JP2009010292A - ＺｎＯデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 ＺｎＯトランジスタ又はＨＥＭＴのようなＺｎＯデバイスにおいて、ソース・ドレインのコンタクト抵抗を減少させることを課題とする。
【解決手段】 Ｚｎ極性面を有するアンドープＺｎＯ層をチャンネル層とし、該Ｚｎ極性面を有するＺｎＯ層上には、極性面反転層を介して、ソース・ドレインに接続されたＯ極性高濃度ｎ型ＺｎＯ層が、選択的に形成されていることを特徴とするＺｎＯデバイスである。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ＺｎＯトランジスタ等のＺｎＯデバイスに関する。

ＳｉやＧａＡｓ等に代表される従来の半導体に比べて、禁制帯幅の広いワイドギャップ半導体は高出力・高周波デバイスや短波長の光電子デバイスの材料として有用である。

高周波用途や高出力用制御用デバイスとしてＳｉデバイスの物理的限界を超えるデバイス開発の要求がある。そこでＳｉＣ、ＧａＮ及びダイヤモンド等のワイドギャップ半導体が高耐電圧、高温動作、高速動作可能である特長を生かしたデバイス材料として注目を集めている。ＺｎＯはワイドギャップ半導体の中でも、ヘテロ構造が利用可能、大きなバンドオフセットが利用可能、バルク基板が利用可能、飽和電子速度が他のワイドギャップ半導体に比べ大きい等の電子デバイスとしての大きな利点を有し、広い分野での利用が期待される。

ワイドギャップ半導体は、高周波・高出力電子デバイスとして移動体通信の基地局増幅器、ミリ波レーダー、家電製品、ハイブリッド・電気自動車等での使用が検討されている。ＺｎＯはその高性能な特性と安価で簡便なデバイスプロセスという特長を生かすことにより、他のワイドギャップ半導体と同様な用途やさらに広い範囲での応用展開が期待できる。

ＺｎＯ系半導体はＺｎＭｇＯ/ＺｎＯ等のバンドギャップの異なる半導体の接合が利用できるため、適当な積層構造を利用することにより界面に非常に高濃度の２次元電子ガスを形成する（非特許文献１〜３）。この高濃度２次元電子ガスは自発分極やピエゾ分極の電気分極効果が非常に大きいことによる。同様な現象は、III−Ｖ族半導体ＡｌＧａＮ/ＧａＮヘテロ構造でも知られており、高電子移動度電子トランジスタ（ＨＥＭＴ）として電子デバイスに利用されている。

ＺｎＯへテロ構造を用いたＨＥＭＴデバイスを作製する場合、「ＺｎＭｇＯ/ＺｎＯ/基板」構造が必要である。特にサファイア、ＳｉＣさらにＳｉ等の異種基板上にデバイスを作製する場合、結晶性を向上させ、フラットなヘテロ界面を得るためには上記構造が必須である。ｎ型ド−ピング行い、混晶であるＺｎＭｇＯの上に、チャネル層のＺｎＯを積層する「ＺｎＯ／ＺｎＭｇＯ／基板」構造は不適である。

ＺｎＯは電気分極効果が非常に大きいため、「ＺｎＭｇＯ/ＺｎＯ/基板」構造を用いてＺｎＭｇＯ/ＺｎＯへテロ界面に２次元電子ガスを形成するためには、ｃ軸配向したＺｎ極性のＺｎＯを用いる必要がある（非特許文献１）。Ｏ極性を用いた場合では、「ＺｎＯ/ＺｎＭｇＯ/基板」構造のＺｎＯ/ＺｎＭｇＯへテロ界面に２次元電子ガスが形成されることが報告されているが（非特許文献２〜３）、上記構造は上記したようにＨＥＭＴデバイスには不適である。ＺｎＯの結晶極性の模式図を図１に示す。

また、ＨＥＭＴデバイスとしては、Ｚｎ極性のＺｎＯを用いる必要がある。ところが図２に示すとおりＺｎ極性ＺｎＯでは、ｎ型ド−パントの取り込み効率及び活性化効率がＯ極性のＺｎＯに比べて劣るため、低抵抗のＺｎ極性のＺｎＯを得るのは困難である。同図より、ＺｎＯの結晶面の表裏、Ｚｎ極性面とＯ極性面によるｎ型ドーパントＧａ添加による電気特性は大きく異なり、Ｏ極性面のキャリア濃度はＺｎＯのそれに比べて２桁以上大きいことが分かる。なお、図２で「Ｇａセル温度」とは分子線エピタキシ−法によるＧａの供給量に相当する値である。

