JP4821178B2 - 電界効果トランジスタ - Google Patents

Description

本発明は、電界効果トランジスタに関する。

非特許文献１には、パワーデバイスの高耐圧化を実現するＧａＮ−ＨＥＭＴデバイスが記載されている。このＧａＮ−ＨＥＭＴデバイスはｎ型導電性ＳｉＣ基板上に形成されている。ＳｉＣ基板がソース電極に電気的に接続されており、これによってＳｉＣ基板にもフィールドプレート電極の役割を持たせている。

非特許文献２には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＦＥＴ（Heterostructure FieldEffect Transistor：HFET）が記載されている。ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＨＦＥＴは導電性シリコン基板上に形成されている。表面ビアホールを介して、ソース電極をシリコン基板に接続している。これによって、導電性シリコン基板をフィールドプレート電極として作用させている。

特許文献１（特開２００１−１０２３０７号公報）には、ファセット構造を利用して転位を集中させることによって低転位領域を形成するウエハ板作製技術が記載されている。この技術により、良質な窒化ガリウムウエハが作製される。この窒化ガリウムウエハを用いて、半導体レーザ素子が作製される。

特許文献２（特開２００３−１２４１１５号公報）および特許文献３（特開２００３−２７３４７０号公報）には、これらの基板を用いて半導体レーザ素子や窒化ガリウム系電子デバイスを作製する場合には、転位が集中しているコア領域を避けるようにデバイス構造を形成している。
電子情報通信学会技術研究報告ED2003-202 MW2003-230, (2004-01) 電子情報通信学会技術研究報告ED2004-212, MW2004-219, (2005-01) 特開２００１−１０２３０７号公報 特開２００３−１２４１１５号公報 特開２００３−２７３４７０号公報

窒化ガリウム系半導体素子の高耐圧化には先行文献（非特許文献１、２）に記載されているように、導電性基板をソース電極と接地させることにより裏面フィールドプレート構造を形成する。そのためにはプロセス上複雑な工程が必要となる。

例えば、非特許文献２では、ソース電極パッドを基板の裏面に設けるためにソースビア構造を採用しており、この構造を形成するために、誘導結合プラズマドライエッチング装置を用いてビアホールを形成する。また、非特許文献１には詳細な記述がなされていないけれども、ソース電極と基板を同電位にするために、非特許文献２と同様のビアホール構造或いはソース電極を基板と接続する構造が必要である。そのためには、やはり複雑なプロセス工程が必要となる。求められていることは、より簡単な構造によりフィルードプレート効果を実現できる電界効果トランジスタである。

そこで、本発明は、上記の事情を鑑みて為されたものであり、フィルードプレート効果を利用可能な構造を有する電界効果トランジスタを提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、電界効果トランジスタは、（ａ）表面及び裏面を有しており、前記裏面から前記表面に向かう第１の方向に伸びており第１の転位密度を有する第１の領域と前記第１の転位密度より小さな第２の転位密度を有する第２の領域とを含む導電性窒化ガリウム基板と、（ｂ）前記導電性窒化ガリウム基板の前記第１の領域上に設けられた第１の部分と前記導電性窒化ガリウム基板の前記第２の領域上に設けられた第２の部分とを含む窒化ガリウム系半導体領域と、（ｃ）前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第２の部分上に設けられたゲート電極と、（ｄ）前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第２の部分上に設けられたドレイン電極と、（ｅ）前記窒化ガリウム系半導体領域上に設けられており前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第１の部分に接続されたソース電極とを備え、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第１の部分の転位密度は、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第２の部分の転位密度より大きく、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第１の部分の導電率は、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第２の部分の導電率より大きい。

この電界効果トランジスタによれば、ソース電極が、窒化ガリウム系半導体領域の第１の部分を介して導電性窒化ガリウム基板と接続される。大きな転位密度を有する第１の部分にソース電極の電位が印加され、ソース電極の電位が導電性窒化ガリウム基板に伝わる。

本発明に係る電界効果トランジスタは、前記導電性窒化ガリウム基板の前記裏面上に設けられたソースパッド電極を更に備えることができる。この電界効果トランジスタによれば、ソースパッド電極が、電界効果トランジスタの基板の裏面に位置するので、電界効果トランジスタの表面にソースパッド電極を設けるのためのエリアが不要になると共に、窒化ガリウム系半導体領域の第１の部分および導電性窒化ガリウム基板を介してソース電極に電気的に接続される。

本発明に係る電界効果トランジスタでは、前記導電性窒化ガリウム基板の前記第２の領域の前記第２の転位密度は、１×１０^６ｃｍ^−２以下であることができる。この電界効果トランジスタによれば、窒化ガリウム系半導体領域の第２の部分の結晶性が良好になる。

