JP2010199409A - 電界効果トランジスタ - Google Patents

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Abstract

【課題】電流コラプスを抑制することができる電界効果トランジスタを提供する。
【解決手段】ソース電極105、ドレイン電極107およびゲート電極106を備えるHEMT100であって、第1の窒化物半導体からなる第1の半導体層103と、第1の半導体層103上に設けられた、第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2の半導体層104とを備え、第1の半導体層103および第2の半導体層104のヘテロ接合によりチャネルが形成され、第1の半導体層103における、ドレイン電極107とゲート電極106との間の下方で、かつ、ヘテロ接合界面から所定の距離おいた領域には、低移動度領域108が設けられ、低移動度領域108は、第1の半導体層103における該低移動度領域108の周囲の領域よりも電子移動度の小さな領域である。
【選択図】図1

Description

本発明は、電界効果トランジスタに関し、特に、III族窒化物半導体から構成される電界効果トランジスタに関わるものである。
窒化物半導体はSiやGaAsなどと比べ、バンドギャップ、絶縁破壊電界、および電子の飽和ドリフト速度のいずれもが大きい。また、(0001)面を主面とする基板上に形成したAlGaN/GaNヘテロ構造では、自発分極およびピエゾ分極によりヘテロ界面に2次元電子ガス(以下、2DEGともいう)が生じ、何もドープしなくとも1×1013cm-2以上のシートキャリア濃度が得られる。この高濃度の2次元電子ガスをキャリアとして用いた高電子移動度トランジスタ(HEMT)が近年注目を集めており、種々の構造のHEMTが提案されている。
図15は、AlGaN/GaNヘテロ構造を有する従来のHEMT700の構成を模式的に示す断面図である(例えば、特許文献1参照)。
同図に示す窒化物半導体を用いた従来のHEMT700において、導電性のSi基板701上に、AlN低温バッファ層702、アンドープGaN層703およびアンドープAlGaN層704がこの順に形成されている。また、ソース電極705およびドレイン電極707がアンドープAlGaN層704上に形成されている。さらに、ゲート電極706がソース電極705およびドレイン電極707の間に形成されている。さらにまた、HEMT700表面には、パシベーション膜としてSiN層(図外)が形成されている。
このような構造のHEMT700では、アンドープAlGaN層704とアンドープGaN層703とのヘテロ界面に形成される2次元電子ガスがキャリアとして利用される。ソース・ドレイン間に電圧を印加するとチャネル内の電子がソース電極705からドレイン電極707に向かって移動する。このとき、ゲート電極706に加える電圧を制御してゲート電極706直下の空乏層の厚さを変化させることで、ソース電極705からドレイン電極707へ移動する電子、すなわちドレイン電流を制御することが可能となる。
特開2007−251144号公報
しかしながら、GaNを用いた従来のようなHEMTにおいては、電流コラプスとよばれる現象が観測され、デバイス動作時に問題を引き起こすことが知られている。この現象は、ソース・ドレイン間、ソース・ゲート間、およびドレイン・基板間などにいったん強い電界がかかるとその後、ソース・ドレイン間のチャネル電流が減少する現象である。
電流コラプスの発現メカニズムについて、図16を用いて説明する。図16はHEMT700のOFF状態でのデバイスの状態を模式的に表したものである。
HEMT700のOFF状態とは、ゲート電極706に電圧を印加することによりゲート電極706下のチャネル部分に空乏層709が生じ、ソース・ドレイン間のチャネルが遮断された状態である。このOFF状態は、例えばソース電極705およびSi基板701を0Vとし、ゲート電極706に−5V、ドレイン電極707に200Vを印加することで形成される。このOFF状態では、アンドープGaN層703における、ドレイン電極707とSi基板701との間の「×」印で示した領域708A、および空乏層709の端部の「×」印で示した領域708Bに強い電界がかかり、これらの領域においてイオン化などの影響により電子トラップが生じると考えられる。同様に、アンドープAlGaN層704表面およびHEMT700のデバイス表面においても、それぞれ「×」印で示した領域708Cや「×」印で示した領域708Dにおいて強い電界かかり、電子トラップが生じると考えられる。このようにしてできた電子トラップは、負の電荷を有し、この電子トラップがチャネルに対して負ゲート電圧を印加したような作用を生じるため、チャネルにおけるキャリア濃度を減少させる。