ＺｎＯではｎ型ド−パントして通常III族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）が用いられ、ＺｎＯのＺｎを置換することによりド−パントとして機能している。又、Ｚｎ極性のＺｎＯは成長時に亜鉛が３つの酸素バックボンドにより結合しているため置換が起こりにくいと考えられている。結果として、高濃度ｎ型ＺｎＯを得るためにはＯ極性のＺｎＯが必要である。

図３（ａ）、（ｂ）は、従来のＺｎＯトランジスタの断面模式図である。
ＺｎＯのエピタキシャル成長用基板としては、サファイアが広く用いられている。サファイア基板を用いるとその上には通常Ｏ極性面のＺｎＯが成長するが、デバイスの性能面ではＺｎ極性面の方が優れているためサファイア基板上にＭｇＯ等のバッファを介してＺｎ極性面が成長するようにしている（特許文献１、非特許文献１）。

図３（ａ）は、サファイア基板上にＭｇＯバッファ層を介して、ＺｎＯ層を形成し、これを電界効果トランジスタのチャンネル層として、その上にソース・ドレイン及びゲート電極を形成したものである。また図３（ｂ）は、サファイア基板上にＭｇＯバッファ層を介して、アンドープＺｎＯ層及びアンドープＺｎＭｇＯ層を形成し、アンドープＺｎＯ層をチャンネル層とするＨＥＭＴ構造とし、その上にソース・ドレイン及びゲート電極を形成したものである。
図３（ａ）（ｂ）に示す従来のＺｎＯトランジスタでは、ソース・ドレインのコンタクト抵抗減少のため高濃度ｎ型ＺｎＯ層（図示せず）を介在させているが、コンタクト抵抗減少のためには十分ではなかった。
特開２００５−１９７４１０号公報 特開２００７−４３１０９号公報 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ, Ｖｏｌｕｍｅ８９，２７ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００６，ｐ．１３２１１３〜１３２１１５ Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐａｒｔ２, Ｖｏｌｕｍｅ４３，１ Ｏｃｔｏｒｂｅｒ ２００３，ｐ．Ｌ１３７２〜Ｌ１３７５ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌｕｍｅ３１５，９ Ｍａｒｃｈ ２００７，ｐ．１３８８〜１３９１

ＺｎＯトランジスタ又はＨＥＭＴのようなＺｎＯデバイスにおいて、ソース・ドレインのコンタクト抵抗を減少させることを課題とする。

課題を解決するための手段は、次のとおりである。
（１）Ｚｎ極性面を有するアンドープＺｎＯ層をチャンネル層とし、該Ｚｎ極性面を有するＺｎＯ層上には、極性面反転層を介して、ソース・ドレインに接続されたＯ極性高濃度ｎ型ＺｎＯ層が、選択的に形成されていることを特徴とするＺｎＯデバイス。
（２）Ｚｎ極性面を有するアンドープＺｎＯ層及びＺｎ極性面を有するアンドープＺｎＭｇＯ層のヘテロ接合を有し、該Ｚｎ極性面を有するアンドープＺｎＯ層をチャンネル層とするとともに、該Ｚｎ極性面を有するアンドープＺｎＭｇＯ層上には、極性面反転層を介して、ソース・ドレインに接続されたＯ極性高濃度ｎ型ＺｎＯ層が、選択的に形成されていることを特徴とするＺｎＯデバイス。
（３）上記ＺｎＯデバイスは、ＨＥＭＴであることを特徴とする（２）に記載のＺｎＯデバイス。
（４）上記極性面反転層は、反転対称性を有する結晶層を含むことを特徴とする（１）、（２）又は（３）に記載のＺｎＯデバイス。
（５）上記極性面反転層は、アモルファス構造を有することを特徴とする請求項１、２又は３に記載のＺｎＯデバイス。
（６）上記結晶極性面反転層は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｚｒ酸化物、窒化物を主体とする層若しくは岩塩構造のＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｄＯ混晶を主体とする層から選定された、１層又は２層以上の層であるであることを特徴とする（１）、（２）又は（３）に記載のＺｎＯデバイス。
（７）上記極性面反転層は、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３又はＨｆＯ_２であることを特徴とする（１）、（２）又は（３）に記載のＺｎＯデバイス。

