專利名稱：場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用了例如在民用設(shè)備的電源電路等中用到的功率晶體管所能適用的III族氮化物半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
以氮化鎵(GaN)為代表的化合物半導(dǎo)體、即III族氮化物半導(dǎo)體與硅(Si)或者砷化鎵(GaAs)等相比，帶隙、絕緣擊穿電場(chǎng)以及電子飽和漂移速度均大。另外，在由形成在以面方位的(0001)面(=C面)為主面的基板上的氮化鋁鎵(AlGaN)/氮化鎵(GaN)構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，因自發(fā)極化以及壓電極化會(huì)在異質(zhì)結(jié)界面產(chǎn)生二維電子氣(2-DimensionalElectron Gas 2DEG)，即便沒有摻雜雜質(zhì)，也可獲得I X IO13CnT2以上的薄層載流子濃度。將該高濃度的二維電子氣用作載流子的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor FET)近年來備受關(guān)注，從而提出了各種結(jié)構(gòu)。GaN系FET雖然能夠?qū)崿F(xiàn)損耗少的功率晶體管，但是由于元件面積較大，因此較之高價(jià)的藍(lán)寶石基板更期望在硅(Si)或者石墨(C)等廉價(jià)的導(dǎo)電性基板上成膜。然而，若在這些異種基板上使GaN系的氮化物半導(dǎo)體成膜，則因基板與氮化物半導(dǎo)體的晶格常數(shù)以及熱膨脹率的差異，容易產(chǎn)生氮化物半導(dǎo)體的膜厚越大則晶片越容易翹起或者在生長(zhǎng)后的半導(dǎo)體膜中出現(xiàn)裂縫這樣 的問題。為此，以盡可能薄的膜厚確保耐壓以及可靠性很重要。圖12表示現(xiàn)有技術(shù)中的具有AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)型晶體管的示意性剖面結(jié)構(gòu)(例如，參照專利文獻(xiàn)I。) O如圖12所示，現(xiàn)有技術(shù)中的采用了 III族氮化物半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有在基板11上依次形成的、低溫GaN緩沖層12、由GaN或者AlGaN構(gòu)成的高電阻緩沖層13、未摻雜GaN層14以及未摻雜AlGaN層15。在未摻雜AlGaN層15上形成有由Ti以及Al構(gòu)成的源電極16以及漏電極18。進(jìn)而，由N1、Pt以及Au構(gòu)成的柵電極17形成于未摻雜AlGaN層15上的源電極16與漏電極18之間的區(qū)域中。具有這種結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管將形成于未摻雜AlGaN層15與未摻雜GaN層14之間的界面處的二維電子氣用作載流子。如果在源電極16與漏電極18之間施加電壓，則溝道內(nèi)的電子從源電極16朝向漏電極18移動(dòng)。此時(shí)，控制施加給柵電極17的電壓，通過改變未摻雜AlGaN層15中的柵電極17正下方的耗盡層的厚度，從而能夠控制從源電極16向漏電極18移動(dòng)的電子、即漏極電流。已知在采用了 GaN系半導(dǎo)體的FET中，可觀測(cè)到被稱作電流崩塌的現(xiàn)象，故在器件工作時(shí)會(huì)成為問題。該現(xiàn)象是一旦在源極與漏極之間、源極與柵極之間或者漏極與基板之間等施加較強(qiáng)的電場(chǎng)，則之后源極與漏極之間的溝道電流減少的現(xiàn)象。在專利文獻(xiàn)I中，使導(dǎo)通狀態(tài)下的漏極與源極之間的電壓在OV IOV以及OV 30V內(nèi)進(jìn)行掃描，并將所獲得的電流值的比率定義為電流崩塌值。另外，還記載了如果將向高電阻緩沖層13添加的碳的濃度設(shè)為IO17CnT3以上且102°cm_3以下、或者將從二維電子氣層到高電阻緩沖層13的上表面為止的厚度(以下稱作溝道層)設(shè)為0.05 μ m以上，則電流崩塌成為在實(shí)用上不會(huì)成為問題的水平。另一方面，記載了如果將高電阻緩沖層13的碳濃度設(shè)為IO17CnT3以上、且溝道層的厚度設(shè)為Iym以下，則也能夠確保商用電源所需的耐壓400V以上。在先技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1:日本特開2007-251144號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn) I Kazuaki Kunihiro, Kensuke Kasahara, Yuji Takahashi, andYasuo Ohno, " Experimental Evaluation of Impact Ionization Coefficients inGaN"，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 20，NO. 12，p.609，1999.