HEMT700をON状態、すなわち、ゲート電圧を正にすると空乏層709が消失する。ソース・ドレイン間が導通状態になると、領域708A〜708Dにトラップされていた電子は解放されるが、このときトラップされた電子の解放に時間がかかる場合がある。その場合、HEMT700をON状態にしてもトラップされている電子がチャネルを狭窄し、チャネル電流が増大しない。これが電流コラプスの原因と考えられている。
そこで、本発明は上記の課題に鑑み、電流コラプスを抑制することができる電界効果トランジスタを提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明の電解効果トランジスタは、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を備える電界効果トランジスタであって、第1の窒化物半導体からなる第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に設けられた、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2の半導体層とを備え、前記第1の半導体層および前記第2の半導体層のヘテロ接合によりチャネルが形成され、前記第1の半導体層および前記第2の半導体層のいずれか一方における、前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の下方で、かつ、前記ヘテロ接合界面から所定の距離おいた領域には、低移動度領域が設けられ、前記低移動度領域は、前記第1の半導体層および前記第2の半導体層のいずれか一方における該低移動度領域の周囲の領域よりも電子移動度の小さな領域であることを特徴とする。
これによって、チャネル上下の半導体層の電子トラップが生じる箇所において、低移動度領域が設けられ、キャリアの平均自由行程が短くなるようにされるので、インパクトイオン化により生ずるキャリアが減少し、電流コラプスが抑制される。
ここで、前記低移動度領域は、前記ヘテロ接合界面より20nm以上500nm以内の領域に設けられていることが好ましい。
これによって、低移動度領域により2DEGの電子移動度が極端に低下するのを防ぐことができる。
また、前記低移動度領域は、p型不純物およびn型不純物が共にドーピングされた領域であることが好ましい。または、前記低移動度領域は、中性不純物がドーピングされた領域であることが好ましい。
これによって、低移動度領域によりチャネル上下の半導体層の極性が影響されることを防ぐことができる。
また、前記第1の半導体層および前記第2の半導体層の両方に低移動度領域が設けられていることが好ましい。
これによって、チャネル上下の半導体層の両方に低移動度領域が設けられるので、電流コラプスが更に抑制される。
また、前記低移動度領域が設けられた前記第1の半導体層又は前記第2の半導体層のX線ロッキングカーブ(1012)線の半値全幅は、800arcsec以上であり、前記低移動度領域は、X線ロッキングカーブ(1012)線の半値全幅が800arcsecより小さい領域であることが好ましい。
これによって、電流コラプスが高確率で抑制される。
本発明により、電流コラプスを抑制することが可能な電界効果トランジスタを実現できる。
以下、本発明の実施形態における電界効果トランジスタについて図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る電界効果トランジスタとしてのHEMT100の構成を模式的に示す断面図である。
このHEMT100は、基板101、バッファ層102、第1の半導体層103、第2の半導体層104、ソース電極105、ゲート電極106およびドレイン電極107を備える。HEMT100では、バッファ層102、第1の半導体層103および第2の半導体層104が基板101上に順次積層されている。
基板101は、Si基板、SiC基板およびサファイア基板等である。
