专利名称：晶体管以及晶体管控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及晶体管以及晶体管控制系统，特别涉及利用了氮化物半导体的功率晶体管以及其控制系统等。
背景技术：
氮化镓(GaN)等氮化物半导体与硅(Si)以及砷化镓(GaAs)等相比，带隙(band gap)、绝缘击穿场强以及电子的饱和漂移速度大。另外，在氮化铝镓(AKiaN)和氮化镓 (GaN)形成的异质(hetero)中，通过自发极化以及压电极化，在异质界面生成二维电子气体QDEG)层，从而不用进行杂质的掺杂地得到1 X1013em2以上的薄层载流子浓度。通过使用高浓度的2DEG层作为载流子，能实现高电子迁移率晶体管(HEMT)。由于使用了氮化物半导体的HEMT具有低导通电阻且高耐压的特性，因此期待作为在电源电路等中用到的功率晶体管而显示出优越的特性。非专利文献 1 S. Arulkumaran 等，"Enhancement ofbreakdown voltage by AIN buffer layer thickness in AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors on 4 in. diameter silicon，，，APPLIED PHYSICS LETTERS，2005 年，86 卷，P. 123503然而，现有的HEMT存在薄层电阻随温度上升而显著增大的问题。若大电流流过 HEMT，则HEMT发热，从而温度会上升。这样，薄层电阻会增大。若薄层电阻增大，则HEMT进一步发热，从而薄层电阻进一步增大。因此，薄层电阻随温度上升而增大的特性对流过大电流的功率晶体管而言是致命的。另一方面，本申请发明者们，发现了使HEMT的薄层载流子浓度随温度的上升而上升的方法。
发明内容
本公开的目的在于，能实现一种晶体管，其利用本申请发明者们发现的使HEMT的薄层载流子浓度随温度的上升而上升的方法，从而使温度变化引起的薄层电阻的变动小。为了实现上述目的，使例示的晶体管构成为具备对晶体管主体施加与温度对应的应力的应力施加部。具体而言，例示的晶体管具备晶体管主体，其具有形成基板、在该形成基板之上依次层叠的第一半导体层以及与该第一半导体层相比带隙大的第二半导体层；和应力施加部，其按照施加于第二半导体层的拉伸应力随温度的上升而变大的方式对晶体管主体施加应力。例示的晶体管具备对晶体管主体施加应力的应力施加部。由此，施加于第二半导体层的拉伸应力随温度的上升而变大。由于施加于第二半导体层的拉伸应力变大，因此在第二半导体层中生成的压电极化将变大。因此，对伴随温度的上升带来的载流子浓度的降低进行补偿，能使薄层电阻几乎保持恒定。其结果是，能实现温度变化引起的薄层电阻的变动小的晶体管。
在例示的晶体管中，应力施加部是由双金属构成的保持基板，晶体管主体设为固定于保持基板之上的构成即可。在这种情况下，双金属由铜和铝形成即可。另外，可以是这样的构成应力施加部具有由压电双晶片构成的保持基板、和根据温度对保持基板主体施加电压的电压施加电路，晶体管主体固定于保持基板之上。在这种情况下，可以是这样的构成应力施加部具有检测晶体管主体的温度的温度检测部，电压施加电路根据温度检测部检测出的温度来对保持基板施加电压。在例示的晶体管中，可以将保持基板的弯曲的方向设为使在第一半导体层和第二半导体层的边界面生成的载流子浓度变大的方向。在例示的晶体管中，可以将保持基板的弯曲的方向设为对沟道电阻的温度引起的变化进行补偿的方向。在例示的晶体管中，可以将保持基板的弯曲的方向设为上面侧成为凸型的方向。 在这种情况下，晶体管主体可以使形成基板位于下方地固定于保持基板之上。