JP2016127110A - 化合物半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態では、化合物半導体装置として、窒化物半導体のAlGaN/GaN・HEMTを開示する。
図1〜図2は、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
化合物半導体積層構造2は、核形成層2a、電子走行層2b、電子供給層2c、及びキャップ層2dを有して構成される。
詳細には、化合物半導体積層構造2の素子分離領域に、例えばアルゴン(Ar)を注入する。これにより、化合物半導体積層構造2及びSi基板1の表層部分に素子分離構造3が形成される。素子分離構造3により、化合物半導体積層構造2上で活性領域が画定される。
なお、素子分離は、上記の注入法の代わりに、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法を用いて行っても良い。このとき、化合物半導体積層構造2のドライエッチングには、例えば塩素系のエッチングガスを用いる。
詳細には、先ず、化合物半導体積層構造2の表面におけるソース電極及びドレイン電極の形成予定位置(電極形成予定位置)に電極用リセス2A,2Bを形成する。
化合物半導体積層構造2の表面にレジストを塗布する。レジストをリソグラフィーにより加工し、レジストに、電極形成予定位置に相当する化合物半導体積層構造2の表面を露出する開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
レジストマスクは、灰化処理等により除去される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばTa/Al(又はTi/Al)を、例えば蒸着法により、電極用リセス2A,2Bを露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Taが下層、Alが上層であって、Taの厚みは20nm程度、Alの厚みは200nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したTa/Alを除去する。その後、Si基板1を、例えば窒素雰囲気中において400℃〜1000℃程度の温度、例えば550℃程度で熱処理し、残存したTa/Alを電子供給層2cとオーミックコンタクトさせる。Ta/Alの電子供給層2cとのオーミックコンタクトが得られるのであれば、熱処理が不要な場合もある。以上により、電極用リセス2A,2Bを電極材料の一部で埋め込むソース電極4及びドレイン電極5が形成される。
詳細には、化合物半導体積層構造2上を覆うように、絶縁材料として例えばAl2O3を堆積する。Al2O3は、例えば原子層堆積法(Atomic Layer Deposition:ALD法)により膜厚2nm〜200nm程度、ここでは10nm程度に堆積する。これにより、ゲート絶縁膜6が形成される。
詳細には、先ず、ゲート電極を形成するためのレジストマスクを形成する。ここでは、蒸着法及びリフトオフ法に適した例えば庇構造2層レジストを用いる。このレジストをゲート絶縁膜6上に塗布し、ゲート絶縁膜6上のゲート電極形成予定部分を露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
また、化合物半導体積層構造2にゲート電極用のリセスを形成し、これを埋め込むようにゲート電極を形成するゲートリセス構造を採用しても良い。
本実施形態の比較例に係るAlGaN/GaN・HEMTを例示する。この比較例では、通常のAlGaN/GaN・HEMTとして、図4に示すように、SiC基板101上に化合物半導体積層構造102が形成される。化合物半導体積層構造102は、AlNの核形成層102a、i−GaNの電子走行層102b、n−AlGaNの電子供給層102c、及びn−GaNのキャップ層102dを有して構成される。
図7のように、本実施形態では、比較例に比べてゲートリーク電流が大きく減少することが確認される。比較例では、電子供給層102cに所定濃度以上のn型不純物が存在するため、高Al組成AlGaNからなる第2の層102cBが形成される際にn型不純物が濃縮されて欠陥となると考えられる。これに対して本実施形態では、電子供給層2cがi型(n型不純物濃度が1×1017/cm3以下)であるため、高Al組成AlGaNからなる第2の層2cBが形成されてもn型不純物の濃縮が生ぜず、欠陥は発生しない。本実施形態では、電子供給層2cがi型であることから、第2の層2cBが形成されることによりゲートリーク電流が低減する。また、電子供給層2cがi型であることによるキャリア濃度(2DEGの電子密度)の減少は、高Al組成AlGaNからなる第2の層2cBの存在により十分に補償される。これは、高Al組成AlGaNからなる第2の層2cBは、i−AlGaNからなる第1の層2cAよりも自発分極が大きく、また、GaNとの格子定数差によるピエゾ分極も大きくなるため電子供給層により誘起される2DEG濃度が増加するためである。
以下、第1の実施形態の変形例について説明する。本例では、第1の実施形態と同様にAlGaN/GaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、電子供給層が若干異なる点で相違する。なお、第1の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図8は、第1の実施形態の変形例によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
以下、第2の実施形態について説明する。本実施形態では、第1の実施形態と同様にAlGaN/GaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、電子供給層が若干異なる点で相違する。なお、第1の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図10は、第2の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
