JP2018056271A

JP2018056271A - 電界効果トランジスタ

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Publication number: JP2018056271A
Application number: JP2016189474A
Authority: JP
Inventors: 真士谷本; Shinji Tanimoto
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2036-09-28
Also published as: JP6733462B2

Abstract

【課題】ゲート電極の先端部分が途切れにくく、且つ、各電極を高密度に配置可能な電界効果トランジスタを提供する。【解決手段】チャネルが形成される活性領域を含む窒化物半導体積層体１１と、窒化物半導体積層体１１の上面側に配置された複数のソース枝部２１ａを含むソース電極２１と、窒化物半導体積層体１１の上面側においてソース枝部２１ａと互い違いに配置された複数のドレイン枝部２２ａを含むドレイン電極２２と、窒化物半導体積層体１１の上面側においてソース電極２１とドレイン電極２２との間に配置され、ソース枝部２１ａの側面に沿って延伸する側面部分と、側面部分から連続し、ソース枝部２１ａの先端に面する先端部分と、を有するゲート電極２３と、を備える電界効果トランジスタであって、ソース枝部２１ａの先端とドレイン電極２２との間における先端部分のゲート長は、側面部分のゲート長よりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、電界効果トランジスタに関する。

電界効果トランジスタは、チャネルを有する半導体層と、半導体層に接続されたソース電極、ドレイン電極およびゲート電極とを備える。これらの電極は、例えば特許文献１に記載のように、ソース電極及びドレイン電極が櫛歯状に噛み合うように互い違いに配置され、それらの電極の間にゲート電極が配置される。

特開２００９−１４１３７９号公報

ゲート長とはゲート電極のチャネル走行方向における長さであるが、このゲート長は、１つの電界効果トランジスタ内において一定とされている。例えば、特許文献１においては、１つの実施形態に１つのゲート長が記載されている。

特許文献１に記載のように、櫛歯状のソース電極及びドレイン電極を交互に配置することにより各電極を高密度に配置可能であるが、ゲート長を短くすればさらに高密度化することができる。しかしながら、ゲート長を短くするほど、ソース電極及びドレイン電極の一方の先端を回り込む部分のゲート電極が途切れやすくなる。これは、例えばゲート電極をリフトオフによって形成する場合に、レジストを露光する光が屈曲部分においてフォトマスクの下に回り込みやすいためであると考えられる。

本願は、以下の発明を含む。チャネルが形成される活性領域を含む窒化物半導体積層体と、窒化物半導体積層体の上面側に配置された複数のソース枝部を含むソース電極と、窒化物半導体積層体の上面側においてソース枝部と互い違いに配置された複数のドレイン枝部を含むドレイン電極と、窒化物半導体積層体の上面側においてソース電極とドレイン電極との間に配置され、ソース枝部の側面に沿って延伸する側面部分と、側面部分から連続し、ソース枝部の先端に面する先端部分と、を有するゲート電極と、を備える電界効果トランジスタであって、ソース枝部の先端とドレイン電極との間における先端部分のゲート長は、側面部分のゲート長よりも大であることを特徴とする電界効果トランジスタ。

本発明に係る電界効果トランジスタによれば、ゲート電極の先端部分が途切れにくく、且つ、各電極を高密度に配置することができる。

本発明の実施形態に係る電界効果トランジスタの模式的な平面図である。図１の一部拡大図である。図１のＡ−Ａ線における模式的な断面図である。図１のＢ−Ｂ線における模式的な断面図である。実施例の電界効果トランジスタの一部拡大写真である。実施例の電界効果トランジスタの一部拡大写真である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。

図１は、実施形態に係る電界効果トランジスタ１を示す模式的な平面図である。図２は図１の四角枠で囲まれた部分を拡大して示す図である。図３は図１のＡ−Ａ線断面図であり、図４は図１のＢ−Ｂ線断面図である。図１〜図４に示すように、電界効果トランジスタ１は、チャネル１２ａが形成される活性領域を含む窒化物半導体積層体１１と、ソース電極２１と、ドレイン電極２２と、ゲート電極２３とを有する。電界効果トランジスタ１は、例えば、高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor（ＨＥＭＴ））である。

