JP2011187528A - ヘテロ接合型電界効果トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＦＥＴの種々の特性を改善する。
【解決手段】ヘテロ接合型電界効果トランジスタでは、サファイア基板の上面上において第１の金属層（２）とヘテロ接合を含む窒化物半導体層（５、６）とがこの順に形成されており、窒化物半導体層上にはソース電極（７）、ゲート電極（８）およびドレイン電極（９）が配置されており、第１の金属層は開口部（４）を含むようにパターン化されており、窒化物半導体層は第１の金属層の開口部で露出されたサファイア基板の上面から結晶成長しており、第１の金属層はソース電極へ電気的に接続されていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に関し、特にサファイア基板上の窒化物半導体積層中の界面においてヘテロ接合を含む電界効果トランジスタの種々の特性改善に関する。

ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの窒化物半導体においては、バンドギャップが大きく、絶縁破壊電圧が高く、電子のドリフト速度が大きく、さらにヘテロ接合による２次元電子ガスを利用することができる。例えばアンドープＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層を積層した場合に、自発分極とピエゾ分極との両作用によってヘテロ界面に２次電子ガスが生じる。そして、このような２次電子ガスをチャネルとして利用するヘテロ接合型電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）が知られている。このように窒化物半導体を利用したＨＦＥＴは、大きな電流を制御するためのパワーデバイスに好ましく適用することができる。

ところで、ＨＦＥＴのような横型デバイスでは、その耐圧がゲート・ドレイン間の電界分布によって影響される。一般には、ゲート・ドレイン間電圧によるゲート電極近傍における電界集中によって、ＨＦＥＴの耐圧が低下させられる。このような電界集中によるＨＦＥＴの耐圧低下を防止するために、しばしばフィールドプレートが利用されている。

図７は、特許文献１の特開２００５−０９３８６４号公報に開示されたフィールドプレートを含むＨＦＥＴの模式的な断面図である。なお、本願の各図面において、長さ、幅、厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。

図７のＨＦＥＴにおいては、サファイア基板１上にＧａＮ層５とＡｌＧａＮ層６が順次積層されている。ＡｌＧａＮ層６上には、ソース電極７、ゲート電極８およびドレイン電極９が配置されている。ゲート電極８とドレイン電流９との間において、ＡｌＧａＮ層６は第１の絶縁層１０によって覆われている。そして、第１の絶縁層１０上には、ゲート電極８から庇状に延びた第１のフィールドプレート電極１１が設けられている。また、ゲート電極８と第１のフィールドプレート電極１１を覆う第２の絶縁層１２が設けられ、この第２の絶縁層１２上にソース電極７から延びた第２のフィールドプレート電極１３が設けられている。これらのフィールドプレート電極１１、１３は、ゲート・ドレイン間電圧によってゲート電極８のドレイン電極側端部に生じる電界集中を緩和させることができ、その結果として図７のＨＦＥＴの耐圧が改善され得る。

窒化物半導体を利用したＨＦＥＴにおいてはまた、電流コラプスという問題が生じ得る。電流コラプスは、窒化物半導体の表面準位にトラップされた電子が仮想ゲートとして作用し、ＨＦＥＴの動作中にドレイン電流を低下させる現象である。このような電流コラプスを防止するために、特許文献２の特開２００４−２００２４８号公報は、窒化物半導体層の表面にシリコン窒化膜を設けることを提案している。

パワーデバイスとしてのＨＦＥＴにおいてはさらに、大きな電流の制御に伴ってＨＦＥＴ内に生じる熱を効率よく外部へ伝えることが望まれる。しかし、窒化物半導体層の結晶成長に用いられるサファイア基板は、絶縁性であって熱伝導性も低く、ＨＦＥＴの放熱性の観点からは好ましくない。

特開２００５−０９３８６４号公報 特開２００４−２００２４８号公報

上述のような先行技術に鑑み、本発明は、比較的簡単な構造と製造方法によって、ＨＦＥＴの種々の特性を改善することを目的としている。より具体的には、本発明は、ＨＦＥＴの耐圧を向上させ、耐電流コラプス性の改善をも図る。また、本発明は、ＨＦＥＴを構成する窒化物半導体層の結晶性の向上をも図り、これによるＨＦＥＴの電流特性の改善をも図る。さらに、本発明は、ＨＦＥＴの放熱性の改善をも図る。