電子供給層21は、その厚み方向の全域に亘ってn型不純物濃度が1×1017/cm3以下のi型とされている。電子供給層21は、i−AlxGa1-xN(0<x<1)からなる第1の層21aと、第1の層21a上にAlyGa1-yN(x<y≦1)、ここではy=1でi−AlNからなる第2の層21bとが形成されて構成されている。本実施形態では、第1の実施形態と異なり、電子供給層21の成長工程において、第1の層21aの成長に続いて第2の層21bを連続的に成長する。第1の層21aはx=0.3(Al組成率30%)程度で30nm程度の厚みに、第2の層21bは2nm程度以下、ここでは1nm程度の厚みにそれぞれ形成される。
本実施形態では、核形成層2aのAlNの成長と電子走行層21のi−GaNの成長との間、電子走行層21のi−GaNの成長と第1の層21aのi−AlGaNの成長との間、第2の層21bのi−AlNの成長とキャップ層2dのn−GaNの成長との間の移行時では、それぞれ成長圧力が異なるため、成長中断が生じる。これに対して、第1の層21aのi−AlGaNの成長と第2の層21bのAlNの成長との間の移行時では、両者の成長圧力が同じ値であり、成長中断は生じない。そのため、第2の層21bのAlNの成長とキャップ層2dのn−GaNの成長との間の移行時に成長中断が生じても、第1の層21aは第2の層21bにより表面が保護され、第1の層21aからのGaの脱離が抑止される。即ち、電子走行層21の最上部に厚みが一定に規定されたi−AlNの第2の層21bの存在により、余分な高Al組成AlGaNの形成が抑制される。
このディスクリートパッケージでは、第1又は第2の実施形態、変形例によるAlGaN/GaN・HEMTのチップが搭載される。以下、第1又は第2の実施形態、変形例によるAlGaN/GaN・HEMTのチップ(以下、HEMTチップと言う)のディスクリートパッケージについて例示する。
HEMTチップ200では、その表面に、上述したAlGaN/GaN・HEMTのトランジスタ領域201と、ドレイン電極が接続されたドレインパッド202と、ゲート電極が接続されたゲートパッド203と、ソース電極が接続されたソースパッド204とが設けられている。
ディスクリートパッケージを作製するには、先ず、HEMTチップ200を、ハンダ等のダイアタッチ剤211を用いてリードフレーム212に固定する。リードフレーム212にはドレインリード212aが一体形成されており、ゲートリード212b及びソースリード212cがリードフレーム212と別体として離間して配置される。
その後、モールド樹脂214を用いて、トランスファーモールド法によりHEMTチップ200を樹脂封止し、リードフレーム212を切り離す。以上により、ディスクリートパッケージが形成される。
本実施形態では、第1及び第2の実施形態、変形例のうちから選ばれた1種によるAlGaN/GaN・HEMTを備えたPFC(Power Factor Correction)回路を開示する。
図14は、PFC回路を示す結線図である。
本実施形態では、第1又は第2の実施形態、変形例のうちから選ばれた1種によるAlGaN/GaN・HEMTを備えた電源装置を開示する。
図15は、第4の実施形態による電源装置の概略構成を示す結線図である。
一次側回路41は、第4の実施形態によるPFC回路30と、PFC回路30のコンデンサ35の両端子間に接続されたインバータ回路、例えばフルブリッジインバータ回路40とを有している。フルブリッジインバータ回路40は、複数(ここでは4つ)のスイッチ素子44a,44b,44c,44dを備えて構成される。
二次側回路42は、複数(ここでは3つ)のスイッチ素子45a,45b,45cを備えて構成される。
本実施形態では、第1又は第2の実施形態、変形例のうちから選ばれた1種によるAlGaN/GaN・HEMTを備えた高周波増幅器を開示する。
図16は、第5の実施形態による高周波増幅器の概略構成を示す結線図である。
ディジタル・プレディストーション回路51は、入力信号の非線形歪みを補償するものである。ミキサー52aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号をミキシングするものである。パワーアンプ53は、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅するものであり、第1及び第2の実施形態、変形例のうちから選ばれた1種によるAlGaN/GaN・HEMTを有している。なお図16では、例えばスイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー52bで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路51に送出できる構成とされている。
前記電子走行層上に形成された電子供給層と、
前記電子供給層上に形成されたGaNキャップ層と
を含み、
前記電子供給層は、i型AlxGa1-xN(0<x<1)である第1の層と、前記第1の層上に形成されたi型AlyGa1-yN(x<y≦1)である第2の層とを有することを特徴とする化合物半導体装置。
前記電子走行層上に電子供給層を形成する工程と、
前記電子供給層上にGaNキャップ層を形成する工程と
を含み、
前記電子供給層は、i型AlxGa1-xN(0<x<1)である第1の層と、前記第1の層上に形成されたi型AlyGa1-yN(x<y≦1)である第2の層とを有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
前記高圧回路はトランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