ソース電極２１は、窒化物半導体積層体１１の上面側に配置された複数のソース枝部２１ａを含む。ドレイン電極２２は、窒化物半導体積層体１１の上面側においてソース枝部２１ａと互い違いに配置された複数のドレイン枝部２２ａを含む。ゲート電極２３は、側面部分２３ａと先端部分２３ｂとを含む。側面部分２３ａは、窒化物半導体積層体１１の上面側においてソース電極２１とドレイン電極２２との間に配置されており、ソース枝部２１ａの側面に沿って延伸している。先端部分２３ｂは、側面部分２３ａから連続し、ソース枝部２１ａの先端に面している。そして、ソース枝部２１ａの先端とドレイン電極２２との間における先端部分２３ｂのゲート長Ｌｇｂは、側面部分２３ａのゲート長Ｌｇａよりも大である。

上述のとおり、ゲート電極２３のゲート長を一定とする場合には、ゲート長を短くするほど各電極を高密度に配置できる一方でゲート電極２３の形成時に先端部分が途切れる可能性が高くなる。特に、窒化物半導体積層体１１を設ける基板１０としてサファイア等の窒化物半導体積層体１１とは異なる材料を用いると、反りが生じるため、ステッパーを用いてフォトマスクのパターン投影を行う際にレジストに焦点を合わせることが難しい。また、基板１０と窒化物半導体積層体１１との屈折率が異なる場合、これらの界面で露光用の光が反射されるため、意図しない領域が露光されやすい。このように、窒化物半導体積層体１１の表面におけるレジストの露光は高精度で行うことが難しい。したがって、ゲート電極２３のゲート長を短くすると特に光が回り込みやすい屈曲形状の部分で途切れやすくなると考えられる。そこで、電界効果トランジスタ１では、ゲート電極２３の先端部分２３ｂのゲート長Ｌｇｂを側面部分２３ａのゲート長Ｌｇａよりも大としている。これにより、ゲート電極２３の形成時に先端部分２３ｂが途切れにくく、且つ、側面部分２３ａのゲート長Ｌｇａは短いため各電極を高密度に配置することができる。なお、ゲート長を部分的に長くすると、その部分が他の部分よりもソース電極２１及びドレイン電極２２間の距離が長くなるため、応答性が低下しやすい。しかし、図１及び２に示すように、ゲート電極２３全体における先端部分２３ｂが占める面積は比較的小さいため、電界効果トランジスタ１の機能に及ぼす影響を小さくすることができる。

以下、本実施の形態に係る電界効果トランジスタ１の構成部材について説明する。

（基板１０）
図３に示すように、電界効果トランジスタ１は、さらに基板１０を有してよい。この場合、窒化物半導体積層体１１は基板１０の上に設けられている。例えば、基板１０は、サファイア等の窒化物半導体積層体１１とは異なる材料から構成される。

（窒化物半導体積層体１１）
窒化物半導体積層体１１は、窒化物半導体から構成される。窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮが挙げられる。窒化物半導体積層体１１は、基板１０の上に設けられた第１半導体層１２と、第１半導体層１２の上に設けられた第２半導体層１３とを有することができる。第１半導体層１２は、例えば、ＧａＮから構成される。第２半導体層１３は、第１半導体層１２よりもバンドギャップエネルギーが大きい。第２半導体層１３は、例えば、ＡｌＧａＮから構成される。ＡｌＧａＮ層の下にそれよりも薄膜のＡｌＮ層を設けてもよい。第１半導体層１２には、第２半導体層１３側の面の近傍に、チャネル１２ａが形成される。チャネル１２ａは例えば２次元電子ガス層である。図１及び４に示すように、電界効果トランジスタ１として機能させる領域以外では、例えば窒化物半導体積層体１１を除去して基板１０を露出させる等、チャネル１２ａを除去することができる。

（ソース電極２１）
ソース電極２１は、例えば、Ｔｉ／Ａｌから構成される。ソース電極２１は、図３及び４に示すように、窒化物半導体積層体１１にチャネル１２ａに達する凹部を設け、その凹部内に配置することが好ましい。これにより、ソース電極２１をチャネル１２ａに接触させることができる。この場合、ソース電極２１のゲート電極２３側の端が第２半導体層１３の上に配置されていてもよい。