發(fā)明內(nèi)容
(發(fā)明想要解決的問題)在上述的現(xiàn)有例中，利用基于導(dǎo)通狀態(tài)下的電壓掃描的測(cè)量來定義電流崩塌，并設(shè)定了溝道層的厚度的下限值等。然而，除了依賴于導(dǎo)通狀態(tài)下的電流的電流崩塌之外，在GaN系FET中還存在高電壓轉(zhuǎn)換(switching )時(shí)所產(chǎn)生的電流崩塌,耐壓越高則轉(zhuǎn)換時(shí)的電流崩塌越發(fā)增大。對(duì)于功率晶體管的用途而言，如逆變器那樣反復(fù)進(jìn)行導(dǎo)通截止?fàn)顟B(tài)來控制電力的情況較多。因此，在所使用的耐壓的范圍內(nèi)，如果不能充分地抑制從截止?fàn)顟B(tài)向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)所產(chǎn)生的電流崩塌，則會(huì)產(chǎn)生高電壓下的功率損耗的增大以及電特性中的再現(xiàn)性的劣化等問題。本發(fā)明鑒于上述問題而完成，其目的在于提供一種能夠有效地抑制由III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的高電壓轉(zhuǎn)換時(shí)的電流崩塌。(用于解決問題的手段)為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管具備具備基板；第一 III族氮化物半導(dǎo)體層，其形成在基板上；第二 III族氮化物半導(dǎo)體層，其形成在第一 III族氮化物半導(dǎo)體層上，且?guī)洞笥诘谝?III族氮化物半導(dǎo)體層；形成在第二 III族氮化物半導(dǎo)體層上的源電極及漏電極、以及形成在源電極與漏電極之間的柵電極；和場(chǎng)板，其在第二 III族氮化物半導(dǎo)體層上被設(shè)置為與柵電極或者源電極連接，且覆蓋柵電極中的漏電極側(cè)的端部，第一 III族氮化物半導(dǎo)體層至少在柵電極中的漏電極側(cè)的端部的下側(cè)區(qū)域，具有碳濃度低于IXlO17cnT3的低碳濃度區(qū)域，在將從基板的上表面到包括第一 III族氮化物半導(dǎo)體層以及第二 III族氮化物半導(dǎo)體層在內(nèi)的漏電極為止的III族氮化物半導(dǎo)體層的厚度設(shè)為dl ( μ m)、將低碳濃度區(qū)域的厚度設(shè)為d2 ( μ m)、將工作耐壓設(shè)為Vm(V)時(shí)，滿足Vm/(110 -dl)彡d2 < Vm/(110 -(11)+0. 5的關(guān)系，且在將緩和狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻設(shè)為Ron0、將從工作電壓Vm下的截止?fàn)顟B(tài)過渡至導(dǎo)通狀態(tài)的100 μ s后的導(dǎo)通電阻設(shè)為Rm時(shí)，作為電流崩塌值的指標(biāo)的Rm與Rmtl之比的值為RraZRmtl ( 3。根據(jù)本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在將第一 III族氮化物半導(dǎo)體層與第二 III族氮化物半導(dǎo)體層之間的界面及其附近作為溝道的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，在能避免晶片翹起或裂縫的臨界膜厚以下的膜厚下，即便在較高的工作電壓下，也能夠抑制轉(zhuǎn)換時(shí)的電流崩塌。在本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，第一 III族氮化物半導(dǎo)體層中的低碳濃度區(qū)域的厚度不均勻，在低碳濃度區(qū)域中，場(chǎng)板中的漏電極側(cè)的端部的下側(cè)部分的厚度最大。
由此，直到高電壓也能夠抑制電流崩塌的同時(shí)，能夠減少漏電流。在該情況下，也可以是在低碳濃度區(qū)域中，源電極側(cè)的下側(cè)部分的厚度最小。如此，能夠進(jìn)一步抑制漏電流。在本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，也可以在低碳濃度區(qū)域中，在從柵電極的柵極長(zhǎng)度方向的中央部的下側(cè)位于源電極側(cè)的區(qū)域中，形成有添加提高第一 III族氮化物半導(dǎo)體層的絕緣性的雜質(zhì)而構(gòu)成的高電阻區(qū)域。由此，根據(jù)高電阻區(qū)域能夠抑制電流泄漏。在該情況下，雜質(zhì)也可以是鐵、硼、鎂、鋅以及銣之中的至少一種。本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管也可以還具備形成在基板與第一 III族氮化物半導(dǎo)體層之間的至少一層緩沖層。由此，能夠良好地控制第一 III族氮化物半導(dǎo)體層中的結(jié)晶性。在該情況下，緩沖層也可以包括從基板側(cè)起依次形成的、分別由III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第一 緩沖層、第二緩沖層以及第三緩沖層。在該情況下，也可以在將第一緩沖層的帶隙設(shè)為Egl、第二緩沖層的帶隙設(shè)為Eg2、第三緩沖層的帶隙設(shè)為Eg3時(shí)，Egl > Eg2 > Eg3。另外，在該情況下，緩沖層的碳濃度也可為IO18CnT3以上。另外，在該情況下，緩沖層的碳濃度也可為IO19CnT3以上且IO21CnT3以下。由此，能夠確保場(chǎng)效應(yīng)晶體管的耐壓。(發(fā)明效果)根據(jù)本發(fā)明涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，能夠?qū)崿F(xiàn)可抑制高電壓下的轉(zhuǎn)換時(shí)的電流崩塌的聞耐壓的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。


圖1是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式涉及的由III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的示意性剖視圖。圖2是表示對(duì)本發(fā)明的一實(shí)施方式涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的轉(zhuǎn)換(switching)時(shí)的電流崩塌進(jìn)行評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)(測(cè)量電路)的結(jié)構(gòu)圖。圖3是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式涉及的驅(qū)動(dòng)電壓與電流崩塌之間的關(guān)系的特性圖。圖4(a)以及圖4(b)是對(duì)本發(fā)明的一實(shí)施方式涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電場(chǎng)強(qiáng)度分布進(jìn)行分析后的分布圖，圖4(a)是驅(qū)動(dòng)電壓為160V時(shí)的分布圖，圖4(b)是驅(qū)動(dòng)電壓為400V時(shí)的分布圖。