JP2009010216A - Ｉｉｉ族窒化物系半導体トランジスタおよびｉｉｉ族窒化物半導体積層ウエハ - Google Patents

Abstract

【課題】ｉｎ−ｓｉｔｕプロセスで作製可能なノーマリオフ型のIII族窒化物系半導体トランジスタを提供する。
【解決手段】ノーマリオフ型のIII族窒化物系半導体トランジスタ１１では、第１のバリア層１５は、窒化ガリウム系半導体層１３上に設けられ、またＡｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎ（０＜Ｘ１≦１、０≦Ｙ１≦１）からなる。第１のバリア層１５の主面１５ａは、第１および第２のエリア１５ｂ、１５ｃを含む。ゲート電極１９が第１のバリア層１５の第２のエリア１５ｃ上に設けられている。窒化ガリウム系半導体層１３と第１のバリア層１５とは、二次元電子ガスのためのヘテロ接合２１を形成する。第２のバリア層１７は、第１のバリア層１５の第１のエリア１５ｃ上に設けられており、またＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ（０＜Ｘ１＜Ｘ２≦１、０≦Ｙ２≦１）からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、III族窒化物系半導体トランジスタおよびIII族窒化物半導体積層ウエハに関する。

非特許文献１には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ電界効果トランジスタが記載されている。この電界効果トランジスタは、触媒（catalytic）ＣＶＤ法で成長されたＳｉＮパッシベーション膜を有しており、このＳｉＮパッシベーション膜によって、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの２次元電子ガスが増強される。０ｎｍ、２ｎｍ、３０ｎｍ、１２２ｎｍの膜厚を有するＳｉＮパッシベーション膜をそれぞれ基板上に形成したとき、シート電子密度は、１．４×１０^１３ｃｍ^−２、２．９×１０^１３ｃｍ^−２、２．９×１０^１３ｃｍ^−２、３．１×１０^１３ｃｍ^−２であり、膜厚依存性は殆ど示されなかった。

非特許文献２には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ電界効果トランジスタが記載されている。この電界効果トランジスタでは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造は、ゲート電極直下を除いてＳｉＯ_２およびＳｉＮで覆われている。
JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 100, 033714 (2006) Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 43, No. 4B (2004)

ＳｉＯ_２および／またはＳｉＮを用いる電界効果トランジスタの作製では、有機金属気相成長炉や分子線ビーム成長装置といった半導体成長装置だけでなく、ＳｉＯ_２やＳｉＮといったシリコン化合物膜を成長するために触媒ＣＶＤ装置およびスパッタ装置といった別の成膜装置の追加が必要である。また、半導体成長装置から別の成膜装置にウエハを移動する必要があるので、この移動中にコンタミネーションが発生する可能性がある。また、別の成膜装置へ移動後に成膜するので、界面に不純物が堆積されることもある。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、ｉｎ−ｓｉｔｕプロセスで作製可能なノーマリオフ型のIII族窒化物系半導体トランジスタを提供することを目的とし、またIII族窒化物系半導体トランジスタのためのIII族窒化物半導体積層ウエハを提供することを目的とする。

本発明に係る一側面は、ノーマリオフ型のIII族窒化物系半導体トランジスタである。III族窒化物系半導体トランジスタは、（ａ）窒化ガリウム系半導体層と、（ｂ）第１および第２のエリアを含む主面を有しており、前記窒化ガリウム系半導体層上に設けられ、Ａｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎ（０＜Ｘ１≦１、０≦Ｙ１≦１）からなる第１のバリア層と、（ｃ）Ａｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ（０＜Ｘ１＜Ｘ２≦１、０≦Ｙ２≦１）からなり、前記第１のバリア層の前記第１のエリア上に設けられた第２のバリア層と、（ｄ）前記第１のバリア層の前記第２のエリア上に設けられたゲート電極とを備え、前記窒化ガリウム系半導体層と前記第１のバリア層とは、二次元電子ガスのためのヘテロ接合を形成する。

このIII族窒化物系半導体トランジスタでは、第２のバリア層のアルミニウム組成は、第１のバリア層のアルミニウム組成よりも大きいので、第２のバリア層が第１のバリア層に応力を加える。この応力により、二次元電子ガスの生成が増大される。第２のバリア層はゲート直下には設けられていないので、第２のエリア直下のヘテロ接合における二次元電子ガスの生成量は第１のエリア直下のヘテロ接合における二次元電子ガスの生成量と異なる。第２のバリア層のためのＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ半導体膜および第１のバリア層のためのＡｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎ膜は、共に同じ成膜装置で成長可能である。

