JP2011233695A - NORMALLY-OFF TYPE GaN-BASED FIELD EFFECT TRANSISTOR - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はGaN系電界効果トランジスタ(FET)に関し、特にノーマリオフ型GaN系FETの高いゲート耐電圧と低いオン抵抗の両立に関する。 The present invention relates to a GaN-based field effect transistor (FET), and more particularly, to both a high gate withstand voltage and a low on-resistance of a normally-off GaN-based FET.
窒化物半導体の典型例であるGaN系半導体を利用したFETは、その材料の持つ特性からAlGaN/GaN界面に発生する2次元電子ガスをチャネルとして利用することにより、Siを用いた従来のFETに比べて、高い耐電圧特性と大電流動作が可能なトランジスタとして有望視されている。なかでも、ノーマリオフ型のFETは、故障時の安全性の観点から、特に大電流を扱うパワーデバイス分野において高い需要がある。なお、ノーマリオフ型FETとは、ゲートに電圧が印加されていないとき(通常時)にオフ状態であって、ゲートに電圧が印加されたときにオン状態になるトランジスタをいう。 A FET using a GaN-based semiconductor, which is a typical example of a nitride semiconductor, uses a two-dimensional electron gas generated at the AlGaN / GaN interface as a channel due to the characteristics of the material, thereby making it a conventional FET using Si. In comparison, it is considered promising as a transistor capable of high withstand voltage characteristics and large current operation. Among these, normally-off type FETs are in high demand especially in the field of power devices that handle large currents from the viewpoint of safety at the time of failure. Note that a normally-off FET refers to a transistor that is off when no voltage is applied to the gate (normal time) and that is on when a voltage is applied to the gate.
図10の模式的断面図は、特許文献1の国際公開WO03/071607A1に開示されたノーマリオフ型FETを示している。なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さなどの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略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。
The schematic cross-sectional view of FIG. 10 shows a normally-off type FET disclosed in International Publication WO 03 / 071607A1 of
図10のFETにおいては、基板11上にバッファ層12、GaNチャネル層13、および一対のAlGaN電子供給層14a、14bが順次積層されている。この場合に、GaNチャネル層13とAlGaN電子供給層14a、14bとのヘテロ界面において、図中の破線で表された2次元電子ガス6が生じる。一対のAlGaN電子供給層14a、14bの外側には、チャネル層13上にGaNコンタクト層16a、16bを介してソース電極Sとドレイン電極Dが形成されている。そして、一対のAlGaN電子供給層14a、14bの間のチャネル層13上には、絶縁膜15を介してゲート電極Gが形成されている。このようなFETでは、ゲート電極G下のチャネル層13には2次元電子ガス6が存在しておらず、ゲート電極Gに電圧が印加されていないときにはオフ状態を維持している。しかし、ゲート電極Gに電圧が印加されれば、ゲート電極G下のチャネル層13の上面に生じた反転層がAlGaN電子供給層14a、14b下の2次元電子ガスとつながって、FETのソース電極Sとドレイン電極Dとの間がオン状態になって通電し得る。
In the FET of FIG. 10, a
図10に示されているようなノーマリオフ型GaN系FETのゲート部G0に関連する特性を本発明者らが鋭意検討したところ、ゲート絶縁膜として一般的なSiO2を用いた場合では、SiO2の誘電率εと絶縁破壊電界Ecとの積ε×Ecの値が小さいために、GaN系FETの特性が充分に生かせないことが分かった。 When the inventors of the present invention related characteristics to the gate portion G 0 of the normally-off GaN-based FET as shown in Figure 10 was examined intensively, in case of using a general SiO 2 as a gate insulating film, SiO Since the value of the product ε × E c of the dielectric constant ε of 2 and the dielectric breakdown electric field E c is small, it has been found that the characteristics of the GaN-based FET cannot be fully utilized.
