研究了常規(guī)方法中可以抑制從所述溝道層的GaN到所述緩沖層的AlGaN的電子注入，并且在如上所述將AlGaN用作所述緩沖層的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)限制到GaN溝道層中的載流子(電子)限制效應(yīng)的技術(shù)特征。

在襯底上安置含有Al的第III族氮化物半導(dǎo)體作為所述溝道層(電子移動層)的下層并且在其頂面上形成所述GaN溝道層和AlGaN電子供應(yīng)層的情況下，提出所述下層的組分從襯底側(cè)到所述GaN溝道層連續(xù)地或階梯式變化這樣的結(jié)構(gòu)，作為抑制在上述襯底上形成的所述下層中積累形變應(yīng)力并且由此產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象的手段(參見JP 2004-289005 A，JP2002-359255 A，JP 2003-45899 A，JP 2004-327882 A，JP 2005-167275 A等)。例如，提出了可以通過使用在藍寶石襯底的表面上進行氮化處理以在其上形成表面氮化層，然后將所述下層的組分在襯底側(cè)設(shè)置為AlN并且在GaN溝道層側(cè)設(shè)置為Al0.5Ga0.5N這樣的結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)在所述下層抑制裂紋產(chǎn)生的效果。具體地，由于藍寶石襯底的晶格常數(shù)和AlN的晶格常數(shù)之間存在差別，由于此晶格失配導(dǎo)致的拉伸應(yīng)力被施加到晶格常數(shù)短的AlN層，因此，在AlN層的膜厚度增加時，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。在增加膜厚度的同時改變其組分，以增大晶格常數(shù)時，作為整個下層抑制了拉伸應(yīng)力的增加；由此，獲得了避免應(yīng)力達到引起裂紋產(chǎn)生的閾值的效果。在用AlN形成整個下層時，在GaN溝道層和AlN下層之間的界面處產(chǎn)生與其兩個導(dǎo)帶邊緣能量之間的差值ΔEc(AlN/GaN)對應(yīng)的勢壘；但是，另一方面，在改變所述下層的組分使得在所述GaN溝道層側(cè)為Al0.5Ga0.5N時，在GaN溝道層和下層之間的界面處產(chǎn)生與其兩個導(dǎo)帶邊緣能量之間的差值ΔEc(Al0.5Ga0.5N/GaN)對應(yīng)的勢壘。還提出了，在ΔEc(AlN/GaN)>ΔEc(Al0.5Ga0.5N/GaN)時，降低了在所述界面處的勢壘高度，但是在ΔEc(Al0.5Ga0.5N/GaN)的勢壘高度的情況下還可以獲得足夠的限制到GaN溝道層中的載流子(電子)限制效應(yīng)。提出，同樣在將所述下層的組分設(shè)置成在襯底側(cè)為AlN而在GaN溝道層側(cè)為Al0.5Ga0.5N以代替AlN下層時，在所述GaN溝道層中的薄膜載流子密度增大的效果將變差。

在上述方法中，在藍寶石襯底上形成AlN下層的步驟中，在藍寶石襯底表面上安置非常薄的膜厚度的表面氮化層或低溫生長AlN層，因此，由晶格失配導(dǎo)致的形變應(yīng)力集中在所述界面處安置的非常薄的膜厚度的層中，從而在其中產(chǎn)生高密度的失配位錯，這使相當(dāng)大部分的施加到AlN下層的拉伸應(yīng)力得到緩解。但是，與此界面接觸的AlN外延膜仍然以在面內(nèi)方向上的晶格常數(shù)被殘余拉伸應(yīng)力加寬這樣的狀態(tài)留下。此外，在其上繼續(xù)生長AlN外延膜時，在面內(nèi)方向上的晶格常數(shù)加寬這樣的狀態(tài)也得以保持，并且作為整體，拉伸應(yīng)力隨著膜厚度增加而進一步積累。另一方面，在隨后生長的外延膜中，將組分逐漸從AlN變化為Al0.5Ga0.5N時，由于AlGaN本身在面內(nèi)方向上的晶格常數(shù)大于AlN在面內(nèi)方向上的晶格常數(shù)，結(jié)果，隨著膜厚度增加積累在其中的拉伸應(yīng)力的增加被降低。還提出，在以比較高的速率使組分從AlN變化到Al0.5Ga0.5N時，此效應(yīng)變得更加顯著，并且優(yōu)選選擇，例如，相對于膜厚度t每增加0.05μm(Δt)，Al組分的變化ΔAl(降低百分比)為-0.05，即如ΔAl/Δt＝-1(μm-1)的大的組分變化率。

即，上述方法對于抑制裂紋產(chǎn)生是有效的，所述的裂紋是在將可以最初絕緣的AlN用作所述緩沖層的情況下，在選擇晶格常數(shù)顯著大于AlN的晶格常數(shù)的藍寶石襯底作為襯底時產(chǎn)生的；但是，例如在使用晶格常數(shù)小于AlN的晶格常數(shù)的襯底或具有幾乎相等的晶格常數(shù)的襯底(例如，SiC襯底等)的情況下，該方法決不具有改善基本上由晶格失配引起的結(jié)晶性能降低的功能。

另一方面，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在使用晶格常數(shù)小于或幾乎等于AlN的晶格常數(shù)的襯底的情況下，在從襯底側(cè)到GaN溝道層將構(gòu)成AlGaN緩沖層的AlGaN的Al組分逐漸降低時出現(xiàn)下列技術(shù)特征 -抑制電子從用作所述溝道層的GaN注入到用作所述緩沖層的AlGaN的影響的有效性 -此抑制作用在使AlGaN緩沖層的膜厚度相對增厚時是顯著的，并且具體而言，即使它是將在所述GaN溝道層和所述AlGaN緩沖層之間的界面處的AlGaN的Al組分設(shè)置成低到0.05的情況，也足夠獲得限制到GaN溝道層中的載流子(電子)限制效應(yīng)，并且本發(fā)明人揭示了其操作的特有原理。本發(fā)明人在上述發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上得以完成本發(fā)明。

即，作為解決上述問題的手段，如下面解釋的，本發(fā)明采用由進行“組分調(diào)制”的半導(dǎo)體合金材料構(gòu)成的緩沖層，在所述緩沖層上形成包含電子供應(yīng)層/溝道層的異質(zhì)結(jié)，并且使用二維電子氣構(gòu)成異質(zhì)結(jié)FET。具體而言，根據(jù)本發(fā)明，作為用于制備使用二維電子氣的異質(zhì)結(jié)FET的多層外延膜的構(gòu)造，例如，同樣在使用晶格常數(shù)小于AlN的晶格常數(shù)的襯底時，通過選擇采用由進行“組分調(diào)制”的半導(dǎo)體合金材料構(gòu)成的所述緩沖層并且在所述緩沖層上形成包含所述電子供應(yīng)層/溝道層的異質(zhì)結(jié)這樣的構(gòu)造，由與上述常規(guī)方法完全不同的操作原理，改善了限制到所述溝道層中的載流子(電子)限制效應(yīng)。

即，根據(jù)本發(fā)明的多層外延膜是 外延生長在襯底上的多層外延膜，其可以用于制造場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 所述多層外延膜由顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金形成，并且包含層狀結(jié)構(gòu)，其中在緩沖層上形成由電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)； 所述緩沖層包含由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的區(qū)域，所述半導(dǎo)體材料的組分沿從襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)變化，其中選擇所述半導(dǎo)體材料的組分，使得在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量單調(diào)降低； 選擇在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的組分，使得在所述區(qū)域和所述溝道層之間的界面處，與構(gòu)成所述溝道層的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量相比，在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量更高；并且 在所述區(qū)域中的導(dǎo)帶邊緣的能量顯示沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向，向電子能量更高的一側(cè)凸起的形狀。

在這樣的情況下，優(yōu)選采用這樣的結(jié)構(gòu)所述多層外延膜由第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金形成， 所述溝道層由GaN，InGaN，或(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)形成， 所述電子供應(yīng)層由AlGaN，InAlN，或InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)形成， 所述緩沖層由AlGaN，InAlN，或InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)形成，并且 設(shè)置在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的組分變化，使得沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向，Al組分是單調(diào)降低的，或In組分是單調(diào)增加的。

此外，所述多層外延膜可以以這樣的形式構(gòu)造所述膜包括在所述溝道層和所述緩沖層之間的勢壘層，其中所述勢壘層由InAlGaN，或(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)形成，并且 形成所述勢壘層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成與所述勢壘層接觸的所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，并且高于形成在所述緩沖層和所述勢壘層之間的界面處的所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量。

例如，優(yōu)選所述緩沖層由AlxGa1-xN(其中，x為1≥x≥0)形成，并且Al組分x沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向是單調(diào)降低的，并且在范圍內(nèi)選擇在從所述襯底表面到所述溝道層的方向(Z方向)上的Al組分x的變化率

此外，在根據(jù)本發(fā)明的多層外延膜中， 適宜的是具有這樣的形式，其中將在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的組分變化形成為所述的組分連續(xù)變化或階梯式變化這樣的形狀。

在上述根據(jù)本發(fā)明的多層外延膜中， 適宜的是滿足這樣的條件在所述電子供應(yīng)層中產(chǎn)生的正空間電荷的總量等于或大于在所述緩沖層中和在所述緩沖層和所述溝道層之間的界面處產(chǎn)生的負(fù)空間電荷的總量。

另一方面，根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管是 使用外延生長在襯底上的多層外延膜制造的場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 所述多層外延膜由顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金形成，并且包含層狀結(jié)構(gòu)，其中在緩沖層上形成由電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)； 所述緩沖層包含由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的區(qū)域，所述半導(dǎo)體材料的組分沿從襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)變化，其中選擇所述半導(dǎo)體材料的所述組分，使得在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量單調(diào)降低； 選擇在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的組分，使得在所述區(qū)域和所述溝道層之間的界面處，與構(gòu)成所述溝道層的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量相比，在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量更高；并且 在所述區(qū)域中的導(dǎo)帶邊緣的能量顯示沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向，向電子能量更高的一側(cè)凸起的形狀。

在這樣的情況下，優(yōu)選選擇這樣的結(jié)構(gòu)在所述電子供應(yīng)層上安置柵極電極，并且 有源層厚度a相對于柵極長度Lg的縱橫比Lg/a滿足Lg/a≥5，其中有源層厚度a定義為在所述柵極電極下的所述電子供應(yīng)層的膜厚度和所述溝道層的膜厚度之和。具體而言，在根據(jù)本發(fā)明的所述場效應(yīng)晶體管中， 優(yōu)選具有這樣的構(gòu)造所述多層外延膜由第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金形成， 所述溝道層由GaN，InGaN，或(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)形成， 所述電子供應(yīng)層由AlGaN，InAlN，或InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)形成， 所述緩沖層由AlGaN，InAlN，或InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)形成，并且 設(shè)置在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的組分變化，使得沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向，Al組分是單調(diào)降低的，或In組分是單調(diào)增加的。

此外，適宜的是進行構(gòu)造使得所述多層外延膜包含在所述溝道層和所述緩沖層之間的勢壘層，其中所述勢壘層由InAlGaN，或(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)形成，并且 形成所述勢壘層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成與所述勢壘層接觸的所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，并且高于形成在所述緩沖層和所述勢壘層之間的界面處的所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量。

例如，進一步優(yōu)選所述緩沖層由AlxGa1-xN(其中，x為1≥x≥0)形成，并且其Al組分x沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向是單調(diào)降低的，并且在范圍內(nèi)選擇在從所述襯底表面到所述溝道層的方向(Z方向)上的Al組分x的變化率
本發(fā)明的效果
在根據(jù)本發(fā)明的HJFET結(jié)構(gòu)中，有效地抑制從溝道層到緩沖層的電子注入，因此，在縮短柵極長度Lg以適于適合亞毫米波段或毫米波段的FET時，避免了由短溝道效應(yīng)引起的器件性能的降低。此外，也排除了其中導(dǎo)致?lián)舸╇妷喝毕莺蛫A斷缺陷的因素，因此，在將源極和漏極之間施加的偏壓VD設(shè)置為高的高壓操作的情況下，對于在高頻操作中得到的增益(RF增益)以及在DC操作中得到的增益(DC增益)，與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，根據(jù)本發(fā)明的HJFET結(jié)構(gòu)也實現(xiàn)了大的改善。而且，根據(jù)本發(fā)明的多層外延膜的結(jié)構(gòu)被設(shè)置成這樣的構(gòu)造，所述的構(gòu)造被設(shè)計成適于制備根據(jù)本發(fā)明的上述HJFET。
附圖簡述


圖1是示意性圖示根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施方案的多層外延膜的結(jié)構(gòu)實例的剖視圖； 圖2是示意性圖示根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施方案的異質(zhì)結(jié)FET的結(jié)構(gòu)實例的剖視圖； 圖3是示意性圖示在根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施方案的異質(zhì)結(jié)FET并且特別是AlGaN/GaN型HJFET的柵極電極下面的多層外延結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶邊緣的能帶圖的視圖。在圖中所示的附圖標(biāo)記x表示進行“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層中的Al組分； 圖4是示意性圖示用于使用GaN緩沖層的常規(guī)AlGaN/GaN型HJFET的多層外延膜的結(jié)構(gòu)實例的剖視圖； 圖5是示意性圖示使用GaN緩沖層的常規(guī)AlGaN/GaN型HJFET的結(jié)構(gòu)實例的剖視圖； 圖6是示意性圖示在使用GaN緩沖層的常規(guī)AlGaN/GaN型HJFET的柵極電極下面的多層外延結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶邊緣的能帶圖的視圖； 圖7是圖示測量使用GaN緩沖層的常規(guī)AlGaN/GaN型HJFET的Id-Vd特性結(jié)果的曲線圖，具體而言是測量柵極長度Lg＝0.15μm的器件的Id-Vd特性結(jié)果的曲線圖； 圖8是圖示對在AlGaN緩沖層中產(chǎn)生的負(fù)極化電荷密度進行預(yù)測計算的結(jié)果的曲線圖，所述的AlGaN緩沖層進行理論上的“Al組分調(diào)制”，其中不同地改變在與另一側(cè)的AlN成核層的界面處的Al組分xb，條件是AlGaN緩沖層的膜厚度為1μm，并且在與GaN溝道層的界面處的Al組分xt＝0.05； 圖9是示意性圖示用于根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET的多層外延結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶邊緣的能帶圖的視圖，其中選擇在圖中具體示出的多層外延結(jié)構(gòu)。在圖中所示的附圖標(biāo)記x表示進行“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層中的Al組分； 圖10是圖示測量根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET的Id-Vd特性結(jié)果的曲線圖，具體而言是測量柵極長度Lg＝0.15μm的器件的Id-Vd特性結(jié)果的曲線圖； 圖11是示意性圖示用于根據(jù)本發(fā)明第三示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET的多層外延膜的結(jié)構(gòu)實例的剖視圖； 圖12是示意性圖示用于根據(jù)本發(fā)明第三示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET的結(jié)構(gòu)實例的剖視圖； 圖13是示意性圖示在用于根據(jù)本發(fā)明的第三示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET的柵極電極下面的多層外延結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶邊緣的能帶圖的視圖。在圖中所示的附圖標(biāo)記x表示進行“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層中的Al組分；和 圖14是示意性圖示在用于根據(jù)本發(fā)明的第四示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET的柵極電極下面的多層外延結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶邊緣的能帶圖的視圖。在緩沖層中，將非常薄的InAlGaN勢壘層插入到階梯式進行“Al組分調(diào)制”的非常薄的AlGaN緩沖層的各個層之間，由此在其中形成周期性電位結(jié)構(gòu)。在圖中，Δz表示進行“Al組分調(diào)制”的非常薄的AlGaN緩沖層的膜厚度，ΔB表示非常薄的InAlGaN勢壘層的膜厚度。此外，在圖中所示的附圖標(biāo)記x表示進行“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層中的Al組分。
實施本發(fā)明的最佳方式
下面將描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。

首先，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的多層外延膜是 外延生長在襯底上的多層外延膜，其可以用于制造場效應(yīng)晶體管，其特征在于 所述多層外延膜由顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金形成； 在所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金中顯示的所述自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)隨所述半導(dǎo)體材料的組分變化而在大小上連續(xù)地變化； 所述多層外延膜包含層狀結(jié)構(gòu)，其中在緩沖層上形成由電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，并且在所述電子供應(yīng)層/溝道層的異質(zhì)結(jié)界面處二維地積累電子； 所述緩沖層由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，所述半導(dǎo)體材料的組分從襯底表面沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)變化； 在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料中，設(shè)置所述組分變化，使得其連續(xù)變化，或以精細的膜厚度梯級階梯式變化； 在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料中，選擇其在所述緩沖層和所述溝道層之間的界面的組分，使得與形成所述溝道層的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量相比，具有所述組分的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量更高； 在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料中，選擇其沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向的組分變化，使得所述的其組分單調(diào)變化的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向是單調(diào)降低的； 作為沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向所選擇的組分變化的結(jié)果，通過將在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中顯示的自發(fā)極化和壓電極化加和而得到的極化沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)變化，并且得到的極化變化引起負(fù)極化的電荷在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生； 作為所產(chǎn)生的負(fù)極化的電荷的結(jié)果，在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中，這樣區(qū)域的導(dǎo)帶邊緣的能量單調(diào)降低，同時顯示出沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向，向電子能量更高的一側(cè)凸起的形狀；并且 選擇所述溝道層的膜厚度，使其為在所述溝道層中二維積累的電子的德布羅意波長的5倍以下。

在這樣的情況下，在將適于以耗盡模式(常開)操作的這樣的結(jié)構(gòu)選擇用于將要制造的所述場效應(yīng)晶體管時，優(yōu)選采用這樣的結(jié)構(gòu)其中在上述襯底表面表面上形成的成核層上形成所述緩沖層，并且在由其制造的所述場效應(yīng)晶體管中，至少將直接在柵極電極下面的所述電子供應(yīng)層中產(chǎn)生的“正”空間電荷的總量設(shè)置為等于或大于在所述緩沖層和溝道層之間的界面和在所述緩沖層和所述成核層之間的界面處的所述緩沖層中產(chǎn)生的“負(fù)”空間電荷的總量。

此外，在根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的多層外延膜中，適宜的是選擇這樣的構(gòu)造，其中 其組分單調(diào)變化、構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料的殘余載流子是電子，并且 將在構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的負(fù)極化電荷的密度設(shè)置在比電離雜質(zhì)水平的密度高這樣的密度，由此在其組分單調(diào)變化、構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生殘余載流子。

至于根據(jù)本發(fā)明上述優(yōu)選實施方案的多層外延膜，更優(yōu)選實施方案中的一個是這樣的示例性實施方案，其中 用來形成所述多層外延膜、顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金是第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金。在根據(jù)本發(fā)明更優(yōu)選的示例性實施方案的第一模式的多層外延膜中，選擇這樣的結(jié)構(gòu)，其中 用來形成所述多層外延膜、顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金是第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金； 在所述多層外延膜中， 至于由電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)， 所述溝道層由GaN，InGaN，或以(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)表示的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且 所述電子供應(yīng)層由AlGaN，InAlN層，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，并且進行選擇使得形成所述電子供應(yīng)層的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于在所述緩沖層和所述溝道層之間的界面處形成所述溝道層的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘； 所述緩沖層由AlGaN，InAlN，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且，在所述緩沖層和所述溝道層之間的界面處，選擇形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的組分，使得所述組分的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘； 在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中，由Al組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化和In組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)增加的組分變化中的任何一種，提供其沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向的組分變化。

在這樣的情況下，在根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的多層外延膜中， 適宜的是選擇這樣的構(gòu)造，其中 其組分單調(diào)變化、構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料的殘余載流子是電子，并且 將在構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的負(fù)極化電荷的密度設(shè)置在比電離雜質(zhì)水平的密度高這樣的密度，由此在其組分單調(diào)變化、構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生殘余載流子。

在根據(jù)本發(fā)明更優(yōu)選的實施方案的第一模式的多層外延膜中，優(yōu)選的是例如，其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料由表示為AlxGa1-xN(其中，x為1≥x≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成； 在其組分單調(diào)變化的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中顯示的沿從所述襯底表面到所述溝道層方向的所述組分變化由Al組分x沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化提供，并且 在范圍內(nèi)選擇在從所述襯底表面到所述溝道層的方向(Z方向)上的Al組分x的變化率

此外，至于根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的多層外延膜，更優(yōu)選實施方案中的另一個是這樣的示例性實施方案，其中 用來形成所述多層外延膜、顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金是第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金。在根據(jù)本發(fā)明更優(yōu)選的實施方案的第二模式的多層外延膜中，選擇這樣的結(jié)構(gòu)，其中 用來形成所述多層外延膜、顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金是第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金； 所述多層外延膜包含層狀結(jié)構(gòu)，其中在所述緩沖層上形成由電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，其中勢壘層插入在所述緩沖層和異質(zhì)結(jié)之間，并且在所述電子供應(yīng)層/溝道層的異質(zhì)結(jié)界面處二維地積累電子； 在所述多層外延膜中， 至于由所述電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的所述異質(zhì)結(jié)， 所述溝道層由GaN，InGaN，或以(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)表示的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且 所述電子供應(yīng)層由AlGaN，InAlN層，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，并且進行選擇使得形成所述電子供應(yīng)層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于在所述緩沖層和所述溝道層之間的界面處形成所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘； 所述勢壘層插入在所述溝道層和緩沖層之間，并且由In AlGaN，或由(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0和1≥w≥0)表示的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且進行選擇使得形成所述勢壘層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成與所述勢壘層接觸的所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，并且在所述緩沖層和所述勢壘層之間的界面處，形成所述勢壘層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘； 所述緩沖層由AlGaN，InAlN，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且，在所述緩沖層和所述溝道層之間的界面處，選擇形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的組分，使得所述組分的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量；并且 在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中，由Al組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化和In組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)增加的組分變化中的任何一種，提供其沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向的組分變化。

在這樣的情況下，在根據(jù)本發(fā)明更優(yōu)選實施方案的第二模式的多層外延膜中， 適宜的是選擇這樣的構(gòu)造，其中 其組分單調(diào)變化、構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料的殘余載流子是電子，并且 將在構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的負(fù)極化電荷的密度設(shè)置在比電離雜質(zhì)水平的密度高這樣的密度，由此在其組分單調(diào)變化、構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生殘余載流子。

在根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的多層外延膜中， 優(yōu)選的是例如，其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料由表示為AlxGa1-xN(其中，x為1≥x≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成； 在其組分單調(diào)變化的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中顯示的沿從所述襯底表面到所述溝道層方向的所述組分變化由Al組分x沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化提供，并且 在范圍內(nèi)選擇在從所述襯底表面到所述溝道層的方向(Z方向)上的Al組分x的變化率

此外，本發(fā)明還提供場效應(yīng)晶體管的發(fā)明，所述的場效應(yīng)晶體管可通過使用根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的上述多層外延膜制造 即，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的場效應(yīng)晶體管是 使用外延生長在襯底上的多層外延膜制造的場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 所述多層外延膜由顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金形成； 在所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金中顯示的所述自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)隨所述半導(dǎo)體材料的組分變化而在大小上連續(xù)地變化； 所述多層外延包含層狀結(jié)構(gòu)，其中在緩沖層上形成由電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，并且由此在所述電子供應(yīng)層/溝道層的異質(zhì)結(jié)界面處二維地積累電子； 所述緩沖層由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，所述半導(dǎo)體材料的組分從襯底表面沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)變化； 在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中，設(shè)置所述組分變化，使得其連續(xù)變化，或以精細的膜厚度梯級階梯式變化； 在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中，選擇在所述緩沖層和所述溝道層之間界面處的組分，使得與形成所述溝道層的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量相比，具有所述組分的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量更高； 在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中，選擇其沿所述襯底表面到所述溝道層的方向的組分變化，使得所述的其組分單調(diào)變化的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向是單調(diào)降低的； 作為沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向所選擇的組分變化的結(jié)果，通過將在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中顯示的自發(fā)極化和壓電極化加和而得到的極化沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)變化，所述的極化變化引起負(fù)極化的電荷在形成所述緩沖層的并且其組分單調(diào)變化的半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生； 作為所產(chǎn)生的負(fù)極化的電荷的結(jié)果，在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中，這樣區(qū)域的導(dǎo)帶邊緣的能量單調(diào)降低，同時顯示出沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向，向電子能量更高的一側(cè)凸起的形狀； 在所述電子供應(yīng)層上安置場效應(yīng)晶體管的柵極電極，并且有源層厚度a相對于柵極長度Lg的縱橫比Lg/a滿足Lg/a≥5，所述有源層厚度a定義為在所述柵極電極下的所述電子供應(yīng)層的膜厚度和所述溝道層的膜厚度之和；并且 選擇所述溝道層的膜厚度，使其為在所述溝道層中二維積累的電子的德布羅意波長的5倍以下。

