JP2006060071A

JP2006060071A - ＧａＮ系電界効果トランジスタ

Info

Publication number: JP2006060071A
Application number: JP2004241255A
Authority: JP
Inventors: Shigeaki Ikeda; 成明池田; Kiyoteru Yoshida; 清輝吉田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】動作時のオン抵抗が小さく耐圧が大きいＧａＮ系電界効果トランジスタを提供することを目的とする。
【解決手段】ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極、チャネル層を有するＧａＮ系電界効果トランジスタにおいて、前記チャネル層の導電型と同一のコンタクト層が、前記チャネル層に至る深さのエッチング溝に埋め込まれ、かつ、前記コンタクト層はソース電極のみに接続していることを特徴とするＧａＮ系電界効果トランジスタ。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＧａＮ系電界効果トランジスタに関するものである。更に詳しくは、動作時のオン抵抗が小さく耐圧が大きいＧａＮ系電界効果トランジスタに関するものである。

ＧａＮ系半導体は、Ｓｉ，ＧａＡｓ系の半導体に比べてそのバンドギャップエネルギーが大きい。そのため、ＧａＮ系半導体を用いた半導体素子は、耐熱度が高く高温動作に優れているので、この材料を用いた電界効果トランジスタ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）の開発研究が進められている。

図２に従来技術に係るＧａＮ系半導体を用いた電界効果トランジスタの一である高電子移動度トランジスタを示した。この高電子移動度トランジスタにおいては、例えばサファイア基板のような基板１の上に、ＧａＮから成るバッファ層２、アンドープＧａＮからなる電子走行層（チャネル層）３、および前記電子走行層に比べて薄いアンドープＡｌＧａＮからなる電子供給層４を順次積層して成る層構造（ヘテロ接合構造）が形成されている。そして、電子供給層４の上には、ソース電極Ｓ、ゲート電極Ｇ、ドレイン電極Ｄが平面配置されている（特許文献１の従来技術の記載を参照）。

なお、符号５はソース電極Ｓ及びドレイン電極ＤとアンドープＡｌＧａＮからなる電子供給層４の間のコンタクト抵抗を低くするためのｎ−ＧａＮコンタクト層である。符号５に示したコンタクト層を設けることにより、オン抵抗を下げることが可能となる。

また、電子走行層と電子供給層４両層のヘテロ接合界面においては、結晶歪みに基づくピエゾ圧電効果でピエゾ電界が発生し、両者の接合界面の直下に２次元電子ガス層６が形成され、２次元電子ガス層６中ではキャリアが走行する。走行したキャリアは、ソース電極Ｓ−ドレイン電極Ｄ間を流れる電流となる。

特開２００３−１７９０８２

図３で示した従来技術に係る電界効果トランジスタにおいて、コンタクト層５は、ドレイン電極Ｄとソース電極Ｓの両方に接触するように形成されている。そして、コンタクト層５は電子走行層にまで達する深さのエッチング溝に埋め込まれている。

なお、エッチング溝を形成するためには、光照射におけるＫＯＨ水溶液を用いたウェットエッチング手法を用いている。そしてより精密にエッチングを行うためには、ドライエッチング手法が用いられる。

図３で示した従来技術に係る電界効果トランジスタを動作させると、主にドレイン電極Ｄとゲート電極Ｇとの間に電界が集中する。さらに、コンタクト層５がドレイン電極Ｄ側にも形成されているため、ドレイン電極Ｄ側のエッチング溝の角部に特に電界が集中する。

しかし、エッチング溝を形成し、コンタクト層５を形成することで、電界効果トランジスタの耐圧が悪くなるという問題がある。これは、以下のように推測されている。すなわち、
エッチングが不均一な部分が生じ、その部分に電界が集中すること。
ドライエッチングなどにより誘起されたダメージ
選択成長層の成長膜厚の不均一性により、電界集中が起こること。
などである。そこで、本発明が解決しようとする課題は、コンタクト層を設けることにより耐圧が低くなるという問題を解消できるＧａＮ系電界効果トランジスタの提供を目的とする。

