JP2010103425A

JP2010103425A - 窒化物半導体装置

Info

Publication number: JP2010103425A
Application number: JP2008275717A
Authority: JP
Inventors: Ken Sato; 憲佐藤
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2010-05-06
Also published as: US8164117B2; US20100102357A1

Abstract

【課題】高耐圧でスイッチングスピードに優れ高い高周波特性を有するノーマリオフ型のＨＥＭＴを提供すること。
【解決手段】第１のバンドギャップを有する第１の窒化物半導体層と前記第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有する第２の窒化物半導体層とを備える主半導体領域と、前記主半導体領域上に形成されるソース電極５と、前記主半導体領域上において前記ソース電極と離間して形成されるドレイン電極６と、前記第１の窒化物半導体層上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に形成される第３の窒化物半導体層と、前記第３の窒化物半導体層上に形成され且つｐ型の導電性を有する第４の窒化物半導体層と、前記第４の窒化物半導体層上に形成されるゲート電極７と、を備え、前記第３の窒化物半導体層が前記第１のバンドギャップよりも小さい第３のバンドギャップを有することを特徴とする窒化物半導体装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体装置から構成されるノーマリオフ型（エンハンスメント型）の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に関する。

窒化物半導体は、ＳｉやＧａＡｓに比して非常に高い絶縁破壊電界強度と電界ドリフト速度とを有し、窒化物半導体同士によるヘテロ接合界面には、分極効果により２次元キャリアガスと呼ばれる高密度キャリア層が形成される。これらの特徴から、例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造を有する高電子移動型トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、高電圧且つ大電流で動作する電源用スイッチングデバイスとして応用される。

ところで、ＧａＮ（０００１）面を利用した従来構造のＨＥＭＴは、負のゲート閾値電圧を有し、ゲート電極にゲート制御電圧を印加しない状態でソース電極とドレイン電極との間に電流が流れてしまう即ちノーマリオン型（デプレッション型）の特性を有する。しかし、スイッチングデバイスには異常時の安全確保のため、正のゲート閾値電圧を有するノーマリオフ型（エンハンスメント型）であることが求められる。

そこで、ＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ接合において、ＡｌＧａＮからなるバリア層上にＧａＮからなるチャネル層を形成された従来のＨＥＭＴが特許文献１に開示される。従来のＨＥＭＴによれば、チャネル層の格子定数がバリア層の格子定数よりも大きいため、チャネル層に発生する自発分極とピエゾ分極とを相殺させることにより、チャネル層に形成される２次元電子ガス（２ＤＥＧ）のキャリア濃度を低減でき、ノーマリオフ型の特性を有するＨＥＭＴを得られる。

特開２００７−２６９５３４

しかしながら、従来のＨＥＭＴにおいては、その構造からゲート電極とドレイン電極との距離が、ゲート電極表面に形成された絶縁体層の膜厚と等しくなるため、距離が近接してしまい高い耐圧が得られなかった。また、ゲート長が増大することによるゲート容量の増加は、ＨＥＭＴのスイッチングスピードの低下や高周波特性の低下を引き起こしてしまう。これらのことから従来のＨＥＭＴは、パワーデバイス或いは高周波デバイスには適さなかった。

従って、本発明が解決しようとする課題は、高耐圧でスイッチングスピードに優れ高い高周波特性を有するノーマリオフ型のＨＥＭＴを提供することである。

上記のような課題を解決するために、請求項１記載の発明は、
第１のバンドギャップを有する第１の窒化物半導体層と前記第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有し前記第１の窒化物半導体層上とヘテロ接合され且つ前記ヘテロ接合に基づいて前記第１の窒化物半導体層内に２次元電子ガス層を生じさせることができる第２の窒化物半導体層とを備える主半導体領域と、
前記主半導体領域上に形成されるソース電極と、
前記主半導体領域上において前記ソース電極と離間して形成されるドレイン電極と、
前記第１の窒化物半導体層上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に形成される第３の窒化物半導体層と、
前記第３の窒化物半導体層上に形成され且つｐ型の導電性を有する第４の窒化物半導体層と、
前記第４の窒化物半導体層上に形成されるゲート電極と、を備え、
前記第３の窒化物半導体層が前記第１のバンドギャップよりも小さい第３のバンドギャップを有することを特徴とする。