在例示的晶体管中，可以将保持基板的弯曲的方向设为上面侧成为凹型的方向。 在这种情况下，可以设为如下构成晶体管主体具有形成于第二半导体层之上的绝缘膜，并使绝缘膜位于下方地被固定于保持基板之上。在例示的晶体管中，还可以构成为使应力施加部具有保持基板，其载置晶体管主体；应力施加基板，其按照夹持晶体管主体的方式固定于保持基板之上；和推压支柱，其设置于应力施加基板和晶体管主体之间，并根据温度进行伸缩。在这种情况下，可以使推压支柱由与形成基板相比热膨胀系数大的材料构成。另外，还可以构成为使推压支柱具有推压支柱主体，其由压电材料构成；和电压施加电路， 其根据温度来对推压支柱主体施加电压。在例示的晶体管中，应力施加部可以形成于第二半导体层之上，且是与形成基板相比热膨胀系数大的应力施加膜。在例示的晶体管中，应力施加部可以形成于形成基板中的与第一半导体层为相反侧的面上，且是与形成基板相比热膨胀系数小的应力施加膜。在例示的晶体管中，优选由应力施加部施加给晶体管主体的应力的最大值是不会使形成基板的曲率半径小于250m的值。本发明的晶体管控制系统具备晶体管主体，其具有形成基板、在该形成基板之上依次层叠的第一半导体层以及与该第一半导体层相比带隙大的第二半导体层；温度检测部，其检测晶体管主体的温度；和应力施加部，其对第二半导体层施加与温度检测部的输出对应的强度的拉伸应力。根据本公开的晶体管以及其控制系统，能实现温度变化引起的薄层电阻的变动小的晶体管。
图1是表示HEMT中的迁移率以及载流子浓度的温度依赖性的图。图2是表示HEMT中的薄层电阻的温度依赖性的图。图3是表示HEMT中的二维电子气体层的生成原理的示意图。图4是表示一实施方式的晶体管的截面图。
图5是表示一实施方式的晶体管的温度上升时的状态的截面图。图6是将一实施方式的晶体管的薄层电阻的温度依赖性与现有的晶体管进行比较来表示的图。图7是表示一实施方式的晶体管的变形例的截面图。图8是表示一实施方式的晶体管的变形例的截面图。图9是表示一实施方式的晶体管的变形例的截面图。图10是表示一实施方式的晶体管的变形例的截面图。图11是表示一实施方式的晶体管的变形例的截面图。图12是表示一实施方式的晶体管的变形例的截面图。图13是表示一实施方式的晶体管的变形例的截面图。符号说明100 晶体管主体101 形成基板103 低温缓冲层105 第一半导体层107 第二半导体层109 绝缘膜111 源极电极113 漏极电极115 栅极电极200 保持基板20IA 低膨胀率层20IB 高膨胀率层202 焊锡300 保持基板集合301 保持基板主体303 电压施加电路305 温度检测部501 应力施加膜502 应力施加膜601 保持基板603 应力施加基板605 推压支柱
具体实施例方式
首先，针对基本原理进行说明。图1表示了对层叠GaN层和AlGaN而形成的HEMT 的迁移率μ以及薄层载流子浓度Ns、与温度之间的关系进行测定的结果。如图1所示，迁移率μ以及薄层载流子浓度Ns均随温度上升而减少。另外，图2示出了沟道的薄层电阻 Rsh和温度之间的关系。如图2所示，薄层电阻Rsh伴随温度的上升而上升。例如，在温度为125°C的情况下，薄层电阻Rsh将成为在室温的情况下的2倍以上。沟道的薄层电阻Rsh与迁移率μ以及薄层载流子浓度Ns的倒数成反比，在薄层电阻Rsh、与迁移率μ以及薄层载流子浓度Ns之间，如下关系成立Rsh oc ^(^μ)。因此，为了抑制温度上升引起的薄层电阻的上升，只要对温度上升引起的迁移率μ以及薄层载流子浓度Ns的降低进行补偿即可。HEMT的薄层载流子浓度Ns是由自发极化生成的分量和基于压电极化的分量之和。 