JP4220683B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般式InxGayAl1-x-y N(但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表される窒化物半導体のヘテロ構造を用いた電界効果型トランジスタ(FET)に関する。
【0002】
【従来の技術】
GaN(窒化ガリウム)、AlGaN(窒化アルミニウムガリウム)、InGaN(窒化インジウムガリウム)又はInAlGaN(窒化インジウムアルミニウムガリウム)等の窒化ガリウムを含む半導体は、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率及び高い電子飽和速度等を有しているので、高周波のパワーデバイス材料として有望である。特に、上層となるAlGaN膜と下層となるGaN膜とのヘテロ接合構造(以下、AlGaN/GaNヘテロ構造と称する)においては、GaN膜におけるヘテロ接合界面の近傍に電子が高濃度で蓄積して、いわゆる二次元電子ガスが形成される。
【0003】
この二次元電子ガスは、AlGaN膜に添加されるドナー不純物と空間的に分離されて存在するために高い電子移動度を示す。従って、電界効果型トランジスタにAlGaN/GaNヘテロ構造を用いることにより、ソース抵抗成分を低減することができる。
【0004】
また、AlGaN/GaNヘテロ構造上に形成されるゲート電極から二次元電子ガスまでの距離dは通常数十nm程度と短いため、ゲート長Lgが100nm程度と短くなっても、ゲート長Lgと距離dとの比Lg/d(アスペクト比)を5〜10程度と大きくできる。このため、AlGaN/GaNヘテロ構造は、短チャネル効果の小さい良好な飽和特性を有する電界効果型トランジスタを作製しやすくするという優れた特徴を有する。
【0005】
さらに、AlGaN/GaNヘテロ構造における二次元電子ガスは、1×105 V/cm程度の高電界領域において、高周波トランジスタの材料として現在普及しているAlGaAs/InGaAsヘテロ構造等と比べて2倍以上の電子速度を有しているので、高周波のパワーデバイスへの応用が期待されている。
【0006】
ところで、AlGaN/GaNヘテロ構造又はGaNを用いた電界効果型トランジスタにおける問題点の1つとして、ゲート電圧又はドレイン電圧の印加の仕方によってトランジスタの動作が不安定になることがあげられる。具体的には、ドレイン電圧を高くしていくとドレイン電流が熱的原因以外の理由で減少してしまう現象、又はゲート電圧として印加される信号の大きさ若しくはその周波数を高くしていくと次第にドレイン電流が減少してしまう現象等が報告されている。
【0007】
このドレイン電流が減少する原因は次の様に考えられている。
(1)AlGaN/GaNヘテロ構造におけるAlGaN膜の結晶品質が悪いため、AlGaN膜中には多量の欠陥に起因する深いエネルギー準位が存在すると共にこの深いエネルギー準位が電子の捕獲中心(トラップ)として作用する。
(2)GaN膜及びAlGaN膜のそれぞれの表面に多くの欠陥が存在しているため、該欠陥に起因する深いエネルギー準位が電子の捕獲及び放出に寄与する。
【0008】
一方、ドレイン電流の減少を軽減する方法の1つとして、AlGaN/GaNヘテロ構造の上に、つまりAlGaN膜の上に、n型不純物が高濃度でドープされたGaN膜をキャップ層として形成する方法がある。
【0009】
図4(a)は、このキャップ層を有するAlGaN/GaNヘテロ構造を用いた従来の半導体装置、具体的には電界効果型トランジスタの断面図である。
【0010】
図4(a)に示すように、サファイア又は炭化ケイ素(SiC)からなる基板11上には、AlN(窒化アルミニウム)膜12を介して、GaN膜からなるバッファー層13、及びn型のAlGaN膜からなる電子供給層14が順次形成されている。電子供給層14の上面は、n型のGaN膜からなるキャップ層15によって覆われている。また、キャップ層15の所定の領域に設けられた凹部内における電子供給層14の上に、ゲート電極16が形成されていると共に、キャップ層15の上におけるゲート電極16の両側にソース電極17及びドレイン電極18が形成されている。
【0011】
従来の半導体装置においては、バッファー層13における電子供給層14との界面近傍に高濃度の二次元電子ガス19が形成されるので、ゲート電極16に印加する電圧により二次元電子ガス19の濃度を制御することによってFETとしての動作が実現される。すなわち、バッファー層13の上部はチャンネル層として機能する。
【0012】
