JP2010177416A

JP2010177416A - 窒化物半導体装置

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Publication number: JP2010177416A
Application number: JP2009017948A
Authority: JP
Inventors: Katsuomi Shiozawa; 勝臣塩沢; Yuji Abe; 雄次阿部; Kyozo Kanemoto; 恭三金本; Muneyoshi Fukita; 宗義吹田; Takuma Nanjo; 拓真南條; Eiji Yagyu; 栄治柳生
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2010-08-12

Abstract

【課題】高出力かつ高周波動作が可能な窒化物半導体装置を提供する。
【解決手段】基板上に、第１窒化物半導体材料で構成されるバッファ層と、ＡｌとＩｎとＧａとＮとを含み、ＧａＮより大きな絶縁破壊電界を有し、ＧａＮより大きな飽和電子速度を有し、第２窒化物半導体材料で構成されるチャネル層と、第２窒化物半導体材料よりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体材料で構成されるバリア層とを備えた窒化物半導体装置による。
【選択図】図２

Description

この発明は、ヘテロ接合電界効果型トランジスタなどの窒化物半導体装置に関するものである。

従来の窒化物半導体を用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタ（ＨｉｇｈＥｌｅｃｔｒｏｎＭｏｂｉｌｉｔｙＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ:ＨＥＭＴ）では、一般にＧａＮからなるチャネル層の上にＡｌＧａＮからなるバリア層が形成されていた（例えば非特許文献１）。このようなＨＥＭＴにおいては、バリア層内下部のチャネル層のヘテロ界面付近に正の電荷が発生するのに対応して、バリア層内上部の表面付近には負の分極電荷、すなわち、表面トラップ電荷が発生する。

また、チャネル層やバリア層がＡｌＩｎＧａＮで構成されたＨＥＭＴの例の記載があるが（例えば特許文献１、特許文献２）、具体的なＡｌ、Ｉｎ、Ｇａの組成を特定したものではなかった。

特表２００７−５１８２６５号公報特開２００８−５３４３６号公報

信学技報Ｖｏｌ．１０２，Ｎｏ．１１８，ＥＤ２００２−９４，ＬＱＥ２００２−６９，ｐｐ８５−８８，２００２

このような窒化物半導体を用いたＨＥＭＴを高出力および高周波対応にすることが求められている。窒化物半導体を用いたＨＥＭＴを高出力化するためには、トランジスタを高耐圧化して高電圧で動作させればよい。トランジスタの耐圧はチャネル層の絶縁破壊電界に依存するため、チャネル層を絶縁破壊電界の大きな材料にすることにより、トランジスタの高耐圧化、すなわち、ＨＥＭＴを高出力化が可能となる。
また、窒化物半導体を用いたＨＥＭＴを高周波化するためには、トランジスタを高速化すればよい。トランジスタの速度はチャネル層の飽和電界速度に依存するため、トランジスタを高速化するためには、チャネル層を飽和電界速度の大きな材料にすることが望ましい。

したがって、これら両方の特性を満たす材料をチャネル層に用いることが望ましい。この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高出力かつ高周波動作が可能な窒化物半導体装置を得ることを目的としている。

本発明の窒化物半導体装置は、基板と、基板上に形成され、第１窒化物半導体材料で構成されるバッファ層と、前記バッファ層上に接して形成され、ＡｌとＩｎとＧａとＮとを含み、ＧａＮより大きな絶縁破壊電界を有し、ＧａＮより大きな飽和電子速度を有する第２窒化物半導体材料で構成されるチャネル層と、このチャネル層の上部に接して形成され、前記第２窒化物半導体材料よりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体材料で構成されるバリア層とを備えたものである。