圖5是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的場(chǎng)板(field plate)的端部的深度與電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系的分布圖。圖6是對(duì)本發(fā)明的一實(shí)施方式涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的轉(zhuǎn)換時(shí)的電流崩塌發(fā)生劣化的閾值電壓與膜厚之間的關(guān)系進(jìn)行調(diào)查后的散布圖。圖7是表示能對(duì)本發(fā)明的一實(shí)施方式涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的轉(zhuǎn)換時(shí)的電流崩塌進(jìn)行抑制的半導(dǎo)體層的厚度的范圍的特性圖。圖8是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式的第一變形例涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的示意性剖視圖。圖9 (a) 圖9 (c)是表示第一變形例涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法的主要部分的工序的剖視圖。圖10是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式的第二變形例涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的示意性剖視圖。圖11 (a) 圖11 (C)是表示第二變形例涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法的主要部分的工序的剖視圖。圖12是表示現(xiàn)有技術(shù)中的采用了 III族氮化物半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)型晶體管的示意性剖視圖。
具體實(shí)施例方式(一實(shí)施方式)參照?qǐng)D1 圖7，說明本發(fā)明的一實(shí)施方式涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。如圖1所示，本實(shí)施方式涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET100隔著在基板101的主面上依次形成的半絕緣性的第一緩沖層102a、第二緩沖層102b以及第三緩沖層102c而具有由第一 III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第一半導(dǎo)體層103、以及由帶隙大于第一 III族氮化物半導(dǎo)體的第二 III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第二半導(dǎo)體層104。在第二半導(dǎo)體層104上，彼此隔開間隔而形成源電極105以及漏電極107。在第二半導(dǎo)體層104上的源電極105與漏電極107之間的區(qū)域內(nèi)形成有柵電極106。此外，在此，在第二半導(dǎo)體層104與柵電極106之間設(shè)置P型GaN層110。這樣，通過在第二半導(dǎo)體層104與柵電極106之間設(shè)置P型GaN層110，從而閾值電壓向正側(cè)增大，F(xiàn)ET100成為常關(guān)(normally-off)型的晶體管。在此，將從基板101的上表面到包括各緩沖層102a 102c、第一半導(dǎo)體層103以及第二半導(dǎo)體層104在內(nèi)的漏電極107為止的半導(dǎo)體層的總膜厚設(shè)為dl ( μ m)，將作為低碳濃度層的第一半導(dǎo)體層103的厚度設(shè)為d2。從制造成本方面考慮，優(yōu)選基板101采用主面的面方位為(111)面且由硅構(gòu)成的基板。此外，基板101也能夠采用碳化硅(SiC)或者石墨(C)。為了緩和因基板101與第一半導(dǎo)體層103的晶格常數(shù)的差異而引起的應(yīng)力，由此控制第一半導(dǎo)體層103的結(jié)晶性，設(shè)置半絕緣性的各緩沖層102a、102b以及102c。例如，第一緩沖層102a可為氮化鋁(AlN)，第二緩沖層102b可為將Α1χ6&1_χΝ/Α1#&1ιΝ成對(duì)地層疊多個(gè)而成的超晶格結(jié)構(gòu)、或者多層AlGaN。另外，第三緩沖層102c可為GaN或者包含少量Al的AlGaN等。此外，各緩沖層102a、102b以及102c的材料雖然可以適用III族氮化物之中的AlxGai_xN(其中，O彡X彡I)，但是即便是氮化硼(BN)等其他材料，如果能適用于結(jié)晶性的控制，則也可以加以使用。其中，因?yàn)楦骶彌_層102a、102b以及102c必須為半絕緣性，所以若是AlxGai_xN，則需要利用碳(C)等雜質(zhì)進(jìn)行高電阻化。因此，各緩沖層102a、102b以及102c在添加碳的情況下，為了確保耐壓，優(yōu)選具有IO18CnT3以上，更優(yōu)選具有IO19CnT3以上且IO21CnT3以下的碳濃度。另外，在將第一緩沖層102a的帶隙設(shè)為Egl、第二緩沖層102b的帶隙設(shè)為Eg2、第三緩沖層的帶隙設(shè)為Eg3時(shí)，優(yōu)選滿足以下的(式I)的關(guān)系。Egl > Eg2 > Eg3…(式 I)
形成在第三緩沖層102c上的第一半導(dǎo)體層103由以GaN為主成分的III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，但是并不限于GaN，也可以是包含若干In或者Al的InAlGaN。另外，也可以是在Al組成小的AlGaN上層疊GaN、或者在GaN上層疊InGaN的層疊結(jié)構(gòu)。此外，為了減少電流崩塌，第一半導(dǎo)體層103是碳濃度為8X IO16CnT3以下的低碳濃度層。另外，在形成所謂的低碳濃度層的成膜條件下，生長(zhǎng)速率變得極慢的情況較多，因此第一半導(dǎo)體層103在能減少電流崩塌的條件下盡可能形成得較薄可提高生產(chǎn)率。第二半導(dǎo)體層104由帶隙大于第一半導(dǎo)體層103的AlGaN或者AlInGaN構(gòu)成，其厚度為25nm 60nm程度。在第二半導(dǎo)體層104上，設(shè)置通過化學(xué)氣相沉積(CVD)法等成膜的、由氮化硅(SiN)、二氧化硅(SiO2)或者氧化鉿(HfO2)等構(gòu)成的絕緣膜108。柵電極106例如由鉬(Pt)或者鈀(Pd)與金(Au)的層疊膜構(gòu)成，歐姆連接的源電極105與漏電極106例如能夠采用鈦(Ti)和鋁(Al)的層疊膜。在絕緣膜108中的柵電極106的上側(cè)部分,設(shè)置有露出該柵電極106的上表面的開口部。進(jìn)而，在絕緣膜108上形成有一端被填充于開口部且另一端延伸至漏電極107側(cè)的場(chǎng)板109。場(chǎng)板109能夠防止向柵電極106的端部施加較高的電場(chǎng)，具有減輕電流崩塌的效果。在本實(shí)施方式中，通過電場(chǎng)強(qiáng)度最容易變高且由金屬或者半導(dǎo)體形成的導(dǎo)電膜來構(gòu)成場(chǎng)板109，上述金屬或者半導(dǎo)體覆蓋柵電極106中的漏電極側(cè)的端部到柵電極106與漏電極107之間的中間部。此外，場(chǎng)板109也可如圖1那樣與柵電極106導(dǎo)通，另外也可與源電極105導(dǎo)通。

