JP2021500747A - 窒化ホウ素合金中間層を有する高電子移動度トランジスタ及び製造方法 - Google Patents
窒化ホウ素合金中間層を有する高電子移動度トランジスタ及び製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
半導体デバイスは、ＩＩＩ族窒化物バッファ層及びＩＩＩ族窒化物障壁層を含む。窒化ホウ素合金中間層がＩＩＩ族窒化物バッファ層とＩＩＩ族窒化物障壁層との間に挿入される。ＩＩＩ族窒化物バッファ層の一部は、窒化ホウ素合金中間層に隣接するＩＩＩ族窒化物バッファ層の側にある二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネルを含む。
Description
本願は、２０１７年１０月１９日に出願された「ＢＯＲＯＮ−ＣＯＮＴＡＩＮＥＤ−ＮＩＴＲＩＤＥ−ＢＡＳＥＤ ＩＮＴＥＲＬＡＹＥＲ ＩＮ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＦＯＲ ＰＯＷＥＲ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ」という名称の米国仮特許出願第６２／５７４，３０１号、及び、２０１８年８月８日に出願された「ＨＩＧＨ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＭＯＢＩＬＩＴＹ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ ＨＡＶＩＮＧ Ａ ＢＯＲＯＮ ＮＩＴＲＩＤＥ ＡＬＬＯＹ ＩＮＴＥＲＬＡＹＥＲ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ」という名称の米国仮特許出願第６２／７１６，０１２号の優先権を主張し、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
開示される主題の実施形態は、概して、障壁層とバッファ層との間に挿入された窒化ホウ素合金中間層を有する高電子移動度トランジスタ、及び、製造方法に関する。
窒化ガリウム（ＧａＮ−）ベースの半導体は通常、それらの大きいバンドギャップ（ＧａＮの３．４ｅＶから窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の６．２ｅＶ）及び高降伏電界（〜３×１０−６Ｖ／ｃｍ）のために高出力エレクトロニクスに使用される。さらに、その強い分極電界（自発分極及び圧電分極）により、ＧａＮベースのヘテロ接合は、ヘテロ接合の界面で１×１０１３ｃｍ−２を超える高いシート電荷密度を生成することができる。従って、ＧａＮバッファ層に形成された窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）障壁層のヘテロ接合を有し、層間に任意選択の窒化アルミニウムの薄層を有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）が、従来使用されている。より良いデバイス性能を達成するために、そのような構造を最適化するために多くの努力がなされている。特に、高い電子移動度を備えた高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）は、このようなデバイス用途に期待される。
窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウムヘテロ接合を含む従来の高電子移動度トランジスタでは、窒化アルミニウムガリウムの障壁層のＡｌモル分率を増やすと、二次元電子ガス濃度が増加するが、合金散乱効果によって電子移動度が低下する。さらに、窒化アルミニウムガリウム層のＡｌ含有量が高いほど、窒化アルミニウムガリウム層と窒化ガリウム層との間の格子不整合が大きくなり、これが、ヘテロ接合の界面品質を低下させる。
従って、合金の散乱効果によって引き起こされる電子移動度の低下を最小限に抑えながら、二次元電子ガス濃度を高め、バッファ層と障壁層との間の大きな格子不整合に悩まされない高電子移動度トランジスタを提供することが望ましい。
一実施形態によれば、半導体デバイスが提供される。半導体デバイスは、ＩＩＩ族窒化物バッファ層、ＩＩＩ族窒化物障壁層、及び、ＩＩＩ族窒化物バッファ層とＩＩＩ族窒化物障壁層との間に挿入された窒化ホウ素合金中間層を備える。ＩＩＩ族窒化物バッファ層の一部は、窒化ホウ素合金中間層に隣接するＩＩＩ族窒化物バッファ層の側にある二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネルを含む。
一実施形態によれば、半導体デバイスを形成する方法が提供される。ＩＩＩ族窒化物バッファ層が形成される。第１の中間層がＩＩＩ族窒化物バッファ層に形成される。第２の中間層がＩＩＩ族窒化物中間層上に形成される。第１の中間層は、ＩＩＩ族窒化物中間層及び窒化ホウ素合金中間層の一方であり、第２の中間層は、ＩＩＩ族窒化物中間層及び窒化ホウ素合金中間層の他方である。ＩＩＩ族窒化物障壁層が第２の中間層に形成される。ＩＩＩ族窒化物バッファ層の一部は、第１の中間層に隣接する二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネルを含む。
