JP2004535676A - GaNベースのキャップセグメント上にゲートコンタクトを有するAlGaN/GaN高電子移動度トランジスタおよびその製作方法 - Google Patents
GaNベースのキャップセグメント上にゲートコンタクトを有するAlGaN/GaN高電子移動度トランジスタおよびその製作方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、高電子移動度トランジスタ(HEMT)に関し、より詳細には、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)/窒化ガリウム(GaN)HEMTに関する。
【背景技術】
【0002】
半導体の分野では、AlGaN/GaN HEMTデバイスが周知である。例えば、特許文献1および2には、AlGaN/GaN HEMT構造およびその製造方法が記載されている。また、同一出願人による米国特許出願第09/096,967号明細書、1998年6月12日出願、発明の名称「NITRIDE BASED TRANSISTORS ON SEMI-INSULATING SILICON CARBIDE SUBSTRATES」には、改良型のHEMT構造が開示されている。
【0003】
図1に、典型的なAlGaN/GaN HEMT構造110を示す。GaNチャネル層114は、基板112上のバッファ層113上に形成されている。AlGaN障壁層116は、GaNチャネル層114上に形成されている。ソース電極118とドレイン電極120は、AlGaN層116の表面を通して、GaNチャネル層114の最上部に存在する電子層へのオーム接触を形成する。従来のAlGaN/GaN HEMTでは、ゲート電極122が、AlGaN層116の表面への非オーム接触を形成する。
【0004】
結晶格子中にアルミニウムが存在するので、AlGaNは、GaNよりも広いバンドギャップを有する。従って、1GaNチャネル層114とAlGaN障壁層116との界面は、ヘテロ構造を形成する。図2は、図1の断面A−A’の一部に沿った、デバイスのエネルギーレベルを示すバンド図である。図2に示すように、AlGaN障壁層116の伝導帯Ecおよび価電子帯Evは、分極効果が原因で歪んでいる。その結果、2次元電子ガス(2DEG)のシート状電荷領域115が、GaNチャネル層114とAlGaN障壁層116とのヘテロ接合部に誘起される。一方、AlGaN障壁層116は、伝導帯の形状が原因で移動キャリアが失われる。図2に示すように、伝導帯Ecは、AlGaN障壁層116のすぐ隣に接するGaNチャネル層114の領域で、フェルミ準位(Ef)よりも下に沈む。
【0005】
2DEGシート状電荷領域115内の電子は、キャリア移動度が高いことを示す。この領域の伝導度は、ゲート電極122に電圧を印加することによって変化する。逆電圧を印加すると、シート状電荷領域115付近の伝導帯がフェルミ準位よりも高くなり、シート状電荷領域115の一部からキャリアが失われ、それによって、ソース118からドレイン120への電流の流れが妨げられる。
【0006】
【特許文献1】
米国特許第5,192,987号明細書
【特許文献2】
米国特許第5,296,395号明細書
【非特許文献1】
E.T.Yu, et al “Shottky barrier engineering in III-V nitrides via the piezoelectric effect”, Appl. Phys. Lett. 73、1880(1998)
【非特許文献2】
S.T.Sheppard, W.L.Pribble, D.T.Emerson, Z.Ring, R.P.Smith, S.T.Allen, J.W.Palmour, “High Power Demonstration at 10 GHz with GaN/AlGaN HEMT Hybrid Amplifiers”, 58th Device Research Conference, Denver, CO, June 2000
【非特許文献3】
S.T.Sheppard, K.Doverspike, M.Leonard, W.L.Pribble, S.T.Allen, J.W.Palmour, “Improved 10-GHz Operation of GaN/AlGaN HEMTs on Silicon Carbide”, Mat. Sci. Forum, Vols.338-342(2000), pp.1643-1646
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
