化合物半导体器件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及化合物半导体器件及其制造方法。所述化合物半导体器件包括：衬底；布置在所述衬底之上的GaN化合物半导体多层结构；以及基于AlN的并且布置在所述衬底与所述GaN化合物半导体多层结构之间的应力消除层，其中所述应力消除层的与所述GaN化合物半导体多层结构接触的表面包括具有深度为5nm或更大并且以2×1010cm-2或更大的数目密度形成的凹部。

【技术实现步骤摘要】

本文中讨论的实施方案涉及。
技术介绍
近年来，积极地开发了其中GaN层和AlGaN层依次布置在衬底之上以及其中使用GaN层作为电子传输层的电子器件(化合物半导体器件)。这种化合物半导体器件之一是GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)。使用GaN HEMT作为用于电源的变频器的开关不仅能够降低导通电阻而且能够增强介电强度。此外，与Si晶体管相比，GaN HEMT可以降低待机功耗并且可以增加工作频率。这些能够降低开关损耗并且能够降低变频器的功耗。与在性能上与GaN HEMT相当的Si晶体管相比，GaN HEMT能够缩小尺寸。 在包括用作电子传输层的GaN层以及用作电子供给层的AlGaN层的GaN HEMT中，在AlGaN层中引起了由于在AlGaN层与GaN层之间的晶格常数差而产生的应变。因此，出现了压电极化并且获得了高浓度二维电子气(2DEG)。相应地，所述GaN HEMT适用于大功率器件应用。然而，很难生产具有良好的结晶性的GaN衬底。因此，例如，常规的GaN化合物半导体层如GaN层和AlGaN层主要通过异质外延生长而形成在Si衬底、蓝宝石衬底或SiC衬底之上。特别地，大尺寸、高质量的Si衬底容易以低成本获得。因此，通过在Si衬底之上生长GaN层和AlGaN层而形成的结构正被积极地研究。然而，GaN层、AlGaN层以及Si衬底之间的热膨胀系数存在大的差异。另一方面，高温处理被用于外延生长GaN层和AlGaN层。因此，在某些情况下在这样的高温处理期间，由于热膨胀系数的差而使Si衬底变得翘曲或开裂。为了解决由这样的热膨胀系数之差导致的问题，研究了下列技术一种用于在GaN层、AlGaN层以及Si衬底之间设置缓冲层的技术，该缓冲层具有其中组成彼此不同的两种类型的化合物半导体层交替地堆叠的超晶格结构。然而，在常规的包括具有超晶格结构的缓冲层的化合物半导体器件中，难以充分地抑制开裂、翘曲等。此外，难以使得形成在这样的超晶格结构上的电子传输层和电子供给层具有良好的结晶性。还研究了下列的技术一种用于形成具有与在Si衬底的背面上的GaN化合物半导体层的热膨胀系数接近的热膨胀系数的层的技术。然而，对于这种常规技术，在形成该层时出现了翘曲等。因为在形成电子传输层和电子供给层期间这种翘曲的出现引起衬底温度的变化，所以难以获得期望的性能。日本公开特许公报第2010-228967号和第2011-119715号是相关技术的例子。
技术实现思路
实施方案的一个目的是提供一种化合物半导体器件，所述化合物半导体器件能够抑制由于材料之间热膨胀系数的差异而引起的开裂等。根据实施方案的一个方面，一种化合物半导体器件包括衬底；设置在所述衬底之上的GaN化合物半导体多层结构；以及基于AlN的并且设置在所述衬底与所述GaN化合物半导体多层结构之间的应力消除层，其中，所述应力消除层的与GaN化合物半导体多层结构接触的表面包括以2X IOiciCnT2或更大的数目密度形成的并且深度为5nm或更大的凹部。附图说明图I是描绘根据第一实施方案的化合物半导体器件的构造的图示；图2A和2B是描绘根据第一实施方案的化合物半导体器件的作用的图示；图3A至图3C是描述表面轮廓与偏度(skewness) Rsk之间的关系的图； 图4A和图4B是描绘根据第二实施方案的GaN HEMT的构造的图；图5A至图是依次地示出用于制造根据第二实施方案的GaN HEMT的方法的操作的截面图；图6是示出第二实施方案的修改方案的截面图；图7是描绘大功率放大器的外观的示例的图示；图8A和图8B是描绘电源系统的图示；图9A至图9C是示出了通过分析应力消除层的表面轮廓获得的结果的曲线图；以及图IOA和IOB是示出凹部的深度、翘曲的大小以及裂纹的长度之间的关系的曲线具体实施例方式在下文中，将参考附图对实施方案进行详细描述。