一実施形態によれば、半導体デバイスが提供される。半導体デバイスは、ＩＩＩ族窒化物バッファ層、ＩＩＩ族窒化物バッファ層に配置された第１の中間層、ＩＩＩ族窒化物中間層に配置された第２の中間層、及び、窒化ホウ素合金中間層に配置されたＩＩＩ族窒化物障壁層を備える。第１の中間層は、ＩＩＩ族窒化物中間層及び窒化ホウ素合金中間層の一方であり、第２の中間層は、ＩＩＩ族窒化物中間層及び窒化ホウ素合金中間層の他方である。ＩＩＩ族窒化物バッファ層の一部は、ＩＩＩ族窒化物中間層に隣接するＩＩＩ族窒化物バッファ層の側にある二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネルを含む。
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、１つ以上の実施形態を示し、詳細な説明と共にこれらの実施形態を説明する。
例示的な実施形態の以下の説明は、添付の図面を参照する。異なる図面の同じ参照番号は、同じ又は類似の要素を識別する。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。以下の実施形態は、簡単にするために、高電子移動度トランジスタの用語及び構造に関して説明される。
本明細書を通して「一実施形態」又は「実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造又は特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書の全体にわたる様々な場所での「一実施形態では」又は「実施形態では」という句の出現は、必ずしも同じ実施形態を指しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造又は特性は、１つ以上の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせることができる。
図１は、実施形態による半導体デバイスのブロック図である。半導体デバイス１００は、ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５、ＩＩＩ族窒化物障壁層１１５、及び、ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５とＩＩＩ族窒化物障壁層１１５との間に挿入された窒化ホウ素合金中間層１１０を備える。ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５の一部は、窒化ホウ素合金中間層１１０に隣接するＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５の側にある二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネル１０７を含む。図示の実施形態では、２ＤＥＧチャネル１０７は、介在層なしで窒化ホウ素合金中間層１１０に隣接している。当業者は、２ＤＥＧにおいて、ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５を越えて、窒化ホウ素合金中間層１１０及び／又はＩＩＩ族窒化物障壁層１１５に延びることができることを理解するであろう。半導体デバイス１００はまた、ＩＩＩ族窒化物障壁層１１５に配置されたＩＩＩ族窒化物キャップ層１２０を含むことができる。キャップ層は不要であるが、デバイス全体の性能を向上することを認識すべきである。
理解されるように、半導体デバイス１００は、高電子移動度トランジスタである。従って、ＩＩＩ族窒化物障壁層１１５の伝導帯の最小値は、ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５の伝導帯の最小値より大きくなければならない。さらに、窒化ホウ素合金中間層１１０の伝導帯の最小値は、ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５の伝導帯の最小値より大きくなければならない。さらに、ＩＩＩ族窒化物バッファ層１１５とＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５との間に分極差がなければならず、その結果、ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５及びＩＩＩ族窒化物障壁層１１５がヘテロ接合を形成すると、ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５の上部に２ＤＥＧチャネルが形成される。さらに、窒化ホウ素合金中間層１１０とバッファ層１０５との間に分極差がなければならず、窒化ホウ素合金中間層１１０及び障壁層１１５がヘテロ接合を形成すると、ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５の上部に２ＤＥＧチャネルが形成される。さらに、窒化ホウ素合金中間層１１０とＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５との間に分極差がなければならず、その結果、窒化ホウ素合金中間層１１０及びＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５がヘテロ接合を形成すると、ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５の上部に２ＤＥＧチャネルが形成される。
