JP2007088252A5

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Publication number: JP2007088252A5
Application number: JP2005275897A
Authority: JP
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2008-01-31

Description

電界効果トランジスタ

本発明は、III族窒化物系化合物半導体の結晶成長によって製造される電界効果トランジスタ（各種のＦＥＴやＨＥＭＴ等）の構成に関する。

従来の電界効果トランジスタにおいては、キャリヤ供給層またはバリア層をＡｌ_xＧａ_1-xＮから成る半導体結晶層で形成しているが、チャネル層に対する障壁高さを十分に確保するために、この半導体結晶層のアルミニウム組成比ｘは、通常、０．２０〜０．３０の間に設定される。そして、この様な設定によって、ｏｎ抵抗の小さな電界効果トランジスタが製造されている。

また、電界効果トランジスタに生じるリーク電流の低減を図るための従来技術としては、下記の特許文献１や特許文献２などが公知である。
特開２０００−２７７５３６特開２００５−１８３５５１

しかしながら、上記の設定（０．２０≦ｘ≦０．３０）によってｏｎ抵抗の小さな電界効果トランジスタを製造する場合、素子（電界効果トランジスタ）の耐圧性を確保することは難しくなる。これは、Ａｌ_xＧａ_1-xＮから成る半導体結晶層において、アルミニウム組成比ｘを例えば上記などの様に比較的高く設定すると、半導体結晶層の結晶性が劣化し易くなり、その結果、素子に高い電圧を印加した際にゲートリーク電流が通るリークパスが形成され易くなるためだと考えられる。

また、上記の特許文献１や特許文献２などの従来技術においては、たとえリーク電流の低減を図ることはできても、例えばキャップ層などの様な付加的な構成要素の導入が必須となるので、素子構造や製造プロセスなどが複雑になり易い。このため、これらの従来技術は、素子の高い生産性を確保する上で必ずしも有利な技術とは言えない。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、ｏｎ抵抗と耐圧性の両特性に優れた電界効果トランジスタを製造することである。

上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第１の手段は、III族窒化物系化合物半導体より成る半導体結晶層を複数層結晶成長させることにより形成される電界効果トランジスタにおいて、上側の界面またはその近傍にチャネルが生成消滅されるチャネル層Ａと、その界面の上に直接積層されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．４５＞ｘ＞０．０４）から成るキャリヤ供給層Ｂとを設け、その界面の近傍において、キャリヤ供給層ＢのバンドギャップエネルギーＥ_Bを、チャネル層ＡのバンドギャップエネルギーＥ_Aよりも大きくし、キャリヤ供給層Ｂのアルミニウム組成比ｘを、上記の界面からの距離に対して略単調に減少させ、キャリヤ供給層Ｂは無添加の半導体結晶から形成されていることである。

ただし、界面からの距離に対してアルミニウム組成比ｘを略単調減少させる設定は、界面からの距離の増大に対して段階的に行っても連続的に行っても良い。また、その変動には意図しない若干の揺らぎ（微小振動など）が含まれていても良い。また、上記のチャネルの生成消滅は、ゲート電圧によって制御可能なものである。
なお、上記のチャネル層Ａは、ＧａＮ、またはＩｎＧａＮなどから形成することができる。

また、本発明の第２の手段は、上記の第１の手段において、上記のチャネル層Ａを窒化ガリウム（ＧａＮ）の半導体結晶から形成することである。
また、本発明の第３の手段は、上記の第２の手段において、上記のチャネル層Ａを無添加の半導体結晶から形成することである。

また、本発明の第４の手段は、上記の第１乃至第３の何れか１つの手段において、キャリヤ供給層Ｂの上記の界面におけるアルミニウム組成比ｘ１を０．１５以上０．４０以下にすることである。
ただし、より望ましくは、上記のアルミニウム組成比ｘ１は、０．１９以上０．２５以下が良い。