本発明によるヘテロ接合型電界効果トランジスタでは、サファイア基板の上面上において第１の金属層とヘテロ接合を含む窒化物半導体層とがこの順に形成されており、窒化物半導体層上にはソース電極、ゲート電極およびドレイン電極が配置されており、第１の金属層は開口部を含むようにパターン化されており、窒化物半導体層は第１の金属層の開口部で露出されたサファイア基板の上面から結晶成長しており、第１の金属層はソース電極へ電気的に接続されていることを特徴としている。

なお、第１の金属層の開口部は、ソース電極、ゲート電極およびドレイン電極の並びの列に平行なストライプ状の開口部であることが好ましい。また、サファイア基板はその下面から上面へ貫通する基板開口部を含み、基板の下面には第２の金属層が形成されており、第２の金属層は基板開口部を介して第１の金属層に接続されるとともにソース電極へ電気的に接続されていることが好ましい。さらに、第１の金属層の上面と窒化物半導体層との間には結晶成長抑制膜がさらに形成されていることが好ましく、その結晶成長抑制膜はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であることが好ましい。

上記のような本発明によれば、比較的簡単な構造と製造方法によって、ＨＦＥＴの特性を改善することができる。例えば、第１の金属層は広範囲のフィールドプレートと同様に作用することができ、それによってゲート・ドレイン電極電圧によるゲート電極近傍の電界集中が広範囲にわたって緩和され、その結果としてＨＦＥＴの耐圧特性が改善される。また、その電界集中の緩和に伴って、耐コラプス特性も改善され得る。

さらに、窒化物半導体層は第１の金属層の開口部で露出されたサファイア基板から結晶成長を開始し、第１の金属層上にいわゆる横方向成長しているので、窒化物半導体層の結晶品質が改善され、これによってＨＦＥＴの電流特性も改善され得る。

さらに、第１の金属層に接続された第２の金属層はヒートシンクとして作用し得るので、それによってＨＦＥＴの放熱性が改善され得る。

本発明の一実施形態によるＨＦＥＴの模式的上面図である。 図１中の線Ｘ−Ｘに沿った模式的断面図である。 図１中の線Ｙ−Ｙに沿った模式的断面図である。 図３のＨＦＥＴの作製過程を図解する模式的断面図である。 図４に続く作製過程を図解する模式的断面図である。 図５に続く作製過程を図解する模式的断面図である。 先行技術によるＨＦＥＴの一例を示す模式的断面図である。

図１において、本発明の一実施形態によるＨＦＥＴが模式的上面図で示されている。また、図２は、図１中の線Ｘ−Ｘに沿った模式的断面図である。さらに、図３は、図１中の線Ｙ−Ｙに沿った模式的断面図である。

これらの図を参照して、サファイア基板１の上面上にＴｉ、Ｗ、Ｍｏなどの高融点金属または合金からなる第１の金属層２が形成されている。第１の金属層２上には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などからなる結晶成長抑制膜３が形成されている。これらの第１の金属層２と成長抑制膜３は、ストライプ状の開口４を含むようにパターン化されている。

そして、それらの開口部４に露出されたサファイア基板１の上面および成長抑制膜３を覆うように、ＧａＮなどからなる第１の窒化物半導体層５が形成されている。この第１の窒化物半導体層上には、ＡｌＧａＮなどからなる第２の窒化物半導体層６が形成されている。さらに、第２の窒化物半導体層６上には、ソース電極７、ゲート電極８およびドレイン電極が所定間隔で配置されている。なお、図１の例では、ストライプ状の開口４は、ソース電極７、ゲート電極８およびドレイン電極９の並びの方向に延びている。

また、図２に見られるように、サファイア基板１にはその下面から上面に貫通する基板開口部１ａが設けられている。この基板開口部１ａは、図２の紙面に直交する方向（図１中のゲート電極８の長手方向）に沿って延びている。そして、サファイア基板１の下面上にはＡｌ、Ａｕなどの金属または合金からなる第２の金属層１４が形成され、この第２の金属層２は基板開口１ａを介して複数のストライプ状第１金属層２に接続されている。そして、図示されていないが、第１の金属層２と第２の金属層１４の少なくとも一方が、ソース電極７に電気的に接続されている。

図４から図６の模式的断面図は、図１から図３に示されたＨＦＥＴの作製過程の一例を示しており、図１中の線Ｙ−Ｙに沿った断面図３に示された構造の形成過程に対応している。

