JP2014063917A - 化合物半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】GaNからなる電子走行層3と、電子走行層3の上方でゲート絶縁膜4を介して形成されたゲート電極8とを含み、電子走行層3は、ゲート電極8の下方に位置する部分において、第1の極性面となるGa-faceのGaN層3aと、第1の極性面と分極電荷が逆性の第2の極性面となるN-faceのGaN層3bとが交互に設けられる。
【選択図】図6
Description
図1(a)のように、温度が高くなるほど、C−V曲線が右側へシフトすることが判る。このことは、温度が高くなるにつれて、負の自発分極電荷が増加することを意味している。
図1(b)のように、理論上ではフラットバンド電圧の温度依存性は非常に小さいが、負の自発分極電荷の温度依存性により、フラットバンド電圧の温度依存性が非常に大きくなることが問題となっている。
本実施形態では、化合物半導体装置として、窒化物半導体のGaN・HEMTを開示する。
図2〜図4は、第1の実施形態によるGaN・HEMTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。図5は、(a)が図2(c)に、(b)が図4(b)に対応する概略平面図である。
成長用基板として、例えばSi基板1を用意する。Si基板の代わりに、SiC基板、サファイア基板、GaAs基板、GaN基板等を用いても良い。基板の導電性としては、半絶縁性、導電性を問わない。
Si基板1上に、例えば有機金属気相成長(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法により、AlNを10nm〜100nm程度の厚みに成長する。AlNの成長条件としては、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(TMAl)ガス及びアンモニア(NH3)ガスの混合ガスを用いる。NH3ガスの流量は、100ccm〜10LM程度とする。また、成長圧力は50Torr〜300Torr程度、成長温度は1000℃〜1200℃程度とする。これにより、バッファ層2が形成される。MOVPE法の代わりに、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法等を用いても良い。バッファ層2としては、AlNの代わりにAlGaNを用いたり、低温成長でGaNを成長するようにしても良い。
詳細には、バッファ層2におけるN-faceのGaN層の成長予定位置、ここでは長手方向が後述するゲート電極の長手方向(ゲート幅方向)と略平行となるストライプ状に、所定間隔に複数(図示の例では2本)の溝2aを形成する。溝2aの幅は0.1μm程度以下に規定する。N-faceとは、表面(上面)がc−面(000−1)となるN面を意味する。ここで、「c−」、「−1」はそれぞれc上及び1上に−を付記したものと同義とする。溝2aを形成するには、バッファ層2上にレジストを塗布し、レジストをリソグラフィーにより加工してレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いてバッファ層2をドライエッチングする。以上により、バッファ層2に、底面にSi基板1の表面が露出する溝2aが形成される。
詳細には、バッファ層2上に、MOVPE法により、GaNを1μm程度の厚みに成長する。GaNの成長条件としては、原料ガスとしてトリメチルガリウム(TMGa)ガス及びNH3ガスの混合ガスを用いる。NH3ガスの流量は、100ccm〜10LM程度とする。また、成長圧力は50Torr〜300Torr程度、成長温度は1000℃〜1200℃程度とする。これにより、電子走行層3が形成される。MOVPE法の代わりにMBE法等を用いても良い。
バッファ層2及び電子走行層3から、化合物半導体積層構造10が構成される。
詳細には、電子走行層3上に絶縁材料として例えばSiO2を堆積する。SiO2は、例えばCVD法により膜厚40nm程度に堆積する。SiO2をリソグラフィー及びドライエッチングで加工し、ゲート電極の形成予定位置に残す。これにより、ゲート絶縁膜4が形成される。
なお、SiO2の代わりに、SiNや、Al2O3、Alの窒化物又は酸窒化物等を堆積するようにしても良い。
詳細には、電子走行層3におけるゲート絶縁膜4の両側のソース電極及びドレイン電極の形成予定位置に、n型不純物、ここではシリコン(Si)を1×1020/cm3以上にイオン注入する。これにより、電子走行層3に不純物拡散層5a,5bが形成される。
詳細には、化合物半導体積層構造10の素子分離領域に、例えばアルゴン(Ar)を注入する。これにより、化合物半導体積層構造10及びSi基板1の表層部分に素子分離構造が形成される。素子分離構造により、化合物半導体積層構造10上で活性領域が画定される。