在這樣的情況下，在將適于以耗盡模式(常開)操作的這樣的結(jié)構(gòu)選擇用于將要制造的所述場效應(yīng)晶體管時， 優(yōu)選采用這樣的結(jié)構(gòu)其中在上述襯底表面上形成的成核層上形成所述緩沖層，并且 在由其制造的所述場效應(yīng)晶體管中，至少將直接在柵極電極下面的所述電子供應(yīng)層中產(chǎn)生的“正”空間電荷的總量設(shè)置為等于或大于在所述緩沖層和溝道層之間的界面和在所述緩沖層和所述成核層之間的界面處的所述緩沖層中產(chǎn)生的“負(fù)”空間電荷的總量。

此外，在根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的場效應(yīng)晶體管中， 適宜的是選擇這樣的構(gòu)造，其中 其組分單調(diào)變化、構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料的殘余載流子是電子，并且 將在構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的負(fù)極化電荷設(shè)置在比電離雜質(zhì)水平的密度高這樣的密度，由此在其組分單調(diào)變化、構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生殘余載流子。

在根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的上述場效應(yīng)晶體管中，其更優(yōu)選模式中的一個是以下示例性實施方案，其中 用來形成所述多層外延膜、顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金是第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金。在根據(jù)本發(fā)明更優(yōu)選實施方案的第一模式的場效應(yīng)晶體管中，選擇這樣的結(jié)構(gòu)，其中 用來形成所述多層外延膜、顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金是第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金； 在所述多層外延膜中， 至于由電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)， 所述溝道層由GaN，InGaN，或以(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)表示的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且 所述電子供應(yīng)層由AlGaN，InAlN層，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，并且進行選擇使得在與所述溝道層的界面處，形成所述電子供應(yīng)層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘； 所述緩沖層由AlGaN，InAlN，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且，在所述緩沖層和所述溝道層之間的界面處，選擇形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的組分，使得所述組分的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘； 在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中，由Al組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化和In組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)增加的組分變化中的任何一種，提供其沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向的組分變化。

在這樣的情況下，在根據(jù)本發(fā)明更優(yōu)選實施方案第一模式的場效應(yīng)晶體管中， 適宜的是選擇這樣的構(gòu)造，其中 其組分單調(diào)變化、構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料的殘余載流子是電子，并且 將在構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的負(fù)極化電荷設(shè)置在比電離雜質(zhì)水平的密度高這樣的密度，由此在其組分單調(diào)變化、構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生殘余載流子。

在根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的場效應(yīng)晶體管中， 優(yōu)選的是例如，其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料由表示為AlxGa1-xN(其中，x為1≥x≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成； 在其組分單調(diào)變化的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中顯示的沿從所述襯底表面到所述溝道層方向的所述組分變化由Al組分x沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化提供，并且 在范圍內(nèi)選擇在從所述襯底表面到所述溝道層的方向(Z方向)上的Al組分x的變化率

此外，在根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的上述場效應(yīng)晶體管中，其更優(yōu)選模式中的另一個是以下示例性實施方案，其中 用來形成所述多層外延膜、顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金是第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金。在根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的場效應(yīng)晶體管中，選擇這樣的結(jié)構(gòu)，其中 用來形成所述多層外延膜、顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金是第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金； 所述多層外延膜包含層狀結(jié)構(gòu)，其中在所述緩沖層上形成由電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，其中勢壘層插入在所述緩沖層和異質(zhì)結(jié)之間，并且在所述電子供應(yīng)層/溝道層的異質(zhì)結(jié)界面處二維地積累電子； 在所述多層外延膜中， 至于由所述電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的所述異質(zhì)結(jié)， 所述溝道層由GaN，InGaN，或以(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)表示的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且 所述電子供應(yīng)層由AlGaN，InAlN層，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，并且進行選擇使得在與所述溝道層的界面處，形成所述電子供應(yīng)層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘； 所述勢壘層插入在所述溝道層和緩沖層之間，并且由In AlGaN，或由(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0和1≥w≥0)表示的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且進行選擇使得形成所述勢壘層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成與所述勢壘層接觸的所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，并且形成所述勢壘層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成在與所述勢壘層的界面處的所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘； 所述緩沖層由AlGaN，InAlN，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且，在與所述勢壘層的界面處，選擇形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的組分，使得所述組分的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量；并且 在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中，由Al組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化和In組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)增加的組分變化中的任何一種，提供其沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向的組分變化。

在這樣的情況下，在根據(jù)本發(fā)明更優(yōu)選實施方案第二模式的場效應(yīng)晶體管中， 適宜的是選擇這樣的構(gòu)造，其中 其組分單調(diào)變化、構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料的殘余載流子是電子，并且 將在構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的負(fù)極化電荷設(shè)置在比電離雜質(zhì)水平的密度高這樣的密度。由此在其組分單調(diào)變化、構(gòu)成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生殘余載流子。

在根據(jù)本發(fā)明更優(yōu)選實施方案第二模式的場效應(yīng)晶體管中， 優(yōu)選的是例如，其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料由表示為AlxGa1-xN(其中，x為1≥x≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成； 在所述的其組分單調(diào)變化的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中顯示的沿從所述襯底表面到所述溝道層方向的所述組分變化由Al組分x沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化提供，并且 在范圍內(nèi)選擇在從所述襯底表面到所述溝道層的方向(Z方向)上的Al組分x的變化率

而且，下面將說明本發(fā)明中的優(yōu)選構(gòu)造和用于選擇所述優(yōu)選構(gòu)造的準(zhǔn)則。

本發(fā)明中，將包括在襯底形成的電子供應(yīng)層/溝道層/緩沖層的多層結(jié)構(gòu)用作在制備異質(zhì)結(jié)FET(HJFET)時使用的多層外延層的結(jié)構(gòu)；并且將下面的結(jié)構(gòu)用作用于抑制從所述溝道層到所述緩沖層的載流子注入的技術(shù)，以改善對在所述電子供應(yīng)層/溝道層之間的界面處二維積累的載流子的限制效應(yīng)(載流子限制)，在所述的結(jié)構(gòu)中，將具有由晶軸方向上的各向異性導(dǎo)致的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的化合物半導(dǎo)體及其半導(dǎo)體合金用作構(gòu)成所述電子供應(yīng)層/溝道層/緩沖層的半導(dǎo)體材料，并且在包含將所述溝道層和電子供應(yīng)層隔著插在中間的上述緩沖層層疊在所述襯底上這樣的結(jié)構(gòu)的多層外延層中，使形成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料的組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的生長方向單調(diào)變化，并且作為組分變化的結(jié)果，作為所述半導(dǎo)體材料顯示的自發(fā)極化和壓電極化的總和的極化也沿著所述的生長方向變化，從而在所述緩沖層中產(chǎn)生極化電荷。在這樣的情況下，將形成所述緩沖層的半導(dǎo)體材料本身中的殘余載流子選擇為與在所述電子供應(yīng)層/溝道層的界面處積累的所述載流子的類型相同的類型，由此與所述殘余載流子極性相反的空間電荷被固定在所述半導(dǎo)體材料中這樣的狀態(tài)是由殘余載流子的產(chǎn)生導(dǎo)致的。在此情形中，將在所述緩沖層中產(chǎn)生的所述極化電荷設(shè)置為具有與殘余載流子相同極性的電荷，并且將這些極化電荷的密度設(shè)置成高于在所述半導(dǎo)體材料中固定的空間電荷的密度以進行補償，從而達到所述緩沖層在整體上含有與極化電荷的極性相同的極性的有效固定電荷這樣的狀態(tài)。在這樣的情況下，可能導(dǎo)致這樣的現(xiàn)象，其中在形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料的帶中，所述載流子可能存在于其上的帶的邊緣的能量沿從所述襯底的上表面到所述溝道層的方向變化，變化的方式使得邊緣的形狀在載流子能量上升的方向上顯示凸形。本發(fā)明利用該現(xiàn)象。

即，在將載流子從所述溝道層注入到所述緩沖層的過程中，注入的載流子必須攀登帶邊緣，從而在載流子能量上升的方向上顯示凸形，因此可以攀登此能量梯度的載流子的數(shù)量減少。換言之，實現(xiàn)了抑制從所述溝道層到所述緩沖層中的載流子注入的效果。當(dāng)然，由于存在在載流子能量上升的方向上顯示凸形的帶邊緣，所以在所述緩沖層區(qū)域中，在所述緩沖層中不存在殘余載流子，由此在根據(jù)本發(fā)明的HJFET中，也降低了通過所述緩沖層的漏電流，由此所謂的緩沖層擊穿電壓成為優(yōu)異的水平。

在根據(jù)本發(fā)明的HJFET中，作為形成所述電子供應(yīng)層/溝道層/緩沖層的半導(dǎo)體材料，使用具有由晶軸方向上的各向異性導(dǎo)致的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的化合物半導(dǎo)體及其半導(dǎo)體合金。作為符合此特征的化合物半導(dǎo)體材料的實例，可以示例具有與它們的六方晶系(纖鋅礦結(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)有關(guān)的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的第III族氮化物型半導(dǎo)體。具有六方晶系的第III族氮化物型半導(dǎo)體AlN、GaN和InN的結(jié)構(gòu)常數(shù)和物理性能常數(shù)中的一部分總結(jié)于表1中。

[表1] 結(jié)構(gòu)常數(shù)和物理性能常數(shù)(纖鋅礦晶體)
作為將本發(fā)明應(yīng)用到采用具有六方晶系的第III族氮化物型半導(dǎo)體及其半導(dǎo)體合金構(gòu)成電子供應(yīng)層/溝道層/緩沖層的HJFET的一個實例，可以采用如下所說明的AlGaN/GaN型HJFET的構(gòu)造。

通常，作為可以用于第III族氮化物型半導(dǎo)體外延生長的襯底，已知的是示于下表2中的襯底。

[表2] 用于外延生長第III族氮化物型半導(dǎo)體的襯底材料的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)

[表3] 用于外延生長第III族氮化物型半導(dǎo)體的襯底材料的熱電性能 當(dāng)在上述襯底材料中使用AlN襯底時，在不同種類的襯底的表面上制備上述AlN層作為成核層變得不必要。但是，由于迄今不容易獲得大直徑的AlN襯底，所以通常，優(yōu)選這樣的模式，其中將在不同種類的襯底的表面上進行C-軸生長的AlN層用作成核層。類似地，由于同樣對于ZnO襯底，迄今不容易獲得大直徑的襯底，所以通常，在不同種類的襯底的表面上形成ZnO的薄膜層，并且可以將此ZnO薄膜層用作下層。此外，在熱的環(huán)境氣氛中，ZnO傾向于引起熱分解，并且由于在這樣的情況下產(chǎn)生的金屬Zn和O2都容易蒸發(fā)，所以在用于高溫生長的下層的應(yīng)用中存在限制。

由于SiC襯底優(yōu)選作為用于高溫生長的基礎(chǔ)襯底并且容易獲得大直徑襯底，所以它是制備用于上述AlGaN/GaN型HJFET的多層外延膜時的最優(yōu)選襯底之一。盡管在SiC中已知屬于不同晶系的結(jié)晶多型，在這些中，更優(yōu)選使用屬于六方晶系的6H-SiC和4H-SiC。在用于AlGaN/GaN型HJFET的所述多層外延膜中，基礎(chǔ)襯底需要具有高的電阻和高介電擊穿電場，并且包括6H-SiC襯底和4H-SiC襯底的SiC襯底滿足這些要求。此外，SiC本身是顯示良好導(dǎo)熱率的材料，并且它對于在AlGaN/GaN型HJFET的操作范圍內(nèi)產(chǎn)生的熱量的擴散顯示出大的貢獻。考慮到對此熱擴散的貢獻，特別是在制備旨在高電功率操作的AlGaN/GaN型HJFET時，優(yōu)選將6H-SiC襯底和4H-SiC襯底用作其基礎(chǔ)襯底。

盡管Si、GaAs和藍寶石也具有容易獲得大直徑襯底的優(yōu)點，但是在6H-SiC和4H-SiC中，介電擊穿電場約為Si和GaAs的介電擊穿電場的10倍，并且導(dǎo)熱率約為Si的導(dǎo)熱率的3倍，約為藍寶石的導(dǎo)熱率的20倍，并且在這兩點中被認(rèn)為是更優(yōu)選的襯底材料。此外，當(dāng)在6H-SiC或4H-SiC襯底的C表面((0001)面)上使AlN層長大為成核層時，那些晶格常數(shù)a近似一致，此外，考慮到熱膨脹系數(shù)，在高溫生長條件下，它們在晶格常數(shù)a之間的差值變得更小。因此，在6H-SiC或4H-SiC襯底的C面((0001)面)上，在給定的C軸中生長AlN層，并且通過使用此AlN層作為成核層外延生長的所述多層外延膜成為顯示高晶體質(zhì)量的膜。

此外，當(dāng)在3C-SiC的面(111)上進行AlN層的C軸生長時，由于該面起著具有有效晶格常數(shù)

的面的作用，所以它變成等于在6H-SiC或4H-SiC襯底的C面((0001)面)上進行AlN層的C軸生長的情況
此外，據(jù)報道，在不同的基礎(chǔ)表面上使AlN層長大用于成核層時，將得到如在下表4中所示的兩種晶體取向的關(guān)系。
[表4] 在不同的基礎(chǔ)表面上進行C面生長的六方AlN和襯底表面的晶體取向之間的關(guān)系 如表4中所示，除了SiC的C面((0001)面)外，還可以在幾種襯底表面上進行用于成核層的AlN層的C軸生長。

例如，由于不能廉價地獲得高質(zhì)量的大直徑Si襯底，可能性高的是，現(xiàn)在起在形成具有大面積的第III族氮化物型半導(dǎo)體的多層外延膜時，它將廣泛地用作襯底。在具有金剛石結(jié)構(gòu)的Si襯底的表面上外延生長六方AlN膜，然后通過使用進行C軸生長的AlN層作為成核層，通過采用高溫生長方法(生長溫度約1,100℃)，使包括緩沖層的每一層長大。由于在所述襯底表面上的這些原子排列(placement)和AlN的原子排列之間非常輕微的偏差，所以在生長早期階段中AlN層的晶格間距顯示應(yīng)變，但是此應(yīng)變隨著生長的進行而被逐漸緩解。具體地，在生長為成核層的AlN層的膜厚度至少達到40nm時，AlN層的頂面的晶格常數(shù)與AlN的原始晶格常數(shù)

幾乎相等。

此外，在襯底表面上長大的上述AlN層具有高的電阻，并且起絕緣層的作用。因此，在絕緣AlN層插入中間的情況下，包括所述緩沖層的每一層連續(xù)地層疊在襯底上，以形成多層外延膜。但是，不必過分地增厚用作成核層的AlN層的膜厚度，但是通常，優(yōu)選在40nm以上和100nm以下的范圍內(nèi)進行選擇。

如上所述，由于將進行C面((0001)面)生長的層用作上述AlGaN/GaN型HJFET中的AlGaN電子供應(yīng)層/GaN溝道層，通常，優(yōu)選在6H-SiC襯底或4H-SiC襯底的C面((0001)面)表面上形成包括電子供應(yīng)層/溝道層/緩沖層的多層外延膜。在這樣的情況下，優(yōu)選通過在6H-SiC襯底或4H-SiC襯底的C面((0001)面)表面上形成具有與C面上的晶格常數(shù)近似一致的晶格常數(shù)a的AlN層作為用于形成生長核的成核層之后，設(shè)置作為晶種的AlN層，來外延生長電子供應(yīng)層/溝道層/緩沖層的結(jié)構(gòu)。

通常，在制備的AlGaN/GaN型HJFET中，進行背面拋光處理，以使基礎(chǔ)襯底的厚度變薄并且以保持背面?zhèn)鹊臒釘U散效率。在外延生長的情況下，在對各種用作基礎(chǔ)襯底的襯底進行背面拋光處理之后，一般地，在此襯底背面接地的情況下操作AlGaN/GaN型HJFET。

因此，對于用于高頻的AlGaN/GaN型HJFET顯示的器件性能，特別是對于高頻特性，存在由使用的基礎(chǔ)襯底材料導(dǎo)致的影響。在操作頻率處于更高的頻率帶如10-GHz以上的微波、亞毫米波段和毫米波段的情況下，所使用的基礎(chǔ)襯底的電阻率不足夠高時，它成為介電損失的因素并且導(dǎo)致成為降低RF增益性能或噪聲系數(shù)的因素。具體地，對于Si(或GaAs)，考慮到其帶隙Eg和導(dǎo)帶邊緣的態(tài)密度，由于估計其電阻率在室溫的最大值為2.3×105Ω·cm，所以不能得到高電阻的襯底，并且在使用Si襯底時，它不適宜于操作頻率為10GHz以上的應(yīng)用。另一方面，對于SiC，由于其帶隙Eg遠大于Si(或GaAs)，因此可以使用其電阻率在室溫達到約106Ω·cm的襯底。即，可以將SiC襯底適宜地用于操作頻率為10GHz以上的應(yīng)用。另一方面，在操作頻率為約1GHz至10GHz的微波頻率時，即使使用Si襯底，上述介電損失的影響也在可足夠允許的范圍內(nèi)?？紤]到能夠相對廉價地獲得大直徑襯底的方面，可以將Si襯底類似于SiC襯底適宜地用于操作頻率處于約1GHz至10GHz的微波波段的應(yīng)用。

接著，用于高頻的AlGaN/GaN型HJFET顯示的器件性能，特別是在旨在高輸出操作的情況下通過襯底背面的熱擴散效率對器件效率具有大的影響。因此，在至少旨在輸出功率密度不低于5W/mm的高輸出操作(例如，用于移動電話基站的大輸出操作)時，優(yōu)選使用具有高導(dǎo)熱率的SiC襯底。另一方面，在輸出功率密度為5W/mm以下的范圍內(nèi)，即使使用其中導(dǎo)熱率稍差的Si襯底，也可以完全實現(xiàn)目標(biāo)性能。此外，對于輸出功率密度顯著低于5W/mm但操作頻率為10GHz以上的應(yīng)用，還可以適宜地使用其導(dǎo)熱率比較差但是其電阻率達到約1010Ω·cm的藍寶石襯底。更具體地，在用于移動電話終端的AlGaN/GaN型HJFET中，由于輸出功率密度大大低于5W/mm，因而可以使用其導(dǎo)熱率比較差的藍寶石襯底。此外，當(dāng)旨在用于移動電話的AlGaN/GaN型HJFET時，利用藍寶石襯底具有較低制造成本，并且具有多種尺寸，因而它有助于降低整個器件的制造成本。

作為緩沖層，使用具有與所述溝道層的GaN不同組分的第III族氮化物型半導(dǎo)體。具體地，使用形成此緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體的組分從AlN成核層到GaN溝道層單調(diào)變化的第III族氮化物型半導(dǎo)體合金層。在這樣的情況下，優(yōu)選的是此組分單調(diào)變化，即進行所謂“組分調(diào)制”的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體合金的晶格常數(shù)近似等于作為下層的AlN層的晶格常數(shù)和作為上層的所述GaN層的晶格常數(shù)，并且具體而言，具有它們之間的中間值。此外，在AlGaN/GaN型HJFET中，由于二維積累在AlGaN電子供應(yīng)層/GaN溝道層的界面處的載流子是電子，選擇的是至少與GaN的所述導(dǎo)帶邊緣的能量EC相比，成為進行“組分調(diào)制”的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體合金的導(dǎo)帶邊緣的能量EC的高能量的那些。可以將AlGaN舉例為滿足這兩個條件的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體合金的實例。此外，一般地，適宜地使用在寫成InyAlxGa1-x-yN的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體合金中滿足上述兩個條件的那些。

例如，在使用如圖1中所示的進行“組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層作為由進行“組分調(diào)制”的第III族氮化物型半導(dǎo)體合金構(gòu)成的所述緩沖層時，優(yōu)選使用使Al組分從所述襯底表面到所述GaN溝道層逐漸或階梯式降低的組分調(diào)制的(組分梯度)AlGaN層。

在如上所述的進行“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層中，由自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)兩者產(chǎn)生負(fù)極化電荷，并且導(dǎo)帶具有向上凸(p-樣)特性。為此原因，同樣在反偏壓施加的情況下，難以將電子注入到“Al組分-調(diào)制”的AlGaN緩沖層中。因此，可以預(yù)期緩沖層擊穿電壓的提高。此外，由于AlGaN層具有比GaN層的電子親合勢小的電子親合勢并且具有比GaN層的導(dǎo)帶電位大的導(dǎo)帶電位，因而在帶結(jié)構(gòu)中的溝道層的背面也形成帶勢壘，并且也可以實現(xiàn)對溝道的載流子限制效應(yīng)方面的改善，以及可以實現(xiàn)對夾斷特性的改善和短溝道效應(yīng)的抑制。

此外，在形成所述溝道層的材料，例如具有比GaN的電子親合勢小的電子親合勢(導(dǎo)帶電位高)的InAlGaN層被插入作為與所述溝道層的背面接觸的勢壘層，以改善溝道層的載流子限制效應(yīng)時，這產(chǎn)生使用具有圖11中所示的構(gòu)造的多層外延膜制備的并且具有圖12中所示構(gòu)造的HJFET。在該結(jié)構(gòu)中，由于所述電子供應(yīng)層，溝道層，勢壘層和“組分-調(diào)制”的緩沖層的能帶圖成為圖13中所示的形式，更有效地抑制從所述溝道層到所述“組分-調(diào)制”的緩沖層的電子注入。

如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的HJFET中，具體而言在AlGaN/GaN型HJFET中，除了所述溝道層的GaN之外，還將Al組分從襯底側(cè)至所述GaN溝道層逐漸或階梯式降低的組分-調(diào)制(組分梯度)AlGaN層用作緩沖層。在具有“Al組分調(diào)制”的這種AlGaN緩沖層中，由自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)這兩者產(chǎn)生負(fù)極化電荷，由此其導(dǎo)帶具有向上凸起(p-樣)特征。由于此原因，同樣在反偏差施加的情況下，難以將電子注入到所述緩沖層中。因此，可以預(yù)期對緩沖層擊穿電壓的提高。此外，在所述溝道層和進行“組分調(diào)制”的緩沖層之間的界面處，由于在此界面處安置的進行“組分調(diào)制”的所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體合金(AlGaN等)或所述勢壘層的第III族氮化物型半導(dǎo)體合金(InAlGaN等)，與所述GaN層相比，具有更小的電子親合勢并且具有更大的導(dǎo)帶電位，因而在帶結(jié)構(gòu)中的溝道層的背面中也形成帶勢壘，并且因此也可以實現(xiàn)對溝道的載流子限制效應(yīng)方面的改善，以及可以實現(xiàn)對夾斷特性的改善和短溝道效應(yīng)的抑制。由于上述效果，根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管在高電壓操作的情況下也可以實現(xiàn)DC增益或RF增益方面的大改善。

如此，本發(fā)明對GaN型晶體管的開發(fā)，特別是對于用于毫米波段或亞毫米波段的FET的性能提高和可靠性改善作出了極大的貢獻，在用于毫米波段或亞毫米波段的FET的情況下，在使用具有均勻組分的常規(guī)緩沖層的器件結(jié)構(gòu)中，嚴(yán)重地產(chǎn)生短溝道效應(yīng)。

下面，本發(fā)明將引用具體實施例進一步詳細地進行解釋。盡管在這些具體實施例中的示例性實施方案是根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的實例，但是本發(fā)明不限于這些實施方案。

(示例性實施方案1) 首先，示出并且描述關(guān)于設(shè)計根據(jù)本發(fā)明的多層外延層的構(gòu)造的具體實施例。此外，在下面的描述中，假設(shè)在形成多層外延層的每層中，由形成該層的材料之間的晶格常數(shù)的差別(晶格失配)而導(dǎo)致的應(yīng)變應(yīng)力的緩解通過改變整個多層外延層面內(nèi)方向上的有效晶格常數(shù)不發(fā)生。具體地，在下面的實施例中，近似地，在形成多層外延層的構(gòu)造的每層中，由于有效面內(nèi)晶格常數(shù)與沒有應(yīng)變的AlN中的面內(nèi)晶格常數(shù)一致并且處于在深度方向上的晶格常數(shù)由于晶格常數(shù)的差別(晶格失配)而變化的狀態(tài)，所以沒有形變緩解的影響，即應(yīng)變應(yīng)力由于整個多層外延層彎曲而部分緩解，或者在內(nèi)部產(chǎn)生位錯并且應(yīng)變應(yīng)力得到部分緩解。

