JP2012033646A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】遷移金属のエネルギー準位を安定にすることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、ＳｉＣ基板１０上に設けられ、遷移金属であるＦｅとＦｅよりも深い準位を有する不純物であるＣとをそれぞれ一定の濃度で含有する第１のＧａＮ層２０と、第１のＧａＮ層２０上に設けられ、Ｆｅの濃度の変化に従いＣの濃度が変化する第２のＧａＮ層２２と、第２のＧａＮ層２２上に設けられ、ＧａＮよりもバンドギャップが大きい電子供給層１８と、を有する半導体装置である。
【選択図】図６
【解決手段】本発明は、ＳｉＣ基板１０上に設けられ、遷移金属であるＦｅとＦｅよりも深い準位を有する不純物であるＣとをそれぞれ一定の濃度で含有する第１のＧａＮ層２０と、第１のＧａＮ層２０上に設けられ、Ｆｅの濃度の変化に従いＣの濃度が変化する第２のＧａＮ層２２と、第２のＧａＮ層２２上に設けられ、ＧａＮよりもバンドギャップが大きい電子供給層１８と、を有する半導体装置である。
【選択図】図６
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、遷移金属を含有するＧａＮ層が設けられた半導体装置に関する。
窒化物半導体を用いた半導体装置は、高周波かつ高出力で動作するパワー素子等に用いられている。特に、マイクロ波、準ミリ波、ミリ波等の高周波帯域において増幅を行うのに適した半導体装置として、例えば高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transisor：ＨＥＭＴ）等のＦＥＴが知られている。
窒化物半導体を用いた半導体装置として、Ｓｉ基板上に、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層、電子供給層が順次積層された半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、窒化物半導体を用いた半導体装置の基板として、Ｓｉ基板以外に、ＧａＮと格子定数が比較的近いＳｉＣ基板が用いられることも知られている。さらに、窒化物半導体を用いた半導体装置において、ＧａＮ層に遷移金属を添加することで、高抵抗化を図る技術が知られている。これにより、リーク電流の防止、ピンチオフ特性の改善等、デバイスの特性向上の効果が期待できる。
ＧａＮ層に遷移金属を添加した半導体装置において、遷移金属のエネルギー準位が不安定となる場合がある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、遷移金属のエネルギー準位を安定にすることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
本発明は、基板上に設けられ、遷移金属と前記遷移金属よりも深い準位を有する不純物とをそれぞれ一定の濃度で含有する第１のＧａＮ層と、前記第１のＧａＮ層上に設けられ、前記遷移金属の濃度の変化に従い前記不純物の濃度が変化する第２のＧａＮ層と、前記第２のＧａＮ層上に設けられた電子供給層と、を有することを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、遷移金属のエネルギー準位よりも深いエネルギー準位が不純物により形成されるので、遷移金属のエネルギー準位を安定させることができる。また、第２のＧａＮ層では、遷移金属の濃度変化に従い不純物の濃度を変化させているため、不純物を過剰に多く存在させることを抑制できる。
上記構成において、前記不純物の濃度は、前記遷移金属の濃度よりも低い構成とすることができる。
上記構成において、前記第２のＧａＮ層において、前記遷移金属の濃度の変化率と前記不純物の濃度の変化率とは同じである構成とすることができる。
上記構成において、前記第２のＧａＮ層と前記電子供給層との間に、一定の濃度の前記不純物を含有する第３のＧａＮ層を有する構成とすることができる。
上記構成において、前記遷移金属は、二つの準位を形成する構成とすることができる。
