JP2018533837A - ＡｌＧａＮ／ＧａＮ高電子移動度トランジスタ - Google Patents

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チュンジァン レン
チュンジァン レン
タンシォン チェン
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Abstract

本発明は、ＡｌＧａＮ中間層に歪みバランスを有する窒化物高移動度トランジスタを提供する。前記窒化物高移動度トランジスタは、基板２１と、基板２１上に位置するＧａＮ緩衝層２２と、ＧａＮ緩衝層２２上に位置するＡｌyＧａ1-yＮ中間層２３と、ＧａＮ緩衝層２２に対向するようにＡｌyＧａ1-yＮ中間層２３上に位置するＡｌxＧａ1-xＮ障壁層２４と、ＡｌxＧａ1-xＮ障壁層２４上に位置するＧａＮキャップ層２５と、ＧａＮキャップ層２５及びＡｌxＧａ1-xＮ障壁層２４の厚さの一部が除去されることで形成された溝内に配置された「Γ」型のソース電極２６及びドレイン電極２７と、ソース電極２６とドレイン電極２７との間に位置するゲート電極２８とを備えている。本発明は、もう１つの窒化物高移動度トランジスタをさらに提供し、ＡｌxＧａ1-xＮ障壁層２４とＧａＮキャップ層２５との間には、ＡｌzＧａ1-zＮ中間層３５がさらに配置されている。前記窒化物高移動度トランジスタは、ＡｌＮ中間層の性能を実現し、プロセス可制御性を向上させるために、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ中間層を採用している。「Γ」型のソース電極及びドレイン電極を導入することにより、オーミック接触をより形成しやすく、また、ＧａＮキャップ層と組み合わせることでエピタキシャル層全体の応力をより良好に制御し、デバイスの信頼性が確保され、性能が最適化される。

Description

本発明は、ＡｌＧａＮ中間層に歪みバランスを有する窒化物高移動度トランジスタに関する。
窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）／窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、第３世代ワイドバンドギャップ化合物半導体デバイスとして、出力パワーが大きく、動作周波数が高く、耐高温性が良好であるという利点を有し、特に、ＳｉやＧａＡｓ等の既存の半導体技術にはない高周波、ハイパワーという特性を兼備している。それにより、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ高電子移動度トランジスタは、マイクロ波の応用分野において独特な優位性を有するリーダとなり、半導体マイクロ波パワーデバイスに関する研究の焦点となっている。ＡｌＮ中間層の導入（Ｌ．Ｓｈｅｎ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．２２，ｐｐ．４５７−４５９，Ｏｃｔ．２００１．）と共にエピタキシャル材料の結晶品質の向上、及び、ＳｉＮ表面不動態化技術の導入（Ｂ．Ｍ．Ｇｒｅｅｎ，ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２１ｎｏ．６，ｐｐ．２６８−２７０，２０００．）と共にフィールドプレート構造の採用（Ａｎｄｏ ｅｔ ａｌ．ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．５，ｐｐ．２８９−２９１，２００３．）により、研究者は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴのマイクロ波性能において大きな進歩を遂げた。特に、出力電力能力では、現在開示された小型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴの出力電力密度がＸバンドにおいて３０Ｗ／ｍｍ以上に達し（Ｗｕ ｅｔ ａｌ．ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．３，ｐｐ．１１７−１１９，２００４．）、Ｋａバンドの出力電力でさえ１０Ｗ／ｍｍ以上に達している（Ｔ．Ｐａｌａｃｉｏｓ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．２６，ＮＯ．１１，ｐｐ．７８１−７８３，２００５．）。