本発明の窒化物半導体装置によれば、高出力かつ高周波動作が可能な窒化物半導体装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１における窒化物半導体装置を示す断面模式図である。この発明の実施の形態１における窒化物半導体装置のチャネル層の組成の領域の飽和電子速度と絶縁破壊電界の関係を示す図である。この発明の実施の形態１における窒化物半導体装置のチャネル層の組成の領域の格子定数とバンドギャップエネルギーの関係を示す図である。この発明の実施の形態１における窒化物半導体装置のバリア層の膜厚とシートキャリア密度との関係を示す図である。この発明の実施の形態１における窒化物半導体装置のバリア層の膜厚とシートキャリア密度との関係図である。この発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法の一工程を説明する断面模式図である。この発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法の一工程を説明する断面模式図である。この発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法の一工程を説明する断面模式図である。この発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法の一工程を説明する断面模式図である。この発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の一形態を示す断面模式図である。この発明の実施の形態２における窒化物半導体装置のバッファ層のＡｌとＩｎ組成とシートキャリア密度との関係を示す図である。この発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の一形態を示す断面模式図である。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態における窒化物半導体装置の概略を示す断面模式図である。図１において、基板１の上面上に第１窒化物半導体材料で構成されるバッファ層２が形成されており、バッファ層２上に接して、ＡｌとＩｎとＧａとＮとを含み第２窒化物半導体材料で構成されるチャネル層３が形成されている。チャネル層３の上にはチャネル層３に接して第２窒化物半導体材料よりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体材料で構成されるバリア層４が形成されている。
バリア層４の表面上の所定の箇所にはゲート電極５が形成されており、また、バリア層４の表面上のゲート電極５が形成されていない所定の箇所には、ゲート電極５を挟んで対向するように、ソース電極６およびドレイン電極７が形成されている。

本実施の形態における窒化物半導体装置のチャネル層３を構成する第２窒化物半導体材料は、ＧａＮより大きな絶縁破壊電界を有し、ＧａＮより大きな飽和電子速度を有する。図２は、本実施の形態における窒化物半導体装置のチャネル層３の飽和電子速度と絶縁破壊電界の範囲を説明する図である。
二元系窒化物半導体ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮの絶縁破壊電界はそれぞれ３．３ＭＶ／ｃｍ、１２ＭＶ／ｃｍ、２ＭＶ／ｃｍであり、二元系窒化物半導体ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮの飽和電子速度はそれぞれ２．５×１０^７ｃｍ／ｓ、２×１０^７ｃｍ／ｓ、４．２×１０^７ｃｍ／ｓである。図２は、これら二元系窒化物半導体の絶縁破壊電界、飽和電子速度をＧａ、Ａｌ、Ｉｎの組成比で線形に内挿して求めたものである。本実施の形態における窒化物半導体装置のチャネル層３を構成する第２窒化物半導体材料は、図２の斜線部分の組成に該当する。したがって、本実施の形態における窒化物半導体装置は、ＧａＮをチャネル層３とした窒化物半導体装置と比較して、キャリア（電子）の飽和電子速度が大きく、高電界で動作させることができる。
例えば、Ａｌ_０．０６Ｉｎ_０．３Ｇａ_０．６４Ｎの組成のチャネル層３とすることで、図２に示すように、ＧａＮをチャネル層３とした場合より飽和電子速度を約１．２倍大きくしてＧａＮをチャネル層３とした場合と同程度の電界強度で動作させることができる。

図３は、本実施の形態における窒化物半導体装置のチャネル層３を構成する第２窒化物半導体材料の範囲の格子定数とバンドギャップエネルギーの関係を示す図である。図３において、斜線部の領域が本実施の形態における窒化物半導体装置のチャネル層３の範囲である。
図３からわかるように、ＧａＮにＡｌとＩｎを同じ混合比で混入した四元系化合物は、Ａｌ（Ｉｎ）の比率が増加するにしたがって、格子定数は増加するが、バンドギャップエネルギーはほとんど変化しない。また、本実施の形態における窒化物半導体装置のチャネル層３を構成する第２窒化物半導体材料の格子定数は、ＧａＮの格子定数と同程度もしくはそれ以上となる。

次に、本実施の形態における窒化物半導体装置のバリア層４について説明する。バリア層４は、チャネル層３よりバンドギャップエネルギーが大きい第３窒化物半導体材料で構成される。図４および図５は、チャネル層３とバリア層４とのヘテロ接合界面に発生するキャリアのシートキャリア濃度とバリア層膜厚の関係を示す図である。図４および図５は、ポアソン方程式とシュレディンガー方程式とをセルフコンシステントに解いて得られたものである。