従来の半導体装置によると、キャップ層15によって電子供給層14の表面を保護できるため、電子供給層14の表面の欠陥に起因して深いエネルギー準位が形成されることを抑制できる。その結果、電子供給層14の表面における電子の捕獲及び放出に起因する電子のポテンシャルエネルギー(以下、単にポテンシャルと称する)の変動を抑制できる。このとき、キャップ層15となるGaN膜にn型不純物を添加しておくことにより、電子供給層14の表面から二次元電子ガス19までの距離を増大させることができ、それによって電子供給層14の表面におけるポテンシャル変動がチャンネル層のポテンシャルに及ぼす影響を軽減できる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体装置においては、ドレイン電流の減少を十分に防止できないという問題点と、オーミック電極となるソース電極17及びドレイン電極18のコンタクト抵抗が増大してしまうという問題点がある。
【0014】
前記に鑑み、本発明は、GaNを含む半導体のヘテロ構造を用いたFETにおいて、ドレイン電流の減少を確実に防止してFETの動作を安定させると共に、オーミック電極のコンタクト抵抗を低減できるようにすることを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本願発明者らは、従来の半導体装置の問題点、つまり、ドレイン電流の減少を十分に防止できないという第1の問題点と、オーミック電極のコンタクト抵抗が増大してしまうという第2の問題点とについて検討してみた。
【0016】
前述のように、GaNを含む半導体のヘテロ構造表面のトラップがFETの動作に及ぼす影響を低減するためには、ヘテロ構造表面から二次元電子ガスの形成領域つまりFETのチャンネル層までの距離を大きくすることが効果的である。すなわち、この距離を大きくすることによって、ヘテロ構造表面における電子の捕獲及び放出に起因する表面ポテンシャルの変動が、チャンネル層のポテンシャルに及ぼす影響を低減できる。但し、AlGaN/GaNヘテロ構造の場合、つまり電子供給層としてAlGaN膜を用いた場合、AlGaN膜はGaN膜と格子定数が異なるため、前記の効果を得るためにAlGaN膜自体を厚くすることはできない。
【0017】
そこで、従来の半導体装置においては、AlGaN膜からなる電子供給層14上にn型のGaN膜からなるキャップ層15を形成することにより、前記の効果を実現している。
【0018】
さて、第1の問題点について本願発明者らが検討してみたところ、従来の半導体装置においては、キャップ層15となるGaN膜の自発分極の大きさと、電子供給層14となるAlGaN膜の自発分極の大きさとの違いによって、FETのチャンネル層で電子濃度の低下が生じており、その結果、ドレイン電流の減少を十分に防止できないという第1の問題点が発生していることが判明した。
【0019】
また、第2の問題点について本願発明者らが検討してみたところ、従来の半導体装置においては、AlGaN/GaNヘテロ構造として、表面がIII 族原子のc面になる一般的なヘテロ構造が用いられているため、前記のGaN膜及びAlGaN膜の自発分極の大きさの違いに起因して、キャップ層15と電子供給層14との界面にポテンシャルの山が形成され、その結果、オーミック電極のコンタクト抵抗が増大してしまうという第2の問題点が発生していることが判明した。
【0020】
図4(b)は、図4(a)のA−A’に沿った電子のポテンシャルエネルギーの変化を模式的に示した図である。
【0021】
図4(b)に示すように、キャップ層15(n型GaN膜)と電子供給層14(n型AlGaN膜)との接合部にポテンシャルの山が生じるため、キャップ層15上にソース電極17及びドレイン電極18を形成したときに、ソース電極17及びドレイン電極18のそれぞれにおける実質的にオーミック電極として機能する部分の実効的なコンタクト抵抗が大きくなってしまう。
【0022】
本発明は、以上の知見に基づきなされたものであって、具体的には、本発明に係る第1の半導体装置は、基板上に形成されたGaN膜と、GaN膜上に形成されたAlGaN膜と、AlGaN膜上に形成されたゲート電極と、AlGaN膜上におけるゲート電極の両側に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備え、ソース電極及びドレイン電極のそれぞれとAlGaN膜との間に、n型のInxGayAl1-x-yN 膜(但し、0<x<1、0≦y<1、0<x+y<1)が形成されている。
【0023】
