JP2001102564A - 窒化物半導体装置 - Google Patents
窒化物半導体装置Info
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Abstract
ゾ電荷によるクーロン散乱を軽減して、チャネル層の本
来の高い電子移動度の実現を図る。 【解決手段】n型不純物をドープした窒化アルミニウム
・ガリウムから成る電子供給層6と、ノンドープの窒化
ガリウムまたは窒化インジウム・ガリウムから成るチャ
ネル層4とのヘテロ接合を有する選択ドープ構造におい
て、上記電子供給層6と上記チャネル層4との間に、弾
性的な歪みを有しない、従って弾性歪みが小さくピエゾ
電荷の現れない窒化化合物半導体から成るスペーサ層5
を挿入する。
Description
合物半導体を使用した窒化物半導体装置、特に高電子移
動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility
Transistor )の如きヘテロ接合を有する窒化物半導体
装置に関するものである。
た電界効果型トランジスタの従来例を示すものである。
図5に示した電界効果型トランジスタは、いわゆるHE
MT構造のものであり、サファイア基板1の上にバッフ
ァ層2、チャネル層4、電子供給層6を順次積層した構
造のエピタキシャルウェハより作成される。
ガス(2DEG)を利用する素子であり、ヘテロ構造を
有した化合物半導体素子である。
電子移動度トランジスタでは、電子供給層6であるn型
不純物をドープした層に窒化アルミニウム・ガリウム
(AlGaN)を、そしてチャネル層4となるノンドー
プ層に窒化インジウム・ガリウム(InGaN)または
窒化ガリウム(GaN)を使用した選択ドープ構造を用
いている。
高電子移動度トランジスタには、次のような問題点があ
る。
・ガリウムは、圧電係数が大きいため、ピエゾ効果の大
きな材料である。しかも、上記選択ドープ構造では、窒
化アルミニウム・ガリウムの格子定数が窒化ガリウムよ
り小さいために、大きな引張応力を内在することにな
り、ヘテロ界面には大きなピエゾ電荷が形成される。
子供給層とチャネル層との間のヘテロ界面のチャネル層
側に蓄積する2次元電子ガスの濃度が高くなるように、
かつ、電子移動度が大きくなるようにする必要がある。
その影響で、ヘテロ界面には高濃度の2次元電子ガスが
形成され、高電子移動度トランジスタのオン抵抗を低減
し、デバイスの特性向上に寄与するという利点をもたら
す。しかし、その反面、このピエゾ電荷は2次元電子ガ
スに近接して形成されるために、ピエゾ電荷によるクー
ロン散乱が非常に大きくなってしまい、電子移動度の低
下や高周波特性の劣化を生じさせてしまう。
し、ヘテロ界面のピエゾ電荷によるクーロン散乱を軽減
して、本来の高い電子移動度を実現し得る窒化物半導体
装置の構造を提供することにある。
め、本発明は、n型不純物をドープした窒化アルミニウ
ム・ガリウムから成るn型層と、ノンドープの窒化ガリ
ウムまたは窒化インジウム・ガリウムから成るノンドー
プ層とのヘテロ接合を有する選択ドープ構造において、
上記n型層と上記ノンドープ層との間に弾性的な歪みを
有しない窒化化合物半導体層を挿入したことを特徴とす
るものである(請求項1)。
入する窒化化合物半導体層としては、窒化ガリウムに格
子定数が等しい化合物半導体を用いるのが好ましい(請
求項2)。これには例えば窒化アルミニウム・ガリウム
・インジウムがある(請求項3)。
ランジスタの電子供給層とチャネル層とした構成(請求
項4)にすることで、例えば高電子移動度トランジスタ
を得ることができる。
ム・ガリウム電子供給層のチャネル層側に出現する。こ
のため、2次元電子ガスはこのピエゾ電荷によって大き
なクーロン散乱を受け,本来の高い電子移動度が実現し
ない。
トランジスタなど、既存のトランジスタであれば、ピエ
ゾ効果は小さく無視できるために、従来では、電子供給
層のイオン化したドナーによるクーロン散乱だけを考慮
すればよかった。そのため、これを弱めるために、ヘテ
