JP3124664U - 窒化ガリウム系化合物半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化ガリウム系化合物半導体基板の主面に良好に密着するショットキーバリア電極を備えた、窒化ガリウム系化合物半導体素子を提供する。
【解決手段】窒化ガリウム系化合物半導体基板の主面に形成されるショットキーバリア電極を、第１の金属層６Ａと、この上に形成された第２の金属層６Ｂとで構成する。第１の金属層はＮｉ、Ｐｔ、ＰｄまたはＲｈから選ばれた少なくとも１つの金属を含む層から成り、第２の金属層はAlから成る。第１の金属層は仕事関数が大きく、窒化ガリウム系化合物半導体基板との界面にショットキー接合を良好に形成する。また、Ａｌが第１の金属層を拡散して窒化ガリウム系化合物半導体基板の主面に達すると、第１の金属層と窒化ガリウム系化合物半導体基板との密着性が向上する。
【選択図】図１

Description

本考案は、窒化ガリウム系化合物半導体素子に関し、詳細には、窒化ガリウム系化合物半導体から成る半導体基板の主面に良好に密着するショットキーバリア電極を備えた窒化ガリウム系化合物半導体素子に関するものである。

窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体素子は、破壊電界が高く、且つＧａＡｓと同程度の高い電子移動度が得られることから、高周波・高出力用半導体デバイスとして注目されている。
従来の窒化ガリウム系化合物半導体を用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタ（HEMT）は、Ｓｉ、ＳｉＣまたはサファイアから成る基板の上面に、ＧａＮバッファ層と、ＧａＮ電子走行層と、ＡｌＧａＮ電子供給層が順次形成された半導体基板と、この半導体基板の上面に形成されたゲート電極、ソース電極およびドレイン電極とを備えている。ゲート電極はＡｌＧａＮ電子供給層との界面にショットキー障壁を形成する電極、即ちショットキーバリア電極（ショットキー接合電極）であり、ソース電極およびドレイン電極はＡｌＧａＮ電子供給層と低抵抗接触する電極、即ちオーミック電極である。

ここで、窒化ガリウム系化合物半導体素子のショットキーバリア電極は、一般的に、仕事関数の高い金属層（このような金属層としては、Ｎｉの他にＰｔやＰｄがある）の上にＡｕから成る金属層を積層して成る。このようなショットキーバリア電極を備えた窒化ガリウム系化合物半導体素子は、たとえば特許文献１に開示されている。

しかし、このようなショットキーバリア電極は窒化ガリウム系化合物半導体から成る半導体基板の主面に良好に密着せず、ショットキーバリア電極が窒化ガリウム系化合物半導体から成る半導体基板の主面から剥がれ易いという問題があった。
特開２００５−８６１７１号公報

本考案の解決しようとする問題点は、窒化ガリウム系化合物半導体から成る半導体基板の主面に、密着性に優れたショットキーバリア電極を形成することが困難であるという点である。
本考案は、上記の事情を鑑みてなされたものであって、窒化ガリウム系化合物半導体から成る半導体基板の主面に良好に密着するショットキーバリア電極を備えた、ショットキーバリアダイオード、ＨＥＭＴ等の窒化ガリウム系化合物半導体素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本考案は次のような窒化ガリウム系化合物半導体素子を提供する。
即ち、請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子は、電子走行層と電子供給層とを有する窒化ガリウム系化合物半導体から成る半導体基板と、この電子供給層の主面に形成され且つ電子供給層の主面との界面にショットキー障壁を形成する第１の電極と、電子供給層の主面に形成され且つ電子供給層の主面に低抵抗接触する第２の電極とを有し、第１の電極は前記電子供給層の主面に接触する第１の金属層と、第１の金属層の上面に形成された第２の金属層とを備えており、第１の金属層はＮｉ、Ｐｔ、ＰｄまたはＲｈから選ばれた少なくとも１つの金属を含む層から成り、第２の金属層はAlから成ることを特徴とする。