図1に示すように、AlGaN/GaN HEMTは、典型的には、同一平面の金属接触と共に製作されている。すなわち、ソース118電極およびドレイン120電極に対するオーム接触は、ゲート電極122と同じエピタキシャル層(すなわち、AlGaN層116)上にある。オーム接触が低抵抗の非整流接触を材料にもたらすものであり、ゲートコンタクトが、大きい逆電圧で電流を阻止する非オーム接触であるとすると、同じエピタキシャル層上に3個の接触全てを形成することにより、これら特性を妥協させたものが得られる。言い換えれば、従来のAlGaN/GaN HEMTデバイスでは、AlGaN障壁層116のドーピングおよび組成を選択するにあたり、デバイスの設計に関して、一方ではソースとドレインのオーム接触の最適化、他方では非オーム・ゲートコンタクトの最適化という相反する事項がある。
【0008】
さらに、ゲート電極122の下ではシート状電荷領域115にできる限り高い電流容量が得られるようにし、また一方ではゲートができる限り高い電圧で阻止できるように、考慮すべきである。従って、バンドの曲がりの量、すなわち電荷の量を変化させるために、ソースとゲートの間の領域、ゲートの下の領域、ゲートとドレインの間の領域には、差があることが有利と考えられる。バンドの曲がりを変化させることによって、シート状電荷領域115の電荷の量ならびにこのデバイス内に存在する電場が変化することになる。
【0009】
従来のガリウムヒ素(GaAs)およびインジウムリン(InP)ベースのHEMTデバイスでは、追加のGaAsまたはインジウムガリウムヒ素(InGaAs)層を、障壁層の表面に形成する。ソースおよびドレインコンタクトを、この追加の層に作製し、一方、ゲート電極を、障壁層の窪みに形成する。しかし、GaNの最上面は一般に導電性ではなく、ゲートを障壁層の窪みに形成する利点がないので、この方法は、AlGaN/GaN HEMT構造に適していない。
【0010】
従って、当技術分野では、AlGaN/GaN HEMT構造およびAlGaN/GaN HEMT構造の製作方法を改良することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の実施形態は、高電子移動度トランジスタ(HEMT)およびHEMTを製作する方法を提供する。本発明の実施形態によるデバイスは、窒化ガリウム(GaN)チャネル層と、このチャネル層の上の窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)障壁層を含む。第1のオーム接触を、障壁層の上に設けてソース電極を形成し、第2のオーム接触を、この障壁層に設け、ソース電極とは間隔を空けた状態でドレイン電極を形成する。キャップセグメントを、障壁層の上のソース電極とドレイン電極との間に設ける。キャップセグメントは、ソース電極の隣にかつソース電極から離した状態で、第1の側壁を有する。またキャップセグメントは、ドレイン電極の隣にかつドレイン電極から離した状態で、第2の側壁を有することができる。非オーム接触を、キャップセグメント上に設けてゲートコンタクトを形成する。ゲートコンタクトは、キャップセグメントの第1の側壁と実質的に一直線に並んだ第1の側壁を有する。ゲートコンタクトは、キャップセグメントの第1の側壁と第2の側壁との間の一部にのみ拡張する。特定の実施形態では、キャップセグメントはGaNキャップセグメントである。
【0012】
本発明の別の実施形態では、非オーム接触がGaNキャップセグメントの第1の側壁まで、その第1の側壁を越えないように拡張する。GaNキャップセグメントは、その厚さが約10Åから約60Åとすることかできる。GaNキャップセグメントは、非ドープ型のGaNでもよい。
【0013】
本発明の特定の実施形態では、ソース電極とドレイン電極とは、約2μmから約4μmの距離だけ間隔を空けて配置されている。さらに、GaNキャップセグメントの第1の側壁は、ソース電極のできる限り近くにあることが好ましく、例えばソース電極から約0μmから約2μmとすることかできる。GaNキャップセグメントの第2の側壁は、ゲート電極から約0.5μmから約1μmとすることかできる。
【0014】
本発明の追加の実施形態で、AlGaN障壁層は、アルミニウムが約15%から約40%の間である。AlGaN障壁層は、最高約4×1018cm-3またはそれ以上の濃度でケイ素をドープしてもよく、全体のシート濃度が最高約5×1012cm-2であることが好ましく、厚さは約15nmから約40nmとし、好ましくは約25nmである。
【0015】
本発明のさらに別の実施形態では、GaNチャネル層を基板上に設ける。基板は、炭化ケイ素やサファイアなどでよい。特定の実施形態では、基板は4H炭化ケイ素または6H炭化ケイ素である。さらに、GaNバッファ層を、GaNチャネル層と基板との間に配置することができる。
【0016】
本発明のさらに別の実施形態では、ゲート電極は、T字形のゲート電極である。
【0017】