ロ界面に「スペーサ層」と呼ばれる電子供給層と電子親
和力が等しく、かつドナー不純物を含まない層を設ける
ことでチャネル層の移動度を増すことができた。
ム(AlGaN)を電子供給層に使用する窒化ガリウム
(GaN)系高電子移動度トランジスタの場合には、弾
性歪みによるピエゾ電荷が問題となるので、従来のドナ
ー不純物を含まない層を設ける方法ではピエゾ効果は抑
止することができず、効果がない。つまり、電子供給層
と同じ窒化アルミニウム・ガリウムをスペーサ層に使用
しても、この層も弾性的に歪んでいるため、ピエゾ電荷
が発生してしまい、クーロン散乱を軽減する役に立たな
い。
記n型層と上記ノンドープ層との間に、スペーサ層とし
て、弾性的な歪みを有しない窒化化合物半導体層、つま
り弾性歪みが小さくピエゾ電荷の現れない層を挿入し使
用する。このような窒化化合物半導体は窒化ガリウムに
格子定数が等しい化合物半導体であり、例えば窒化アル
ミニウム・ガリウム・インジウムがある。即ち、スペー
サ層の窒化アルミニウム・ガリウムにインジウムを添加
すると、スペーサ層の格子定数が大きくなり、窒化ガリ
ウムと格子整合させることができ、ピエゾ電荷の発生を
抑止することができる。このため、窒化アルミニウム・
ガリウム・インジウムに本来のスペーサとしての働きを
させることができる。
基づいて説明する。
ての高電子移動度トランジスタの作成に用いたエピタキ
シャルウェハの断面構造を模式的に示したものである。
にGaNバッファ層2及びアンドープGaN層3を設
け、その上に膜厚10nmのアンドープInGaNチャネ
ル層4を設け、さらにその上に膜厚2nmのアンドープ
(Al0.25Ga0.75)1-x InxNスペーサ層5を介し
て、膜厚30nmのn型Al0.25Ga0.75N電子供給層6
を設けている。この構造は、アンドープInGaNチャ
ネル層4とn型Al0.25Ga0.75N電子供給層6との間
に、アンドープ(Al0.25Ga0.75)1-x Inx Nスペ
ーサ層5を設けている点に特色がある。
す上記断面構造のエピタキシャルウェハを作製した。II
I 族原料にはトリメチルガリウム、トリメチルアルミニ
ウム、トリメチルインジウムを、また窒素原料にはアン
モニアを使用し、キャリアガスには水素、窒素を使用し
た。
der Pauw法によるHall測定にて評価した。
サ層5の(Al0.25Ga0.75)1-xInx NのIn組成
xとの相関を示した図である。
リウム・インジウムのインジウム量、つまり(Al0.25
Ga0.75)1-x Inx NのIn組成xを変えて、電子移
動度μ(cm2 /Vs)を測定したところ、図2に示すよ
うにインジウムInを添加するにしたがって大きく変化
した。
示す。図3は、2次元電子ガスのシートキャリア濃度N
s(×1013cm-2)とスペーサ層5の(Al0.25Ga
0.75)1-x Inx NのIn組成xとの相関を示した図で
ある。
%(In組成x=0.10)を越えると、シートキャリ
ア濃度Nsが大きく減少し始める。このため、電子移動
度μの変化も考慮に入れると、インジウム組成5%(x
=0.05)がこの構造では最適であると分かる。この
例ではインジウム添加前のアルミニウムの組成が25%
であった。
5)の時の格子定数のインジウム組成依存性を調べたと
ころ、図4に示す通りであった。この図4は、スペーサ
層5の(Al0.25Ga0.75)1-x Inx NのIn組成x
と格子定数a(nm)の関係を示している。
位置を示している。実線は、スペーサ層5の格子定数a
が、その(Al0.25Ga0.75)1-x Inx NのIn組成
xの変化と共に変化する様子を示している。この2つの
ラインの交点が、スペーサ層5の格子定数aがGaNの
格子定数と一致した所になる。即ち、図4中に矢印で示
すように、インジウム組成が5.1%の時、スペーサ層
5がほぼ窒化ガリウムと格子整合する。
には、スペーサ層5の(Al0.25Ga0.75)1-x Inx
NのIn組成xを調整して、x=0.05(インジウム
組成5.1%)とすればよい。このインジウム組成5.