本発明に係るIII族窒化物系半導体トランジスタでは、前記第１のバリア層の前記主面は、第３および第４のエリアを更に含み、前記第１のエリアは前記第２のエリアと前記第３のエリアとの間および前記第２のエリアと前記第４のエリアとの間に位置する。当該III族窒化物系半導体トランジスタは、前記第３のエリア上に設けられたソース電極と、前記第４のエリア上に設けられたドレイン電極とを更に備えることができる。

このIII族窒化物系半導体トランジスタによれば、ゲート電極直下のチャネルとソース電極およびドレイン電極とを接続する経路内のヘテロ接合上に第２のバリア層が設けられているので、トランジスタのソース抵抗およびドレイン抵抗が低減される。

本発明に係るIII族窒化物系半導体トランジスタでは、前記第１のバリア層はＡｌ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎからなり、前記第２のバリア層はＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎからなることが好ましい。

このIII族窒化物系半導体トランジスタによれば、第２のバリア層が、低温で成長され大きなアルミニウム組成を有するＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎからなるとき、エッチングによる除去が容易になる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体トランジスタでは、前記第２のバリア層はＡｌＮからなることが好ましい。第２のバリア層がＡｌＮからなるとき、ＡｌＧａＮ系材料に比べてエッチングによるＡｌＮ除去が容易になる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体トランジスタでは、前記第２のバリア層は、アモルファス状のＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎからなることが好ましい。このIII族窒化物系半導体トランジスタによれば、第２のバリア層が、アモルファス状のＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎからなるとき、エッチングによる除去が容易になる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体トランジスタでは、前記第２のバリア層は、多結晶状のＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎからなることが好ましい。このIII族窒化物系半導体トランジスタによれば、第２のバリア層が、多結晶状のＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎからなるとき、エッチングによる除去が容易になる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体トランジスタでは、前記第２のバリア層は、摂氏８００度以下の温度で前記第１のバリア層上に成長されたＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２ａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ膜を用いて形成されることが好ましい。このIII族窒化物系半導体トランジスタによれば、第２のバリア層が、低温で成長されたＡｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎ、エッチングによる除去が容易になる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体トランジスタは、前記第２のバリア層上に設けられたＡｌ_Ｘ３Ｉｎ_Ｙ３Ｇａ_{１−Ｘ３−Ｙ３}Ｎ（０≦Ｘ３＜Ｘ２≦１、０≦Ｙ３＜１）からなる窒化ガリウム系半導体キャップ層を更に備えることができる。

このIII族窒化物系半導体トランジスタでは、キャップ層により表面平坦性が向上し、また、トランジスタの表面がパッシベーションされる。また、キャップ層がＧａＮからなるとき、これらの効果に優れる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体トランジスタは、前記第１のバリア層の前記第２のエリアと前記ゲート電極との間に設けられた絶縁膜を更に備えることができる。このIII族窒化物系半導体トランジスタによれば、絶縁膜によりゲート電極のリーク電流が低減される。

本発明に係る別の側面は、ノーマリオフ型のIII族窒化物系トランジスタのためのIII族窒化物半導体積層ウエハである。このウエハは、（ａ）基板上に設けられた窒化ガリウム系半導体膜と、（ｂ）前記窒化ガリウム系半導体膜上に設けられ、Ａｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎ（０＜Ｘ１≦１、０≦Ｙ１≦１）からなる第１のバリア膜と、（ｃ）Ａｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ（０＜Ｘ１＜Ｘ２≦１、０≦Ｙ２≦１）からなり、前記窒化ガリウム系半導体膜上に設けられた第２のバリア膜とを備え、前記窒化ガリウム系半導体膜は前記第１のバリア膜とヘテロ接合を形成する。

このIII族窒化物半導体積層ウエハによれば、第２のバリア層のアルミニウム組成は、第１のバリア層のアルミニウム組成よりも大きいので、第２のバリア層が第１のバリア層に応力を加える。この応力により、二次元電子ガスの生成が増大される。第２のバリア層のためのＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ半導体膜および第１のバリア層のためのＡｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎ膜は、共に同じ成膜装置で成長可能であり、二次元電子ガスの生成量を増強するための多層バリア層の構造が提供される。

