JP2015177064A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ゲートのオン電圧を高くすることができる半導体装置を提供する。【解決手段】実施形態の半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に設けられ、第１の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きい第２の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層上に設けられるソース電極と、第２の窒化物半導体層上に設けられるドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間の第２の窒化物半導体層上に設けられ、ｐ型不純物を含有する高不純物濃度層と、高不純物濃度層よりもｐ型不純物の濃度が低くバンドギャップの大きい低不純物濃度層とが交互に積層し、最下層および最上層が高不純物濃度層である第３の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層上に設けられるゲート電極と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
スイッチング電源やインバータなどの回路には、スイッチング素子やダイオードなどの半導体素子が用いられる。これらの半導体素子には、高耐圧・低オン抵抗が求められる。そして、耐圧とオン抵抗の関係は、素子材料で決まるトレードオフ関係がある。
これまでの技術開発の進歩により、半導体素子は、主な素子材料であるシリコンの限界近くまで低オン抵抗が実現されている。オン抵抗を更に低減するには、素子材料の変更が必要である。ＧａＮやＡｌＧａＮなどの窒化物半導体や炭化珪素（ＳｉＣ）などのワイドバンドギャップ半導体をスイッチング素子材料として用いることで、材料で決まるトレードオフ関係を改善でき、飛躍的に低オン抵抗化が可能である。
ＧａＮやＡｌＧａＮなどの窒化物半導体を用いた素子で、低オン抵抗が得られる素子として、例えば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ構造を用いたＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が挙げられる。ＨＥＭＴは、ヘテロ接合界面チャネルの高移動度と、分極により発生する高電子濃度により、低オン抵抗を実現する。
しかし、ＨＥＭＴは分極により電子を発生させるため、ゲート電極下にも高濃度の電子が存在する。このため、通常、閾値電圧がマイナスとなるノーマリーオン型素子となってしまう。安全動作上、閾値電圧がプラスとなるノーマリーオフ型素子が望まれる。そして、ノーマリーオフ型素子においてはオン電流を増加させるために、ゲートのオン電圧を高くすることが望まれる。
ゲートのオン電圧を高くすることができる半導体装置を提供する。
本発明の一態様の半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に設けられ、前記第１の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きい第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層上に設けられるソース電極と、前記第２の窒化物半導体層上に設けられるドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極の間の前記第２の窒化物半導体層上に設けられ、ｐ型不純物を含有する高不純物濃度層と、前記高不純物濃度層よりも前記ｐ型不純物の濃度が低くバンドギャップの大きい低不純物濃度層とが交互に積層し、最下層および最上層が前記高不純物濃度層である第３の窒化物半導体層と、
前記第３の窒化物半導体層上に設けられるゲート電極と、を備える。
前記第３の窒化物半導体層上に設けられるゲート電極と、を備える。
本明細書中、同一または類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
本明細書中、「窒化物半導体」とは、例えば、ＧａＮ系半導体である。ＧａＮ系半導体とは、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）およびそれらの中間組成を備える半導体の総称である。
本明細書中、「アンドープ」とは、不純物が意図的に導入されていないことを意味する。
実施形態の半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に設けられ、第１の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きい第２の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層上に設けられるソース電極と、第２の窒化物半導体層上に設けられるドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間の第２の窒化物半導体層上に設けられ、ｐ型不純物を含有する高不純物濃度層と、高不純物濃度層よりもｐ型不純物の濃度が低くバンドギャップの大きい低不純物濃度層とが交互に積層し、最下層および最上層が高不純物濃度層である第３の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層上に設けられるゲート電極と、を備える。