そこで、本発明者らは、一般にHigh−k膜とも称される高誘電体膜をゲート絶縁膜として用いることを検討した。その結果、図10に示されているようなGaN系FETにおいてSiO2ゲート絶縁膜に替えてHigh−kゲート絶縁膜を用いた場合には、誘電率と絶縁破壊電界の積ε×Ecの値が充分であることがわかった。しかし、ゲート絶縁膜15はGaNチャネル層13に直接接して形成されるので、GaN層とHigh−k絶縁膜との界面のチャネルにおける電子移動度が低くなることが判明した。すなわち、High−kゲート絶縁膜を用いた場合には、GaN系FETが有する大電流動作可能な特性を充分に生かせないことが分かった。
In view of this, the present inventors examined the use of a high dielectric film, which is generally called a high-k film, as the gate insulating film. As a result, when a high-k gate insulating film is used instead of the SiO 2 gate insulating film in the GaN-based FET as shown in FIG. 10, the product ε × E c of the dielectric constant and the breakdown electric field is The value was found to be sufficient. However, since the
上述のようなゲート絶縁膜に関連する課題について、図11と図12を参照しつつより詳細に説明する。図11(A)はGaNチャネル層13上にSiO2絶縁膜15aとゲート電極Gが順次積層された断面構造を示しており、図11(B)はこのゲート電極Gにオン電圧を印加しているときの電子エネルギバンド図を示している。すなわち、図11(B)において、縦方向はエネルギレベルを表し、横方向は図11(A)の積層構造の厚さ方向を表している。また、図中の曲線eは、電子濃度分布を模式的に表している。なお、この図11(B)の例では、GaNチャネル層13下にAl0.05Ga0.95N層が設けられている。図12は図11に類似しているが、SiO2絶縁膜15aがHigh−k絶縁膜15bに変更されてことのみにおいて異なっている。なお、このHigh−k絶縁膜15bとしては、Hf0.7Al0.3Oxが用いられている。
Problems related to the gate insulating film as described above will be described in more detail with reference to FIGS. FIG. 11A shows a cross-sectional structure in which the SiO 2
図11と図12のいずれの場合にも、ゲート電極Gにオン電圧を印加したときには、GaNチャネル層13とゲート絶縁膜15a、15bとの界面において、電子濃度分布を表す曲線eで示されているように反転層が形成される。しかし、SiO2ゲート絶縁膜15aを用いた場合に比べて、High−kゲート絶縁膜を用いた場合の方が、GaNチャネル層とゲート絶縁膜との界面における電子濃度が高くなる。この電子濃度が高いことは、FETがより大きな電流を流し得ることを意味する。
In both cases of FIGS. 11 and 12, when an on-voltage is applied to the gate electrode G, it is indicated by a curve e representing the electron concentration distribution at the interface between the
また、発明者らが実測したところ、SiO2ゲート絶縁膜においては比誘電率εrが4であって絶縁破壊電界Ecが10MV/cmであり、Hf0.7Al0.3Oxゲート絶縁膜では比誘電率が18であって絶縁破壊電界Ecが5MV/cmであった。したがって、ゲート絶縁膜下で同じ電子濃度を得ようとする場合には、SiO2ゲート絶縁膜を用いたFETのゲート電極にはHf0.7Al0.3Oxゲート絶縁膜を用いた場合に比べて4.5倍の高いゲート電圧を印加しなければならないが、2倍程度のゲート電圧でSiO2ゲート絶縁膜がブレイクダウンすることになる。 Further, the inventors have actually measured that the SiO 2 gate insulating film has a relative dielectric constant ε r of 4 and a dielectric breakdown electric field E c of 10 MV / cm, and an Hf 0.7 Al 0.3 O x gate. the insulating film relative dielectric constant of 18 at a dielectric breakdown electric field E c was 5 MV / cm. Therefore, when the same electron concentration is to be obtained under the gate insulating film, the Hf 0.7 Al 0.3 O x gate insulating film is used as the gate electrode of the FET using the SiO 2 gate insulating film. A gate voltage that is 4.5 times higher than that of must be applied, but the SiO 2 gate insulating film is broken down at a gate voltage that is about twice as high.