なお、素子分離は、上記の注入法の代わりに、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法を用いて行っても良い。このとき、化合物半導体積層構造10のドライエッチングには、例えば塩素系のエッチングガスを用いる。
詳細には、先ず、ゲート絶縁膜4上を含む電子走行層3の表面にレジストを塗布し、レジストにリソグラフィーにより不純物拡散層5a,5bを露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばTi/Alを、例えば蒸着法により、不純物拡散層5a,5bを露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Tiの厚みは20nm程度、Alの厚みは200nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したTi/Alを除去する。その後、Si基板1を、例えば窒素雰囲気中において400℃〜1000℃程度の温度、例えば600℃程度で熱処理し、残存したTi/Alを不純物拡散層5a,5bとオーミックコンタクトさせる。Ti/Alの不純物拡散層5a,5bとのオーミックコンタクトが得られるのであれば、熱処理が不要な場合もある。以上により、不純物拡散層5a,5b上にソース電極6及びドレイン電極7が形成される。
詳細には、先ず、ゲート絶縁膜4上、ソース電極6上、及びドレイン電極7上を含む電子走行層3の表面にレジストを塗布し、レジストにリソグラフィーによりゲート絶縁膜4を露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばNi/Auを、例えば蒸着法により、ゲート絶縁膜4を露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Niの厚みは30nm程度、Auの厚みは400nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したNi/Auを除去する。以上により、ゲート絶縁膜4上にゲート電極8が形成される。
詳細には、先ず、ソース電極6とゲート電極8との間、及びドレイン電極7とゲート電極8との間を埋め込むように、全面に絶縁物、例えばSiO2をCVD法等により堆積する。
SiO2をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工し、ソース電極6とゲート電極8との間、及びドレイン電極7とゲート電極8との間に残存させる。以上により、ソース電極6とゲート電極8との間、及びドレイン電極7とゲート電極8との間を埋め込む保護膜9が形成される。
本実施形態のGaN・HEMTでは、図6のように、ゲート電極8の下方部位(ゲート絶縁膜4の直下部分)に、Ga-FaceのGaN層3aとN-FaceのGaN層3bとが交互に多層形成されている。GaNの自発分極により、Ga-FaceのGaN層3aの表面近傍では負の自発分極電荷が存在し、N-FaceのGaN層3bの表面近傍では負の自発分極電荷とは逆性である正の自発分極電荷が存在する。これにより、ゲート絶縁膜4の直下部分の全体としてみれば、GaNの自発分極電荷が略平均化されて中和する。この場合、温度が変化しても、Ga-FaceのGaN層3aとN-FaceのGaN層3bとで生じる自発分極電荷の変化量は略同一である。そのため、自発分極電荷の中和により、GaN・HEMTにおける閾値電圧の温度依存性及びフラットバンド電圧の温度依存性が解消される。
一方、ゲート電極8に正電圧を印加すると、電子走行層3のゲート絶縁膜4との界面近傍に2次元電子ガス(2DEG)が蓄積され、ドレイン電圧の印加により電流が流れ、トランジスタがオン状態となる。
図5(b)において、ゲート電極の下方部位に存するGa-FaceのGaN層3a及びN-FaceのGaN層3bの各幅Lを変えた場合について、自発分極電荷の中和作用の有無をシミュレーション(TACD計算)により調べた。シミュレーションでは、電極金属/Al2O3/n−GaNの構造を用いた。Al2O3の厚みを40nm、n−GaNのn型不純物ドープ濃度を1×1015/cm3に設定した。自発分極電荷を、1×1012/cm3の正及び負の固定電荷としてAl2O3/GaN界面に設定した。金属電極を、Ti(仕事関数4.25eV)で設定した。
(b)では電子密度は不均一であり、(c)では電子密度は未だ十分に均一であるとは言えない。(d)では、電子密度は略均一となっている。以上より、幅Lを0.1μm以下とすることにより、電子密度の十分な均一性が得られるものと評価することができる。
図8により、Ga-FaceのGaN層3a及びN-FaceのGaN層3bの各幅Lが1μmである場合には、C−V曲線の右から左への立ち下がりは2段階となる。そのため、C−V曲線では2回空乏状態へ変化し、電荷は中和していないと考えられる。一方、幅Lが狭くなることにより、C−V特性が自発分極電荷の無い場合の特性に近づく結果となる。従って、幅Lを0.1μm以下にすることで、自発分極電荷は中和することが計算結果より判明した。本実施形態では、幅Lを0.1μm以下とした電子走行層を例示している。