図１は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、ＧａＮ系半導体を用いたＨＥＭＴである。
図１に示すように、半導体装置（ＨＥＭＴ）１００は、基板１０、バッファ層１２、チャネル層（第１の窒化物半導体層）１４、バリア層（第２の窒化物半導体層）１６、ソース電極１８、ドレイン電極２０、キャップ層（第３の窒化物半導体層）２２、および、ゲート電極２６を備える。
基板１０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）で形成される。シリコン以外にも、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）や炭化珪素（ＳｉＣ）を適用することも可能である。
基板１０上に、バッファ層１２が設けられる。バッファ層１２は、基板１０とチャネル層１４との間の格子不整合を緩和する機能を備える。バッファ層１２は、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＷＧａ１−ＷＮ（０＜Ｗ＜１））の多層構造で形成される。
バッファ層１２上に、チャネル層１４が設けられる。チャネル層１４は、例えば、アンドープのＡｌＺＧａ１−ＺＮ（０≦Ｚ＜１）である。より具体的には、例えば、アンドープのＧａＮである。チャネル層１４の膜厚は、例えば、０．５μｍ以上３μｍ以下である。
チャネル層１４上に、バリア層１６が設けられる。バリア層１６のバンドギャップは、チャネル層１４のバンドギャップよりも大きい。バリア層１６は、例えば、アンドープのＡｌＵＧａ１−ＵＮ（０＜Ｕ≦１、Ｚ＜Ｕ）である。より具体的には、例えば、アンドープのＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎである。バリア層１６の膜厚は、例えば、２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
チャネル層１４とバリア層１６との間は、ヘテロ接合界面となる。ＨＥＭＴ１００のオン動作時は、ヘテロ接合界面に二次元電子ガスが形成されキャリアとなる。
バリア層１６上には、ソース電極１８とドレイン電極２０が形成される。ソース電極１８とドレイン電極２０は、例えば、金属電極であり、金属電極は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする電極である。ソース電極１８およびドレイン電極２０と、バリア層１６との間は、オーミックコンタクトであることが望ましい。ソース電極１８とドレイン電極２０との距離は、例えば、１８μｍ程度である。
バリア層１６上のソース電極１８とドレイン電極２０との間に、キャップ層２２が設けられる。キャップ層２２は、チャネル層１４のポテンシャルを持ち上げ、ＨＥＭＴ１００の閾値を上昇させる機能を備える。
キャップ層２２は、高不純物濃度層２２ａと低不純物濃度層２２ｂとが交互に積層する構造を備える。キャップ層２２の最下層および最上層は、高不純物濃度層２２ａである。
図１では、高不純物濃度層２２ａが３層、低不純物濃度層２２ｂが２層の場合を例示しているが、層数は３層と２層に限られるものではない。また、高不純物濃度層２２ａの組成、ｐ型不純物濃度、および、膜厚は、各層毎に異なっていてもかまわない。同様に、低不純物濃度層２２ｂの組成、ｐ型不純物濃度、および、膜厚は、各層毎に異なっていてもかまわない。
高不純物濃度層２２ａにはｐ型不純物が含有される。ｐ型不純物は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）である。高不純物濃度層２２ａのｐ型不純物濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることが、ＨＥＭＴ１００の閾値を上昇させる観点から望ましい。
また、キャップ層２２中のｐ型不純物の濃度が、ゲート電極２６に接する最上層の高不純物濃度層２２ａで最大となることが、キャップ層２２とゲート電極２６との接合をオーミックコンタクトとする観点から望ましい。最上層の高不純物濃度層２２ａのｐ型不純物濃度は、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることが望ましい。
高不純物濃度層２２ａは、例えば、ｐ型のＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）である。より具体的には、例えば、ｐ型ＧａＮである。高不純物濃度層２２ａの膜厚は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。高不純物濃度層２２ａは、単結晶である。
不純物濃度は、例えば、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により分析可能である。
低不純物濃度層２２ｂは、高不純物濃度層２２ａよりもｐ型不純物濃度が低い。また、低不純物濃度層２２ｂは、高不純物濃度層２２ａよりもバンドギャップが大きい。
低不純物濃度層２２ｂは、例えば、アンドープのＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ）である。より具体的には、例えば、アンドープのＡｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎである。低不純物濃度層２２ｂの膜厚は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。低不純物濃度層２２ｂは、単結晶である。