如图3所示，在GaN层之上层叠AlGaN层的情况下，对AlGaN层施加因与GaN层之间的晶格常数的差异而生成的拉伸应力。通过该拉伸应力，在AlGaN层中生成压电极化ΡΡΕ。在AlGaN 层中，生成作为自身的自发极化Psp、与压电极化Ppe之和的极化。这样，在AWaN层中的、 AlGaN层和GaN层之间的边界面生成正的极化电荷+ 6。另一方面，在GaN层中的、AKkiN层和GaN层之间的边界面，使正的极化电荷+ 6中性化的电子-6被吸引，从而形成二维电子气体。因此，若能增大施加于AlGaN层的拉伸应力，则能增大在AlGaN层中生成的压电极化 PPE。通过增大压电极化PPE，薄层载流子浓度Ns上升。根据以上所述，认为若施加于AWaN层的拉伸应力随温度上升逐步增大，则能补偿薄层载流子浓度Ns伴随温度的上升而引起的降低，从而抑制2DEG层的薄层电阻Rsh的增大。为此，本申请发明者们通过设置与温度的上升对应而对晶体管主体施加应力的应力施加部，来实现抑制因温度变化引起的沟道电阻的增大的晶体管。以下，利用实施方式进一步详细说明。(一实施方式)图4表示例示的晶体管的截面构成。如图4所示，作为利用了氮化物半导体的HEMT 的晶体管主体100由焊锡202固定于作为应力施加部的保持基板200之上。晶体管主体100形成于形成基板101之上。可将形成基板101设为Si基板、SiC 基板、蓝宝石基板或者GaN基板等。在形成基板101之上，形成有由氮化铝(AlN)构成的低温缓冲层103。在低温缓冲层103之上形成有半导体层。半导体层具有由未掺杂的GaN构成的第一半导体层105 ；和形成于第一半导体层105之上的、由未掺杂的AKiaN构成的第二半导体层107。在第二半导体层107之上形成有源极电极111、栅极电极115以及漏极电极 113。源极电极111以及漏极电极113是例如层叠了钛(Ti)和铝(Al)的欧姆电极。栅极电极115是例如层叠了钼(Pt)和金(Au)的肖特基电极。保持基板由对以厚度为1200 μ m的铜构成的低膨胀率层201A、和以厚度为 IOOOym的Al构成的高膨胀率层201Β进行层叠的双金属构成。由铜构成的低膨胀率层201Α的热膨胀率为17. OX ΙΟ—6/°C，由Al构成的高膨胀率层201B的热膨胀率为 23. 5X 10-6/oC。由此，因低膨胀率层201A和高膨胀率层201B的热膨胀率的差，如图5所示， 若温度上升，则在保持基板200产生弯曲，表示弯曲的大小的曲率半径R随温度的上升而逐渐变小。若保持基板200的曲率半径R随温度的上升而变小，则固定于保持基板200之上的晶体管主体100的曲率半径R也变小。保持基板200按照作为高膨胀率层201B的上面侧成为凸型的方式弯曲。若使半导体层侧位于上方来固定晶体管主体100，则按照半导体层的上面侧成为凸型的方式产生弯曲。因此，施加于由AKiaN构成的第二半导体层107的拉伸应力的大小随温度的上升而逐渐变大。其结果是，能随温度的上升而增大在第一半导体层105和第二半导体层107的边界面生成的2DEG层的薄层载流子浓度Ns，从而能减少伴随温度变化的薄层电阻Rsh的上升。图6示出了将晶体管主体100固定于由双金属构成的保持基板200之上的本实施方式的晶体管、和将晶体管主体固定于由铜构成的保持基板之上的现有晶体管的薄层电阻的温度依赖性。如图6所示，现有的晶体管伴随温度的上升，其薄层电阻急剧上升。然而， 本实施方式的晶体管，即使温度上升，其薄层电阻也几乎不上升。其结果是，示出了通过随温度的上升而增大施加于第二半导体层107的拉伸应力，来对伴随温度的上升的薄层载流子浓度的降低进行了补偿。这样，通过将晶体管主体100固定于作为应力施加部的由双金属构成的保持基板之上，能实现温度变化引起的薄层电阻的变动小的晶体管。