(第一实施方案)现在描述第一实施方案。图I是描绘根据第一实施方案的化合物半导体器件的构造的图示。在第一实施方案中，如图I所示，应力消除层2设置在衬底I上，并且基于GaN的化合物半导体多层结构3设置在应力消除层2上。衬底I是例如Si (111)衬底。应力消除层2是例如AlN基化合物半导体层，如AlN层。应力消除层2的上表面具有以2X IOltlcnT2或更大的数目密度设置的深度为5nm或更大的凹部2a。化合物半导体多层结构3包括例如电子传输层和电子供给层。此外，例如，栅电极、源电极以及漏电极布置在电子供给层上以使得栅电极被夹在源电极与漏电极之间。在常规的技术中，在某些情况下AlN层形成在衬底与电子传输层如GaN层之间。这样的AlN层的上表面是平坦的。如图2A所示，在形成具有平坦上表面的AlN层102而不是应力消除层2的情况下，由于衬底I与基于GaN的化合物半导体多层结构3之间的热膨胀系数的差所引起的大的张应力在生长化合物半导体多层结构3之后的冷却期间作用于化合物半导体多层结构3上。这导致化合物半导体多层结构3开裂或衬底I翘曲。相反，在本实施方案中，凹部2a适当地分散在应力消除层2的上表面中。因此，在生长化合物半导体多层结构3期间，从凹部2a的壁生长的部分相互抵触以产生压应力。因此，在具有凹部2a的应力消除层2上生长的氮化物半导体层中产生了局部的压应力以作用于化合物半导体多层结构3上。因而，在生长之后的冷却期间，在化合物半导体多层结构3中产生的张应力得到补偿，由此抑制了化合物半导体多层结构3的开裂、衬底I的翘曲等。此外，不需要进行特别地复杂的控制或长期的晶体生长来获得这样的构造。因此，可以抑制成本的增加。关于应力消除层2的表面轮廓，粗糙度曲线的偏度Rsk是负的。当粗糙度曲线的偏度Rsk是正时，应力消除层2的表面轮廓为存在从参考面突出的多个突起，如图3A所示。当粗糙度曲线的偏度Rsk是零时，应力消除层2的表面轮廓为存在基本上相等数目的突起和凹部，如图3B所示。当粗糙度曲线的偏度Rsk是负时，应力消除层2的表面轮廓为存在从参考面凹陷的多个凹部，如图3C所示。为何要测量其数目密度的凹部(其深度为5nm或更大)是凹部2a的原因是在深度小于5nm的凹部周围产生非常小的压应力并且这样的凹部几乎不促进张应力的消除。为何将凹部2a的数目密度设定为2 X IOiciCnT2或更大的原因是当凹部2a的数目密度小于2X IOiciCnT2时，压应力不足并且难以充分地消除张应力。考虑到如下描述的由专利技术人实施的实验的结果，优选的是凹部2a的深度为6nm或更大并且凹部2a以2 X IOiciCnT2或更大的数目密度布置，更优选的是凹部2a的深度为7nm或更大并且凹部2a以8 X IO9CnT2或更大的数目密度布置，以及更进一步优选的是凹部2a的深度为15nm或更大并且凹部2a以9 X IO9CnT2或更大的数目密度布置。凹部2a的直径基本上取决于凹部2a的深度。考虑到由专利技术人实施的实验的结果，深度为5nm或更大的凹部2a优选地具有30nm或更大的直径并且更优选地具有80nm或更大的直径。凹部2a的直径的上限没有特别的限制，只要可以确保数目密度即可。当凹部2a的深度相对于凹部2a的直径来说过大时，凹部2a可能会不能被形成在凹部2a上的缓冲层填充或者缓冲层可能会具有被破坏的结晶性。因此，凹部2a的深度优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种化合物半导体器件，包括：衬底；设置在所述衬底之上的GaN化合物半导体多层结构；以及基于AlN的并且设置在所述衬底与所述GaN化合物半导体多层结构之间的应力消除层，其中所述应力消除层的与所述GaN化合物半导体多层结构接触的表面具有深度为5nm或更大并且以2×1010cm?2或更大的数目密度形成的凹部。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：小谷淳二，石黑哲郎，苫米地秀一，
申请(专利权)人：富士通株式会社，
类型：发明
国别省市：