以下，說明這樣構(gòu)成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET100的制造方法的一例。如圖1所示，例如通過有機(jī)金屬氣相沉積(MOCVD)法，在主面的面方位為(111)面且由P型硅構(gòu)成的基板101的主面上，通過外延生長(zhǎng)，使第一緩沖層102a到第二半導(dǎo)體層104依次成膜。在此，III族原料采用三甲基鎵(TMG)、三乙基鎵(TAG)以及三甲基鋁(TMA)。V族原料(氮原料)采用氨(Mg，載流子氣體采用氫(H2)或者氮(N2)。第一緩沖層102a采用厚度約為200nm的A1N，第二緩沖層102b將層疊了厚度為5nm的Ala2Gaa8N和厚度為20nm的GaN的超晶格設(shè)為50對(duì)，將總膜厚設(shè)為1. 25 μ m。第三緩沖層102c采用厚度約為I μ m的GaN。將各緩沖層102a 102c的成膜溫度設(shè)為1100°C。根據(jù)二次離子質(zhì)譜儀(Secondary Ion Mass Spectroscopy :SIMS)的元素分析,各緩沖層102a 102c 的碳濃度為 I X IO18Cm 3 5 X IO19Cm 3。其次，在第三緩沖層102c上使由GaN構(gòu)成的第一半導(dǎo)體103成膜，接下來，在第一半導(dǎo)體103上使由厚度約為50nm的Ala2Gaa8N構(gòu)成的第二半導(dǎo)體層104成膜。關(guān)于第一半導(dǎo)體層103中的碳濃度，如果將成膜溫度、原料中的V族/III族比的值、以及壓力均設(shè)定得較高，則能夠降低各半導(dǎo)體層103、104中的碳濃度。其次，在第二半導(dǎo)體層104上使摻雜了鎂(Mg)的P型GaN層110成膜。然后，利用光刻法以及蝕刻法，對(duì)P型GaN層110進(jìn)行規(guī)定的圖案化。接著，在第二半導(dǎo)體層104中的P型GaN層110的兩側(cè)方的區(qū)域內(nèi)，利用電子束(EB)蒸鍍法以及公知的微細(xì)加工技術(shù)，形成由Ti/Al的層疊膜構(gòu)成的源電極105以及漏電極107。然后，利用EB蒸鍍法以及公知的微細(xì)加工技術(shù)，在P型GaN層110上形成由Pd/Au構(gòu)成的柵電極106。其中，源電極105、漏電極107和柵電極106的形成順序并沒有特別限定。接著，利用熱CVD法，在包括源電極105、漏電極107以及柵電極106的第二半導(dǎo)體層104上，使由厚度為IOOnm的氮化硅構(gòu)成的絕緣膜108成膜。然后，利用光刻法以及蝕刻法，在成膜后的絕緣膜108中的源電極105、漏電極107以及柵電極106的上側(cè)部分，形成接觸形成用的開口部。接下來，通過真空蒸鍍法等，形成從絕緣膜108上的柵電極106的上側(cè)的開口部向漏電極107側(cè)延伸的、由Ti/Au構(gòu)成的場(chǎng)板109。針對(duì)如以上那樣制作出的本實(shí)施方式涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET100，本申請(qǐng)發(fā)明人改變施加電壓以及溫度來評(píng)價(jià)了轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)的電流崩塌，并潛心研討了能夠改善轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)的電流崩塌的結(jié)構(gòu)。因結(jié)晶缺陷、或者被由雜質(zhì)構(gòu)成的電荷陷阱捕獲的電子妨礙二維電子氣(2DEG)的形成，因此產(chǎn)生電流崩塌。雖然氮化鎵(GaN)中的碳(C)能夠形成能級(jí)深的陷阱，從而捕獲GaN中的電子而使其高電阻化，但是另一方面卻成為電流崩塌的原因。因此，可獲得如下認(rèn)知對(duì)于抑制電流崩塌而言低碳濃度層(第一半導(dǎo)體層103)是有效的，但是因截止電壓(漏極源極間電壓)卻導(dǎo)致如果不使其厚度最佳化則無法消除電流崩。圖2示出用于評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)(測(cè)量電路)。如圖2所示，F(xiàn)ET100的漏極端子與負(fù)載電阻Rd串聯(lián)連接，且對(duì)測(cè)量電路的整體施加驅(qū)動(dòng)電壓Vdd。測(cè)量電路對(duì)應(yīng)于例如FET100與照明裝置串聯(lián)連接且通過控制FET100的占空比來控制該照明裝置的照明度時(shí)的電氣電路。

S卩，控制FET100的柵極與源極間電壓Ves，以使FET100在導(dǎo)通狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)之間轉(zhuǎn)換，由電流探頭讀取漏極端子的電壓Vd以及電流值Id。由此，根據(jù)FET100中的導(dǎo)通電阻R = Vd/Id的關(guān)系，能夠決定導(dǎo)通電阻R 。使FET100僅在規(guī)定時(shí)間例如150秒內(nèi)成為截止?fàn)顟B(tài)之后，轉(zhuǎn)換成導(dǎo)通狀態(tài)，然后立刻測(cè)量100 μ s后的導(dǎo)通電阻。在使驅(qū)動(dòng)電壓Vdd從5V左右的低電壓起逐漸增加的同時(shí)，反復(fù)測(cè)量導(dǎo)通電阻。在驅(qū)動(dòng)電壓Vdd極其低的情況下，由于幾乎不會(huì)發(fā)生電流崩塌，因此將驅(qū)動(dòng)電壓Vdd = 5V時(shí)的導(dǎo)通電阻設(shè)為緩和狀態(tài)的導(dǎo)通電阻Rmtl,將比較高的驅(qū)動(dòng)電壓Vdd下的Rm除以該導(dǎo)通電阻Rmtl而得到的比值、即Rm/Rm(l的值設(shè)為Ron比，作為電流崩塌值的指標(biāo)。因此，如果Rm比的值接近于1，則電流崩塌小，另外Rm比的值越大于I則電流崩塌就越大。圖3是在圖1所示的FET100的結(jié)構(gòu)中，針對(duì)將作為低碳濃度層的第一半導(dǎo)體層103的厚度d2改變4次而制作出的多個(gè)FET，在125°C的溫度下，橫軸取驅(qū)動(dòng)電壓Vdd、縱軸取Rm比的對(duì)數(shù)值而得到的特性圖。在圖3中，符號(hào)301所不的曲線表不將第一半導(dǎo)體層103的厚度d2設(shè)為O. 6 μ m、第一半導(dǎo)體層103中的碳濃度設(shè)為2 X IO17CnT3這樣較大的值的情況。