上記構成において、前記不純物は、前記二つの準位の間に準位を有する構成とすることができる。
上記構成において、前記遷移金属は、Ｆｅである構成とすることができる。
上記構成において、前記不純物は、Ｃである構成とすることができる。
本発明によれば、遷移金属のエネルギー準位よりも深いエネルギー準位が不純物により形成されるので、遷移金属のエネルギー準位を安定させることができる。また、第２のＧａＮ層では、遷移金属の濃度変化に従い不純物の濃度を変化させているため、不純物を過剰に多く存在させることを抑制できる。
まず初めに、比較例１に係る半導体装置について説明する。図１は、比較例１に係る半導体装置におけるエピ層を示す断面模式図の例である。図１のように、ＳｉＣ基板１０上に、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用い、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなるシード層１２を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス：ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＮＨ３（アンモニア）
成長温度：１１００℃
圧力 ：１３．３ｋＰａ
膜厚 ：２５ｎｍ
原料ガス：ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＮＨ３（アンモニア）
成長温度：１１００℃
圧力 ：１３．３ｋＰａ
膜厚 ：２５ｎｍ
シード層１２上に、Ｆｅ−ＧａＮ層１４を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス ：ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ３
成長温度 ：１０５０℃
圧力 ：１３．３ｋＰａ
Ｖ／ＩＩＩ比：１０００
成長速度 ：０．３ｎｍ／ｓｅｃ
ドープ ：Ｆｅを１．０×１０１６ｃｍ−３ドープ
膜厚 ：２００ｎｍ
原料ガス ：ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ３
成長温度 ：１０５０℃
圧力 ：１３．３ｋＰａ
Ｖ／ＩＩＩ比：１０００
成長速度 ：０．３ｎｍ／ｓｅｃ
ドープ ：Ｆｅを１．０×１０１６ｃｍ−３ドープ
膜厚 ：２００ｎｍ
Ｆｅ−ＧａＮ層１４上に、ＧａＮ層１６を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス ：ＴＭＧ、ＮＨ３
成長温度 ：１１００℃
圧力 ：１３．３ｋＰａ
Ｖ／ＩＩＩ比：５０００
成長速度 ：０．２ｎｍ／ｓｅｃ
膜厚 ：１５００ｎｍ
原料ガス ：ＴＭＧ、ＮＨ３
成長温度 ：１１００℃
圧力 ：１３．３ｋＰａ
Ｖ／ＩＩＩ比：５０００
成長速度 ：０．２ｎｍ／ｓｅｃ
膜厚 ：１５００ｎｍ
ＧａＮ層１６上に、ＡｌＧａＮ電子供給層１８を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス ：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３
Ａｌ組成比：２０％
膜厚 ：２５ｎｍ
原料ガス ：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３
Ａｌ組成比：２０％
膜厚 ：２５ｎｍ
図２は、ＡｌＧａＮ電子供給層１８の上面からの深さに対するＦｅ濃度の変化を示す模式図である。図２のように、Ｆｅは、Ｆｅ−ＧａＮ層１４に添加されているのみならず、ＧａＮ層１６にまで裾を引くように含まれていることが分かる。このように、ＧａＮ層１６にまでＦｅが含まれる理由は以下のように考えられる。Ｆｅなどの遷移金属は、フェリシアン化合物の形でドーパントとして用いられるが、この場合、ＭＯＣＶＤ炉内へのフェリシアン化合物の供給を中断しても、Ｆｅ−ＧａＮ層１４の成長表面にフェリシアン化合物が長時間残り、これが裾を引く形でＧａＮ層１６に取り込まれたものと考えられる。