1%の点は、図3で説明したように、2次元電子ガスの
シートキャリア濃度Nsとスペーサ層5のIn組成xと
の相関関係が最適な所でもある。
格子整合させることにより、ヘテロ接合におけるピエゾ
電荷が減少して、クーロン散乱が軽減され、本来の高い
電子移動度が実現される。
度トランジスタは、10〜100GHz の高周波帯域で高
効率高出力が期待できるため、これからの超高速無線L
AN用、ワイヤレスCATV用の高効率パワートランジ
スタとして利用の拡大が期待される。
は、効率、パワー密度ともに不足しており、そのために
仮に製作しても効率、パワー密度の不足分を、素子を並
列化、大型化することでカバーせざるを得ず、高価にな
る、放熱が問題になるなど、といった課題が多い。本実
施形態で述べた窒化物系高電子移動度トランジスタ素子
が実用化されることで、これら課題が解決され、コンパ
クトで低価格かつ高効率な素子が実現できる。
の発明によれば、n型不純物をドープした窒化アルミニ
ウム・ガリウムから成るn型層と、ノンドープの窒化ガ
リウムまたは窒化インジウム・ガリウムから成るノンド
ープ層とのヘテロ接合を有する選択ドープ構造におい
て、上記n型層と上記ノンドープ層との間に弾性的な歪
みを有しない窒化化合物半導体層を挿入したので、これ
がピエゾ電荷の現れないスペーサ層を挿入したことと等
価的に作用し、クーロン散乱を軽減して、チャネル層の
本来の高い電子移動度を実現することができる。
ェハの断面構造を模式的に示した図である。
0.25Ga0.75)1-x Inx NのIn組成xとの相関を示
した図である。
サ層の(Al0.25Ga0.75)1-x Inx NのIn組成x
との相関を示した図である。
NのIn組成xと格子定数の関係を示した図である。
ハの断面構造を模式的に示した図である。
Claims (4)
- 【請求項1】n型不純物をドープした窒化アルミニウム
・ガリウムから成るn型層と、ノンドープの窒化ガリウ
ムまたは窒化インジウム・ガリウムから成るノンドープ
層とのヘテロ接合を有する選択ドープ構造において、上
記n型層と上記ノンドープ層との間に弾性的な歪みを有
しない窒化化合物半導体層を挿入したことを特徴とする
窒化物半導体装置。 - 【請求項2】請求項1記載の窒化物半導体装置におい
て、上記n型層と上記ノンドープ層との間に挿入する窒
化化合物半導体層として、窒化ガリウムに格子定数が等
しい化合物半導体を用いたことを特徴とする窒化物半導
体装置。 - 【請求項3】請求項2記載の窒化物半導体装置におい
て、上記n型層と上記ノンドープ層との間に挿入する窒
化化合物半導体層として、窒化アルミニウム・ガリウム
・インジウムを用いたことを特徴とする窒化物半導体装
置。 - 【請求項4】請求項1、2又は3記載の窒化物半導体装
置において、上記n型層とノンドープ層を電界効果型ト
ランジスタの電子供給層とチャネル層としたことを特徴
とする窒化物半導体装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27542999A JP3723018B2 (ja) | 1999-09-29 | 1999-09-29 | 窒化物半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002314123A (ja) * | 2001-04-18 | 2002-10-25 | Sony Corp | 素子の転写方法及びこれを用いた素子の配列方法、画像表示装置の製造方法 |
KR100815422B1 (ko) * | 2002-02-26 | 2008-03-20 | 주식회사 엘지이아이 | 이종구조 전계효과 트랜지스터 제조방법 |
JP2011082552A (ja) * | 2010-12-08 | 2011-04-21 | Fujitsu Ltd | 化合物半導体積層構造 |
JP2013141036A (ja) * | 2013-04-22 | 2013-07-18 | Fujitsu Ltd | 化合物半導体積層構造 |
CN106505102A (zh) * | 2016-12-12 | 2017-03-15 | 英诺赛科(珠海)科技有限公司 | 高迁移率氮化镓半导体器件及其制备方法 |
-
1999
- 1999-09-29 JP JP27542999A patent/JP3723018B2/ja not_active Expired - Fee Related
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