JP2010166027A - GaN系電界効果トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】GaN系電界効果トランジスタ(MOSFET)100は、基板101上に、p−GaNからなるチャネル層104、電子供給層106、電子供給層よりもバンドギャップエネルギーが小さい表面層107を順次積層し、電子供給層および表面層の一部をチャネル層に到る深さまで除去してリセス部108を形成したものである。表面層上には、リセス部を挟んでソース電極109およびドレイン電極110が形成され、表面層上およびチャネル層表面を含むリセス部内表面上にゲート絶縁膜111が形成され、さらにリセス部においてゲート絶縁膜上にはゲート電極112が形成されている。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の第1実施形態に係るGaN系MOS型電界効果トランジスタ(以下、「MOSFET」という。)の模式的な断面図である。このMOSFET100は、サファイア、SiC、Siなどからなる基板101上に、GaN層とAlN層とを交互に積層して形成したバッファ層103と、p−GaNからなるチャネル層104が形成されている。チャネル層104上には、アンドープGaN(u−GaN)からなるドリフト層105と、ドリフト層105のGaN系半導体材料よりバンドギャップエネルギーが大きいAlGaNからなる電子供給層106と、u−GaNからなる表面層107を順次積層し、ドリフト層105、電子供給層106および表面層107の一部をチャネル層104に到る深さまで除去して開口部を設け、リセス部108を形成したものである。
以上の工程によって本発明の第1実施形態に係るMOSFET100を製造することができる。
電子供給層106上に、電子供給層106のGaN系半導体材料よりバンドギャップエネルギーが小さいGaN系化合物半導体材料からなる表面層107が形成され、この表面層107上に絶縁膜(ゲート絶縁膜111の表面層107上の部分)が形成されている。このため、電子供給層106上に絶縁膜が直接形成されている場合と比べて界面準位密度が低減され、電流コラプスの発生を抑制することができる。従って、耐圧が高く、オン抵抗が低く、電流コラプスによる特性変動の影響を受けにくい電界効果トランジスタを実現できる。
つぎに、本発明の第2実施形態に係るMOSFETについて説明する。図7は、本発明の第2実施形態に係るMOSFETの模式的な断面図である。図7に示すように、MOSFET200では、表面層207はn型GaNからなっている。MOSFET200のその他の構成はMOSFET100と同様である。このような表面層207を得るためには、エピタキシャル成長にあたって、n型のドーピング源としてSiH4を用い、表面層207中のSiの濃度が1×1018cm−3程度となるようにSiH4の流量を調整する。
MOSFET200は、絶縁膜111が形成される表面層207をn型にドーピングされたGaN層とすることによって、ソース電極109またはドレイン電極110と表面層207との間のオーミック接触抵抗を低減することができる。
つぎに、本発明の第3実施形態に係るMOSFET300について説明する。図8は、本発明の第3実施形態に係るMOSFET300の模式的な断面図である。このMOSFET300では、表面層307がAlGaNからなっており、表面層307のAl組成比は、AlGaNからなる電子供給層306のAl組成比よりも小さくなっている。MOSFET300のその他の構成は、第1実施形態のMOSFET100と同様である。このような表面層307を得るためには、ドリフト層105上にAl組成比が25%のAlGaNからなる電子供給層306をエピタキシャル成長させ、さらに、電子供給層306上にAl組成比が5%のAlGaNからなる表面層307をエピタキシャル成長させる。
表面層307として電子供給層306よりもAl組成比が小さいAlGaNを用いることで、表面層307とゲート絶縁膜111間の界面準位が低減され、電流コラプスを低減することができる。表面層307として用いるAlGaNのAl組成比は、0%より大きく、15%以下が好ましい。
つぎに、本発明の第4実施形態に係るMOSFET400について説明する。図9は、本発明の第4実施形態に係るMOSFET400の模式的な断面図である。図9に示すように、MOSFET400では、電子供給層406が基板101側から徐々にAl組成比が小さくなるAlGaNからなっており、電子供給層406の表面側は表面層を兼ねている。つまり、電子供給層406がAlzGa1-zN(0≦z<1)であり、Al組成比zが表面側に行くにつれて小さくなり、電子供給層406の最表面においてn型またはアンドープのGaNからなる表面層となっている。電子供給層406のAl組成比zは、基板101側では、15〜25%であり、表面側では、0〜15%であることが好ましい。このような電子供給層406は、成長時の原料ガスの流量を調整する、具体的には、経時的にTMAlの流量を減少させることで得ることができる。