第1の半導体装置によると、AlGaN/GaNヘテロ構造の上に、つまりAlGaN膜の上に、InGaAlN膜(InAlN膜であってもよい)を介してソース電極及びドレイン電極(以下、ソースドレイン電極と称することもある)が形成されている。このため、ヘテロ構造の表面を保護できるので、該表面の欠陥に起因して深いエネルギー準位が形成されることを抑制でき、それによって該表面における電子の捕獲及び放出に起因するポテンシャルの変動を抑制できる。また、InGaAlN膜にn型不純物がドープされているため、ヘテロ構造の表面から、ヘテロ構造における二次元電子ガスが形成されるチャンネル層までの距離を増大させることができる。従って、ヘテロ構造の表面におけるポテンシャル変動がチャンネル層のポテンシャルに及ぼす影響を軽減できるので、ドレイン電流の減少を確実に防止してFETの動作を安定させることができると共にFETを高出力化することができる。
【0024】
また、第1の半導体装置によると、ヘテロ構造上のキャップ層として従来のGaN膜に代えてInGaAlN膜を用いているため、AlGaN膜とキャップ層との間における自発分極の大きさの違いを低減できる。このため、AlGaN膜とキャップ層との界面にポテンシャルの山が形成されることを抑制できるので、キャップ層上にオーミック電極となるソースドレイン電極を形成した場合にも、オーミック電極のコンタクト抵抗を低減できる。従って、FETの特性を向上させることができると共に、FETを高効率化することができる。
【0025】
第1の半導体装置において、InxGayAl1-x-yN 膜の組成は、InxGayAl1-x-yN 膜の格子定数がGaN膜の格子定数とほぼ整合すると共にInx GayAl1-x-yN膜に発生する分極の大きさがAlGaN膜に発生する分極の大きさと等しいか又はAlGaN膜に発生する分極の大きさよりも大きくなるように設定されていることが好ましい。
【0026】
このようにすると、キャップ層となるInGaAlN膜を厚く形成できるので、ヘテロ構造の表面からチャンネル層までの距離をより増大して、ヘテロ構造の表面におけるポテンシャル変動がチャンネル層のポテンシャルに及ぼす影響を確実に軽減できる。また、AlGaN膜とキャップ層との間において、ポテンシャルの傾きが略一定になるように、又は、ポテンシャルの谷が形成されるようにできるので、キャップ層上に形成されるオーミック電極のコンタクト抵抗を確実に低減できる。
【0027】
第1の半導体装置において、GaN膜とAlGaN膜との間に、InGaN膜又はInGaN膜と他のGaN膜との積層膜がチャンネル層として形成されていてもよい。
【0028】
本発明に係る第2の半導体装置は、基板上に形成されたGaN膜と、GaN膜上に形成されたn型のInxGayAl1-x-y N膜(但し、0<x<1、0≦y<1、0<x+y<1)と、InxGayAl1-x-y N膜上に形成されたゲート電極と、InxGayAl1-x-y N膜上におけるゲート電極の両側に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備えている。
【0029】
第2の半導体装置によると、GaN膜とn型のInGaAlN膜(InAlN膜であってもよい)とのヘテロ構造の上にソースドレイン電極が形成されている。このため、InGaAlN膜を厚く形成することによって、ヘテロ構造の表面から、ヘテロ構造における二次元電子ガスが形成されるチャンネル層までの距離を増大させることができる。従って、ヘテロ構造の表面におけるポテンシャル変動がチャンネル層のポテンシャルに及ぼす影響を軽減できるので、ドレイン電流の減少を確実に防止してFETの動作を安定させることができると共にFETを高出力化することができる。
【0030】
また、第2の半導体装置によると、InGaAlN膜を厚く形成することによって、ヘテロ構造上にキャップ層を設ける必要がなくなる。このため、例えばAlGaN/GaNヘテロ構造の上にキャップ層として従来のGaN膜を形成した場合のように、半導体層間の自発分極の大きさの違い起因して、ヘテロ構造とキャップ層との界面にポテンシャルの山が形成されることがない。従って、InGaAlN膜上にオーミック電極となるソースドレイン電極を形成した場合にも、オーミック電極のコンタクト抵抗を低減できるので、FETの特性を向上させることができると共に、FETを高効率化することができる。
【0031】
第2の半導体装置において、InxGayAl1-x-yN 膜の組成は、InxGayAl1-x-yN 膜の格子定数がGaN膜の格子定数とほぼ整合するように設定されていることが好ましい。
【0032】
このようにすると、InGaAlN膜を確実に厚く形成できるので、ヘテロ構造の表面におけるポテンシャル変動がチャンネル層のポテンシャルに及ぼす影響を確実に軽減できる。
【0033】
第2の半導体装置において、GaN膜とInxGayAl1-x-yN 膜との間に、InGaN膜又はInGaN膜と他のGaN膜との積層膜がチャンネル層として形成されていてもよい。