図３は、Ｆｅ−ＧａＮ層１４に添加されたＦｅのエネルギー準位を示す模式図である。図３のように、Ｆｅは２つの準位を形成し、２つの準位はＧａＮのＥｃ（伝導帯のエネルギー準位）とＥｖ（価電子帯のエネルギー準位）から近いエネルギー準位である。このため、Ｆｅのエネルギー準位は不安定となり易い。Ｆｅのエネルギー準位を安定化させるには、Ｆｅのエネルギー準位よりも深い準位を形成する不純物をさらに添加すればよいと考えられる。
Ｆｅのエネルギー準位よりも深い準位を形成する不純物として、例えばＣ（炭素）がある。したがって、Ｆｅ−ＧａＮ層１４にＣを添加することが考えられる。しかしながら、図２に示すように、Ｆｅは、ＧａＮ層１６にまで裾を引くように含まれることから、Ｆｅ−ＧａＮ層１４にのみＣを添加しても、エネルギー準位の安定化の点では効果が小さい。そこで、図４に示すように、ＣをＦｅ−ＧａＮ層１４のみならずＧａＮ層１６にまで一定量添加することが考えられる。しかしながら、Ｃは、それ自身がトラップとして働き、トラップが多くなると、電流コラプスに代表される電流電圧特性の過度特性が悪化することになる。このため、図４のように、Ｃを過剰に添加することは好ましくない。
そこで、このような課題を解決すべく、トラップを過剰に多くすることなく、Ｆｅのエネルギー準位を安定にすることが可能な実施例を以下に示す。
図５は、実施例１に係る半導体装置におけるエピ層を示す断面模式図の例である。図５のように、酸洗浄したＳｉＣ基板１０を、成長温度よりも高温のＨ２雰囲気中で基板表面をクリーニングした後、ＳｉＣ基板１０上に、例えばＭＯＣＶＤ法を用いて、ＡｌＮからなるシード層１２を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス：ＴＭＡ、ＮＨ３
成長温度：１１００℃
圧力 ：１３．３ｋＰａ
膜厚 ：２５ｎｍ
原料ガス：ＴＭＡ、ＮＨ３
成長温度：１１００℃
圧力 ：１３．３ｋＰａ
膜厚 ：２５ｎｍ
シード層１２上に、Ｆｅを含有する第１のＧａＮ層２０を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス ：ＴＭＧ、ＮＨ３
成長温度 ：１０５０℃
圧力 ：１３．３ｋＰａ
Ｖ／ＩＩＩ比：１０００
成長速度 ：０．３ｎｍ／ｓｅｃ
ドープ ：Ｆｅを１．０×１０１６ｃｍ−３ドープ
膜厚 ：２００ｎｍ
原料ガス ：ＴＭＧ、ＮＨ３
成長温度 ：１０５０℃
圧力 ：１３．３ｋＰａ
Ｖ／ＩＩＩ比：１０００
成長速度 ：０．３ｎｍ／ｓｅｃ
ドープ ：Ｆｅを１．０×１０１６ｃｍ−３ドープ
膜厚 ：２００ｎｍ
第１のＧａＮ層２０上に、第２のＧａＮ層２２を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス ：ＴＭＧ、ＮＨ３
成長温度 ：１０５０℃から１１００℃に徐々に上昇
圧力 ：１３．３ｋＰａ
Ｖ／ＩＩＩ比：１０００
成長速度 ：０．３ｎｍ／ｓｅｃ
膜厚 ：６００ｎｍ
原料ガス ：ＴＭＧ、ＮＨ３
成長温度 ：１０５０℃から１１００℃に徐々に上昇
圧力 ：１３．３ｋＰａ
Ｖ／ＩＩＩ比：１０００
成長速度 ：０．３ｎｍ／ｓｅｃ
膜厚 ：６００ｎｍ
第２のＧａＮ層２２上に、第３のＧａＮ層２４を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス ：ＴＭＧ、ＮＨ３
成長温度 ：１１００℃
圧力 ：１３．３ｋＰａ
Ｖ／ＩＩＩ比：５０００
成長速度 ：０．２ｎｍ／ｓｅｃ
膜厚 ：６００ｎｍ
原料ガス ：ＴＭＧ、ＮＨ３
成長温度 ：１１００℃
圧力 ：１３．３ｋＰａ
Ｖ／ＩＩＩ比：５０００
成長速度 ：０．２ｎｍ／ｓｅｃ
膜厚 ：６００ｎｍ
第３のＧａＮ層２４上に、ＡｌＧａＮ電子供給層１８を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス ：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３
Ａｌ組成比：２０％
膜厚 ：２５ｎｍ
原料ガス ：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３
Ａｌ組成比：２０％
膜厚 ：２５ｎｍ