本発明の各請求項に係る発明によれば、高耐圧でスイッチングスピードに優れ高い高周波特性を有するノーマリオフ型のＨＥＭＴを提供することができる。

次に、図面を参照して本発明の実施形態に係るＨＥＭＴを説明する。

図１に示す本発明の実施例１に係るＨＥＭＴ１ａは、図示しない単結晶シリコン半導体基板上に形成された本発明の第１の窒化物半導体層としてのチャネル層２と、チャネル層２上に形成された本発明の第２の窒化物半導体としてのバリア層３と、バリア層３上に形成されたソース電極５と、バリア層３上においてソース電極５と離間して形成されたドレイン電極６と、チャネル層２上におけるソース電極５とドレイン電極６との間において、バリア層３を貫通しチャネル層２上に接するように形成された本発明の第３の窒化物半導体層としての第１ゲート層１０と、第１ゲート層１０上に形成された第４の窒化物半導体層としての第２ゲート層１１と、第２ゲート層１１上に形成されたゲート電極７と、を備える。チャネル層２とバリア層３とを併せて本発明の主半導体領域と換言できる。

チャネル層２は、例えばＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）で構成され、図示しない単結晶半導体基板上に周知のＭＯＣＶＤ法等のエピタキシャル成長法を用いて形成される。本実施例においてはＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ層を０．５〜２．０μｍ形成することで得られる。またバリア層３は、チャネル層２よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体材料で構成され、本実施例においてはＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１、ｘ＜ｙ）で形成される。バリア層３は、チャネル層２と同様の手法によりＡｌ組成比を大きくすることで形成される。本実施例においてはＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層を２０ｎｍ形成することで得られる。チャネル層２はバリア層３よりもバンドギャップが大きいため、チャネル層２とバリア層３とが形成するヘテロ接合に基づき、チャネル層２にはピエゾ分極と自発分極とによる２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）４が形成される。このピエゾ分極に基づく電界方向は、チャネル層２の自発分極に基づく電界方向と等しいため、従来のＨＥＭＴよりも高い２ＤＥＧ層４のキャリア濃度が得られる。

第１ゲート層１０は、チャネル層２よりも小さなバンドギャップを有する窒化物半導体材料で構成され、本実施例においてはＧａＮで形成される。第１ゲート層１０は、バリア層３に第１ゲート層１０が形成される位置に開口を有するようにマスクを形成し、周知のＲＩＥ等のドライエッチングを施しチャネル層２に達する開口部を形成した後、ＭＯＣＶＤ法等のエピタキシャル成長法によりノンドープＧａＮ層を１０〜５０ｎｍ形成することで得られる。ここで、ノンドープとは、半導体不純物が添加されていないことを意味する。第１ゲート層１０は、チャネル層２のＡｌＧａＮに格子整合するように成長し、且つ、チャネル層２よりもバンドギャップが小さいため、チャネル層２と第１ゲート層１０とが形成するヘテロ接合に基づき、第１ゲート層１０には圧縮応力によるピエゾ分極が誘起される。即ち、局所的に見れば、チャネル層２がバリア層として作用し、第１ゲート層１０がチャネル層として作用すると言い換えることができる。このピエゾ分極に基づく電界方向は、第１ゲート層１０の自発分極に基づく電界方向と逆の方向になるため、第１ゲート層１０におけるチャネル層２と第１ゲート層１０との接合界面付近には２ＤＥＧ層が形成されにくくなる。

なお、上記の製造方法以外に、チャネル層２の全面にノンドープＧａＮ層を成長させ、第１ゲート層１０を形成する位置を除いてドライエッチングを施した後、チャネル層２上にバリア層３を選択的に成長させても良い。また、第１ゲート層１０は、チャネル層２よりもＡｌ組成比が小さいＡｌＧａＮで形成しても良い。

第２ゲート層１１は、マグネシウム（Ｍｇ）等のｐ型不純物がドープされたＧａＮを含み、第１ゲート層１０を形成する工程に続き、ＭＯＣＶＤ法を用いて連続的にエピタキシャル成長させて形成する。本実施例における第２ゲート層１１の厚みは１００ｎｍであって、そのキャリア（ホール）濃度は１×１０^−１８〜１０^−１９ｃｍ^−３になるように形成される。