バッファ層102は、窒化物半導体から構成されている。
第1の半導体層103は、バッファ層102を介して基板101上に設けられている。第1の半導体層103は、第1の窒化物半導体から構成されている。第1の窒化物半導体は、例えばAl1-x-yGaxInyN(0≦x≦1、0≦y≦1)系のIII族窒化物半導体材料である。
第2の半導体層104は、第1の半導体層103上に設けられている。第2の半導体層104は、第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体から構成されている。第2の窒化物半導体は、例えばAl1-x-yGaxInyN(0≦x≦1、0≦y≦1)系のIII族窒化物半導体材料である。
第1の半導体層103および第2の半導体層104のヘテロ接合によりチャネルが形成されている。つまり、第1の半導体層103および第2の半導体層104のヘテロ接合界面にはチャネルが形成されている。
第1の半導体層103および第2の半導体層104の両方には、それぞれ1つの低移動度領域108および109が設けられている。低移動度領域108および109は、それぞれ第1の半導体層103および第2の半導体層104における低移動度領域108および109の周囲の領域よりも電子移動度の小さな領域である。低移動度領域108および109は、共にドレイン電極107とゲート電極106との間の下方、かつ、第1の半導体層103および第2の半導体層104のヘテロ接合界面から所定の距離おいた領域に設けられている。
具体的に、第1の半導体層103には、第1の半導体層103における低移動度領域108周囲の領域よりも電子移動度の小さな低移動度領域108が設けられている。そして、低移動度領域108は、ヘテロ接合界面から下方に向けて20nm以上500nm以内だけ離れた領域に設けられている。
また、第2の半導体層104には、第2の半導体層104における低移動度領域109周囲の領域よりも電子移動度の小さな低移動度領域109が設けられている。そして、低移動度領域109は、ヘテロ接合界面から上方に向けて20nm以上500nm以内だけ離れた領域に設けられている。
例えば、低移動度領域108および109は、p型不純物およびn型不純物が共に1017cm-3以上の不純物濃度でドーピングされた領域である。また、低移動度領域108および109は、母材に対してキャリアとならないC、FeおよびRu等の中性不純物が1016cm-3以上の不純物濃度でドーピングされた領域である。また、低移動度領域108および109は、超格子構造を有する領域である。
ソース電極105、ゲート電極106およびドレイン電極107は、第2の半導体層104上に順次並んで設けられている。
本発明者らは、チャネル近傍の第1の半導体層103および第2の半導体層104の電子移動度と電流コラプスとの相関関係について調べることを目的として、以下に示す実験を行った。
電流コラプスの大きさを定量評価するために、非特許文献1(吉岡啓、新田智洋、藤本英俊、野田隆夫、齋藤泰伸、「導電性基板上GaN HEMTの縦方向電界による電流コラプス現象」、電気学会研究会「ワイドギャップ半導体材料、デバイス一般」EFM−07−18(平成19年))による評価方法を用いた。この評価方法について、図2を用いて簡単に説明する。以下、この評価方法を「バッファコラプス測定法」とよぶことにする。
なお、測定サンプルとしては、図2(a)〜図2(c)に示す構造のTLM500が用いられる。このTLM500は、図1のHEMT100において、ゲート電極106が形成されていない構造を有する。具体的に、TLM500は、導電性のSi基板501、AlN低温バッファ層502、アンドープGaN層503、アンドープAlGaN層504、ソース電極505およびドレイン電極507を備える。
また、バッファコラプス測定では、はじめに、図2(a)に示すように、Si基板501およびソース電極505に0V、ドレイン電極507に2Vが印加され、ソース・ドレイン間の抵抗Rbfが測定される。次に、図2(b)に示すように、いったん、ソース電極505およびドレイン電極507に0V、Si基板501に一定電圧Vsubが印加されて30秒間保持される。このとき、ソース・ドレイン間の2DEG(2次元電子ガス)は0Vで等電位となっており、2DEGとSi基板501との間には、Si基板501主面に垂直方向(図2(b)の矢印「↓」の方向)の一様な電界が発生する。その後、図2(c)に示すように、再びSi基板501およびソース電極505に0V、ドレイン電極に2Vが印加され、ソース・ドレイン間の抵抗Rafの過渡応答が計測されて、図2(d)に示す結果が得られる。この測定において、電流コラプスはストレス印加によるチャネルの抵抗率の変化(コラプス度)Raf/Rbfにより評価できる。Raf/Rbfが1と離れていると電流コラプスによる悪影響が大きく、Raf/Rbfが1に近ければ電流コラプスによる悪影響が小さい。