該情況下的Rm比從低電壓起大致線性地增加。與之相對(duì)，在碳濃度均低于I X1017cm_3、例如為I X IO16 9 X IO16Cm'符號(hào)302所示的厚度d2為O. 5 μ m的曲線、符號(hào)303所示的厚度為O. 75 μ m的曲線、以及符號(hào)304所示的厚度d2為1. O μ m的曲線中，在處于各自的閾值電壓Vth以下時(shí)電流崩塌非常小，但是在處于閾值電壓Vth以上時(shí)電流崩塌劇增。另外可知，第一半導(dǎo)體層103的厚度d2越大，則閾值電壓Vth越增大。此外，在厚度d2 = O. 5μπι、0. 75μπκ以及1.Oym的情況下，閾值電壓Vth的值分別為225V、280V以及330V。在此，由二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)測(cè)量碳濃度，IXlO16 9X1016cnT3的一半為測(cè)量界限。因此，在低于接近于測(cè)量界限的IX IO17CnT3的低碳濃度層，從第一半導(dǎo)體層103與第二半導(dǎo)體層104的邊界面起向下側(cè)設(shè)置的情況下，如曲線302至304所示那樣，直到高電壓，電流崩塌變低，觀測(cè)與閾值電壓的依賴性。本申請(qǐng)發(fā)明人通過數(shù)值計(jì)算FET元件內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，考察了上述現(xiàn)象的原因。圖4(a)以及圖4(b)表示其結(jié)果。在此，作為一例，圖4(a)表示驅(qū)動(dòng)電壓Vdd為160V時(shí)的FET兀件的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，圖4 (b)表不驅(qū)動(dòng)電壓Vdd為400V時(shí)的FET兀件的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。此外，在圖4(a)以及圖4(b)中，作為參考附加了電場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)值(單位V/m)。比較圖4(a)與圖4(b)可知，雖然表示電場(chǎng)強(qiáng)度的等高線均發(fā)生了變化，但是場(chǎng)板109的右側(cè)(漏電極107側(cè))的端部附近的電場(chǎng)強(qiáng)度的變化大。圖5是表示改變驅(qū)動(dòng)電壓Vdd而得到了圖4 (b)所示的與場(chǎng)板109的右側(cè)的端部?jī)H相隔0.2μπι的部位(單點(diǎn)劃線Α)處的截面的電場(chǎng)強(qiáng)度的圖表。在圖5中，以第二半導(dǎo)體層104的表面作為Oym來使橫軸取深度Y ( μ m)，縱軸取電場(chǎng)強(qiáng)度(V/cm)的對(duì)數(shù)表示法，在各曲線上記載了驅(qū)動(dòng)電壓Vdd的值。根據(jù)圖5可知，在第二半導(dǎo)體層104的較深的區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的變化小，相反，在第二半導(dǎo)體層104的靠近表面的區(qū)域內(nèi)，越靠近該表面則電場(chǎng)強(qiáng)度越急劇增高。在圖5的圖表中，在圖3中電流崩塌劇增的驅(qū)動(dòng)電壓Vdd(=閾值電壓Vth)所對(duì)應(yīng)的曲線上，將橫軸與第一半導(dǎo)體層103的厚度d2分別一致的點(diǎn)繪制成菱形的點(diǎn)302、303以及304。即、，各菱形的點(diǎn)302、303以及304表示在施加了電流崩塌劇增的驅(qū)動(dòng)電壓Vdd時(shí)的、第一半導(dǎo)體層103與第三緩沖層102c之間的界面處的電場(chǎng)強(qiáng)度。因此，由圖5可知，在第一半導(dǎo)體層103與第三緩沖層102c之間的界面處的電場(chǎng)強(qiáng)度超過了 O. 8X 106V/cm lX106V/cm時(shí)，電 流崩塌劇增。該電場(chǎng)強(qiáng)度與GaN的碰撞離子化系數(shù)(表示通過電子的單位距離飛躍而生成幾個(gè)電子空穴對(duì)的系數(shù))增大而開始產(chǎn)生因雪崩擊穿引起的泄漏電流的電場(chǎng)強(qiáng)度相一致(例如，參照上述的非專利文獻(xiàn)I)。由此認(rèn)為，在截止電壓變高時(shí)電流崩塌劇增的原因在于，伴隨著截止電壓的增大，強(qiáng)電場(chǎng)向較深的層擴(kuò)散，雖然因碰撞離子化而產(chǎn)生電荷，但是在碳濃度處于5X1016cnT3以下的低碳濃度層、即第一半導(dǎo)體層103中，電流崩塌幾乎不怎么發(fā)生劣化(惡化)，由于強(qiáng)電場(chǎng)到達(dá)碳濃度高的第三緩沖層102c，因此電流崩塌劇增。相反地，可以說為了將電流崩塌抑制到在實(shí)用中不會(huì)成為問題的程度，只要將施加給碳濃度高的緩沖層在此是第三緩沖層102c中的、尤其是柵電極106的漏電極107側(cè)的端部或者場(chǎng)板109的漏電極107側(cè)的端部的電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)為IX IO5 9X 105V/cm的前一半、即5X 105V/cm以下,就能夠抑制電流崩塌。為了抑制施加給第三緩沖層102c的電場(chǎng)強(qiáng)度，也可增大第一半導(dǎo)體層103的厚度d2，以使該第三緩沖層102c遠(yuǎn)離第一半導(dǎo)體層103與第二半導(dǎo)體層104之間的界面?；蛘?，也可增大包括各緩沖層102a 102c、第一半導(dǎo)體層103以及第二半導(dǎo)體層104在內(nèi)的半導(dǎo)體層的總膜厚dl。圖6示出將閾值電壓Vth分別不同的多個(gè)FET元件加熱到溫度125°C，將電流崩塌劇增的閾值電壓Vth取作橫軸，將該閾值電壓Vth除以dl與d2之積而得到的比值a =Vth/(dl *d2)繪制在縱軸上所獲得到的散布圖。具體而言，采用二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)以及剖面掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope :SEM),測(cè)量通過同一工序制作出的多個(gè)樣品的碳濃度低于IXlO17cnT3的低碳濃度層的厚度d2、和半導(dǎo)體層的總膜厚dl。進(jìn)而，是根據(jù)圖2所示的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，將各樣品的溫度設(shè)定成125°C來分別測(cè)量電流崩塌，并將該電流崩塌劇增的電壓繪制成閾值電壓Vth所獲得到的圖表。如圖6所示，α雖然以平均值110為中心略有偏差，但是卻不依賴于閾值電壓Vth，取固定的值。即，閾值電壓Vth與dl *(12之積成正比。由于在閾值電壓Vth以下的電壓范圍內(nèi)電流崩塌小，因此針對(duì)于工作耐壓Vm，如果在Vm < Vth彡α X (dl · d2)的范圍內(nèi)制作dl、d2，則能夠?qū)㈦娏鞅浪种圃趯?shí)用中不會(huì)成為問題的程度。