本発明に係るIII族窒化物半導体積層ウエハでは、前記第１のバリア膜はＡｌ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎからなり、前記第２のバリア膜はＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎからなることができる。このIII族窒化物半導体積層ウエハによれば、低温成長された高いＡｌ組成のＡｌＧａＮは、ウエットエッチング可能である。

本発明に係るIII族窒化物半導体積層ウエハでは、前記第２のバリア膜はＡｌＮからなることが好ましい。このIII族窒化物半導体積層ウエハによれば、低温成長されたＡｌＮは、ウエットエッチング容易である。

本発明に係るIII族窒化物半導体積層ウエハでは、前記第２のバリア膜は、アモルファス状のＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎからなることが好ましい。このIII族窒化物半導体積層ウエハによれば、アモルファス状の上記材料は、ウエットエッチング可能である。

本発明に係るIII族窒化物半導体積層ウエハでは、前記第２のバリア膜は、多結晶状のＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎからなることができる。このIII族窒化物半導体積層ウエハによれば、多結晶状の上記材料は、ウエットエッチング可能である。

本発明に係るIII族窒化物半導体積層ウエハでは、前記第２のバリア膜は、摂氏８００度以下の温度で前記第１のバリア膜上に成長されたＡｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎ膜を用いて形成されることが好ましい。低温成長された上記材料は、ウエットエッチング可能である。

本発明に係るIII族窒化物半導体積層ウエハでは、前記第２のバリア膜上に設けられ、Ａｌ_Ｘ３Ｉｎ_Ｙ３Ｇａ_{１−Ｘ３−Ｙ３}Ｎ（０≦Ｘ３＜Ｘ２≦１、０≦Ｙ３＜１）からなる窒化ガリウム系半導体キャップ膜を更に備えることができる。

ノーマリオフ型のIII族窒化物系トランジスタのためのIII族窒化物半導体積層ウエハが窒化ガリウム系半導体キャップ膜を備えるので、このIII族窒化物半導体積層ウエハの最表面は平坦化され、またIII族窒化物半導体積層ウエハの最上層にはパッシベーションのための膜が設けられる。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、ｉｎ−ｓｉｔｕプロセスで作製可能なノーマリオフ型のIII族窒化物系半導体トランジスタが提供され、またIII族窒化物系半導体トランジスタのためのIII族窒化物半導体積層ウエハが提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物系半導体トランジスタに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本発明の実施の形態に係るIII族窒化物系半導体トランジスタである。III族窒化物系半導体トランジスタ（以下、トランジスタと記す）１１は、ノーマリオフ型である。トランジスタ１１は、窒化ガリウム系半導体層１３と、第１のバリア層１５と、第２のバリア層１７と、ゲート電極１９とを備える。第１のバリア層１５は、窒化ガリウム系半導体層１３上に設けられ、またＡｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎ（０＜Ｘ１≦１、０≦Ｙ１≦１）からなる（例えば、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ等）。第１のバリア層１５の主面１５ａは、第１および第２のエリア１５ｂ、１５ｃを含む。第２のエリア１５ｃは、第１のエリア１５ｃの周囲に設けられている。ゲート電極１９が第１のバリア層１５の第２のエリア１５ｃ上に設けられている。窒化ガリウム系半導体層１３と第１のバリア層１５とは、二次元電子ガスのためのヘテロ接合２１を形成する。第２のバリア層１７は、第１のバリア層１５の第１のエリア１５ｃ上に設けられており、またＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ（０＜Ｘ１＜Ｘ２≦１、０≦Ｙ２≦１）からなる（例えば、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＮ等）。

このトランジスタ１１では、第２のバリア層１７のアルミニウム組成Ｎ_ＡＬ１７は、第１のバリア層１５のアルミニウム組成Ｎ_ＡＬ１５よりも大きいので、第２のバリア層１７が第１のバリア層１５に応力を加える。この応力により、二次元電子ガスの生成が増大される。第２のバリア層１７はゲート電極１９の直下には設けられていないので、第１のエリア１５ｂ直下のヘテロ接合における二次元電子ガスの生成量Ｎ_Ｅ１は第２のエリア１５ｃ直下のヘテロ接合における二次元電子ガスの生成量Ｎ_Ｅ２より増大する。第２のバリア層１７のためのＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ半導体膜および第１のバリア層１５のためのＡｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎ膜は、共に同じ成膜装置で成長可能である。このため、ｉｎ−ｓｉｔｕプロセスで作製可能なIII族窒化物系半導体トランジスタ１１が提供される。