図１及び２に示すように、ソース枝部２１ａの先端は、ソース枝部２１ａの延伸方向と実質的に垂直な直線状であることが好ましい。そして、ソース枝部２１ａの先端に面するゲート電極２３の先端部分２３ｂの外縁は、ソース枝部２１ａの先端と実質的に平行な直線状であることが好ましい。後述する図６に比較例として示すように、ゲート電極１２３のゲート長を一定とする場合には、例えばソース枝部１２１ａの先端をゲート電極１２３側に突出した曲線状の形状とする。これは、ソース枝部１２１ａの先端を曲線状に回り込むゲート電極１２３とすることでゲート電極１２３のゲート長を一定とすることができ、且つ、そのゲート電極１２３とソース枝部１２１ａとの間隔も一定とすることができるからである。これに対して、図１及び２に示すようにソース枝部２１ａの先端を直線状とすれば、先端が曲線状の場合にソース枝部１２１ａが存在していた領域近傍にゲート電極２３の先端部分２３ｂを配置することができる。したがって、ソース枝部２１ａの側面の長さを大幅に短縮する必要なく、ゲート電極２３の先端部分２３ｂを配置することができる。ソース枝部２１ａの側面は良好な応答性で駆動可能な部分であるから、この部分の削減量を低減することにより電界効果トランジスタ１の特性の低下を小さくすることができる。

ゲート電極２３の先端部分２３ｂとソース枝部２１ａの先端との間隔Ｄ２は、側面部分２３ａとソース枝部２１ａの側面との間隔Ｄ１よりも大であることが好ましい。各電極を高密度化するほど各電極を形成する際に高精度で配置する必要がある。特に、ソース電極２１とゲート電極２３との距離は、ドレイン電極２２とゲート電極２３との距離よりも短いため、位置合わせが困難である。そこで、上述のように電界効果トランジスタ１の特性への影響の少ないソース枝部２１ａの先端において、ソース枝部２１ａとゲート電極２３との間隔Ｄ２を他の部分よりも長くする。これにより、ソース枝部２１ａの先端とゲート電極２３とを多少位置ずれが生じても接触しにくい配置とできるため、ソース枝部２１ａの側面とゲート電極２３とを位置合わせしやすい。

（ドレイン電極２２）
ドレイン電極２２は、例えば、Ｔｉ／Ａｌから構成される。ドレイン電極２２は、図３及び４に示すように、窒化物半導体積層体１１にチャネル１２ａに達する凹部を設け、その凹部内に配置することが好ましい。これにより、ドレイン電極２２をチャネル１２ａに接触させることができる。この場合、ドレイン電極２２のゲート電極２３側の端が第２半導体層１３の上に配置されていてもよい。

（ゲート電極２３）
ゲート電極２３は、例えば、窒化物半導体積層体１１側より順にＮｉ／Ａｕ／Ｐｔから構成される。ゲート電極２３と第２半導体層１３との間には、例えばｐ型不純物を含有するＧａＮ層等のゲートコンタクト層を設けてよい。

図１に示すように、電界効果トランジスタ１では、ゲート電極２３とドレイン電極２２との間隔は一定であることが好ましい。これにより、ゲート電極２３とドレイン電極２２との間に局所的な電界集中が生じにくく、電界効果トランジスタ１の耐圧を向上することができる。ゲート電極２３とドレイン電極２２との間隔を一定とするための具体的な電極の形状及び配置としては、図１及び２に示すものが挙げられる。このように、ゲート電極２３の先端部分２３ｂの外縁と、それに面するドレイン電極２２の外縁とは、それぞれ、中心を同じくする円の円弧状であることが好ましい。また、互いに面するゲート電極２３の外縁及びドレイン電極２２の外縁の形状が角を有する形状であると、その角の部分に電界が集中し、耐圧が低下する。したがって、この観点からも互いに面するゲート電極２３の外縁及びドレイン電極２２の外縁の形状は円弧状であることが好ましい。図１及び２に示す先端部分２３ｂの外縁とドレイン電極２２の外縁とは、それぞれ半円弧状である。

実施例として、サファイア基板上に、バッファ層、約６００ｎｍのアンドープＧａＮ層、約０．９ｎｍのアンドープＡｌＮ層、約８ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層、約１０ｎｍのｐ型ＧａＮ層、約２０ｎｍのアンドープＧａＮ層、約２０ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層をこの順に積層した窒化物半導体積層体を有する電界効果トランジスタを作製した。アンドープＡｌＧａＮ層の表面には、ゲート電極２３として、アンドープＡｌＧａＮ層側から順にＮｉ（厚さ約１０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約１５０ｎｍ）／Ｐｔ（厚さ約１０ｎｍ）を形成した。最上層のアンドープＡｌＧａＮ層からｐ型ＧａＮ層までの三層は、ゲート電極２３の直下を除いて除去した。さらに、ソース電極２１及びドレイン電極２２の形成領域においては、窒化物半導体積層体１１の一部を除去してアンドープＧａＮ層とアンドープＡｌＮ層との界面を露出させ、該界面を被覆する位置にソース電極２１及びドレイン電極２２を形成した。ソース電極２１及びドレイン電極２２の積層構造は、半導体層側から順にＴｉ（厚さ約１０ｎｍ）／Ａｌ（厚さ約３００ｎｍ）とした。各電極を設けた以外の窒化物半導体積層体１１の表面には、保護膜として厚さ約６００ｎｍのＳｉＯ_２膜を設けた。