図9に示すように、電子走行層を本実施形態による構造として自発分極電荷を中和させることにより、GaN・HEMTの閾値電圧及びフラットバンド電圧の温度依存性が、従来構造に比して80%〜90%低減することが確認された。
本実施形態では、第1の実施形態と同様にGaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、電子走行層の構造が異なる点で相違する。なお、第1の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図10〜図12は、第2の実施形態によるGaN・HEMTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。図13は、(a)が図10(c)に、(b)が図12(b)に対応する概略平面図である。
Si基板1上に、例えばMOVPE法により、AlNを10nm〜100nm程度の厚みに成長する。AlNの成長条件としては、原料ガスとしてTMAlガス及びNH3ガスの混合ガスを用いる。NH3ガスの流量は、100ccm〜10LM程度とする。また、成長圧力は50Torr〜300Torr程度、成長温度は1000℃〜1200℃程度とする。これにより、バッファ層2が形成される。MOVPE法の代わりに、MBE法等を用いても良い。バッファ層2としては、AlNの代わりにAlGaNを用いたり、低温成長でGaNを成長するようにしても良い。
詳細には、バッファ層2におけるN-faceのGaN層の成長予定位置、ここでは長手方向が後述するゲート電極の長手方向(ゲート幅方向)と略直交するストライプ状に、所定間隔に複数(図示の例では2本)の溝2bを形成する。溝2bの幅は0.1μm程度以下に規定する。溝2bを形成するには、バッファ層2上にレジストを塗布し、レジストをリソグラフィーにより加工してレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いてバッファ層2をドライエッチングする。以上により、バッファ層2に、底面にSi基板1の表面が露出する溝2bが形成される。
詳細には、バッファ層2上に、MOVPE法により、GaNを1μm程度の厚みに成長する。GaNの成長条件としては、原料ガスとしてTMGaガス及びNH3ガスの混合ガスを用いる。NH3ガスの流量は、100ccm〜10LM程度とする。また、成長圧力は50Torr〜300Torr程度、成長温度は1000℃〜1200℃程度とする。これにより、電子走行層3が形成される。MOVPE法の代わりにMBE法等を用いても良い。
バッファ層2及び電子走行層3から、化合物半導体積層構造10が構成される。
詳細には、電子走行層3上に絶縁材料として例えばSiO2を堆積する。SiO2は、例えばCVD法により膜厚40nm程度に堆積する。SiO2をリソグラフィー及びドライエッチングで加工し、ゲート電極の形成予定位置に残す。これにより、ゲート絶縁膜4が形成される。
なお、SiO2の代わりに、SiNや、Al2O3、Alの窒化物又は酸窒化物等を堆積するようにしても良い。
詳細には、電子走行層3におけるゲート絶縁膜4の両側のソース電極及びドレイン電極の形成予定位置に、n型不純物、ここではシリコン(Si)を1×1020/cm3以上にイオン注入する。これにより、電子走行層3に不純物拡散層5a,5bが形成される。
詳細には、化合物半導体積層構造10の素子分離領域に、例えばアルゴン(Ar)を注入する。これにより、化合物半導体積層構造10及びSi基板1の表層部分に素子分離構造が形成される。素子分離構造により、化合物半導体積層構造10上で活性領域が画定される。
なお、素子分離は、上記の注入法の代わりに、例えばSTI法を用いて行っても良い。このとき、化合物半導体積層構造10のドライエッチングには、例えば塩素系のエッチングガスを用いる。
詳細には、先ず、ゲート絶縁膜4上を含む電子走行層3の表面にレジストを塗布し、レジストにリソグラフィーにより不純物拡散層5a,5bを露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばTi/Alを、例えば蒸着法により、不純物拡散層5a,5bを露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Tiの厚みは20nm程度、Alの厚みは200nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したTi/Alを除去する。その後、Si基板1を、例えば窒素雰囲気中において400℃〜1000℃程度の温度、例えば600℃程度で熱処理し、残存したTi/Alを不純物拡散層5a,5bとオーミックコンタクトさせる。Ti/Alの不純物拡散層5a,5bとのオーミックコンタクトが得られるのであれば、熱処理が不要な場合もある。以上により、不純物拡散層5a,5b上にソース電極6及びドレイン電極7が形成される。
