JP2001320054A - GaN系絶縁ゲート形電界効果トランジスタ - Google Patents
GaN系絶縁ゲート形電界効果トランジスタInfo
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Abstract
効果トランジスタを提供する。 【解決手段】 n型GaN層14表面に絶縁層を介して
ゲート電極20が形成されているGaN系絶縁ゲート形
電界効果トランジスタにおいて、前記絶縁層は、n型G
aN層14側から、Ga2 O3 層15とSiO2 層16
が交互に積層された積層体17からなる。
Description
ト形電界効果トランジスタに関し、詳しくはゲート電極
直下の絶縁層の構造に関する。
効果トランジスタ(以下、FETと称す)としてMIS
(金属−絶縁層−半導体)構造を持つ絶縁ゲート形FE
Tの開発が最近行われている。この絶縁ゲート形FET
は、半導体表面に絶縁層を介して電圧を印加し、半導体
表面に形成される電流通路(チャネル)の導電度を制御
するものである。MIS絶縁ゲート形FETは、例えば
図3に示すような構造をしている。即ち、p型のSi基
板1を用い、Si基板1のソース電極2、ドレイン電極
3を形成する部分にn型不純物を拡散させて、反転層4
を形成している。そして、Si基板1面全体を酸化させ
てSiO2 層6を形成し、次にフォトレジストなどを用
いてパターニングし、ゲート電極5を形成する部分のS
iO2 層6を残し、ソース電極2、ドレイン電極3を形
成する部分のSiO2 層6を除去している。このような
パターニングを行った後、ソース電極2、ドレイン電極
3、ゲート電極5を形成する。
スはその使用温度の上限は100℃程度であるが、最近
になり、Siを用いた場合よりも高温動作が可能で、高
耐圧に優れるGaN、AlGaNなどのGaN系のワイ
ドバンドギャップ半導体を用いたMIS絶縁ゲート形F
ETが注目されている。しかしながら、GaN系MIS
絶縁ゲート形FETでは、ゲート電極とGaN系半導体
間の絶縁層を従来のようにSiO2 で構成すると、絶縁
層にピンホールなどの欠陥が生じ、印加できるゲート電
圧が低下するという問題があった。
決すべくなされたもので、GaN系半導体表面に絶縁層
を介してゲート電極が形成されているGaN系絶縁ゲー
ト形電界効果トランジスタにおいて、前記絶縁層は、異
なる2種類のアモルファス絶縁層が交互に積層された積
層体であることを特徴とするものである。ここで、異な
る2種類のアモルファス絶縁層とは、積層した状態で
は、一方のアモルファス絶縁層の構造欠陥が他方のアモ
ルファス絶縁層で埋められ、積層体全体としては、貫通
した欠陥が生じることがなく、耐電圧が向上するような
組合せのものである。
れたものである。即ち、アモルファス絶縁層は高い絶縁
破壊電界強度(即ち、薄くて高い耐電圧)を有するが、
アモルファス絶縁層は構造欠陥(ピンホールなど)を有
する場合が多い。そこで、GaN系半導体表面に、上述
のような異なる2種類のアモルファス絶縁層を交互に積
層して積層体を形成すると、この積層体は高い耐電圧を
有し、GaN系絶縁ゲート形電界効果トランジスタのゲ
ート電圧を高めることができる。
施の形態を詳細に説明する。図1(a)〜(c)は、本
発明にかかるGaN系絶縁ゲート形FETの一実施形態
の作製工程を示す図である。本実施形態の作製工程は以
下の通りである。即ち、 1)超高真空状態の成長室において、先ず半絶縁性のサ
ファイア基板11上に、ジメチルヒドラジン(蒸気圧:
3×10-6Torr)とGa(蒸気圧:5×10 -7To
rr)を用いて、分子線エピタキシャル成長法により、
成長温度640℃でGaNバッファ層12を形成する。
次いで、GaNバッファ層12の上にGa(蒸気圧:1
×10-6Torr)、アンモニア(蒸気圧:5×10-5
Torr)を用い、高抵抗のアンドープGaN層13を
2μm形成する。さらに、ドーパントとしてSi(蒸気
圧:5×10-9Torr)を用いて、成長温度850℃
でn型GaN層14を2000Å成長する(図1(a)
参照)。
ッタ蒸着装置を用いて、20〜30Å厚のGa2 O3 層
15を形成し、その上に20〜30Å厚のSiO2 層1
6を積層する。さらに、これらGa2 O3 層15とSi
O2 層16を交互に形成して、最上層をSiO2 層16
とし、トータルの厚さが500Å程度になる積層体17
を形成する(図1(b)参照)。
ーニングして、ソース電極18及びドレイン電極19と
なる部分の積層体17をドライエッチングを用いて除去