また、バッファコラプス測定では、Vsubの印加によりチャネル下方のバルクに強い電界が印加されており、表面の半導体層には強い電界が印加されない。従って、表面の半導体層に由来する電流コラプスのRaf/Rbfに対する影響は小さいと予想されるため、チャネル下方のバルクに起因する電流コラプス、つまりアンドープGaN層503において生じる電子トラップが引き起こす電流コラプスの大きさが主に評価される。実際、HEMT表面をSiNでパシベーションする前後のサンプルにおいて、HEMTの電流コラプスは変化したが、本測定においては、Raf/Rbfに違いが観測されなかった。
図3Aは、バッファコラプス測定により得られたRaf/Rbfの時間変化(再びSi基板501およびソース電極505に0V、ドレイン電極に2Vが印加された後の時間変化)を示す図である。なお、図3Aでは、異なる基板バイアスVsubが印加されたときのRaf/Rbfの時間変化が示されている。一方、図3Bは図3AのRaf/Rbfにおける最大値、および基板バイアスVsub印加時の2DEGとSi基板との間のリーク電流(平均値)ILeakの基板バイアスVsub依存性を示す図である。
本発明者らは図3Aおよび図3Bの結果において、次の(1)〜(4)で示す事象を見出した。
(1)Vsub<−120Vにおいては、Raf/Rbfが時間の経過と共に一時的に上昇し、山型の過渡応答を示す。
(2)|Vsub|が大きくなるに従い、Raf/Rbfが1より離れて大きくなる。
(3)Raf/Rbfが山型の過渡応答を示すVsub<-120Vの条件下ではRaf/Rbfの最大値が大きく、一方、Raf/Rbfが山型を示さないVsub>-120VではRaf/Rbfの最大値が小さい。
(4)Vsub<-120Vにおいて、|Vsub|が大きくなるにつれてリーク電流ILeakが増大する。
図4Aはバッファコラプス測定における基板バイアスVsub印加時のTLM500からの発光強度の基板バイアスVsub依存性を示す図である。図4BはTLM500の上面図であり、TLM500に対してバッファコラプス測定が行われている様子を表している。図4C〜図4Hは、TLM500の上面図であり、それぞれ−150V、−200V、−250V、−300V、−350Vおよび−400Vの基板バイアスVsubが印加された状態でのTLM500からの発光を表している。
本発明者らは図4A〜図4Hの結果において、次の(5)で示す事象を見出した。
(5)Vsub<−120Vにおいて発光が観測され、その強度は|Vsub|が大きくなるに従い増大する。
図5は、TLM500におけるチャネル下のアンドープGaN層(厚さ2μmのアンドープGaN層)503のX線ロッキングカーブ(1012)線の半値全幅と、バッファコラプス測定により得られるRaf/Rbfの最大値との関係を示す図である。
ここで、X線ロッキングカーブ(1012)線の半値全幅とは、ωスキャンモードで測定した(1012)面に対するX線回折測定によって得られるロッキングカーブの半値全幅を表し、アンドープGaN層503の結晶性を表している。図5に示したX線ロッキングカーブ(1012)半値全幅の値は、CuのKα線(波長λ=1.54Å)を用いたX線回折によるロッキングカーブの半値全幅を示している。なお、ロッキングカーブを取得する際に使用するX線は、CuのKα線に限定して解釈する必要はなく、MoのKα線等、他のX線を用いてもよい。
本発明者らは図5の結果において、新たに次の(6)で示す事象を見出した。
(6)アンドープGaN層503のX線ロッキングカーブ(1012)線の半値全幅が小さくなるにつれてRaf/Rbfの最大値が大きくなる。特に、アンドープGaN層503のX線ロッキングカーブ(1012)の半値全幅が800arcsecより小さなTLM500において電流コラプスの悪化が著しい。