在此實施例中，在所述多層外延層中，使用C面((0001)面)的SiC作為襯底，將AlN層以100-nm厚度生長在其表面上作為成核層，并且生長第一AlGaN層作為緩沖層。這形成如下的構(gòu)造在此緩沖層上，外延生長GaN層作為溝道層，并且在頂層中生長第二AlGaN層作為電子供應(yīng)層。此外，外延生長所述第一AlGaN層、GaN層和第二AlGaN層中的每層，使得生長面的法線方向可以成為C-軸<0001>軸向。最后，采用HJFET的構(gòu)造，在所述第二AlGaN層的表面上安置柵極電極，并且將所述柵極電極和第二AlGaN層形成為其中它們形成肖特基結(jié)的形式。盡管在此實施例中將C面(0001)表面的SiC用作襯底，但是除此之外，還可以使用這樣的襯底，該襯底可以外延生長，使得外延生長層的生長面的法線方向如SiC襯底的A面和藍寶石襯底的C面和A面可以成為C軸<0001>軸向。

下面將利用由第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的自發(fā)極化和壓電極化得到的正極化電荷具體描述設(shè)計GaN型異質(zhì)結(jié)FET的緩沖層的方法。在面對此設(shè)計的情況下，可以參考在文獻中公開的相關(guān)技術(shù)，例如，O.Ambacher，B.Foutz，J.Smart，J.R.Shealy，N.G.Weimann，K.Chu，M.Murphy，A.J.Sierakowski，W.J.Schaff和L.F.Eastman，＂Two dimensionalelectron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization inundoped and doped AlGaN/GaN heterostructures＂(在未摻雜和摻雜的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中由自發(fā)極化和壓電極化感生的二維電子氣)，J.Appl.Phys.第87卷，第1期，第334頁(2000)；等，并且部分地使用其結(jié)果。

作為緩沖層的第一AlGaN層處于存在由晶格失配導(dǎo)致的應(yīng)變應(yīng)力的狀態(tài)中。此外，第III族氮化物型半導(dǎo)體材料顯示出自發(fā)極化Psp，并且存在由晶格失配導(dǎo)致的應(yīng)變應(yīng)力時，它顯示出由壓電效應(yīng)引起的壓電極化Ppe。因此，在具有由晶格失配導(dǎo)致的應(yīng)變應(yīng)力的所述第一AlGaN層中存在的總極化P由自發(fā)極化Psp和壓電極化Ppe的矢量和表示。

P＝Psp+Ppe(C/m2) 在這樣的情況下，極化電荷σ(P)由于所述第一AlGaN層中存在的極化P而產(chǎn)生。由于極化P而產(chǎn)生的極化電荷σ(P)表示如下。



微分算子) 此處，由于近似的是所述第一AlGaN層在面內(nèi)方向具有恒定的組分，而僅在深度方向具有組分變化，并且在面內(nèi)方向不存在應(yīng)變應(yīng)力而僅在深度方向上存在由晶格失配引起的應(yīng)變應(yīng)力，所以極化電荷σ(P)近似地表示如下。即，當(dāng)限定從襯底至多層外延層的表面的法線方向為Z軸向時，極化電荷σ(P)近似地表示如下。

其中，和
對于AlGaN混合晶體，在將其組分設(shè)置為AlxGa1-xN(0<x<1)時，其自發(fā)極化Psp寫作Psp(x)，為Al組分x的函數(shù)。至于此Psp(x)，在此，進行下面的近似，作為線性近似。

Psp(x)≈x·Psp(AlN)+(1-x)·Psp(GaN) 在代入在表1中所示的GaN的自發(fā)極化值Psp(GaN)和AlN的自發(fā)極化值Psp(AlN)時，它被描述如下。

Psp(x)≈Psp(GaN)-x·{Psp(GaN)-Psp(AlN)} ≈-0.029-0.052x(C/m2) 在對于AlGaN混合晶體，使組分為AlxGa1-xN(0<x<1)時，其晶格常數(shù)a(AlxGa1-xN)寫作a0(x)，為Al組分x的函數(shù)。此處對于此a0(x)，進行下面的近似作為線性近似。

a0(x)≈x·a(AlN)+(1-x)·a(GaN) 在代入在表1中所示的GaN的晶格常數(shù)值a(GaN)和AlN的晶格常數(shù)值a(AlN)時，它被描述如下。

a0(x)≈a(GaN)-x·{a(GaN)-a(AlN)}≈3.189-0.077x
此外，至于AlGaN混合晶體，當(dāng)使其組分為AlxGa1-xN(0<x<1)時，壓電常數(shù)e31(AlxGa1-xN)和e33(AlxGa1-xN)以及彈性常數(shù)C13(AlxGa1-xN)和C33(AlxGa1-xN)分別寫作e31(x)，e33(x)，C31(x)和C33(x)，為Al組分x的函數(shù)。此處，同樣對于這些e31(x)，e33(x)，C31(x)和C33(x)，進行下列近似作為線性近似。

e31(x)≈x·e31(AlN)+(1-x)·e31(GaN) e33(x)≈x·e33(AlN)+(1-x)·e33(GaN) C31(x)≈x·C31(AlN)+(1-x)·C31(GaN) C33(x)≈x·C33(AlN)+(1-x)·C33(GaN) 在代入在表1中所示的GaN的壓電常數(shù)值e31(GaN)和e33(GaN)和彈性常數(shù)值C13(GaN)和C33(GaN)，以及AlN的壓電常數(shù)值e31(AlN)和e33(AlN)和值彈性常數(shù)C13(AlN)和C33(AlN)時，它們分別被描述如下。

e31(x)≈e31(GaN)-x·{e31(GaN)-e31(AlN)} ≈-0.49-0.11x e33(x)≈e33(GaN)-x·{e33(GaN)-e33(AlN)} ≈0.73+0.73x C31(x)≈C31(GaN)-x·{C31(GaN)-C31(AlN)} ≈70+50x C33(x)≈x·C33(AlN)+(1-x)·C33(GaN) ≈379+16x 在將從襯底至多層外延層的表面的法線方向定義為Z軸向并且使AlGaN的組分為AlxGa1-xN(0<x<1)時，可以將在具有上述應(yīng)變應(yīng)力的所述第一AlGaN層中的壓電極化Ppe表示如下。

這里，由于近似的是面內(nèi)晶格常數(shù)與用于成核層的AlN的晶格常數(shù)一致，并且由晶格失配(晶格常數(shù)之間的差值)導(dǎo)致的應(yīng)變僅引起晶格間距在深度方向(Z軸向)上的變化，所以應(yīng)變變成eZZ(AlxGa1-xN)。在上述近似中，由于處于未形變狀態(tài)的面內(nèi)晶格常數(shù)a(AlxGa1-xN)等于處于形變狀態(tài)的AlN的晶格常數(shù)a(AlN)，所述將應(yīng)變eZZ(AlxGa1-xN)寫作如下 eZZ(AlxGa1-xN)＝{a(AlN)-a(AlxGa1-xN)}/a(AlxGa1-xN) 在將應(yīng)變eZZ(AlxGa1-xN)寫作eZZ(x)，作為Al組分x的函數(shù)時，它可以被描述如下。

eZZ(x)＝{a-a0(x)}/a0(x) 其中a≡a(AlN)。

在將上述近似表達式的值引入a0(x)中，近似如下。

eZZ(x)≈{3.112-(3.189-0.077x)}/(3.189-0.077x) ≈(0.077x-0.077)/(3.189-0.077x) 在將從襯底至多層外延層的表面的法線方向定義為Z軸向并且使AlGaN的組分為AlxGa1-xN(0<x<1)的情況下，在將Ppe(AlxGa1-xN)寫為Ppe(x)，為Al組分x的函數(shù)時，可以將所述第一AlGaN層中的壓電極化Ppe描述如下。

Ppe(x)＝2eZZ(x)[e31(x)-e33(x)·{C31(x)/C33(x)}] 在將上述近似表達式的值引入到應(yīng)變eZZ(x)，壓電常數(shù)e31(x)和e33(x)， 以及彈性常數(shù)C31(x)和C33(x)中時，它們分別近似如下。

Ppe(x)≈ 2{(0.077x-0.077)/(3.189-0.077x)}·{(-0.49-0.11x) -(0.73+0.73x)·(70+50x)/(379+16x)} 另一方面，在GaN溝道層/第一AlGaN層(緩沖層)/AlN成核層/襯底的構(gòu)造中，將所述第一AlGaN層的組分；AlxGa1-xN，寫作在與AlN成核層的界面處的Al組分xb，在與GaN溝道層的界面處的Al組分xt，和作為在它們之間的深度方向(Z軸向)上的厚度(z)的函數(shù)的Al組分x(z)。在這樣的情況下，xb>xt成立，并且假定Al組分x(z)隨著厚度(z)的增大而在xb≥x(z)≥xt的范圍內(nèi)單調(diào)降低。即，假定形成所述第一AlGaN層(緩沖層)的AlxGa1-xN的Al組分x(z)從與AlN成核層的界面向著與GaN溝道層的界面至與GaN溝道層的界面單調(diào)降低。此外，在使整個第一AlGaN層(緩沖層)的膜厚度為t緩沖的情況下，厚度(z)成為t緩沖≥z≥0。

在此情況下，在所述第一AlGaN層(緩沖層)中的位置z中的極化電荷σ(P(z))表示為在位置z處的自發(fā)極化電荷σ(Psp(z))和壓電極化電荷σ(Ppe(z))之和。

σ(P(z))＝σ(Psp(z))+σ(Ppe(z))(C/m3) 　　　　 　　　　 在所述第一AlGaN層(緩沖層)中的t緩沖>z>0范圍內(nèi)，可以以下列近似表達式描述在位置z處的自發(fā)極化Psp(x(z)) Psp(x(z))≈-0.029-0.052·x(z)(C/m2) 因此，可以以下列近似表達式描述在位置z處的自發(fā)極化電荷σ(Psp(z))。

　　　　 此外，在z＝0(與AlN成核層的界面)，在AlN成核層側(cè)的自發(fā)極化Psp(AlN)為 Psp(AlN)＝-0.081(C/m2) 在此界面處Al組分xb的AlGaN的自發(fā)極化Psp(xb)為 Psp(xb)≈-0.029-0.052·xb(C/m2) 盡管將在此界面處的自發(fā)極化電荷σ(Psp(0))定義在

微分算子) 但是由于Psp(z)是不連續(xù)的，它近以如下。

σ(Psp(0))＝Psp(AlN)-Psp(xb)≈-0.081-(-0.029-0.052·xb)≈-0.052+0.052·xb(C/m2) 此外，在z＝t緩沖(與GaN溝道層的界面)，GaN溝道層側(cè)中的自發(fā)極化Psp(GaN)為 Psp(GaN)＝-0.029(C/m2) 在此界面處Al組分xt的AlGaN的自發(fā)極化Psp(xt)為 Psp(xb)≈-0.029-0.052·xb(C/m2) 盡管在此界面處的自發(fā)極化電荷σ(Psp(t緩沖))定義為


微分算子) 但是由于Psp(z)是不連續(xù)的，它近似如下。

σ(Psp(t緩沖))＝Psp(xt)-Psp(GaN) ≈(-0.029-0.052·xt)-(-0.029) ≈-0.052·xt　(C/m2) 另一方面，在所述第一AlGaN層(緩沖層)中的t緩沖>z>0內(nèi)，在位置z處的壓電極化電荷σ(Ppe(z))表示如下
使用在上述近似表達式中表示的壓電極化Ppe(x(z))，可以以下面的形式得知它的近似值。

此外，由于在AlN成核層側(cè)中的壓電極化Ppe(AlN)在z＝0時(與AlN成核層的界面)沒有晶格失配，所以 Ppe(AlN)＝0(C/m2) 盡管在此界面處的壓電極化電荷σ(Ppe(0))定義為

微分算子) 但是由于Psp(z)是不連續(xù)的，它近似如下。

σ(Ppe(0))＝Ppe(AlN)-Ppe(xb) ＝0-Ppe(xb) ＝-Ppe(xb)(Cm3) 此外，在z＝t緩沖(與GaN溝道層的界面)時，在GaN溝道層側(cè)中的壓電極化Ppe(GaN)為 Ppe(GaN)＝-0.0306(C/m2) 盡管在此界面處的壓電極化電荷σ(Ppe(t緩沖))定義為


微分算子) 但是由于Ppe(z)是不連續(xù)的，它近似如下。

σ(Ppe(t緩沖))≈Ppe(xt)-Ppe(GaN)≈Ppe(xt)+0.0306(C/m3) 在匯總上述結(jié)果時，在所述第一AlGaN層(緩沖層)中的t緩沖>z>0內(nèi)，在位置z處的極化電荷σ(P(z))近似表示如下
　　　　　 此外，在z＝0時(與AlN成核層的界面)，其中可以采用下列的近似 σ(P(0))＝σ(Psp(0))+σ(Ppe(0))≈-0.052+0.052·xb-Ppe(xb)(C/m2)
此外，在z＝t緩沖時(與GaN溝道層的界面)，其中可以采用下列的近似 σ(P(t緩沖))＝σ(Psp(t緩沖))+σ(Ppe(t緩沖)) 　　　　　　　≈-0.052·xt+Ppe(xt)+0.0306(C/m2)
以下，一個實例是在具有GaN溝道層/第一AlGaN層(緩沖層)/AlN成核層/襯底的構(gòu)造的情況下，所述第一AlGaN層(緩沖層)的厚度t緩沖為1μm(1000nm)，且形成所述第一AlGaN層的AlxGa1-xN的Al組分x(z)從與AlN成核層的界面至與GaN溝道層的界面線性降低。即，將考慮的實例是，在與AlN成核層的界面處為Al組分xb，在與GaN溝道層的界面處為Al組分xt，并且Al組分x(z)表示如下，作為在它們之間的深度方向(Z軸向)上的厚度(z/μm)的函數(shù)。

x(z)＝xt·z+xb·(1-z) 在與GaN溝道層的界面處為Al組分xt，在與AlN成核層的界面處的Al組分xb在0.40≥xb≥0.05內(nèi)不同地選擇，然后，在上述近似下計算(估計)所述第一AlGaN層(緩沖層)中引起的極化電荷密度σ(P)。在這樣的情況下，在與GaN溝道層的界面處和與AlN成核層的界面處，自發(fā)極化Psp和壓電極化Ppe成為不連續(xù)的，并且基于如上所述的自發(fā)極化Psp和壓電極化Ppe的離散變化，計算在這兩個異質(zhì)界面中產(chǎn)生的極化電荷σ(P)。

圖8示出了基于在豎軸感生極化電荷密度；σ(P)/e cm-3(其中，e表示電子電荷(單位電荷)的量)和在水平軸在與AlN成核層界面處的Al組分xb的上述邊界條件，將在所述第一AlGaN層(緩沖層)中感生的極化電荷密度σ(P)的計算結(jié)果作圖的結(jié)果。在所述第一AlGaN層(緩沖層)中感生的極化電荷密度σ(P)/e是固定負(fù)電荷，并且該密度為約1016cm-3。通常，由外延生長制備的AlxGa1-xN(0.50≥xb≥0)成為n-層，其中殘余載流子濃度在許多情況下約為n＝1014至1016cm-3，因此，在半導(dǎo)體層中作為雜質(zhì)水平固定的正電荷密度成為約1014至1015cm-3。

如上所述，在形成所述第一AlGaN層的AlxGa1-xN的Al組分x(z)線性降低時，在所述第一AlGaN層(緩沖層)中感生的極化電荷(固定負(fù)電荷)“補償”衍生自對應(yīng)于殘余載流子濃度的電離雜質(zhì)水平的固定正電荷，結(jié)果，它成為對應(yīng)于它們之間的差值定域為所述第一AlGaN層(緩沖層)中的空間電荷的狀態(tài)。即，在所述第一AlGaN層(緩沖層)中感生的極化電荷密度σ(P)/e是約1016cm-3的固定負(fù)電荷，并且它超過約1014至1015cm-3的固定正電荷密度且衍生自電離雜質(zhì)水平，結(jié)果，它成為“負(fù)空間電荷”有效地定域在所述第一AlGaN層(緩沖層)中的狀態(tài)。換言之，如上所述，在形成所述第一AlGaN層的AlxGa1-xN的Al組分x(z)線性降低時，考慮到GaN溝道層/第一AlGaN層(緩沖層)/AlN成核層/襯底的構(gòu)造的能帶圖，所述第一AlGaN層顯示出等價于p-層的功能，其中殘余載流子濃度約為p＝1015至1016cm-3。因此，如圖3中所示，在能帶圖中，所述第一AlGaN層(緩沖層)的導(dǎo)帶邊緣的能量位置單調(diào)降低，其中顯示出從與AlN成核層的界面處至與GaN溝道層的界面處凸起的形狀。

此外，在與AlN成核層的界面和與GaN溝道層的界面處，產(chǎn)生的極化電荷以薄膜電荷的形狀存在，并且它們的薄膜密度分別為約1012(/cm2)。在這樣的程度，對在界面附近的帶形狀和貯存在GaN溝道層中的溝道載流子密度的影響不太大。這是因為由在正常的AlGaN/GaN載流子HJFET(Al組分0.2等)中的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)感生的二維電子氣的載流子的薄膜電荷密度為約1013(/cm2)，這大差不多一個數(shù)量級。

與本發(fā)明的結(jié)構(gòu)相反的是，在常規(guī)GaN緩沖層或在Al組分恒定的AlGaN形成的AlGaN緩沖層中，由于所述緩沖層中的極化P在深度方向(Z軸向)上沒有變化，所以在所述緩沖層中沒有產(chǎn)生極化電荷。因此，考慮到GaN溝道層/GaN層(緩沖層)/AlN成核層/襯底的構(gòu)造的能帶圖，或GaN溝道層/恒定組分AlGaN層(緩沖層)/AlN成核層/襯底的構(gòu)造的能帶圖，所述GaN層(緩沖層)或恒定組分AlGaN層(緩沖層)起著n-層的功能，其殘余載流子濃度例如為n＝1014至1015cm-3這樣的程度。因此，如圖6中所示，在能帶圖中，所述GaN層緩沖層或AlGaN緩沖層的導(dǎo)帶邊緣的能量位置單調(diào)降低，其中顯示從與AlN成核層的界面到與GaN溝道層的界面凹入的形狀。

在上述中，盡管在GaN溝道層/第一AlGaN層(緩沖層)/AlN成核層/襯底的構(gòu)造中描述了形成所述第一AlGaN層(緩沖層)的AlxGa1-xN的Al組分x(z)線性降低的實例，但是在AlxGa1-xN的Al組分x(z)單調(diào)降低(其中，)時，例如在保持時，在所述第一AlGaN層(緩沖層)中感生的極化電荷密度σ(P)/e成為至少1016cm-3這樣的程度，并且所述第一AlGaN層顯示出等價于p-層的功能，其中殘余載流子濃度約為p＝1015至1016cm-3。備選地，AlxGa1-xN的Al組分x(z)以細小階式單調(diào)降低，例如對于在每個梯級的Al組分x(z)的變化率Δx(z)和每個梯級的寬度Δz的比率Δx(z)/Δz，在保持0.05μm-1≥{Δx(z)/Δz}時，在所述第一AlGaN層(緩沖層)中感生的極化電荷密度σ(P)/e成為至少1016cm-3這樣的程度，因而，可以使所述第一AlGaN層顯示出等價于p-層的功能，其中殘余載流子濃度約為p＝1015至1016cm-3。

所以進行上面的描述，在GaN溝道層/第一AlGaN層(緩沖層)/AlN成核層/襯底的構(gòu)造中，在將形成所述第一AlGaN層(緩沖層)的AlxGa1-xN的Al組分x(z)單調(diào)降低，并且例如，使有效降低百分比

(或Δx(z)/Δz)保持在時，在所述第一AlGaN層(緩沖層)中感生的極化電荷密度σ(P)/e成為至少1016cm-3這樣的程度，因此可以使所述第一AlGaN層顯示出等價于p-層的功能，其中殘余載流子濃度至少為p＝1015至1016cm-3。即，如圖3中所示，在能帶圖中，可以使所述第一AlGaN層(緩沖層)的導(dǎo)帶邊緣的能量位置單調(diào)降低，其中顯示從與AlN成核層的界面到與GaN溝道層的界面凸起的形狀。在此狀態(tài)中，如圖3中所示，除了對應(yīng)于在GaN溝道層和第一AlGaN層(緩沖層)之間的界面處存在的導(dǎo)帶能量的不連續(xù)ΔEc的勢壘(梯級)外，在它之后，它還成為所述導(dǎo)帶邊緣的能量位置也顯示大梯度的狀態(tài)。為此原因，在將反偏壓施加到柵極電極上時，有效地抑制了從GaN溝道層到所述第一AlGaN層(緩沖層)的電子注入。因此，在獲得的HJFET中，預(yù)期提高緩沖層擊穿電壓。

當(dāng)然，對應(yīng)于在GaN溝道層和第一AlGaN層(緩沖層)之間的界面處存在的導(dǎo)帶能量的不連續(xù)ΔEc的勢壘(梯級)對在GaN溝道層中形成的二維電子氣的載流子限制效應(yīng)的提高具有大的貢獻。

然而，在所述溝道層的膜厚度比HEMT操作所必須的膜厚度厚時，即，在其大大地厚于在所述溝道層和電子供應(yīng)層之間的界面處積累的二維電子氣的存在區(qū)域的寬度時，它成為可以將載流子(電子)定域在上述溝道層和緩沖層之間的界面處的狀態(tài)。因此，從所述緩沖層中存在的淺施主能級供給的載流子成為對在所述溝道層和電子供應(yīng)層之間的界面處積累的二維電子氣沒有貢獻的狀態(tài)。備選地，從所述電子供應(yīng)層供給的部分載流子沒有積累在所述溝道層和電子供應(yīng)層之間的界面處，而是它們也可以成為定域在所述溝道層和緩沖層的界面處的狀態(tài)。在此狀態(tài)中，同樣即使在將偏壓施加給柵極電極以除去在所述溝道層和電子供應(yīng)層之間的界面處積累的二維電子氣時，定域在所述溝道層和緩沖層之間的界面處的載流子(電子)也可以保留。在此情況下，它具有由在所述溝道層和緩沖層之間的界面處定域的載流子(電子)導(dǎo)致的平行導(dǎo)電的影響，并且成為差的擊穿電壓和夾斷缺陷的因素。

因此，適宜的是除了限制所述溝道層的膜厚度并且積累在所述溝道層和電子供應(yīng)層之間的界面處的二維載流子氣(二維電子氣)之外，避免載流子(電子)也定域在所述溝道層和緩沖層之間的界面處的現(xiàn)象。在所述電子供應(yīng)層的表面上安置柵極電極以形成HEMT結(jié)構(gòu)的情況下，在所述溝道層和電子供應(yīng)層之間的界面處積累的二維電子氣被熱分布在其操作溫度下的許多結(jié)合能級上，并且對于此二維電子氣，在厚度方向上的平均平動能為約1/2kT(k表示玻耳茲曼常數(shù)，并且T表示約300K溫度)。因此，盡管在對在許多的這些結(jié)合能級上的熱分布進行預(yù)測計算時，衍生自在許多的結(jié)合能級上熱分布的二維電子氣的熱運動的德布羅意波長λ取決于積累的二維電子氣的表面密度，但是它等價于約10nm至12nm(約100至120

)。在此二維電子氣的德布羅意波長λ的5倍以下的范圍內(nèi)選擇所述溝道層的膜厚度時，可以避免在所述溝道層和電子供應(yīng)層之間的界面和所述溝道層和緩沖層之間的界面分別獨立地形成多個結(jié)合能級的狀態(tài)。即，在所述溝道層的膜厚度不超過此二維電子氣的德布羅意波長λ的5倍的范圍內(nèi)，積累到所述溝道層中的載流子(電子)成為在所述溝道層和電子供應(yīng)層之間的界面和所述溝道層和緩沖層之間的界面是勢壘的勢阱中形成的多個合并結(jié)合能級中分布的狀態(tài)。在此狀態(tài)中，沒有出現(xiàn)以下現(xiàn)象同樣即使在然后將偏壓施加給柵極電極以除去在所述溝道層和電子供應(yīng)層之間的界面處積累的二維電子氣時，定域在所述溝道層和緩沖層之間的界面處的載流子(電子)也得以保留。結(jié)果，避免了由定域在所述溝道層和緩沖層之間的界面處的載流子(電子)導(dǎo)致的平行導(dǎo)電的影響，并且它沒有成為差的擊穿電壓和夾斷缺陷的因素。

在形成HEMT結(jié)構(gòu)時，使衍生自在所述溝道層和電子供應(yīng)層之間的界面處積累的二維電子氣的熱運動的德布羅意波長λ成為標(biāo)準(zhǔn)的情況下，即，在不超過形成此二維電子氣的電子的德布羅意波長λ的5倍的范圍內(nèi)選擇所述溝道層的膜厚度。但是，由于選擇所述溝道層的膜厚度使其遠小于形成二維電子氣的電子的德布羅意波長λ的一半在技術(shù)上沒有意義，所以將其在不小于德布羅意波長λ一半的范圍內(nèi)選擇。通常，在形成HEMT結(jié)構(gòu)時，優(yōu)選在形成二維電子氣的電子的德布羅意波長λ的一半至兩倍(端點包括)的范圍內(nèi)選擇所述溝道的膜厚度，并且更優(yōu)選在電子的德布羅意波長λ的3/2倍以下的范圍內(nèi)選擇。