詳細には、先ず、ゲート絶縁膜4上、ソース電極6上、及びドレイン電極7上を含む電子走行層3の表面にレジストを塗布し、レジストにリソグラフィーによりゲート絶縁膜4を露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばNi/Auを、例えば蒸着法により、ゲート絶縁膜4を露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Niの厚みは30nm程度、Auの厚みは400nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したNi/Auを除去する。以上により、ゲート絶縁膜4上にゲート電極8が形成される。
詳細には、先ず、ソース電極6とゲート電極8との間、及びドレイン電極7とゲート電極8との間を埋め込むように、全面に絶縁物、例えばSiO2をCVD法等により堆積する。
SiO2をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工し、ソース電極6とゲート電極8との間、及びドレイン電極7とゲート電極8との間に残存させる。以上により、ソース電極6とゲート電極8との間、及びドレイン電極7とゲート電極8との間を埋め込む保護膜9が形成される。
本実施形態でも、第1の実施形態と同様に、Ga-FaceのGaN層3a及びN-FaceのGaN層3bの各幅Lは共に0.1μm以下とされる。
本実施形態のGaN・HEMTでは、図14のように、ゲート電極8の下方部位(ゲート絶縁膜4の直下部分)に、Ga-FaceのGaN層3aとN-FaceのGaN層3bとが交互に多層形成されている。GaNの自発分極により、Ga-FaceのGaN層3aの表面近傍では負の自発分極電荷が存在し、N-FaceのGaN層3bの表面近傍では正の自発分極電荷が存在する。これにより、ゲート絶縁膜4の直下部分の全体としてみれば、GaNの自発分極電荷が略平均化されて中和する。この場合、温度が変化しても、Ga-FaceのGaN層3aとN-FaceのGaN層3bとで生じる自発分極電荷の変化量は略同一である。そのため、自発分極電荷の中和により、GaN・HEMTにおける閾値電圧の温度依存性及びフラットバンド電圧の温度依存性が解消される。
一方、ゲート電極8に正電圧を印加すると、電子走行層3のゲート絶縁膜4との界面近傍に2次元電子ガス(2DEG)が蓄積され、ドレイン電圧の印加により電流が流れ、トランジスタがオン状態となる。
図15に示すように、電子走行層を本実施形態による構造として自発分極電荷を中和させることにより、GaN・HEMTの閾値電圧及びフラットバンド電圧の温度依存性が、従来構造に比して80%〜90%低減することが確認された。
本実施形態では、第1の実施形態と同様にGaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、電子走行層の構造が異なる点で相違する。なお、第1の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図16〜図18は、第3の実施形態によるGaN・HEMTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。図19は、(a)が図16(c)に、(b)が図18(b)に対応する概略平面図である。
Si基板1上に、例えばMOVPE法により、AlNを10nm〜100nm程度の厚みに成長する。AlNの成長条件としては、原料ガスとしてTMAlガス及びNH3ガスの混合ガスを用いる。NH3ガスの流量は、100ccm〜10LM程度とする。また、成長圧力は50Torr〜300Torr程度、成長温度は1000℃〜1200℃程度とする。これにより、バッファ層2が形成される。MOVPE法の代わりに、MBE法等を用いても良い。バッファ層2としては、AlNの代わりにAlGaNを用いたり、低温成長でGaNを成長するようにしても良い。
溝2aは、バッファ層2におけるN-faceのGaN層の成長予定位置、ここでは長手方向が後述するゲート電極の長手方向(ゲート幅方向)と略平行となるストライプ状に、所定間隔に複数本(図示の例では2本)形成される。溝2bの幅は0.1μm程度以下に規定する。溝2cは、ドレイン電極の形成予定位置を含むSi基板1の表面の片端部分を露出するように溝2aに沿って形成される。溝2a,2cを形成するには、バッファ層2上にレジストを塗布し、レジストをリソグラフィーにより加工してレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いてバッファ層2をドライエッチングする。以上により、バッファ層2に、底面にSi基板1の表面が露出する溝2a,2cが形成される。