他方、本発明者らの測定によれば、SiO2ゲート絶縁膜とGaNチャネル層との界面における電子移動度は約100cm2V−1s−1であるが、HfAlOゲート絶縁膜とGaNチャネル層との界面における電子移動度は約20cm2V−1s−1にしかならない。この場合に、図10に示されているようにGaNチャネル層上に接してゲート絶縁膜を形成する構造のノーマリオフ型FETでは、ゲート電極下において2次元電子ガスを生じるヘテロ界面が存在しないので、ゲート絶縁膜下における電子移動度の低下はFETの特性を大きく損なうことになる。 On the other hand, according to the measurement by the present inventors, the electron mobility at the interface between the SiO 2 gate insulating film and the GaN channel layer is about 100 cm 2 V −1 s −1 , but the HfAlO gate insulating film and the GaN channel layer are The electron mobility at the interface with is only about 20 cm 2 V −1 s −1 . In this case, as shown in FIG. 10, in the normally-off type FET having a structure in which the gate insulating film is formed in contact with the GaN channel layer, there is no heterointerface that generates a two-dimensional electron gas under the gate electrode. A decrease in electron mobility under the gate insulating film greatly impairs the characteristics of the FET.
そこで、本発明は、ゲート絶縁膜の高い絶縁破壊耐圧を有しかつチャネル抵抗が抑制されて低いオン抵抗を有するノーマリオフ型GaN系FETを提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a normally-off GaN-based FET having a high breakdown voltage of a gate insulating film and a low on-resistance with reduced channel resistance.
本発明によるノーマリオフ型GaN系FETは、第1種GaN系半導体からなるチャネル層と、このチャネル層上で互いに離間されて設けられた第2種GaN系半導体からなる一対の電子供給層と、これら一対の電子供給層の間でチャネル層を覆うゲート絶縁膜と、一対の電子供給層の外側でチャネル層にオーミックコンタクトしているソース電極およびドレイン電極と、ゲート絶縁膜上に形成されているゲート電極とを備え、ゲート絶縁膜はチャネル層上に順次堆積された第1と第2の絶縁層を含み、第1の絶縁層はSiの酸化物、窒化物および酸窒化物のいずれかからなりかつ5nm以下の厚さを有し、第2の絶縁層は第1の絶縁層に比べて大きなε×Ecを有し、ここでεは誘電率を表し、Ecは絶縁破壊電界を表すことを特徴としている。 A normally-off type GaN-based FET according to the present invention includes a channel layer made of a first-type GaN-based semiconductor, a pair of electron supply layers made of a second-type GaN-based semiconductor that are spaced apart from each other on the channel layer, and these A gate insulating film covering the channel layer between the pair of electron supply layers; a source electrode and a drain electrode that are in ohmic contact with the channel layer outside the pair of electron supply layers; and a gate formed on the gate insulating film The gate insulating film includes first and second insulating layers sequentially deposited on the channel layer, and the first insulating layer is made of any one of an oxide, a nitride, and an oxynitride of Si. And the second insulating layer has a larger ε × E c than the first insulating layer, where ε represents a dielectric constant, and E c represents a breakdown electric field. As a feature That.
なお、第2の絶縁層は、Hf、Zr、Ta、Al、Ti、Pr、およびSiの1種以上を含む酸化物、窒化物または酸窒化物で形成され得る。ゲート絶縁膜は第2の絶縁層上に堆積された第3の絶縁層をさらに含んでもよく、この第3の絶縁層も第1の絶縁層と同様にSiの酸化物、窒化物および酸窒化物のいずれかからなりかつ5nm以下の厚さを有していることが好ましい。第1と第3の絶縁層の厚さは、3nm以下であることがより好ましい。チャネル層はGaNからなることが好ましく、電子供給層はAlGaNからなることが好ましい。 Note that the second insulating layer can be formed using an oxide, nitride, or oxynitride containing one or more of Hf, Zr, Ta, Al, Ti, Pr, and Si. The gate insulating film may further include a third insulating layer deposited on the second insulating layer, and the third insulating layer, like the first insulating layer, is also an oxide, nitride and oxynitride of Si. It is preferably made of any one of the materials and has a thickness of 5 nm or less. The thickness of the first and third insulating layers is more preferably 3 nm or less. The channel layer is preferably made of GaN, and the electron supply layer is preferably made of AlGaN.
以上のような本発明によるノーマリオフ型GaN系FETにおいては、ゲート絶縁膜の高い絶縁破壊耐圧が得られるとともに、チャネル抵抗が抑制されて低いオン抵抗を得ることが可能となる。 In the normally-off GaN-based FET according to the present invention as described above, a high breakdown voltage of the gate insulating film can be obtained, and the channel resistance can be suppressed to obtain a low on-resistance.