保持基板200的曲率半径的变化量基于所需的晶体管的特性来决定即可。但是， 若保持基板200的曲率半径过小，则会有施加于晶体管主体100的应力超过规定的值，从而晶体管主体被破坏的可能性。在本实施方式的晶体管主体100的情况下，若形成基板101 的曲率半径小于250m，则晶体管主体100会破损。因此，优选将保持基板200的曲率半径设为250m以上。在本实施方式中，保持基板200以高膨胀率层201B为上侧。因此，以形成基板101 为下侧，将晶体管主体100固定于保持基板200之上。但也可以如图7所示以形成基板101 为上侧来进行固定。在这种情况下，在第二半导体层107之上形成绝缘膜109，并以绝缘膜 109为下侧进行固定即可。另外，保持基板200以低膨胀率层201A为上侧，且由于温度的上升上面侧弯曲为凹型即可。尽管示出了在低膨胀率层201A用铜，在高膨胀率层201B用Al的例子，但不限于此，能对热膨胀率不同的2种材料进行组合使用。通过材料的选择，能调整最小的曲率半径以及曲率半径基于温度的变化率等。这样，能根据晶体管主体100的特性来实现最佳的保持基板200。另外，也不一定非要对2种材料进行粘接，也可以对3种以上的材料进行粘接来形成保持基板200。另外，可以使用使Al分散于SiC的材料，并通过对改变了 Al的浓度的2片板进行粘接来补偿薄层电阻的温度变化。本实施方式用由曲率半径根据温度而变化的双金属构成的保持基板200来作为应力施加部。然而，只要应力施加部能根据温度来对第二半导体层107施加拉伸应力即可， 还能设为其他的构成。例如，如图8所示，可以将具有如下部分的保持基板集合300作为应力施加部由曲率半径根据施加的电压而变化的压电双晶片构成的保持基板主体301 ；和对保持基板主体301施加与温度对应的电压的电压施加电路303。在这种情况下也能得到与将由双金属构成的保持基板200作为应力施加部的情况同样的效果。将电压施加电路303设为例如依照预先设定的模式来对保持基板主体301施加电压即可。另外，如图9所示，可以设置检测晶体管主体100的温度的温度检测部305，通过温度检测部305的输出来控制电压施加电路303。在这种情况下，温度检测部305不一定非要对晶体管主体100的温度进行实测，可以构成为通过测定周边的温度来估计晶体管100 主体的温度。另外，如图10所示，晶体管主体100可以以形成基板101为上侧来进行固定。 压电双晶片使用例如用溅射法等在Al等金属上沉积锆钛酸铅(PZT)后得到的产物即可。另外，如图11所示，可以将应力施加部设为形成于与形成基板101的形成有半导体层的面为相反侧的面(背面)的应力施加膜501。在这种情况下，作为应力施加膜501，使用与形成基板101相比热膨胀系数小的膜即可。例如，在以形成基板101为Si基板的情况下，作为应力施加膜501，使用S^2或者抑制温度依赖性的铁镍合金等即可。在本构成中， 由于在形成基板101的背面侧形成应力施加膜501，因此即使应力施加膜501具有导电性也没有任何问题。在图11所示的构成中，随着温度上升，施加于第二半导体层107的拉伸应力变大，因此2DEG层的载流子浓度增大，其结果是，抑制晶体管的沟道电阻的温度依赖性。还可以设为不是从形成基板101侧而是从半导体侧施加应力的构成。在这种情况下，如图12所示，设为在第二半导体层107之上形成应力施加膜502的构成即可。在这种情况下，作为应力施加膜502，使用与形成基板101相比热膨胀系数大的膜即可。例如，在以形成基板101为Si基板的情况下，利用LiNb03、LiTaO3或者BaTiO3等形成应力施加膜502 即可。