トランジスタ１１では、第１のバリア層１５の主面１５ａは、第３および第４のエリア１５ｄ、１５ｆを更に含むことができる。第１のエリア１５ｂは、第２のエリア１５ｃと第３のエリア１５ｄとの間および第２のエリア１５ｃと第４のエリア１５ｅとの間に位置する。トランジスタ１１は、第３のエリア１５ｄ上に設けられたソース電極２３を更に備えることができる。第２のバリア層１７が、ソース電極２３とゲート電極１９直下のチャネルとを接続するキャリア経路内のヘテロ接合上に設けられているので、トランジスタ１１のソース抵抗が低減される。また、トランジスタ１１は、第４のエリア１５ｅ上に設けられたドレイン電極２５を更に備えることができる。第２のバリア層１７が、ドレイン電極２５とゲート電極１９直下のチャネルとを接続するキャリア経路内のヘテロ接合上に設けられているので、トランジスタ１１のドレイン抵抗が低減される。なお、第２のバリア層１７のＡｌ組成が第１のバリア層１５のＡｌ組成よりも高いため、バンドギャップも第２のバリア層の方が一般的に高い。

トランジスタ１１では、第１のバリア層１５はＡｌ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎからなり、第２のバリア層１７はＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎからなることが好ましい。トランジスタ１１によれば、第２のバリア層１７が、低温で成長され大きなアルミニウム組成を有するＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎからなるとき、エッチング（例えば、アンモニア水というエッチャントを用いて）による除去が容易になる。

また、トランジスタ１１では、第２のバリア層１７はＡｌＮからなることが好ましい。第２のバリア層１７がＡｌＮからなるとき、ＡｌＧａＮ系材料に比べてエッチングによるＡｌＮ除去（エッチャント：例えばアンモニア水）が容易になる。

さらに、トランジスタ１１では、第２のバリア層１７は、アモルファス状のＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ（例えば、アモルファス状ＡｌＩｎＧａＮ、アモルファス状ＡｌＧａＮ、アモルファス状ＡｌＮ）からなることが好ましい。例えば、アモルファス状ＡｌＧａＮおよびアモルファス状ＡｌＮの成膜温度は摂氏４００度〜８００度である。第２のバリア層１７のためにアモルファス状のＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎを用いると、Ａｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎを部分的に除去するためにエッチング（例えば、アンモニア水というエッチャントを用いて）を使用できる。

さらにまた、トランジスタ１１では、第２のバリア層１７は、多結晶状のＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ（例えば、多結晶状のＡｌＩｎＧａＮ、多結晶状のＡｌＧａＮ）からなることが好ましい。例えば、多結晶状ＡｌＧａＮの成膜温度は摂氏４００度〜８００度である。第２のバリア層１７のために多結晶状のＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎを用いると、Ａｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎを部分的に除去するためにエッチング（例えば、アンモニア水というエッチャントを用いて）を使用できる。

トランジスタ１１では、第２のバリア層１７は、摂氏８００度以下の温度で第１のバリア層１５上に成長されたＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ膜を用いて形成されることが好ましい。トランジスタ１１によれば、第２のバリア層１７が、低温で成長されたＡｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎ、エッチング（例えば、アンモニア水というエッチャントを用いて）による除去が容易になる。第２のバリア層１７のためのＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２ａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ膜の成長は、摂氏４００度以上の温度で行われることが好ましい。これらの成長は、例えば、有機金属気相成長法または分子線ビームエピタキシ法で行われる。

トランジスタ１１は、窒化ガリウム系半導体層１３、第１のバリア層１５および第２のバリア層１７を含む半導体積層を搭載する基板２７を備えることができる。基板２７としては、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板等を用いることができる。

トランジスタ１１は、第２のバリア層１７上に設けられたＡｌ_Ｘ３Ｉｎ_Ｙ３Ｇａ_{１−Ｘ３−Ｙ３}Ｎ（０≦Ｘ３＜Ｘ２≦１、０≦Ｙ３＜１）からなる窒化ガリウム系半導体キャップ層を更に備えることができる（例えば、ＧａＮ等）。このキャップ層により半導体積層表面の平坦性が向上し、また、トランジスタ１１の表面が不動態化される。キャップ層がＧａＮからなるとき、これらの効果に優れる。