請求項２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子は、請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子において、第１の金属層の、電子供給層の主面との界面にＮｉ、Ｐｔ、ＰｄまたはＲｈから選ばれた少なくとも１つの金属とＡｌとが含まれていることを特徴とする。

請求項３に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子は、請求項１または２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子において、第１の金属層の厚みが１０ｎｍ〜２００ｎｍであることを特徴とする。

請求項４に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子は、請求項１、２または３のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子において、第２の電極は、電子供給層の主面に接触するＴｉから成る第３の金属層と、第３の金属層の上面に形成されたＡｌから成る第４の金属層とを備え、第２の金属層と第４の金属層の主面にＡｌから成るリード細線が接続されていることを特徴とする。

本考案の窒化ガリウム系化合物半導体素子によれば、窒化ガリウム系化合物半導体基板の主面、即ち電子供給層の主面に形成されたショットキーバリア電極が、半導体基板の主面に接触する第１の金属層を有し、この第１の金属層がＮｉ、Ｐｔ、ＰｄまたはＲｈから選ばれた少なくとも１つの金属を含む層から成る。Ｎｉ、Ｐｔ、ＰｄまたはＲｈから選ばれた少なくとも１つの金属を含む金属層は仕事関数が大きく、窒化ガリウム系化合物半導体基板の主面との界面にショットキー接合を良好に形成する。また、本考案の窒化ガリウム系化合物半導体素子におけるショットキーバリア電極は、この第１の金属層の上にAlから成る第２の金属層が形成されている。Ａｌが、Ｎｉ、Ｐｔ、ＰｄまたはＲｈから選ばれた少なくとも１つの金属を含む層から成る第１の金属層を拡散して窒化ガリウム系化合物半導体基板の主面に達すると、第１の金属層と窒化ガリウム系化合物半導体基板との密着性が向上する。この結果、窒化ガリウム系化合物半導体から成る半導体基板の主面に良好に密着するショットキーバリア電極が得られる。

したがって、請求項２に記載の考案のように、ショットキーバリア電極の半導体基板との界面には、Ｎｉ、Ｐｔ、ＰｄまたはＲｈから選ばれた少なくとも１つの金属とＡｌとが含まれていることが望ましい。
請求項３に記載の考案のように、第１の金属層の厚みを１０ｎｍ〜２００ｎｍに設定すると、密着性に優れたショットキーバリア電極を歩留まり良く形成できる。即ち、第１の金属層の厚みを１０ｎｍ以上に設定することにより、仕事関数の大きい第１の金属層によって所望のバリアハイトを有するショットキー接合が良好に形成される。また、第１の金属層の厚みを２００ｎｍ以下に設定することにより、第２の金属層を構成するＡｌが第１の金属層を拡散して窒化ガリウム系化合物半導体基板の主面に到達し易く、第１の金属層と窒化ガリウム系化合物半導体基板との密着性が高まる。

また、請求項４に記載の考案のように、半導体基板の主面に低抵抗接触する第２の電極を、半導体基板の主面に接触するＴｉから成る第３の金属層と、その上面に形成されたＡｌから成る第４の金属層で構成すると、半導体基板の主面との界面に低抵抗接触（オーミック性接触）するオーミック電極を良好に形成できると共に、第１の電極と第２の電極の表面にＡｌから成るリード細線を良好にボンディングすることができる。

本考案の窒化ガリウム系化合物半導体素子の実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。

図１は、本考案をラテラル型のヘテロ接合電解効果型トランジスタ（ＨＥＭＴ）に適用した実施例を示す。図１のＨＥＭＴは、シリコンから成る基板１と、この基板１の主面上に形成されたＡｌＮ／ＧａＮから成る多層構造を呈するバッファ層２と、このバッファ層２の主面上に形成された電子走行層としてのアンドープＧａＮ層３と、このＧａＮ層３の主面上に形成された電子供給層としてのｎ型ＡｌＧａＮ層４とを備える半導体基板５と、この半導体基板５の主面上に形成された第１の電極としてのゲート電極６と、第２の電極としてのドレイン電極７およびソース電極８とを有している。