一実施形態では、バッファ層１０５は、窒化ガリウム（ＧａＮ）バッファ層であり得、窒化ホウ素合金中間層１１０は、窒化ホウ素アルミニウム（ＢＡｌＮ）中間層であり得、障壁層１１５は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）障壁層であり得、キャップ層１２０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）キャップ層であり得る。さらに、窒化ガリウムバッファ層１０５は、例えば、３μｍの厚さとすることができる。窒化ホウ素合金中間層１１０は、例えば、Ｂ０．１４Ａｌ０．８６Ｎ中間層などの１〜２ｎｍ厚の窒化ホウ素アルミニウム中間層であり得る。他の実施形態では、窒化ホウ素合金中間層は、０．１〜１０ｎｍの範囲の厚さを有することができる。ホウ素の割合は、１４％である必要はなく、０．１％から１００％の間の任意の値にすることができる。他の実施形態では、窒化ホウ素合金中間層１１０は、ホウ素、ガリウム及び窒素、ホウ素、インジウム及び窒素、ホウ素、アルミニウム、ガリウム及び窒素、ホウ素、インジウム、ガリウム及び窒素、ホウ素、アルミニウム、インジウム及び窒素、並びに、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム及び窒素のうちの１つを含むことができる。
窒化アルミニウムガリウム障壁層１１５は、例えば、１５から６０ｎｍの間の厚さとすることができ、例えば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ又は傾斜組成材料を含むことができる。キャップ層１２０は、例えば、２ｎｍの厚さの窒化ガリウム層であり得る。図１から理解されるように、各層は、介在層なしに、別の層に直接隣接しており、別の層と物理的に隣接している。
ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５、窒化ホウ素合金中間層１１０、ＩＩＩ族窒化物障壁層１１５、及び、ＩＩＩ族窒化物キャップ層１２０は、上で論じたもの以外の他のＩＩＩ族窒化物合金を含み得ることが認識される。例えば、ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むことができ、窒化ホウ素合金中間層１１０は、Ｂ０．１４Ａｌ０．８６Ｎを含むことができ、ＩＩＩ族窒化物障壁層１１５は、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ｎを含むことができる。別の例では、ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むことができ、窒化ホウ素合金中間層１１０は、Ｂ０．１３Ａｌ０．８７Ｎを含むことができ、ＩＩＩ族窒化物障壁層１１５は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むことができる。さらなる例では、ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５は、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを含むことができ、窒化ホウ素合金中間層１１０は、Ｂ０．１５Ａｌ０．８５Ｎを含むことができ、ＩＩＩ族窒化物障壁層１１５は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むことができる。これらは単なる例であり、限定的なものと見なされるべきではない。
図２は、実施形態による図１の半導体デバイス１００を形成する方法のフローチャートである。最初に、ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５が基板（図示せず）に形成される（ステップ２０５）。次に、窒化ホウ素合金中間層１１０が、ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５に形成される（ステップ２１０）。ＩＩＩ族窒化物障壁層１１５が、窒化ホウ素合金中間層１１０に形成される（ステップ２１５）。最後に、ＩＩＩ族窒化物キャップ層１２０が、ＩＩＩ族窒化物障壁層１１５に形成される（ステップ２２０）。ＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５の一部は、窒化ホウ素合金中間層１１０に隣接するＩＩＩ族窒化物バッファ層１０５の側に二次元ガス（２ＤＥＧ）チャネル１０７を含む。