トランジスタ１１は、第１のバリア層１５の第２のエリア１５ｃとゲート電極１９との間に設けられた絶縁膜を更に備えることができる。絶縁膜によりゲート電極１９のリーク電流が低減される。絶縁膜としては、ＳｉＮ等を用いることができる。

（実施例）
図２および図４は、本実施の形態に係るトランジスタの製造のための主要な工程を示す図面である。図３は、本実施の形態に係るノーマリオフ型のIII族窒化物系トランジスタのためのIII族窒化物半導体積層ウエハを示す図面である。例えばサファイア基板３３を有機金属気相成長（ＯＭＶＰＥ）炉３１にセットする。エピタキシャル成長のために、分子線ビームエピタキシ法を用いて良い。

図２（ａ）に示されるように、ＯＭＶＰＥ炉を用いて、摂氏１０５０度の温度で水素雰囲気中において基板３３の５分間の熱処理を行った。次いで、低温ＧａＮバッファ層３５を成長した。低温ＧａＮバッファ層３５は、摂氏５５０度で成長され、また厚さ２５ｎｍを有する。炉内温度を摂氏１０５０度に変更した後に、ｉ−ＧａＮ層３７を成長する。ｉ−ＧａＮ層３７は厚さ１μｍを有する。続けて、摂氏１０５０度で、ＡｌＧａＮ層３９を成長した。ＡｌＧａＮ層３９は、例えばアンドープであり、また例えばＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎである。ＡｌＧａＮ層３９の厚さは、例えば５ｎｍである。ヘテロ接合３８には二次元電子ガス４０が生成される。

さらに、図２（ｂ）に示されるように、ＯＭＶＰＥ炉３１の温度を摂氏５５０度に変更した後に、ＡｌＮ膜４１を成長した。ＡｌＮ膜４１は、例えばアンドープであり、例えば厚さ３００ｎｍを有する。このＡｌＮ膜４１は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層３９の成長に引き続いてｉｎ−ｓｉｔｕプロセスで作製可能である。次いで、パッシベーションのためにＧａＮキャップ膜４３を成長した。ＧａＮキャップ膜４３の成長温度は摂氏５５０度である。ＧａＮキャップ膜４３は厚さ２ｎｍを有する。ＧａＮキャップ膜４３も、ｉｎ−ｓｉｔｕプロセスで作製可能である。ヘテロ接合３８では、ＡｌＮ膜４１により、二次元電子ガス４６が増強される。

III族窒化物半導体積層ウエハ４５は、低温ＧａＮバッファ層３５と、ｉ−ＧａＮ層３７と、ＡｌＧａＮ層３９と、ＡｌＮ膜４１と、ＧａＮキャップ膜４３とを含む。

これらの工程により、図３に示されるように、ノーマリオフ型のIII族窒化物系トランジスタのためのIII族窒化物半導体積層ウエハＷ１、Ｗ２が作製される。図３（ａ）に示されるウエハＷ１は、基板（サファイア基板３３）上に設けられた窒化ガリウム系半導体膜（ｉ−ＧａＮ膜３７）と、この窒化ガリウム系半導体膜上に設けられ、Ａｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎからなる第１のバリア膜（ＡｌＧａＮ膜３９）と、Ａｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎからなり、第１のバリア膜上に設けられた第２のバリア膜（ＡｌＮ膜４１）とを備える。窒化ガリウム系半導体膜３３は第１のバリア膜３５とヘテロ接合４０を形成する。

このウエハＷ１によれば、第２のバリア膜のアルミニウム組成は、第１のバリア膜のアルミニウム組成よりも大きいので、第２のバリア膜が第１のバリア膜に応力を加える。この応力により、二次元電子ガスの生成が増大される。第２のバリア膜および第１のバリア膜は、共に同じ成膜装置３１で成長可能であり、二次元電子ガスの生成量を増強するための多層バリア層（ＡｌＧａＮ層３９およびＡｌＮ膜４１）の構造が提供される。

図３（ｂ）に示されるウエハＷ２は、更に、第２のバリア膜（ＡｌＮ膜４１）上に設けられ、Ａｌ_Ｘ３Ｉｎ_Ｙ３Ｇａ_{１−Ｘ３−Ｙ３}Ｎからなる窒化ガリウム系半導体キャップ膜４１を更に備えることができる。ウエハＷ２が窒化ガリウム系半導体キャップ膜（ＧａＮ膜４３）を備えるので、このウエハＷ２の最表面は平坦化され、またウエハＷ２の最上層にはパッシベーションのための膜が設けられる。