本発明者らは、以上述べた(1)〜(6)の知見をもとに、電流コラプス発現のメカニズムについて考察した。以下にその詳細を述べる。
まず、上文の(5)で述べた、Vsub<−120Vにおいて発光が観測されたことから、基板バイアスVsub印加時に電子・正孔対がアンドープGaN層503内に存在することがわかる。非特許文献(C. Wetzel, T. Suski, J. W. Ager III, E. R. Weber, E. E. Haller, S. Fischer, B. K. Meyer, R. J. Molnar, P. Perlin, Physical Review Letters 78, 3928 (1997).)に示されているように、アンドープGaN層503は主に残留酸素の影響により通常n型を示すので、本来存在しない正孔が存在することは、基板バイアスVsubの印加によって、強電界効果の一つであるインパクトイオン化が起こっていることを示唆する。ここで、インパクトイオン化とは、バイアス電圧の印加により加速された電子が電子・正孔対を生み出す現象である。
次に、発明者らは、上文の(1)で述べた、Raf/Rbfの過渡応答が山型の形状を示す原因についても、インパクトイオン化により生じた正孔が原因であると考えた。図3Aの模式図としての図6に示すように、トラップされたキャリアが仮に電子のみとすると、電子トラップが解放されるに従い、チャネルの狭窄が解放されて抵抗Rafが減少し、Raf/Rbfは図6中のAで示したような単調減少を示す。一方、トラップされたキャリアが正孔のみとすると、正孔トラップが解放されるに従い抵抗Rafが増大するので、Raf/Rbfは図6中のBで示したように単調増大する。電子トラップと正孔トラップとが同時に存在する場合、Raf/Rbfの過渡応答はこれら単調減少および単調増大の成分の和の形状を示し、山型を示すと考えられる。したがって、図3Aにおいて観測された山型の形状は、基板バイアスVsubの印加時に正孔が発生していることを示している。過渡応答の山型の形状はVsub<-120Vにおいて現れているので、インパクトイオン化がVsub<-120Vにおいて起こっていると考えられる。さらに、上文(4)のVsub<-120VにおけるILeakの増大についても、インパクトイオン化によるキャリアの増大が起こっていることを示していると考えられる。
さらに、上文(3)で述べた、Vsub<-120Vにおける|Raf/Rbf|の増大は、インパクトイオン化により生じたキャリアがトラップされるためと考えることができる。したがって、インパクトイオン化が起きないVsubの条件領域では電流コラプスは増大しないと予想した。
以上の考察をもとに、上文(6)に示した、X線ロッキングカーブ(1012)線の半値全幅が狭くなるにつれて電流コラプスが著しく悪化する理由について考察した。
X線ロッキングカーブ(1012)線の半値全幅が狭い結晶では、結晶粒径が大きく、結晶中の転位密度が低い。従って、図7に示すような結晶粒間の欠陥での電子の散乱が起き難くなるため、電子の平均自由行程が長くなり、電子移動度が高い。TLM500におけるアンドープGaN層503のX線ロッキングカーブ(1012)線の半値全幅とチャネルの2DEGのシート抵抗との関係を図8に示す。図8に示すように、アンドープGaN層503の半値全幅が狭くなるにつれて、シート抵抗が減少している。これは、電子移動度が高いためと考えられる。電子移動度が高いと、電子の平均速度が高いため、インパクトイオン化率が高くなり、インパクトイオン化により生ずるキャリアが増大すると考えられる。その結果、X線ロッキングカーブ(1012)線の半値全幅が狭くなるにつれて、トラップされるキャリア数が増大し、電流コラプスが悪化したと考えられる。
以上の考察から、電流コラプスの抑制には、インパクトイオン化の抑制が有効と考えられ、そのためには、電子の平均自由行程を短くし、電子移動度を減少させることが有効であると考えられる。そこで、本発明者らは、チャネル上下の第1の半導体層103および第2の半導体層104の電子トラップが生じる箇所において、つまりドレイン電極107とゲート電極106との間の下方の領域において、低移動度領域108および109を設け、キャリアの平均自由行程を短くすることで電流コラプスの改善を図った。