ゲート電極６は、本考案に従って、半導体基板５の主面に接触する第１の金属層６Ａと、第１の金属層６Ａの上面に形成された第２の金属層６Ｂとを備えており、第１の金属層６ＡはＮｉから成り、第２の金属層６BはＡｌから成る。一方、ドレイン電極７およびソース電極８は、それぞれ半導体基板５の主面に接触する第３の金属層７Ａ、８Ａと、第３の金属層７Ａ、８Ａの上面に形成された第４の金属層７Ｂ、８Ｂとを備えている。ドレイン電極７およびソース電極８の第３の金属層７Ａ、８ＡはＴｉから成り、ドレイン電極７およびソース電極８の第４の金属層７Ｂ、８ＢはＡｌから成る。

ゲート電極６の第２の金属層６Ｂの主面と、ドレイン電極７およびソース電極８の第４の金属層７Ｂ、８Ｂの主面には、Ａｌから成るリード細線９が接続されている。ゲート電極６、ドレイン電極７およびソース電極８に対するリード細線９の接続は、周知のワイヤボンディング法によってなされる。本実施例では、リード細線９と、これが接続される第２の金属層６Ｂおよび第４の金属層７Ｂ、８ＢとがいずれもＡｌから成るので、リード細線９とこれらの金属層６Ｂ、７Ｂおよび８Ｂとの界面に周知のパープルプレイグ等が生成されることがなく、リード細線９が金属層６Ｂ、７Ｂおよび８Ｂに対して強固に接続される。

ゲート電極６の第１の金属層６Ａと第２の金属層６Ｂについて詳述すると、第１の金属層６Ａは上述のようにＮｉから成り、その厚みは１００ｎｍとなっている。この１００ｎｍという第１の金属層６Ａの厚みは、この上面に形成された第２の金属層６Ｂを構成するＡｌが半導体基板５の主面にまで拡散することが可能な厚みである。即ち、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の主面に第１の金属層６Ａと第２の金属層６Ｂを順次形成するとき、第２の金属層６Ｂの形成時の熱処理、あるいはその後のプロセスでの熱処理によって、第２の金属層６Ｂを構成するＡｌが第１の金属層６Ａを通じてｎ型ＡｌＧａＮ層４の主面まで拡散する。このため、第１の金属層６Ａの半導体基板５の主面との界面には、ＮｉとＡｌとが含まれている。第１の金属層６Ａ内のＮｉとＡｌは、合金化してＡｌＮｉとして存在しているものもあるが、合金化せずにＮｉあるいはＡｌとして単体で存在している場合もある。
また、第１の金属層６Ａと接触する半導体基板５の主面には、第１の金属層６Ａに含まれるＮｉおよびＡｌと、半導体基板５のｎ型ＡｌＧａＮ層４を構成するＧａおよびＮとが混在した層が薄く形成される。
このように、第１の金属層６Ａの半導体基板５の主面との界面にＮｉとＡｌとが含まれているため、第１の金属層６Ａと半導体基板５の主面、即ちｎ型ＡｌＧａＮ層４の主面とが良好に密着する。

なお、Ａｌは仕事関数が低い金属であり、窒化ガリウム系化合物半導体との界面には良好なショットキー障壁を形成することができない。このため、第１の金属層６Ａの厚みが１０ｎｍを下回ると、第１の金属層６Ａの半導体基板５の主面との界面においてＡｌ含有量が増大してしまい、ゲート電極６と半導体基板５の主面との界面に、良好なショットキー障壁を形成することができなくなる。したがって、第１の金属層６Ａの厚みは１０ｎｍ以上、望ましくは５０ｎｍ以上に設定するのが良い。
一方、第１の金属層６Ａの厚みが大きすぎると、第２の金属層６Ｂを構成するＡｌが半導体基板５の主面にまで拡散することができず、第１の金属層６Ａと半導体基板５の主面との密着性が低下する。第１の金属層６Ａと半導体基板５の主面との密着性を良好に得るためには、第１の金属層６Ａの厚みは２００ｎｍ以下、望ましくは１５０ｎｍ以下に設定するのが良い。