例えば、図４は、チャネル層３がＡｌ_０．０５Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９Ｎの組成で、膜厚が２０ｎｍである場合に、バリア層４が、Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．４Ｎ、Ａｌ_０．４Ｉｎ_０．０８Ｇａ_０．５２Ｎ、Ａｌ_０．３Ｉｎ_０．０６Ｇａ_０．６４Ｎ、Ａｌ_０．２５Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．０７Ｎ、Ａｌ_０．１Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．８８Ｎ、Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎの組成であり、膜厚が５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍである場合にチャネル層３とバリア層４とのヘテロ接合界面に発生するキャリアのシートキャリア濃度を計算したものである。ここで、各組成のバリア層４は、いずれもＧａＮにほぼ格子整合したものであり、バッファ層２はＧａＮとした。
このように、バッファ層２がＧａＮまたはこれと格子整合した材料である場合、バリア層４の格子定数をＧａＮとほぼ同じにすることにより、より良好な結晶性を維持したままシートキャリア濃度を増加させることができる。

また、図４において、バリア層４の組成によらずバリア層４の膜厚が増加するにしたがってシートキャリア濃度が増加している。シートキャリア濃度をある程度以上の濃度にするためには、バリア層４の厚さを５ｎｍ以上にする必要がある。バリア層４の膜厚が増加するにしたがってシートキャリア濃度が増加するのは、ピエゾ効果による分極の増加のためである。

一方、バリア層４の厚さを増加させつづけてもバリア層４の厚さが２０ｎｍ程度以上で５０ｎｍ程度になると、バリア層４で格子緩和が発生するためピエゾ効果による分極が増加しなくなり、シートキャリア濃度の増加度合いは鈍化する。したがって、バリア層４の厚さは５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であることが望ましい。

つづいて、図５を用いてバリア層４とチャネル層３との関係を説明する。図５は、バリア層４がＡｌ_０．５Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．４ＮおよびＡｌ_０．２５Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．７Ｎであり、チャネル層３がＡｌ_０．１Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．８Ｎ、Ａｌ_０．０７Ｉｎ_０．０７Ｇａ_０．８６Ｎ、Ａｌ_０．０５Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９Ｎの組成である場合のチャネル層３とバリア層４とのヘテロ接合界面に発生するキャリアのシートキャリア濃度を計算したものである。ここでも、バッファ層２はＧａＮとした。

図５に示したバリア層４の組成はＧａＮとほぼ格子整合する組成であり、チャネル層３は、Ａｌ混合比とＩｎ混合比が等しいことから、図３からもわかるように、ＧａＮより格子定数が大きいものである。３種類のチャネル層３の組成の内、Ａｌ（Ｉｎ）の混合比が大きいほど格子定数が大きくなる。チャネル層３の格子定数がバリア層４の格子定数より大きく、その差が大きいほど、ピエゾ効果による分極が増加し、シートキャリア濃度が増加する。その中でも、バリア層４のＡｌ混合比を増加させるほど、バリア層４のバンドギャップエネルギーを増加させることができ、シートキャリア濃度をより増加させることができる。

つづいて、図６〜図９および図１を用いて、本実施の形態における窒化物半導体装置の製造方法を説明する。図６〜図９は、本実施の形態における窒化物半導体装置の製造方法を説明する断面模式図である。
まず、図６に示すように、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮなどの基板１上に、有機金属気相成長（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯ−ＣＶＤ）法や分子線エピタキシャル成長（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法などを用いて、バッファ層２、チャネル層３、バリア層４を順にエピタキシャル成長する。

次に、バッファ層２、チャネル層３、バリア層４を形成した基板１のバリア層４の表面上のソース電極６およびドレイン電極７を形成する箇所以外にフォトレジスト１０を形成した状態で（図７）、はじめにＴｉを、続けてＡｌを蒸着する（蒸着法）。蒸着後、フォトレジスト１０を溶剤で融解し、フォトレジスト１０上のＴｉとＡｌを剥離して（リフトオフ法）、ソース電極６およびドレイン電極７を形成する（図８）。ここで、ソース電極６およびドレイン電極７の材料はバリア層４とオーミック接合するものであればＴｉとＡｌの積層電極でなくてもバリア層４側からＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ積層膜などであってもよい。また、金属形成方法は、スパッタ法など他の方法であってもよい。

つづいて、ゲート電極５を、ソース電極６およびドレイン電極７と同様に、リフトオフ法で形成する。まず、図９に示すように、バリア層４の表面上のゲート電極５を形成する箇所以外にフォトレジスト１１を形成する。次に、バリア層４とショットキー接合を形成するＮｉ／Ａｕ（バリア層４側から）などの金属を蒸着、フォトレジスト１１を溶解し、ゲート電極５を形成する。ゲート電極５の材料はバリア層４とショットキー接合を形成するものであればＮｉ、Ｐｔなどの仕事関数の高い金属やシリサイド、ＷＮなど窒化金属からなるものであってもよい。このようにして、図１に示した本実施の形態における窒化物半導体装置を製造できる。
また、特に図示しないが、イオン注入による素子分離領域形成などは、従来の窒化物半導体装置の製造方法と同様に行なえばよい。