このとき、アンドープGaN層503のX線ロッキングカーブ(1012)の半値全幅が800arcsecより小さなTLM500において電流コラプスの悪化が著しい。従って、第1の半導体層103および第2の半導体層104のX線ロッキングカーブ(1012)の半値全幅は800arcsec以上であっても、低移動度領域108および109のX線ロッキングカーブ(1012)の半値全幅は800arcsecより小さいことが好ましい。
また、ヘテロ接合界面近傍に低移動度領域108および109が設けられると、2DEGの電子移動度が極端に低下するので、低移動度領域108および109はヘテロ接合界面より20nm以上500nm以内だけ離れた領域に設けられることが好ましい。
(変形例1)
ここで、本実施形態における変形例1について説明する。上記実施の形態では、第1の半導体層103および第2の半導体層104の両方に低移動度領域108および109が設けられるとした。しかし、第1の半導体層103および第2の半導体層104のいずれかに低移動度領域が設けられれば、電流コラプスを抑制することができる。従って、本変形例では、第1の半導体層103および第2の半導体層104のいずれか一方にのみ低移動度領域が設けられる。
図9は、本変形例に係るHEMT100の構成を模式的に示す断面図である。
このHEMT100は、基板101、バッファ層102、第1の半導体層103、第2の半導体層104、ソース電極105、ゲート電極106およびドレイン電極107を備える。そして、第1の半導体層103にのみ、低移動度領域108が設けられている。
図10は、本変形例に係るHEMT100の別の構成を模式的に示す断面図である。
このHEMT100は、基板101、バッファ層102、第1の半導体層103、第2の半導体層104、ソース電極105、ゲート電極106およびドレイン電極107を備える。そして、第2の半導体層104にのみ、低移動度領域109が設けられている。
(変形例2)
また、本実施の形態における変形例2について説明する。上記実施の形態では、第1の半導体層103および第2の半導体層104のドレイン電極107とゲート電極106との間の下方にのみ低移動度領域108および109が設けられるとした。しかし、ヘテロ接合界面より20nm以上500nm以内だけ離れた領域であれば、第1の半導体層103および第2の半導体層104の他の領域に低移動度領域108および109が設けられても、2DEGの電子移動度が極端に低下しない。従って、本変形例では、第1の半導体層103および第2の半導体層104における、ドレイン電極107とゲート電極106との間の下方以外の領域にも低移動度領域108および109が設けられる。
図11は、本変形例に係るHEMT100の構成を模式的に示す断面図である。
このHEMT100は、基板101、バッファ層102、第1の半導体層103、第2の半導体層104、ソース電極105、ゲート電極106およびドレイン電極107を備える。そして、第1の半導体層103および第2の半導体層104には、ドレイン電極107の下方からソース電極105の下方に向かってのびる1つの低移動度領域108および109がそれぞれ設けられている。
(変形例3)
また、本実施の形態における変形例3について説明する。上記実施の形態では、ドレイン電極107およびソース電極105が第2の半導体層104上に設けられるとした。しかし、ドレイン電極107およびソース電極105がヘテロ接合界面に直接接する構造とすることで、コンタクト抵抗を低減することができる。従って、第1の半導体層103および第2の半導体層104には、デバイス表面からヘテロ接合界面に達するリセスが設けられ、ドレイン電極107およびソース電極105はこのリセス内に設けられてもよい。
図12は、本変形例に係るHEMT100の構成を模式的に示す断面図である。
このHEMT100は、基板101、バッファ層102、第1の半導体層103、第2の半導体層104、ソース電極105、ゲート電極106およびドレイン電極107を備える。そして、ソース電極105およびドレイン電極107は、第1の半導体層103および第2の半導体層104のリセス内に設けられ、ヘテロ接合界面に直接接している。
(実施例1)
本実施形態のHEMT100の応用例を、実施例1によって示す。
図13は、本実施例に係るHEMT200の構成を模式的に示す断面図である。
HEMT200は、Si基板201、AlN低温バッファ層202、アンドープGaN層203、アンドープAlGaN層204、ソース電極205、ゲート電極206およびドレイン電極207を備える。