図１は、ＡｌＮ中間層を有する従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴデバイスの概略図である。ＡｌＮ中間層の機能として、ＧａＮチャネル層における二次元電子ガス（２ＤＥＧ）内の電子が受けたＡｌＧａＮ障壁層合金による不規則散乱の作用を低減し、２ＤＥＧの移動度を向上させることがある。また、ＡｌＮ中間層は、より広いバンドギャップ並びにより強い圧電分極及び自発分極効果を有するため、チャネル内の２ＤＥＧの面密度を増加させることができる。従って、ＧａＮチャネル内の２ＤＥＧの移動度及び面密度を向上させることにより、最終的にデバイスの性能の向上が実現される。ＡｌＮ中間層は、デバイスの性能を向上させることができるが、自身と上方のＡｌＧａＮ障壁層及び下方のＧａＮチャネル層とが大きな格子不整合を有するため、厚さが１ｎｍを超えることができない。１ｎｍを超える厚さを有するＡｌＮ中間層は、結晶品質が大幅に悪化し、欠陥密度が顕著に増加し、デバイスの性能の向上に不利である。従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴデバイスに用いられるエピタキシャル層は通常、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって取得され、エピタキシャル層の厚さに対するコントロールが分子線エピタキシー（ＭＢＥ）技術ほど高精確でないため、１ｎｍ以下のＡｌＮ層の成長が困難である。
図１に示された従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴデバイス内のＧａＮキャップ層は、ＡｌＮ中間層及びＡｌＧａＮ障壁層によって導入された歪み力を平衡させる機能を有し、通常の厚さが１〜５ｎｍである。ＧａＮキャップ層は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴの電流コラプスを抑制する（Ｒ．Ｃｏｆｆｉｅ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔ．， Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．１０， ｐｐ．５８８−５９０， ２００２．）というもう１つの導入された用途があるが、チャネル内の２ＤＥＧの濃度の低下を引き起こすデメリットもある。また、従来のＡｌＧａＮ ／ ＧａＮ ＨＥＭＴデバイスのソース電極及びドレイン電極は、ＧａＮキャップ層上に直接堆積され、超合金のプロセスを経て下方にあるエピタキシャル層とオーミック接触を形成する必要がある。高温過程におけるソース電極とドレイン電極との金属は、ＧａＮキャップ層、ＡｌＧａＮ障壁層及びＡｌＮ中間層を貫通してチャネル内の２ＤＥＧとオーミック接触を形成する必要がある。一般的には、ＧａＮキャップ層及びＡｌＮ中間層を有する場合、より良好なオーミック接触を取得するためには、より高い合金温度が必要であり、これにより、合金中のソース電極とドレイン電極との金属の熱膨張及び冷収縮がより深刻になり、ひいては、エピタキシャル層の応力の再配分が生じ、デバイスの性能の一貫性及び信頼性に悪影響を与える。
本発明の目的は、性能の信頼性が高く、成長過程を制御可能なトランジスタを提供することにある。
本発明に係るＡｌＧａＮ／ＧａＮ高電子移動度トランジスタは、炭化ケイ素、シリコン又はサファイヤからなる基板（炭化ケイ素が最適）と、前記基板上に位置し、好ましい厚さが１５００〜２０００ｎｍであるＧａＮ緩衝層と、前記ＧａＮ緩衝層上に位置し、最適厚さが１〜３ｎｍであるＡｌyＧａ1-yＮ中間層（０．３５≦ｙ≦０．５）と、最適厚さが１０〜２０ｎｍであり、前記ＧａＮ緩衝層に対向するように前記ＡｌyＧａ１−ｙＮ中間層上に位置するＡｌxＧａ1-xＮ障壁層（０．２≦ｘ≦０．２５）と、前記ＡｌxＧａ1-xＮ障壁層上に位置し、最適厚さが１〜３ｎｍであるＡｌzＧａ1-zＮ中間層（０．３０≦ｚ≦０．４）と、前記ＡｌzＧａ1-zＮ中間層上に位置し、最適厚さが１〜３ｎｍであるＧａＮキャップ層とを備えている。ソース電極及びドレイン電極下のＧａＮキャップ層、ＡｌzＧａ1-zＮ中間層並びにＡｌxＧａ1-xＮ障壁層の厚さの一部が除去されることによって溝が形成され、当該溝内にソース電極及びドレイン電極が配置されている。ソース電極及びドレイン電極の一部が前記ＧａＮキャップ層上に位置して「Γ」型のソース電極及びドレイン電極が形成されている。ゲート電極は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置している。