【0034】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。
【0035】
図1(a)は、第1の実施形態に係る半導体装置、具体的には電界効果型トランジスタ(FET)の断面図である。
【0036】
図1(a)に示すように、サファイア又はSiCからなる基板101上には、膜厚100nm程度のAlN膜102を介して、膜厚2000nm程度のGaN膜からなるバッファー層103、及び膜厚20nm程度のn型のAlGaN膜からなる電子供給層104が順次形成されている。電子供給層104となるAlGaN膜におけるAlNの組成比pは0.15〜0.5程度であり(言い換えると、AlGaN膜におけるGaNの組成比は0.5〜0.85程度であり)、該AlGaN膜にはSi等のn型不純物が例えば2〜4×1018/cm3 程度の濃度で添加されている。電子供給層104の上面は、Si等のn型不純物が添加された膜厚100nm程度のInGaAlN膜からなるキャップ層105によって覆われている。また、キャップ層105の所定の領域に設けられた凹部及びその上部に、ゲート電極106が電子供給層104と接続するように形成されていると共に、キャップ層105の上におけるゲート電極106の両側にソース電極107及びドレイン電極108が形成されている。
【0037】
尚、第1の実施形態においては、塩素ガスを用いた低エネルギーのドライエッチング装置でキャップ層105に対してエッチングを行なってゲート電極形成領域となる凹部を、FETのゲート長が1μm程度になるように形成した。また、該凹部を含むキャップ層105の上にニッケル膜と金膜との積層膜を形成した後、リフトオフ法を用いて該積層膜からなるゲート電極106を形成した。
【0038】
また、第1の実施形態においては、バッファー層103における電子供給層104との界面近傍に高濃度の二次元電子ガス109が形成されるので、ゲート電極106に印加する電圧により二次元電子ガス109の濃度を制御することによってFETとしての動作が実現される。すなわち、バッファー層103の上部はチャンネル層として機能する。
【0039】
以下、キャップ層105となるInGaAlN膜の組成に対して要請される条件について説明する。
【0040】
第1の条件は、InGaAlN膜の膜厚を厚くできるように、InGaAlN膜のc面の格子定数を、バッファー層103となるGaN膜の格子定数とほぼ整合させることである。そのためには、In0.18Al0.82Nの格子定数とGaNの格子定数とがほぼ整合することに着目して、InGaAlN膜として、In0.18Al0.82NとGaNとの混晶からなる膜、つまり(In0.18Al0.82)qGa1-qN膜(但し、0<q<1)を用いればよい。このとき、InGaAlN膜の電子親和力はGaN膜の電子親和力よりも小さくなるので、電子はチャンネル層側に蓄積される。
【0041】
第2の条件は、キャップ層105となるInGaAlN膜と、電子供給層104となるAlGaN膜との界面に大きなポテンシャルの山を発生させないように、具体的には、InGaAlN膜とAlGaN膜との間でポテンシャルの傾きが略一定になるか又はポテンシャルの谷が形成されるように、InGaAlN膜に生じる分極の大きさを、AlGaN膜に生じる分極の大きさと等しいか又はAlGaN膜に生じる分極の大きさよりも大きくすることである。そのためには、第1の条件を満たす(In0.18Al0.82)qGa1-qN膜におけるqの値に制限を加える必要がある。このとき、qの値の下限は、電子供給層104となるAlGaN膜におけるAlNの組成比pの値に依存する。AlGaN膜において通常用いられるAlNの組成比pの値について、qの値の下限を計算によって求めると、pが0.1のときにはqの下限は約0.16となり、pが0.3のときには約0.47となった。すなわち、qの値の下限は、電子供給層104となるAlGaN膜におけるAlNの組成比pの約1.5倍の値と考えることができる。
【0042】
具体的には、第1の実施形態で試作したFETにおいては、電子供給層104として膜厚20nmのAlGaN膜を用いると共に、該AlGaN膜におけるAlNの組成比pを0.2とし、該AlGaN膜におけるSiのドープ量を4×1018/cm3 とした。また、前記の第1の条件及び第2の条件を満たすように、キャップ層105として膜厚100nmの(In0.18Al0.82)qGa1-qN膜を用いると共に、該(In0.18Al0.82)qGa1-qN膜におけるqの値をpの値の1.5倍の0.3とし、該(In0.18Al0.82)qGa1-qN膜におけるSiのドープ量を2×1018/cm3 とした。この場合に予測される、図1(a)のX−X’に沿った電子のポテンシャルエネルギーの変化を図1(b)に示す。図1(b)に示すように、キャップ層105(n型InGaAlN膜)と電子供給層104(n型AlGaN膜)との間に大きなポテンシャルの山が形成されることはないと予測される。