此外，雖然圖6假了使用溫度為125°C的情況，但是如果使用溫度發(fā)生變化，則電流崩塌劇增的閾值電壓Vth也會(huì)發(fā)生變化。例如，在溫度為25°C的情況下，閾值電壓Vth成為溫度為125°C時(shí)的1. 45倍，而在溫度為50°C的情況下，閾值電壓Vth成為溫度為1251時(shí)的1.25倍。因此，作為即便在使用溫度為125°C這樣的高溫下也能穩(wěn)定工作的FET的條件式，只要滿足(式2)即可。V111 彡 IlOX (dl · d2)...(式 2)圖7是橫軸取半導(dǎo)體層的總膜厚dl，縱軸取作為低碳濃度層的第一半導(dǎo)體層103的厚度d2，針對(duì)不同的工作耐壓Vm而描繪了(式2)的相關(guān)圖。在圖7中，工作耐壓Vm*別為200V、400V、600V以及800V時(shí)的邊界成為雙曲線401 404。雖然總膜厚dl以及厚度d2都厚的情形可減輕電流崩塌，但是 總膜厚dl中存在因基板101或者半導(dǎo)體的膜結(jié)構(gòu)等而產(chǎn)生翹起或裂縫的臨界膜厚，比該臨界膜厚略薄且能穩(wěn)定地成膜的膜厚成為總膜厚dl的上限。例如，在圖7中，在總膜厚dl為3. 5 μ m、且工作耐壓Vm = 400V時(shí)，能抑制電流崩塌的低碳濃度層的厚度d2的下限值約為1. 04 μ m。另外，即便在工作耐壓Vm為200V的情況下，需要使低碳濃度層的厚度d2在O. 5 μ m以上?，F(xiàn)有例所示的如果將低碳濃度層的厚度d2設(shè)為O. 05 μ m以上則以導(dǎo)通電壓進(jìn)行掃描時(shí)的電流崩塌不成問題是指，該值的數(shù)量級(jí)不同。認(rèn)為其原因在于，在現(xiàn)有例中，在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，2DEG存在于源極與漏極之間的整體中，且較強(qiáng)的電場(chǎng)不會(huì)向較深的層擴(kuò)散。與之相對(duì)，產(chǎn)生的機(jī)理不同于本發(fā)明所要解決的課題、即轉(zhuǎn)換時(shí)的電流崩塌，故可以說是另一課題。如前述那樣，由于低碳濃度層的成膜速率變慢，在半導(dǎo)體層厚時(shí)泄漏容易增加，因此優(yōu)選低碳濃度層的厚度d2盡可能薄。因此，在工作耐壓Vm的范圍內(nèi)能抑制電流崩塌的低碳濃度層的厚度d2，最好在(式2)的下限值上估計(jì)O. 5μπι的富余而成為(式3)的范圍。Vm/(110 · dl)彡 d2 < Vm/(110 · dl)+0. 5...(式 3)如果工作耐壓Vm變得非常大，則根據(jù)(式3)可知低碳濃度層的厚度d2變大，但是在如圖1的結(jié)構(gòu)那樣作為低碳濃度層的第一半導(dǎo)體層103的厚度d2均勻時(shí)，漏電流會(huì)增加。根據(jù)圖4所不的電場(chǎng)強(qiáng)度分布可知,強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生于柵電極106與場(chǎng)板109的漏電極107側(cè)的端部，其他區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度較弱。在設(shè)置場(chǎng)板109時(shí)，柵極端的電場(chǎng)強(qiáng)度以固定值飽和，電場(chǎng)強(qiáng)度處于O. 5X106V/cm以上是直到與半導(dǎo)體層的表面相距的深度為O. 5μπι左右時(shí)才出現(xiàn)。另一方面，驅(qū)動(dòng)電壓Vdd越高，場(chǎng)板109的漏電極107側(cè)的端部附近的電場(chǎng)強(qiáng)度越向較深的層擴(kuò)展。因此，如果加厚作為低碳濃度層的第一半導(dǎo)體層103中的場(chǎng)板109的漏電極107側(cè)的端部附近、以及柵電極106的漏電極107側(cè)的端部附近，則能夠抑制電流崩塌。進(jìn)而，在第一半導(dǎo)體層103中的其他區(qū)域內(nèi)，如果減小電場(chǎng)強(qiáng)度較弱的部分的厚度d2，則可以抑制漏電流。
以下，說明使作為低碳濃度層的第一半導(dǎo)體層103的厚度不均勻、尤其是增大場(chǎng)板109中的漏電極107側(cè)的端部的下側(cè)部分的厚度的第一變形例、以及在柵電極106中的源電極105側(cè)的一部分形成高電阻化區(qū)域的第二變形例。(一實(shí)施方式的第一變形例)以下，參照?qǐng)D8以及圖9，說明本發(fā)明的一實(shí)施方式的第一變形例。在以下的各變形例中，對(duì)于與上述一實(shí)施方式相同的結(jié)構(gòu)部件賦予同一符號(hào)。如圖8所示，第一變形例涉及的FET200將作為低碳濃度層的第一半導(dǎo)體層103的結(jié)構(gòu)僅在從柵電極106中的漏電極107側(cè)的端部到場(chǎng)板109中的漏電極107側(cè)的端部的附近為止的區(qū)域內(nèi)設(shè)為滿足上述(式3)的厚度d2，將其他區(qū)域的厚度d3形成得比d2薄。具體而言，通過第一下部半導(dǎo)體層103A和第一上部半導(dǎo)體層103B來構(gòu)成從柵電極106中的漏電極107側(cè)的端部到場(chǎng)板109中的漏電極107側(cè)的端部的附近為止的區(qū)域，通過具有與第一下部半導(dǎo)體層103A等同的厚度、且由碳濃度為I X IO19CnT3的GaN構(gòu)成的第四緩沖層102d來構(gòu)成其他區(qū)域。因此，第一上部半導(dǎo)體層103B的厚度成為d3。在此，如果將工作耐壓Vm設(shè)為400V，將直到包括各緩沖層102a 102c、第一下部半導(dǎo)體層103A、第一上部半導(dǎo)體層103B以及第二半導(dǎo)體層104在內(nèi)的漏電極107為止的半導(dǎo)體層的總膜厚dl設(shè)為3. 5 μ m，則第一下部半導(dǎo)體層103A以及第一上部半導(dǎo)體層103B的厚度d2成為1. 2 μ m左右。以上，通過將第一上部半導(dǎo)體層103B的厚度d3設(shè)為O. 5μπι