本発明によれば、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ中間層でＡｌＮ中間層を代替することにより、ＡｌＮ中間層に比べてＡｌＧａＮ中間層がＧａＮチャネル層との不整合が小さく、ＡｌＧａＮ中間層がより厚く成長することができ、これにより、エピタキシャル材料の成長過程がより制御しやすくなり、デバイスの均一性が向上すると共に、Ａｌ組成を最適化することにより、２ＤＥＧの濃度及び移動度をも改善することができる。また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴデバイスのソース電極及びドレイン電極の下方のＧａＮキャップ層及びＡｌＧａＮ障壁層の一部をエッチングによって除去することにより、ソース電極及びドレイン電極がチャネル内の２ＤＥＧにより近接するようになり、ソース電極及びドレイン電極は、比較的低い合金温度でチャネル内の２ＤＥＧとオーミック接触を形成することができ、高温過程におけるソース電極とドレイン電極との金属の熱膨張及び冷収縮によるエピタキシャル層の応力の再配分が回避され、デバイスの性能の一貫性及び信頼性が向上する。
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴの一般的な構成概略図である。 本発明に係る１つの実施形態のＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴの構成概略図である。 本発明に係るもう１つの実施形態のＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴの構成概略図である。
以下、明細書の図面と併せて、本発明について詳細に説明する。
図２は、本発明に係るＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴの１つの実施形態を示す。本発明に係るＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴは、サファイヤ、Ｓｉ及びＳｉＣのいずれか１つからなる基板２１を有する。好ましくは、半絶縁性の４Ｈ−ＳｉＣ及び半絶縁性の６Ｈ−ＳｉＣが基板として採用される。基板とする半絶縁性の４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）及び半絶縁性の６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）は、熱伝導率が高く、ＧａＮとの格子不整合が小さいという特徴を有し、高品質のＧａＮエピタキシャル材料の成長及びデバイスの放熱に有益である。現在、米国のＣｒｅｅ社及びＩＩ−ＶＩ社は、４Ｈと６Ｈとの２種類のＳｉＣ基板を販売している。
ＧａＮ緩衝層２２は基板２１上に位置し、好ましい厚さが１５００〜２０００ｎｍであり、通常、バックグラウンドキャリア濃度が高いため、デバイスのパンチスルーの改善に不利であり、従って、それに対してＦｅのドーピングを行うことを考慮してよい。Ｆｅのドーピング技術について、関連文献を参照することができるが、Ｆｅのドーピングの濃度及び厚さをコントロールする必要がある。一般的には、Ｆｅのドーピング濃度が４×１０18ｃｍ-3以内、ドーピング厚さが基板から上方へ５００〜１０００ｎｍを超えないように制限される。即ち、ＧａＮ緩衝層の約１０００ｎｍの厚さを有する先端部はドープされない状態に保持されなければならない。良好な品質を有するＧａＮ緩衝層を取得するために、通常、ＧａＮ緩衝層２２と基板２１との間には、ＧａＮ緩衝層２２と基板２１との格子不整合によって導入された応力を低減するための遷移作用として主に用いられる核形成層がさらに存在する。核形成層の選択は基板材料に関連するということについて、当該技術分野では周知であるため、これ以上の説明は省略する。