詳細には、バッファ層2上に、MOVPE法により、GaNを1μm程度の厚みに成長する。GaNの成長条件としては、原料ガスとしてTMGaガス及びNH3ガスの混合ガスを用いる。NH3ガスの流量は、100ccm〜10LM程度とする。また、成長圧力は50Torr〜300Torr程度、成長温度は1000℃〜1200℃程度とする。これにより、電子走行層3が形成される。MOVPE法の代わりにMBE法等を用いても良い。
バッファ層2及び電子走行層3から、化合物半導体積層構造10が構成される。
詳細には、電子走行層3上に絶縁材料として例えばSiO2を堆積する。SiO2は、例えばCVD法により膜厚40nm程度に堆積する。SiO2をリソグラフィー及びドライエッチングで加工し、ゲート電極の形成予定位置に残す。これにより、ゲート絶縁膜4が形成される。
なお、SiO2の代わりに、SiNや、Al2O3、Alの窒化物又は酸窒化物等を堆積するようにしても良い。
詳細には、電子走行層3におけるゲート絶縁膜4の両側のソース電極及びドレイン電極の形成予定位置に、n型不純物、ここではシリコン(Si)を1×1020/cm3以上にイオン注入する。これにより、電子走行層3に不純物拡散層5a,5bが形成される。ソース電極の形成予定位置はGa-faceのGaN層3a上となるため、不純物拡散層5aはGa-faceのGaN層3aに形成される。一方、ドレイン電極の形成予定位置はN-faceのGaN層3b上となるため、不純物拡散層5bはN-faceのGaN層3bに形成される。
詳細には、化合物半導体積層構造10の素子分離領域に、例えばアルゴン(Ar)を注入する。これにより、化合物半導体積層構造10及びSi基板1の表層部分に素子分離構造が形成される。素子分離構造により、化合物半導体積層構造10上で活性領域が画定される。
なお、素子分離は、上記の注入法の代わりに、例えばSTI法を用いて行っても良い。このとき、化合物半導体積層構造10のドライエッチングには、例えば塩素系のエッチングガスを用いる。
詳細には、先ず、ゲート絶縁膜4上を含む電子走行層3の表面にレジストを塗布し、レジストにリソグラフィーにより不純物拡散層5a,5bを露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばTi/Alを、例えば蒸着法により、不純物拡散層5a,5bを露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Tiの厚みは20nm程度、Alの厚みは200nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したTi/Alを除去する。その後、Si基板1を、例えば窒素雰囲気中において400℃〜1000℃程度の温度、例えば600℃程度で熱処理し、残存したTi/Alを不純物拡散層5a,5bとオーミックコンタクトさせる。Ti/Alの不純物拡散層5a,5bとのオーミックコンタクトが得られるのであれば、熱処理が不要な場合もある。以上により、Ga-faceのGaN層3aに形成された不純物拡散層5a上にはソース電極6が、N-faceのGaN層3bに形成された不純物拡散層5b上にはドレイン電極7がそれぞれ形成される。
詳細には、先ず、ゲート絶縁膜4上、ソース電極6上、及びドレイン電極7上を含む電子走行層3の表面にレジストを塗布し、レジストにリソグラフィーによりゲート絶縁膜4を露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばNi/Auを、例えば蒸着法により、ゲート絶縁膜4を露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Niの厚みは30nm程度、Auの厚みは400nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したNi/Auを除去する。以上により、ゲート絶縁膜4上にゲート電極8が形成される。
詳細には、先ず、ソース電極6とゲート電極8との間、及びドレイン電極7とゲート電極8との間を埋め込むように、全面に絶縁物、例えばSiO2をCVD法等により堆積する。
SiO2をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工し、ソース電極6とゲート電極8との間、及びドレイン電極7とゲート電極8との間に残存させる。以上により、ソース電極6とゲート電極8との間、及びドレイン電極7とゲート電極8との間を埋め込む保護膜9が形成される。
本実施形態でも、第1の実施形態と同様に、Ga-FaceのGaN層3a及びN-FaceのGaN層3bの各幅Lは共に0.1μm以下とされる。