なお、バリア層４の不純物濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３より低濃度であることが、高耐圧化の観点から、望ましい。窒化物半導体では故意に不純物を導入しない場合（ノンドープ）であっても、成長炉や雰囲気ガス中から不純物が半導体中に入り、ｎ型となる。このため、結晶成長においてノンドープであっても実際の不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3 未満であれば本発明を適用できる。窒化物半導体は、故意に不純物添加しなくても、成長炉からの不純物、雰囲気ガスからの不純物混入、空孔発生などによりドナー準位ができてｎ型になることがあるが、このような意図的ではなくできたドナーにより発生する電子も含めてバリア層４のキャリア（電子）濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３より少なければよい。
また、バリア層４は、ＡｌとＩｎとＧａとＮとを含む四元の窒化物半導体材料である必要はなく、ＡｌＩｎＮやＡｌＮなどニ元、三元の窒化物半導体材料であってもよい。

さらに、バッファ層２は単一の層である必要はなく、図１０に示すように、組成の異なる第１のバッファ層２１と第２のバッファ層２２とが積層されたものであっても、また、バッファ層２の中で組成が漸次変化するものでもよい。その際、バッファ層２に相当する層の最上層、すなわち、バッファ層が複数層であればその最上層（図１０の第２のバッファ層２２など）の格子定数がバリア層４の格子定数と同じであれば、先に説明したように、良好な結晶性を維持したままシートキャリア濃度を増加させることができる。さらに、
また、チャネル層３の厚さは、キャリア（電子）が流れる程度の厚さであればよく、５０〜３０００ｎｍ程度であればよい。また、チャネル層３の不純物濃度、導電型も問わない。

また、図示して説明しないが、バリア層４表面にキャップ層を設けた構造、ゲート領域をエッチングしたリセス構造、チャネル層３とバリア層４との間に中間層を設ける構造などであってもよい。

以上、説明したように、本実施の形態における窒化物半導体装置は、高いシートキャリア濃度を有し、また、チャネル層が、ＧａＮより大きな絶縁破壊電界を有し、ＧａＮより大きな飽和電子速度を有するため、高出力かつ高周波動作が可能なである。

実施の形態２．
本実施の形態における窒化物半導体装置は、実施の形態１の窒化物半導体装置と同様、図１に示す断面構造を有する。本実施の形態における窒化物半導体装置は、バッファ層２の格子定数が、チャネル層３の格子定数とバリア層４の格子定数との間の値を示すものであることの他は、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明を省略する。

図１１は、チャネル層３の組成がＡｌ_０．1Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．8Ｎで、バリア層４の組成がＡｌ_０．５Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．４ＮおよびＡｌ_０．２５Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．７Ｎであるときの、シートキャリア濃度のバッファ層２中のＡｌ（Ｉｎ）の混合比依存性を示す図である。図１１も、実施の形態１の図４および図５と同様に、ポアソン方程式とシュレディンガー方程式とをセルフコンシステントに解いて得られたものである。ここで、バッファ層２中のＡｌ混合比とＩｎ混合比は等しいものとする。

本実施の形態における窒化物半導体装置のバッファ層２が、図１１に示したようにＡｌ混合比とＩｎ混合比とが等しいＡｌとＩｎとＧａとＮとを含む窒化物半導体材料である場合、バッファ層２中のＡｌ混合比（Ｉｎ混合比）が増加するにしたがい、図３からもわかるように、エネルギーバンドギャップはほとんど変化しないままでバッファ層２の格子定数が増加する。

通常、バッファ層２は十分に厚く、例えば０．５〜２μｍの厚さで形成されるので、バッファ層２にて応力がほぼ緩和される。バッファ層２の上に形成されたチャネル層３は、バッファ層２表面と格子整合する組成であればチャネル層３に応力が発生しない。一方、チャネル層３がバッファ層２表面と格子整合しない組成である場合、チャネル層３には応力がある程度残存する。チャネル層３上に形成されるバリア層４は、チャネル層３の結晶情報を受け継ぎ応力を有してエピタキシャル成長されるが、応力緩和が発生しない程度の膜厚である５〜５０ｎｍ程度の膜厚であればよい。また、このとき、バッファ層２とチャネル層３とバリア層４と応力関係については、層の積層毎に応力が増加するような応力関係ではなく、バッファ層２とチャネル層３との間の応力と、チャネル層３とバリア層４との間の応力との符号が逆であればよい。