ノーマリオフ型GaN系FETにおいて、低いオン抵抗を実現するためには、そのFETに含まれるチャネルのシート伝導率が高いことが望まれる。チャネルにおける最高のシート伝導率σsは、ゲート絶縁膜の誘電率がε、ゲート絶縁膜の絶縁破壊電界がEc、そしてゲート絶縁膜下のチャネルにおける電子の移動度がμであるとした場合に、周知の近似式(1)を用いて表すことができる。 In a normally-off GaN-based FET, in order to realize a low on-resistance, it is desired that the sheet conductivity of the channel included in the FET is high. The highest sheet conductivity σ s in the channel is when the dielectric constant of the gate insulating film is ε, the breakdown electric field of the gate insulating film is E c , and the electron mobility in the channel under the gate insulating film is μ In addition, it can be expressed using a well-known approximate expression (1).
σs=ε×Ec×μ (1)
この近似式は、σs=Qs×μ=Cg×(Vg−Vth)×μ=(ε/t)×(Vg−Vth)×μ≒(ε/t)×Vg×μ=ε×(Vg/t)×μ=ε×Ec×μによって導出される。なお、Qsはチャネル電荷、Cgはゲート静電容量、Vgはゲート電圧、VthはFETの閾値電圧、そしてtは絶縁膜の厚さを表している。なお、この導出式において、最高のシート伝導率σsが得られるときの条件としてVg≫Vthが仮定されて、(Vg−Vth)≒Vgの近似が行われている。
σ s = ε × E c × μ (1)
This approximate expression is σ s = Q s × μ = C g × (V g −V th ) × μ = (ε / t) × (V g −V th ) × μ≈ (ε / t) × V g Xμ = ε × (V g / t) × μ = ε × E c × μ. Note that Q s represents channel charge, C g represents gate capacitance, V g represents gate voltage, V th represents the threshold voltage of the FET, and t represents the thickness of the insulating film. Note that in this derivation, Vg»V th as a condition when the maximum sheet conductivity sigma s is obtained is assumed, has been carried out approximation of (V g -V th) ≒ V g.
ここで、図11のゲート構造における最高のシート伝導率σsを求めれば、本発明者らの測定によるSiO2ゲート絶縁膜15aの比誘電率εrが4であり、絶縁破壊電界Ecが10MV/cmであり、そしてチャネルにおける電子の移動度μが約100cm2V−1s−1であるので、σs=ε×Ec×μ=3.54×10−4Sとなる。なお、誘電率はε=εr×ε0で表され、ε0は真空の誘電率を表す。また、図12のゲート構造における最高のシート伝導率σsを求めれば、発明者らの測定によるHf0.7Al0.3Oxゲート絶縁膜15aの比誘電率εrが18であり、絶縁破壊電界Ecが5MV/cmであり、そしてチャネルにおける電子の移動度μが約20cm2V−1s−1であるので、σs=ε×Ec×μ=1.59×10−4Sとなる。このことから、シート伝導率σsの観点からは、ゲート電極としてHf0.7Al0.3Ox膜を用いるよりもSiO2膜を用いる方が好ましいことが分かる。
Here, when the maximum sheet conductivity σ s in the gate structure of FIG. 11 is obtained, the relative dielectric constant ε r of the SiO 2
しかしながら、前述のように、SiO2ゲート絶縁膜においては比誘電率εrが4であって絶縁破壊電界Ecが10MV/cmであり、Hf0.7Al0.3Oxゲート絶縁膜では比誘電率が18であって絶縁破壊電界Ecが5MV/cmであるので、ゲート絶縁膜下で同じ電子濃度を得ようとする場合には、SiO2ゲート絶縁膜を用いたFETのゲート電極にはHf0.7Al0.3Oxゲート絶縁膜を用いた場合に比べて4.5倍の高いゲート電圧を印加しなければならないが、2倍程度のゲート電圧でSiO2ゲート絶縁膜がブレイクダウンすることになる。 However, as described above, in the SiO 2 gate insulating film, the relative dielectric constant ε r is 4, the dielectric breakdown electric field E c is 10 MV / cm, and in the Hf 0.7 Al 0.3 O x gate insulating film, since the dielectric constant is 18 in a dielectric breakdown electric field E c is at 5 MV / cm, in order to obtain a same electron concentration under the gate insulating film, a gate electrode of the FET using SiO 2 gate insulating film It is necessary to apply a gate voltage 4.5 times higher than that in the case of using the Hf 0.7 Al 0.3 O x gate insulating film, but the SiO 2 gate insulating film has a gate voltage about twice as high. Will be broken down.