本発明の方法の実施形態において、高電子移動度トランジスタ(HEMT)を製作する方法は、基板上に第1の窒化ガリウム(GaN)層を形成し、第1のGaN層上に窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層を形成することによって提供される。第2のGaN層を、AlGaN層上にパターニングして、AlGaN層上にGaNセグメントを設け、AlGaN層の一部を露出させる。第1のオーム接触を、GaNセグメントの隣にGaNセグメントから離した状態で、AlGaN層に形成して、ソース電極を設ける。第2のオーム接触を、GaNセグメントの隣にGaNセグメントから離した状態で、かつ第1のオーム接触の反対側の、AlGaN層に形成する。このようにして、GaNセグメントが第1のオーム接触と第2のオーム接触の間に配置されて、ドレイン電極が設けられるようにする。非オーム接触を、GaNセグメント上にパターニングして、ゲートコンタクトを設ける。ゲートコンタクトは、ソースコンタクトに隣接するGaNセグメントの第1の側壁と実質的に一直線に並んだ第1の側壁を有する。ゲートコンタクトは、GaNセグメントの第1の側壁と、ドレインコンタクトに隣接する側のGaNセグメントの第2の側壁との間の一部にのみ拡張する。
【0018】
本発明の別の実施形態で、第2のGaN層のパターニングおよび非オーム接触のパターニングは、第2のGaN層をAlGaN層上に形成し、非オーム接触を第2のGaN層上に形成し、非オーム接触と第2のGaN層をパターニングしてGaNセグメントおよびゲートコンタクトを設けることにより提供される。このようなパターニングは、ソースコンタクトに隣接する側の非オーム接触およびGaNセグメントの側壁と、ドレインコンタクトに隣接する側のGaNセグメントの側壁とが画定されるように、非オーム接触および第2のGaN層の一部を覆うマスクを形成し、非オーム接触および第2のGaN層をエッチングしてAlGaN層の一部を露出させることにより、提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
次に本発明について、本発明の好ましい実施形態が示されている添付図面を参照しながら、より十分に以下に述べる。しかしながら本発明は、多くの種々の形に具体化することができ、本明細書に示す実施形態に限定されると解釈すべきではない。むしろこれらの実施形態は、この開示が徹底して完全になるように、また本発明の範囲が当業者に十分伝えられるように、提供される。図に示すように、層または領域のサイズは例示を目的として誇張されており、従って一般的な構造または本発明を例示するために提供される。全体を通して同様の符号は同様の要素を指す。層や領域、基板などの要素が別の要素の「上」にあると言う場合、層や領域、基板などの要素は他の要素の直上にあるかまたは他の要素との間に介在する要素を存在させてもよいことが理解されよう。逆に、要素が別の要素の「直上」にあると言う場合は、その間に介在する要素が存在しない。
【0020】
上述のように、平衡条件下では、高い電子濃度が、埋め込まれたAlGaN/GaN界面に現れることが周知である。このように高い電子濃度は、高キャリア移動度の2次元電子ガス(2DEG)を形成することができ、これをHEMTデバイス構造で有利に活用することができる。さらに、このような構造のAlGaN障壁層上にGaNキャップを付加すると、この構造の最上面へのまたは最上面からの電子伝導に対する障壁のサイズを増大させることができる。しかし、表面電位が両方の場合(すなわちキャップがある場合とない場合)で同じであると考えると、GaNキャップの存在は、2DEG伝導層中の電子濃度を低下させる可能性がある。
【0021】
GaN/AlGaN/GaN構造上にHEMTを製作できることがYu他によって提示されているが、そのような構造のゲート性能に関する改善点は、GaNキャップの下にある伝導層の低キャリア濃度に起因したチャネル抵抗の増加によって、相殺されると考えられる(例えば、非特許文献1参照)。
【0022】
本発明の実施形態は、改善されたAlGaN/GaN HEMTデバイスおよびそのようなデバイスを製作する方法を提供する。本発明の特定の実施形態では、低抵抗のソースコンタクトおよびドレインコンタクト、デバイスを流れる電流、ゲートコンタクトの阻止能力のトレードオフを、AlGaN障壁層上にGaNキャップセグメントを設け、キャップセグメント上に非オーム接触を設けてゲートコンタクトを形成することにより、少なくすることができまたは回避することができる。別の実施形態では、ゲートコンタクトおよびキャップセグメントを、AlGaN/GaN HEMT構造に低い内部電場が得られるように配置し、それによって、より高い動作電圧および電力レベルを得ることができる。従って本発明の実施形態は、GaN/AlGaN/GaN構造に関するゲート性能の改善点と共にAlGaN/GaN HEMT構造に見られる低い接触抵抗という利益をもたらすことができる。
【0023】