キャップ層２２上にゲート電極２６が設けられる。ゲート電極２６は、例えば、金属電極である。金属電極は、例えば、白金（Ｐｔ）と金（Ａｕ）の積層構造とする電極である。ゲート電極２６と最上層の高不純物濃度層２２ａとの間は、オーミックコンタクトであることが望ましい。
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法の一例について説明する。
まず、基板１０、例えば、Ｓｉ基板を準備する。次に、例えば、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長により、バッファ層１２を成長させる。
次に、バッファ層１２上に、チャネル層１４となるアンドープのＧａＮ、バリア層１６となるアンドープのＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎをエピタキシャル成長により形成する。
次に、高不純物濃度層２２ａとなるｐ型ＧａＮ、低不純物濃度層２２ｂとなるアンドープのＡｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎを交互に連続的に、エピタキシャル成長により成膜することでキャップ層２２を形成する。
キャップ層２２は、例えば、バリア層１６表面に、パターニングされた絶縁膜を形成し、バリア層１６表面に選択的に成長させる。
次に、バリア層１６表面に、金属膜の成膜とパターニングにより、ソース電極１８およびドレイン電極２０を形成する。また、金属膜の成膜とパターニングにより、キャップ層２２上に、ゲート電極２６を形成する。
上記、製造方法により図１に示す半導体装置１００が製造される。
次に、本実施形態の半導体装置１００の作用および効果について説明する。
本実施形態のＨＥＭＴ１００において、ゲート電極２６の直下では、ｐ型不純物を含むキャップ層２２が存在することにより、チャネル層１４のポテンシャルが持ち上がる。このため、２次元電子ガスの発生が抑制され、ＨＥＭＴ１００の閾値が、キャップ層２２が存在しない場合に比べ上昇する。ヘテロ接合界面の伝導帯下端のエネルギーが、フェルミレベルよりも高エネルギー側になると、ゲート電圧が０Ｖでもチャネル層１４が空乏化して、ＨＥＭＴ１００がノーマリーオフ動作となる。
ＨＥＭＴ１００のオン電流を増加させるには、オン動作時にゲート電極２６に印加するゲートのオン電圧を大きくすることが望まれる。もっとも、オン動作時のゲートのオン電圧が大きくなりすぎると、例えば、ソース電極１８とゲート電極２６間に流れるゲートリーク電流が増大し、消費電力の増大、あるいは、動作不良が生じるおそれがある。
キャップ層２２のバンドギャップを大きくすると、バリア層１６とキャップ層２２との間のｐｎ接合の順方向の立ち上がり電圧が上昇し、結果的にゲートのオン電圧を引き上げることが可能となる。
一方、ＧａＮ系半導体では、バンドギャップが大きいほど、ｐ型不純物の活性化率が低く、ｐ型半導体を形成することが困難である。例えば、ＧａＮとＡｌＧａＮ、ＧａＮとＡｌＮを比較すると、バンドギャップの小さいＧａＮの方が、ｐ型不純物の活性化率が高い。このため、バンドギャップの大きい半導体では、ｐ型不純物濃度を高くしてチャネル層１４のポテンシャルを持ち上げることが困難となる。
本実施形態では、バンドギャップが小さい高不純物濃度層２２ａと、バンドギャップが大きい低不純物濃度層２２ｂとを積層させる。この構成により、ｐ型不純物の活性化率が高い高不純物濃度層２２ａの寄与で、キャップ層２２全体のｐ型不純物濃度を高くする。そして、バンドギャップが大きい低不純物濃度層２２ｂの寄与で、キャップ層２２全体のバンドギャップを大きくする。
したがって、キャップ層２２全体として、バンドギャップが大きくｐ型不純物濃度の高い窒化物半導体層が実現できる。よって、ノーマリオフ動作し、ゲートのオン電圧が高いＨＥＭＴ１００が実現できる。
低不純物濃度層２２ｂの膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが望ましく、２ｎｍ以上６ｎｍ以下であることが望ましい。
低不純物濃度層２２ｂの膜厚が上記範囲を下回ると、キャップ層２２全体のバンドギャップを大きくすることが困難である。また、上記範囲を上回ると、キャップ層２２全体のｐ型不純物濃度が不足するおそれがある。
高不純物濃度層２２ａの膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが望ましく、２ｎｍ以上６ｎｍ以下であることが望ましい。
高不純物濃度層２２ｂの膜厚が上記範囲を下回ると、キャップ層２２全体のｐ型不純物濃度を大きくすることが困難である。また、上記範囲を上回ると、キャップ層２２全体のバンドギャップが小さくなりすぎるおそれがある。
また、キャップ層２２が、高不純物濃度層２２ａと低不純物濃度層２２ｂのそれぞれの性質を平均化させた特性を備えるようにする観点から、低不純物濃度層２２ｂおよび高不純物濃度層２２ｂのそれぞれの膜厚が、１０ｎｍ以下あることが望ましい。また、キャップ層２２が、高不純物濃度層２２ａと低不純物濃度層２２ｂのそれぞれの性質を平均化させた特性を備えるようにする観点から、キャップ層２２が、超格子構造となることが望ましい。