【0043】
図2は、第1の実施形態に係る半導体装置、つまりAlGaN/GaNヘテロ構造上にキャップ層としてInGaAlN膜を有するFETの電圧電流特性(実線)を示している。尚、参考のために、図2において、図4(a)に示す従来例の半導体装置、つまりAlGaN/GaNヘテロ構造上にキャップ層としてGaN膜を有するFETの電圧電流特性(破線)も示している。また、横軸にはドレイン電圧値を示し、縦軸にはゲート幅当たりのドレイン電流値を示している。
【0044】
図2に示すように、ゲート電圧値VG が0Vのとき、キャップ層としてInGaAlN膜を用いた第1の実施形態のドレイン電流が800mA/mm程度であるのに対して、キャップ層としてGaN膜を用いた従来例のドレイン電流は500mA/mm程度である。すなわち、第1の実施形態においては、従来例と比べて30%以上ドレイン電流が増大している。
【0045】
また、図2に示すように、第1の実施形態においては、ドレイン電圧が低い場合にもドレイン電流の立ちあがりが相対的に良いのに対して、従来例においては、ドレイン電圧が低い場合のドレイン電流の立ちあがりが相対的に悪いと共に、ドレイン電流が直線的に立ちあがらない。例えばゲート電圧値VG が0Vの場合においてドレイン電流が飽和するときのドレイン電圧をニー電圧として定義すると、図2に示すように、第1の実施形態でのニー電圧が4V程度であるのに対して、従来例でのニー電圧は6V程度以上である。すなわち、第1の実施形態においては、従来例のようなソースドレイン電極のコンタクト抵抗の増大つまりオーミック電極の劣化に起因する電圧電流特性の非直線性は見られないと共に、従来例と比べて2V以上もニー電圧が改善している。この結果は、第1の実施形態ではソースドレイン電極とチャンネル層との間に(詳しくはキャップ層と電子供給層との間に)ポテンシャルの山が形成されていないのに対して、従来例ではソースドレイン電極とチャンネル層との間にポテンシャルの山が形成されていることと対応している。
【0046】
以上に説明したように、第1の実施形態によると、AlGaN/GaNヘテロ構造の上に、つまり電子供給層104となるAlGaN膜の上に、キャップ層105となるInGaAlN膜を介してソース電極107及びドレイン電極108が形成されている。このため、ヘテロ構造の表面を保護できるので、該表面の欠陥に起因して深いエネルギー準位が形成されることを抑制でき、それによって該表面における電子の捕獲及び放出に起因するポテンシャルの変動を抑制できる。また、キャップ層105となるInGaAlN膜にn型不純物がドープされているため、ヘテロ構造の表面から、ヘテロ構造における二次元電子ガス109が形成されるチャンネル層までの距離を増大させることができる。従って、ヘテロ構造の表面におけるポテンシャル変動がチャンネル層のポテンシャルに及ぼす影響を軽減できるので、ドレイン電流の減少を確実に防止してFETの動作を安定させることができると共にFETを高出力化することができる。
【0047】
また、第1の実施形態によると、ヘテロ構造上のキャップ層105として従来のGaN膜に代えてInGaAlN膜を用いているため、電子供給層104となるAlGaN膜とキャップ層105との間における自発分極の大きさの違いを低減できる。このため、AlGaN膜とキャップ層105との界面にポテンシャルの山が形成されることを抑制できるので、キャップ層105上にオーミック電極となるソース電極107及びドレイン電極108を形成した場合にも、オーミック電極のコンタクト抵抗を低減できる。従って、FETの特性を向上させることができると共に、FETを高効率化することができる。
【0048】
また、第1の実施形態によると、キャップ層105となるInGaAlN膜の組成を、InGaAlN膜の格子定数がバッファー層103となるGaN膜の格子定数とほぼ整合するように設定している。このため、InGaAlN膜を厚く形成できるので、ヘテロ構造の表面からチャンネル層までの距離をより増大して、ヘテロ構造の表面におけるポテンシャル変動がチャンネル層のポテンシャルに及ぼす影響を確実に軽減できる。
【0049】
また、第1の実施形態によると、キャップ層105となるInGaAlN膜の組成を、InGaAlN膜に発生する分極の大きさが、電子供給層104となるAlGaN膜に発生する分極の大きさと等しいか又はAlGaN膜に生じる分極の大きさよりも大きくなるように設定している。このため、AlGaN膜とキャップ層105との間において、ポテンシャルの傾きが略一定になるように、又は、ポテンシャルの谷が形成されるようにできるので、キャップ層105上に形成されるオーミック電極のコンタクト抵抗を確実に低減できる。