図3は、本発明の実施形態にかかるデバイス11を示す。デバイス11は、基板12と、基板12上の任意選択のバッファ層13を含む。基板12は、炭化ケイ素、サファイア、シリコン、バルク窒化ガリウム、または窒化物ベースの電子デバイスを支持するのに適した任意のその他の基板でよい。好ましくは、基板は、半絶縁性の4H炭化ケイ素(0001)または6H−SiC(0001)である。バルクGaN以外の基板では、任意選択のバッファ層13は、高品質の窒化ガリウムを成長させることができる表面が得られる。バッファ層13の組成および製作は、使用した基板の種類によって異なる。適切なバッファ層は、当技術分野で周知であり、さらに述べる必要はない。GaNチャネル層14を、バッファ層13が存在する場合にはバッファ層13上に設け、バッファ層13が存在しない場合には基板12上に設ける。チャネル層14およびその後に設けられるGaNベース層は、MOCVD、MBE、および/または任意のその他の適切な成長技法によって形成することができる。チャネル層14は、非ドープ型であることが好ましいが、シート状電荷領域15内の電子濃度、またはシート状電荷領域の下の領域における伝導帯Ecおよび価電子帯Evの振舞いを変化させるために、様々な物質をドープしてもよい。
【0024】
AlGaN障壁層16を、GaNチャネル層14上に設け、それにより、チャネル層14と障壁層16との間にヘテロ接合15を形成する。AlGaN障壁層16は、好ましくはそのアルミニウム組成が15%から60%の間であり、最高約4×1018cm-3のドーピング濃度でケイ素をドープして、全体のシート濃度を最高約5×1012cm-2またはそれ以上にする。障壁層16は、その厚さが約15nmから40nmの間でよく、好ましくは約25nmの厚さである。
【0025】
上述のように、接合部15はAlGaN/GaNヘテロ障壁であるので、2次元電子ガスが接合部15付近に形成される。オーム性のソース18電極およびドレイン20電極を、AlGaN障壁層16の表面に設ける。ソース18電極およびドレイン20電極は、Ti/Si/Ni、Ti/Al/Ni、またはn型AlGaNへのオーム接触を形成する任意のその他の適切な材料でよい。AlGaN/GaN HEMTデバイスに適したオーム接触は、例えば、非特許文献2および3参照に記載されている。ソース電極18とドレイン電極20の間の距離は、典型的には、約2〜4μmでよい。
【0026】
図3にさらに示すように、薄いGaNベースのキャップセグメント30好ましくはGaNを、AlGaN層16の表面の、ソース電極18とドレイン電極20との間に設ける。キャップセグメント30は、好ましくは、その厚さが約10〜60Åの間であり、非ドープ型であることが好ましい。キャップセグメント30は、窒化ガリウムで形成することが好ましいが、その他の適切な材料を利用してもよい。例えば、チャネル層からの距離に伴ってアルミニウムのパーセンテージが減少するように、アルミニウムの含量が徐々に変化しまたは減少したAlGaN層を利用してよい。このようなAlGaN層は、キャップセグメント30が得られるように、例えばエッチングによって形成することができる。本明細書で使用するGaNベースという用語は、ガリウムおよび窒素を有する材料を指し、GaNまたはAlGaNが含まれる。
【0027】
ゲート電極22を、キャップセグメント30上に設ける。ゲート電極22は、白金、ニッケル、あるいはn型または「真性」GaNへの非オーム接触を形成する任意のその他の適切な金属で形成することが好ましい。ゲート電極22は、T字形のゲート構成に追加の金属層でキャップすることができ、または特定の実施形態では、T字形のゲートを1プロセスステップで形成することもできる。T字形のゲート構成は、RFおよびマイクロ波デバイスに特に適している。
【0028】
AlGaNまたはGaNのガリウムまたはアルミニウム面に成長させたGaN/AlGaN構造での分極効果により、ゲート電極22の下の伝導に対する障壁は、大幅に高められる。従って、ゲート漏れを低減させ、または最小限に抑えることができる。
【0029】
好ましくは、キャップセグメント30のソース側の側壁31は、ゲート電極22のソース側の側壁27と実質的に一直線に並ぶ。キャップセグメント30が存在すると、その下の2DEG領域15のキャリア濃度が低下するので、ソース電極18とゲート電極22の間に十分に拡張されたキャップセグメント30を有することは望ましくないと考えられる。その結果として抵抗が増す可能性があるからである。従って、キャップセグメント30は、製造上の制約に照らして妥当であるように短い距離だけソース電極18から離して設けることが好ましい。従って、約0μmから約2μmの距離が適しており、従来のマスキングおよび製作技法では、例えば約0.3μmから約1.5μmの距離が可能である。逆に言えば、キャップセグメント30のドレイン側の側壁32は、ゲート電極22のドレイン側の側壁28から所定の距離だけ、好ましくは約0.5から約1μmだけ延ばして設けることが有利と考えられる。従って、キャップセグメント30のドレイン側の側壁32は、ドレイン電極20から約0μmから約3μmの距離まで拡張することができる。ドレイン側の側壁32からドレイン電極20までの距離が0μmである場合、ドレイン側の側壁32はないが、キャップセグメント30は、ドレイン電極20の下まで拡張させることができる。しかし、このような構造は好ましくないと考えられる。従って、本発明の好ましい実施形態では、ドレイン側壁32からドレイン電極20までの距離が約0.5μm以上である。