まず、図４において、サファイア基板１の上面上に、第１の金属層２としての例えば厚さ１００ｎｍのＴｉ層が、スパッタ法によって堆積される。これに続いて、結晶成長抑制膜３として、例えば厚さ５０ｎｍのシリコン酸化膜がスパッタ法で堆積される。その後、Ｔｉ層２とシリコン酸化膜３とが、ストライプ状の開口部４を有するように、周知のフォトリソグラフィを利用してパターン化される。

次に、パターン化されたＴｉ層２とシリコン酸化膜３を有するサファイア基板は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）反応室内において、水素ガスと窒素ガスの供給を受けながら１１００℃で５分間サーマルクリーニングされ、その後に基板温度が７５０℃に降下させられる。基板温度が７５０℃に安定したら、１０Ｌ／ｍｉｎのＮＨ_３と１００μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ（トリメチルガリウム）を反応室内に供給し、例えば厚さ１００ｎｍのＧａＮ下地層５ａを成長させる。このとき、ＧａＮ下地層は結晶成長抑制膜３上には成長せず、開口部４内で露出されたサファイア基板１上にのみ選択成長し、後に成長させられるＧａＮ層５の結晶成長核となる。

その後、基板温度を１１００℃に昇温させ、ＴＭＧの流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに設定し、ＧａＮ層５が厚４μｍに成長させられる。このとき、ＧａＮ層５は開口部４内のＧａＮ下地層５ａを結晶成長核として成長することによって厚さを増し、その結晶成長が成長抑制膜３の上面に達した後に、横方向にも結晶成長が進んでいく。このような結晶成長はいわゆる横方向結晶成長として周知であり、横方向結晶成長した領域では格子欠陥密度が少なくて良好な結晶品質の窒化物半導体層が得られる。

ＧａＮ層５の成長に引き続いて、ＴＭＡとＴＭＧをそれぞれ例えば７．５μｍｏｌ／ｍｉｎと３４μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で供給し、例えば厚さ３０ｎｍのＡｌＧａＮ層を第２の窒化物半導体層６として堆積させる。

図６の形成過程では、図１と図２においてより明瞭に示されているように、ＡｌＧａＮ層６上に、ソース電極７とドレイン電極９が、周知のリフトオフ法によって形成され、その後にオーミック接触形成用の熱処理が例えば８００℃において行なわれる。この熱処理後に、ゲート電極８も、リフトオフ法によって形成される。

その後、ソース電極７、ゲート電極８およびドレイン電極９が形成されたＡｌＧａＮ層６の上面側が支持基板（図示せず）に接合され、サファイア基板１が例えば１００μｍの薄さになるまで下面側から研削される。そして、基板開口１ａ（図２参照）を形成すべき領域において、サファイア基板１の裏面側から、フェムト秒レーザパルスが照射される。このとき、レーザビームの焦点がサファイア基板１の厚さ方向において変動させられて、レーザビーム照射領域においてその基板が改質される。この改質領域において、例えば１０％ＨＦ水溶液を用いてエッチングを行なうことによって、サファイア基板１の基板開口部１ａが形成される（図２参照）。

なお、１０％ＨＦ水溶液によるエッチングでは、数μｍから１０μｍ程度の厚さのサファイア層が残されてもよい。この場合には、引き続いてプラズマ密度の高い塩素系ガスを用いたドライエッチングを基板下面に施して、基板開口部１ａを完成させることができる。なお、ドライエッチングを終了すべき時点は、プラズマ発光を分光器でモニタし、第１の金属層２のＴｉに関する分光信号の変化量によって判断することができる。これによって、薄いＴｉ層２に損傷を及ぼすことなく基板開口部１ａを完成させることができる。

その後、サファイア基板１の下面上には、第２の金属層１４として、メッキ法などによって例えばＡｌ層が堆積される。この第２の金属層１４は、基板開口部１ａを介して第１の金属層２に接続される（図２参照）。そして、第１と第２の金属層２、１４の少なくとも一方は、ソース電極７に電気的に接続（図示せず）される。こうして、図２に示されているようなＨＦＥＴの構造が作製され得る。

以上のように作製され得る本発明によるＨＦＥＴにおいては、ソース電極７に電気的に接続された第１の金属層２は従来に比べて広範囲のフィールドプレートとして作用することができ、それによってゲート・ドレイン間電圧によるゲート電極８近傍の電界集中がなだらかに緩和され、ＨＦＥＴの耐圧特性が改善される。また、その電界集中の緩和に伴って、ＨＦＥＴの耐コラプス特性も改善され得る。