また、本発明の第５の手段は、上記の第１乃至第４の何れか１つの手段において、キャリヤ供給層Ｂの上記の界面とは反対側のもう一方の界面におけるアルミニウム組成比ｘ２を０．０５以上０．２０以下にすることである。
ただし、より望ましくは、上記のアルミニウム組成比ｘ２は、０．１３以上０．１７以下が良い。

また、本発明の第６の手段は、上記の第１乃至第５の何れか１つの手段において、キャリヤ供給層Ｂのアルミニウム組成比ｘを０．２０から０．１５に、上記の距離に対して略単調に減少させることである。
また、本発明の第７の手段は、上記の第１乃至第６の何れか１つの手段において、電極が形成される層が無添加の半導体結晶から形成されていることである。
また、本発明の第８の手段は、上記の第１乃至第７の何れか１つの手段において、ＡｌＮバッファ層を形成した炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板上に形成されていることである。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。

以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第１の手段によれば、キャリヤ供給層Ｂのアルミニウム組成比ｘがチャネル層Ａとの界面から遠ざかるにつれて単調に低下するので、チャネル層Ａに対するキャリヤ供給層Ｂの障壁高さを一定以上に確保しつつ、しかもキャリヤ供給層Ｂのもう一方の界面付近においては、アルミニウム組成比ｘの低減作用によって、キャリヤ供給層Ｂの結晶性をも一定以上に高く確保することができる。
したがって、本発明の第１の手段によれば、ｏｎ抵抗と耐圧性の両特性に優れた電界効果トランジスタを製造することができる。

また、本発明の第２の手段によれば、チャネル層Ａが窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶から形成されるので、チャネル層Ａがキャリヤ供給層Ｂに対して供する結晶成長面は良質かつ平坦になり易い。このため、本発明の第２の手段によれば、素子のｏｎ抵抗を低く抑制することができる。

また、本発明の第３の手段によれば、チャネル層Ａが無添加の窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶から形成されるので、チャネル層Ａがキャリヤ供給層Ｂに対して供する結晶成長面は、更により良質かつ平坦になり易い。このため、本発明の第３の手段によれば、更に、素子のｏｎ抵抗を低く抑制することができる。

また、本発明の第４の手段によれば、チャネル層Ａに対するキャリヤ供給層Ｂの障壁高さを大きく確保することができるので、素子のｏｎ抵抗をより低く減少させることができる。

また、本発明の第５の手段によれば、キャリヤ供給層Ｂの結晶品質を高く確保することができるので、これによってリーク電流をより低く減少させることができる。

また、本発明の第６の手段によれば、チャネル層Ａに対するキャリヤ供給層Ｂの障壁高さを大きく確保することができると同時に、キャリヤ供給層Ｂの結晶品質を高く確保することができるので、素子のｏｎ抵抗とリーク電流を同時に非常に効果的に低減させることができる。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。

図１は、本実施例１の電界効果トランジスタ１００の断面図である。この電界効果トランジスタ１００は、結晶成長によってIII族窒化物系化合物半導体を順次積層することにより形成した半導体素子であり、その結晶成長基板１０１は、厚さ約４００μｍの炭化シリコン（ＳｉＣ）から形成されている。この結晶成長基板１０１の上には、厚さ約２００ｎｍのＡｌＮから成るバッファ層１０２が形成されている。

そして、このバッファ層１０２の上には厚さ約２μｍのアンドープのＧａＮから成る半導体結晶層１０３が形成されている。そして、この半導体結晶層１０３が本発明のチャネル層Ａに相当する。また、この半導体結晶層１０３（チャネル層Ａ）の上には、本発明のキャリヤ供給層Ｂに相当する厚さ約４００ÅのアンドープのＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１５≦ｘ≦０．２０）から成る半導体結晶層１０４が積層されている。
このアルミニウム組成比ｘは、半導体結晶層１０３との界面からの距離の増大に対して、０．２０から０．１５まで単調に減少させる。

この半導体結晶層１０４（本発明のキャリヤ供給層Ｂ）の膜厚（約４００Å）は、ゲートＯＮ時に両半導体結晶層Ａ，Ｂの界面近傍に生成されるチャネル層と、下記の個々のオーミック電極（１０５，１０７）との間におけるキャリア（電子）のトンネル効果が、それぞれ確実かつ良好に発現する様に設定されている。