図２の方法は、例えば、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）及び分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの任意の適切な技術を使用して実行することができる。窒化ホウ素アルミニウム中間層の高い結晶化度及びヘテロ接合を生成するために使用できる成長条件の詳細は、Ｘ． Ｌｉ ｅｔ ａｌ．， “１００−ｎｍ ｔｈｉｃｋ ｓｉｎｇｌｅ−ｐｈａｓｅ ｗｕｒｔｚｉｔｅ ＢＡｌＮ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ ｂｏｒｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｖｅｒ １０％，” Ｐｈｙｓ． Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ Ｂ ２５４ （８）， １６００６９９ （２０１７）、及び、Ｈ． Ｓｕｎ ｅｔ ａｌ．， “Ｂａｎｄ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｏｆ Ｂ０．１４Ａｌ０．８６Ｎ ／ Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ，” Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． １１１ （１２）， １２２１０６ （２０１７）に見ることができる。
図３は、実施形態による半導体デバイスのブロック図である。半導体デバイス１００とは異なり、半導体デバイス３００は、少なくとも２つの中間層を含む。具体的には、ＩＩＩ族窒化物中間層３１０が、ＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５に配置され、窒化ホウ素合金中間層３１５が、ＩＩＩ族窒化物中間層３１０に配置される。ＩＩＩ族窒化物障壁層３２０が、窒化ホウ素合金中間層３１５に配置される。ＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５の一部は、ＩＩＩ族窒化物中間層３１０に隣接する２ＤＥＧチャネル３０７を含む。当業者は、２ＤＥＧチャネルにおいて、ＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５を越えて、ＩＩＩ族窒化物中間層３１０、窒化ホウ素合金中間層３１５、及び／又は、ＩＩＩ族窒化物障壁層３２０に延びることができることを理解するであろう。半導体デバイス３００はまた、窒化物障壁層３２０に配置されたＩＩＩ族窒化物キャップ層３２５を含むことができる。
図３は、ＩＩＩ族窒化物中間層３１０がＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５に直接隣接し、窒化ホウ素合金中間層３１５がＩＩＩ族窒化物障壁層３２０に直接隣接していることを示しているが、デバイスにおけるこれらの中間層の順序は、窒化ホウ素合金中間層３１５がＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５に直接隣接し、ＩＩＩ族窒化物中間層３１０がＩＩＩ族窒化物障壁層３２０に直接隣接するように、逆にされ得る。ＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５及びＩＩＩ族窒化物障壁層３２０に対するＩＩＩ族窒化物中間層３１０及び窒化ホウ素合金中間層３１５の配置は、ＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５及びＩＩＩ族障壁層３２０の組成並びにデバイスの意図された用途に依存する。
理解されるように、半導体デバイス３００は、高電子移動度トランジスタである。従って、ＩＩＩ族窒化物障壁層３２０の伝導帯の最小値は、ＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５の伝導帯の最小値より大きくなければならない。さらに、ＩＩＩ族窒化物中間層３１０及び窒化ホウ素合金中間層３１５の両方の伝導帯の最小値は、ＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５の伝導帯の最小値より大きくなければならない。さらに、ＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５（又は、窒化ホウ素合金中間層３１５）及びＩＩＩ族窒化物障壁層３２０がヘテロ接合を形成するとき、２ＤＥＧチャネルがＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５の上部に形成されるように、ＩＩＩ族窒化物障壁層３２０（又は、窒化ホウ素中間層がＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５に直接隣接している場合、窒化ホウ素合金中間層３１５）とＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５との間に分極差がなければならない。
一実施形態では、ＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５は、窒化ガリウム（ＧａＮ）バッファ層であり得、ＩＩＩ族窒化物中間層３１０は、窒化アルミニウム中間層であり得、窒化ホウ素合金中間層３１５は、窒化ホウ素アルミニウム中間層であり得、ＩＩＩ族窒化物障壁層３２０は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）障壁層であり得、キャップ層３２５は、窒化ガリウム（ＧａＮ）キャップ層であり得る。さらに、窒化ガリウムバッファ層３０５は、例えば、３μｍの厚さとすることができる。窒化アルミニウム中間層３１０は、例えば、０．５〜１ｎｍの厚さとすることができる。他の実施形態では、ＩＩＩ族窒化物中間層３１０は、窒化ホウ素合金中間層であり得る。