さらに、窒化物半導体層５は結晶成長抑制膜３の開口部４で露出されたサファイア基板１の上面から結晶成長を開始し、その成長抑制膜３上にいわゆる横方向成長しているので、窒化物半導体層５、６の結晶品質が改善され、これによってＨＦＥＴの電流特性も改善され得る。

さらに、第１の金属層２に接続された第２の金属層１４はヒートシンクとして作用し得るので、それによってＨＦＥＴの放熱性が改善され得る。特に、大容量の電力制御用デバイスとしてのＨＦＥＴにおいては、この放熱性が重要である。

なお、上述の実施形態ではソース電極７、ゲート電極８およびドレイン電極の並びに平行なストライプ状の開口部４の例が説明されたが、成長抑制膜３の開口部４はそのようなストライプ状の形状に限定されるわけではない。すなわち、複数の開口部４に露出されたサファイア基板１の上面から窒化物半導体層５、６の結晶成長が始まって横方向成長によって成長抑制膜３を覆うことができる限りにおいて、開口部４の形状は限定されない。

ただし、成長抑制膜３およびその開口部４がストライプ状の形状をしている場合、結晶成長に伴う転位の密度がストライプ状開口部４の中央部上方およびストライプ状成長抑制膜３の中央部の上方において高くなるので、ストライプ状開口部４はソース電極７、ゲート電極８およびドレイン電極の並びに平行に配置されていることが好ましい。なぜならば、ストライプ状開口部４の中央部上方およびストライプ状成長抑制膜３の中央部の上方における高密度の転位の分布がソース・ドレイン間の電流方向に平行であり、その電流の障害になりにくいからである。

また、上述の実施形態では第１の金属層２上にシリコン酸化膜などからなる結晶成長抑制膜３をさらに堆積する例が説明されたが、第１の金属層２自体が第１の窒化物半導体層５の結晶成長抑制膜としても作用し得る場合に、その成長抑制膜３を省略することも可能である。

さらに、第２の金属層１４はそれ自体でヒートシンクとして作用し得るが、それが別途に設けられたヒートシンクさらに接続されてもよいことは言うまでもない。

さらにまた、第１の金属層２はソース電極７に電気的に接続される第２の金属層１４を介してソース電極７の電位にされてもよいが、第１の金属層２自体が直接にソース電極７へ電気的に接続されてもよいことも言うまでもない。その場合、ソース電極７は、第１の金属層２の側面または窒化物半導体層５、６が除去されて露出集された上面に接続され得る。

以上のような本発明によれば、耐圧特性、耐電流コラプス特性、電流特性、放熱特性などの種々の特性が改善されたＨＦＥＴを提供することができる。

１ サファイア基板、１ａ 基板開口部、２ 第１の金属層、３ 結晶成長抑制膜、４ ストライプ状開口、５ａ 窒化物半導体下地層、５ 第１の窒化物半導体層、６ 第２の窒化物半導体層、７ ソース電極、８ ゲート電極、９ ドレイン電極、１０ 第１の絶縁層、１１ 第１のフィールドプレート、１２ 第２の絶縁層、１３ 第２のフィールドプレート、１４ 第２の金属層。

Claims (5)

1. サファイア基板の上面上において、第１の金属層とヘテロ接合を含む窒化物半導体層とがこの順に形成されており、
   前記窒化物半導体層上にはソース電極、ゲート電極およびドレイン電極が配置されており、
   前記第１の金属層は開口部を含むようにパターン化されており、
   前記窒化物半導体層は前記第１の金属層の開口部で露出されたサファイア基板の上面から結晶成長しており、
   前記第１の金属層は前記ソース電極へ電気的に接続されていることを特徴とするヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
2. 前記第１の金属層の開口部は、前記ソース電極、ゲート電極およびドレイン電極の並びの列に平行なストライプ状の開口部であることを特徴とする請求項１に記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
3. 前記サファイア基板はその下面から上面へ貫通する基板開口部を含み、前記基板の下面には第２の金属層が形成されており、前記第２の金属層は前記基板開口部を介して前記第１の金属層に接続されるとともに前記ソース電極へ電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
4. 前記金属層の上面と前記窒化物半導体層との間には結晶成長抑制膜がさらに形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
5. 前記結晶成長抑制膜はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項４に記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタ。

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