以上のように、第１の金属層６Ａの厚みを１０ｎｍ〜２００ｎｍ、望ましくは５０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲に設定すると、第１の金属層６Ａの半導体基板５の主面との界面におけるＡｌとＮｉの含有率が、所望のバリアハイトを有するショットキー障壁を形成でき且つ第１の金属層６Ａと半導体基板５の主面との高い密着性を得るために最適な含有率となる。即ち、第１の金属層６Ａの半導体基板５の主面との界面におけるＡｌの含有率が、５ｗｔ％〜３０ｗｔ％となる。
なお、第１の金属層６ＡのＡｌ含有率は、その厚み方向で異なっていても良い。たとえば、第１の金属層６ＡのＡｌ含有率は、半導体基板５の主面側で相対的に低く、半導体基板５から離間するにつれて高くなるプロファイルにしても良い。また、これと逆に、半導体基板５の主面側で相対的に高く、半導体基板５から離間するにつれて低くなるプロファイルにしても良い。

次に、ドレイン電極７およびソース電極８の第３の金属層７Ａ、８Ａと第４の金属層７Ｂ、８Ｂについて詳述すると、第３の金属層７Ａ、８Ａは上述のようにＴｉから成り、その厚みは１００ｎｍとなっている。この１００ｎｍという第３の金属層７Ａ、８Ａの厚みは、この上面に形成された第４の金属層７Ｂ、８Ｂを構成するＡｌが半導体基板５の主面にまで拡散することが可能な厚みである。即ち、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の主面に第３の金属層７Ａ、８Ａと第４の金属層７Ｂ、８Ｂを順次形成するとき、第４の金属層７Ｂ、８Ｂの形成時の熱処理、あるいはその後のプロセスでの熱処理によって、第４の金属層７Ｂ、８Ｂを構成するＡｌが第３の金属層７Ａ、８Ａを通じてｎ型ＡｌＧａＮ層４の主面まで拡散する。ＴｉはＮｉに比較して窒化ガリウム系半導体基板５と良好に密着する性質を有する。しかし、第４の金属層７Ｂ、８Ｂを構成するＡｌを半導体基板５の主面にまで拡散させて、第３の金属層７Ａ、８Ａの半導体基板５の主面との界面にＴｉとＡｌを含ませることで、第３の金属層７Ａ、８Ａと半導体基板５との密着性がさらに向上する。第３の金属層７Ａ、８Ａ内のＴｉとＡｌは、合金化してＴｉＡｌとして存在しているものもあるが、合金化せずにＴｉあるいはＡｌとして単体で存在している場合もある。

また、第３の金属層７Ａ、８Ａと接触する半導体基板５の主面には、第３の金属層７Ａ、８Ａに含まれるＴｉおよびＡｌと、半導体基板５のｎ型ＡｌＧａＮ層４を構成するＧａおよびＮとが混在した層が薄く形成される。
このように、第３の金属層７Ａ、８Ａの半導体基板５の主面との界面にＴｉとＡｌとが含まれているため、第３の金属層７Ａ、８Ａと半導体基板５の主面、即ちｎ型ＡｌＧａＮ層４の主面とが更に良好に密着する。

Ａｌは仕事関数が低い金属であり、窒化ガリウム系化合物半導体との界面に良好な低抵抗接触を形成することができる。しかしながら、第３の金属層７Ａ、８Ａの厚みが５ｎｍを下回ると、第３の金属層７Ａ、８Ａの半導体基板５の主面との界面においてＡｌ含有量が増大してしまい、ドレイン電極７およびソース電極８と半導体基板５の主面との接触抵抗が増大する。したがって、ドレイン電極７およびソース電極８のオーミック性を向上するためには、第３の金属層７Ａ、８Ａの厚みは５ｎｍ以上、望ましくは１０ｎｍ以上に設定するのが良い。
一方、第３の金属層７Ａ、８Ａの厚みが大きすぎると、第４の金属層７Ｂ、８Ｂを構成するＡｌが半導体基板５の主面にまで拡散することができず、Ａｌによる第３の金属層７Ａ、８Ａと半導体基板５の主面との密着性向上効果が良好に発揮されなくなる。したがって、第３の金属層７Ａ、８Ａと半導体基板５の主面との密着性を向上するためには、第３の金属層７Ａ、８Ａの厚みは２００ｎｍ以下、望ましくは１５０ｎｍ以下に設定するのが良い。