【0030】
ゲート電極22の下にキャップセグメント30が存在する場合、ゲート下の2DEG領域15のキャリア濃度に対してキャップセグメント30が及ぼす影響を埋め合わせるようにゲートバイアスを調節することができるので、デバイスの動作に悪影響を与えないですむ。動作中、電子は、ソース電極18から2DEG領域15を通ってドレイン電極20に流れる。特定のいかなる論理にも拘泥するものではないが、ゲート電極22とドレイン電極20の間の2DEG領域上にキャップセグメント30を存在させた場合、デバイスの伝導度は、ゲート電極22とドレイン電極20の間の2DEG領域15の一部の平衡電子濃度に支配されないので、デバイスの動作に悪影響を及ぼさないと考えられる。実際、ゲート電極26のドレイン側の側壁28から所定の距離だけ延ばしてキャップセグメント30を設けると、デバイスの内部電場を低減させることによってデバイス性能を改善することができ、従って、より高い電圧および電力レベルでの動作が可能になる。FET内の降伏電圧は、通常、ゲートコンタクトのドレイン側に生じて電子なだれおよびその他の望ましくないゲートを通る電流を誘発する可能性のある最大内部電場によって制限される。キャップセグメントをドレイン方向に拡張することにより、分極効果から生ずるキャップ下の電荷の総量が減少する。このようなトランジスタに関するポアソン方程式を解くと、ゲートの下にありドレイン方向に向かう領域内の電荷が少ないトランジスタは、所与の想定される最大許容電場においてより高いバイアスで動作できることが示される。
【0031】
図3は、本発明の実施形態を個別デバイスとして示すが、当業者に理解されるように、図3は、複数のセルを有するデバイスのユニットセルと考えることができる。従って、例えば図3に示すデバイスの周辺の垂直軸(図3に示すデバイスの垂直縁)を中心として鏡映させることによって、図3に示すデバイスに追加のユニットセルを組み込むことができる。従って、本発明の実施形態は、図3に示すようなデバイス、ならびに図3に示すキャップセグメントおよびゲートコンタクトを組み込んだ複数のユニットセルを有するデバイスを含む。
【0032】
GaNキャップセグメントを利用する本発明にかかるAlGaN/GaN HEMTの製造方法を図4Aから4Cに示し、これらは任意選択で、基板12上にバッファ層13を形成することを含む。GaNチャネル層14を、バッファ層13上に形成し、AlGaN障壁層16を、このチャネル層に形成する。薄いGaNキャップ層30’を、障壁層16上に形成する。これらの層は、MOCVD、MBE、および/または当業者に知られている任意のその他の適切な方法によって形成することができる。
【0033】
GaNキャップ層30’をパターニングして、ゲート電極用のGaNキャップセグメント30を設ける。例えば図4Aに示すように、エッチングマスク40をGaNキャップ層30’上に形成し、例えば従来のエッチングプロセスを使用することによってGaNキャップ層30’の一部を障壁層16まで除去し、図4Bに示すようにGaNキャップセグメント30を残す。また、選択エピタキシャル成長などのその他の技法を使用してもよい。
【0034】
図4Cに示すように、従来の技法を使用して、ソース電極18およびドレイン電極20を、障壁層16の露出部分に形成する。ゲート電極22を、GaNセグメント30上に形成する。図4Aから4Cに示す実施形態では、従来のフォトリソグラフィ技法およびマスクアライメントツールを使用して、ゲートコンタクトのソース側の側壁を、GaNキャップセグメント30のソース側の側壁と一直線に並べる。図4Aから4Cに示す実施形態では、ゲート電極22は、GaNキャップセグメント30のソース側の側壁に自己整合しない。従ってゲート電極22は、図5Aおよび5Bにそれぞれ示されるように、ソース側またはドレイン側がアライメント不良になる可能性がある。アライメント不良がわずかであればデバイスの動作に悪影響を及ぼさないが、アライメント不良が深刻なものであると、デバイスに害を及ぼす可能性がある。従って、ゲート電極22のソース側の側壁は、図4Cに示すようにGaNキャップセグメント30のソース側と一直線に並べることが好ましい。しかしながら、ゲート電極22のソース側の側壁は、図5Aおよび5Bに示すようにGaNキャップセグメント30のソース側の側壁と実質的に一直線に並べてよく、それでも本発明の教示によって利益を得ることができる。従って、本明細書で使用する実質的なアライメントまたは実質的に一直線に並べるという文言は、アライメント不良を含んでよいアライメントの範囲を指す。
【0035】