【0050】
尚、第1の実施形態において、キャップ層105として(In0.18Al0.82)qGa1-qN膜を用いるときに、qの値を、電子供給層104となるAlGaN膜におけるAlNの組成比pの1.5倍の値に設定したが、このqの値に対する制限は理想的な場合であって、実際にはqの値としてもっと小さい値を用いてもよい。すなわち、q=0の場合はキャップ層105が従来のGaN膜となってしまい、前述のようにソースドレイン電極とチャンネル層との間に大きなポテンシャルの山が形成される一方、qの値として例えばpと同程度の大きさの値を用いた場合には、q=0の場合と比べて、ポテンシャルの山の高さを十分に低くでき、それによってオーミック電極のコンタクト抵抗を低減するという効果を期待できる。
【0051】
また、第1の実施形態において、GaN膜からなるバッファー層103の上に、AlGaN膜からなる電子供給層104を形成したが、これに代えて、バッファー層103と電子供給層104との間に、InGaN薄膜又はInGaN薄膜とGaN薄膜との積層膜をチャンネル層として形成してもよい。
【0052】
また、第1の実施形態において、基板101としてサファイア基板又はSiC基板を用いたが、将来的には基板101としてGaN基板を用いてもよい。
【0053】
また、第1の実施形態において、キャップ層105としてInGaAlN膜を用いたが、これに限られず、キャップ層105として、一般式InxGayAl1-x-yN (但し、0<x<1、0≦y<1、0<x+y<1)で表される窒化物半導体膜を用いることができる。すなわち、キャップ層105としてInGaAlN膜に代えて例えばInAlN膜を用いてもよい。
【0054】
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。
【0055】
図3は、第2の実施形態に係る半導体装置、具体的には電界効果型トランジスタ(FET)の断面図である。
【0056】
図3に示すように、サファイア又はSiCからなる基板201上には、膜厚100nm程度のAlN膜202を介して、膜厚2000nm程度のGaN膜からなるバッファー層203、及び膜厚100nm程度のn型のInGaAlN膜からなる電子供給層204が順次形成されている。また、電子供給層204の所定の領域に設けられた深さ80nm程度の凹部及びその上部に、ゲート電極205が形成されていると共に、電子供給層204の上におけるゲート電極205の両側にソース電極206及びドレイン電極207が形成されている。
【0057】
尚、第2の実施形態においては、電子供給層204に対して選択的にドライエッチングを行なってゲート電極形成領域となる凹部を形成した。
【0058】
また、第2の実施形態においては、バッファー層203における電子供給層204との界面近傍に高濃度の二次元電子ガス208が形成されるので、ゲート電極205に印加する電圧により二次元電子ガス208の濃度を制御することによってFETとしての動作が実現される。すなわち、バッファー層203の上部はチャンネル層として機能する。
【0059】
第2の実施形態が第1の実施形態(図1(a)参照)と異なっている点は次の通りである。すなわち、第1の実施形態においては、GaN膜(バッファー層103)の上にAlGaN膜(電子供給層104)を介してInGaAlN膜(キャップ層105)が形成されていた。それに対して、第2の実施形態においては、GaN膜(バッファー層203)の上にInGaAlN膜(電子供給層204)が直接形成されている。また、第2の実施形態においては、キャップ層は設けられていない。
【0060】
以下、電子供給層204となるInGaAlN膜の組成に対して要請される条件について説明する。
【0061】
第1の条件は、InGaAlN膜をGaN膜上に直接形成できると共にInGaAlN膜の膜厚を厚くできるように、InGaAlN膜のc面の格子定数を、バッファー層203となるGaN膜の格子定数とほぼ整合させることである。このとき、FETのチャンネル層となるGaN膜とInGaAlN膜との間の電子親和力(GaN膜の方がInGaAlN膜よりも大きい)の差を、GaN膜上にAlGaN膜を形成した場合におけるGaN膜とAlGaN膜との間の電子親和力(GaN膜の方がAlGaN膜よりも大きい)の差と同程度以上の大きさにすることが好ましい。
【0062】
第2の条件は、電子供給層204となるInGaAlN膜が、第1の実施形態の電子供給層104となるAlGaN膜と同様の機能を有するように、InGaAlN膜に生じる分極の大きさを、AlGaN膜に生じる分極の大きさと等しいか又はAlGaN膜に生じる分極の大きさよりも大きくすることである。