本発明によれば、トランジスタ又はＨＥＭＴにおいて、ソース・ドレインにおける寄生抵抗を低減でき、素子の増幅特性や高周波特性の改善による高性能な電子デバイスが提供される。

さらに本発明により、２次元電子ガスを形成しＺｎＯ−ＨＥＭＴ構造に適したＺｎ極性面を用いながらも、ｎ型ドーピング特性が最適なＯ極性面を同時に使用することができ、ソース・ドレインにおける寄生抵抗を低減でき、素子の増幅特性や高周波特性の改善による高性能な電子デバイスが提供される。

図４、図５は、実施例に係るＺｎＯトランジスタの断面模式図である。そして、その作製方法は次のとおりである。成長法は酸素ラジカルを用いたＭＢＥ法である。基板としてＺｎ極性面ＺｎＯバルク基板を用い、アンドープのＺｎＯ（１μｍ程度）を成長させる。このときアンドープＺｎＯはＺｎ極性面が成長面となる。
その上にＺｎ極性面のアンドープＺｎＭｇＯ層（３０ｎｍ程度）を成長させる。その後、結晶極性面反転層として岩塩構造のＭｇＯ層（５ｎｍ程度）を成長させる（図４）。若しくは結晶極性面反転層としてアモルファスＡｌ_２Ｏ_３（５ｎｍ程度）を成長させる（図５）。

結晶極性面反転層の上には、電子濃度が１０^１９ｃｍ^−３以上のＯ極性の高濃度ｎ型ＺｎＯ層（ｎ^＋ＺｎＯ層：５０ｎｍ程度）を成長させる。
ソース及びドレイン電極は、Ｏ極性の電子濃度が高いｎ^＋ＺｎＯ層の上に設ける。その後アニール処理により更にコンタクト抵抗を低減する。ゲート電極はｎ^＋ＺｎＯ層をエッチングで除去したリセス構造を作製した後に、ＭｇＯ上若しくはＡｌ_２Ｏ_３上に形成する。
実施例では、デバイスをＺｎ極性面に形成し、アンドープＺｎＭｇＯ層におけるＭｇの組成を２０％〜６０％程度とすることにより、ＺｎＯとＺｎＭｇＯとのヘテロ接合に２次元電子ガスの形成が確認された。

本実施例では、２次元電子ガスを形成しＺｎＯ−ＨＥＭＴ構造に適したＺｎ極性面を用いながらも、ｎ型ドーピング特性が最適なＯ極性面を同時に使用することができ、ソース・ドレインにおける寄生抵抗を低減でき、素子の増幅特性や高周波特性の改善による高性能な電子デバイスが提供される。

図４の実施例における極性面反転層ＭｇＯは、本デバイスの他の層と同じII−ＶI族元素から構成されているため、結晶極性面反転層の上下層との欠陥発生を抑制でき、又作製が非常に容易であるという利点を有する。

また図５の実施例において結晶面反転層としてＡｌ_２Ｏ_３層を用いたが、ＡｌはＧａ同様にＺｎＯのｎ型ドーパントとして導入されているため、同一チャンバーで容易にＡｌ_２Ｏ_３の製膜は可能である利点がある。更に、アモルファス構造であり、ＺｎＭｇＯとの界面準位が少なければＡｌ_２Ｏ_３は他の酸化物ＨｆＯ_２やＺｒＯ_２等と置き換えが可能であり、選択の幅が広い。

本発明は、Ｚｎ極性のＺｎＭｇＯ/ＺｎＯ上にＭｇＯ層やＡｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２等の極性面反転層を介してＯ極性の高濃度ｎ型ＺｎＯコンタクト層を積層することを特徴とする。

本発明に係るＺｎＯデバイスによれば、容易に絶縁ゲ−ト構造が得られる。絶縁ゲート構造はゲートリークを著しく下げる、またゲ−ト電圧をショットキーゲートに比べて幅広く印加できる等の特徴がある。

また、ＺｎＯ−ＨＥＭＴでは分極の効果より表面から界面への電子供給が予想されており不安定であるが、ＭｇＯやＡｌ_２Ｏ_３等の絶縁膜によるパッシベ−ション効果により安定化する利点も有する。

なおＭｇＯを介することによりＺｎＯの極性がＯ極性からＺｎ極性へと反転する一般的な手法が報告されている（特許文献１）が、本発明のようにソース・ドレインのコンタクト抵抗の減少を示唆するものではない。
またＺｎＯデバイスとして両極性のＺｎＯを用いる例は特許文献２に述べられているが、ここでは活性層として、つまり半導体層として両極性のＺｎＯが利用されており、主として光デバイスへの適用である。また、ｎ型ＺｎＯは図２に示すとおり、Ｚｎ極性、Ｏ極性の制御が可能である。