また、符号１０５，１０６，１０７はそれぞれ、ソース電極（オーミック電極）、ゲート電極（ショットキー電極）、ドレイン電極（オーミック電極）を示している。各オーミック電極（ソース電極１０５とドレイン電極１０７）は、何れもチタン（Ｔｉ）から成る膜厚約１００Åの薄い金属層を蒸着によって積層し、その上にアルミニウム（Ａｌ）から成る膜厚約３０００Åの金属層を更に蒸着にて積層したものである。これらのオーミック電極は、１秒未満のフラッシュアニール処理による約７００℃〜９００℃の熱処理によって、良好に密着及び合金化されている。他方、ゲート電極１０６は、約１００Åのニッケル（Ｎｉ）から成る金属層を蒸着によって積層し、その上に、金（Ａｕ）から成る金属層を更に約３０００Å蒸着して形成したショットキー電極である。

以下、上記の電界効果トランジスタ１００の製造方法を、本発明の特徴部分である半導体結晶層１０４（キャリヤ供給層Ｂ）を中心に説明する。
上記の電界効果トランジスタ１００の各半導体結晶層（半導体結晶層１０２，１０３，１０４）は何れも、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ）による気相成長により結晶成長されたものである。ここで用いられたガスは、キャリアガス（Ｈ₂又はＮ₂）と、アンモニアガス（ＮＨ₃）と、トリメチルガリウム（Ｇａ(CH₃)₃)と、トリメチルアルミニウム（Ａｌ(CH₃)₃)などである。
ただし、これらの半導体結晶層を結晶成長させる方法としては、上記の有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ）の他にも、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等が有効である。

なお、各半導体結晶層は、以下の結晶成長条件に基づいて結晶成長させた。
１．バッファ層１０２
（１）結晶成長温度Ｔ_O ：１１４０〔℃〕
（２）積層構成：単層（膜厚約２００ｎｍのＡｌＮ）

２．チャネル層Ａ（半導体結晶層１０３）
（１）結晶成長温度Ｔ_A ：１１４０〔℃〕
（２）積層構成：単層（膜厚約２μｍのＧａＮ）

３．キャリヤ供給層Ｂ（半導体結晶層１０４）
（１）結晶成長温度Ｔ_B ：１０００〔℃〕
（２）積層構成：複層（６層）
第１層：膜厚約７０Å，アルミニウム組成比ｘ＝０．２０
第２層：膜厚約７０Å，アルミニウム組成比ｘ＝０．１９
第３層：膜厚約６０Å，アルミニウム組成比ｘ＝０．１８
第４層：膜厚約６０Å，アルミニウム組成比ｘ＝０．１７
第５層：膜厚約７０Å，アルミニウム組成比ｘ＝０．１６
第６層：膜厚約７０Å，アルミニウム組成比ｘ＝０．１５

図２にこの電界効果トランジスタ１００のゲートリーク電流の特性を示す。この図２では、一番下のグラフｉ）が、上記の電界効果トランジスタ１００のゲートリーク電流の特性を示しており、その上のグラフｉｉ）は、キャリヤ供給層Ｂを単層の膜厚約４００ÅのＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから成る半導体結晶層から形成した別のサンプルＳ２の特性を示している。また、グラフiii）は、キャリヤ供給層Ｂを単層の膜厚約４００ÅのＡｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎから成る半導体結晶層から形成した他のサンプルＳ３の特性を示している。勿論、その他の構成要件については、Ｓ２，Ｓ３の何れのサンプルにおいても、上記の電界効果トランジスタ１００と同等にした。