【0063】
上記の第1及び第2の条件が満たされるようにするには、第1の実施形態で述べたように、InGaAlN膜として、(In0.18Al0.82)qGa1-qN膜(但し、0<q<1)を用いると共に、第1の実施形態の電子供給層104となるAlGaN膜におけるAlNの組成比pに対してq≧1.5pとなるqを選んでやればよい。
【0064】
具体的には、第2の実施形態で試作したFETにおいては、電子供給層204として膜厚100nmのIn0.054Ga0.7Al0.246N 膜((In0.18Al0.82)qGa1-qN膜でq=0.3とした場合に相当)を用いると共に、該In0.054 Ga0.7Al0.246N膜におけるSiのドープ量を4×1018/cm3 とした。この場合、第2の実施形態に係る半導体装置、つまりInGaAlN/GaNヘテロ構造を有するFETの電圧電流特性は、図2の実線に示す第1の実施形態に係る半導体装置、つまりAlGaN/GaNヘテロ構造上にキャップ層としてInGaAlN膜を有するFETの電圧電流特性と同様のものになった。すなわち、第2の実施形態においては、従来例と比べてドレイン電流が大幅に増大した。また、第2の実施形態においては、従来例のようなオーミック電極の劣化に起因する電圧電流特性の非直線性は見られないと共に、従来例と比べてニー電圧が大幅に改善した。
【0065】
以上に説明したように、第2の実施形態によると、バッファー層203となるGaN膜と、電子供給層204となるn型のInGaAlN膜とのヘテロ構造の上にソース電極206及びドレイン電極207が形成されている。このため、InGaAlN膜を厚く形成することによって、ヘテロ構造の表面から、ヘテロ構造における二次元電子ガス208が形成されるチャンネル層までの距離を増大させることができる。従って、ヘテロ構造の表面におけるポテンシャル変動がチャンネル層のポテンシャルに及ぼす影響を軽減できるので、ドレイン電流の減少を確実に防止してFETの動作を安定させることができると共にFETを高出力化することができる。
【0066】
また、第2の実施形態によると、InGaAlN膜を厚く形成することによって、ヘテロ構造上にキャップ層を設ける必要がなくなる。このため、例えばAlGaN/GaNヘテロ構造の上にキャップ層として従来のGaN膜を形成した場合のように、半導体層間の自発分極の大きさの違い起因して、ヘテロ構造とキャップ層との界面にポテンシャルの山が形成されることがない。従って、InGaAlN膜からなる電子供給層204上にオーミック電極となるソース電極206又はドレイン電極207を形成した場合にも、オーミック電極のコンタクト抵抗を低減できるので、FETの特性を向上させることができると共に、FETを高効率化することができる。
【0067】
また、第2の実施形態によると、電子供給層204となるInGaAlN膜の組成を、InGaAlN膜の格子定数がバッファー層203となるGaN膜の格子定数とほぼ整合するように設定している。このため、InGaAlN膜を確実に厚く形成できるので、ヘテロ構造の表面におけるポテンシャル変動がチャンネル層のポテンシャルに及ぼす影響を確実に軽減できる。
【0068】
尚、第2の実施形態において、電子供給層204として(In0.18Al0.82)qGa1-qN膜を用いるときに、qの値を、第1の実施形態の電子供給層104となるAlGaN膜におけるAlNの組成比pの1.5倍の値に設定したが、このqの値に対する制限は理想的な場合であって、実際にはqの値としてもっと小さい値を用いてもよい。
【0069】
また、第2の実施形態において、GaN膜からなるバッファー層203の上に、InGaAlN膜からなる電子供給層204を形成したが、これに代えて、バッファー層203と電子供給層204との間に、InGaN薄膜又はInGaN薄膜とGaN薄膜との積層膜をチャンネル層として形成してもよい。
【0070】
また、第2の実施形態において、基板201としてサファイア基板又はSiC基板を用いたが、将来的には基板201としてGaN基板を用いてもよい。
【0071】
また、第2の実施形態において、電子供給層204としてInGaAlN膜を用いたが、これに限られず、電子供給層204として、一般式InxGayAl1-x-yN (但し、0<x<1、0≦y<1、0<x+y<1)で表される窒化物半導体膜を用いることができる。すなわち、電子供給層204としてInGaAlN膜に代えて例えばInAlN膜を用いてもよい。
【0072】
【発明の効果】