アンドープGaN層203には、不純物がカウンタードーピングされた不純物領域208、つまりn型不純物であるSiとp型不純物であるMgとが共にドーピングされた不純物領域208が設けられている。不純物領域208は、ヘテロ接合界面から下方に向けて20nm以上500nm以内だけ離れた領域に設けられている。Siは1017cm-3の不純物濃度でドーピングされ、Mgは1018cm-3の不純物濃度でドーピングされている。
オーミック電極としてのソース電極205およびドレイン電極207はTi層およびAl層から形成されている。ショットキー電極としてのゲート電極206は、Pt層およびAu層から形成されている。
以上のように本実施例のHEMT200によれば、アンドープGaN層203に不純物領域208が設けられている。従って、アンドープGaN層203の電子トラップが生じる領域でのキャリアの平均自由行程を短くすることができ、電流コラプスを改善することができる。
また、本実施例のHEMT200によれば、n型不純物であるSiとp型不純物であるMgとがアンドープGaN層203にドーピングされて不純物領域208が形成される。不純物をドーピングするとキャリアが生じ、デバイスの耐圧が低下すると考えられるが、SiおよびMgは共にトラップエネルギーが小さいため、いったんこれらの不純物にキャリアがトラップされても、トラップの解放時間は短くなり、電流コラプスを抑制できる。
なお、本実施例において、アンドープGaN層203ではなく、AlおよびInを含んだアンドープAlInGaN層が形成されてもかまわない。
(実施例2)
本実施形態のHEMT100の応用例を、実施例2によって示す。
図14は、本実施例に係るHEMT300の構成を模式的に示す断面図である。
HEMT300は、Si基板301、AlN低温バッファ層302、アンドープGaN層303、アンドープAlGaN層304、ソース電極305、ゲート電極306およびドレイン電極307を備える。
アンドープGaN層303には、アンドープAlNとアンドープGaNとで構成された超格子構造の領域308が設けられている。超格子構造の領域308は、ヘテロ接合界面から下方に向けて20nm以上500nm以内だけ離れた領域に設けられている。ここでいう「超格子構造」とは、例えば膜厚5nmのAlNおよび膜厚10nmのGaNを1ペアとして、これを上方に向けて20ペア交互に積層した構造である。
以上のように本実施例のHEMT300によれば、アンドープGaN層303に超格子構造の領域308が設けられている。従って、インパクトイオン化率の小さいAlNによるポテンシャルの影響で、アンドープGaN層303の電子トラップが生じる領域でのキャリアの平均自由行程を短くすることができ、電流コラプスを抑制することができる。
以上、本発明の電界効果トランジスタについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
本発明は、電界効果トランジスタに有用であり、特にエアコンなどの民生機器の電源回路等で用いられるパワートランジスタ等に有用である。
本発明の実施形態に係るHEMTの構成を模式的に示す断面図である。 同実施形態に係るHEMTの電流コラプスの大きさを評価する際に発明者が用いたバッファコラプス測定を説明するための図である。 バッファコラプス測定により得られたRaf/Rbfの時間変化を示す図である。 図3AのRaf/Rbfにおける最大値、およびリーク電流(平均値)ILeakの基板バイアスVsub依存性を示す図である。 バッファコラプス測定における基板バイアスVsub印加時のTLMからの発光強度の基板バイアスVsub依存性を示す図である。 バッファコラプス測定が行われている様子を表すTLMの上面図である。 −150Vの基板バイアスVsubが印加された状態でのTLMからの発光を表すTLMの上面図である。 −200Vの基板バイアスVsubが印加された状態でのTLMからの発光を表すTLMの上面図である。 −250Vの基板バイアスVsubが印加された状態でのTLMからの発光を表すTLMの上面図である。 −300Vの基板バイアスVsubが印加された状態でのTLMからの発光を表すTLMの上面図である。 −350Vの基板バイアスVsubが印加された状態でのTLMからの発光を表すTLMの上面図である。 −400Vの基板バイアスVsubが印加された状態でのTLMからの発光を表すTLMの上面図である。 