一方、ゲート電極8に正電圧を印加すると、電子走行層3のゲート絶縁膜4との界面近傍に2次元電子ガス(2DEG)が蓄積され、ドレイン電圧の印加により電流が流れ、トランジスタがオン状態となる。
図20に示すように、電子走行層を本実施形態による構造として自発分極電荷を中和させることにより、GaN・HEMTの閾値電圧及びフラットバンド電圧の温度依存性が、従来構造に比して80%〜90%低減することが確認された。
本実施形態では、第1の実施形態と同様にGaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、電子走行層の構造が異なる点で相違する。なお、第1の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図21〜図23は、第4の実施形態によるGaN・HEMTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。図24は、(a)が図21(c)に、(b)が図23(b)に対応する概略平面図である。
Si基板1上に、例えばMOVPE法により、AlNを10nm〜100nm程度の厚みに成長する。AlNの成長条件としては、原料ガスとしてTMAlガス及びNH3ガスの混合ガスを用いる。NH3ガスの流量は、100ccm〜10LM程度とする。また、成長圧力は50Torr〜300Torr程度、成長温度は1000℃〜1200℃程度とする。これにより、バッファ層2が形成される。MOVPE法の代わりに、MBE法等を用いても良い。バッファ層2としては、AlNの代わりにAlGaNを用いたり、低温成長でGaNを成長するようにしても良い。
詳細には、バッファ層2におけるN-faceのGaN層の成長予定位置、ここでは長手方向が後述するゲート電極の長手方向(ゲート幅方向)と略直交する矩形状で、所定間隔を置いた複数のモザイク状の溝2dを形成する。溝2dの短幅は0.1μm程度以下に規定する。溝2dを形成するには、バッファ層2上にレジストを塗布し、レジストをリソグラフィーにより加工してレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いてバッファ層2をドライエッチングする。以上により、バッファ層2に、底面にSi基板1の表面が露出する溝2dが形成される。
詳細には、バッファ層2上に、MOVPE法により、GaNを1μm程度の厚みに成長する。GaNの成長条件としては、原料ガスとしてTMGaガス及びNH3ガスの混合ガスを用いる。NH3ガスの流量は、100ccm〜10LM程度とする。また、成長圧力は50Torr〜300Torr程度、成長温度は1000℃〜1200℃程度とする。これにより、電子走行層3が形成される。MOVPE法の代わりにMBE法等を用いても良い。
バッファ層2及び電子走行層3から、化合物半導体積層構造10が構成される。
詳細には、電子走行層3上に絶縁材料として例えばSiO2を堆積する。SiO2は、例えばCVD法により膜厚40nm程度に堆積する。SiO2をリソグラフィー及びドライエッチングで加工し、ゲート電極の形成予定位置に残す。これにより、ゲート絶縁膜4が形成される。
なお、SiO2の代わりに、SiNや、Al2O3、Alの窒化物又は酸窒化物等を堆積するようにしても良い。
詳細には、電子走行層3におけるゲート絶縁膜4の両側のソース電極及びドレイン電極の形成予定位置に、n型不純物、ここではシリコン(Si)を1×1020/cm3以上にイオン注入する。これにより、電子走行層3に不純物拡散層5a,5bが形成される。
詳細には、化合物半導体積層構造10の素子分離領域に、例えばアルゴン(Ar)を注入する。これにより、化合物半導体積層構造10及びSi基板1の表層部分に素子分離構造が形成される。素子分離構造により、化合物半導体積層構造10上で活性領域が画定される。
なお、素子分離は、上記の注入法の代わりに、例えばSTI法を用いて行っても良い。このとき、化合物半導体積層構造10のドライエッチングには、例えば塩素系のエッチングガスを用いる。
詳細には、先ず、ゲート絶縁膜4上を含む電子走行層3の表面にレジストを塗布し、レジストにリソグラフィーにより不純物拡散層5a,5bを露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばTi/Alを、例えば蒸着法により、不純物拡散層5a,5bを露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Tiの厚みは20nm程度、Alの厚みは200nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したTi/Alを除去する。その後、Si基板1を、例えば窒素雰囲気中において400℃〜1000℃程度の温度、例えば600℃程度で熱処理し、残存したTi/Alを不純物拡散層5a,5bとオーミックコンタクトさせる。Ti/Alの不純物拡散層5a,5bとのオーミックコンタクトが得られるのであれば、熱処理が不要な場合もある。以上により、不純物拡散層5a,5b上にソース電極6及びドレイン電極7が形成される。