電子走行層と、
前記電子走行層上に形成された電子供給層と、
前記電子供給層上に形成されたGaNキャップ層と
を含み、
前記電子供給層は、i型AlxGa1-xN(0<x<1)である第1の層と、前記第1の層上に形成されたi型AlyGa1-yN(x<y≦1)である第2の層とを有することを特徴とする化合物半導体装置。
トランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
電子走行層と、
前記電子走行層上に形成された電子供給層と、
前記電子供給層上に形成されたGaNキャップ層と
を含み、
前記電子供給層は、i型AlxGa1-xN(0<x<1)である第1の層と、前記第1の層上に形成されたi型AlyGa1-yN(x<y≦1)である第2の層とを有することを特徴とする化合物半導体装置。
2,12,22 化合物半導体積層構造
2A,2B 電極用リセス
2a 核形成層
2b 電子走行層
2c,11,21 電子供給層
2cA,11a,21a 第1の層
2cB,11b,21b 第2の層
2d キャップ層
4 素子分離構造
5 ソース電極
6 ドレイン電極
7 ゲート絶縁膜
30 PFC回路
31,44a,44b,44c,44d,45a,45b,45c スイッチ素子
32 ダイオード
33 チョークコイル
34,35 コンデンサ
36 ダイオードブリッジ
40 フルブリッジインバータ回路
41 一次側回路
42 二次側回路
43 トランス
51 ディジタル・プレディストーション回路
52a,52b ミキサー
53 パワーアンプ
200 HEMTチップ
201 トランジスタ領域
202 ドレインパッド
203 ゲートパッド
204 ソースパッド
211 ダイアタッチ剤
212 リードフレーム
212a ドレインリード
212b ゲートリード
212c ソースリード
213 Alワイヤ
214 モールド樹脂
Claims (16)
- 電子走行層と、
前記電子走行層上に形成された電子供給層と、
前記電子供給層上に形成されたGaNキャップ層と
を含み、
前記電子供給層は、i型AlxGa1-xN(0<x<1)である第1の層と、前記第1の層上に形成されたi型AlyGa1-yN(x<y≦1)である第2の層とを有することを特徴とする化合物半導体装置。 - 前記電子供給層は、その厚み方向の全域に亘って、n型不純物濃度が1×1017/cm3以下であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。
- 前記電子供給層は、その厚み方向において、前記電子走行層側から前記GaNキャップ層側に向かうにつれてn型不純物濃度が減少していることを特徴とする請求項2に記載の化合物半導体装置。
- 前記電子供給層は、含有するn型不純物がSi及びGeの少なくとも一方であることを特徴とする請求項2又は3に記載の化合物半導体装置。
- 前記第2の層は、AlNからなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
- 前記第2の層は、その厚みが2nm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
- 前記GaNキャップ層は、n型不純物を1×1017/cm3より多く含有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
- 電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上に電子供給層を形成する工程と、
前記電子供給層上にGaNキャップ層を形成する工程と
を含み、
前記電子供給層は、i型AlxGa1-xN(0<x<1)である第1の層と、前記第1の層上に形成されたi型AlyGa1-yN(x<y≦1)である第2の層とを有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 - 前記電子供給層は、その厚み方向の全域に亘って、n型不純物濃度が1×1017/cm3以下であることを特徴とする請求項8に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記電子供給層は、その厚み方向において、前記電子走行層側から前記GaNキャップ層側に向かうにつれてn型不純物濃度が減少することを特徴とする請求項9に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記電子供給層は、含有するn型不純物がSi及びGeの少なくとも一方であることを特徴とする請求項8又は9に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記第2の層は、その厚みが2nm以下であることを特徴とする請求項8〜11のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記GaNキャップ層は、n型不純物を1×1017/cm3より多く含有することを特徴とする請求項8〜12のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記GaNキャップ層を、前記電子供給層よりも高い成長圧力で形成することを特徴とする請求項8〜13のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記電子供給層を形成する工程において、前記第1の層と前記第2の層とを同じ成長圧力で形成することを特徴とする請求項8〜13のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記第2の層は、AlNからなることを特徴とする請求項15に記載の化合物半導体装置の製造方法。
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