図１１に示されるように、バッファ層２の格子定数がチャネル層３の格子定数より小さくてＧａＮの格子定数より大きく、バリア層４の格子定数がＧａＮの格子定数とほぼ等しい場合、バッファ層２の格子定数がバリア層４の格子定数とチャネル層３の格子定数との間の値を有する。
このようなバッファ層２、チャネル層３、バリア層４の格子定数の関係にある窒化物導体装置（ＨＥＭＴ）は、シートキャリア濃度をより増加させることができ、より高出力動作が可能となる。

なお、ここまで説明してきたバッファ層２の格子定数については、その最上層の格子定数が上記の関係にあればよい。選択する基板１の材料にも依存するが、バッファ層２は基板１の格子定数から所望の格子定数に格子定数を変換する役割をも有する。基板１は、単結晶であれば、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮなどであればよく、バッファ層２はこれらの基板１から漸次、または、急峻に格子定数を変換するものであればよい。
ただし、バッファ層２のバンドギャップエネルギーは、チャネル層３に形成されるキャリア（電子）濃度、分布に悪影響を与えないように設定する必要がある。なぜなら、バッファ層２のバンドギャップエネルギーがチャネル層３のバンドギャップエネルギーより大きくなりすぎると、チャネル層３とバッファ層２との分極効果が大きくなりバリア層４とチャネル層３との分極効果を抑制してしまい、チャネル層３中のキャリア（電子）が減少するため、所望のシートキャリア濃度を得ることができなくなるためである。
また、バッファ層２のバンドギャップエネルギーがチャネル層３のバンドギャップエネルギーより小さくなりすぎると、バリア層４とチャネル層３との分極効果の影響が大きくなりキャリア（電子）がチャネル層３全体に広がってしまい、ゲート電極５の電圧により窒化物半導体装置のオン／オフを制御できなくなるためである。

また、図１２に示すように、バッファ層２とチャネル層３が同じ組成の窒化物半導体材料として、バッファ層２とチャネル層３とを両者の機能を兼ね備えたチャネル・バッファ層２３に置き換えてもよい。

このように、本実施の形態における窒化物半導体装置も、高いシートキャリア濃度を有し、また、チャネル層が、ＧａＮより大きな絶縁破壊電界を有し、ＧａＮより大きな飽和電子速度を有するため、高出力かつ高周波動作が可能なである。

１基板、２バッファ層、３チャネル層、４バリア層、５ゲート電極、６ソース電極、７ドレイン電極、１０フォトレジスト、１１フォトレジスト、２１第１バッファ層、２２第２バッファ層、２３チャネル・バッファ層。

Claims

基板と、
基板上に形成され、第１窒化物半導体材料で構成されるバッファ層と、
前記バッファ層上に接して形成され、ＡｌとＩｎとＧａとＮとを含み、ＧａＮより大きな絶縁破壊電界を有し、ＧａＮより大きな飽和電子速度を有し、第２窒化物半導体材料で構成されるチャネル層と、
このチャネル層の上部に接して形成され、前記第２窒化物半導体材料よりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体材料で構成されるバリア層と
を備えたことを特徴とする窒化物半導体装置。
第２窒化物半導体材料の格子定数は、第３窒化物半導体材料の格子定数より大きいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
第１窒化物半導体材料の格子定数と第３窒化物半導体材料の格子定数とは等しく、第２窒化物半導体材料の格子定数が第１窒化物半導体材料の格子定数より大きいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
バッファ層の最上部の第１窒化物半導体材料の格子定数と第３窒化物半導体材料の格子定数とは等しく、第２窒化物半導体材料の格子定数が第１窒化物半導体材料の格子定数より大きいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
第１窒化物半導体材料の格子定数は、第３窒化物半導体材料の格子定数と第２窒化物半導体材料の格子定数との間の値を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
バッファ層の最上部の第１窒化物半導体材料の格子定数は、第３窒化物半導体材料の格子定数と第２窒化物半導体材料の格子定数との間の値を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
バリア層は、膜厚が５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体装置。
第１窒化物半導体材料は、ＧａＮであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体装置。