O.1 μ m，從而可以抑制漏電流。此外，如果將第一上部半導(dǎo)體層103B設(shè)定得比2DEG所分布的層的厚度還薄，則由于導(dǎo)致導(dǎo)通電阻的增大，因此優(yōu)選將第一上部半導(dǎo)體層103B的厚度d3設(shè)為O.1ym以上。以下，參照?qǐng)D9(a) 圖9(c)，說明如上構(gòu)成的FET200的制造方法。首先，與FET100的制造方法同樣地，利用MOCVD法等，通過外延生長(zhǎng)形成第一緩沖層102a到第三緩沖層102c。其次，如圖9(a)所示，在第三緩沖層102c上，在從施加強(qiáng)電場(chǎng)的柵電極的漏電極側(cè)的端部跨越場(chǎng)板的漏電極側(cè)的端部的附近的區(qū)域內(nèi)，選擇性地形成例如由氧化硅(SiO2)構(gòu)成的掩模薄膜150。接下來，再次通過MOCVD法等，在形成有掩模薄膜150的第三緩沖層102c上，使由厚度為Iym且碳濃度為IX IO19CnT3左右的GaN構(gòu)成的第四緩沖層102d生長(zhǎng)。由此，在第三緩沖層102c上的除掩模薄膜150以外的區(qū)域內(nèi)自我匹配地形成第四緩沖層 102d。接著，如圖9(b)所示，用氫氟酸(HF)等水溶液去除掩模薄膜150。然后，作為使第一下部半導(dǎo)體層103A在橫向(與基板101的主面平行的方向)上生長(zhǎng)的條件、例如V族原料，采用二甲基肼來進(jìn)行成膜。此時(shí)，第一下部半導(dǎo)體層103A不在C軸方向(與主面垂直的方向)上生長(zhǎng)，而是在C面內(nèi)沿著橫向生長(zhǎng)。由此，能夠通過作為低碳濃度層的第一下部半導(dǎo)體層103A掩埋第四緩沖層102d的凹部。接著，如圖9(c)所示，將V族原料恢復(fù)成三甲基鎵，在第四緩沖層102d以及第一下部半導(dǎo)體層103A上，使厚度為O. 3 μ m的作為低碳濃度層的第一上部半導(dǎo)體103B成膜。在此，在后工序中在形成有場(chǎng)板的區(qū)域內(nèi)成膜的、第一下部半導(dǎo)體層103A和第一上部半導(dǎo)體103B合起來的厚度d2為1. 3 μ m，除形成場(chǎng)板的區(qū)域以外的部分的低碳濃度層的厚度僅為第一上部半導(dǎo)體103B的O. 3 μ m。
然后，通過與一實(shí)施方式相同的工序來制作圖8所示的FET200。關(guān)于第一變形例涉及的FET200，半導(dǎo)體層的總膜厚dl約為3. 8 μ m，作為低碳濃度層的第一下部半導(dǎo)體層103A與第一上部半導(dǎo)體103B合起來的厚度d2為1. 3 μ m。具有該結(jié)構(gòu)的FET200直到驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到較強(qiáng)的500V為止，電流崩塌能夠減小到3以下。另外，確認(rèn)出與具有膜厚為1. 3μπι的均勻厚度的低碳濃度層的情況相比，漏電流能減少至五分之一以下。(一實(shí)施方式的第二變形例)以下，參照?qǐng)D10以及圖11，說明本發(fā)明的一實(shí)施方式的第二變形例。如圖10所示，在第二變形例涉及的FET300中，厚度為d2的作為低碳濃度層的第一半導(dǎo)體層103通過第一下部半導(dǎo)體層103L、和在該第一下部半導(dǎo)體層103L的上部形成的厚度為d3的第一上部半導(dǎo)體層103H而構(gòu)成。進(jìn)而,在從第一下部半導(dǎo)體層103L中的柵電極106的源電極105側(cè)的端部向源電極105側(cè)的區(qū)域的一部分中，設(shè)置摻雜了鐵(Fe)、硼(B)、鎂(Mg)、鋅(Zn)或者銣(Rb)等使氮化鎵(GaN)高電阻化的雜質(zhì)的高電阻區(qū)域120。如果低碳濃度層厚，則遠(yuǎn)離柵電極106的較深的地方成為泄漏通路。但是，在作為低碳濃度層的第一下部半導(dǎo)體層103L中設(shè)置的高電阻區(qū)域120由于包含較多成為電子陷阱的雜質(zhì)，因此能夠抑制泄漏。此外，第一下部半導(dǎo)體層103L中的柵電極106的漏電極107側(cè)的端部被施加強(qiáng)電場(chǎng)，因此在比電場(chǎng)弱的柵電極106的中央部更靠近源電極105側(cè)的較深部分，與圖8的第一變形例同樣地，可以在具有比(式3)中的d2更薄的厚度d3的第一上部半導(dǎo)體層103H下設(shè)置高電阻區(qū)域120。以下，參照?qǐng)D11(a) 圖ll(c)，說明如此構(gòu)成的FET300的制造方法。首先，與FET100的制造方法同樣地，通過MOCVD法等，通過外延生長(zhǎng)而形成第一緩沖層102a到第三緩沖層102c。其次，如圖11(a)所示，在第三緩沖層102c上形成厚度為Ιμπι且碳濃度為5X IO16CnT3左右的低碳濃度的第一下部半導(dǎo)體層103L。接著，如圖11(b)所示，通過光刻法，在第一下部半導(dǎo)體層103L上形成抗蝕劑膜151，該抗蝕劑膜151在形成高電阻區(qū)域的區(qū)域內(nèi)具有開口圖案。接下來，隔著抗蝕劑膜151，向第一下部半導(dǎo)體層103L離子注入例如硼，由此在第一下部半導(dǎo)體層103L的規(guī)定區(qū)域內(nèi)選擇性地形成高電阻區(qū)域120。其次，如圖11(c)所示，在去除抗蝕劑膜151之后，在包括高電阻區(qū)域120在內(nèi)的第一下部半導(dǎo)體層103L上使厚度為O. 3 μ m且低碳濃度的第一上部半導(dǎo)體層103H生長(zhǎng)。然后，在第一上部半導(dǎo)體層103H上使第二半導(dǎo)體層104成膜，進(jìn)而在第二半導(dǎo)體層104上選擇性地形成P型GaN層110。然后，在第二半導(dǎo)體層104上形成源電極105以及漏電極107，進(jìn)而在P型GaN層110上形成柵電極106。然后，通過與一實(shí)施方式相同的工序，制作圖10所示的FET300。在第二變形例涉及的FET300中，在第一下部半導(dǎo)體層103L中設(shè)置的高電阻區(qū)域120的柵電極106側(cè)的端部位于與柵電極106的源電極105側(cè)的端部相距O. 5 μ m的位置處，且與柵電極106重疊。另外，高電阻區(qū)域120的源電極105側(cè)的端部擴(kuò)展到源電極105與柵電極106之間的中間位置處。另外，所注入的硼到達(dá)第三緩沖層102c。這樣，第二變形例涉及的FET300中，半導(dǎo)體層的總膜厚dl約為3. 8 μ m，作為低碳濃度層的第一下部半導(dǎo)體層103L與第一上部半導(dǎo)體103H合起來的厚度d2為1. 3 μ m。具有該結(jié)構(gòu)的FET300直到驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到較強(qiáng)的500V為止，電流崩塌能夠減小到3以下。另外，確認(rèn)出與具有膜厚為1. 3μπι的均勻厚度的低碳濃度層的情況相比，漏電流能夠減少至五分之一以下。以上，對(duì)本發(fā)明的一實(shí)施方式及其變形例涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行了說明，但是本發(fā)明并不限于這些實(shí)施方式。即，在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)實(shí)施了本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想到的各種變形的發(fā)明也包含于本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，在上述的實(shí)施方式中，雖然第一半導(dǎo)體層103采用了 GaN，但是并不限于GaN，也可以采用包含少量Al以及In等的AVx_yGaxInyN(O彡X彡1,0 ^ y ^ I)系的半導(dǎo)體材料，另外也可采用AUaxInyN (O和GaN等的層疊結(jié)構(gòu)。(產(chǎn)業(yè)上的可利用性)本發(fā)明涉及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管能夠抑制高電壓下的轉(zhuǎn)換時(shí)的電流崩塌，在采用了例如民用設(shè)備的電源電路等中用到的功率晶體管所能適用的III族氮化物半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)晶體管等中是有用的。符號(hào)說明