以上のような状況に鑑み、本発明者らは図1に示されているようなゲート構造を創案した。すなわち、図1(A)は本発明の一実施形態によるノーマリオフ型GaN系FETに含まれるゲート構造を模式的に示しており、(B)はそのFETのオン状態時におけるゲート構造の電子エネルギバンドを模式的に示している。より具体的には、GaNチャネル層4上に、ゲート絶縁膜7、およびゲート電極Gが順次積層されている。ただし、このゲート絶縁膜7においては、厚さ約3nmの極めて薄いSiO2層7aと厚さ約50nm程度のHf0.7Al0.3OxのHigh−k層7bとがこの順に積層されている。なお、GaNチャネル層4下にはAl0.05Ga0.95N層が設けられている。
In view of the above situation, the present inventors have devised a gate structure as shown in FIG. 1A schematically shows a gate structure included in a normally-off GaN-based FET according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B shows an electron energy band of the gate structure when the FET is on. Is schematically shown. More specifically, the
図1のゲート構造に関しては、ゲート絶縁膜7の厚さの大部分をHf0.7Al0.3Ox層7bが占めているので、上述の近似式(1)において、誘電率εと絶縁破壊電界Ecに関してはHf0.7Al0.3Ox層7bの比誘電率εr=18と絶縁破壊電界Ec=5MV/cmの値を用いることができる。他方、ゲート絶縁膜7下のチャネル層における電子移動度μの値としては、SiO2層7aに関するμ≒100cm2V−1s−1値を用いることができる。これらの値を用いて式(1)を計算すれば、図1のゲート構造に関してチャネルの最高のシート伝導率としてσs=ε×Ec×μ=7.97×10−4Sの値が得られる。すなわち、図11のゲート構造におけるσs=3.54×10−4Sおよび図12におけるゲート構造におけるσs=1.59×10−4Sに比べて、図1のゲート構造においては遥かに高いシート伝導率が得られることが分かる。このことによって、図1のゲート構造を含むノーマリオフ型GaN系FETにおいて、オン抵抗を顕著に低減することができる。
With respect to the gate structure of FIG. 1, since the Hf 0.7 Al 0.3 O x layer 7b occupies most of the thickness of the
ところで、SiO2層7aとHf0.7Al0.3Ox層7bとを含むゲート絶縁膜7において、SiO2層7aが絶縁破壊しないかが危惧される。これに関して、以下において検討する。HfAlO層(比誘電率εr=18)とSiO2層(比誘電率εr=4)を含む2層絶縁膜に電圧Vを印加し、その絶縁膜にE=22MV/cmの電界が発生している状態を考える。この場合、絶縁膜に含まれる各誘電体層に生じる電界は比誘電率に反比例し、HfAlO層には22×4/(18+4)=4MV/cmの電界が発生し、SiO2層には22×18/(18+4)=18MV/cmの電界が発生する。したがって、前述のようにHfAlO層の破壊電界は約5MV/cmであるのに対して、ゲート絶縁膜として通常厚さのSiO2層の絶縁破壊電界は約10MV/cmであるので、SiO2層が絶縁破壊することになる。そしてSiO2層が絶縁破壊すればHfAlO層も絶縁破壊し、FET全体もブレークダウンすることになる。
By the way, in the
しかし、誘電体層の厚さが極めて薄くなった場合に、その誘電体層の絶縁破壊電界Ecが高くなることが経験的に一般に知られている。これは、以下のように考えることができる。すなわち、誘電体層に高電圧が印加された時に電子が加速されながら移動し、その速度が或る限界を超えたときに雪崩れ的(アバレンチェ的)に電子が流れ、これによって絶縁破壊が生じると考えられる。しかし、誘電体層が極めて薄い場合には、電子が十分に加速される前にその誘電体層を通り抜け、雪崩れ的な電子の流れが生じないと考えられる。このように誘電体層の厚さが極めて薄くなった場合に絶縁破壊電界Ecが高くなるという経験的事実を考慮すれば、厚さ5nm以下でより確実には厚さ3nm以下のSiO2層の絶縁破壊電界が18MV/cm以上になり得る。そして、ゲート絶縁膜7全体として、上述の例におけるEc=22MV/cmの電界に耐えることができ、高いシート伝導率σs=εEμを実現することが可能となり、チャネル抵抗を低下させることができる。なお、ゲート電極に印加される電圧Vは、V=(HfAlO層に生じる電界E)×(HfAlO層の厚さ)+(SiO2層に生じる電界E)×(SiO2層の厚さ)として表される。
