JP3723018B2

JP3723018B2 - 窒化物半導体装置

Info

Publication number: JP3723018B2
Application number: JP27542999A
Authority: JP
Inventors: 忠厳土屋
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JP2001102564A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体を使用した窒化物半導体装置、特に高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor ）の如きヘテロ接合を有する窒化物半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた電界効果型トランジスタの従来例を示すものである。図５に示した電界効果型トランジスタは、いわゆるＨＥＭＴ構造のものであり、サファイア基板１の上にバッファ層２、チャネル層４、電子供給層６を順次積層した構造のエピタキシャルウェハより作成される。
【０００３】
高電子移動度トランジスタは、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を利用する素子であり、ヘテロ構造を有した化合物半導体素子である。
【０００４】
窒化ガリウム系化合物半導体を使用した高電子移動度トランジスタでは、電子供給層６であるｎ型不純物をドープした層に窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）を、そしてチャネル層４となるノンドープ層に窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）を使用した選択ドープ構造を用いている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の高電子移動度トランジスタには、次のような問題点がある。
【０００６】
電子供給層に使用される窒化アルミニウム・ガリウムは、圧電係数が大きいため、ピエゾ効果の大きな材料である。しかも、上記選択ドープ構造では、窒化アルミニウム・ガリウムの格子定数が窒化ガリウムより小さいために、大きな引張応力を内在することになり、ヘテロ界面には大きなピエゾ電荷が形成される。
【０００７】
一方、高電子移動度トランジスタでは、電子供給層とチャネル層との間のヘテロ界面のチャネル層側に蓄積する２次元電子ガスの濃度が高くなるように、かつ、電子移動度が大きくなるようにする必要がある。
【０００８】
この点に関し、上記ピエゾ電荷の存在は、その影響で、ヘテロ界面には高濃度の２次元電子ガスが形成され、高電子移動度トランジスタのオン抵抗を低減し、デバイスの特性向上に寄与するという利点をもたらす。しかし、その反面、このピエゾ電荷は２次元電子ガスに近接して形成されるために、ピエゾ電荷によるクーロン散乱が非常に大きくなってしまい、電子移動度の低下や高周波特性の劣化を生じさせてしまう。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ヘテロ界面のピエゾ電荷によるクーロン散乱を軽減して、本来の高い電子移動度を実現し得る窒化物半導体装置の構造を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、窒化ガリウムバッファ層の上に、アンドープ窒化ガリウム層と、ノンドープの窒化ガリウムまたは窒化インジウム・ガリウムから成るチャネル層と、ｎ型不純物をドープした窒化アルミニウム・ガリウムから成る電子供給層とが順に形成され、上記チャネル層と上記電子供給層とがヘテロ接合を有する選択ドープ構造において、上記電子供給層と上記チャネル層との間に、窒化ガリウムと格子整合し、弾性的な歪みを有しない窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム層を挿入したことを特徴とするものである（請求項１）。
【００１３】
次に、本発明の作用について説明する。
【００１４】
ヘテロ接合のピエゾ電荷は窒化アルミニウム・ガリウム電子供給層のチャネル層側に出現する。このため、２次元電子ガスはこのピエゾ電荷によって大きなクーロン散乱を受け，本来の高い電子移動度が実現しない。
【００１５】
ガリウム砒素（ＧａＡｓ）系高電子移動度トランジスタなど、既存のトランジスタであれば、ピエゾ効果は小さく無視できるために、従来では、電子供給層のイオン化したドナーによるクーロン散乱だけを考慮すればよかった。そのため、これを弱めるために、ヘテロ界面に「スペーサ層」と呼ばれる電子供給層と電子親和力が等しく、かつドナー不純物を含まない層を設けることでチャネル層の移動度を増すことができた。
【００１６】
しかしながら、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）を電子供給層に使用する窒化ガリウム（ＧａＮ）系高電子移動度トランジスタの場合には、弾性歪みによるピエゾ電荷が問題となるので、従来のドナー不純物を含まない層を設ける方法ではピエゾ効果は抑止することができず、効果がない。つまり、電子供給層と同じ窒化アルミニウム・ガリウムをスペーサ層に使用しても、この層も弾性的に歪んでいるため、ピエゾ電荷が発生してしまい、クーロン散乱を軽減する役に立たない。
【００１７】
０そこで本発明では、ヘテロ接合をなす上記ｎ型層と上記ノンドープ層との間に、スペーサ層として、弾性的な歪みを有しない窒化化合物半導体層、つまり弾性歪みが小さくピエゾ電荷の現れない層を挿入し使用する。このような窒化化合物半導体は窒化ガリウムに格子定数が等しい化合物半導体であり、例えば窒化アルミニウム・ガリウム・インジウムがある。即ち、スペーサ層の窒化アルミニウム・ガリウムにインジウムを添加すると、スペーサ層の格子定数が大きくなり、窒化ガリウムと格子整合させることができ、ピエゾ電荷の発生を抑止することができる。このため、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウムに本来のスペーサとしての働きをさせることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の窒化物半導体装置例としての高電子移動度トランジスタの作成に用いたエピタキシャルウェハの断面構造を模式的に示したものである。
【００２０】
サファイア基板（又は炭化珪素基板）１上にＧａＮバッファ層２及びアンドープＧａＮ層３を設け、その上に膜厚１０nmのアンドープＩｎＧａＮチャネル層４を設け、さらにその上に膜厚２nmのアンドープ（Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75）_1-xＩｎ_xＮスペーサ層５を介して、膜厚３０nmのｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ電子供給層６を設けている。この構造は、アンドープＩｎＧａＮチャネル層４とｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ電子供給層６との間に、アンドープ（Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75）_1-xＩｎ_xＮスペーサ層５を設けている点に特色がある。