在第二半导体层107侧形成应力施加膜502的情况下，优选使用绝缘性的膜以使在晶体管主体100的通电时不造成影响。可以将应力施加部设为图13所示的构成。如图13所示，应力施加部具有在主面有弯曲的保持基板601、应力施加基板603、和因热而伸缩的推压支柱605。应力施加基板 603按照在保持基板601之上夹持晶体管主体100的方式进行固定。应力施加基板603只要能在保持基板601之上空出间隔进行固定，就无论用哪种方法进行固定都可以。例如，可以在保持基板601和应力施加基板603之间设置支柱来进行固定。在保持基板601和应力施加基板603之间载置有晶体管主体100。晶体管主体100通过配置于应力施加基板603 和晶体管主体100之间的推压支柱605，被挤压到保持基板601。推压支柱605由热膨胀系数大的材料构成，随着温度的上升，将晶体管主体100挤压到保持基板601的力逐渐变大。 因此，在晶体管主体100产生弯曲，且曲率半径随温度的上升而变小。由此，随温度上升，施加于第二半导体层107的拉伸应力变大，因此2DEG层的载流子浓度增大，其结果是，晶体管的沟道电阻的温度依赖性被抑制。用于推压支柱605的材料的热膨胀系数根据对晶体管主体施加的应力来适当决定即可。但是，为了高效地施加应力，优选为与保持基板601、应力施加基板603以及形成基板101相比热膨胀系数大的材料。推压支柱605可以对由具有压电效应的材料构成的推压支柱主体、和根据温度来对推压支柱主体施加电压的电压施加电路进行组合。进而，还可以设为如下构成设置检测晶体管主体100的温度的温度检测部，并基于检测结果来控制电压施加电路。在图13中，保持基板601成为上面侧弯曲为凸型的形状。这样，能由第二半导体层107高效地施加拉伸应力。但是，保持基板601也不一定必须有弯曲。另外，尽管示出了以形成基板101处于下侧地在保持基板601之上载置晶体管主体100的例子，但也可以以形成基板101处于上侧来进行载置。在这种情况下，设为由推压支柱605推压晶体管主体 100的中央部的构成即可。晶体管主体100只要通过推压产生弯曲即可，可以通过焊锡等粘接材料固定于保持基板601。此外，尽管在本实施方式中，作为对HEMT和保持基板进行粘接的方法举了焊锡的例子，但并不限于此。例如，在Si基板上形成HEMT的情况下，在将Si基板侧载置于在本实施方式中所示的保持基板上后，能通过一边加压一边在氢气环境下实施退火处理，来对 HEMT和保持基板进行粘接。尽管在本实施方式中，将第一半导体层105设为GaN，且将第二半导体层107设为AlGaN，但只要第二半导体层107的带隙大于第一半导体层105的带隙，也可以使用其他组成的半导体层。例如，能使用在构成元素中包含h、Ga以及Al中的至少1个和N的任意组成的氮化物半导体层。另外，不限于二维或三维的化合物半导体，还可以为四维以上的化合物半导体。另外，只要是具有异质结边界面的半导体层的HEMT，电极的构成等作适当变更也没有关系。进而，尽管在本实施方式中，以使用了氮化物半导体的HEMT为例进行了说明，但本公开的内容明确了只要是通过压电效应来生成2DEG层的系统，就同样能成立。因此，在本实施方式中所示的构成在采用氮化物半导体以外的材料的情况下也适用。例如，对于在第一半导体层105中采用&ι0，在第二半导体层107中采用ZnMgO，并利用在ZnO和ZnMgO 之间的边界面生成的2DEG层的半导体装置也能适用。本发明公开的晶体管及其控制系统，能够实现随着温度变化而沟道电阻的变化小的晶体管，尤其作为采用氮化物半导体的功率晶体管及其控制系统等有用。
权利要求