本発明の実施形態によるデバイスの別の製造方法を、図6Aから6Cに示す。これらの実施形態では、GaNキャップセグメント30のソース側の側壁が、ゲート電極22のソース側の側壁に自己整合する。
【0036】
図6Aを参照すると、バッファ層13を、任意選択で基板12上に形成する。GaNチャネル層14を、GaNバッファ層13または基板12上に形成し、AlGaN障壁層16を、GaNチャネル層14上に形成する。上述のように、薄いGaNキャップ層30’を、AlGaN障壁層16上に形成する。ゲート金属22’を、GaNキャップ層30’上に形成し、ゲート金属22’を、部分的にパターニングして、ゲート電極22のドレイン側の側壁が得られるように、かつゲート電極22のソース側の側壁を越えて拡張するゲート金属22’の一部が得られるようにする。エッチングマスク44を、GaNキャップ層30’上に配置し、このマスクは、ゲート電極22およびGaNキャップセグメント30のソース側の側壁とGaNキャップセグメント30のドレイン側の側壁とが画定されるように、ゲート金属22’に部分的に重なっている。
【0037】
図6Bに示すように、GaNキャップ層30’の露出部分をエッチング除去し、ゲート電極22の側壁に自己整合したGaNキャップセグメント30の一方の側壁を残して、AlGaN障壁層16の一部を露出させる。その後、マスク44を除去する。図6Cに示すように、ソース電極18およびドレイン電極20を、AlGaN障壁層16の露出部分に形成し、このデバイスの残りの部分を従来の手法で加工する。
【0038】
本発明の実施形態について、特定の作業順序を参照しながら述べてきたが、当業者に理解されるように、本発明の教示による利益を依然として受けながら、この順序におけるある特定の操作を再度繰り返すことができる。さらに、本発明の教示による利益を依然として受けながら、ある特定の操作を単一の操作と組み合わせることができ、または複数の操作に分けることができる。従って、本発明は、本明細書で述べた作業順序そのものに厳密に限定するものと解釈すべきではない。
【0039】
図面および明細書では、本発明の典型的な好ましい実施形態を開示しており、特定の用語を使用しているが、それらは一般的かつ記述的な意味合いでのみ使用しており、添付の特許請求の範囲で述べた本発明の範囲を限定することを目的とするものではない。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】従来のAlGaN/GaN HEMTデバイスを示す断面図である。
【図2】従来のAlGaN/GaN HEMTデバイス中に存在するバンドエネルギーを示す概略図である。
【図3】本発明の実施形態にかかるAlGaN/GaN HEMTデバイスを示す断面図である。
【図4A】本発明の実施形態にかかるデバイスの製作方法の態様を示す図である。
【図4B】本発明の実施形態にかかるデバイスの製作方法の態様を示す図である。
【図4C】本発明の実施形態にかかるデバイスの製作方法の態様を示す図である。
【図5A】可能性あるゲート電極のアライメント不良を示す図である。
【図5B】可能性あるゲート電極のアライメント不良を示す図である。
【図6A】本発明の追加の実施形態にかかるデバイスの製作方法の態様を示す図である。
【図6B】本発明の追加の実施形態にかかるデバイスの製作方法の態様を示す図である。
【図6C】本発明の追加の実施形態にかかるデバイスの製作方法の態様を示す図である。
Claims (44)
- 窒化ガリウム(GaN)チャネル層と、
該チャネル層上の窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)障壁層と、
前記障壁層上に設けられ、ソース電極を提供する第1のオーム接触と、
前記障壁層上の前記ソース電極から間隔を空けて設けられ、ドレイン電極を提供する第2のオーム接触と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記障壁層上のGaNベースのキャップセグメントであって、アルミニウムの濃度が前記障壁層よりも低く、前記ソース電極の隣にかつ前記ソース電極から間隔を空けて設けられた第1の側壁を有するGaNベースのキャップセグメントと、
ゲートコンタクトを提供する前記GaNキャップセグメント上の非オーム接触であって、前記ゲートコンタクトは、前記GaNキャップセグメントの第1の側壁と実質的に一直線に並ぶ第1の側壁を有し、前記ゲートコンタクトは、前記GaNキャップセグメントの第1の側壁と第2の側壁との間の一部にのみ拡張されている非オーム接触と
を備えたことを特徴とする高電子移動度トランジスタ(HEMT)。 - 前記GaNベースのキャップセグメントは、前記ドレイン電極の隣にかつ前記ドレイン電極から間隔を空けて設けられた第2の側壁を有することを特徴とする請求項1に記載のHEMT。
- 前記GaNベースのキャップセグメントは、GaNキャップセグメントを含むことを特徴とする請求項1に記載のHEMT。