此外，如上所述，在如上所述將形成二維電子氣的電子的德布羅意波長λ設(shè)置在約10nm至12nm(約100至

)時，適宜的是選擇所述溝道層的膜厚度至少在5nm的60nm的范圍內(nèi)，優(yōu)選在5nm至25nm的范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選在5nm至15nm的范圍內(nèi)。

此外，在高頻場效應(yīng)晶體管(FET)的情況下，在約1GHz的微波段和甚至延伸至W帶的毫米波頻率帶的范圍內(nèi)選擇其操作頻率。在高頻FET中，柵極長度Lg是在FET可以具有有效增益時決定切換時間的下限的器件結(jié)構(gòu)因子之一，所述的切換時間的下限即FET的最短切換時間τ。此外，在將FET用作放大器時，它作為放大器有效操作時的頻率的上限fopr取決于上述FET的最短切換時間τ。通常，它作為放大器有效操作時的頻率的該上限fopr和FET的最短切換時間τ具有fopr＝1/(2πτ)的關(guān)系。

另一方面，盡管FET本身的最短切換時間τ還決取于FET的電路類型和可操作模式，但是它與FET電流增益截止頻率fT大體上具有τ≈1/(πfT)的關(guān)系。此外，在具有HEMT結(jié)構(gòu)的HJFET中的電流增益截止頻率fT取決于在高電場下的溝道電子的峰漂移速度Vsat和柵極長度Lg，并且可以通常表示為fT＝Vsat/(2πLg)。因此，在具有HEMT結(jié)構(gòu)的HJFET中的最短切換時間τ可以表示為τ≈1/(πfT)＝2Lg/Vsat。

在達到在具有HEMT結(jié)構(gòu)的HJFET中的目標(biāo)操作頻率的上限fopr時，必須使在FET中的最短切換時間τ成為tau≤1/(2πfopr)，即，必須將其設(shè)置為(2Lg/Vsat)≤1/(2pifopr)。因此，在具有HEMT結(jié)構(gòu)的HJFET中，必須選擇柵極長度Lg，使得可以滿足Lg≤Vsat/(4πfopr)。

例如，在具有HEMT結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)FET中，在它是使FET在耗盡模式(常開)中操作時的構(gòu)造時，可以在使柵極電極接地的條件下，對于實際FET中的所述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處積累的二維電子氣，測量溝道電子在高電場下的漂移速度Vsat。在實際FET中的測量結(jié)果成為以包括寄生參數(shù)在內(nèi)的狀態(tài)測量的溝道電子的漂移速度Vsat，所述的寄生參數(shù)包括邊緣分量(fringing component)。例如，在薄膜載流子濃度為9.50×1012cm-2和遷移率為1600cm2/Vs的二維電子氣中，基于測量的結(jié)果，計算溝道電子在高電場(在此體系中，電場強度約為E＝2×105V/cm)下的漂移速度Vsat為Vsat≈1.1×107(cm/s)。因此，在將目標(biāo)操作頻率的上限fopr選擇在對應(yīng)于亞毫米波的Ka帶時，必須的是在Lg≤0.33μm的范圍內(nèi)選擇具有HEMT結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)FET中的柵極長度Lg，所述的HEMT結(jié)構(gòu)具有使其在耗盡模式(常開)操作的構(gòu)造。

此外，在選擇使其在耗盡模式(常開)操作的構(gòu)造情況下用于毫米波段或亞毫米波段的GaN型FET中，為了緩解短溝道效應(yīng)，優(yōu)選進行選擇，使得柵極長度Lg和有源層厚度a的縱橫比Lg/a可以滿足如上所述的Lg/a≥5，所述的有源層厚度a被定義為直接在柵極電極下面的所述電子供應(yīng)層的膜厚度和所述溝道層的膜厚度之和。

暫時性地，在具有使其以耗盡模式(常開)操作的構(gòu)造的HEMT結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)FET中，選擇柵極長度Lg為Lg＝0.33μm(330nm)時，為了滿足Lg/a≥5，必須在a≤66nm的范圍內(nèi)選擇有源層厚度a。此外，適宜的是選擇柵極長度Lg，使其短于上述上限，并且具體地，在250nm至150nm范圍內(nèi)選擇柵極長度Lg時，優(yōu)選在50nm至30nm范圍內(nèi)選擇直接在柵極電極下面的有源層厚度a。

當(dāng)然，由于在柵極電極和電子供應(yīng)層之間的界面處形成肖特基結(jié)，所以由于此肖特基結(jié)的勢壘高度ΦB(eV)形成了耗盡層。例如，在具有使其以耗盡模式(常開)操作的構(gòu)造的HEMT結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)FET中，在肖特基結(jié)的勢壘高度ΦB(eV)為約0.9eV時，在柵極電極接地的情況(柵極電壓為0V的狀態(tài))下，所述電子供應(yīng)層被耗盡，但必須的是所述溝道層不被耗盡。為了滿足這些要求，優(yōu)選在至少不小于20nm的范圍內(nèi)選擇直接在柵極電極下面的所述電子供應(yīng)層的膜厚度，并且優(yōu)選在20nm至30nm的范圍內(nèi)選擇。換言之，在250nm至150nm的范圍內(nèi)選擇柵極長度Lg以對于直接在柵極電極下面的縱橫比Lg/a滿足Lg/a≥5時，適宜的是在20nm至30nm的范圍內(nèi)選擇直接在柵極電極下面的所述電子供應(yīng)層的膜厚度，并且優(yōu)選在5nm至25nm范圍內(nèi)選擇所述溝道層的膜厚度，并且更優(yōu)選在5nm至15nm的范圍內(nèi)選擇該膜厚度。

此外，在具有使其以耗盡模式(常開)操作的構(gòu)造的HEMT結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)FET中，在上述范圍內(nèi)選擇所述電子供應(yīng)層的膜厚度時，通常優(yōu)選的是所述電子供應(yīng)層的殘余載流子濃度(電離的淺施主能級的濃度)在5×1015cm-3至1×1017cm-3范圍內(nèi)。在使其至少在耗盡模式(常開)操作的情況下，在形成HEMT結(jié)構(gòu)并且在上述范圍內(nèi)選擇所述電子供應(yīng)層的膜厚度以產(chǎn)生在所述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處積累的二維電子氣時，不適宜的是，使由電離受主能級得到的“負(fù)”空間電荷存在于整個電子供應(yīng)層中。類似地，還不適宜的是，在所述電子供應(yīng)層進行“組分調(diào)制”，以產(chǎn)生“負(fù)”極化電荷連續(xù)分布的情形。因此，對于電子供應(yīng)層，通常使用具有不進行“組分調(diào)制”的恒定組分的外延膜。

此外，在具有使其以耗盡模式(常開)操作的構(gòu)造的HEMT結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)FET中，為了在柵極電極接地的狀態(tài)(柵極電壓為0V的狀態(tài))中，使在上述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處積累的二維電子氣的薄膜電荷密度至少不低于1×1012(cm-2)，優(yōu)選至少在ΔEC≥0.2eV的范圍內(nèi)選擇在所述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處的導(dǎo)帶能量的不連續(xù)ΔEC。

此外，在具有使其以耗盡模式(常開)操作的構(gòu)造的HEMT結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)FET中，通過向柵極電極施加反電壓，降低在上述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處積累的二維電子氣的薄膜電荷密度。對于使二維電子氣的薄膜電荷密度為零所必需的該柵極電壓等價于閾值電壓VT(V)。具體地，在采用其中殘余載流子濃度(電離淺施主能級的濃度Nd)恒定且Al組分恒定的AlGaN作為所述電子供應(yīng)層的情況下，具有HEMT結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)FET中，在上述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處的所述溝道層的導(dǎo)帶邊緣與費米能級Ef一致時的柵極電壓等價于閾值電壓VT(V)。對于此狀態(tài)，盡管所述電子供應(yīng)層被完全耗盡，但是可以近似地表示所述溝道層成為平帶的狀態(tài)。即，在所述電子供應(yīng)層中，在所述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處產(chǎn)生的并且等價于這兩層之間的極化差的正極化電荷(薄膜電荷密度NS)作為空間電荷存在，并且在所述電子供應(yīng)層內(nèi)部存在由電離淺施主(電離淺施主能級的濃度Nd)導(dǎo)致的正電荷。因此，閾值電壓VT(V)滿足下面的關(guān)系表達式。

ΦB/q-VT＝ΔEC/q+(q/εB)·{(NS·tB)+(Nd·tB2/2)} 其中，q表示電子的單位電荷(1.6×10-19C)，ΦB(eV)表示在柵極電極和電子供應(yīng)層之間形成的肖特基結(jié)的勢壘高度，εB表示形成所述電子供應(yīng)層的AlGaN的介電常數(shù)，tB表示直接在柵極電極下面的所述電子供應(yīng)層的膜厚度，并且ΔEC(eV)表示在所述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處的導(dǎo)帶能量的不連續(xù)。此外，通過AlGaN的介電常數(shù)εr和真空的介電常數(shù)ε0(ε0＝8.854×10-12Fm-1)，將形成所述電子供應(yīng)層的AlGaN的介電常數(shù)εB表示為εB＝εr·ε0。

例如，在將Al組分為0.20的AlGaN用于所述電子供應(yīng)層時，ΔEC(eV)＝0.266eV，并且在所述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處產(chǎn)生的正極化電荷的薄膜電荷密度NS成為NS＝1.073×1013cm-2。在這樣的情況下，在肖特基結(jié)的勢壘高度ΦB(eV)為0.9eV，且直接在柵極電極下面的所述電子供應(yīng)層的膜厚度tB為20nm時，分別估計的是，在所述電子供應(yīng)層中的電離淺施主能級的濃度Nd為1×1015cm-3時的閾值電壓VT(V)為VT(V)＝-2.54V，并且在Nd＝1×1017cm-3的情況下，閾值電壓VT(V)為VT(V)＝-2.57V。即，它成為具有在耗盡模式(常開)操作的構(gòu)造并且具有上述閾值電壓VT(V)的HEMT結(jié)構(gòu)。

另一方面，在將Al組分為0.15的AlGaN用于所述電子供應(yīng)層時，ΔEC(eV)＝0.1953 eV，并且在所述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處產(chǎn)生的正極化電荷的薄膜電荷密度NS成為NS＝7.95×1012cm-2。在這樣的情況下，在肖特基結(jié)的勢壘高度ΦB(eV)為0.9eV，且直接在柵極電極下面的所述電子供應(yīng)層的膜厚度tB為5nm時，分別估計的是，在所述電子供應(yīng)層中的電離淺施主能級的濃度Nd為1×1015cm-3時的閾值電壓VT(V)為VT(V)＝+0.12V，并且在Nd＝1×1017cm-3的情況下，閾值電壓VT(V)為VT(V)＝+0.11V。即，它成為具有在增強模式(常關(guān)狀態(tài))操作的構(gòu)造并且具有上述閾值電壓VT(V)的HEMT結(jié)構(gòu)。

如上所述，盡管在具有使其以耗盡模式(常開狀態(tài))操作的構(gòu)造的HEMT結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)FET中，閾值電壓VT(V)成為反偏壓，但是在將上述反偏壓施加到柵極電極時，必須避免的是穿透所述電子供應(yīng)層的隧道電流從所述柵極電極流入到所述溝道層中。為了避免此隧道電流的產(chǎn)生，必須使直接在柵極電極下面，起其勢壘作用的所述電子供應(yīng)層的膜厚度tB通常不低于4nm。

此外，同樣在具有使其以增強模式(常關(guān)狀態(tài))操作的構(gòu)造的HEMT結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)FET中，通常優(yōu)選的是所述電子供應(yīng)層的殘余載流子濃度(電離淺施主能級的濃度)在5×1015cm-3至1×1017cm-3的范圍內(nèi)。在使其至少以增強模式(常關(guān)狀態(tài))操作的情況下，在形成HEMT結(jié)構(gòu)并且將0.9V以下的正向偏差施加到柵極電極以產(chǎn)生在所述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處積累的二維電子氣時，不適宜的是使由電離受主能級得到的“負(fù)”空間電荷存在于整個電子供應(yīng)層。類似地，不適宜的是在所述電子供應(yīng)層中進行“組分調(diào)制”以產(chǎn)生“負(fù)”極化電荷不連續(xù)分布的情形。因此，對于電子供應(yīng)層，通常使用具有不進行“組分調(diào)制”的恒定組分的外延膜。

具體地，在具有使其以增強模式(常關(guān)狀態(tài))操作的構(gòu)造的HEMT結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)FET中，在肖特基結(jié)的勢壘高度ΦB(eV)為約0.9eV時，在柵極電極接地的情況(柵極電壓為0V的狀態(tài))下，必須的是，即使在源極和漏極之間施加電壓，也產(chǎn)生電流不實質(zhì)流動的狀態(tài)。因此，在肖特基結(jié)的勢壘高度ΦB(eV)為約0.9eV時，在柵極電極接地的情況(柵極電壓為0V的狀態(tài))下，必須的是不僅所述電子供應(yīng)層耗盡，而且所述溝道層耗盡。

在這樣的情況下，例如，在所述電子供應(yīng)層的殘余載流子濃度(電離淺施主能級的濃度)和所述溝道層的殘余載流子濃度(電離淺施主能級的濃度)各自至少為5×1015cm-3的情況下，在肖特基結(jié)的勢壘高度ΦB(eV)為約0.9eV時，定義為直接在柵極電極下面的所述電子供應(yīng)層的膜厚度和所述溝道層的膜厚度之和的有源層厚度a可以在10nm≤a≤30nm的范圍內(nèi)選擇。此外，為了在將包括兩個端點在內(nèi)的0.2V至0.9V的正向偏差施加到柵極電極時在上述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處產(chǎn)生二維電子氣的積累，在所述電子供應(yīng)層的殘余載流子濃度(電離淺施主能級的濃度)為5×1015cm-3時，必須在5nm至15nm范圍內(nèi)選擇直接在柵極電極下面的所述電子供應(yīng)層的膜厚度，此外，在所述電子供應(yīng)層的殘余載流子濃度(電離淺施主能級的濃度)為1×1017cm-3并且所述溝道層的殘余載流子濃度(電離淺施主能級的濃度)為5×1015cm-3時，在肖特基結(jié)的勢壘高度ΦB(eV)為約0.9eV的情況下，定義為直接在柵極電極下面的所述電子供應(yīng)層的膜厚度和所述溝道層的膜厚度之和的有源層厚度a可以在10nm≤a≤30nm的范圍內(nèi)選擇。此外，為了在將包括兩個端點在內(nèi)的0.2V至0.9V的正向偏差施加到柵極電極時在上述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處產(chǎn)生二維電子氣的積累，在所述電子供應(yīng)層的殘余載流子濃度(電離淺施主能級的濃度)為1×1017cm-3時，必須在5nm至10nm范圍內(nèi)選擇直接在柵極電極下面的所述電子供應(yīng)層的膜厚度。

此外，同樣在具有使其以增強模式(常關(guān)狀態(tài))操作的構(gòu)造的HEMT結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)FET中，為了通過如上所述向柵極電極施加正向偏差而使在上述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處積累的二維電子氣的薄膜電荷密度至少不低于1×1012(cm-2)，優(yōu)選至少在ΔEC≥0.2eV的范圍內(nèi)選擇在所述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處的導(dǎo)帶能量的不連續(xù)ΔEC。

在使用AlxGa1-xN(x為0.1≤×≤0.3)作為所述電子供應(yīng)層時，至于在柵極電極和電子供應(yīng)層之間形成的肖特基結(jié)的勢壘高度ΦB(eV)，約0.9eV通常成為上限。因此，為了滿足條件ΦB/q≥ΔEC/q+(q/εB)·{(NS·tB)+(Nd·tB2/2)}以實現(xiàn)具有使其以增強模式(常關(guān)狀態(tài))操作的構(gòu)造的HEMT結(jié)構(gòu)，不能放大{(NS·tB)+(Nd·tB2/2)}。另一方面，難以使所述電子供應(yīng)層的膜厚度tB薄于4nm的下限，結(jié)果，在增強模式操作的導(dǎo)通狀態(tài)下，難以放大在所述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處積累的二維電子氣的薄膜電荷密度(nS)。為了在導(dǎo)通狀態(tài)下放大在所述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處積累的二維電子氣的薄膜電荷密度(nS)，有效的是使在柵極電極和電子供應(yīng)層之間形成的肖特基結(jié)的勢壘高度ΦB(eV)高。例如，在使用InxAl1-xN(x為0.1≤x≤0.25)代替AlxGa1-xN(x為0.1≤x≤0.3)作為所述電子供應(yīng)層并且使用InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)FET時，可以使肖特基結(jié)的勢壘高度ΦB(eV)更高。

在根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管中，在選擇使用其處于耗盡(常開)模式的構(gòu)造時，襯底本身是不顯示極化效應(yīng)的材料，并且在柵極電極和襯底兩者都接地的狀態(tài)下，在半導(dǎo)體層區(qū)中存在的極化電荷處于這樣的狀態(tài)，即“負(fù)”極化電荷(Q1)通常分布在具有恒定組分的所述電子供應(yīng)層和表面上的柵極電極(金屬)之間的界面處，并且“正”極化電荷(Q2)通常分布在具有恒定組分的所述電子供應(yīng)層和所述溝道層之間的界面處，并且在電子供應(yīng)層的組分不恒定時，分別地，分布根據(jù)局部組分變化率在所述電子供應(yīng)層中分布的“正”或“負(fù)”極化電荷(∑Q供應(yīng))，“負(fù)”極化電荷(Q3)分布在所述溝道層和“組分調(diào)制”的緩沖層之間的界面處，分布在“組分調(diào)制”的緩沖層(∑Q緩沖)的整個內(nèi)部區(qū)域上連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷，“負(fù)”極化電荷(Q4)分布在“組分調(diào)制”的緩沖層與AlN成核層的界面處，并且“正”極化電荷(Q5)分布在AlN成核層與襯底表面的界面處。

另一方面，所述電子供應(yīng)層本身是耗盡的，并且由電離施主能級得到的“正”空間電荷(∑QSD1)存在于此電子供應(yīng)層內(nèi)部。此外，同樣電離包括在“組分調(diào)制”的緩沖層中的淺施主能級，并且衍生自電離施主能級的“正”空間電荷(∑QSD2)也存在于“組分調(diào)制”的緩沖層的內(nèi)部。

此外，所述電子供應(yīng)層的表面覆蓋有柵極電極(金屬)和在柵極電極(金屬)的兩側(cè)中作為鈍化膜的介電膜。在許多情況下，在接觸柵極電極(金屬)的所述電子供應(yīng)層的表面和接觸所述鈍化膜的所述電子供應(yīng)層的表面中，相對深表面能級(深施主能級)存在，并且這些深表面能級(深施主能級)也被電離。結(jié)果，在接觸柵極電極(金屬)的所述電子供應(yīng)層的表面和接觸所述鈍化膜的所述電子供應(yīng)層的表面中，存在衍生自電離的深表面能級(深施主能級)的“正”表面電荷(QSS)。

電中性條件由以下滿足從這些電離的施主能級得到的并且固定不動的“正”空間電荷(或由電離的受主能級得到的“負(fù)”空間電荷)，在接觸柵極電極(金屬)的所述電子供應(yīng)層的表面和接觸所述鈍化膜的所述電子供應(yīng)層的表面中定域的“正”表面電荷和在半導(dǎo)體層區(qū)中存在的極化電荷，以及在所述溝道層中積累的載流子(電子)。

通常，在所述電子供應(yīng)層和表面柵極電極(金屬)之間的界面處產(chǎn)生的“負(fù)”極化電荷(Q1)處于幾乎由在接觸柵極電極(金屬)的所述電子供應(yīng)層的表面(和接觸所述鈍化膜的所述電子供應(yīng)層的表面)中定域的“正”表面電荷(QSS)補償?shù)臓顟B(tài)。即，它成為Q1≈QSS。

此外，考慮到衍生自在“組分調(diào)制”的緩沖層中存在的電離施主能級的“正”空間電荷(∑QSD2)很少，在所述溝道層和“組分調(diào)制”的緩沖層之間的界面處產(chǎn)生的“負(fù)”極化電荷(Q3)，在“組分調(diào)制”的緩沖層的整個內(nèi)部區(qū)域上連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷(∑Q緩沖)和在“組分調(diào)制”的緩沖層與AlN成核層之間的界面處產(chǎn)生的“負(fù)”極化電荷(Q4)處于幾乎由在AlN成核層側(cè)中的界面處產(chǎn)生的“正”極化電荷(Q5)補償?shù)臓顟B(tài)。即，(Q5+∑QSD2)＝(Q3+∑Q緩沖+Q4)成立。

此外，在所述溝道層中積累的載流子(電子)的總量(∑QC)近似地等于在所述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處產(chǎn)生的“正”極化電荷(Q2)和由在所述電子供應(yīng)層內(nèi)部的電離施主能級得到的“正”空間電荷(∑QSD1)(或由電離的受主能級得到的“負(fù)”空間電荷)的算術(shù)和(Q2+∑QSD1)。即，(∑QC)＝(Q2+∑QSD1)成立。

整個電中性條件變成(Q5+∑QSD2)+(Q2+∑QSD1)＝(Q3+∑Q緩沖+Q4)+(∑QC)。例如，在所述緩沖層下面的層(AlN成核層側(cè)中的界面)中產(chǎn)生的正極化電荷(Q5)由電子如由于一些原因而注入的熱載流子補償并且Q5減少以保持上述電中性條件時，在所述溝道層中積累的載流子(電子)的總量(∑QC)減少。在Q5暫時性完全消失時，在所述溝道層中積累的載流子(電子)的總量(∑QC)變?yōu)?∑QC)＝(∑QSD2)+(Q2+∑QSD1)-(Q3+∑Q緩沖+Q4)。在這樣的情況下，考慮到衍生自在“組分調(diào)制”的緩沖層中存在的電離施主能級的“正”空間電荷(∑QSD2)很少，在所述溝道層中積累的載流子(電子)的總量(∑QC)大體上降低至(∑QC)＝(Q2+∑QSD1)-(Q3+∑Q緩沖+Q4)的水平。在此階段中不耗盡所述溝道層中的積累的載流子(電子)的總量(∑QC)的充分條件表示為(Q2+∑QSD1)>(Q3+∑Q緩沖+Q4)。即，作為一般條件，在所述電子供應(yīng)層產(chǎn)生的“正”電荷的總和(Q2+∑QSD1)大于在“組分調(diào)制”的緩沖層內(nèi)部和在與所述溝道層界面處產(chǎn)生的“負(fù)”電荷的總和(Q3+∑Q緩沖+Q4)成為充分條件。

在形成場效應(yīng)晶體管的情況下，在將反偏壓施加到柵極電極從而有效地抑制從GaN溝道層到第一AlGaN層(緩沖層)的電子注入時，改善了夾斷特性。此外，在將這樣的“組分調(diào)制”的AlGaN層(緩沖層)的選擇和設(shè)置柵極長度Lg相對于有源層厚度a(柵極到溝道的距離；AlGaN電子供應(yīng)層5的厚度和GaN溝道層4的厚度之和)的縱橫比Lg/a在5以上的措施一起使用的情況下，可以實現(xiàn)更好的夾斷特性。如果可能，在采用與設(shè)置縱橫比Lg/a在10以上的措施一起使用的器件結(jié)構(gòu)時，可以在用于毫米波段的GaN型FET或用于亞毫米波段的GaN型FET中實現(xiàn)短溝道效應(yīng)的更確定抑制。

可以解釋的是，由于上述效應(yīng)，根據(jù)本發(fā)明的GaN型HJFET在高電壓操作的情況下也可以實現(xiàn)在DC增益或RF增益方面的大改進。

上面描述了對于“Al組分調(diào)制”的AlGaN層(緩沖層)的實例帶來其效果的原理，在所述的“Al組分調(diào)制”的AlGaN層(緩沖層)中，進行C面((0001)面)生長，并且在GaN溝道層/第一AlGaN層(緩沖層)/AlN成核層/襯底的構(gòu)造中，AlxGa1-xN的Al組分x(z)從與AlN成核層的界面到與GaN溝道層的界面單調(diào)降低。