チャネル下のアンドープGaN層のX線ロッキングカーブ(1012)線の半値全幅と、バッファコラプス測定により得られるRaf/Rbfの最大値との関係を示す図である。 af/Rbfの時間変化を模式的に示す図である。 結晶欠陥がある場合に電子が散乱を受けることを模式的に表した図である。 チャネル下のアンドープGaN層のX線ロッキングカーブ(1012)線の半値全幅とチャネルの2DEGのシート抵抗との関係を示す図である。 変形例1に係るHEMTの構成を模式的に示す断面図である。 変形例1に係るHEMTの別の構成を模式的に示す断面図である。 変形例2に係るHEMTの構成を模式的に示す断面図である。 変形例3に係るHEMTの構成を模式的に示す断面図である。 実施例1に係るHEMTの構成を模式的に示す断面図である。 実施例2に係るHEMTの構成を模式的に示す断面図である。 AlGaN/GaNヘテロ構造を有する従来のHEMTの構成を模式的に示す断面図である。 電流コラプスの発現メカニズムを説明するためのHEMTの断面図である。
100、200、300、700 HEMT
101 基板
102 バッファ層
103 第1の半導体層
104 第2の半導体層
105、205、305、505、705 ソース電極
106、206、306、706 ゲート電極
107、207、307、507、707 ドレイン電極
108、109 低移動度領域
201、301、501、701 Si基板
202、302、502、702 AlN低温バッファ層
203、303、503、703 アンドープGaN層
204、304、504、704 アンドープAlGaN層
208 不純物領域
308 超格子構造の領域
500 TLM
708A、708B、708C、708D 領域
709 空乏層

Claims (8)

  1. ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を備える電界効果トランジスタであって、
    第1の窒化物半導体からなる第1の半導体層と、
    前記第1の半導体層上に設けられた、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2の半導体層とを備え、
    前記第1の半導体層および前記第2の半導体層のヘテロ接合によりチャネルが形成され、
    前記第1の半導体層および前記第2の半導体層のいずれか一方における、前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の下方で、かつ、前記ヘテロ接合界面から所定の距離おいた領域には、低移動度領域が設けられ、
    前記低移動度領域は、前記第1の半導体層および前記第2の半導体層のいずれか一方における該低移動度領域の周囲の領域よりも電子移動度の小さな領域である
    電界効果トランジスタ。
  2. 前記低移動度領域は、前記ヘテロ接合界面より20nm以上500nm以内の領域に設けられている
    請求項1に記載の電界効果トランジスタ。
  3. 前記低移動度領域は、p型不純物およびn型不純物が共にドーピングされた領域である
    請求項1又は2に記載の電界効果トランジスタ。
  4. 前記低移動度領域は、中性不純物がドーピングされた領域である
    請求項1又は2に記載の電界効果トランジスタ。
  5. 前記低移動度領域は、超格子構造を有する領域である
    請求項1又は2に記載の電界効果トランジスタ。
  6. 前記第1の窒化物半導体は、GaNであり、
    前記低移動度領域は、AlNとGaNとからなる超格子構造の領域である
    請求項5に記載の電界効果トランジスタ。
  7. 前記第1の半導体層および前記第2の半導体層の両方に低移動度領域が設けられている
    請求項1又は2に記載の電界効果トランジスタ。
  8. 前記低移動度領域が設けられた前記第1の半導体層又は前記第2の半導体層のX線ロッキングカーブ(1012)線の半値全幅は、800arcsec以上であり、
    前記低移動度領域は、X線ロッキングカーブ(1012)線の半値全幅が800arcsecより小さい領域である
    請求項1又は2に記載の電界効果トランジスタ。
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