つぎに、本発明の第5実施形態に係るMOSFETについて説明する。図10に示すように、第5実施形態に係るMOSFET500では、ソース電極509およびドレイン電極510が形成される部分の表面層507が除去されて電子供給層506に達するリセス部が形成されている。ソース電極509およびドレイン電極510は、表面層507に形成されたリセス部内の電子供給層506表面に形成されているが、MOSFET500のその他の構成は第1実施形態のMOSFET100と同様である。
また、本実施形態で記載したリセスオーミック構造を、上記第1〜4実施形態で記載した表面層構造と組み合わせることもできる。
本発明の各実施形態においては、ドリフト層と電子供給層の組み合わせとしてAlGaN/GaNを例にとって記載したが、これ以外にも、AlInGaN/GaN、GaN/InGaN、GaN/GaNAs、GaN/GaInNAsP、GaN/GaInNP、GaN/GaNP、AlGaNInNAsP/GaN、または、AlGaN/AlInGaNなどの材料系の組み合わせを適用することが可能である。
また、各実施形態においては、ゲート絶縁膜としてSiO2を例にとって記載したが、絶縁膜の材料としてはSiO2以外にもAlN、Al2O3、Ga2O3、TaOx、SiN、またはSiONなどを用いることができる。さらにSiO2の成膜方法としてはPCVD法を例にとって記載しているが、APCVD法、スパッタ法、ECR-スパッタ法などの手法を用いることができる。
101 基板
103 バッファ層
10 チャネル層
104a 表面
105 ドリフト層
106、306,406,506 電子供給層
107、207、307、507 表面層
108 リセス部
109、509 ソース電極
110、510 ドレイン電極
111 ゲート絶縁膜
112 ゲート電極
120 マスク層
120a 開口部
130 2次元電子ガス層
140 反転層
Claims (5)
- 基板と、
前記基板の上に形成されたp型またはアンドープのGaN系化合物半導体材料からなるチャネル層と、
前記チャネル層上に形成され、前記チャネル層よりもバンドギャップエネルギーが大きいGaN系化合物半導体材料からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に形成され、前記電子供給層よりバンドギャップエネルギーが小さいGaN系化合物半導体材料からなる表面層と、
前記表面層上、および前記表面層と前記電子供給層の一部を除去して表出させた前記チャネル層の表面を底面とするリセス部の内表面上に形成された絶縁膜と、
前記リセス部の前記絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を挟んで形成され、前記チャネル層と電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極と、
を備えることを特徴とするGaN系電界効果トランジスタ。 - 前記電子供給層と前記チャネル層との間に、前記電子供給層よりもバンドギャップエネルギーが小さく、前記チャネル層より不純物濃度の低いp型またはアンドープのGaN系化合物半導体材料からなるドリフト層を備えていることを特徴とする請求項1に記載のGaN系電界効果トランジスタ。
- 前記表面層がn型またはアンドープのGaNであることを特徴とする請求項1または2に記載のGaN系電界効果トランジスタ。
- 前記表面層がAlxGa1-xNであり、前記電子供給層がAlyGa1-yN(ただし、x<y)であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のGaN系電界効果トランジスタ。
- 前記電子供給層がAlzGa1-zN(0≦z<1)であり、Al組成比zが表面側に行くにつれて小さくなり、前記電子供給層の最表面において前記n型またはアンドープのGaNからなる表面層となることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のGaN系電界効果トランジスタ。
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