III族窒化物半導体積層ウエハ４５を、渦電流を利用した非接触シート抵抗測定装置で測定した。その結果、シート抵抗が８００Ω／ｓｑｕａｒｅであった。この後に、III族窒化物半導体積層ウエハ４５のＡｌＮ膜４３のすべてを、希釈したアンモニア水（例えば１０倍希釈）をエッチャントとして用いたウェットエッチングにより除去した後、シート抵抗を測定した。その結果、約５０ｋΩ／ｓｑｕａｒｅであり、高抵抗になった。すなわち、低温ＡｌＮは二次元電子ガスを誘起することが示された。

この誘起効果は、ＡｌＮでなくても、ＡｌＧａＮ等によっても提供される。第２バリア膜のＡｌＧａＮのＡｌ組成が第１のバリア膜のＡｌＧａＮのＡｌ組成よりも高ければ、応力による歪を発生させることができる。この誘起効果は、低温のアモルファス或いは多結晶状の窒化ガリウム系材料によっても提供される。

低温ＡｌＮはアルカリのエッチャントにより容易にウェットエッチングが可能であるので、ダメージフリーのプロセスが可能である。

このウエハ４５（ＧａＮ／ＬＴ−ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造）を用いて、ノーマリオフ型のヘテロ接合トランジスタ（例えば、高電子移動度トランジスタＨＥＭＴ）ＨＦＥＴを作製した。

図２（ｃ）に示されるように、ドレイン電極、ソース電極、ゲート電極の形成ための開口をＧａＮキャップ膜４３に形成するためのマスク（例えばレジストマスク）４７を形成した。マスク４７を用いてＧａＮキャップ膜４３を部分的に除去して、開口をＧａＮキャップ膜４３ａに形成した。ＧａＮキャップ膜の除去のために、エッチャントとしてリン酸と硫酸の混合液を用いることができる。また、ドライエッチングによる除去も可能である。

図４（ａ）に示されるように、マスク４７を用いてＡｌＮ膜４１を部分的に除去して、ドレイン電極、ソース電極、ゲート電極の形成ための開口をＡｌＮ膜４１ａに形成した。ＡｌＮ膜４１の部分除去は、例えば希釈のアンモニア水のウェットエッチングを用いた。ＡｌＮ膜４１の部分除去により、二次元電子ガス４６ａ、４６ｂの濃度が互いに異なることになる

図４（ｂ）に示されるように、ドレイン・ソースのためのオーミック電極４９ａ、４９ｂを作製した。さらに、ゲートのためのショットキ電極４９ｃを形成した。これらの工程により、トランジスタＨＦＥＴが作製された。ゲート電圧に対するＩ−Ｖ特性の測定した。この測定により、トランジスタＨＦＥＴは良好なトランジスタ特性を示すと共にノーマリオフ型を有していることが確認された。

上記の実施例では、第２のバリア膜は低温成長ＡｌＮからなるけれども、低温成長ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮからなることもできる。これらの膜が、アモルファス状または多結晶状であれば、ウエットエッチング（例えば、エッチャントとしてアンモニア水を用いて）可能である。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１は、本発明の実施の形態に係るIII族窒化物系半導体トランジスタである。 図２は、本実施の形態に係るトランジスタの製造のための主要な工程を示す図面である。 図３は、本実施の形態に係るノーマリオフ型のIII族窒化物系トランジスタのためのIII族窒化物半導体積層ウエハを示す図面である。 図４は、本実施の形態に係るトランジスタの製造のための主要な工程を示す図面である。

符号の説明

１１…III族窒化物系半導体トランジスタ、１３…窒化ガリウム系半導体層、１５…第１のバリア層、１５ａ…第１のバリア層の主面、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ…第１のバリア層のエリア、１７…第２のバリア層、１９…ゲート電極、２３…ソース電極、２５…ドレイン電極、２７…基板、３１…有機金属気相成長（ＯＭＶＰＥ）炉、３３…サファイア基板、４５…III族窒化物半導体積層ウエハ、Ｗ１、Ｗ２…III族窒化物半導体積層ウエハ、Ｎ_ＡＬ１５…第１のバリア層のアルミニウム組成、Ｎ_ＡＬ１７…第２のバリア層のアルミニウム組成

Claims (16)