請求項１に係る発明は、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極、チャネル層を有するＧａＮ系電界効果トランジスタにおいて、前記チャネル層と導電型が同一のコンタクト層が前記ソース電極と前記チャネル層の間に位置し、少なくとも前記ソース電極に隣接し、かつ前記ドレイン電極と所定の間隔を離間させて設けられていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の電界効果トランジスタにおいて、前記コンタクト層はＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１記載の電界効果トランジスタにおいて、前記コンタクト層は、前記チャネル層が存在する領域のＧａＮ系半導体層にｎ型のイオンを添加して形成されたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項２または３記載の電界効果トランジスタにおいて、前記コンタクト層のドーパントは、Ｓｉ，Ｓｅ，Ｓの少なくとも一種類を含むことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４記載の電界効果トランジスタにおいて、前記コンタクト層のドーパントのドーピング濃度は、１×１０¹⁷〜１×１０²¹／ｃｍ³の濃度であることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５記載の電界効果トランジスタにおいて、前記ソース電極、前記ドレイン電極は、Ｓｉを含む２以上の金属を用いた合金を含むことを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項６記載の電界効果トランジスタにおいて、前記合金に用いられる金属は、Ｔａ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｃａ，Ｎａであることを特徴とする。

本発明に係るＧａＮ系電界効果トランジスタによれば、電界が集中するドレイン電極Ｄの側にコンタクト層がなく、そして、当然にコンタクト層を形成するための溝を形成する必要がない。したがって、電界効果トランジスタの耐圧を向上させることが可能である。また、ソース電極Ｓの側にはコンタクト層を設けることができるので、電界効果トランジスタのオン抵抗を下げることができる。

本発明に係るＧａＮ系電界効果トランジスタの一形態の断面図を図１に示した。
すなわち、基板１上に、ＧａＮ系半導体から成るバッファ層２、チャネル層３及び電子供給層４が積層されている。チャネル層３は、ソース電極Ｓ−ドレイン電極Ｄ間を流れる電流のキャリアが走行する電子走行層となる。また、長さＬのチャネルに相当する箇所の電子供給層４上にゲート電極Ｇが形成されている。

そして、ソース電極Ｓが存在する部分に相当する部分のみの電子供給層４、チャネル層３がエッチングされてエッチング溝が形成されている。そして、エッチング溝にはｎ型不純物が高濃度でドーピングされ、ＧａＮ系半導体から成るコンタクト層５が埋め込まれている。コンタクト層５として、ｎ型ドーパントのＳｉ，Ｓｅ，Ｓのうち少なくとも一種類を１×１０¹⁷〜１×１０²¹／ｃｍ³の濃度でドーピングしたＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）を用いることができる。なお、コンタクト層５はエッチング溝にＧａＮ系半導体を埋め込むだけでなく、チャネル層３が存在する領域のＧａＮ系半導体層にｎ型のイオンを注入、添加することによっても形成することができる。このようにすることでエッチング溝が不要となり、電界効果トランジスタの一層の耐圧向上を期待することができる。さらに、コンタクト層５はチャネル層３に隣接していなくても良い場合がある。すなわち、コンタクト層５とチャネル層３の距離は、トンネル効果によりコンタクト層５とチャネル層３が導通する程度の距離であっても同様の効果を得ることが出来る。

ここで、チャネルの長さＬに相当するチャネル層３の表面には電子供給層４がヘテロ接合しているため、接合している部分の界面には２次元電子ガスが発生し２次元電子ガス層６が形成される。そのため、２次元電子ガスがキャリアとなってチャネル層３は導電性を示すようになる。

なお、キャリアが存在する二次元電子ガスの分布の範囲は、コンタクト層５が埋め込まれたエッチング溝の底面の深さよりも浅い箇所に位置する。そのため、二次元電子ガス層６中を走行してきたキャリアはそのままコンタクト層５に到達する。さらに、コンタクト層５を構成するＧａＮ系半導体のバンドギャップエネルギーの大きさがチャネル層３のものよりも小さい場合は、二次元電子ガス層６中を走行してきたキャリアがコンタクト層５に到達する際の障壁がなくなる。これにより、電界効果トランジスタのオン抵抗を一層下げることができる。ここで、ソース電極Ｓ、ドレイン電極Ｄとして、Ｓｉを含む２以上の金属を用いた合金を用いることにより、オン抵抗をさらに一層下げることができる。Ｓｉと共に用いる金属としては、Ｔａ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｃａ，Ｎａを挙げることができる。

以上のように、図１に示したＧａＮ系電界効果トランジスタは、コンタクト層５がドレイン電極Ｄから離間しており、ソース電極Ｓに隣接している。すなわち、コンタクト層５がドレイン電極Ｄには隣接しておらず、ソース電極Ｓには隣接している。そのため、電界効果トランジスタの耐圧を向上させることが可能である。