本実施形態では、ＨＥＭＴを例に示したが、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）等に適用しても良い。この場合、アノード電極を、Ｎｉ、Ｐｔ、ＰｄまたはＲｈから選ばれた少なくとも１つの金属を含む第１の金属層と、この上に形成されたＡｌから成る第２の金属層から構成し、カソード電極を、Ｔｉから成る第１の金属層と、この上に形成されたＡｌから成る第２の金属層から構成すればよい。このようにすることで、上記実施形態と同様の効果が得られる。
また、本実施形態では、第１の電極を構成する第１の金属層がＮｉから成る場合を示したが、第１の金属層がＰｔ、ＰｄまたはＲｈ、あるいはＮｉ、Ｐｔ、ＰｄまたはＲｈから選ばれた少なくとも２つの金属を含有する金属、またはこれら金属の合金から成っていても良い。

また、第１の金属層と第２の金属層との間に、これらと異なる金属材料からなる第５の金属層が介在していても良い。同様に、第３の金属層と第４の金属層との間に、これらと異なる金属材料からなる第６の金属層が介在していても良い。ただし、第５の金属層と第６の金属層の厚みは、第２の金属層と第４の金属層を構成するＡｌが半導体基板５の主面に拡散することを大きく妨げない範囲に設定する。
また、アンドープのＧａＮ層３とｎ型ＡｌＧａＮ層４との間にＡｌＧａＮスペーサ層を形成しても良いし、基板１をＳｉCやサファイアで形成しても良い。
また、本考案にいうｎ型半導体とは、電子走行層に電子を供給する機能を有する半導体層を意味し、いわゆるｎライクの半導体を含む概念である。

本考案は、窒化ガリウム系化合物半導体を用いたＨＥＭＴ、ショットキーバリアダイオード等の半導体素子に適用できる。

本考案の実施形態に係るＨＥＭＴを示す断面図である。

符号の説明

１ シリコンから成る基板
２ バッファ層
３ アンドープのＧａＮ層
４ ｎ型ＡｌＧａＮ層
５ 半導体基板
６ ゲート電極（第１の電極）
６A 第１の金属層
６B 第2の金属層
７ ドレイン電極（第２の電極）
７A 第３の金属層
７B 第４の金属層
９ リード細線

Claims (4)

1. 電子走行層と電子供給層とを有する窒化ガリウム系化合物半導体から成る半導体基板と、前記半導体基板の電子供給層の主面に形成され且つ前記電子供給層の主面との界面にショットキー障壁を形成する第１の電極と、前記電子供給層の主面に形成され且つ前記電子供給層の主面に低抵抗接触する第２の電極とを有し、前記第１の電極は、前記電子供給層の主面に接触する第１の金属層と、前記第１の金属層の上面に形成された第２の金属層とを備え、前記第１の金属層はＮｉ、Ｐｔ、ＰｄまたはＲｈから選ばれた少なくとも１つの金属を含む層から成り、前記第２の金属層はAlから成ることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子。
2. 前記第１の金属層の、前記電子供給層の主面との界面にはＮｉ、Ｐｔ、ＰｄまたはＲｈから選ばれた少なくとも１つの金属とＡｌとが含まれていることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
3. 前記第１の金属層の厚みは、１０ｎｍ〜２００ｎｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
4. 前記第２の電極は、前記電子供給層の主面に接触するＴｉから成る第３の金属層と、前記第３の金属層の上面に形成されたＡｌから成る第４の金属層とを備え、前記第２の金属層と前記第４の金属層の主面にＡｌから成るリード細線が接続されていることを特徴とする請求項１、２または３のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。

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