However, when the thickness of the dielectric layer becomes very thin, the breakdown electric field E c of the dielectric layer that increases known empirically general. This can be considered as follows. That is, when a high voltage is applied to the dielectric layer, the electrons move while being accelerated, and when the speed exceeds a certain limit, the electrons flow in an avalanche-like manner, thereby causing dielectric breakdown. it is conceivable that. However, when the dielectric layer is extremely thin, it is considered that electrons do not pass through the dielectric layer before being sufficiently accelerated, and an avalanche of electron flow does not occur. Thus considering empirical fact that breakdown electric field E c when the thickness of the dielectric layer becomes very thin increases, SiO 2 layer thickness of less than or equal to 3nm and more reliably below a thickness of 5nm The breakdown electric field of can be 18 MV / cm or more. As a whole, the
図2から図7の模式的断面図は、図1に示されているようなゲート構造を含むノーマリオフ型GaN系FETの作製過程の一例を示している。 The schematic cross-sectional views of FIGS. 2 to 7 show an example of the manufacturing process of a normally-off GaN-based FET including a gate structure as shown in FIG.
まず、図2において、Si、Al2O3、SiC、またはAlNなどの基板1上にバッファ層2、厚さ1000nmのAl0.05Ga0.95N層3、厚さ40nmのGaNチャネル層4、およびAl0.25Ga0.75N電子供給層5が、例えば周知のMOCVD(有機金属気相堆積)またはMBE(分子ビームエピタキシ)などを利用して順次に積層される。このようにGaNチャネル層4上にAlGaN電子供給層5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次元電子ガス6が生じる。
First, in FIG. 2, a
次に、図3において、ゲート領域を形成するために、RIE(反応性イオンエッチング)またはICP(高周波誘導結合プラズマ)などを利用して電子供給層5の一部を除去し、GaNチャネル層4の上面の一部領域を露出させる。この結果、GaNチャネル層4とAlGaN電子供給層5との間に生じた2次元電子ガス6は、GaNチャネル層4の露出された領域において途絶えることになる。
Next, in FIG. 3, in order to form a gate region, a part of the
図4においては、スパッタリングによって厚さ5nm以下で好ましくは3nm以下のSiO2絶縁層7aおよび例えば厚さ50nmのHf0.7Al0.3Ox絶縁層7bを堆積し、さらにそれらの絶縁層の不要領域をエッチングによって除去することによって、ゲート絶縁膜7が形成される。
In FIG. 4, a SiO 2 insulating layer 7a having a thickness of 5 nm or less, preferably 3 nm or less and a Hf 0.7 Al 0.3 O x insulating layer 7b having a thickness of 50 nm, for example, are deposited by sputtering, and these insulating layers are further deposited. The unnecessary region is removed by etching, whereby the
図5においては、ゲート絶縁膜7によって覆われていない領域において、電子供給層5がRIEまたはICPなどを利用してエッチング除去される。これによって、一対の電子供給層5の外側において、GaNチャネル層4の上面が露出される。
In FIG. 5, the
図6においては、一対の電子供給層5の外側において露出されたGaNチャネル層4上に、ソース電極Sとドレイン電極Dが堆積され、オーミック接合のためのアニール処理が行なわれる。なお、図5における電子供給層5のエッチングは、図6におけるソース電極Sとドレイン電極Dのオーミック接合をより確実に行うための方法の一例である。その他のオーミック接合形成方法としては、図5における電子供給層5のエッチングを行う代わりに、例えば同領域にイオン注入を行ってオーミック接合を容易化する方法などがある。
In FIG. 6, the source electrode S and the drain electrode D are deposited on the
最後に、図7において、ゲート絶縁膜7上にゲート電極Gが形成され、これによってノーマリオフ型GaN系FETが完成する。その結果、こうして得られたノーマリオフ型GaN系FETにおいては、ゲート電極の高い耐電圧とチャネル層の低いオン抵抗を両立させることができる。
Finally, in FIG. 7, a gate electrode G is formed on the
次に、ゲート絶縁膜7に逆バイアス電界が生じた場合において、電子の逆バイアスリークに対するゲート絶縁膜7の効果について検討する。