ＡｌyＧａ1-yＮ中間層２３（０．３５≦ｙ≦０．５）は、ＧａＮ緩衝層２２上に位置し、最適厚さが１〜３ｎｍである。ＡｌyＧａ1-yＮ中間層２３とＧａＮ緩衝層２２との界面箇所のバンドギャップがＧａＮ緩衝層２２より大きいため、ＧａＮ緩衝層２２とＡｌyＧａ1-yＮ中間層２３とのＧａＮ緩衝層２２に近接した界面箇所には、三角形のポテンシャル井戸が形成され、さらに、ＩＩＩ族窒化物自身が強い自発分極及び圧電分極効果を有するため、ＧａＮ緩衝層２２とＡｌyＧａ1-yＮ中間層２３との界面付近には、高い面密度を有する二次元電子ガスが形成されている。
ＡｌxＧａ1-xＮ障壁層２４（０．２≦ｘ≦０．２８）は、ＧａＮ緩衝層２２に対向するようにＡｌyＧａ1-yＮ中間層２３上に位置し、最適厚さが１０〜２０ｎｍである。ＡｌxＧａ1-xＮ障壁層２４の自発分極及び圧電分極効果を利用することにより、ＧａＮ緩衝層２２とＡｌyＧａ1-yＮ中間層２３とのＧａＮ緩衝層に近接した界面箇所に形成されたポテンシャル井戸がより深くなり、その結果、より高い面密度の２ＤＥＧが取得され、デバイスの性能の向上に資する。
ＧａＮキャップ層２５は、ＡｌxＧａ1-xＮ障壁層２４上に位置し、最適厚さが１〜３ｎｍであり、ＡｌyＧａ1-yＮ中間層２３及びＡｌxＧａ1-xＮ障壁層２４によって導入された歪み力を平衡させると共に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴの一般的な電流コラプス効果を抑制し、デバイスのマイクロ波性能を強化する機能を有する。
ＧａＮ緩衝層２２（ＧａＮ緩衝層２２と基板２１との間の核形成層を含め）、ＡｌyＧａ1-yＮ中間層２３、ＡｌxＧａ1-xＮ障壁層２４及びＧａＮキャップ層２５は、ＭＯＣＶＤやＲＦ−ＭＢＥ等のような任意の適切な成長方法を採用して基板２１での順次のエピタキシャル成長によって取得され得るが、ＭＯＣＶＤの方法が好ましい。
ソース電極２６及びドレイン電極２７の下方のＧａＮキャップ層２５、並びにＡｌxＧａ1-xＮ障壁層２４の厚さの一部が除去されることで溝が形成される。溝は、ドライエッチングで形成される必要がある。ドライエッチングでＧａＮ及びＡｌＧａＮの２種類の化合物を除去することは、当該技術分野において周知であり、関連文献を参照されたい。溝内には、ソース電極及びドレイン電極が配置され、ソース電極及びドレイン電極の一部がＧａＮキャップ層に位置し、「Γ」型のソース電極及びドレイン電極が形成される。ソース電極２６及びドレイン電極２７は同一の金属層を有し、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ等の多層金属系を含むが、これらに限定されない。また、超合金を介して２ＤＥＧとオーミック接触を形成する場合、好ましい合金温度は６８０〜７８０℃である。
ゲート電極２８は、ソース電極２６とドレイン電極２７との間に配置され、一方では、ＧａＮキャップ層２５とショットキー接触を形成する機能を有し、これにより、デバイスが動作しているときに、ゲート電極２８上の電圧変化によってチャネル内の二次元電子ガスが変調され得る。他方では、デバイスのゲート抵抗を低減し、デバイスの周波数特性を向上させる機能をも有する。ゲート電極２８に用いられる金属は、Ｎｉ／Ａｕ／Ｔｉ、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉ、又は、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉ等の多層金属系を含むが、これらに限定されない。
図３は、本発明に係るＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴのもう１つの実施形態を示す。１つ目の実施形態に基づいて、ＡｌxＧａ1-xＮ障壁層３４上に位置し、厚さが１〜３ｎｍであるＡｌzＧａ1-zＮ中間層３５（０．３≦ｚ≦０．４）が追加される。ＡｌzＧａ1-zＮ中間層３５の自発分極及び圧電分極効果を利用して、ＧａＮ緩衝層３２とＡｌyＧａ1-yＮ中間層３３とのＧａＮ緩衝層に近接した界面箇所に形成された２ＤＥＧの面密度がさらに向上し、デバイスの性能がさらに向上する。