類似地，在選擇“Al組分調(diào)制”的Alx(InyGa1-y)1-xN層(緩沖層)時，也可以實現(xiàn)相同的效果，在所述“Al組分調(diào)制”的Alx(InyGa1-y)1-xN層(緩沖層)中，進行C面((0001)面)生長，并且在InyGa1-yN溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底的構(gòu)造(其中，1>y≥0)中，使用由Alx(InyGa1-y)1-xN構(gòu)成的Al(InGa)N層作為所述緩沖層，Alx(InyGa1-y)1-xN的Al組分x(z)從與AlN成核層的界面向與InyGa1-yN溝道層的界面到與InyGa1-yN溝道層的界面單調(diào)降低。同樣在此情況下，更優(yōu)選的是，提供ΔEc>2kT(k表示玻耳茲曼常數(shù)，并且T表示約300K的溫度)等，作為對應(yīng)于在Al(InGa)N層(緩沖層)和InyGa1-yN溝道層之間的界面處的導(dǎo)帶能量的不連續(xù)ΔEC的勢壘(梯級)。因此，優(yōu)選選擇在與InyGa1-yN溝道層的界面處的Alx(InyGa1-y)1-xN的Al組分x(z)xt以變成在上述導(dǎo)帶能量的不連續(xù)ΔEC的范圍內(nèi)。此外，在Alx(InyGa1-y)1-xN的Al組分x(z)單調(diào)降低時，優(yōu)選保持例如其有效降低百分比

(或δx(z)/δz)在范圍內(nèi)，在這樣的情況下，可以采用進行細微階梯式單調(diào)降低的方法，作為Alx(InyGa1-y)1-xN的Al組分x(z)有效單調(diào)降低的方面。

在GaN溝道層/“Al組分調(diào)制”的AlGaN層/AlN成核層/襯底的構(gòu)造中，由于GaN的晶格常數(shù)a(GaN)＝3.189

和所述緩沖層最上表面(與所述溝道層的界面)的AlxtGa1-xtN的晶格常數(shù)a(xt)≈3.189-0.077xt

之間的差值Δa(GaN/AlxtGa1-xtN)為Δa(GaN/AlxtGa1-xtN)＝a(GaN)-a(xt)≈0.077xt

很小，因此不必考慮在GaN溝道層和“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層之間的界面處晶格失配的影響。

另一方面，在InyGa1-yN溝道層和“Al組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)之間的界面處，可能出現(xiàn)兩個晶格常數(shù)之間差值的影響。即，由于作為上層的InyGa1-yN溝道層在晶格失配變大時保持良好的結(jié)晶性?？梢酝庋由L的膜厚度的上限(臨界膜厚度TC)以相反的比例降低。換言之，在InyGa1-yN溝道層和“Al組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)之間的界面處的晶格失配變大時，可能變得難以外延生長具有目標(biāo)膜厚度的InyGa1-yN溝道層。

例如，在使“Al組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)的最上表面(與所述溝道層的界面)的晶格常數(shù)與GaN的晶格常數(shù)a(GaN)一致時，在此“Al組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)的表面上長大的InyGa1-yN中的臨界膜厚度TC成為與在GaN的表面上生長的InyGa1-yN中的臨界膜厚度TC基本上相同的值。此外，在GaN的表面上進行外延生長時，臨界膜厚度TC成為TC≤10nm

的InyGa1-yN的In組分范圍是1≥y≥0.22。因此，同樣在InyGa1-yN溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底(其中，1>y≥0)的構(gòu)造中，在InyGa1-yN溝道層的膜厚度在包括兩個端點在內(nèi)的10nm

至50nm

內(nèi)的情況下，在InyGa1-yN的In組分范圍至少在0.22≥y≥0內(nèi)選擇時，可以排除由晶格失配的影響而被影響的可能性。

因此，至于InyGa1-yN溝道層的In組分y，更優(yōu)選選擇In組分y，使得在下列范圍內(nèi)設(shè)置AlN的晶格常數(shù)a(AlN)和InyGa1-yN的晶格常數(shù)a(InyGa1-yN)的失配{(a(InyGa1-yN)-a(AlN))/a(AlN)}。

此外，同樣在選擇其中采用上述“Al組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)的AlGaN電子供應(yīng)層/InyGa1-yN溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底(其中，1>y≥0)的構(gòu)造時，關(guān)于AlGaN電子供應(yīng)層/InyGa1-yN溝道層，完全可以以類似的方式應(yīng)用在選擇其中采用上面所述的“Al組分調(diào)制”的AlGaN層(緩沖層)的AlGaN電子供應(yīng)層/GaN溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底的構(gòu)造時使用的“各種條件”。

此外，在其中進行C面((0001)面)生長的InyGa1-yN溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底(其中，1>y≥0)構(gòu)造中，在選擇＂Ga組分調(diào)制的＂Al(InGa)N層(緩沖層)時也可以實現(xiàn)相同的效果，所述的＂Ga組分調(diào)制的＂Al(InGa)N層(緩沖層)使用由Alx(InyGa1-y)1-xN構(gòu)成的Al(InGa)N層作為所述緩沖層，并且其中Alx(InyGa1-y)1-xN的Al組分x從與AlN成核層的界面到與Iny0Ga1-y0N溝道層的界面恒定，但是Ga組分(1-x)·(1-y(z))單調(diào)降低。

同樣在此情況下，在形成Al(InGa)N層(緩沖層)的Alx(InyGa1-y)1-xN中，所述導(dǎo)帶邊緣相對于Iny0Ga1-y0N的能量差值ΔEC向深度方向(Z-軸方向)單調(diào)降低。另一方面，Alx(InyGa1-y)1-xN的晶格常數(shù)向深度方向(Z-軸方向)單調(diào)增加。結(jié)果，實現(xiàn)了相同的效果。此外，同樣在此情況下，更優(yōu)選的是，提供ΔEc>2kT(k表示玻耳茲曼常數(shù)，并且T表示約300K的溫度)等，作為對應(yīng)于在Al(InGa)N層(緩沖層)和InyGa1-yN溝道層之間的界面處的導(dǎo)帶能量的不連續(xù)ΔEC的勢壘(梯級)。

同樣在此InyGa1-yN溝道層/“Ga組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)的構(gòu)造中，在Iny0Ga1-y0N溝道層/“Ga組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)之間的界面處的晶格失配變大時，可能難以外延生長具有目標(biāo)膜厚度的InyGa1-yN溝道層。

例如，在使“Ga組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)的最上表面(與所述溝道層的界面)的晶格常數(shù)與GaN的晶格常數(shù)a(GaN)一致時，在此“Ga組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)的表面上長大的InyGa1-y0N中的臨界膜厚度TC成為與在GaN表面上生長的Iny0Ga1-y0N中的臨界膜厚度TC基本上相同的值。此外，在GaN的表面上進行外延生長時，其臨界膜厚度TC成為TC≤10nm

的Iny0Ga1-y0N的In組分范圍是1≥y0≥0.22。因此，同樣在Iny0Ga1-y0N溝道層/“Ga組分調(diào)制”的Al(InGa)N緩沖層/AlN成核層/襯底(其中，1>y0≥0)的構(gòu)造中，在Iny0Ga1-y0N溝道層的膜厚度在包括兩個端點值在內(nèi)的10nm(100

至50nm(500

的情況下，在Iny0Ga1-y0N的In組分范圍至少在0.22≥y0≥0內(nèi)選擇時，可以排除由晶格失配的影響而被影響的可能性。

因此，至于Iny0Ga1-y0N溝道層的In組分y0，更優(yōu)選選擇In組分y0，使得在下列范圍內(nèi)設(shè)置AlN的晶格常數(shù)a(AlN)和InyGa1-yN的晶格常數(shù)a(InyGa1-yN)的失配{(a(Iny0Ga1-y0N)-a(AlN))/a(AlN)}。

此外，同樣在選擇其中采用上述“Ga組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)的AlGaN電子供應(yīng)層/InyGa1-yN溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底(其中，1>y≥0)的構(gòu)造時，至于AlGaN電子供應(yīng)層/InyGa1-yN溝道層，完全可以以類似的方式應(yīng)用在選擇其中采用上面所述的“Al組分調(diào)制”的AlGaN層(緩沖層)的AlGaN電子供應(yīng)層/GaN溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底的構(gòu)造時使用的“各種條件”。

此外，在其中進行C面((0001)面)生長的Iny0Ga1-y0N溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底(其中，1>y0≥0)的構(gòu)造中，在下面的情況下，也可以實現(xiàn)相同的效果使用由Alx(InyGa1-y)1-xN構(gòu)成的Al(InGa)N層作為所述緩沖層，連續(xù)地改變Al組分x(z)和Ga組分[(1-x)(z))·(1-y(z))]，使得Alx(InyGa1-y)1-xN的所述導(dǎo)帶邊緣相對于Iny0Ga1-y0N的能量差ΔEC可以在此深度方向(z-軸方向)上從與AlN成核層的界面到與Iny0Ga1-y0N溝道層的界面單調(diào)降低，但是同時，Alx(InyGa1-y)1-xN的晶格常數(shù)可以向深度方向(z-軸方向)單調(diào)增加。此外，同樣在此情況下，更優(yōu)選的是，提供ΔEc>2kT(k表示玻耳茲曼常數(shù)，并且T表示約300K的溫度)等，作為對應(yīng)于在Al(InGa)N層(緩沖層)和InyGa1-yN溝道層之間的界面處的導(dǎo)帶能量的不連續(xù)ΔEC的勢壘(梯級)。

另一方面，同樣在InyGa1-yN溝道層和“Al和Ga組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)之間的界面處，根據(jù)其組分的選擇，可能出現(xiàn)兩個晶格常數(shù)之間的大差別。由于晶格失配，在“Al和Ga組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)的表面上外延生長的InyGa1-yN薄膜中積累形變應(yīng)力。此形變應(yīng)力隨著InyGa1-yN薄膜的膜厚度增加而增加。在積累的形變應(yīng)力超過閾值時，晶體缺陷如失配位錯被迅速引入到InyGa1-yN薄膜中，因此，結(jié)晶性迅速降低。導(dǎo)致此結(jié)晶性迅速降低的膜厚度(臨界膜厚度TC)以與晶格失配的大小成反比例地降低。換言之，在Iny0Ga1-y0N溝道層/“組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)之間的界面處的晶格失配變大時，可能難以外延生長具有目標(biāo)膜厚度的Iny0Ga1-y0N溝道層。

例如，在使“組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)的最上表面(與所述溝道層的界面)的晶格常數(shù)與GaN的晶格常數(shù)a(GaN)一致時，在此“組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)的表面上長大的InyGa1-y0N中的臨界膜厚度TC成為與在GaN的表面上生長的Iny0Ga1-y0N中的臨界膜厚度TC基本上相同的值。此外，在GaN的表面上進行外延生長時，其臨界膜厚度TC成為TC≤10nm(100

的Iny0Ga1-y0N的In組分范圍是1≥y0≥0.22。因此，同樣在Iny0Ga1-y0N溝道層/“Ga組分調(diào)制”的Al(InGa)N緩沖層/AlN成核層/襯底(其中，1>y0≥0)的構(gòu)造中，在Iny0Ga1-y0N溝道層的膜厚度在包括兩個端點值在內(nèi)的10nm(100

至50nm(500

)內(nèi)的情況下，在Iny0Ga1-y0N的In組分至少在0.22≥y0≥0的范圍內(nèi)選擇時，可以排除由晶格失配的影響而被影響的可能性。

因此，至于Iny0Ga1-y0N溝道層的In組分y0，更優(yōu)選選擇In組分y0，使得在下列范圍內(nèi)選擇AlN的晶格常數(shù)a(AlN)和InyGa1-yN的晶格常數(shù)a(InyGa1-yN)的失配{(a(Iny0Ga1-y0N)·a(AlN))/a(AlN)}。

(0.154/3.112)≥{(a(Iny0Ga1-y0N)-a(AlN))/a(AlN)}≥(0.077/3.112) 此外，同樣在選擇其中采用上述“Al和Ga組分調(diào)制”的Al(InGa)N層(緩沖層)的AlGaN電子供應(yīng)層/InyGa1-yN溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底(其中，1>y≥0)的構(gòu)造時，至于AlGaN電子供應(yīng)層/InyGa1-yN溝道層，完全可以以類似的方式應(yīng)用在選擇其中采用上面所述的“Al組分調(diào)制”的AlGaN層(緩沖層)的AlGaN電子供應(yīng)層/GaN溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底的構(gòu)造時使用的“各種條件”。

(示例性實施方案2) 圖2示意性顯示實際使用在上述第一示例性實施方案中示例的第二AlGaN層/GaN層/第一AlGaN層/AlN成核層/襯底的構(gòu)造制備的第III族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)FET的剖面結(jié)構(gòu)，以實際證實在上述第一示例性實施方案中示例的第二AlGaN層/GaN層/第一AlGaN層/AlN成核層/襯底的構(gòu)造的效果。

通過使用作為襯底1的SiC的C面((0001)面)，并且通過MOCVD生長方法在該表面上進行每一層的C面((0001)面)生長，制備出具有第二AlGaN層/GaN層/第一AlGaN層/AlN成核層/襯底的構(gòu)造的多層外延層。首先，在用作襯底1的SiC的C面上，在低溫生長條件下形成膜厚度為200nm的未摻雜AlN層。由該低溫生長未摻雜AlN膜構(gòu)成的AlN成核層2本身起著絕緣成核層的功能。隨后，相繼在正常高溫生長條件下在AlN成核層2上外延生長膜厚度為1μm(1000nm)的未摻雜AlGaN緩沖層3，膜厚度為10nm的未摻雜GaN溝道層4和膜厚度為45nm的未摻雜AlGaN電子供應(yīng)層5。

在此第二示例性實施方案中，選擇未摻雜AlGaN緩沖層3，使得AlxGa1-xN的Al組分x(z)可以從與AlN成核層2的界面到與未摻雜GaN溝道層4的界面單調(diào)降低，即向膜厚度方向(z-軸方向)單調(diào)降低。在第二示例性實施方案中，分別地，在與GaN溝道層4的界面(z＝1μm)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝1μm)≡xt為xt＝0.05，并且在與AlN成核層2的界面(z＝0)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝0μm)≡xb為xb＝0.30。此外，在未摻雜AlGaN電子供應(yīng)層5中，設(shè)置Al組分x為恒定，并且選擇x＝0.2的Al0.2Ga0.8N。

在所制備的并且使用上述線性“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的多層外延膜中，整個多層外延膜的薄膜電阻rs為

，薄膜載流子濃度為9.50×1012cm-2，并且遷移率為1600cm2/Vs。另一方面，在使用GaN緩沖層的常規(guī)多層外延膜中，薄膜電阻rs為550Ω/□，薄膜載流子濃度為1.05×1013cm-2，并且遷移率為1600cm2/Vs。

源極電極6和漏極電極7形成與未摻雜AlGaN電子供應(yīng)層5的表面的歐姆接觸，并且在源極電極6和漏極電極7之間形成柵極電極8。此外，源極電極6和柵極電極8之間以及柵極電極8和漏極電極7之間的AlGaN電子供應(yīng)層5的表面用SiN的介電膜9覆蓋，并且給予表面保護。此外，盡管圖1中未清楚地顯示，但是選擇柵極電極8的位置，使得柵極電極8和漏極電極7之間的間隔可以寬于源極電極6和柵極電極8之間的間隔。

具體地，預(yù)先形成覆蓋在源極電極6和漏極電極7之間的AlGaN電子供應(yīng)層5的表面的SiN膜，并且在此SiN膜中的預(yù)定位置形成用于形成柵極電極8的開口。蝕刻在開口中暴露的AlGaN電子供應(yīng)層5的表面，并且形成淺凹進部分。在此淺凹進部分中制備柵極電極8，并且采用具有凹型柵極的構(gòu)造。

將簡單地描述在圖2中所示的此示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET的制備方法。為了在完成一系列外延生長之后實現(xiàn)FET之間的器件間分離，使用掩模蝕刻方法圍繞每個器件進行達到GaN溝道層4的臺面蝕刻。即，在此區(qū)域中，進行未摻雜AlGaN電子供應(yīng)層5的蝕刻去除，并且形成器件間分離臺面。隨后，例如，蒸鍍金屬如Ti/Au，并且使用具有與在AlGaN電子供應(yīng)層5的表面上安置的源極電極6和漏極電極7匹配形狀的光致抗蝕劑掩模，使用升高(lift-off)法進行成為預(yù)定形狀的圖案化。通過進行金屬層如Ti/Au(厚度為10nm至200nm)的退火處理而呈現(xiàn)歐姆接觸，所述的金屬層在惰性氣體流中，于800℃進行1至3分鐘圖案化處理，成為這些預(yù)定形狀。

接著，例如，通過采用氣相沉積方法如等離子體CVD方法，形成膜厚度為80nm的SiN膜，使得可以覆蓋整個表面。使用抗蝕刻掩模，進行選擇性蝕刻，并且在覆蓋源極電極6和漏極電極7之間的AlGaN電子供應(yīng)層5的表面的SiN膜上，在預(yù)定位置形成用于形成柵極電極8的開口。此外，在形成用于形成上述開口的抗蝕刻掩模時，為了實現(xiàn)0.15μm的目標(biāo)寬度，采用電子束光刻法。

稍微蝕刻在開口中暴露的AlGaN電子供應(yīng)層5的表面，并且形成淺凹進部分。此外，在此示例性實施方案中，選擇此凹進深度為25nm。因此，直接在凹進部分的下面，AlGaN電子供應(yīng)層5的厚度在蝕刻后成為20nm。

隨后，在上述開口下面并且使用抗蝕刻掩模進行凹進形成的AlGaN電子供應(yīng)層5的表面上，蒸鍍并且升起柵極金屬如Ni/Au(厚度為10nm至200nm)，并且進行成為預(yù)定形狀的圖案化。在這樣的情況下，使用圖案化的柵極電極9作為柵極電極，其具有T-型剖面形狀，并且其一部分覆蓋鄰近開口(凹進部分)的SiN膜表面。對于開口(凹進部分)，此T-型頂面形狀排列和大小的尺寸精確度為10nm，并且將電子束光刻法用于升起用抗蝕刻掩模的曝光。

在柵極電極8的形成完成時，在源極電極6和柵極電極8之間和在柵極電極8和漏極電極7之間的AlGaN電子供應(yīng)層5的表面成為被SiN膜覆蓋的狀態(tài)，并且將此殘余SiN膜原樣用作介電膜9。

制備的AlGaN/GaN型HJFET成為使用在AlGaN電子供應(yīng)層5和GaN溝道層4之間的界面產(chǎn)生的二維電子氣的所謂HEMT型FET。其柵極長度Lg等價于在上述開口下面的凹進部分的寬度中的0.15μm。柵極長度Lg相對于有源層厚度(柵極到溝道的距離)a的縱橫比Lg/a變成Lg/a≈150/30＝5，因為有源層厚度a等價于直接在凹進部分下面并且在蝕刻后保留的AlGaN電子供應(yīng)層5的厚度和所述溝道層的厚度之和，即，30nm。

另一方面，對于形成進行“Al組分調(diào)制”的上述載流子的AlGaN緩沖層3的AlxGa1-xN(0.30≥x≥0.05)，在暫時性制備具有相應(yīng)均勻Al組分的未摻雜AlxGa1-xN層時，殘余載流子是電子，并且殘余載流子濃度n取決于生長條件和Al組分，并且通常離散成約為1014至1015個載流子cm-3的程度。此外，在此第二示例性實施方案中，進行設(shè)置，使得形成未摻雜AlGaN層3的AlxGa1-xN的Al組分x(z)從與AlN成核層2的界面(z＝0)到與GaN溝道層4的界面(z＝1μm)線性降低。即，整個AlGaN緩沖層3的膜厚度t緩沖為1μm，并且Al組分x(z)表示如下，作為深度方向(Z軸向)上的厚度(z/μm)的函數(shù)。

x(z)＝xt·z+xb·(1-z) 　　　　?。?.05z+0.30(1-z) 在上述多層外延膜的構(gòu)造中，在進行此線性“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3中產(chǎn)生的極化電荷密度；σ(P)/e cm-3(其中，e表示電子的電荷(單位電荷))是負(fù)極化電荷，其中在參考圖8中所示的估計結(jié)果時，σ(P)/e≈1.1×1017cm-3這樣的程度。即，在進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3中感生的負(fù)極化電荷的密度σ(P)/e≈1.1 x 1017cm-3，超過了約1014至1015cm-3的估計殘余載流子濃度n。因此，此感生負(fù)極化電荷可以完全補償對應(yīng)于上述殘余載流子(電子)密度n并且由未摻雜AlGaN緩沖層3中存在的電離雜質(zhì)水平(或有意摻雜的具有相對低濃度的施主能級)得到的正空間電荷。因而，它成為這樣的狀態(tài)通過在進行＂Al組分調(diào)制＂的未摻雜AlGaN緩沖層3的殘余負(fù)極化電荷，存在約1016cm-3的負(fù)空間電荷。有效地，進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3起著等價于其中存在約1016cm-3的負(fù)空間電荷的p-層的功能。

圖9示意性地圖示了直接在上述AlGaN/GaN型HJFET的柵極電極9下面的所述多層外延膜的能帶圖。由于進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3起著等價于其中有效地存在約1016cm-3的負(fù)空間電荷的p-層的功能，此區(qū)域的導(dǎo)帶邊緣的能量位置在保持凸起形狀的情況下從與AlN成核層2的界面(z＝0)到與GaN溝道層4的界面(z＝1μm)降低。因此，在未摻雜AlGaN緩沖層3和GaN溝道層4之間的界面(z＝1μm)，由于顯示凸起形狀的所述導(dǎo)帶邊緣的能量梯度，除了對應(yīng)于導(dǎo)帶能量的不連續(xù)ΔEC的勢壘(梯級)外，還抑制了越過上述勢壘(梯級)向未摻雜AlGaN緩沖層3中的電子注入。

上述AlGaN/GaN型HJFET具有這樣的構(gòu)造在形成進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN層3的AlxGa1-xN中，Al組分x(z)從與AlN成核層2的界面(z＝0)向與InAlGaN溝道-背面勢壘層10的界面(z＝1μm)連續(xù)降低。在選擇Al組分x(z)以窄的厚度梯級Δz階梯式降低代替其組分連續(xù)變化的上述AlxGa1-xN的構(gòu)造時，變成在每個厚度梯級δz形成的界面處的薄膜中出現(xiàn)極化電荷σ(P)＝{P(x(z))-P(x(z+δz))}的狀態(tài)。在這樣的情況下，有效極化電荷密度成為σ(P)/δz＝{P(x(z))-P(x(z+δz))}/δz＝-[{P(x(z+δz))-P(x(z))}/δx(z)·δx(z)/δz，并且在厚度梯級δz足夠小時，它成為基本上在與上述微分符號中的值的差內(nèi)。

此外，未摻雜AlGaN緩沖層3和GaN溝道層4之間的界面(z＝1μm)，由于具有Al組分x＝0.05的AlxGa1-xN和GaN之間的極化P之差，估計以接近2×1012(/cm2)的最大薄膜電荷密度產(chǎn)生負(fù)極化電荷。在這些的程度，對界面附近的帶形狀和在GaN溝道層中貯存的溝道載流子密度的影響不是太大。這是因為由在正常AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)HJFET(Al組分為0.2等)中的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)感生的二維電子氣的載流子的薄膜電荷濃度為約1013(/cm2)，這大了約一個數(shù)量級。此外，在此示例性實施方案中，選擇GaN溝道層4的膜厚度為10nm，并且在這樣未摻雜AlGaN緩沖層3和GaN溝道層4之間的界面(z＝1μm)處感生的負(fù)極化電荷降低在AlGaN電子供應(yīng)層5和GaN溝道層4之間的界面處產(chǎn)生的二維電子氣的總量的作用是有限的。

同樣在根據(jù)此示例性實施方案的場效應(yīng)晶體管中，在選擇使其以耗盡模式(常開狀態(tài))操作的構(gòu)造時，在襯底本身是不顯示極化效應(yīng)的材料并且將柵極電極和襯底都接地的狀態(tài)下，在半導(dǎo)體層區(qū)中存在的極化電荷成為這樣的狀態(tài)“負(fù)”極化電荷(Q1)通常分布在具有恒定組分的所述電子供應(yīng)層和表面上的柵極電極(金屬)之間的界面處，“正”極化電荷(Q2)通常分布在具有恒定組分的所述電子供應(yīng)層和所述溝道層之間的界面處，并且在電子供應(yīng)層的組分不恒定時，分別地，分布根據(jù)局部組分比率在所述電子供應(yīng)層中分布的“正”或“負(fù)”極化電荷(∑Q供者)，“負(fù)”極化電荷(Q3)分布在所述溝道層和“組分調(diào)制”的緩沖層之間的界面處，分布在“組分調(diào)制”的緩沖層的整個內(nèi)部區(qū)域上連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷(∑Q緩沖)，“負(fù)”極化電荷(Q4)分布在“組分調(diào)制”的緩沖層與AlN成核層的界面處，并且“正”極化電荷(Q5)分布在AlN成核層與襯底表面的界面處。