このリーク電流の測定結果より、上記の電界効果トランジスタ１００では、キャリヤ供給層Ｂを膜厚約４００ÅのＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから成る単層の半導体結晶層から形成したサンプルＳ２の場合と比較して、同等以上にリーク電流の抑制効果が得られていることが分かる。また、上記の電界効果トランジスタ１００では、キャリヤ供給層Ｂを膜厚約４００ÅのＡｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎから成る単層の半導体結晶層から形成した上記のサンプルＳ３の場合と比較して、リーク電流が１／１００以下と極めて効果的に抑制されていることが分かる。

また、上記の電界効果トランジスタ１００とサンプルＳ２，Ｓ３について、チャネル層Ａとキャリヤ供給層Ｂの界面におけるシート抵抗を測定したところ、以下の測定結果を得た。
（シート抵抗）
電界効果トランジスタ１００：約６００〔Ω／□〕
サンプルＳ２：約７００〔Ω／□〕
サンプルＳ３：約５００〔Ω／□〕

以上の実験結果より、電界効果トランジスタ１００においては、良好に抑制されたリーク電流値に基づく高い耐圧性と、良好に抑制されたシート抵抗（ｏｎ抵抗）に基づく高い電気伝導性とが、従来にない非常に良い兼ね合いで、とても合理的に両立されていることが分かる。言い換えれば、図２のグラフｉ）の様にリーク電流が低く抑制された電界効果トランジスタにおいて、約６００〔Ω／□〕程度のシート抵抗を達成することは、従来は必ずしも容易ではなかった。

また、上記のキャリヤ供給層Ｂにおける複層構造は、上記の６層（第１層〜第６層）の結晶成長時におけるアルミニウム供給ガス（トリメチルアルミニウム（Ａｌ(CH₃)₃)）の供給量を僅かに調整するだけで実現することができるものであるから、例えばこの様にして電界効果トランジスタ１００を製造する場合には、従来と同等以上の生産性を確保することも容易である。

本発明は、III族窒化物系化合物半導体の結晶成長によって製造可能な電界効果トランジスタ（各種のＦＥＴやＨＥＭＴ等）の設計や製造に大いに有用なものである。

実施例１の電界効果トランジスタ１００の断面図電界効果トランジスタ１００のリーク電流特性を示すグラフ

符号の説明

１００：電界効果トランジスタ
１０１：結晶成長基板（ＳｉＣ）
１０２：バッファ層（ＡｌＮ）
１０３：チャネル層Ａ（ＧａＮから成る半導体結晶層）
１０４：キャリヤ供給層Ｂ（ＡｌＧａＮから成る半導体結晶層）
１０５：ソース電極（オーミック電極）
１０６：ゲート電極（ショットキー電極）
１０７：ドレイン電極（オーミック電極）

Claims

III族窒化物系化合物半導体より成る半導体結晶層を複数層結晶成長させることにより形成される電界効果トランジスタにおいて、
上側の界面またはその近傍にチャネルが生成消滅されるチャネル層Ａと、
前記界面の上に直接積層されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．４５＞ｘ＞０．０４）から成るキャリヤ供給層Ｂとを有し、
前記界面の近傍において、前記キャリヤ供給層ＢのバンドギャップエネルギーＥ_Bは、前記チャネル層ＡのバンドギャップエネルギーＥ_Aよりも大きく、
前記キャリヤ供給層Ｂのアルミニウム組成比ｘは、前記界面からの距離に対して略単調に減少しており、
前記キャリヤ供給層Ｂは無添加の半導体結晶から形成されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
前記チャネル層Ａは、窒化ガリウム（ＧａＮ）の半導体結晶から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
前記チャネル層Ａは、無添加の半導体結晶から形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電界効果トランジスタ。
前記キャリヤ供給層Ｂの前記界面におけるアルミニウム組成比ｘ１は、０．１５以上０．４０以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。
前記キャリヤ供給層Ｂの前記界面とは反対側のもう一方の界面におけるアルミニウム組成比ｘ２は、０．０５以上０．２０以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。
前記キャリヤ供給層Ｂのアルミニウム組成比ｘは、０．２０から０．１５に、前記距離に対して略単調に減少していることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。
電極が形成される層が無添加の半導体結晶から形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。
ＡｌＮバッファ層を形成した炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。