Next, the effect of the
図8(A)は、図1(A)と同様に、ゲート絶縁膜7を含むゲート構造を示している。しかし、図8(B)は、図1(B)と異なって、図8(A)のゲート構造において逆バイアス電界が生じた時のエネルギバンド図を表している。この場合に、逆バイアスリークに対する主要な障壁をして作用するのは、ゲート電極GとHf0.7Al0.3Ox絶縁層7との間の電子エネルギ差による障壁である。しかし、このエネルギ障壁は、逆バイアスリークのより確実な防止の観点からは十分ではない場合も生じ得ることが危惧される。
FIG. 8A shows a gate structure including the
図9は、このような逆バイアスリークに関する危惧を解消するためのゲート構造の一例を示している。図9(A)は図8(A)に類似したゲート構造を示しているが、ゲート電極GとHf0.7Al0.3Ox絶縁層7bとの間にSiO2絶縁層7cを付加的に含んでいることにおいて異なっている。図9(A)中のゲート絶縁膜7Aに含まれるこのSiO2絶縁層7cの厚さも、絶縁破壊電界の観点から、SiO2絶縁層7aと同様に5nm以下の厚さを有し、好ましくは3nm以下の厚さを有している。 FIG. 9 shows an example of a gate structure for eliminating the concern about such reverse bias leakage. FIG. 9A shows a gate structure similar to FIG. 8A, but an SiO 2 insulating layer 7c is added between the gate electrode G and the Hf 0.7 Al 0.3 O x insulating layer 7b. In terms of inclusion. The thickness of the SiO 2 insulating layer 7c included in the gate insulating film 7A in FIG. 9A also has a thickness of 5 nm or less like the SiO 2 insulating layer 7a from the viewpoint of the dielectric breakdown electric field, It has a thickness of 3 nm or less.
図9(B)は、図9(A)のゲート構造において逆バイアス電界が生じた時のエネルギバンド図を表している。この図9(B)と図8(B)との対比から明らかなように、ゲート電極GとHf0.7Al0.3Ox絶縁層7bとの界面におけるエネルギ障壁に比べて、ゲート電極GとSiO2絶縁層7cとの界面におけるエネルギ障壁が高く、逆バイアスリークを確実に防止するように作用し得ることが分かる。 FIG. 9B shows an energy band diagram when a reverse bias electric field is generated in the gate structure of FIG. 9A. As apparent from the comparison between FIG. 9B and FIG. 8B, the gate electrode is larger than the energy barrier at the interface between the gate electrode G and the Hf 0.7 Al 0.3 O x insulating layer 7b. It can be seen that the energy barrier at the interface between G and the SiO 2 insulating layer 7c is high and can act to reliably prevent reverse bias leakage.
なお、以上の本発明の実施形態ではGaNチャネル層に接する絶縁層として約100cm2V−1s−1の電子移動度μを可能にするSiO2層を利用する例が示されたが、本発明者らの測定ではSiNx層も約120cm2V−1s−1の高い電子移動度を可能にするので、GaNチャネル層に接する絶縁層としてSiNx層を用いてもよいことが明らかであり、その中間的な物質であるSi酸窒化物の絶縁層を用いてもよいことも明らかであろう。 In the above embodiment of the present invention, an example in which an SiO 2 layer enabling an electron mobility μ of about 100 cm 2 V −1 s −1 is used as an insulating layer in contact with the GaN channel layer has been shown. In our measurements, the SiN x layer also allows a high electron mobility of about 120 cm 2 V −1 s −1 , so it is clear that the SiN x layer may be used as an insulating layer in contact with the GaN channel layer. It will be apparent that an insulating layer of Si oxynitride, which is an intermediate material, may be used.