另一方面，所述電子供應(yīng)層本身被耗盡，并且由電離施主能級得到的“正”空間電荷(∑QSD1)存在于此電子供應(yīng)層內(nèi)部。此外，包括在“組分調(diào)制”的緩沖層中的淺施主能級也被電離，并且衍生自電離施主能級的“正”空間電荷(∑QSD2)也存在于“組分調(diào)制”的緩沖層的內(nèi)部。

此外，所述電子供應(yīng)層的表面覆蓋有柵極電極(金屬)和在柵極電極(金屬)的兩側(cè)中作為鈍化膜的介電膜。在許多情況下，在接觸柵極電極(金屬)的所述電子供應(yīng)層的表面和接觸所述鈍化膜的所述電子供應(yīng)層的表面中，比較深表面能級(深施主能級)存在，并且這些深表面能級(深施主能級)也被電離。結(jié)果，在接觸柵極電極(金屬)的所述電子供應(yīng)層的表面和接觸所述鈍化膜的所述電子供應(yīng)層的表面中，存在衍生自電離的深表面能級(深施主能級)的“正”表面電荷(QSS)。

電中性條件由以下滿足從這些電離的施主能級得到的并且固定不動的“正”空間電荷(或由電離的受主能級得到的“負(fù)”空間電荷)、在接觸柵極電極(金屬)的所述電子供應(yīng)層的表面和接觸所述鈍化膜的表面中定域的“正”表面電荷和在半導(dǎo)體層區(qū)中存在的極化電荷，以及在所述溝道層中積累的載流子(電子)。

通常，在所述電子供應(yīng)層和表面柵極電極(金屬)之間的界面處產(chǎn)生的“負(fù)”極化電荷(Q1)處于幾乎由在接觸柵極電極(金屬)的所述電子供應(yīng)層的表面(和接觸所述鈍化膜的所述電子供應(yīng)層的表面)中定域的“正”表面電荷(QSS)補償?shù)臓顟B(tài)。即，它成為Q1≈QSS。

此外，考慮到衍生自在“組分調(diào)制”的緩沖層中存在的電離施主能級的“正”空間電荷(∑QSD2)很少，在所述溝道層和“組分調(diào)制”的緩沖層之間的界面處產(chǎn)生的“負(fù)”極化電荷(Q3)，在“組分調(diào)制”的緩沖層的整個內(nèi)部區(qū)域上連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷(∑Q緩沖)和在“組分調(diào)制”的緩沖層與AlN成核層之間的界面處產(chǎn)生的“負(fù)”極化電荷(Q4)處于幾乎由在AlN成核層側(cè)中的界面處產(chǎn)生的“正”極化電荷(Q5)補償?shù)臓顟B(tài)。即，(Q5+∑QSD2)＝(Q3+∑Q緩沖+Q4)成立。

此外，在所述溝道層中積累的載流子(電子)的總量(∑QC)近似地等于在所述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處產(chǎn)生的“正”極化電荷(Q2)和由在所述電子供應(yīng)層內(nèi)部的電離施主能級得到“正”空間電荷(∑QSD1)(或由電離的受主能級得到的“負(fù)”空間電荷)的算術(shù)和(Q2+∑QSD1)。即，(∑QC)＝(Q2+∑QSD1)成立。

整個電中性條件變成(Q5+∑QSD2)+(Q2+∑QSD1)＝(Q3+∑Q緩沖+Q4)+(∑QC)。例如，在所述緩沖層下面的層(AlN成核層側(cè)中的界面)中產(chǎn)生的正極化電荷(Q5)由電子如由于一些原因而注入的熱載流子補償并且Q5減少以保持上述電中性條件時，在所述溝道層中積累的載流子(電子)的總量(∑QC)減少。在Q5暫時性完全消失時，在所述溝道層中積累的載流子(電子)的總量(∑QC)變?yōu)?∑QC)＝(∑QSD2)+(Q2+∑QSD1)-(Q3+∑Q緩沖+Q4)。在這樣的情況下，考慮到衍生自在“組分調(diào)制”的緩沖層中存在的電離施主能級的“正”空間電荷(∑QSD2)很少，在所述溝道層中積累的載流子(電子)的總量(∑QC)大體上降低至(∑QC)＝(Q2+∑QSD1)-(Q3+∑Q緩沖+Q4)的水平。在此階段中不耗盡所述溝道層中的積累的載流子(電子)的總量(∑QC)的充分條件表示為(Q2+∑QSD1)>(Q3+∑Q緩沖+Q4)。即，作為一般條件，在所述電子供應(yīng)層產(chǎn)生的“正”電荷的總和(Q2+∑QSD1)大于在“組分調(diào)制”的緩沖層內(nèi)部和在與所述溝道層界面處產(chǎn)生的“負(fù)”電荷的總和(Q3+∑Q緩沖+Q4)成為充分條件。

至于此示例性實施方案，為了滿足上述充分條件，適宜的是采用下列構(gòu)造。

即，在第二AlGaN層(AlGaN電子供應(yīng)層)/GaN層(GaN溝道層)/第一AlGaN層(“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層)/AlN成核層/襯底的構(gòu)造中，理想的是，使至少在所述第一AlGaN層(“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層)中連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷的總和小于在AlGaN電子供應(yīng)層和GaN溝道層之間的界面處的“正”極化電荷的總和。由于在所述第一AlGaN層(“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層)中連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷取決于“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層中的Al組分x(z)的變化率

，所以不理想的是過分地放大Al組分x(z)的變化率

。如上所述，Al組分x(z)的變化率

在滿的范圍內(nèi)是充分的，并且不理想的是過分放大它。通常，優(yōu)選Al組分x(z)的變化率

在范圍內(nèi)選擇。

在選擇上述Al組分變化率時，“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層由于在其中連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷而成為p-樣狀態(tài)，并且即使將“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層和GaN溝道層之間的界面處的Al組分xt設(shè)置成xt＝0，也可以有效地抑制從所述溝道層到所述緩沖層的電子注入，此外，為了在“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層和GaN溝道層之間的界面處提供如上所述的帶勢壘，優(yōu)選使在此界面處的“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的Al組分xt為至少0.05以上。例如，在使“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的膜厚度t緩沖為1μm的情況下，在將“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的最上表面的Al組分xt設(shè)置在xt＝0.05并且Al組分x(z)的變化率

在的范圍內(nèi)選擇時，“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的最下表面的Al組分xb在0.35≥xb≥0.10的范圍內(nèi)選擇。

另一方面，在通常由具有恒定Al組分的AlGaN形成AlGaN電子供應(yīng)層時，至于Al組分，為了提供對于在AlGaN電子供應(yīng)層和GaN溝道層之間的界面處積累載流子(電子)所必需的帶勢壘，優(yōu)選此AlGaN電子供應(yīng)層的Al組分xs至少在0.15以上的范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選在050≥xs≥0.20的范圍內(nèi)。

暫時地，即使在使“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的膜厚度t緩沖為1μm并且將“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的最上表面的Al組分xt設(shè)置在xt＝0.00的情況下，在Al組分x(z)的變化率

在的范圍內(nèi)選擇時，“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的Al組分x(z)的平均值x(z)av.成為x(z)av.≈1/2·(xt+xb)，因此成為在0.175≥x(z)av.≥0.05的范圍內(nèi)。此外，例如，在使“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的膜厚度t緩沖為1μm，將“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的最上表面的Al組分xt設(shè)置在xt＝0.05以上，并且Al組分x(z)的變化率

在的范圍內(nèi)選擇時，“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的Al組分x(z)的平均值x(z)av.成為x(z)av.≈1/2·(xt+xb)，因此成為在0.20≥x(z)av.≥0.075的范圍內(nèi)。因此，基于上述條件，在比較AlGaN電子供應(yīng)層的Al組分xs的平均值xsav.與“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的Al組分x(z)的平均值x(z)av.時，優(yōu)選將其設(shè)置為xsav.≥x(z)av.。

此外，參考圖8，在“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層中，在Al組分x(z)的變化率

在的范圍內(nèi)選擇時，“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層中產(chǎn)生的感生負(fù)極化電荷的密度σ(P)/e成為1.6×1017cm-3≥|σ(P)/e|≥4×1016cm-3。換言之，通過在未摻雜AlGaN緩沖層中的殘余載流子(電子)密度n不超過1.6×1017cm-3的上述范圍內(nèi)，并且至少在1.5×1017cm-3≥n≥1×1014cm-3的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選在1×1017cm-3≥n≥1×1015cm-3的范圍內(nèi)使用本發(fā)明的“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層。發(fā)揮出由連續(xù)感生“負(fù)”極化電荷補償?shù)男ЧＲ虼?，?yōu)選采用外延生長方法和適宜于使其在上述殘余載流子(電子)密度n范圍內(nèi)的條件下長大“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層。例如，在通過采用MOVPE方法，生長在0.45以下并且優(yōu)選0.35以下的Al組分的范圍內(nèi)的AlGaN時，可以使其在上述殘余載流子(電子)密度n的范圍(例如，1×1017cm-3≥n)內(nèi)。

在未摻雜AlGaN緩沖層3和GaN溝道層4之間的界面(z＝1μm)處存在的上述帶勢壘具有提高進入到GaN溝道層4的載流子(電子)限制效應(yīng)的功能，并且發(fā)揮出提高獲得的AlGaN/GaN型HJFET的夾斷特性的作用。此外，在具有圖2中所示構(gòu)造的AlGaN/GaN型HJFET中，有源層厚度(柵極到溝道的距離)a等價于直接在柵極電極8下面的AlGaN電子供應(yīng)層5的厚度和GaN溝道層4的厚度之和，并且在柵極長度Lg相對于有源層厚度(柵極到溝道的距離)a的縱橫比Lg/a通過縮短柵極長度Lg而變短時，容易引起短溝道效應(yīng)，但是在夾斷特性提高的情況下，也發(fā)揮出抑制此短溝道效應(yīng)的作用。

在上述的此實施方案中，在使整個未摻雜AlGaN緩沖層3的膜厚度為1μm時，分別地，在與GaN溝道層4的界面(z＝1μm)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝1μm)≡xt為xt＝0.05，并且在與AlN成核層2的界面(z＝0)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝0μm)≡xb為xb＝0.30，并且獲得在進行“Al組分調(diào)制”的此未摻雜AlGaN緩沖層3中感生的負(fù)極化電荷的密度σ(P)/e≈1.1×1017cm-3。在使進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3中感生的負(fù)極化電荷的密度σ(P)/e為至少1 x 1016cm-3以上時，進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3顯示出有效等價于p-層的功能。在參考圖8中所示的估計結(jié)果的情況下，在使整個未摻雜AlGaN緩沖層3的膜厚度為1μm時，在與GaN溝道層4的界面(z＝1μm)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝1μm)≡xt為xt＝0.05，并且在與AlN成核層2的界面(z＝0)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝0μm)≡xb為xb≥0.10時，滿足上述條件。即，在使整個未摻雜AlGaN緩沖層3的膜厚度為1μm時，在與GaN溝道層4的界面(z＝1μm)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝1μm)≡xt為xt＝0.05，并且在與AlN成核層2的界面(z＝0)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝0μm)≡xb為xb＝0.1至0.2時，它成為發(fā)揮充分效果的狀態(tài)。

圖10示出了這樣情況的IV特性對于此示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET，即，通過分別地，在與GaN溝道層4的界面(z＝1μm)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝1μm)≡xt為xt＝0.05，并且在與AlN成核層2的界面(z＝0)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝0μm)≡xb為xb＝0.30而制備的FET，在使整個未摻雜AlGaN緩沖層3的膜厚度為1μm時，使柵極長度Lg為0.15μm。根據(jù)圖10中所示的Id-Vd特性的測量結(jié)果，即使在柵極長度Lg短至0.15μm，也獲得了良好的夾斷特性。此外，在由歐姆電極相對于保持離開8μm的圖案作為間隙空間的情況下評價緩沖層泄漏電流時，在100V應(yīng)用的情況下，在內(nèi)部照明下，它是足夠的，低至5×10-10

另一方面，在具有使用圖5中所示的未摻雜GaN緩沖層的常規(guī)結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN型HJFET發(fā)揮出圖7中所示的Id-Vd特性，但是夾斷特性不佳。此外，在由歐姆電極相對于保持離開8μm的圖案作為間隙空間的情況下評價緩沖層泄漏電流時，在100V應(yīng)用的情況下，在內(nèi)部照明下，它為5×10-8

這在考慮到高電壓操作的應(yīng)用不能令我們滿意。

在將其與具有使用此GaN緩沖層的常規(guī)結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN型HJFET比較時，極大地改善了此示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET的夾斷特性。同時，也改善了緩沖擊穿電壓。因此，在與具有使用未摻雜GaN緩沖層的常規(guī)結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN型HJFET比較中，此示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET在高電壓操作的情況下可以極大地改善DC增益和RF增益。

此外，在此示例性實施方案中，對于進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3，將其Al組分x(z)設(shè)置成從與AlN成核層2的界面(z＝0)到與GaN溝道層4的界面(z＝1μm)線性降低，并且也使形成它的AlxGa1-xN本身的導(dǎo)帶邊緣的能量Ec也從與AlN成核層2的界面(z＝0)到與GaN溝道層4的界面(z＝1μm)線性降低。另一方面，在未摻雜AlGaN緩沖層3中，在選擇Al組分x(z)的降低百分率

使得

可以從與AlN成核層2的界面(z＝0)到與GaN溝道層4的界面(z＝1μm)降低時，AlxGa1-xN本身的導(dǎo)帶邊緣的能量Ec(x)的變化率

從與AlN成核層2的界面(z＝0)到與GaN溝道層4的界面(z＝1μm)降低(因此，在不考慮極化效應(yīng)時表示導(dǎo)帶邊緣能級的曲線成為凸起形狀)。在這樣的情況下，由于將AlxGa1-xN本身的導(dǎo)帶邊緣的能量Ec(x)的變化率

降低的效果也添加到極化電荷的作用，因此在與GaN溝道層4的界面(z＝1μm)附近，未摻雜AlGaN緩沖層3的導(dǎo)帶邊緣的能量位置梯度變得更大。因此，進一步提高了抑制從GaN溝道層4到未摻雜AlGaN緩沖層3中的電子注入的效果。

此外，盡管此示例性實施方案使用進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3并且采用殘余載流子是電子的條件，但是在暫時改變外延生長方法或生長條件，并且關(guān)于未摻雜AlGaN緩沖層3本身選擇殘余載流子成為空穴的條件時，未摻雜AlGaN緩沖層3本身成為p-層，因此，所述導(dǎo)帶邊緣的梯度顯示進一步凸起的形狀。備選地，在使用有意使受主低濃度摻雜的p-型AlGaN緩沖層代替未摻雜AlGaN緩沖層時，所述導(dǎo)帶邊緣的梯度顯示再進一步凸起的形狀。

類似于上述GaN溝道層/“Al組分-調(diào)制”的AlGaN緩沖層的類型，同樣在InyGa1-yN溝道層/Iny(AlxGa1-x)1-yN緩沖層的普遍類型中，在使In組分y恒定并且進行將Al組分(x(1-y))從襯底側(cè)到與所述溝道層的界面降低的“Al組分調(diào)制”時，可以產(chǎn)生在Iny(AlxGa1-x)1-yN緩沖層連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷。

此外，在GaN溝道層/Alx(InyGa1-y)1-xN緩沖層的類型中，在使Al組分x恒定并且進行將In組分(1-x)y)從襯底側(cè)到與所述溝道層的界面增加的“In組分調(diào)制”時，可以產(chǎn)生在Alx(InyGa1-y)1-xN緩沖層中連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷。例如，在將Al組分x固定在x＝0.3，并且使整個未摻雜Alx(InyGa1-y)1-xN緩沖層的膜厚度為1μm時，通過使In組分[(1-x)y](z＝0μm)在與所述成核層的界面(z＝0)處為[(1-x)y]＝0并且使In組分[(1-x)y](z＝1μm)在與GaN溝道層的界面(z＝1μm)處為[(1-x)y]＝0.066而使用In組分線性增加的“In組分調(diào)制”。在這樣的情況下，x)y的晶格常數(shù)幾乎與GaN的晶格常數(shù)一致，并且產(chǎn)生在“In組分調(diào)制”的Alx(InyGa1-y)1-xN緩沖層中以7.18×1016(cm-3)的電荷密度連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷。因此，可以補償在“In組分調(diào)制”的Alx(InyGa1-y)1-xN緩沖層中約1015cm-3的估計殘余載流子濃度n。

此外，在GaN溝道層和Alx(InyGa1-y)1-xN緩沖層之間的界面處，導(dǎo)帶能量的不連續(xù)ΔEC變?yōu)棣C＝424meV，并且形成對應(yīng)于此值的勢壘(梯級)。

此外，在InycGa1-ycN溝道層/Inybuf(AlxbufGa1-xbuf)1-ybufN緩沖層的類型中，還可以通過如下方法產(chǎn)生在使用“(Al組分和In組分)調(diào)制”的緩沖層中連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷同時改變所述緩沖層的In組分ybuf和Al組分[xbuf(1-ybuf)]，并且從襯底側(cè)到與所述溝道層的界面逐漸降低Al組分[xbuf(1-ybuf)]并且逐漸增加In組分。即，通過進行“(Al組分和In組分)調(diào)制”使得Inybuf(AlxbufGa1-xbuf)1-ybufN四元體系混合晶體的晶格常數(shù)a(Inybuf(AlxbufGa1-xbuf)1-ybufN)可以逐漸增加，可以補償在所述緩沖層中的約1015cm-3的估計的殘余載流子濃度n，并且另一方面，在從襯底側(cè)前進到與所述溝道層的界面的方向上，導(dǎo)帶邊緣能量EC可以逐漸降低，并且產(chǎn)生衍生自自發(fā)極化和壓電極化變化并且連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷。當(dāng)然，在與InycGa1-ycN溝道層的界面處，使Inybuf(AlxbufGa1-xbuf)1-ybufN四元體系混合晶體的晶格常數(shù)a(Inybuf(AlxbufGa1-xbuf)1-ybufN)幾乎等于或非常輕微地小于所述溝道層的混合晶體InycGa1-ycN的InycGa1-ycN三元體系的晶格常數(shù)a。此外，在與InycGa1-ycN溝道層的界面處，可以使Inybuf(AlxbufGa1-xbuf)1-ybufN的四元體系混合晶體的ED(Inybuf(AlxbufGa1-xbuf)1-ybufN)等于所述溝道層的混合晶體InycGa1-ycN的InycGa1-ycN三元體系的EC，或優(yōu)選地，使兩者之間的導(dǎo)帶邊緣的能量不連續(xù)ΔEC至少大于ΔEC＝200meV，并且形成對應(yīng)于此值的勢壘(梯級)。

此外，同樣在選擇其中采用“Al組分調(diào)制”的Iny(AlxGa1-x)1-yN緩沖層的AlGaN電子供應(yīng)層/InyGa1-yN溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底(其中，1>y≥0)的構(gòu)造、采用“In組分調(diào)制”的Iny(AlxGa1-x)1-yN緩沖層的AlGaN電子供應(yīng)層/InyGa1-yN溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底(其中，1>y≥0)的構(gòu)造、或在此示例性實施方案中描述的采用＂(Al組分和In組分)調(diào)制的＂Inybuf(AlxbufGa1-xbuf)1-ybufN緩沖層的AlGaN電子供應(yīng)層/InycGa1-ycN溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底(其中，1>yc≥0)的構(gòu)造中的任一構(gòu)造時，至于AlGaN電子供應(yīng)層/InGaN溝道層，完全可以以類似的方式應(yīng)用在第一示例性實施方案中描述的并且在選擇其中采用“Al組分調(diào)制”的AlGaN層(緩沖層)的AlGaN電子供應(yīng)層/GaN溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底的構(gòu)造時使用的“各種條件”。

(示例性實施方案3) 與在上述第二示例性實施方案中示例的第二AlGaN層/GaN層/第一AlGaN層/AlN成核層/襯底的構(gòu)造相反，此第三示例性實施方案是使用InAlGaN層作為“勢壘層”的多層外延膜實施方案，其將具有非常薄的膜厚度的InAlGaN層增加到GaN層和第一AlGaN層之間的界面處，并且抑制載流子從所述GaN層到所述第一AlGaN層的流入。圖11示出了上述第二AlGaN層/GaN層/InAlGaN層/第一AlGaN層/AlN成核層/襯底的構(gòu)造，并且此外，圖12示意性地示出了使用其制備的第III族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的剖面結(jié)構(gòu)。

使用作為襯底1的SiC的C面((0001)面)并且通過MOCVD生長方法進行每層的C面((0001)面)生長，制備出具有所述第二AlGaN層/GaN層/InAlGaN層/第一AlGaN層/AlN成核層/襯底的構(gòu)造的多層外延層。例如，在用作襯底1的SiC的C面上，在低溫生長條件下形成膜厚度為200nm的未摻雜AlN層。由此低溫生長的未摻雜AlN膜構(gòu)成的AlN成核層2本身起著絕緣成核層的功能。隨后，在AlN成核層2上，在正常的高溫生長條件下，相繼外延生長膜厚度為1μm(1000nm)的未摻雜AlGaN緩沖層3、膜厚度為3nm的未摻雜InAlGaN溝道背面勢壘層10、膜厚度為10nm的未摻雜GaN溝道層4和膜厚度為45nm的未摻雜AlGaN電子供應(yīng)層5，這是構(gòu)造。

同樣在此第三示例性實施方案中，選擇未摻雜AlGaN緩沖層3使得AlxGa1-xN的Al組分x(z)可以從與AlN成核層2的界面到與未摻雜GaN溝道層4的界面單調(diào)降低，即向膜厚度方向(z-軸方向)上單調(diào)降低。在第三示例性實施方案中，分別地，在與InAlGaN溝道背面勢壘層10的界面(z＝1μm)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝1μm)≡xt為xt＝0.05，并且在與AlN成核層2的界面(z＝0)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝0μm)≡xb為xb＝0.30。此外，在未摻雜AlGaN電子供應(yīng)層5中，將Al組分x設(shè)置成恒定并且選擇x＝0.2的Al0.2Ga0.8N。

另一方面，為了在未摻雜GaN溝道層4和未摻雜AlGaN緩沖層3之間形成勢壘，選擇未摻雜InAlGaN溝道背面勢壘層10，使得InAlGaN和GaN之間的導(dǎo)帶邊緣能量差；ΔEC(InAlGaN/GaN)和AlGaN緩沖層3最上表面?zhèn)鹊腁lxGa1-xN(x＝xt)即Al0.05Ga0.95N和InAlGaN的導(dǎo)帶邊緣能量差；ΔEC(InAlGaN/Al0.05Ga0.95N)可以至少滿足ΔEC(InAlGaN/GaN)>ΔEC(InAlGaN/Al0.05Ga0.95N)>0。在這樣的情況下，在Al0.05Ga0.95N和GaN之間的導(dǎo)帶邊緣能量差；ΔEC(Al0.05Ga0.95N/GaN)的基礎(chǔ)上，由于進行選擇以至少滿足ΔEC(InAlGaN/GaN)>ΔEC(Al0.05Ga0.95N/GaN)的關(guān)系，通過增加此InAlGaN溝道背面勢壘層10，改善了對從未摻雜GaN溝道層4到未摻雜AlGaN緩沖層3的電子注入的抑制效果。

此外，理想的是選擇InAlGaN的組分，使得形成此InAlGaN溝道背面勢壘層10的InAlGaN的晶格常數(shù)a(InAlGaN)相對于GaN的晶格常數(shù)a(GaN)和Al0.05Ga0.95N的晶格常數(shù)a(Al0.05Ga0.95N)可以滿足a(GaN)≥a(InAlGaN)≥a(Al0.05Ga0.95N)的關(guān)系。

同樣在具有圖12中所示構(gòu)造的此示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET中，進行歐姆接觸的源極電極6和漏極電極7形成在未摻雜AlGaN電子供應(yīng)層5的表面上，并且在它們之間形成柵極電極8。此外，源極電極6和柵極電極8之間和柵極電極8和漏極電極7之間的AlGaN電子供應(yīng)層5的表面用SiN的介電膜9覆蓋，并且給予表面保護。此外，盡管圖1中未清楚地顯示，但是選擇柵極電極8的位置，使得柵極電極8和漏極電極7之間的間隔可以寬于源極電極6和柵極電極8之間的間隔。

具體地，預(yù)先形成覆蓋在源極電極6和漏極電極7之間的AlGaN電子供應(yīng)層5的表面的SiN膜，并且在此SiN膜中的預(yù)定位置形成用于形成柵極電極8的開口。蝕刻在開口中暴露的AlGaN電子供應(yīng)層5的表面，并且形成淺凹進部分。在此淺凹進部分中制備柵極電極8，并且采用具有凹型柵極的構(gòu)造。