FET100場(chǎng)效應(yīng)晶體管
FET200場(chǎng)效應(yīng)晶體管
FET300場(chǎng)效應(yīng)晶體管
101基板
102a第一緩沖層
102b第二緩沖層
102c第三緩沖層
102d第四緩沖層
103第一半導(dǎo)體層
103A第一下部半導(dǎo)體層
103B第一上部半導(dǎo)體層
103L第一下部半導(dǎo)體層
103H第一上部半導(dǎo)體層
104第二半導(dǎo)體層
105源電極
106柵電極
107漏電極
108絕緣膜
109場(chǎng)板
110P型GaN層
120高電阻區(qū)域
150掩模薄膜
151抗蝕劑膜
權(quán)利要求
1.一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具備 基板； 第一 III族氮化物半導(dǎo)體層，其形成在所述基板上； 第二 III族氮化物半導(dǎo)體層，其形成在所述第一 III族氮化物半導(dǎo)體層上，且?guī)洞笥谒龅谝?III族氮化物半導(dǎo)體層； 形成在所述第二 III族氮化物半導(dǎo)體層上的源電極及漏電極、以及形成在所述源電極與漏電極之間的柵電極；和 場(chǎng)板，其在所述第二 III族氮化物半導(dǎo)體層上被設(shè)置為與所述柵電極或者所述源電極連接，且覆蓋所述柵電極中的所述漏電極側(cè)的端部， 所述第一 III族氮化物半導(dǎo)體層至少在所述柵電極中的所述漏電極側(cè)的端部的下側(cè)區(qū)域，具有碳濃度低于IXlO17Cm-3的低碳濃度區(qū)域， 在將從所述基板的上表面到包括所述第一 III族氮化物半導(dǎo)體層以及第ニ III族氮化物半導(dǎo)體層在內(nèi)的所述漏電極為止的III族氮化物半導(dǎo)體層的厚度設(shè)為dl(i!m)、將所述低碳濃度區(qū)域的厚度設(shè)為d2 ( y m)、將工作耐壓設(shè)為Vm (V)時(shí)，滿足Vm/(110 dl)≥ d2 < Vm/(110 dl)+0. 5 的關(guān)系，且 在將緩和狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻設(shè)為Rmtl、將從工作電壓Vm下的截止?fàn)顟B(tài)過渡至導(dǎo)通狀態(tài)的100 u s后的導(dǎo)通電阻設(shè)為Rm吋，作為電流崩塌值的指標(biāo)的Rm與Rmtl之比的值為Ron/RonO <3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中， 所述第一 III族氮化物半導(dǎo)體層中的所述低碳濃度區(qū)域的厚度不均勻，在所述低碳濃度區(qū)域中，所述場(chǎng)板中的所述漏電極側(cè)的端部的下側(cè)部分的厚度最大。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中， 在所述低碳濃度區(qū)域中，所述源電極側(cè)的下側(cè)部分的厚度最小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中， 在所述低碳濃度區(qū)域中，在從所述柵電極的柵極長(zhǎng)度方向的中央部的下側(cè)起位于所述源電極側(cè)的區(qū)域中，形成有添加提高所述第一 III族氮化物半導(dǎo)體層的絕緣性的雜質(zhì)而構(gòu)成的高電阻區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中， 所述雜質(zhì)為鐵、硼、鎂、鋅以及銣之中的至少ー種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5的任一項(xiàng)所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中， 所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管還具備在所述基板與所述第一 III族氮化物半導(dǎo)體層之間形成的至少ー層緩沖層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中， 所述緩沖層包括從所述基板側(cè)起依次形成的、分別由III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第一緩沖層、第二緩沖層以及第三緩沖層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中， 在將所述第一緩沖層的帶隙設(shè)為Egl、將所述第二緩沖層的帶隙設(shè)為Eg2、將所述第三緩沖層的帶隙設(shè)為Eg3吋，EgI〉Eg2 > Eg3。
9.根據(jù)權(quán)利要求6 8的任一項(xiàng)所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中，所述緩沖層的碳濃度為IO18CnT3以上。
10.根據(jù)權(quán)利要求6 8的任一項(xiàng)所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中，所述緩沖層的碳濃度為IO19CnT3以上且IO21CnT3以下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管。第一半導(dǎo)體層(103)至少在柵電極(106)中的漏電極(107)側(cè)的端部的下側(cè)的區(qū)域內(nèi)具有碳濃度低于1×1017cm-3的低碳濃度區(qū)域，在將從基板(101)的上表面到包括第一半導(dǎo)體層(103)以及第二半導(dǎo)體層(104)在內(nèi)的漏電極為止的半導(dǎo)體層的厚度設(shè)為d1(μm)、將低碳濃度區(qū)域的厚度設(shè)為d2(μm)、將工作耐壓設(shè)為Vm(V)時(shí)，滿足Vm/(110·d1)≤d2＜Vm/(110·d1)+0.5的關(guān)系，且在將緩和狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻設(shè)為Ron0、將從工作電壓Vm下的截止?fàn)顟B(tài)過渡至導(dǎo)通狀態(tài)的100μs后的導(dǎo)通電阻設(shè)為Ron時(shí)，作為電流崩塌值的指標(biāo)的Ron與Ron0之比的值為Ron/Ron0≤3。
文檔編號(hào)H01L21/205GK103038869SQ201180037480
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者脅田尚英, 田中健一郎, 石田昌宏, 田村聰之, 柴田大輔 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社