1. ノーマリオフ型のIII族窒化物系半導体トランジスタであって、
   窒化ガリウム系半導体層と、
   第１および第２のエリアを含む主面を有しており、前記窒化ガリウム系半導体層上に設けられ、Ａｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎ（０＜Ｘ１≦１、０≦Ｙ１≦１）からなる第１のバリア層と、
   Ａｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ（０＜Ｘ１＜Ｘ２≦１、０≦Ｙ２≦１）からなり、前記第１のバリア層の前記第１のエリア上に設けられた第２のバリア層と、
   前記第１のバリア層の前記第２のエリア上に設けられたゲート電極と
   を備え、
   前記窒化ガリウム系半導体層と前記第１のバリア層とは、二次元電子ガスのためのヘテロ接合を形成する、ことを特徴とするIII族窒化物系半導体トランジスタ。
2. 前記第１のバリア層の前記主面は、第３および第４のエリアを更に含み、
   前記第１のエリアは前記第２のエリアと前記第３のエリアとの間および前記第２のエリアと前記第４のエリアとの間に位置し、
   当該III族窒化物系半導体トランジスタは、前記第３のエリア上に設けられたソース電極と、前記第４のエリア上に設けられたドレイン電極とを更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物系半導体トランジスタ。
3. 前記第１のバリア層はＡｌ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎからなり、
   前記第２のバリア層はＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎからなる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたIII族窒化物系半導体トランジスタ。
4. 前記第２のバリア層はＡｌＮからなる、ことを特徴とする請求項３に記載されたIII族窒化物系半導体トランジスタ。
5. 前記第２のバリア層は、アモルファス状のＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体トランジスタ。
6. 前記第２のバリア層は、多結晶状のＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体トランジスタ。
7. 前記第２のバリア層は、摂氏８００度以下の温度で前記第１のバリア層上に成長されたＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２ａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ膜を用いて形成される、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体トランジスタ。
8. 前記第２のバリア層上に設けられたＡｌ_Ｘ３Ｉｎ_Ｙ３Ｇａ_{１−Ｘ３−Ｙ３}Ｎ（０≦Ｘ３＜Ｘ２＜１、０≦Ｙ３＜１）からなる窒化ガリウム系半導体キャップ層を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体トランジスタ。
9. 前記第１のバリア層の前記第２のエリアと前記ゲート電極との間に設けられた絶縁膜を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体トランジスタ。
10. ノーマリオフ型のIII族窒化物系トランジスタのためのIII族窒化物半導体積層ウエハであって、
    基板上に設けられた窒化ガリウム系半導体膜と、
    前記窒化ガリウム系半導体膜上に設けられ、Ａｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎ（０＜Ｘ１≦１、０≦Ｙ１≦１）からなる第１のバリア膜と、
    Ａｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ（０＜Ｘ１＜Ｘ２≦１、０≦Ｙ２≦１）からなり、前記窒化ガリウム系半導体膜上に設けられた第２のバリア膜と
    を備え、
    前記窒化ガリウム系半導体膜は前記第１のバリア膜とヘテロ接合を形成する、ことを特徴とするIII族窒化物半導体積層ウエハ。
11. 前記第１のバリア膜はＡｌ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎからなり、
    前記第２のバリア膜はＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎからなる、ことを特徴とする請求項１０に記載されたIII族窒化物半導体積層ウエハ。
12. 前記第２のバリア膜はＡｌＮからなる、ことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載されたIII族窒化物半導体積層ウエハ。
13. 前記第２のバリア膜は、アモルファス状のＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎからなる、ことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載されたIII族窒化物半導体積層ウエハ。
14. 前記第２のバリア膜は、多結晶状のＡｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎからなる、ことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載されたIII族窒化物半導体積層ウエハ。
15. 前記第２のバリア膜は、摂氏８００度以下の温度で前記第１のバリア膜上に有機金属気相成長法で成長されたＡｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎ膜を用いて形成される、ことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載されたIII族窒化物半導体積層ウエハ。
16. 前記第２のバリア膜上に設けられ、Ａｌ_Ｘ３Ｉｎ_Ｙ３Ｇａ_{１−Ｘ３−Ｙ３}Ｎ（０≦Ｘ３＜Ｘ２≦１、０≦Ｙ３＜１）からなる窒化ガリウム系半導体キャップ膜を更に備える、ことを特徴とする請求項１０〜請求項１５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体積層ウエハ。

Images