ソース電極５、ドレイン電極６及びゲート電極７は、例えばアルミ（Ａｌ）及び金（Ａｕ）を含む積層構造で構成され、バリア層３及び第２ゲート層１１上に蒸着した後、フォトリソ工程によりパターニングすることで形成される。ソース電極５及びドレイン電極６は、バリア層３上に形成されるが、バリア層３の厚みは非常に薄く、厚み方向の抵抗は極めて小さい。従って、ソース電極５及びドレイン電極６は、バリア層３を介して２ＤＥＧ層４に電気的に接続されると言える。また、ゲート電極７は第２ゲート層１１に電気的に接続されるように形成される。なお、図示は省略するが、ゲート電極７は、バリア層３上に設けられる酸化膜を介してバリア層３上に延伸するフィールドプレート構造で形成されても良い。

次に、本実施例に係るＨＥＭＴ１ａの動作について説明する。

第１ゲート層１０が、チャネル層２のＡｌＧａＮに格子整合するように成長し、且つ、チャネル層２よりもバンドギャップが小さいため、チャネル層２と第１ゲート層１０とのヘテロ接合に基づき、２ＤＥＧは生じにくい状態になっている。さらに、第２ゲート層１１がｐ型の導電性を有しているため、第１ゲート層１０と第２ゲート層１１との間にｐｎ接合が形成されることで、ｐｎ接合界面から伸びる空乏層によって、第１ゲート層１０を完全空乏化させ、ノーマリオフ特性を高めることができる。

そのため、ゲート電極７に正のゲート制御電圧が印加されていない状態では、電流経路が第１ゲート層１０において分断されている。従って、ドレイン電極６の電位をソース電極５の電位より高くしてもＨＥＭＴ１ａに電流は流れない。

一方、ゲート電極７に正のゲート制御電圧を印加すると、第１ゲート層１０と第２ゲート層１１とが形成するｐｎ接合が順バイアスされるため、第１ゲート層１０中にキャリアが生じ、電流経路となるチャネルが形成される。この状態でドレイン電極６の電位をソース電極７の電位より高くすると、２ＤＥＧ層４及び第１ゲート層１０中のチャネルを経由してドレイン電極６とソース電極７との間にドレイン電流が流れる。即ち、ノーマリオフ特性を有する窒化物半導体装置が得られる。

さらに、本実施例に係るＨＥＭＴ１ａによれば、ゲート電極７とドレイン電極６とを離間させることで、高耐圧化が容易に実現できる。さらに、ゲート長が増大することがないため、優れたスイッチングスピードが得られる。また、チャネル層２の自発分極に基づく電界方向と、チャネル層２とバリア層３とのヘテロ接合に基づくピエゾ分極に基づく電界方向とが等しいため、従来のＨＥＭＴに比して、２ＤＥＧ層４のキャリア濃度を容易に高くでき、ＨＥＭＴ１ａのオン抵抗を低減することができる。従って、高耐圧で大電流での動作が可能なスイッチングスピードに優れたパワーデバイス或いは高い特性を有する高周波デバイスが得られる。

ここで、本発明の実施例１に係るＨＥＭＴ１ａにおいて、図２に示すようにソース電極５及びドレイン電極６をチャネル層２に接するように形成しても良い。

ソース電極５及びドレイン電極６が形成される開口部は、ＨＥＭＴ１ａにおいて第１ゲート層１０が形成される開口部と同時に形成することができ、第２ゲート層１１を形成した後、バリア層３及び第２ゲート層１１上に蒸着した後、フォトリソ工程によりパターニングすることで形成することができる。

このように構成されたＨＥＭＴ１ｂによれば、本発明の実施例１に係るＨＥＭＴ１ａと同様の効果が得られる。また、ソース電極５及びドレイン電極６と２ＤＥＧ層４との間の電気的抵抗値を極めて小さくでき、ＨＥＭＴ１ｂのオン抵抗を低減できる。

また、図３に示すように、バリア層３に側面１２を有するリセス１３を形成しても良く、さらに、第１ゲート層１０、第２ゲート層１１及びゲート電極７がチャネル層２及び側面１２を含むバリア層３上に延伸して形成されても良い。但し、側面１２を有するリセス１３は、バリア層３に所定の開口を有するようにマスクを形成し、ＲＩＥ等のドライエッチングによって形成することができる。なお、側面１２は、バリア層３の厚みが徐々に変化するように形成しても良く、段階的に変化するように形成しても良い。