窒化ホウ素合金中間層３１５は、例えば、Ｂ０．１４Ａｌ０．８６Ｎ中間層などの０．５〜１ｎｍ厚の窒化ホウ素アルミニウム中間層であり得る。ＩＩＩ族窒化物中間層３１０及び窒化ホウ素合金中間層３１５が、それぞれ０．１から１０ｎｍの間で変化する厚さを有することができることを認識すべきである。さらに、他の実施形態では、窒化ホウ素合金中間層３１５は、ホウ素、ガリウム及び窒素、ホウ素、インジウム及び窒素、ホウ素、アルミニウム、ガリウム及び窒素、ホウ素、インジウム、ガリウム及び窒素、ホウ素、アルミニウム、インジウム及び窒素、並びに、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム及び窒素のうちの１つを含むことができる。
窒化アルミニウムガリウム障壁層３２０は、例えば、５〜６０ｎｍの厚さとすることができ、例えば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎを含むことができる。窒化ガリウムキャップ層３２５は、例えば、２ｎｍの厚さとすることができる。図３から理解されるように、各層は、介在層なしに、別の層に直接隣接し、別の層と物理的に隣接している。
ＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５、ＩＩＩ族窒化物障壁層３２０、及び、ＩＩＩ族窒化物キャップ層３２５は、上述したもの以外の他のタイプのＩＩＩ族窒化物を含むことができることが認識される。半導体デバイス３００の他の層構成の例は、半導体デバイス１００に関して上で論じたものと同様であり得る。
図４は、実施形態による図３の半導体デバイス３００を形成する方法のフローチャートである。最初に、ＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５が基板（図示せず）に形成される（ステップ４０５）。第１の中間層３１０又は３１５がＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５に形成され（ステップ４１０）、次に、第２の中間層３１０又は３１５が、ＩＩＩ族窒化物中間層３１０に形成される（ステップ４１５）。第１の中間層は、ＩＩＩ族窒化物中間層及び窒化ホウ素合金中間層のうちの１つであり、第２の中間層は、ＩＩＩ族窒化物中間層及び窒化ホウ素合金中間層のうちの１つである。ＩＩＩ族窒化物障壁層３２０が、第２の中間層３１０又は３１５に形成される（ステップ４２０）。最後に、ＩＩＩ族窒化物キャップ層３２５がＩＩＩ族窒化物障壁層３２０に形成される（ステップ４２５）。ＩＩＩ族窒化物バッファ層３０５の一部は、第１のＩＩＩ族窒化物中間層３１０又は３１５に隣接する２ＤＥＧチャネル３０７を含む。図４の方法は、例えば、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）及び分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの任意の適切な技術を使用して実行することができる。
開示された中間層の有効性を評価するために、いくつかの異なる中間層を比較するシミュレーションを行った。シミュレーションのセットアップでは、半導体には、窒化ガリウムバッファ層、窒化アルミニウムガリウム障壁層、及び、窒化ガリウムキャップ層が含まれる。さらに、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ障壁層の厚さは、最初は２５ｎｍに固定された。ショットキーゲートに使用される仕事関数は、ＷＦ＝５．１ｅＶで、障壁の高さは、ｅΦｂ＝０．８４ｅＶになる。
様々な層間構造の下でこのデバイス構成に基づいた窒化アルミニウムガリウム障壁層内の計算された二次元電子ガス濃度を以下の表に示す。以下の表では、ホウ素を含むすべての中間層に１４％のホウ素含有量が含まれている。しかしながら、ホウ素含有量は、０．１％から１００％の間で変動する可能性がある。ＧａＮがバッファ層として使用される。
上の表の「中間層なしの１ｎｍ」と「中間層なしの２ｎｍ」の２つのケースは、中間層なしに、窒化アルミニウムガリウム障壁層及び窒化ガリウムバッファ層のみを含むデバイスを指すことが認識されるべきである。
上の表からわかるように、１ｎｍのＡｌＮ、０．５ｎｍのＢＡｌＮ／０．５ｎｍのＡｌＮ、２ｎｍのＡｌＮ、１ｎｍのＢＡｌＮ／１ｎｍのＡｌＮを有する中間層は、ＡｌＧａＮ障壁層への二次元電子ガスのリークが最も低く（ゼロパーセント）、１ｎｍのＢＡｌＮ／１ｎｍのＡｌＮは、最高の二次元電子ガス密度を有する。
図５Ａ及び図５Ｂは、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ障壁層内の二次元電子ガス濃度と、上記の表にリストされたデバイス構造のバンド構造を示す。図示したように、二次元電子ガス濃度の増加は、１ｎｍのＡｌＮの代わりに１ｎｍのＢ０．１４Ａｌ０．８６Ｎを中間層として使用することによって達成することができる。さらに、２ｎｍのＡｌＮの中間層を２ｎｍのＢ０．１４Ａｌ０．８６Ｎの中間層で置き換えることにより、二次元電子ガス濃度の増加を達成することができる。さらに、バンド構造に基づいて、窒化ホウ素アルミニウム中間層は、電子がＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎの障壁層に浸透するための障壁高さを増加させ、従って、窒化ガリウムバッファ層に形成されたチャネル層での二次元電子ガスの閉じ込めを改善する。中間層の窒化ホウ素アルミニウム合金は、格子無秩序を有し、これは、合金散乱を引き起こし、高電子移動度トランジスタの移動度を低下させる。これは、例えば、Ｂ０．１４Ａｌ０．８６Ｎ／ＡｌＮの層間ヘテロ接合を中間層として使用して、高い二次元電子ガス濃度を維持しながら合金散乱を低減することで対処することができる。
Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ障壁層の厚さは、最適な二次元電子ガス濃度を実現するために最適化する必要がある。従って、中間層として２ｎｍのＢ０．１４Ａｌ０．８６Ｎ及び１ｎｍのＢ０．１４Ａｌ０．８６Ｎ／１ｎｍのＡｌＮを使用しながら、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ障壁層の厚さを１５〜６０ｎｍに変更した。その結果が図６に示される。図示されるように、２ｎｍのＢ０．１４Ａｌ０．８６Ｎの中間層を備えた半導体デバイスは、二次元電子ガス密度の点で、１ｎｍのＢ０．１４Ａｌ０．８６Ｎ／１ｎｍのＡｌＮの中間層を備えた半導体デバイスより常に良好に機能する。さらに、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎの障壁厚さが３５ｎｍのときに最高の二次元電子ガスが得られ、これは、２ｎｍの窒化ホウ素アルミニウムの中間層を１つ使用するか、１ｎｍのＢＡｌＮ／１ｎｍにＡｌＮの中間層を使用するかに関係なく、どちらの場合も同じである。窒化アルミニウムガリウム障壁層のアルミニウム含有量が増加すると、障壁層の最適な厚さが増加し、その逆も同様であることが認識されるべきである。
図７は、２ｎｍのＢ０．１４Ａｌ０．８６Ｎの中間層と１ｎｍのＢ０．１４Ａｌ０．８６Ｎ／１ｎｍのＡｌＮの中間層を使用したバンド構造を示す。どちらの場合も、ＡｌＧａＮ障壁層は、３５ｎｍの固定された障壁の厚さを有する。図７に示すように、ＡｌＧａＮの障壁層とその中間層との界面には強いバンド曲がりがあり、それは、窒化ガリウムバッファ層の上部に高い二次元電子ガス濃度を生成する。高電子移動度トランジスタの移動度を損なう可能性がある合金散乱効果のため、３５ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎの障壁層、及び、中間層としての１ｎｍのＢ０．１４Ａｌ０．８６Ｎ／１ｎｍのＡｌＮを有する半導体デバイスは、高出力エレクトロニクスに最適である。
上記の議論において、窒化ホウ素合金中間層は、少なくとも０．１％のホウ素を含み、これが、意図的にホウ素を含むことを示し、デバイスの形成中に生じる不純物又は汚染物質としてホウ素が接触層の一部ではないことが理解されるべきである。同様に、アルミニウム、ガリウム又はインジウムを含む層に対する上記の全ての参照は、０．１％のアルミニウム、ガリウム又はインジウムを含む層として理解されるべきであり、これが、アルミニウム、ガリウム又はインジウムの意図的な包含であることを示し、アルミニウム、ガリウム、又はインジウムが、デバイスの形成中に発生する不純物又は汚染物質として層の一部ではないことを示すものであると理解されるべきである。
高電子移動度トランジスタに関連して例示的な実施形態を説明してきたが、開示された中間層は、他のタイプのトランジスタで使用することができる。
開示された実施形態は、高電子移動度トランジスタ及び製造方法を提供する。この詳細な説明が、本発明を限定することを意図していないことが理解されるべきである。それどころか、例示的な実施形態は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神及び範囲に含まれる代替物、修正物及び等価物をカバーすることを意図している。さらに、例示的な実施形態の詳細な説明では、特許請求の範囲に記載される発明の包括的な理解を提供するために、多数の特定の詳細が述べられている。しかしながら、当業者は、そのような特定の詳細なしに様々な実施形態が実施され得ることを理解するであろう。
例示的な本実施形態の特徴及び要素は、特定の組合せで実施形態に記載されているが、各特徴又は要素は、実施形態の他の特徴及び要素なしで単独で、又は、本明細書で開示される他の特徴及び要素の有無にかかわらず、様々に組み合わせて使用することができる。
ここで記載された詳細な説明は、開示された主題の例を使用して、任意のデバイス又はシステムの作成及び使用、並びに、組み込まれた方法の実行を含む例を当業者が実施することができるようにする。主題の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲内にあることが意図されている。
１００ 半導体デバイス
１０５ ＩＩＩ族窒化物バッファ層
１０７ 二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネル
１１０ 窒化ホウ素合金中間層
１１５ ＩＩＩ族窒化物障壁層
１２０ ＩＩＩ族窒化物キャップ層
３００ 半導体デバイス
３０５ ＩＩＩ族窒化物バッファ層
３０７ 二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネル
３１０ ＩＩＩ族窒化物中間層
３１５ 窒化ホウ素合金中間層
３２０ ＩＩＩ族窒化物障壁層
３２５ ＩＩＩ族窒化物キャップ層
１０５ ＩＩＩ族窒化物バッファ層