しかしながら本発明ではデバイスの能動部分はＺｎ極性のＺｎＯのヘテロ構造による構成が必須であり、コンタクト層にキャリア濃度が１×１０^１９ｃｍ^-３以上と金属的なＺｎＯを利用するため、図２に示すとおりＺｎ極性を用いることは不可能である。

以上、本発明を実施するための最良の形態を説明したが、本発明はこれに限定して解釈されない。
実施例では、ＺｎＯ−ＨＥＭＴを例示したが、本発明はＺｎＯトランジスタにおけるソース・ドレインの電極引出に係る技術であるから通常のＺｎＯトランジスタ、更には光デバイスにも当然適用できる。ｎ型ドーパントとしてＧａを例示したがＡｌ、Ｉｎ等他のｎ型ドーパントであっても同様の結果が得られる。

また実施例におけるＺｎＯとしては、ＺｎＯ単体のみならず他のII−ＶI族元素（Ｍｇ、Ｃｄ、Ｓ、Ｓｅ等）を含んだＺｎＯを主体とするものでもよい。したがって、本発明におけるＺｎＯとしては、他のII−ＶI族元素（Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｓ、Ｓｅ等）を含んだ、Ｚｎ及びＯを主体とする化合物半導体も当然含まれる。またＺｎＭｇＯとしても同様に、他のII−ＶI族元素（Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｓ、Ｓｅ等）を含んだ、Ｚｎ、Ｍｇ及びＯを主体とする化合物半導体も当然含まれる。

更に実施例では、結晶極性面反転層として岩塩構造のＭｇＯ（ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｄＯ混晶を主体とする層）又はＡｌ_２Ｏ_３を用いたが、結晶極性面反転層としては、以下の（１）、（２）若しくは（３）から選定された、１層又は２層以上の層であってもよい。
（１）反転対称性を有する結晶層
（２）アモルファス構造の層
（３）Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｚｒ酸化物、窒化物を主体とする層若しくは岩塩構造のＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｄＯ混晶を主体とする層

ＺｎＯ（０００１）面における、Ｚｎ極性面及びＯ極性面の模式図である。 極性面の違いによる、ＧａドープＺｎＯのキャリア濃度依存性の図である。 Ｚｎ極性ＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタの模式図である。 Ｚｎ極性ＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造及びＯ極性ＺｎＯコンタクト層を同時に用いたヘテロ接合電界効果トランジスタの模式図である。 Ｚｎ極性ＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造及びＯ極性ＺｎＯコンタクト層を同時に用いたヘテロ接合電界効果トランジスタの模式図である。

Claims (7)

1. Ｚｎ極性面を有するアンドープＺｎＯ層をチャンネル層とし、該Ｚｎ極性面を有するＺｎＯ層上には、極性面反転層を介して、ソース・ドレインに接続されたＯ極性高濃度ｎ型ＺｎＯ層が、選択的に形成されていることを特徴とするＺｎＯデバイス。
2. Ｚｎ極性面を有するアンドープＺｎＯ層及びＺｎ極性面を有するアンドープＺｎＭｇＯ層のヘテロ接合を有し、該Ｚｎ極性面を有するアンドープＺｎＯ層をチャンネル層とするとともに、該Ｚｎ極性面を有するアンドープＺｎＭｇＯ層上には、極性面反転層を介して、ソース・ドレインに接続されたＯ極性高濃度ｎ型ＺｎＯ層が、選択的に形成されていることを特徴とするＺｎＯデバイス。
3. 上記ＺｎＯデバイスは、ＨＥＭＴであることを特徴とする請求項２に記載のＺｎＯデバイス。
4. 上記極性面反転層は、反転対称性を有する結晶層を含むことを特徴とする請求項１、２又は３に記載のＺｎＯデバイス。
5. 上記極性面反転層は、アモルファス構造を有することを特徴とする請求項１、２又は３に記載のＺｎＯデバイス。
6. 上記結晶極性面反転層は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｚｒ酸化物、窒化物を主体とする層若しくは岩塩構造のＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｄＯ混晶を主体とする層から選定された１層又は２層以上の層であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のＺｎＯデバイス。
7. 上記極性面反転層は、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３又はＨｆＯ_２であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のＺｎＯデバイス。