詳細には、先ず、ゲート絶縁膜4上、ソース電極6上、及びドレイン電極7上を含む電子走行層3の表面にレジストを塗布し、レジストにリソグラフィーによりゲート絶縁膜4を露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばNi/Auを、例えば蒸着法により、ゲート絶縁膜4を露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Niの厚みは30nm程度、Auの厚みは400nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したNi/Auを除去する。以上により、ゲート絶縁膜4上にゲート電極8が形成される。
詳細には、先ず、ソース電極6とゲート電極8との間、及びドレイン電極7とゲート電極8との間を埋め込むように、全面に絶縁物、例えばSiO2をCVD法等により堆積する。
SiO2をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工し、ソース電極6とゲート電極8との間、及びドレイン電極7とゲート電極8との間に残存させる。以上により、ソース電極6とゲート電極8との間、及びドレイン電極7とゲート電極8との間を埋め込む保護膜9が形成される。
本実施形態でも、第1の実施形態と同様に、Ga-FaceのGaN層3a及びN-FaceのGaN層3bの各短幅Lは共に0.1μm以下とされる。
一方、ゲート電極8に正電圧を印加すると、電子走行層3のゲート絶縁膜4との界面近傍に2次元電子ガス(2DEG)が蓄積され、ドレイン電圧の印加により電流が流れ、トランジスタがオン状態となる。
図20に示すように、電子走行層を本実施形態による構造として自発分極電荷を中和させることにより、GaN・HEMTの閾値電圧及びフラットバンド電圧の温度依存性が、従来構造に比して90%以上低減することが確認された。
この場合にも、第1〜第4の実施形態の場合と同様に、閾値電圧の温度依存性及びフラットバンド電圧の温度依存性を大幅に低減して、閾値電圧及びフラットバンド電圧を確実に安定化すると共に、オン抵抗を低減し、信頼性の高いノーマリ・オフで高耐圧のHEMTが実現する。
本実施形態では、第1〜第4の実施形態から選ばれた1種のGaN・HEMTを適用した電源装置を開示する。
図26は、第5の実施形態による電源装置の概略構成を示す結線図である。
一次側回路11は、交流電源14と、いわゆるブリッジ整流回路15と、複数(ここでは4つ)のスイッチング素子16a,16b,16c,16dとを備えて構成される。また、ブリッジ整流回路15は、スイッチング素子16eを有している。
二次側回路12は、複数(ここでは3つ)のスイッチング素子17a,17b,17cを備えて構成される。
本実施形態では、第1〜第4の実施形態から選ばれた1種のGaN・HEMTを適用した高周波増幅器を開示する。
図27は、第6の実施形態による高周波増幅器の概略構成を示す結線図である。
ディジタル・プレディストーション回路21は、入力信号の非線形歪みを補償するものである。ミキサー22aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号をミキシングするものである。パワーアンプ23は、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅するものであり、第1〜第4の実施形態から選ばれた1種のGaN・HEMTを有している。なお図27では、例えばスイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー22bで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路21に送出できる構成とされている。
前記電子走行層の上方で絶縁膜を介して形成された電極と
を含み、
前記電子走行層は、前記電極の下方に位置する部分において、第1の極性面となる第1の化合物半導体と、前記第1の極性面と分極電荷が逆性の第2の極性面となる第2の化合物半導体とが交互に設けられることを特徴とする化合物半導体装置。
前記電子走行層の上方に絶縁膜を介して電極を形成する工程と
を含み、
前記電子走行層は、前記電極下に位置する部分において、第1の極性面となる第1の化合物半導体と、前記第1の極性面と分極電荷が逆性の第2の極性面となる第2の化合物半導体とが交互に設けられることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
前記高圧回路はトランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