する。積層体17を除去した部分にAl/Ti/Auの
順に各金属をスパッタ蒸着により堆積させ、ソース電極
18及びドレイン電極19を形成する。次に、パターニ
ングした後、積層体17の上にAl/Ti/Auを蒸着
して、ゲート電極20を形成する(図1(c)参照)。
ゲート電極20の間に積層体17からなる絶縁層を設け
たことである。ここで、n型GaN層14側には、n型
GaN層14との密着性がよいGa2 O3 層15を設け
る。このようにして形成したn型のGaN系絶縁ゲート
形FETは、ゲート電圧を100V印加することがで
き、十分な耐圧があることを確認することができた。な
お、このときにリーク電流を検出することはできなかっ
た。また、本実施形態のFETは、400℃の高温でも
動作することが確認できた。本実施形態のGaN系絶縁
ゲート形FETは、インバータ、コンバータ、スイッチ
ングデバイスとして用いることができる。
実施形態の作製工程は以下の通りである。即ち、 1)先ず、前記実施形態と同様に、半絶縁性のサファイ
ア基板11上にGaNバッファ層12を形成する。その
上に、Ga(蒸気圧:1×10-6Torr)、Al(蒸
気圧:5×10-7Torr)、アンモニア(蒸気圧:5
×10-5Torr)を用い、ドーパントとしてMg(蒸
気圧:5×10-8Torr)を用いて、分子線エピタキ
シャル成長法により、成長温度850℃でp型AlGa
N層21を成長する。
極19を形成する部分のp型AlGaN層21をドライ
エッチングを用いて選択的にエッチングする。エッチン
グガスはメタン、アルゴン、水素の混合ガスをプラズマ
化したものを用いる。
に、n型AlGaN層22を選択的埋め込み成長を行
う。即ち、Ga(蒸気圧:1×10-6Torr)、Al
(蒸気圧:5×10-7Torr)、アンモニア(蒸気
圧:5×10-5Torr)を用い、ドーパントとしてS
i(蒸気圧:5×10-8Torr)を用いて、成長温度
850℃でn型AlGaN層22を2000Å埋め込み
成長する。
N層22以外の部分の表面に、20〜30Å厚のGa2
O3 層15とSiO2 層16を交互に積層し、トータル
の厚さ500Åの絶縁層となる積層体17を選択的に成
長する。
した後、更にパターニングして、Al/Ti/Auを蒸
着して、ソース電極18、ドレイン電極19、およびゲ
ート電極20を形成する。
ることができ、400℃の高温でも特性は劣化せず、高
温動作が可能であることが確認できた。
SiO2 層16を各1層だけ積層した状態では、ピンホ
ール、ボイドなどの欠陥を十分に埋めることができない
ため、十分な耐圧が得られず、十分な耐圧を得るために
は、各2層以上で構成することが望ましい。また、積層
体17を650℃〜1000℃(結晶化温度以下の温
度)の温度範囲で30分程度熱処理すると、Ga2 O3
層15とSiO2 層16の界面はなくなり、Si−Ga
−Oの酸化物が形成され、印加できるゲート電圧がより
高くなった。
成長法を用いて、サファイア基板上にGaNあるいはA
lGaNを成長させたが、本発明は上記実施形態に限定
されることはない。例えば、有機金属気相成長法を用い
てもよく、基板としてSi、SiC、GaAs、GaP
などを用いてもよく、GaN系半導体層としてInGa
N、AlInGaN、GaNP、GaNAsなどを用い
てもよい。また、積層体は、Al2 O3 /Ga2 O3 、
SiO2 /In2 O3 、Al2 O 3 /In2 O3 で構成
してもよい。
温動作が可能なGaN系絶縁ゲート形電界効果トランジ
スタが得られるという優れた効果がある。
ゲート形電界効果トランジスタの一実施形態の製造工程
の説明図である。
面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 GaN系半導体表面に絶縁層を介してゲ
ート電極が形成されているGaN系絶縁ゲート形電界効
果トランジスタにおいて、 前記絶縁層は、異なる2種類のアモルファス絶縁層が交
互に積層された積層体であることを特徴とするGaN系
絶縁ゲート形電界効果トランジスタ。 - 【請求項2】 前記積層体は、GaN系半導体表面側か
ら、Ga2 O3 層とSiO2 層が交互に積層されたもの
であることを特徴とする請求項1記載のGaN系絶縁ゲ
ート形電界効果トランジスタ。 - 【請求項3】 前記積層体は、650℃以上、結晶化温
度以下の温度で加熱されていることを特徴とする請求項
2記載のGaN系絶縁ゲート形電界効果トランジスタ。
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