（実施例１）
本実施例に係るＧａＮ系電界効果トランジスタの断面図を図１に示した。
すなわち、サファイア基板１上に、例えばＧａＮから成るバッファ層２、電界効果トランジスタのチャネル層３となるアンドープＧａＮ層が形成されている。アンドープＧａＮ層（チャネル層３）の上にはアンドープＡｌＧａＮ層（電子供給層４）、ゲート電極Ｇが形成されている。

そして、ソース電極Ｓが存在する部分に相当する部分のみのアンドープＡｌＧａＮ層（電子供給層４）及びアンドープＧａＮ層（チャネル層３）がエッチングされてエッチング溝が形成されている。そして、エッチング溝にはｎ型不純物であるＳｉが高濃度でドーピングされてなるｎ−ＩｎＧａＮのコンタクト層５が埋め込まれ、コンタクト層５の表面にソース電極Ｓが形成されている。

ここで、チャネルの長さＬに相当するアンドープＧａＮ層（チャネル層３）の表面にはアンドープＡｌＧａＮ層（電子供給層４）がヘテロ接合しているため、接合している部分の界面には２次元電子ガスが発生する。そのため、２次元電子ガスがキャリアとなってチャネル層３は導電性を示すようになる。すなわち、チャネル層３は電子走行層としての働きをする。

なお、キャリアが存在する二次元電子ガスの分布の範囲は、コンタクト層５が埋め込まれたエッチング溝の底面の深さよりも浅い箇所に位置する。そのため、二次元電子ガス層６中を走行してきたキャリアはそのままコンタクト層５に到達する。また、コンタクト層５を構成する材料がＩｎＧａＮであるため、チャネル層３を構成するＧａＮよりもバンドギャップが小さい。そのため、二次元電子ガス層６中を走行してきたキャリアがコンタクト層５に到達しやすくなる。

図１で示した本実施例に係る電界効果トランジスタを以下のような工程を経て製造した。成長装置はＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置を用い、成長するための基板１はサファイア基板を用いた。

まず、サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ターボポンプでＭＯＣＶＤ装置内の真空度を１×１０^-6ｈＰａ以下になるまで真空引きした後、真空度を１００ｈＰａとし基板を１１００℃に昇温した。温度が安定したところで、基板１を９００ｒｐｍで回転させ、原料となるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を１００ｃｍ³／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で基板１の表面に導入しＧａＮからなるバッファ層２の成長を行った。成長時間は１２０ｓｅｃでバッファ層２の膜厚は５０ｎｍ程度である。

その後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を１００ｃｍ³／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量でバッファ層２の上に導入してＧａＮからなるチャネル層３の成長を行った。成長時間は１０００ｓｅｃで、チャネル層３の膜厚は４００ｎｍであった。

最後に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を５０ｃｍ³／ｍｉｎ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を１００ｃｍ³／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で導入し、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる電子供給層４の成長を行って層構造を構成する。ここで、成長時間は４０ｓｅｃで、電子供給層４の膜厚は３０ｎｍである。

層構造のエピタキシャル成長が終了した後、電子供給層４の全面にＳｉＯ₂膜を形成し、フォトリソグラフィと化学エッチングを用いて、ソース電極Ｓが存在する部分に相当する箇所に開口部を開ける。そして、ＫＯＨ水溶液からなるエッチング液を用いてチャネル層３に至る深さのエッチング溝を形成した。ここで、エッチング溝の深さは、１００ｎｍとした。

溝が形成された後、再びＭＯＣＶＤ装置に搬入してｎ−ＩｎＧａＮからなるコンタクト層５の埋め込みを行った。埋め込みは、装置の真空度を１００ｈＰａとし基板を１０５０℃に昇温した。温度が安定したところで、基板１を９００ｒｐｍで回転させ、原料となるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を１００ｃｍ³／ｍｉｎ、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を５０ｃｍ³／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎ、ドーパントとしてＳｉＨ₄を１０ｃｍ³／ｍｉｎの流量で基板１の表面に導入しｎ−ＩｎＧａＮからなるコンタクト層５（Ｓｉのドーピング濃度は３×１０¹⁹／ｃｍ³）の成長を行った。コンタクト層５を埋め込み後、アンドープＡｌＧａＮ層（電子供給層４）上のＳｉＯ₂膜をフッ酸で除去した。

そしてＥＢ蒸着法により、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ、ソース電極Ｓ（Ｔａ／Ｓｉ／Ａｕ，厚さは１００ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）とドレイン電極Ｄの間にゲート電極Ｇ（Ｐｔ／Ａｕ，厚さは１００ｎｍ／２００ｎｍ）を形成することにより、図１で示した電界効果トランジスタが得られる。