將簡單地描述在圖12中所示的此示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET的制備方法。為了在完成一系列外延生長之后實現(xiàn)FET之間的器件間分離，使用掩模蝕刻方法圍繞每個器件進行達到GaN溝道層4的臺面蝕刻。即，在此區(qū)域中，進行未摻雜AlGaN電子供應(yīng)層5的蝕刻去除，并且形成器件間分離臺面。隨后，例如，蒸鍍金屬如Ti/Au，并且使用具有與在AlGaN電子供應(yīng)層5的表面上安置的源極電極6和漏極電極7匹配形狀的光致抗蝕劑掩模，使用升高法進行成為預(yù)定形狀的圖案化。通過進行金屬層如Ti/Au(厚度為10nm至200nm)的退火處理而呈現(xiàn)歐姆接觸，所述金屬層在惰性氣體流中，于800℃進行1至3分鐘的圖案化處理，成為這些預(yù)定形狀。

接著，例如，通過采用氣相沉積方法如等離子體CVD方法，形成膜厚度為80nm的SiN膜，使得可以覆蓋整個表面。使用抗蝕刻掩模，進行選擇性蝕刻，并且在覆蓋源極電極6和漏極電極7之間的AlGaN電子供應(yīng)層5的表面的SiN膜上，在預(yù)定位置形成用于形成柵極電極8的開口。此外，在形成用于形成上述開口的抗蝕刻掩模時，為了實現(xiàn)0.15μm的目標(biāo)寬度，采用電子束光刻法。

稍微蝕刻在開口中暴露的AlGaN電子供應(yīng)層5的表面，形成淺凹進部分。此外，在此示例性實施方案中，選擇此凹進深度d為25nm。因此，直接在凹進部分的下面，AlGaN電子供應(yīng)層5的厚度在蝕刻后成為20nm。

隨后，在上述開口下面并且使用抗蝕刻掩模進行凹進形成的AlGaN電子供應(yīng)層5的表面上，蒸鍍并且升起柵極金屬如Ni/Au(厚度為10nm至200nm)，并且進行成為預(yù)定形狀的圖案化。在這樣的情況下，使用圖案化的柵極電極9作為柵極電極，其具有T-型剖面形狀，并且其一部分覆蓋鄰近開口(凹進部分)的SiN膜表面。對于開口(凹進部分)，此T-型頂面形狀排列和大小的尺寸精確度為10nm，并且將電子束光刻法用于升起用抗蝕刻掩模的曝光。

在柵極電極8的形成完成時，在源極電極6和柵極電極8之間和在柵極電極8和漏極電極7之間的AlGaN電子供應(yīng)層5的表面成為被SiN膜覆蓋的狀態(tài)，并且將此殘余SiN膜原樣用作介電膜9。

制備的AlGaN/GaN型HJFET成為使用在AlGaN電子供應(yīng)層5和GaN溝道層4之間的界面產(chǎn)生的二維電子氣的所謂HEMT型FET。其柵極長度Lg等價于在上述開口下面的凹進部分的寬度中的0.15μm。柵極長度Lg相對于有源層厚度(柵極到溝道的距離)a的縱橫比Lg/a變成Lg/a≈150/30＝5，因為有源層厚度a等價于直接在凹進部分下面并且在蝕刻后保留的AlGaN電子供應(yīng)層5的厚度和所述溝道層的厚度之和，即，30nm。

另一方面，對于形成進行“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層3的AlxGa1-xN(0.30≥x≥0.05)，在暫時性制備具有相應(yīng)均勻Al組分的未摻雜AlxGa1-xN層時，殘余載流子是電子，并且殘余載流子濃度n取決于生長條件和Al組分，并且通常離散成約1014至1015個載流子cm-3的程度。另一方面，在此第三示例性實施方案中，進行設(shè)置，使得形成未摻雜AlGaN層3的AlxGa1-xN的Al組分x(z)從與AlN成核層2的界面(z＝0)到與GaN溝道背面勢壘層10的界面(z＝1μm)線性降低。即，整個AlGaN緩沖層3的膜厚度t緩沖為1μm，并且Al組分x(z)表示如下，作為深度方向(Z軸向)上的厚度(z/μm)的函數(shù)。

x(z)＝xt·z+xb·(1-z) ＝0.05z+0.30(1-z) 在上述多層外延膜的構(gòu)造中，在進行此線性“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3中產(chǎn)生的極化電荷密度；σ(P)/e cm-3(其中，e表示電子的電荷(單位電荷))是負(fù)極化電荷，其中在參考圖8中所示的估計結(jié)果時，σ(P)/e≈1.1×1017cm-3這樣的程度。即，在進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3中感生的負(fù)極化電荷的密度σ(P)/e≈1.1 x 1017cm-3超過了約1014至1015cm-3的估計殘余載流子濃度n。因此，此感生負(fù)極化電荷可以完全補償對應(yīng)于上述殘余載流子(電子)密度n并且由未摻雜AlGaN緩沖層3中存在的電離雜質(zhì)水平(或有意摻雜的具有相對低濃度的施主能級)得到的正空間電荷。因而，它成為這樣的狀態(tài)通過在進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3的殘余負(fù)極化電荷，存在約1016cm-3的負(fù)空間電荷。有效地，進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3起著等價于其中存在約1016cm-3的負(fù)空間電荷的p-層的功能。

圖13示意性地圖示了直接在上述AlGaN/GaN型HJFET的柵極電極9下面的所述多層外延膜的能帶圖。由于進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3起著等價于其中有效地存在約1016cm-3的負(fù)空間電荷的p-層的功能，此區(qū)域的導(dǎo)帶邊緣的能量位置在保持凸起形狀的情況下從與AlN成核層2的界面(z＝0)到與InAlGaN溝道背面勢壘層10界面(z＝1μm)降低。此外，在未摻雜AlGaN緩沖層3和GaN溝道層4之間存在具有非常薄的膜厚度的InAlGaN溝道背面勢壘層10，并且對于從GaN溝道層4到未摻雜AlGaN緩沖層3的電子注入，形成了對應(yīng)于InAlGaN和GaN之間的導(dǎo)帶邊緣能量差；ΔEC(InAlGaN/GaN)的勢壘(梯級)。在上述第二示例性實施方案中，反對從GaN溝道層4到未摻雜AlGaN緩沖層3的是等價于Al0.05Ga0.95N和GaN之間的導(dǎo)帶邊緣能量差；ΔEC(Al0.05Ga0.95N/GaN)的勢壘(梯級)，并且由于ΔEC(InAlGaN/GaN)>ΔEC(Al0.05Ga0.95N/GaN)成立，進一步抑制了越過InAlGaN溝道背面勢壘層10從GaN溝道層4到未摻雜AlGaN緩沖層3的電子注入。

在與第二示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET比較時，由在未摻雜AlGaN緩沖層3和GaN溝道層4之間存在的InAlGaN溝道背面勢壘層10形成的上述帶勢壘具有進一步提高限制到GaN溝道層4中的載流子(電子)限制效應(yīng)的功能，并且發(fā)揮增強得到的AlGaN/GaN型HJFET的夾斷特性的作用。此外，在具有圖11中所示構(gòu)造的AlGaN/GaN型HJFET中，有源層厚度(柵極到溝道的距離)a等介于直接在柵極電極8下面的AlGaN電子供應(yīng)層5的厚度和GaN溝道層4的厚度之和，并且在柵極長度Lg相對于有源層厚度(柵極到溝道的距離)a的縱橫比Lg/a通過縮短柵極長度Lg而變小時，容易引起短溝道效應(yīng)，但是在夾斷特性提高的情況下，也發(fā)揮出抑制此短溝道效應(yīng)的作用。

因此，在與使用進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜GaN緩沖層的第二示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET比較時，此示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET在夾斷特性的改善方面以及在抑制短溝道效應(yīng)的效果方面更優(yōu)異，并且在高電壓操作的情況下可以更加顯著地改善DC增益和RF增益。
此外至于通過利用進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層而產(chǎn)生的效果，此第三示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET和上述第二示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET基本上等價。因此，對于上述第二示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET已經(jīng)描述的構(gòu)造的各種可允許的更改可用到此第三示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET，并且其效果也等價。

因此，在上述的此示例性實施方案中，在使整個未摻雜AlGaN緩沖層3的膜厚度為1μm時，分別地，在與In AlGaN溝道背面勢壘層10的界面(z＝1μm)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝1μm)≡xt為xt＝0.05，并且在與AlN成核層2的界面(z＝0)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝0μm)≡xb為xb＝0.30，并且獲得在進行“Al組分調(diào)制”的此未摻雜AlGaN緩沖層3中感生的負(fù)極化電荷的密度σ(P)/e≈1.1×1017cm-3。在使進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3中感生的負(fù)極化電荷的密度σ(P)/e為至少1 x 1016cm-3以上時，進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3顯示出有效等價于p-層的功能。在參考圖8中所示的估計結(jié)果的情況下，在使整個未摻雜AlGaN緩沖層3的膜厚度為1μm時，在與InAlGaN溝道背面勢壘層10的界面(z＝1μm)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝1μm)≡xt為xt＝0.05，并且在與AlN成核層2的界面(z＝0)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝0μm)≡xb為xb≥0.10時，滿足上述條件。即，在使整個未摻雜AlGaN緩沖層3的膜厚度為1μm時，在與InAlGaN溝道背面勢壘層10的界面(z＝1μm)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝1μm)≡xt為xt＝0.05，并且在與AlN成核層2的界面(z＝0)處選擇AlxGa1-xN的Al組分x(z＝0μm)≡xb為xb＝0.1至0.2時，它成為發(fā)揮充分效果的狀態(tài)。

此外，在此示例性實施方案中，對于進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3，將其Al組分x(z)設(shè)置成從與AlN成核層2的界面(z＝0)到與InAlGaN溝道背面勢壘層10的界面(z＝1μm)線性降低，并且也使形成它的AlxGa1-xN本身的導(dǎo)帶邊緣的能量Ec也從與AlN成核層2的界面(z＝0)到與InAlGaN溝道背面勢壘層10的界面(z＝1μm)線性降低。另一方面，在未摻雜AlGaN緩沖層3中，在選擇Al組分x(z)的降低百分率

，使得

可以從與AlN成核層2的界面(z＝0)到與InAlGaN溝道背面勢壘層10的界面(z＝1μm)降低時，AlxGa1-xN本身的導(dǎo)帶邊緣的能量Ec(x)的降低率

從與AlN成核層2的界面(z＝0)到與InAlGaN溝道背面勢壘層10的界面(z＝1μm)降低。在這樣的情況下，由于將AlxGa1-xN本身的導(dǎo)帶邊緣的能量Ec(x)的降低率降低的效果也添加到極化電荷的作用，因此在與InAlGaN溝道背面勢壘層10的界面(z＝1μm)附近，未摻雜AlGaN緩沖層3的導(dǎo)帶邊緣的能量位置梯度變得更大。因此，進一步提高了抑制從GaN溝道層4到未摻雜AlGaN緩沖層3中的電子注入的效果。

此外，盡管此示例性實施方案使用進行“Al組分調(diào)制”的未摻雜AlGaN緩沖層3并且采用殘余載流子是電子的條件，但是在暫時改變外延生長方法或生長條件，并且選擇關(guān)于未摻雜AlGaN緩沖層3本身殘余載流子成為空穴的條件，未摻雜AlGaN緩沖層3本身成為p-層，因此，所述導(dǎo)帶邊緣的梯度顯示進一步凸起的形狀。備選地，在使用有意使受主低濃度摻雜的p-型AlGaN緩沖層代替未摻雜AlGaN緩沖層時，所述導(dǎo)帶邊緣的梯度顯示再進一步凸起的形狀。

此外，在未摻雜AlGaN緩沖層3和GaN溝道層4之間存在具有非常薄的膜厚度的InAlGaN溝道背面勢壘層10，并且在這兩個界面中，分別以薄膜形式產(chǎn)生由具有Al組分x＝0.05的AlxGa1-xN和InAlGaN的極化P的差值和由InAlGaN和GaN之間的極化P的差值得到的極化電荷。此外，在將在兩個接近界面中以薄膜形式產(chǎn)生的極化電荷加和時 {P(Al0.05Ga0.95N)-P(InAlGaN)}+{P(InAlGaN)-P(GaN)}＝{P(Al0.05Ga0.95N)-P(GaN)} 估計基本上在未摻雜AlGaN緩沖層3和GaN溝道層4之間的界面區(qū)，產(chǎn)生薄膜電荷密度最大為2×1012(/cm2)的負(fù)極化電荷。即，在上述第二示例性實施方案中，估計這是與在未摻雜AlGaN緩沖層3和GaN溝道層4之間的界面處產(chǎn)生薄膜電荷密度最大為2×1012(/cm2)的負(fù)極化電荷的情形基本上相同的狀態(tài)。

在這樣的程度，對界面附近的帶形狀和在GaN溝道層中貯存的溝道載流子密度的影響不是太大。這是因為由在正常AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)HJFET(Al組分為0.2等)中的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)感生的二維電子氣的載流子的薄膜電荷濃度為約1013(/cm2)，這大了約一個數(shù)量級。

此外，在此示例性實施方案中，選擇GaN溝道層4的膜厚度為10nm，并且在這樣未摻雜AlGaN緩沖層3和GaN溝道層4之間的界面(z＝1μm)處感生的負(fù)極化電荷降低在AlGaN電子供應(yīng)層5和GaN溝道層4之間的界面處產(chǎn)生的二維電子氣的總量的作用是有限的。

此外，同樣在此示例性實施方案的HEMT結(jié)構(gòu)中，類似于在上述第二示例性實施方案中描述的HEMT結(jié)構(gòu)，對于在GaN溝道層中積累的載流子(電子)不被耗盡的充分條件，即，對于HEMT應(yīng)用的“適宜條件”如下。

即，同樣在根據(jù)此示例性實施方案的場效應(yīng)晶體管中，在選擇使其以耗盡模式(常開狀態(tài))操作時，在襯底本身是不顯示極化效應(yīng)的材料并且將柵極電極和襯底都接地的狀態(tài)下，在半導(dǎo)體層區(qū)中存在的極化電荷成為這樣的狀態(tài)“負(fù)”極化電荷(Q1)通常分布在具有恒定組分的所述電子供應(yīng)層和表面上的柵極電極(金屬)之間的界面處，“正”極化電荷(Q2)通常分布在具有恒定組分的所述電子供應(yīng)層和所述溝道層之間的界面處，并且在電子供應(yīng)層的組分不恒定時，分別地，分布根據(jù)局部組分比率在所述電子供應(yīng)層中分布的“正”或“負(fù)”極化電荷(∑Q供者)，“負(fù)”極化電荷(Q3)分布在所述溝道層和通過InAlGaN溝道背面勢壘層接觸的“組分調(diào)制”的緩沖層之間的界面處，分布在“組分調(diào)制”的緩沖層的整個內(nèi)部區(qū)域上連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷(∑Q緩沖)，“負(fù)”極化電荷(Q4)分布在“組分調(diào)制”的緩沖層與AlN成核層的界面處，并且“正”極化電荷(Q5)分布在AlN成核層與襯底表面的界面處。

另一方面，所述電子供應(yīng)層本身被耗盡，并且由電離施主能級得到的“正”空間電荷(∑QSD1)存在于此電子供應(yīng)層內(nèi)部。此外，包括在“組分調(diào)制”的緩沖層中的淺施主能級也被電離，并且衍生自電離施主能級的“正”空間電荷(∑QSD2)也存在于“組分調(diào)制”的緩沖層的內(nèi)部。

此外，所述電子供應(yīng)層的表面覆蓋有柵極電極(金屬)和在柵極電極(金屬)的兩側(cè)中作為鈍化膜的介電膜。在許多情況下，在接觸柵極電極(金屬)的所述電子供應(yīng)層的表面和接觸所述鈍化膜的所述電子供應(yīng)層的表面中，相對深表面能級(深施主能級)存在，并且這些深表面能級(深施主能級)也被電離。結(jié)果，在接觸柵極電極(金屬)的所述電子供應(yīng)層的表面和接觸所述鈍化膜的所述電子供應(yīng)層的表面中，存在衍生自電離的深表面能級(深施主能級)的“正”表面電荷(QSS)。

電中性條件由以下滿足從這些電離的施主能級得到的并且固定不動的“正”空間電荷(或由電離的受主能級得到的“負(fù)”空間電荷)、在接觸柵極電極(金屬)的所述電子供應(yīng)層的表面和接觸所述鈍化膜的表面中定域的“正”表面電荷和在半導(dǎo)體層區(qū)中存在的極化電荷，以及在所述溝道層中積累的載流子(電子)。

通常，在所述電子供應(yīng)層和表面柵極電極(金屬)之間的界面處產(chǎn)生的“負(fù)”極化電荷(Q1)處于幾乎由在接觸柵極電極(金屬)的所述電子供應(yīng)層的表面(和接觸所述鈍化膜的所述電子供應(yīng)層的表面)中定域的“正”表面電荷(QSS)補償?shù)臓顟B(tài)。即，它成為Q1≈QSS。

此外，考慮到衍生自在“組分調(diào)制”的緩沖層中存在的電離施主能級的“正”空間電荷(∑QSD2)很少，在所述溝道層和通過InAlGaN溝道背層接觸的“組分調(diào)制”的緩沖層之間的界面處產(chǎn)生的“負(fù)”極化電荷(Q3’)，在“組分調(diào)制”的緩沖層的整個內(nèi)部區(qū)域上連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷(∑Q緩沖)和在“組分調(diào)制”的緩沖層和AlN成核層之間的界面處產(chǎn)生的“負(fù)”極化電荷(Q4)變成幾乎由在AlN成核層側(cè)中的界面處產(chǎn)生的“正”極化電荷(Q5)補償?shù)臓顟B(tài)。即，(Q5+∑QSD2)＝(Q3’+∑Q緩沖+Q4)。

此外，在所述溝道層中積累的載流子(電子)的總量(∑QC)近似地等于在所述電子供應(yīng)層和溝道層之間的界面處產(chǎn)生的“正”極化電荷(Q2)和由在所述電子供應(yīng)層內(nèi)部的電離施主能級得到“正”空間電荷(∑QSD1)(或由電離的受主能級得到的“負(fù)”空間電荷)的算術(shù)和(Q2+∑QSD1)。即，(∑QC)＝(Q2+∑QSD1)成立。

整個電中性條件變成(Q5+∑QSD2)+(Q2+∑QSD1)＝(Q3’+∑Q緩沖+Q4)+(∑QC)。例如，在所述緩沖層下面的層(AlN成核層側(cè)中的界面)中產(chǎn)生的正極化電荷(Q5)由電子如由于一些原因而注入的熱載流子補償并且Q5減少以保持上述電中性條件時，在所述溝道層中積累的載流子(電子)的總量(∑QC)減少。暫時地，在Q5完全消失時，在所述溝道層中積累的載流子(電子)的總量(∑QC)變?yōu)?∑QC)＝(∑QSD2)+(Q2+∑QSD1)-(Q3’+∑Q緩沖+Q4)。在這樣的情況下，考慮到衍生自在“組分調(diào)制”的緩沖層中存在的電離施主能級的“正”空間電荷(∑QSD2)很少，在所述溝道層中積累的載流子(電子)的總量(∑QC)大體上降低至(∑QC)≈(Q2+∑QSD1)-(Q3’+∑Q緩沖+Q4)的水平。在此階段中不耗盡所述溝道層中的積累的載流子(電子)的總量(∑QC)的充分條件表示為(Q2+∑QSD1)>(Q3’+∑Q緩沖+Q4)。即，作為一般條件，在所述電子供應(yīng)層產(chǎn)生的“正”電荷的總和(Q2+∑QSD1)大于在“組分調(diào)制”的緩沖層內(nèi)部和在與所述溝道層界面處產(chǎn)生的“負(fù)”電荷的總和(Q3’+∑Q緩沖+Q4)成為充分條件。

因此，在第二AlGaN層(AlGaN電子供應(yīng)層)/GaN層(GaN溝道層)/InAlGaN層/第一AlGaN層(“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層)/AlN成核層/襯底的構(gòu)造中，理想的是，使至少在所述第一AlGaN層(“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層)中連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷的總和小于在AlGaN電子供應(yīng)層和GaN溝道層之間的界面處的“正”極化電荷的總和。由于在所述第一AlGaN層(“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層)中連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷取決于“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層中的Al組分x(z)的變化率

所以不理想的是過分地放大它。如上所述，Al組分x(z)的變化率

在滿足的范圍內(nèi)是充分的，并且不理想的是過分放大它。通常，優(yōu)選Al組分x(z)的變化率

在范圍內(nèi)選擇。

在選擇上述Al組分變化率時，“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層由于在其中連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷而成為p-樣狀態(tài)，并且由于在“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層和GaN溝道層之間安置InAlGaN溝道勢壘層，即使將在與此InAlGaN的界面處的“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的Al組分xt設(shè)置成xt＝0，也可以有效地抑制從所述溝道層到所述緩沖層的電子注入，此外，優(yōu)選使在此界面處的“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的Al組分xt為至少0.02以上，并且更優(yōu)選通常為0.05。例如，在使“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的膜厚度t緩沖為1μm的情況下，在將“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的最上表面的Al組分xt設(shè)置在xt＝0.05并且Al組分x(z)的變化率

在的范圍內(nèi)選擇時，“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的最下表面的Al組分xb在0.35≥xb≥0.10的范圍內(nèi)選擇。

另一方面，在通常由具有恒定Al組分的AlGaN形成AlGaN電子供應(yīng)層時，至于Al組分，為了提供對于在AlGaN電子供應(yīng)層和GaN溝道層之間的界面處積累載流子(電子)所必需的帶勢壘，優(yōu)選此AlGaN電子供應(yīng)層的Al組分xs至少在0.15以上的范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選在050≥xs≥0.20的范圍內(nèi)。

暫時地，即使在使“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的膜厚度t緩沖為1μm并且將“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的最上表面的Al組分xt設(shè)置在xt＝0.00的情況下，在Al組分x(z)的變化率

在的范圍內(nèi)選擇時，“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的Al組分x(z)的平均值x(z)av.成為x(z)av.≈1/2-(xt+xb)，因此成為在0.175≥x(z)av.≥0.05的范圍內(nèi)。此外，在使“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的膜厚度t緩沖為1μm并且將“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的最上表面的Al組分xt設(shè)置在xt＝0.05以上，并且Al組分x(z)的變化率

在的范圍內(nèi)選擇時，“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的Al組分x(z)的平均值x(z)av.成為x(z)av.≈1/2-(xt+xb)，因此成為在0.20≥x(z)av.≥0.075的范圍內(nèi)。因此，在上述條件下，在比較AlGaN電子供應(yīng)層的Al組分xs的平均值xsav.與“Al組分調(diào)制”的AlGaN緩沖層的Al組分x(z)的平均值x(z)av.時，優(yōu)選將其設(shè)置為xsav.≥x(z)av.。

上述AlGaN/GaN型HJFET具有在形成進行＂Al組分調(diào)制＂的未摻雜AlGaN層3的AlxGa1-xN中，Al組分x(z)從與AlN成核層2的界面(z＝0)到與InAlGaN溝道-背面勢壘層10的界面(z＝1μm)連續(xù)降低的構(gòu)造。利用此Al組分梯度x(z)，AlxGa1-xN(x(z))的極化P形成連續(xù)變化的情形，它是感生極化電荷密度的多層外延膜結(jié)構(gòu)。

在選擇Al組分x(z)以窄厚度梯級δz而階梯式降低的構(gòu)造代替其組分連續(xù)變化的上述AlxGa1-xN時，這成為極化電荷σ(P)＝{P(x(z))-P(x(z+δz))}在每個厚度梯級δz形成的界面處以薄膜形式出現(xiàn)的狀態(tài)，并且在厚度梯級δz足夠小時，它成為基本上在與上述微分符號中的值的差內(nèi)。

類似于上述GaN溝道層/“Al組分調(diào)制”的InAlGaN溝道背面勢壘層的類型，同樣在InyGa1-yN溝道層/InAlGaN溝道背面勢壘層/Iny(AlxGa1-x)1-yN緩沖層的普遍類型中，在使In組分y恒定并且進行將Al組分(x(1-y))從襯底側(cè)到與所述溝道層的界面降低的＂Al組分調(diào)制＂時，可以產(chǎn)生在Iny(AlxGa1-x)1-yN緩沖層連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷。在這樣的情況下，在Al組分(x(1-y))的變化率在對應(yīng)于上述實施方案的范圍內(nèi)選擇時，可以補償由產(chǎn)生的“負(fù)”極化電荷在Iny(AlxGa1-x)1-yN緩沖層中存在的n型殘余載流子。