本発明に係る第1の半導体装置によると、AlGaN/GaNヘテロ構造の上に、n型のInGaAlN膜からなるキャップ層を介してソースドレイン電極が形成されているため、ヘテロ構造の表面におけるポテンシャル変動がチャンネル層のポテンシャルに及ぼす影響を軽減できるので、ドレイン電流の減少を確実に防止してFETの動作を安定させることができると共にFETを高出力化することができる。また、キャップ層として従来のGaN膜を用いる場合と比べて、AlGaN膜とキャップ層との界面にポテンシャルの山が形成されることを抑制できるため、キャップ層上のソースドレイン電極つまりオーミック電極のコンタクト抵抗を低減できるので、FETの特性を向上させることができると共にFETを高効率化することができる。
【0073】
本発明に係る第2の半導体装置によると、GaN膜とn型のInGaAlN膜とのヘテロ構造の上にソースドレイン電極が形成されているため、InGaAlN膜を厚く形成することによって、ヘテロ構造の表面におけるポテンシャル変動がチャンネル層のポテンシャルに及ぼす影響を軽減できるので、ドレイン電流の減少を確実に防止してFETの動作を安定させることができると共にFETを高出力化することができる。また、InGaAlN膜を厚く形成することによって、ヘテロ構造上にキャップ層を設ける必要がなくなるため、つまり、ヘテロ構造とキャップ層との界面にポテンシャルの山が形成されることがないため、InGaAlN膜上のソースドレイン電極つまりオーミック電極のコンタクト抵抗を低減できるので、FETの特性を向上させることができると共にFETを高効率化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の断面図であり、(b)は(a)のX−X’に沿った電子のポテンシャルエネルギーの変化を示す図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の電圧電流特性を示す図である。
【図3】本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図4】(a)は従来の半導体装置の断面図であり、(b)は(a)のA−A’に沿った電子のポテンシャルエネルギーの変化を示す図である。
【符号の説明】
101 基板
102 AlN膜
103 バッファー層
104 電子供給層
105 キャップ層
106 ゲート電極
107 ソース電極
108 ドレイン電極
109 二次元電子ガス
201 基板
202 AlN膜
203 バッファー層
204 電子供給層
205 ゲート電極
206 ソース電極
207 ドレイン電極
208 二次元電子ガス
Claims (4)
- 基板上に形成されたGaN膜と、
前記GaN膜上に形成されたAlGaN膜と、
前記AlGaN膜上に形成されたゲート電極と、
前記AlGaN膜上における前記ゲート電極の両側に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備え、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極のそれぞれと前記AlGaN膜との間に、n型のInxGayAl1−x−yN 膜(但し、0<x<1、0≦y<1、0<x+y<1)が前記ソース電極及び前記ドレイン電極のそれぞれに接して形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記InxGayAl1−x−yN 膜の組成は、前記InxGayAl1−x−yN 膜の格子定数が前記GaN膜の格子定数と整合するように設定されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記GaN膜と前記AlGaN膜との間に、InGaN膜又はInGaN膜と他のGaN膜との積層膜が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 基板上に形成されたGaN膜と、
前記GaN膜上に形成されたAlGaN膜と、
前記AlGaN膜上に形成されたゲート電極と、
前記AlGaN膜上における前記ゲート電極の両側に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備え、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極のそれぞれと前記AlGaN膜との間に、n型のIn x Ga y Al 1−x−y N 膜(但し、0<x<1、0≦y<1、0<x+y<1)が形成されており、
前記In x Ga y Al 1−x−y N 膜の組成は、前記In x Ga y Al 1−x−y N 膜の格子定数が前記GaN膜の格子定数と整合するように設定されていることを特徴とする半導体装置。
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