１０７ 二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネル
１１０ 窒化ホウ素合金中間層
１１５ ＩＩＩ族窒化物障壁層
１２０ ＩＩＩ族窒化物キャップ層
３００ 半導体デバイス
３０５ ＩＩＩ族窒化物バッファ層
３０７ 二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネル
３１０ ＩＩＩ族窒化物中間層
３１５ 窒化ホウ素合金中間層
３２０ ＩＩＩ族窒化物障壁層
３２５ ＩＩＩ族窒化物キャップ層
Claims (20)
- ＩＩＩ族窒化物バッファ層（１０５、３０５）であって、その一部が、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネル（１０７、３０７）を含む、ＩＩＩ族窒化物バッファ層（１０５、３０５）と、
ＩＩＩ族窒化物障壁層（１１５、３２０）と、
前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層（１０５、３０５）と前記ＩＩＩ族窒化物障壁層（１１５、３２０）との間に挿入された窒化ホウ素合金中間層（１１０、３１５）であって、前記２ＤＥＧチャネル（１０７、３０７）を含む前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層（１０５、３０５）の一部が、前記窒化ホウ素合金中間層（１１０、３１５）に隣接する前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層（１０５、３０５）の側にある、窒化ホウ素合金中間層（１１０、３１５）と、
を備える、半導体デバイス（１００、３００）。 - 前記ＩＩＩ族窒化物障壁層に配置されたＩＩＩ族窒化物キャップ層をさらに備える、請求項１に記載の半導体デバイス。
- 前記窒化ホウ素合金中間層が、
ホウ素、アルミニウム及び窒素、
ホウ素、ガリウム及び窒素、
ホウ素、インジウム及び窒素、
ホウ素、アルミニウム、ガリウム及び窒素、
ホウ素、インジウム、ガリウム及び窒素、
ホウ素、アルミニウム、インジウム及び窒素、並びに、
ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム及び窒素
のうちの１つを含む、請求項１に記載の半導体デバイス。 - 前記窒化ホウ素合金中間層が、ヘテロ接合の一部であり、
それが、前記窒化ホウ素合金中間層と前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層との間に挿入された窒化ホウ素合金中間層をさらに備える、請求項１に記載の半導体デバイス。 - 前記窒化ホウ素合金中間層が、前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層と前記ＩＩＩ族窒化物障壁層との間に挿入されたヘテロ接合の一部であり、
前記ヘテロ接合が、窒化アルミニウム中間層をさらに備える、請求項１に記載の半導体デバイス。 - 前記ＩＩＩ族窒化物障壁層の伝導帯の最小値が、前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層の伝導帯の最小値よりも大きく、前記窒化ホウ素合金中間層の伝導帯の最小値が、前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層の前記伝導帯の最小値よりも大きく、前記窒化ホウ素合金中間層と前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層との間に分極差がある、請求項１に記載の半導体デバイス。
- 前記窒化ホウ素合金中間層が、窒化ホウ素アルミニウム中間層である、請求項１に記載の半導体デバイス。
- 前記ＩＩＩ族窒化物障壁層が、窒化アルミニウムガリウム障壁層であり、前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層が、窒化ガリウムバッファ層である、請求項７に記載の半導体デバイス。
- 前記窒化ホウ素合金中間層の一部及び／又は前記ＩＩＩ族窒化物障壁層が、前記２ＤＥＧチャネルの部分を含む、請求項１に記載の半導体デバイス。
- 前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層が、窒化ガリウムを含み、前記窒化ホウ素中間層が、Ｂ０．１４Ａｌ０．８６Ｎを含み、及び、前記ＩＩＩ族窒化物障壁層が、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ｎを含み、
前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層が、窒化ガリウムを含み、前記窒化ホウ素中間層が、Ｂ０．１３Ａｌ０．８７Ｎを含み、及び、前記ＩＩＩ族窒化物障壁層が、窒化アルミニウムを含み、又は、
前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層が、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを含み、前記窒化ホウ素中間層が、Ｂ０．１５Ａｌ０．８５Ｎを含み、及び、前記ＩＩＩ族窒化物障壁層が、窒化ガリウムを含む、
請求項１に記載の半導体デバイス。 - ＩＩＩ族窒化物バッファ層（３０５）を形成する段階（４０５）と、