図６は、ＡｌＧａＮ電子供給層１８の上面からの深さに対するＦｅ濃度とＣ濃度の変化を示す模式図である。図６のように、Ｆｅは、第１のＧａＮ層２０に一定の濃度で含まれているのみならず、第２のＧａＮ層２２にも裾を引くように含まれている。これは、図２で説明した理由によるためである。一方、Ｃについては、第１のＧａＮ層２０に、Ｆｅ濃度よりも低く且つ一定の高濃度で含まれている。また、第２のＧａＮ層２２に、Ｆｅ濃度の変化に従い変化した濃度で含まれている。
第１のＧａＮ層２０に、Ｃ濃度が一定の高濃度で含まれるのは、成長温度を１０５０℃と低めの温度で成長させ、Ｖ／ＩＩＩ比を１０００と低めにし、成長速度を０．３ｎｍ／ｓｅｃと速めにしたためである。ＴＭＧとＮＨ３を原料としたＭＯＣＶＤ法によるＧａＮの成長では、原料に含まれるＣが、成長したＧａＮに少なからず取り込まれることとなるが、成長温度およびＶ／ＩＩＩ比を低く、成長速度を速くすることで、ＧａＮに取り込まれるＣの量が多くなることを利用したものである。
同様に、第２のＧａＮ層２２では、Ｃ濃度が変化しているが、これは、成長温度を１０５０℃から１１００℃に徐々に上昇させて成長させたためである。この成長温度の上昇率を適切に制御することで、図６のように、Ｆｅ濃度の変化に合わせてＣ濃度を変化させることができる。つまり、Ｃ濃度の変化率をＦｅ濃度の変化率に合わせることができる。
図７は、第１のＧａＮ層２０および第２のＧａＮ層２２に含まれるＦｅのエネルギー準位とＣのエネルギー準位とを示す模式図である。図７のように、Ｆｅは、ＧａＮのＥｃから０．４ｅＶとＥｖから０．３ｅＶの所にエネルギー準位が形成されるのに対し、Ｃは、ＧａＮのＥｃから０．８ｅＶの所にエネルギー準位が形成される。このように、Ｆｅのエネルギー準位よりも深いエネルギー準位がＣにより形成されることで、Ｆｅのエネルギー準位を安定させることができる。
以上説明してきたように、実施例１によれば、遷移金属であるＦｅとＦｅよりも深いエネルギー準位を有するＣとをそれぞれ一定の濃度で含有する第１のＧａＮ層２０と、第１のＧａＮ層２０上に、Ｆｅの濃度変化に従いＣの濃度が変化する第２のＧａＮ層２２と、を有する。これにより、図７で説明したように、Ｆｅのエネルギー準位よりも深いエネルギー準位がＣにより形成されるので、Ｆｅのエネルギー準位を安定させることができる。また、第２のＧａＮ層２２では、Ｆｅの濃度変化に従いＣの濃度を変化させているため、Ｃを過剰に多く存在させることはなく、トラップに起因した電流コラプス等の電流電圧特性の過度応答の悪化を抑制できる。
図６に示すように、Ｃの濃度はＦｅの濃度よりも低い場合が好ましい。Ｃ濃度が高くなると、Ｃが多く存在することとなり、過度特性に悪影響を及ぼすことになるためである。一方、Ｃ濃度が低すぎるとＦｅのエネルギー準位を安定化させる効果が弱まる。したがって、第１のＧａＮ層２０のＣ濃度は、１．０×１０１４／ｃｍ３から１．０×１０１６／ｃｍ３である場合が好ましく、１．０×１０１５／ｃｍ３から５．０×１０１５／ｃｍ３である場合がより好ましい。
また、図６に示すように、第２のＧａＮ層２２において、Ｆｅの濃度とＣの濃度との差は一定である場合が好ましいため、Ｆｅの濃度の変化率とＣの濃度の変化率とは同じである場合が好ましい。これにより、Ｆｅのエネルギー準位の安定化をより促進できる。
図５のように、Ｆｅが裾を引くように含有するのは、第１のＧａＮ層２０の上面から６００ｎｍ程度までである。したがって、Ｆｅの濃度変化に従いＣの濃度を変化させている第２のＧａＮ層２２は、第１のＧａＮ層２０から６００ｎｍ程度の厚さ部分であり、第２のＧａＮ層２２とＡｌＧａＮ電子供給層１８との間には、Ｃの濃度が低濃度で一定に含有する第３のＧａＮ層２４を有する。Ｃ濃度が低い第３のＧａＮ層２４があることにより、５００ｎｍ〜７００ｎｍの波長帯でのブロードな発光（Ｙｅｌｌｏｗ ＢＡＮＤ：イエローバンド）を低減させることができる。
実施例１では、第１のＧａＮ層２０に含まれる遷移金属としてＦｅの場合を例に示したが、これに限られない。例えばＴｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）の場合でもよく、特に、Ｆｅのように二つの準位を形成する遷移金属の場合が好ましい。また、基板はＳｉＣ基板の場合を例に示したが、これに限らず、Ｓｉ基板、サファイア基板等、その他の基板の場合でもよい。