実施例の電界効果トランジスタの一部拡大写真を図５に示す。ソース電極２１及びドレイン電極２２はそれぞれ、図１に示すように一方向に延伸した線状の枝部２１ａ、２２ａを有する形状とし、それらを交互に配置した。ゲート電極２３は、ソース枝部２１ａの側面に沿った側面部分２３ａと、ソース枝部２１ａの先端に沿った先端部分２３ｂとを有する。ソース枝部２１ａの幅は約５μｍとし、ドレイン枝部２２ａの幅は約５μｍとし、ゲート電極２３の側面部分２３ａのゲート長Ｌｇａは１μｍとし、ゲート電極２３の先端部分２３ｂのゲート長Ｌｇｂは最大約８μｍとした。ゲート電極２３とドレイン電極２２との間隔は約１２μｍとし、側面部分２３ａとソース枝部２１ａとの間隔Ｄ１は約２μｍとし、先端部分２３ｂとソース枝部２１ａとの間隔Ｄ２は約３μｍとした。

（比較例）
比較例の電界効果トランジスタとして、各電極の形状が異なる以外は実施例と同様にして形成した。比較例の電界効果トランジスタの一部拡大写真を図６に示す。図６に示すように、比較例の電界効果トランジスタにおいて、ソース電極１２１のソース枝部１２１ａの先端は半円状とし、ゲート電極１２３のゲート長は約１μｍで一定とした。ゲート電極１２３とドレイン電極１２２との間隔は実施例と同様とした。

図５及び６に示すように、比較例のゲート電極１２３では先端部分が一部形成されなかったが、実施例のゲート電極２３では途切れず連続した形状で形成することができた。また、実施例の電界効果トランジスタのオン抵抗は約０．２０Ωであり、比較例の電界効果トランジスタのオン抵抗は約０．２０Ωであった。このことから、実施例においてゲート電極２３のゲート長を部分的に長くしたことによる特性の低下は実質的にないといえる。

１電界効果トランジスタ
１０基板
１１窒化物半導体積層体
１２第１半導体層
１２ａチャネル
１３第２半導体層
２１ソース電極
２１ａソース枝部
２２ドレイン電極
２２ａドレイン枝部
２３ゲート電極
２３ａ側面部分
２３ｂ先端部分
Ｌｇａ側面部分のゲート長
Ｌｇｂ先端部分のゲート長
Ｄ１側面部分とソース枝部との間隔
Ｄ２先端部分とソース枝部との間隔

Claims

チャネルが形成される活性領域を含む窒化物半導体積層体と、
前記窒化物半導体積層体の上面側に配置された複数のソース枝部を含むソース電極と、
前記窒化物半導体積層体の上面側において前記ソース枝部と互い違いに配置された複数のドレイン枝部を含むドレイン電極と、
前記窒化物半導体積層体の上面側において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置され、前記ソース枝部の側面に沿って延伸する側面部分と、前記側面部分から連続し、前記ソース枝部の先端に面する先端部分と、を有するゲート電極と、を備える電界効果トランジスタであって、
前記ソース枝部の先端と前記ドレイン電極との間における前記先端部分のゲート長は、前記側面部分のゲート長よりも大であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間隔は一定であることを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
前記ゲート電極の先端部分の外縁と、それに面する前記ドレイン電極の外縁とは、それぞれ、中心を同じくする円の円弧状であることを特徴とする請求項２に記載の電界効果トランジスタ。
前記ソース枝部の先端は、前記ソース枝部の延伸方向と実質的に垂直な直線状であり、
前記ソース枝部の先端に面する前記ゲート電極の先端部分の外縁は、前記ソース枝部の先端と実質的に平行な直線状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
前記ゲート電極の先端部分と前記ソース枝部の先端との間隔は、前記ゲート電極の側面部分と前記ソース枝部の側面との間隔よりも大であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。