【００２１】
減圧有機金属気相成長法により、図１に示す上記断面構造のエピタキシャルウェハを作製した。III 族原料にはトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムを、また窒素原料にはアンモニアを使用し、キャリアガスには水素、窒素を使用した。
【００２２】
このエピタキシャル構造の電気特性をvan der Pauw法によるＨａｌｌ測定にて評価した。
【００２３】
図２は、２次元電子ガスの移動度とスペーサ層５の（Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75）_1-xＩｎ_xＮのＩｎ組成ｘとの相関を示した図である。
【００２４】
スペーサ層５に使う窒化アルミニウム・ガリウム・インジウムのインジウム量、つまり（Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75）_1-xＩｎ_xＮのＩｎ組成ｘを変えて、電子移動度μ（cm²／Ｖｓ）を測定したところ、図２に示すようにインジウムＩｎを添加するにしたがって大きく変化した。
【００２５】
一方、シートキャリア濃度の変化を図３に示す。図３は、２次元電子ガスのシートキャリア濃度Ｎｓ（×１０¹³cm^-2）とスペーサ層５の（Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75）_1-xＩｎ_xＮのＩｎ組成ｘとの相関を示した図である。
【００２６】
図３に示すように、インジウム組成が１０％（Ｉｎ組成ｘ＝０．１０）を越えると、シートキャリア濃度Ｎｓが大きく減少し始める。このため、電子移動度μの変化も考慮に入れると、インジウム組成５％（ｘ＝０．０５）がこの構造では最適であると分かる。この例ではインジウム添加前のアルミニウムの組成が２５％であった。
【００２７】
次に、このアルミニウム組成（ｘ＝０．０５）の時の格子定数のインジウム組成依存性を調べたところ、図４に示す通りであった。この図４は、スペーサ層５の（Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75）_1-xＩｎ_xＮのＩｎ組成ｘと格子定数ａ（nm）の関係を示している。
【００２８】
図４において、点線はＧａＮの格子定数の位置を示している。実線は、スペーサ層５の格子定数ａが、その（Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75）_1-xＩｎ_xＮのＩｎ組成ｘの変化と共に変化する様子を示している。この２つのラインの交点が、スペーサ層５の格子定数ａがＧａＮの格子定数と一致した所になる。即ち、図４中に矢印で示すように、インジウム組成が５．１％の時、スペーサ層５がほぼ窒化ガリウムと格子整合する。
【００２９】
したがって、このような格子整合をさせるには、スペーサ層５の（Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75）_1-xＩｎ_xＮのＩｎ組成ｘを調整して、ｘ＝０．０５（インジウム組成５．１％）とすればよい。このインジウム組成５．１％の点は、図３で説明したように、２次元電子ガスのシートキャリア濃度Ｎｓとスペーサ層５のＩｎ組成ｘとの相関関係が最適な所でもある。
【００３０】
このようにスペーサをほぼ窒化ガリウムと格子整合させることにより、ヘテロ接合におけるピエゾ電荷が減少して、クーロン散乱が軽減され、本来の高い電子移動度が実現される。
【００３１】
上記実施形態で述べた窒化物系高電子移動度トランジスタは、１０〜１００GHz の高周波帯域で高効率高出力が期待できるため、これからの超高速無線ＬＡＮ用、ワイヤレスＣＡＴＶ用の高効率パワートランジスタとして利用の拡大が期待される。
【００３２】
従来この周波数帯域のパワートランジスタは、効率、パワー密度ともに不足しており、そのために仮に製作しても効率、パワー密度の不足分を、素子を並列化、大型化することでカバーせざるを得ず、高価になる、放熱が問題になるなど、といった課題が多い。本実施形態で述べた窒化物系高電子移動度トランジスタ素子が実用化されることで、これら課題が解決され、コンパクトで低価格かつ高効率な素子が実現できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜４記載の発明によれば、ｎ型不純物をドープした窒化アルミニウム・ガリウムから成るｎ型層と、ノンドープの窒化ガリウムまたは窒化インジウム・ガリウムから成るノンドープ層とのヘテロ接合を有する選択ドープ構造において、上記ｎ型層と上記ノンドープ層との間に弾性的な歪みを有しない窒化化合物半導体層を挿入したので、これがピエゾ電荷の現れないスペーサ層を挿入したことと等価的に作用し、クーロン散乱を軽減して、チャネル層の本来の高い電子移動度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化物半導体装置用エピタキシャルウェハの断面構造を模式的に示した図である。
【図２】２次元電子ガスの移動度とスペーサ層の（Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75）_1-xＩｎ_xＮのＩｎ組成ｘとの相関を示した図である。
【図３】２次元電子ガスのシートキャリア濃度とスペーサ層の（Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75）_1-xＩｎ_xＮのＩｎ組成ｘとの相関を示した図である。
【図４】スペーサ層の（Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75）_1-xＩｎ_xＮのＩｎ組成ｘと格子定数の関係を示した図である。
【図５】従来の窒化物半導体装置用エピタキシャルウェハの断面構造を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１サファイア基板
２バッファ層
３アンドープＧａＮ層
４チャネル層
５スペーサ層
６電子供給層

Claims

窒化ガリウムバッファ層の上に、アンドープ窒化ガリウム層と、ノンドープの窒化ガリウムまたは窒化インジウム・ガリウムから成るチャネル層と、ｎ型不純物をドープした窒化アルミニウム・ガリウムから成る電子供給層とが順に形成され、上記チャネル層と上記電子供給層とがヘテロ接合を有する選択ドープ構造において、上記電子供給層と上記チャネル層との間に、窒化ガリウムと格子整合し、弾性的な歪みを有しない窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム層を挿入したことを特徴とする高電子移動度トランジスタ。