- 前記非オーム接触は、前記GaNキャップセグメントの前記第1の側壁まで拡張されるが、前記GaNキャップセグメントの前記第1の側壁を越えないことを特徴とする請求項3に記載のHEMT。
- 前記GaNキャップセグメントは、厚さ約10Åから約60Åであることを特徴とする請求項3に記載のHEMT。
- 前記GaNキャップセグメントは、非ドープ型のGaNを含むことを特徴とする請求項5に記載のHEMT。
- 前記ソース電極と前記ドレイン電極は、約2μmから約4μmの距離だけ間隔を空けて設けられていることを特徴とする請求項2に記載のHEMT。
- 前記GaNキャップセグメントの前記第1の側壁は、前記ソース電極から約2μm未満にあることを特徴とする請求項3に記載のHEMT。
- 前記GaNキャップセグメントの前記第1の側壁は、前記ソース電極から約0.3μmから約1.5μmにあることを特徴とする請求項8に記載のHEMT。
- 前記GaNキャップセグメントの前記第2の側壁は、前記ゲート電極から約0.5μmから約1μmにあることを特徴とする請求項2に記載のHEMT。
- 前記AlGaN障壁層は、アルミニウムを約15%から約60%含むことを特徴とする請求項3に記載のHEMT。
- 前記AlGaN障壁層は、全体のシート濃度が最高約5×1012cm-2になるように、ケイ素がドープされていることを特徴とする請求項11に記載のHEMT。
- 前記AlGaN障壁層は、厚さ約15nmから約40nmであることを特徴とする請求項11に記載のHEMT。
- 前記AlGaN障壁層は、厚さ約25nmであることを特徴とする請求項13に記載のHEMT。
- 基板をさらに含み、前記GaNチャネル層が前記基板上にあることを特徴とする請求項3に記載のHEMT。
- 前記基板は、炭化ケイ素を含むことを特徴とする請求項15に記載のHEMT。
- 前記基板は、サファイアを含むことを特徴とする請求項15に記載のHEMT。
- 前記基板は、4H炭化ケイ素および6H炭化ケイ素の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項15に記載のHEMT。
- 前記GaNチャネル層と前記基板との間に配置されたGaNバッファ層をさらに備えたことを特徴とする請求項15に記載のHEMT。
- 前記ゲート電極は、T字形のゲート電極を含むことを特徴とする請求項1に記載のHEMT。
- 基板上に第1の窒化ガリウム(GaN)層を形成すること、
該第1のGaN層上に窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層を形成すること、
該AlGaN層上にGaNベースのセグメントを形成し、前記GaNベースのセグメントは、アルミニウム濃度が前記AlGaN層よりも低いこと、
前記GaNセグメントの隣にかつ前記GaNセグメントから間隔を空けて、前記AlGaN層への第1のオーム接触を形成し、ソース電極を提供すること、
前記GaNセグメントの隣にかつ前記GaNセグメントから間隔を空けて、前記第1のオーム接触の反対側に、前記AlGaN層への第2のオーム接触を形成し、前記GaNセグメントは、前記第1のオーム接触と前記第2のオーム接触の間に配置され、ドレイン電極を提供すること、および、
前記GaNセグメント上に非オーム接触を形成してゲートコンタクトを提供し、前記ゲートコンタクトは、前記ソースコンタクトの隣に前記GaNセグメントの第1の側壁と実質的に一直線に並んだ第1の側壁を有し、前記ゲートコンタクトは、前記第1の側壁と前記第2のオーム接触との間の一部にのみ拡張されていること
を備えたことを特徴とする高電子移動度トランジスタ(HEMT)を製作する方法。 - 前記非オーム接触は、前記GaNセグメントの前記第1の側壁と、前記ドレインコンタクトの隣の前記GaNセグメントの第2の側壁との間の一部にのみ拡張されていることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記GaNベースのセグメントを形成することは、前記AlGaN層上にGaNセグメントを形成することを含むことを特徴とする請求項22に記載の方法。
- 前記GaNセグメントを形成し非オーム接触を形成することは、
前記AlGaN層上に第2のGaN層を形成すること、
該第2のGaN層上に非オーム接触を形成すること、および、
前記非オーム接触および前記第2のGaN層をパターニングして、前記GaNセグメントおよび前記ゲートコンタクトを提供すること
を含むことを特徴とする請求項23に記載の方法。 - 前記非オーム接触および前記第2のGaN層をパターニングすることは、
前記非オーム接触および前記第2のGaN層上にマスクを形成し、前記ソースコンタクトの隣に前記非オーム接触および前記GaNセグメントの側壁を画定し、かつ前記ドレインコンタクトの隣に前記GaNセグメントの側壁を画定するように、前記マスクは、前記非オーム接触および前記第2のGaN層の一部を覆うこと、および、