此外，在GaN溝道層/InAlGaN溝道背面勢壘層/Alx(InyGa1-y)1-xN緩沖層的類型中，在使Al組分x恒定并且進行將In組分(1-x)y)從襯底側(cè)到與所述溝道層的界面增加的“In組分調(diào)制”時，可以產(chǎn)生在Alx(InyGa1-y)1-xN緩沖層連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷。例如，在將Al組分x固定在×＝0.3，并且使整個未摻雜Alx(InyGa1-y)1-xN緩沖層的膜厚度為1μm時，通過在與所述成核層的界面(z＝0)處使In組分[(1-x)y](z＝0μm)為[(1-x)y]＝0并且在與GaN溝道層的界面(z＝1μm)處使In組分[(1-x)y](z＝1μm)為[(1-x)y]＝0.066而使用In組分線性增加的“In組分調(diào)制”。在這樣的情況下，x)y的晶格常數(shù)幾乎與GaN的晶格常數(shù)一致，并且產(chǎn)生在“In組分調(diào)制”的Alx(InyGa1-y)1-xN緩沖層中以7.18×1016(cm-3)的電荷密度連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷。因此，可以補償在“In組分調(diào)制”的Alx(InyGa1-y)1-xN緩沖層中約1015cm-3的估計殘余載流子濃度n。

此外，在InycGa1-ycN溝道層/InAlGaN溝道背面勢壘層/Inybuf(AlxbufGa1-xbuf)1-ybufN緩沖層的類型中，還可以通過如下方法產(chǎn)生在使用＂(Al組分和In組分)調(diào)制＂的所述緩沖層中連續(xù)分布的“負(fù)”極化電荷同時改變所述緩沖層的In組分ybuf和Al組分[xbuf(1-ybuf)]，并且從襯底側(cè)到與所述InAlGaN溝道背面勢壘層的界面逐漸降低Al組分[xbuf(1-ybuf)]并且逐漸增加In組分。即，通過進行＂(Al組分和In組分)調(diào)制＂使得Inybuf(AlxbufGa1-xbuf)1-ybufN四元體系混合晶體的晶格常數(shù)a(Inybuf(AlxbufGa1-xbuf)1-ybufN)可以從襯底到與InAlGaN溝道背面勢壘層的界面逐漸增加，可以在所述緩沖層中補償估計約1015cm-3的殘余載流子濃度n，并且另一方面，導(dǎo)帶邊緣能量EC可以逐漸降低，并且產(chǎn)生衍生自自發(fā)極化和壓電極化變化的“負(fù)”極化電荷。當(dāng)然，在與InAlGaN溝道背面勢壘層的界面處，使Inybuf(AlxbufGa1-xbuf)1-ybufN四元體系混合晶體的晶格常數(shù)a(Inybuf(AlxbufGa1-xbuf)1-ybufN)幾乎等于或非常輕微地小于所述溝道層的混合晶體InycGa1-ycN的InycGa1-ycN三元體系的晶格常數(shù)a。此外，在與InAlGaN溝道背面勢壘層的界面處，可以使Inybuf(AlxbufGa1-xbuf)1-ybufN四元體系混合晶體的EC(Inybuf(AlxbufGa1-xbuf)1-ybufN)等于所述溝道層的混合晶體InycGa1-ycN的InycGa1-ycN三元體系的EC，或優(yōu)選地，使兩者之間的導(dǎo)帶邊緣的能量不連續(xù)ΔEC至少大于ΔEC＝200meV，并且形成對應(yīng)于此值的勢壘(梯級)。

此外，同樣在選擇其中安置此示例性實施方案中所述的InAlGaN溝道背面勢壘層的AlGaN電子供應(yīng)層/InyGa1-yN溝道層/InAlGaN溝道背面勢壘層/緩沖層/AlN成核層/襯底(其中，1>y≥0)的構(gòu)造中，至于AlGaN電子供應(yīng)層/InyGa1-yN溝道層，完全可以以類似的方式應(yīng)用在選擇其中采用上面所述的“Al組分調(diào)制”的AlGaN層(緩沖層)的AlGaN電子供應(yīng)層/GaN溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底的構(gòu)造時使用的＂各種條件＂。

(示例性實施方案4) 在此第四示例性實施方案中，代替Al組分x(z)以上述窄厚度梯級δz階梯式降低的構(gòu)造，使用具有膜厚度周期Lp(＝δz+δB)的周期性電位結(jié)構(gòu)，其進行＂Al組分調(diào)制＂，即具有非常薄的膜厚度的厚度δz的AlxGa1-xN和具有非常薄的膜厚度的厚度δB的InAlGaN勢壘層交替層疊，并且AlxGa1-xN的Al組分作為整體單調(diào)降低。

圖14示意性地圖示了直接在根據(jù)第四示例性實施方案的AlGaN/GaN型HJFET的柵極電極9下面的多層外延膜的能帶圖。在第二AlGaN層/GaN層/InAlGaN層(InAlGaN溝道背面勢壘層)/“Al組分調(diào)制”的緩沖層/AlN成核層/襯底的構(gòu)造中，所述多層外延膜采用此AlxGa1-xN層和InAlGaN勢壘層交替層疊為“Al組分調(diào)制”的緩沖層的結(jié)構(gòu)。

在此AlxGa1-xN層和InAlGaN勢壘層交替層疊的結(jié)構(gòu)中，在使相應(yīng)層的厚度Δz和ΔB小于電子的德布羅意波長λ＝h/p(其中，h普朗克常數(shù)和p電子的動量)時，上述周期性電位結(jié)構(gòu)成為一個類似于所謂超結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。即，由于在每個AlxGa1-xN層之間安置的InAlGaN勢壘層薄于電子的德布羅意波長λ(約10nm)，電子的波函數(shù)在相鄰的AlxGa1-xN層之間彼此重疊，結(jié)果，成為在整個層疊結(jié)構(gòu)中存在統(tǒng)一電子狀態(tài)的形式。

在例如將非常薄的膜厚度的InAlGaN層用作此勢壘層時，如上所述，在非常薄的膜厚度的InAlGaN和AlxGa1-xN層之間的界面，即兩個界面處，感生薄膜狀極化電荷，但是在將兩個加和時，極化電荷處于以對應(yīng)于下式的狀態(tài)中的薄膜中 σ(P)＝{P(x(z))-P(InAlGaN)}+{P(InAlGaN)-P(x(z+δz))}＝{P(x(z))-P(x(z+δz))} 在這樣的情況下，有效的極化電荷密度成為σ(P)/δz＝{P(x(z))-P(x(z+δz))}/δz＝-{P(x(z+δz))-P(x(z))}/δx(z)·δx(z)/δz，并且在厚度梯級Δz足夠小時，成為基本上在與上述微分符號中的值的差內(nèi)。

即，作為將其形成為未摻雜AlGaN緩沖層3的AlxGa1-xN，代替Al組分x(z)連續(xù)降低的形式，例如類似AlxGa1-xN/InAlGaN，還可以使用周期性電位結(jié)構(gòu)，其中在InAlGaN和AlxGa1-xN的兩個界面之間的導(dǎo)帶邊緣能量差值；ΔEC(InAlGaN/AlxGa1-xN)成為ΔEC(InAlGaN/AlxGa1-xN)>0，并且其具有電位勢壘。在這樣的情況下，認(rèn)為周期性電位結(jié)構(gòu)的周期的間隔Lp(＝δz+δB)是充分薄的膜厚度。

在采用此周期性電位結(jié)構(gòu)時，在可以與AlxGa1-xN層相互外延生長的InAlGaN中，理想的是選擇與AlxGa1-xN層組合的所述勢壘層的材料(M勢壘)，使得InAlGaN和AlxGa1-xN的兩個界面之間的導(dǎo)帶邊緣能量差值；ΔEC(InAlGaN/AlxGa1-xN)可以成為ΔEC(InAlGaN/AlxGa1-xN)>0，并且此外，InAlGaN的晶格常數(shù)a(InAlGaN)和InAlGaN的晶格常數(shù)a(InAlGaN)與AlxGa1-xN層的晶格常數(shù)a(AlGaN(x(z)))和a(AlGaN(x(z+δz)))，可以成為a(AlGaN(x(z+δz)))>a(InAlGaN)>a(AlGaN(x(z)))。即，理想的是，使得由在AlxGa1-xN層的Al組分x(z)的變化的情況下的晶格常數(shù)的增加引起的應(yīng)變與Al組分x(z)連續(xù)降低的形式基本上沒有差別。

在采用形成此周期性電位結(jié)構(gòu)(或超結(jié)構(gòu))的緩沖結(jié)構(gòu)時，許多勢壘層對于從GaN溝道層4到所述緩沖層的電子注入起著勢壘的作用，并且獲得更高的抑制效果。此外，由于由許多勢壘層導(dǎo)致的強載流子固定效果，可以期望極高的緩沖層擊穿電壓。

此外，同樣在選擇采用在此示例性實施方案中描述的交替層疊AlxGa1-xN層和InAlGaN溝道背面勢壘層作為“Al組分調(diào)制”的緩沖層的結(jié)構(gòu)的AlGaN電子供應(yīng)層/InyGal-y N溝道層/InAlGaN溝道背面勢壘層/緩沖層/AlN成核層/襯底(其中，1>y≥0)的構(gòu)造中，至于AlGaN電子供應(yīng)層/InyGa1-yN溝道層，完全可以以類似的方式應(yīng)用在選擇其中采用在上述第一示例性實施方案中描述的“Al組分調(diào)制”的AlGaN層(緩沖層)的AlGaN電子供應(yīng)層/GaN溝道層/緩沖層/AlN成核層/襯底的構(gòu)造時使用的“各種條件”。
工業(yè)適用性
根據(jù)本發(fā)明的多層外延膜和場效應(yīng)晶體管的構(gòu)造能夠抑制在應(yīng)用到需要良好的高頻性能、可在高電壓下操作的高頻FET如用于毫米波段或亞毫米波段的GaN型FET時，由于短柵極效應(yīng)導(dǎo)致的器件性能降低。
權(quán)利要求
1.一種外延生長在襯底上的多層外延膜，其可用于制造場效應(yīng)晶體管，其特征在于
所述多層外延膜由顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金形成，并且包含層狀結(jié)構(gòu)，其中在緩沖層上形成由電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)；
所述緩沖層包含由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的區(qū)域，所述半導(dǎo)體材料的組分沿從襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)變化，其中選擇所述半導(dǎo)體材料的組分，使得在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量單調(diào)降低；
選擇在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的組分，使得在所述區(qū)域和所述溝道層之間的界面處，與構(gòu)成所述溝道層的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量相比，在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量更高；并且
在所述區(qū)域中的導(dǎo)帶邊緣的能量顯示沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向，向電子能量更高的一側(cè)凸起的形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層外延膜，其中
所述多層外延膜由第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金形成，
所述溝道層由GaN，InGaN，或(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)形成，
所述電子供應(yīng)層由AlGaN，InAlN，或InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)形成，
所述緩沖層由AlGaN，InAlN，或InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)形成，并且
設(shè)置在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的組分變化，使得沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向，Al組分是單調(diào)降低的，或In組分是單調(diào)增加的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多層外延膜，其中
所述多層外延膜包含在所述溝道層和所述緩沖層之間的勢壘層，其中所述勢壘層由InAlGaN，或(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)形成，并且
形成所述勢壘層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成與所述勢壘層接觸的所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，并且高于形成在所述緩沖層和所述勢壘層之間的界面處的所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項所述的多層外延膜，其中
將在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的組分變化形成為所述的組分連續(xù)變化或階梯式變化這樣的形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項所述的多層外延膜，其中
在所述電子供應(yīng)層中產(chǎn)生的正空間電荷的總量等于或大于在所述緩沖層中和在所述緩沖層和所述溝道層之間的界面處產(chǎn)生的負(fù)空間電荷的總量。
6.一種場效應(yīng)晶體管，其是使用外延生長在襯底上的多層外延膜制造的，其特征在于
所述多層外延膜由顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金形成，并且包含層狀結(jié)構(gòu)，其中在緩沖層上形成由電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)；
所述緩沖層包含由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的區(qū)域，所述半導(dǎo)體材料的組分沿從襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)變化，其中選擇所述半導(dǎo)體材料的組分，使得在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量單調(diào)降低；
選擇在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的組分，使得在所述區(qū)域和所述溝道層之間的界面處，與構(gòu)成所述溝道層的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量相比，在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量更高；并且
在所述區(qū)域中的導(dǎo)帶邊緣的能量顯示沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向，向電子能量更高的一側(cè)凸起的形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的場效應(yīng)晶體管，其中
在所述電子供應(yīng)層上安置柵極電極，并且定義為在所述柵極電極下的所述電子供應(yīng)層的膜厚度和所述溝道層的膜厚度之和的有源層厚度a相對于柵極長度Lg的縱橫比Lg/a滿足Lg/a≥5。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的場效應(yīng)晶體管，其中
所述多層外延膜由第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金形成，
所述溝道層由GaN，InGaN，或(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)形成，
所述電子供應(yīng)層由AlGaN，InAlN，或InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)形成，
所述緩沖層由AlGaN，InAlN，或InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)形成，并且
設(shè)置在所述區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的組分變化，使得沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向，Al組分是單調(diào)降低的，或In組分是單調(diào)增加的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的場效應(yīng)晶體管，其中
所述多層外延膜包含在所述溝道層和所述緩沖層之間的勢壘層，其中所述勢壘層由InAlGaN，或(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)形成，并且
形成所述勢壘層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成與所述勢壘層接觸的所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，并且高于形成在所述緩沖層和所述勢壘層之間的界面處的所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量。
10.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的多層外延膜，其中
所述緩沖層由AlxGa1-xN(其中，x為1≥x≥0)形成，并且Al組分x沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向是單調(diào)降低的，并且在范圍內(nèi)選擇在從所述襯底表面到所述溝道層的方向(Z方向)上的Al組分x的變化率
。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的場效應(yīng)晶體管，其中
所述緩沖層由AlxGa1-xN(其中，x為1≥x≥0)形成，并且Al組分x沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向是單調(diào)降低的，并且在范圍內(nèi)選擇在從所述襯底表面到所述溝道層的方向(Z方向)上的Al組分x的變化率
。
12.一種外延生長在襯底上的多層外延膜，其可用于制造場效應(yīng)晶體管，其特征在于
所述多層外延膜由顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金形成；
在所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金中顯示的所述自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)隨所述半導(dǎo)體材料的組分變化而在大小上連續(xù)地變化；
所述多層外延包含層狀結(jié)構(gòu)，其中在緩沖層上形成由電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，并且在所述電子供應(yīng)層/溝道層的異質(zhì)結(jié)界面處二維地積累電子；
所述緩沖層由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，所述半導(dǎo)體材料的組分從襯底表面沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)變化；
在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料中，設(shè)置所述組分變化，使得其連續(xù)變化，或以精細的膜厚度梯級階梯式變化；
在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料中，選擇其在所述緩沖層和所述溝道層之間界面處的組分，使得與形成所述溝道層的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量相比，具有所述組分的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量更高；
在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料中，選擇其沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向的組分變化，使得其組分單調(diào)變化的所述半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向是單調(diào)降低的；
作為沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向所選擇的組分變化的結(jié)果，通過將在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料中顯示的自發(fā)極化和壓電極化加和而得到的極化沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)變化，并且得到的極化變化引起負(fù)極化的電荷在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生；
作為所產(chǎn)生的負(fù)極化的電荷的結(jié)果，在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料中，這樣的區(qū)域的導(dǎo)帶邊緣的能量單調(diào)降低，同時顯示出沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向，向電子能量更高的一側(cè)凸起的形狀；并且
選擇所述溝道層的膜厚度，使其為在所述溝道層中二維積累的電子的德布羅意波長的5倍以下。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的多層外延膜，其中
用來形成所述多層外延膜、顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金是第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金；
在所述多層外延膜中，
至于由電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，
所述溝道層由GaN，InGaN，或以(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)表示的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且
所述電子供應(yīng)層由AlGaN，InAlN層，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，并且進行選擇使得形成所述電子供應(yīng)層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于在所述緩沖層和所述溝道層之間的界面處形成所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘；
所述緩沖層由AlGaN，InAlN，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且，在所述緩沖層和所述溝道層之間的界面處，選擇形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的組分，使得所述組分的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘；
在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中，其沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向的組分變化是由Al組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化和In組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)增加的組分變化中的任何一種提供的。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的多層外延膜，其中
用來形成所述多層外延膜、顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金是第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金；
所述多層外延膜包含層狀結(jié)構(gòu)，其中在所述緩沖層上形成由電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，其中勢壘層插入在所述緩沖層和異質(zhì)結(jié)之間，并且在所述電子供應(yīng)層/溝道層的異質(zhì)結(jié)界面處二維地積累電子；
在所述多層外延膜中，
至于由所述電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的所述異質(zhì)結(jié)，
所述溝道層由GaN，InGaN，或以(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)表示的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且
所述電子供應(yīng)層由AlGaN，InAlN層，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，并且進行選擇使得形成所述電子供應(yīng)層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于在所述緩沖層和所述溝道層之間的界面處形成所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘；
所述勢壘層插入在所述溝道層和緩沖層之間，并且由In AlGaN，或由(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0和1≥w≥0)表示的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且進行選擇使得形成所述勢壘層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成與所述勢壘層接觸的所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，并且在所述緩沖層和所述勢壘層之間的界面處，形成所述勢壘層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘；
所述緩沖層由AlGaN，InAlN，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且，在所述緩沖層和所述溝道層之間的界面處，選擇形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的組分，使得所述組分的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量；并且
在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中，其沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向的組分變化是由Al組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化和In組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)增加的組分變化中的任何一種提供的。
15.一種場效應(yīng)晶體管，其是使用外延生長在襯底上的多層外延膜制造的，其特征在于
所述多層外延膜由顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金形成；
在所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金中顯示的所述自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)隨所述半導(dǎo)體材料的組分變化而在大小上連續(xù)地變化；
所述多層外延包含層狀結(jié)構(gòu)，其中在緩沖層上形成由電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，并且由此在所述電子供應(yīng)層/溝道層的異質(zhì)結(jié)界面處二維地積累電子；
所述緩沖層由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，所述半導(dǎo)體材料的組分從襯底表面沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)變化；
在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料中，設(shè)置所述組分變化，使得其連續(xù)變化，或以精細的膜厚度梯級階梯式變化；
在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料中，選擇在所述緩沖層和所述溝道層之間界面處的組分，使得與形成所述溝道層的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量相比，具有所述組分的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量更高；
在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料中，選擇其沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向的組分變化，使得其組分單調(diào)變化的所述半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向是單調(diào)降低的；
作為沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向所選擇的組分變化的結(jié)果，通過將在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料中顯示的自發(fā)極化和壓電極化加和而得到的極化沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)變化，并且所述極化變化引起負(fù)極化的電荷在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生；
作為所產(chǎn)生的負(fù)極化的電荷的結(jié)果，在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述半導(dǎo)體材料中，這樣的區(qū)域的導(dǎo)帶邊緣的能量單調(diào)降低，同時顯示出沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向，向電子能量更高的一側(cè)凸起的形狀；
在所述電子供應(yīng)層上安置所述場效應(yīng)晶體管的柵極電極，并且定義為在所述柵極電極下的所述電子供應(yīng)層的膜厚度和所述溝道層的膜厚度之和的有源層厚度a相對于柵極長度Lg的縱橫比Lg/a滿足Lg/a≥5；并且
選擇所述溝道層的膜厚度，使其為在所述溝道層中二維積累的電子的德布羅意波長的5倍以下。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的場效應(yīng)晶體管，其中
用來形成所述多層外延膜并且顯示發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金是第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金；
在所述多層外延膜中，
至于由所述電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的所述異質(zhì)結(jié)，
所述溝道層由GaN，InGaN，或以(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)表示的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且
所述電子供應(yīng)層由AlGaN，InAlN層，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，并且進行選擇使得在與所述溝道層的界面處，形成所述電子供應(yīng)層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘；
所述緩沖層由AlGaN，InAlN，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且，在所述緩沖層和所述溝道層之間的界面處，選擇形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的組分，使得所述組分的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘；
在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中，其沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向的組分變化是由Al組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化和In組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)增加的組分變化中的任何一種提供的。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的場效應(yīng)晶體管，其中
用來形成所述多層外延膜、顯示自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的所述化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金是第III族氮化物型化合物半導(dǎo)體或其半導(dǎo)體合金；
所述多層外延膜包含層狀結(jié)構(gòu)，其中在所述緩沖層上形成由電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，其中勢壘層插入在所述緩沖層和異質(zhì)結(jié)之間，并且在所述電子供應(yīng)層/溝道層的異質(zhì)結(jié)界面處二維地積累電子；
在所述多層外延膜中，
至于由所述電子供應(yīng)層/溝道層構(gòu)成的所述異質(zhì)結(jié)，
所述溝道層由GaN，InGaN，或以(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0，并且1≥w≥0)表示的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且所述電子供應(yīng)層由AlGaN，InAlN層，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，并且進行選擇使得在與所述溝道層的界面處，形成所述電子供應(yīng)層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘；
所述勢壘層插入在所述溝道層和緩沖層之間，并且由In AlGaN，或由(InvAl1-v)wGa1-wN(其中，1≥v≥0和1≥w≥0)表示的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且進行選擇使得形成所述勢壘層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成與所述勢壘層接觸的所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，并且形成所述勢壘層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成在與所述勢壘層的界面處的所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量，從而形成異質(zhì)結(jié)，所述的異質(zhì)結(jié)具有由在所述界面處的導(dǎo)帶邊緣的能量差得到的能量勢壘；
所述緩沖層由AlGaN，InAlN，或表示為InyAlxGa1-x-yN(其中，x和y為0或正值，并且1≥x+y≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成，并且，在與所述勢壘層的界面處，選擇形成所述緩沖層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的組分，使得所述組分的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量高于形成所述溝道層的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶邊緣的能量；并且
在其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中，其沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向的組分變化是由Al組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化和In組分沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)增加的組分變化中的任何一種提供的。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的多層外延膜，其中
其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體材料由表示為AlxGa1-xN(其中，x為1≥x≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成；
在其組分單調(diào)變化的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中顯示的沿從所述襯底表面到所述溝道層方向的所述組分變化由Al組分x沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化提供，并且
在范圍內(nèi)選擇在從所述襯底表面到所述溝道層的方向(Z方向)上的Al組分x的變化率
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的多層外延膜，其中
其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體材料由表示為AlxGa1-xN(其中，x為1≥x≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成；
在其組分單調(diào)變化的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中顯示的沿從所述襯底表面到所述溝道層方向的所述組分變化由Al組分x沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化提供，并且
在范圍內(nèi)選擇在從所述襯底表面到所述溝道層的方向(Z方向)上的Al組分x的變化率
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的多層外延膜，其中
其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體材料由表示為AlxGa1-xN(其中，x為1≥x≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成；
在其組分單調(diào)變化的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中顯示的沿從所述襯底表面到所述溝道層方向的所述組分變化由Al組分x沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化提供，并且
在范圍內(nèi)選擇在從所述襯底表面到所述溝道層的方向(z方向)上的Al組分x的變化率
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的多層外延膜，其中
其組分單調(diào)變化、形成所述緩沖層的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體材料由表示為AlxGa1-xN(其中，x為1≥x≥0)的第III族氮化物型半導(dǎo)體材料形成；
在其組分單調(diào)變化的所述第III族氮化物型半導(dǎo)體材料中顯示的沿從所述襯底表面到所述溝道層方向的所述組分變化由Al組分x沿從所述襯底表面到所述溝道層的方向單調(diào)降低的組分變化提供，并且
在范圍內(nèi)選擇在從所述襯底表面到所述溝道層的方向(Z方向)上的Al組分x的變化率
全文摘要
本發(fā)明提供一種第III族氮化物型場效應(yīng)晶體管，該場效應(yīng)晶體管通過在緩沖層中傳導(dǎo)殘余載流子而降低漏電流分量，并且實現(xiàn)了擊穿電壓的提高，且提高了溝道的載流子限制效應(yīng)(載流子限制)以改善夾斷特性(以抑制短溝道效應(yīng))。例如，在將本發(fā)明應(yīng)用于GaN型場效應(yīng)晶體管時，除了溝道層的GaN外，還將鋁組分向頂部逐漸或階梯式降低的組分-調(diào)制的(組分-梯度)AlGaN層用作緩沖層(異質(zhì)緩沖)。對于將要制備的FET的柵極長度Lg，選擇電子供應(yīng)層和溝道層的層厚度之和a，以滿足Lg/a≥5，并且在這樣的情況下，在不超過在溝道層中室溫下積累的二維電子氣的德布羅意波長的5倍(約500)的范圍內(nèi)選擇溝道層的層厚度。
文檔編號H01L29/778GK101390201SQ20068005338
公開日2009年3月18日 申請日期2006年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月28日
發(fā)明者井上隆, 中山達峰, 安藤裕二, 村瀨康裕, 大田一樹, 宮本廣信, 山之口勝己, 黑田尚孝, 分島彰男, 岡本康宏 申請人:日本電氣株式會社