なお、比較のため、図３に示した従来の形態の電界効果トランジスタも作製した。すなわち、図３に示した電界効果トランジスタは、コンタクト層５が、ドレイン電極Ｄとソース電極Ｓの両方に接触するように形成され、かつエッチング溝に埋め込まれている。なお、バッファ層２、チャネル層３、電子供給層４の厚さは図１に示した電界効果トランジスタと同じである。

図１に示した本実施例に係る電界効果トランジスタのソース電極Ｓ−ドレイン電極Ｄ間の逆方向の耐圧は４００Ｖであり、図３で示した従来の形態の電界効果トランジスタの逆方向の耐圧の２５０Ｖと比較して向上していることが確認された。また、本実施例に係る電界効果トランジスタのオン抵抗は７ｍΩｃｍ^２と、図３で示した形態の電界効果トランジスタのオン抵抗の５ｍΩｃｍ^２と比較して若干上昇したものの、遜色はなかった。

（実施例２）
本実施例に係るＧａＮ系電界効果トランジスタの断面図を図２に示した。
本実施例に係るＧａＮ系電界効果トランジスタは、図１に示した実施例１に係るＧａＮ系電界効果トランジスタのコンタクト層５の部分以外は全く共通する。

すなわち、本実施例に係るＧａＮ系電界効果トランジスタでは、アンドープＧａＮ層からなるチャネル層３及びアンドープＡｌＧａＮ層からなる電子供給層４の一部にＳｉイオンを注入し、注入した部分をｎ型化したものをコンタクト層５としている。これにより、コンタクト層５を構成するためのエッチング溝が不要となる。

イオン注入の工程は、実施例１に係る電界効果トランジスタの製造工程において、層構造のエピタキシャル成長が終了した後、電子供給層４の全面にＳｉＯ₂膜を形成し、フォトリソグラフィと化学エッチングを用いて、ソース電極Ｓが存在する部分に相当する箇所に開口部を開けた工程を経た後に行なうイオン注入を行なうために、イオン注入装置を用い（加速電圧５０ｋＶ）、ｎ型不純物の濃度が、１×１０^１９／ｃｍ³となるように注入量を調整した。なお、他の工程は実施例１に係る電界効果トランジスタの製造方法と全く共通する。

このようにして製造された実施例２に係る電界効果トランジスタの耐圧は５００Ｖであり、実施例１に係る電界効果トランジスタと比較して耐圧が一層向上していた。また、オン抵抗も８ｍΩｃｍ^２と実施例１に係る電界効果トランジスタと比較して若干劣るものの、従来例に係る電界効果トランジスタとほぼ同等であった。

本発明に係る電界効果トランジスタの実施の形態を示す断面図である。本発明に係る電界効果トランジスタの別の実施の形態を示す断面図である。従来技術に係る電界効果トランジスタを示す断面図である。

符号の説明

１基板
２バッファ層
３電子走行層（チャネル層）
４電子供給層
５コンタクト層
６２次元電子ガス層

Claims

ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極、チャネル層を有するＧａＮ系電界効果トランジスタにおいて、前記チャネル層と導電型が同一のコンタクト層が前記ソース電極と前記チャネル層の間に位置し、少なくとも前記ソース電極に隣接し、かつ前記ドレイン電極と所定の間隔を離間させて設けられていることを特徴とするＧａＮ系電界効果トランジスタ。
前記コンタクト層はＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）であることを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系電界効果トランジスタ。
前記コンタクト層は、前記チャネル層が存在する領域のＧａＮ系半導体層にｎ型のイオンを添加して形成されたことを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系電界効果トランジスタ。
前記コンタクト層のドーパントは、Ｓｉ，Ｓｅ，Ｓの少なくとも一種類を含むことを特徴とする請求項２または３記載の電界効果トランジスタ。
前記コンタクト層のドーパントのドーピング濃度は、１×１０¹⁷〜１×１０²¹／ｃｍ³の濃度であることを特徴とする請求項４記載の電界効果トランジスタ。
前記ソース電極、前記ドレイン電極は、Ｓｉを含む２以上の金属を用いた合金を含むことを特徴とする請求項１〜５記載の電界効果トランジスタ。
前記合金に用いられる金属は、Ｔａ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｃａ，Ｎａであることを特徴とする請求項６記載の電界効果トランジスタ。