前記非オーム接触および前記第2のGaN層をエッチングして、前記AlGaN層の一部を露出させること
を含むことを特徴とする請求項24に記載の方法。 - 前記GaNセグメントは、約10Åから約60Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記GaNセグメントは、非ドープ型のGaNを含むことを特徴とする請求項26に記載の方法。
- 前記第1のオーム接触を形成しおよび前記第2のオーム接触を形成することは、約2μmから約4μmの距離だけ間隔を空けた第1のオーム接触および第2のオーム接触を形成することを含むことを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記第1のオーム接触は、前記GaNセグメントから約2μm未満の距離で形成されることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記第1のオーム接触は、前記GaNセグメントから約0.3μmから約1.5μmの距離で形成されることを特徴とする請求項29に記載の方法。
- 前記非オーム接触は、前記非オーム接触の側壁が前記GaNセグメントの前記第2の側壁から約0.5μmから約1μmになるように、パターニングされることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記AlGaN層を形成することは、アルミニウムが約15%から約60%の間であるAlGaN層を形成することを含むことを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記AlGaN層を形成することは、全体のシート濃度が最高約5×1012cm-2になるようにケイ素がドープされたAlGaN層を形成することを含むことを特徴とする請求項32に記載の方法。
- 前記AlGaN層を形成することは、AlGaN層を約15nmから約40nmの厚さに形成することをさらに含むことを特徴とする請求項32に記載の方法。
- 前記AlGaN層を形成することは、AlGaN層を約25nmの厚さに形成することを含むことを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記基板は、炭化ケイ素を含むことを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記基板は、サファイアを含むことを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記基板は、4H炭化ケイ素と6H炭化ケイ素の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記第1のGaN層と前記基板との間に配置された第3のGaN層を形成することをさらに備えたことを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記非オーム接触上に金属層を形成してT字形のゲートを設けることをさらに備えたことを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 窒化ガリウム(GaN)チャネル層と、
窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)障壁層と、
ソースコンタクトおよびドレインコンタクトを提供する前記AlGaN障壁層上のオーム接触と、
前記ソースコンタクトと前記ドレインコンタクトの間に配置された非オーム・ゲートコンタクトと、
前記非オーム接触および前記AlGaN障壁層に動作可能に関連付けられ、前記オーム接触の抵抗を低下させかつ前記ゲートコンタクトのブロッキング電圧を上昇させるための手段を持たないデバイスと比較して、前記オーム接触の抵抗を低下させかつ前記ゲートコンタクトのブロッキング電圧を上昇させる手段と
を備えたことを特徴とする高電子移動度トランジスタ(HEMT)。 - 前記オーム接触の抵抗を低下させかつ前記ゲートコンタクトのブロッキング電圧を上昇させるための手段は、前記ゲートコンタクトと前記AlGaN障壁層との間にGaNのセグメントを含み、前記GaNのセグメントは、前記ソースコンタクトの隣の前記GaNのセグメントの一部の上に前記ゲートコンタクトを有し、前記GaNのセグメントは、前記ゲートコンタクトを越えて前記ドレインコンタクトに向かって拡張されていることを特徴とする請求項41に記載のHEMT。
- 前記ゲートコンタクトは、前記ソース電極の隣にあり、前記ソース電極から間隔を空けて配置された前記GaNのセグメントの側壁まで拡張されるが、前記GaNのセグメントの側壁を越えないことを特徴とする請求項42に記載のHEMT。
- 前記GaNのセグメントは、約0.5μmから約1μmの距離に拡張されることを特徴とする請求項42に記載のHEMT。
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