第１ゲート層１０及び第２ゲート層１１は、主半導体領域上にリセス１３を形成した後、ＭＯＣＶＤ法等のエピタキシャル成長法により連続的に形成される。

本実施例に係るＨＥＭＴ１ｃによれば、実施例１に係るＨＥＭＴ１ａと同様の効果を得ることができる。また、第１ゲート層１０、第２ゲート層１１及びゲート電極７が、チャネル層２及びバリア層３上に延伸するように形成されるため、フィールドプレート効果による電界集中の緩和を良好に達成でき、より高耐圧化が実現できる。

次に、図４に示す本発明の実施例２に係るＨＥＭＴ１ｄについて説明する。但し、図４において図１と実質的に同一の部分には同一の参照符号を付してその説明を省略する。

本実施例に係るＨＥＭＴ１ｄは、第１ゲート層１０ａがｎ型の導電型を有する点で実施例１と異なり、それ以外は同様に形成される。

第１ゲート層１０ａは、シリコン（Ｓｉ）等のｎ型不純物がドープされたＧａＮを含み、本発明の実施例１における第１ゲート層１０を形成する工程において、原料ガスにジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）等を追加してＭＯＣＶＤ法を行うことで形成される。本実施例における第１ゲート層１０ａの厚みは５０ｎｍであって、そのキャリア（電子）濃度は１×１０^−１７〜１０^−１９ｃｍ^−３になるように形成される。また、第２ゲート層１１は、の厚みは５０ｎｍであって、そのキャリア（ホール）濃度は１×１０^−１７〜１０^−１９ｃｍ^−３に形成される。

本実施例に係るＨＥＭＴ１ｄによれば、本発明の実施例１に係るＨＥＭＴ１ａと同様の効果が得られる。また、第１ゲート層１０ａがｎ型の導電性を有するため、正のゲート制御電圧を印加したときに高いキャリア濃度を有するチャネルが形成されることで、オン抵抗を低減することができる。

以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能であり、また各実施例或いは各変形例の組合せが可能である。例えば、第２ゲート層１１は、第１ゲート層１０或いは１０ａと略同一のＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮで形成しても良く、また異なる材料で形成しても良い。また、各窒化物半導体層は、インジウム（Ｉｎ）を含むＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１）で表される材料で形成されても良く、各半導体層の厚み及びＡｌ或いはＩｎ組成比を変更しても良い。また、バリア層３上にＳｉＯを含むパッシベーション層を形成しても良い。

本発明の実施例１に係るＨＥＭＴ１ａの構造断面図である。本発明の実施例１の変形例に係るＨＥＭＴ１ｂの構造断面図である。本発明の実施例１の変形例に係るＨＥＭＴ１ｃの構造断面図である。本発明の実施例２に係るＨＥＭＴ１ｄの構造断面図である。

符号の説明

１ＨＥＭＴ
２チャネル層
３バリア層
４２次元電子ガス層
５ソース電極
６ドレイン電極
７ゲート電極
１０第１ゲート層
１１第２ゲート層
１２側面
１３リセス

Claims

第１のバンドギャップを有する第１の窒化物半導体層と前記第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有し前記第１の窒化物半導体層上とヘテロ接合され且つ前記ヘテロ接合に基づいて前記第１の窒化物半導体層内に２次元電子ガス層を生じさせることができる第２の窒化物半導体層とを備える主半導体領域と、
前記主半導体領域上に形成されるソース電極と、
前記主半導体領域上において前記ソース電極と離間して形成されるドレイン電極と、
前記第１の窒化物半導体層上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に形成される第３の窒化物半導体層と、
前記第３の窒化物半導体層上に形成され且つｐ型の導電性を有する第４の窒化物半導体層と、
前記第４の窒化物半導体層上に形成されるゲート電極と、を備え、
前記第３の窒化物半導体層が前記第１のバンドギャップよりも小さい第３のバンドギャップを有することを特徴とする窒化物半導体装置。
前記第３の窒化物半導体層が、不純物が添加されていないことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体装置。
前記第３の窒化物半導体層がｎ型の導電性を有することを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体装置。
前記第３の窒化物半導体層がＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１）から構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置。