化合物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層の上方で絶縁膜を介して形成された電極と
を含み、
前記電子走行層は、前記電極下に位置する部分において、第1の極性面となる第1の化合物半導体と、前記第1の極性面と分極電荷が逆性の第2の極性面となる第2の化合物半導体とが交互に設けられることを特徴とする電源回路。
トランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
化合物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層の上方で絶縁膜を介して形成された電極と
を含み、
前記電子走行層は、前記電極下に位置する部分において、第1の極性面となる第1の化合物半導体と、前記第1の極性面と分極電荷が逆性の第2の極性面となる第2の化合物半導体とが交互に設けられることを特徴とする高周波増幅器。
2 バッファ層
2a,2b,2c,2d 溝
3 電子走行層
3a Ga-faceのGaN層
3b N-faceのGaN層
4 ゲート絶縁膜
5a,5b 不純物拡散層
6 ソース電極
7 ドレイン電極
8 ゲート電極
9 保護膜
10 化合物半導体積層構造
11 一次側回路
12 二次側回路
13 トランス
14 交流電源
15 ブリッジ整流回路
16a,16b,16c,16d,16e,17a,17b,17c スイッチング素子
21 ディジタル・プレディストーション回路
22a,22b ミキサー
23 パワーアンプ
Claims (10)
- 化合物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層の上方で絶縁膜を介して形成された電極と
を含み、
前記電子走行層は、前記電極の下方に位置する部分において、第1の極性面となる第1の化合物半導体と、前記第1の極性面と分極電荷が逆性の第2の極性面となる第2の化合物半導体とが交互に設けられることを特徴とする化合物半導体装置。 - 前記第1の化合物半導体と前記第2の化合物半導体とは、平面視で交互にストライプ状に並列することを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。
- 前記第1の化合物半導体と前記第2の化合物半導体とは、平面視で交互にモザイク状に配設されることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。
- 前記電子走行層は、前記電極の両側に位置する部分において、一方は表面が前記第1の極性面となる前記第1の化合物半導体が設けられ、他方は表面が前記第2の極性面となる前記第2の化合物半導体が設けられることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
- 前記第1の化合物半導体と前記第2の化合物半導体とが交互に並列する方向と、前記電極の下方で前記電子走行層に流れる電流の方向とが非平行であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
- 化合物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層の上方に絶縁膜を介して電極を形成する工程と
を含み、
前記電子走行層は、前記電極下に位置する部分において、第1の極性面となる第1の化合物半導体と、前記第1の極性面と分極電荷が逆性の第2の極性面となる第2の化合物半導体とが交互に設けられることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 - 前記第1の化合物半導体と前記第2の化合物半導体とは、平面視で交互にストライプ状に並列することを特徴とする請求項6に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記第1の化合物半導体と前記第2の化合物半導体とは、平面視で交互にモザイク状に配設されることを特徴とする請求項6に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記電子走行層は、前記電極の両側に位置する部分において、一方は表面が前記第1の極性面となる前記第1の化合物半導体が設けられ、他方は前記第2の極性面となる前記第2の化合物半導体が設けられることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記第1の化合物半導体と前記第2の化合物半導体とが交互に並列する方向と、前記電極の下方で前記電子走行層に流れる電流の方向とが非平行であることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
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