1.一种晶体管，具备晶体管主体，其具有形成基板、在该形成基板之上依次层叠的第一半导体层以及与该第一半导体层相比带隙大的第二半导体层；和应力施加部，其对所述晶体管主体施加应力，以使施加于所述第二半导体层的拉伸应力随温度的上升而变大。
2.根据权利要求1所述的晶体管，其中， 所述应力施加部是由双金属构成的保持基板， 所述晶体管主体固定于所述保持基板之上。
3.根据权利要求2所述的晶体管，其中， 所述双金属由铜和铝形成。
4.根据权利要求1所述的晶体管，其中，所述应力施加部具有由压电双晶片构成的保持基板、和根据温度对所述保持基板施加电压的电压施加电路，所述晶体管主体固定于所述保持基板之上。
5.根据权利要求4所述的晶体管，其中，所述应力施加部具有检测所述晶体管主体的温度的温度检测部，所述电压施加电路根据所述温度检测部检测出的温度来对所述保持基板施加电压。
6.根据权利要求2所述的晶体管，其中，所述保持基板的弯曲的方向是使在所述第一半导体层和所述第二半导体层之间的边界面生成的载流子浓度变大的方向。
7.根据权利要求2所述的晶体管，其中，所述保持基板的弯曲的方向是对薄层电阻的温度引起的变化进行补偿的方向。
8.根据权利要求2所述的晶体管，其中，所述保持基板的弯曲的方向是上面侧成为凸型的方向。
9.根据权利要求8所述的晶体管，其中，所述晶体管主体以所述形成基板为下侧地被固定于所述保持基板之上。
10.根据权利要求2所述的晶体管，其中，所述保持基板的弯曲的方向是上面侧成为凹型的方向。
11.根据权利要求10所述的晶体管，其中，所述晶体管主体具有形成于所述第二半导体层之上的绝缘膜，并使所述绝缘膜位于下方地被固定于所述保持基板之上。
12.根据权利要求1所述的晶体管，其中， 所述应力施加部具有保持基板，其载置所述晶体管主体；应力施加基板，其按照夹持所述晶体管主体的方式固定于所述保持基板之上；和推压支柱，其设置于所述应力施加基板和所述晶体管主体之间，并根据温度进行伸缩。
13.根据权利要求12所述的晶体管，其中，所述推压支柱由与所述形成基板相比热膨胀系数大的材料构成。
14.根据权利要求12所述的晶体管，其中，所述推压支柱具有推压支柱主体，其由压电材料构成；和电压施加电路，其根据温度来对所述推压支柱主体施加电压。
15.根据权利要求1所述的晶体管，其中，所述应力施加部形成于所述形成基板中的与所述第一半导体层相反侧的面上，是与所述形成基板相比热膨胀系数小的应力施加膜。
16.根据权利要求1所述的晶体管，其中，所述应力施加部形成于所述第二半导体层之上，是与所述形成基板相比热膨胀系数大的应力施加膜。
17.根据权利要求1所述的晶体管，其中，由所述应力施加部施加给所述晶体管主体的应力的最大值是不会使所述形成基板的曲率半径小于250m的值。
18.一种晶体管控制系统，具备晶体管主体，其具有形成基板、在该形成基板之上依次层叠的第一半导体层以及与该第一半导体层相比带隙大的第二半导体层；温度检测部，其检测所述晶体管主体的温度；和应力施加部，其对所述第二半导体层施加与所述温度检测部的输出对应的强度的拉伸应力。
全文摘要
晶体管具备晶体管主体(100)、和对晶体管主体施加应力的应力施加部(200)。晶体管主体(100)具有形成基板(101)、在形成基板(101)之上依次层叠的第一半导体层(105)以及与第一半导体层(105)相比带隙大的第二半导体层(107)。应力施加部(200)按照施加于第二半导体层(107)的拉伸应力随温度的上升而变大的方式对晶体管主体(100)施加应力。
文档编号H01L29/812GK102326238SQ20098015695
公开日2012年1月18日 申请日期2009年10月14日 优先权日2009年2月18日
发明者上田哲三, 田中健一郎 申请人:松下电器产业株式会社