前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層（３０５）に第１の中間層（３１０、３１５）を形成する段階（４１０）と、
前記第１の中間層（３１０、３１５）に第２の中間層（３１０、３１５）を形成する段階（４１５）であって、前記第１の中間層（３１０、３１５）が、ＩＩＩ族窒化物中間層（３１０）及び窒化ホウ素合金中間層（３１５）の一方であり、前記第２の中間層（３１０、３１５）が、前記ＩＩＩ族窒化物中間層（３１０）及び前記窒化ホウ素合金中間層（３１５）の他方である、第２の中間層（３１０、３１５）を形成する段階（４１５）と、
前記第２の中間層（３１５）にＩＩＩ族窒化物障壁層（３２０）を形成する段階（４２０）と、
を含み、
前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層（３０５）の一部が、前記第１のＩＩＩ族窒化物中間層（３１０、３１５）に隣接する二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネル（３０７）を含む、
半導体デバイス（３００）を形成する方法。 - 前記ＩＩＩ族窒化物障壁層にＩＩＩ族窒化物キャップ層を形成する段階をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
- 前記窒化ホウ素合金中間層が、
ホウ素、アルミニウム及び窒素、
ホウ素、ガリウム及び窒素、
ホウ素、インジウム及び窒素、
ホウ素、アルミニウム、ガリウム及び窒素、
ホウ素、インジウム、ガリウム及び窒素、
ホウ素、アルミニウム、インジウム及び窒素、並びに、
ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム及び窒素
のうちの１つを使用して形成される、請求項１１に記載の方法。 - 前記ＩＩＩ族窒化物中間層が、窒化ホウ素又は窒化アルミニウムを使用して形成される、請求項１１に記載の方法。
- 前記ＩＩＩ族窒化物障壁層の伝導帯の最小値が、前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層の伝導帯の最小値より大きく、前記第１及び第２の中間層の伝導帯の最小値が、前記ＩＩＩ族窒化物の前記伝導帯の最小値より大きく、前記第１の中間層と前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層との間に分極差がある、請求項１１に記載の方法。
- ＩＩＩ族窒化物バッファ層（３０５）であって、その一部が、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネル（３０７）を含む、ＩＩＩ族窒化物バッファ層（３０５）と、
前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層（３０５）に配置された第１の中間層（３１０、３１５）と、
前記第１の中間層（３１０、３１５）に配置された第２の中間層（３１０、３１５）であって、前記第１の中間層（３１０、３１５）が、ＩＩＩ族窒化物中間層（３１０）及び窒化ホウ素合金中間層（３１５）の一方であり、前記第２の中間層（３１０、３１５）が、前記ＩＩＩ族窒化物中間層（３１０）及び前記窒化ホウ素合金中間層（３１５）の他方である、第２の中間層（３１０、３１５）と、
前記第２の中間層（３１５）に配置されたＩＩＩ族窒化物障壁層（３２０）であって、前記２ＤＥＧチャネル（３０７）を含む前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層（３０５）の一部が、前記第１の中間層（３１０）に隣接する前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層（３０５）の側面にある、ＩＩＩ族窒化物障壁層（３２０）と、
を備える、半導体デバイス（３００）。 - 前記ＩＩＩ族窒化物障壁層に配置されたＩＩＩ族窒化物キャップ層をさらに備える、請求項１６に記載の半導体デバイス。
- 前記窒化ホウ素合金中間層が、
ホウ素、アルミニウム及び窒素、
ホウ素、ガリウム及び窒素、
ホウ素、インジウム及び窒素、
ホウ素、アルミニウム、ガリウム及び窒素、
ホウ素、インジウム、ガリウム及び窒素、
ホウ素、アルミニウム、インジウム及び窒素、並びに、
ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム及び窒素
のうちの１つを含む、請求項１６に記載の半導体デバイス。 - 前記ＩＩＩ族窒化物中間層が、窒化ホウ素又は窒化アルミニウムを含む、請求項１６に記載の半導体デバイス。
- 前記ＩＩＩ族窒化物障壁層の伝導帯の最小値が、前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層の伝導帯の最小値より大きく、前記第１及び第２の中間層の伝導帯の最小値が、前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層の前記伝導帯の最小値より大きく、前記第１の中間層と前記ＩＩＩ族窒化物バッファ層との間に分極差がある、請求項１６に記載の半導体デバイス。
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