また、遷移金属よりも深い準位を有する不純物としてＣの場合を例に示したが、その他の不純物である場合でもよく、特に、遷移金属が二つの準位を形成する場合に、その二つの準位の間にエネルギー準位を有する不純物の場合が好ましい。また、図５で説明したように、第１のＧａＮ層２０および第２のＧａＮ層２２に含まれるＣ濃度は、成長条件を制御することで調整できる。つまり、濃度調整を容易に行うことができる。よって、遷移金属よりも深い準位を有する不純物はＣである場合が好ましい。第１のＧａＮ層２０および第２のＧａＮ層２２に含まれるＣ濃度は、成長温度、Ｖ／ＩＩＩ比、および成長速度の少なくとも１つを変えることで調整できる。
図８は、実施例１に係る半導体装置の断面模式図の例である。図８のように、図５で説明したエピ層上に、オーミック電極としてのソース電極２６とドレイン電極２８とが設けられている。ソース電極２６およびドレイン電極２８は、例えばＡｌＧａＮ電子供給層１８側からＴｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）が順次積層された２層構造をしている。ソース電極２６とドレイン電極２８との間のＡｌＧａＮ電子供給層１８上には、ゲート電極３０が設けられている。ゲート電極３０は、例えばＡｌＧａＮ電子供給層１８側からＮｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）が順次積層された２層構造をしている。
実施例１では、電子供給層は、ＡｌＧａＮ電子供給層の場合を例に示したが、ＧａＮよりもバンドギャップが大きければ、ＡｌＧａＮ以外の場合でもよい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ ＳｉＣ基板
１２ シード層
１４ Ｆｅ−ＧａＮ層
１６ ＧａＮ層
１８ ＡｌＧａＮ電子供給層
２０ 第１のＧａＮ層
２２ 第２のＧａＮ層
２４ 第３のＧａＮ層
２６ ソース電極
２８ ドレイン電極
３０ ゲート電極
１２ シード層
１４ Ｆｅ−ＧａＮ層
１６ ＧａＮ層
１８ ＡｌＧａＮ電子供給層
２０ 第１のＧａＮ層
２２ 第２のＧａＮ層
２４ 第３のＧａＮ層
２６ ソース電極
２８ ドレイン電極
３０ ゲート電極
Claims (8)
- 基板上に設けられ、遷移金属と前記遷移金属よりも深い準位を有する不純物とをそれぞれ一定の濃度で含有する第１のＧａＮ層と、
前記第１のＧａＮ層上に設けられ、前記遷移金属の濃度の変化に従い前記不純物の濃度が変化する第２のＧａＮ層と、
前記第２のＧａＮ層上に設けられ、ＧａＮよりもバンドギャップが大きい電子供給層と、を有することを特徴とする半導体装置。 - 前記不純物の濃度は、前記遷移金属の濃度よりも低いことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記第２のＧａＮ層において、前記遷移金属の濃度の変化率と前記不純物の濃度の変化率とは同じであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
- 前記第２のＧａＮ層と前記電子供給層との間に、一定の濃度の前記不純物を含有する第３のＧａＮ層を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体装置。
- 前記遷移金属は、二つの準位を形成することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体装置。
- 前記不純物は、前記二つの準位の間に準位を有することを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
- 前記遷移金属は、Ｆｅであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の半導体装置。
- 前記不純物は、Ｃであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の半導体装置。
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