また、以上の本発明の実施形態ではGaNチャネル層に接する絶縁層上に積層されるHigh−k絶縁膜としてHfAlOを利用する例が示されたが、このようなHigh−k絶縁膜はGaNチャネル層に接する絶縁層に比べて大きなε×Ecを有しればよく、そのようなHigh−k絶縁膜としてHf、Zr、Ta、Al、Ti、Pr、およびSiの1種以上を含む酸化物、窒化物または酸窒化物からなる絶縁膜を利用することができる。特に、HfとZrの少なくとも一方およびAlとSiの少なくとも一方を含む複合的な酸化物、窒化物、または酸窒化物は、ε×Ecが特に大きくかつ耐熱性にも優れることから、本発明におけるHigh−k膜として好ましい。 Further, in the above embodiment of the present invention, an example in which HfAlO is used as the High-k insulating film stacked on the insulating layer in contact with the GaN channel layer has been shown. However, such a High-k insulating film is a GaN channel. may be Re has a large epsilon × E c as compared to the insulating layer in contact with the layer, an oxide containing Hf, Zr, Ta, Al, Ti, Pr, and Si and one or more as such High-k dielectric film An insulating film made of nitride or oxynitride can be used. In particular, a complex oxide, nitride, or oxynitride containing at least one of Hf and Zr and at least one of Al and Si has a particularly large ε × Ec and excellent heat resistance. Preferred as a high-k film.
以上のように、本発明によれば、ゲート絶縁膜の高い絶縁破壊耐圧を有しかつチャネル抵抗が抑制されて低いオン抵抗を有するノーマリオフ型GaN系FETを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a normally-off GaN-based FET having a high breakdown voltage of the gate insulating film and a low on-resistance with a suppressed channel resistance.
1 基板、2 バッファ層、3 AlGaN層、4 GaNチャネル層、5 AlGaN電子供給層、6 2次元電子ガス、7 ゲート絶縁膜、7a SiO2絶縁層、7b HfAlO絶縁層、7c SiO2絶縁層、7A ゲート絶縁膜、S ソース電極、G ゲート電極、D ドレイン電極。 1 substrate, 2 buffer layer, 3 AlGaN layer, 4 GaN channel layer, 5 AlGaN electron supply layer, 6 two-dimensional electron gas, 7 gate insulating film, 7a SiO 2 insulating layer, 7b HfAlO insulating layer, 7c SiO 2 insulating layer, 7A Gate insulating film, S source electrode, G gate electrode, D drain electrode.
Claims (7)
第1種GaN系半導体からなるチャネル層と、
前記チャネル層上で互いに離間されて設けられた第2種GaN系半導体からなる一対の電子供給層と、
前記一対の電子供給層の間で前記チャネル層を覆うゲート絶縁膜と、
前記チャネル層にオーミックコンタクトしているソース電極およびドレイン電極と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されているゲート電極とを備え、
前記ゲート絶縁膜は前記チャネル層上に順次堆積された第1と第2の絶縁層を含み、
前記第1の絶縁層はSiの酸化物、窒化物および酸窒化物のいずれかからなりかつ5nm以下の厚さを有し、
前記第2の絶縁層は前記第1の絶縁層に比べて大きなε×Ecを有し、ここでεは誘電率を表し、Ecは絶縁破壊電界を表すことを特徴とするトランジスタ。 A normally-off GaN-based field effect transistor,
A channel layer made of a first-type GaN-based semiconductor;
A pair of electron supply layers made of a second-type GaN-based semiconductor provided apart from each other on the channel layer;
A gate insulating film covering the channel layer between the pair of electron supply layers;
A source electrode and a drain electrode that are in ohmic contact with the channel layer;
A gate electrode formed on the gate insulating film,
The gate insulating layer includes first and second insulating layers sequentially deposited on the channel layer;
The first insulating layer is made of any one of Si oxide, nitride and oxynitride and has a thickness of 5 nm or less,
The second insulating layer has a larger ε × E c than the first insulating layer, where ε represents a dielectric constant and E c represents a breakdown electric field.
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