なお、本発明に係る２つの実施形態において、ＧａＮ緩衝層に位置する高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ中間層は、チャネル内の２ＤＥＧの面密度及び移動度を向上させ、図１におけるＡｌＮ中間層の効果を達成するために用いられ、また、ＡｌＮ中間層に比べて高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ中間層がＧａＮ緩衝層との格子不整合が小さいため、より厚く設計し、工程においてより精確な制御を行うことができる。また、ＧａＮキャップ層の主な役割は、その下方のＡｌＧａＮ中間層やＡｌＧａＮ障壁層等のＧａＮ緩衝層との格子不整合によってもたらした応力を平衡させることである。ＧａＮキャップ層の導入によってチャネル内の２ＤＥＧの面密度が低下し、従って、その厚さは決して厚くなってはならない。ＧａＮキャップ層は、ＡｌＧａＮ中間層及びＡｌＧａＮ障壁層との格子不整合が大きく、比較的大きな圧縮応力を受けるため、チャネル内の２ＤＥＧ濃度に対する低減作用がさらに増加する。「Г」型のソース電極及びドレイン電極を導入することで、ＧａＮキャップ層が受けた応力の一部が解放され、ＧａＮキャップ層の導入によるチャネル内の２ＤＥＧ濃度の低下が緩和され、デバイスの性能と信頼性とのバランスが保たれる。「Γ」型のソース電極及びドレイン電極を導入することにより、チャネル内の電子がトンネル効果によってソース電極又はドレイン電極により入りやすくなり、逆な場合においても同様に、デバイスのオーミック接触抵抗が低減され、デバイスの性能がさらに改善される。

Claims (6)

  1. 基板（２１）と、ＧａＮ緩衝層（２２）と、ＡｌyＧａ1-yＮ中間層（２３）（０．３５≦ｙ≦０．５）と、ＡｌxＧａ1-xＮ障壁層（２４）（０．２≦ｘ≦０．２８）と、ＧａＮキャップ層（２５）とが下方から上方の順に設けられ、
    前記ＧａＮキャップ層（２５）の両端には、ソース電極（２６）及びドレイン電極（２７）が配置され、
    前記ソース電極（２６）及び前記ドレイン電極（２７）が位置するＧａＮキャップ層、及び、ＡｌxＧａ1-xＮ障壁層の厚さの一部が除去されることによって溝が形成され、
    前記ソース電極（２６）及び前記ドレイン電極（２７）が溝内に配置され、
    前記ソース電極（２６）と前記ドレイン電極（２７）との間にゲート電極（２８）が配置されていることを特徴とするＡｌＧａＮ／ＧａＮ高電子移動度トランジスタ。
  2. 前記ＡｌxＧａ1-xＮ障壁層（２４）上に位置し、厚さが１〜３ｎｍであるＡｌzＧａ1-zＮ中間層（３５）（０．３０≦ｚ≦０．４）をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮ高電子移動度トランジスタ。
  3. 前記ＧａＮ緩衝層（２２）に対して、ドーピング濃度が４×１０18ｃｍ-3以内、ドーピング厚さが前記基板から上方へ５００〜１０００ｎｍの間であるＦｅのドーピングが行われていることを特徴とする請求項１に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮ高電子移動度トランジスタ。
  4. 前記基板（２１）は、炭化ケイ素、シリコン及びサファイヤのうちの１つからなることを特徴とする請求項１に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮ高電子移動度トランジスタ。
  5. 前記ＧａＮ緩衝層（２２）の厚さは、１５００〜２０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮ高電子移動度トランジスタ。
  6. 前記ソース電極（２６）及び前記ドレイン電極（２７）の一部が前記ＧａＮキャップ層（２５）に位置し、「Γ」型を形成していることを特徴とする請求項１に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮ高電子移動度トランジスタ。
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