また、キャップ層（第３の窒化物半導体層）２２の平均アルミニウム組成が、バリア層（第２の窒化物半導体層）１６の平均アルミニウム組成よりも低いことが望ましい。キャップ層２２のバンドギャップがバリア層１６のバンドギャップよりも広くなると、ゲート電極２６直下のピエゾ分極量が大きくなり、ＨＥＭＴ１００の閾値が低下するおそれがある。
キャップ層２２の平均アルミニウム組成は、各高不純物濃度層２２ａのアルミニウム組成と膜厚の積と、各低不純物濃度層２２ｂのアルミニウム組成と膜厚の積との総和を、キャップ層２２の膜厚で除することで求められる。
例えば、高不純物濃度層２２ａのｉ番目（１≦ｉ）の層の組成がＡｌＸｉＧａ１−ＸｉＮ、膜厚がＴａｉで表され、低不純物濃度層２２ｂのｉ番目（１≦ｉ）の層の組成がＡｌＹｉＧａ１−ＹｉＮ、膜厚がＴｂｉで表されるとすると、高不純物濃度層２２ａがｎ層（１≦ｉ≦ｎ）ある場合、キャップ層２２のアルミニウム平均組成は、下記式で表される。
したがって、例えば、バリア層１６の組成がＡｌＵＧａ１−ＵＮで表されるとすると、下記式が充足されることが望ましい。
なお、キャップ層２２の平均アルミニウム組成は、ＳＩＭＳによる膜厚方向の組成分析により求めることが可能である。また、例えば、キャップ層２２が超格子構造の場合は、フォトルミネッセンス法により求めることも可能である。
以上のように、本実施形態によれば、ノーマリーオフ動作し、ゲートのオン電圧を高くすることができるＨＥＭＴ１００が提供される。
実施形態では、窒化物半導体層の材料としてＧａＮやＡｌＧａＮを例に説明したが、例えば、インジウム（Ｉｎ）を含有するＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮを適用することも可能である。また、窒化物半導体層の材料としてＡｌＮを適用することも可能である。
また、実施形態では、バリア層として、ノンドープのＡｌＧａＮを例に説明したが、ｎ型のＡｌＧａＮを適用することも可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換えまたは変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１４ チャネル層（第１の窒化物半導体層）
１６ バリア層（第２の窒化物半導体層）
１８ ソース電極
２０ ドレイン電極
２２ キャップ層（第３の窒化物半導体層）
２２ａ 高不純物濃度層
２２ｂ 低不純物濃度層
２６ ゲート電極
１００ ＨＥＭＴ（半導体装置）
１６ バリア層（第２の窒化物半導体層）
１８ ソース電極
２０ ドレイン電極
２２ キャップ層（第３の窒化物半導体層）
２２ａ 高不純物濃度層
２２ｂ 低不純物濃度層
２６ ゲート電極
１００ ＨＥＭＴ（半導体装置）
Claims (8)
- 第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上に設けられ、前記第１の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きい第２の窒化物半導体層と、
前記第２の窒化物半導体層上に設けられるソース電極と、
前記第２の窒化物半導体層上に設けられるドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極の間の前記第２の窒化物半導体層上に設けられ、ｐ型不純物を含有する高不純物濃度層と、前記高不純物濃度層よりも前記ｐ型不純物の濃度が低くバンドギャップの大きい低不純物濃度層とが交互に積層し、最下層および最上層が前記高不純物濃度層である第３の窒化物半導体層と、
前記第３の窒化物半導体層上に設けられるゲート電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 - 前記高不純物濃度層がＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）であり、
前記低不純物濃度層がＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ）であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。 - 前記第１の窒化物半導体層がＡｌＺＧａ１−ＺＮ（０≦Ｚ＜１）であり、
前記第２の窒化物半導体層がＡｌＵＧａ１−ＵＮ（０＜Ｕ≦１、Ｚ＜Ｕ）であることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。 - 前記第３の窒化物半導体層の平均アルミニウム組成が、前記第２の窒化物半導体層の平均アルミニウム組成よりも低いことを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
- 前記低不純物濃度層の膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項４記載の半導体装置。
- 前記高不純物濃度層の膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項５記載の半導体装置。
- 前記高不純物濃度層のｐ型不純物濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項６記載の半導体装置。
- 前記第３の窒化物半導体層中の前記ｐ型不純物の濃度が、最上層の前記高不純物濃度層で最大となることを特徴とする請求項１ないし請求項７記載の半導体装置。
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