本発明に係る電界効果トランジスタでは、前記窒化ガリウム系半導体領域は、（ｂ１）前記導電性窒化ガリウム基板の前記第１の領域上に設けられた第１の部分と前記導電性窒化ガリウム基板の前記第２の領域上に設けられた第２の部分とを含んでおり第１の窒化ガリウム系半導体からなるチャネル層と、（ｂ２）前記導電性窒化ガリウム基板の前記第１の領域上に設けられた第１の部分と前記導電性窒化ガリウム基板の前記第２の領域上に設けられた第２の部分とを含んでおり第２の窒化ガリウム系半導体からなる電子障壁層とを含んでおり、前記電子障壁層および前記チャネル層の一方は他方の上に設けられており、前記チャネル層および前記電子障壁層はヘテロ接合を形成している。この電界効果トランジスタによれば、フィルードプレート効果を利用可能なヘテロ接合トランジスタが提供される。

本発明に係る電界効果トランジスタでは、前記導電性窒化ガリウム基板は、前記第２の転位密度より大きな第３の転位密度を有しており前記第１の方向に伸びる第３の領域をさらに含み、前記窒化ガリウム系半導体領域は、前記導電性窒化ガリウム基板の前記第３の領域上に設けられた第３の部分を含み、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第３の部分の導電率は、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第２の部分の導電率より大きく、前記窒化ガリウム系半導体領域は、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第３の部分を前記ドレイン電極から分離するためのアイソレーション領域を含み、前記アイソレーション領域の深さは、前記ヘテロ接合の位置より深い。

この電界効果トランジスタによれば、導電性窒化ガリウム基板の第１および第３の領域に転位を集めて、第２の領域の転位密度を減らすことができる。窒化ガリウム系半導体領域は、ソース電極に接続されていない第３の部分を含むことができ、この第３の部分はアイソレーション領域によってドレインから電気的に分離される。

本発明に係る電界効果トランジスタでは、前記導電性窒化ガリウム基板の前記第１の領域は、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って伸びている。この電界効果トランジスタによれば、導電性窒化ガリウム基板の第１の領域に転位を集めて、第２の領域の転位密度を減らすことができる。第２の領域には、電界効果トランジスタのための良質の半導体結晶を作製可能である。

本発明に係る電界効果トランジスタでは、前記導電性窒化ガリウム基板は、前記第２の転位密度より大きな第３の転位密度を有しており前記第１の方向に伸びる複数の第３の領域をさらに含み、前記窒化ガリウム系半導体領域は、前記導電性窒化ガリウム基板の前記第３の領域上に設けられた第３の部分を含み、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第３の部分の導電率は、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第２の部分の導電率より大きく、前記導電性窒化ガリウム基板の前記第１の領域および前記第３の領域は、前記第１の方向に交差する第２および第３の方向にアレイ状に配列されている。この電界効果トランジスタによれば、導電性窒化ガリウム基板の第１および第３の領域に転位を集めて、第２の領域の転位密度を減らすことができる。第２の領域には、電界効果トランジスタのための良質の半導体結晶を作製可能である。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、フィルードプレート効果を利用可能な構造を有する電界効果トランジスタが提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の電界効果トランジスタに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

（第１の実施の形態）
図１（Ａ）は、第１の実施の形態に係る電界効果トランジスタを示す平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示されたI−I断面に沿ってとられた断面図である。電界効果トランジスタ１１は、導電性窒化ガリウム基板１３と、窒化ガリウム系半導体領域１５と、ゲート電極１７と、ドレイン電極１９と、ソース電極２１とを備える。導電性窒化ガリウム基板１３は、表面１３ａ及び裏面１３ｂを有しており、第１の転位密度を有する第１の領域１３ｃと第２の転位密度を有する第２の領域１３ｄとを含む。第１の領域１３ｃは、裏面１３ｂから表面１３ａに向かうＺ方向に伸びている。第２の領域１３ｄは、第１の領域１３ｃに隣接している。第１の領域１３ｃは、２つの第２の領域１３ｄ間に位置している。第２の領域１３ｄの第２の転位密度は、第１の領域１３ｃの第１の転位密度より小さい。窒化ガリウム系半導体領域１５は、第１の部分１５ｃと第２の部分１５ｄとを含む。第１の部分１５ｃは、導電性窒化ガリウム基板１３の第１の領域１３ｃ上に設けられている。第２の部分１５ｄは、導電性窒化ガリウム基板１３の第１の領域１３ｃ上に設けられている。ゲート電極１７は、窒化ガリウム系半導体領域１５の第２の部分１５ｄ上に設けられている。ドレイン電極１９は、窒化ガリウム系半導体領域１５の第２の部分１５ｄ上に設けられている。ソース電極２１は、窒化ガリウム系半導体領域１５上に設けられており、また窒化ガリウム系半導体領域１５の第１の部分１５ｃに接続されている。窒化ガリウム系半導体領域１５の第１の部分１５ｃの転位密度は、窒化ガリウム系半導体領域１５の第２の部分１５ｄの転位密度より大きい。窒化ガリウム系半導体領域１５の第１の部分１５ｃの導電率は、窒化ガリウム系半導体領域１５の第２の部分１５ｄの導電率より大きい。

この電界効果トランジスタ１１によれば、ソース電極２１が、窒化ガリウム系半導体領域１５の第１の部分１５ｃを介して導電性窒化ガリウム基板１３と接続される。大きな転位密度を有する第１の部分１５ｃにソース電極の電位が印加されて、このソース電極２１の電位が導電性窒化ガリウム基板１３に伝わる。小さい転位密度を有する第２の部分１５ｄがドレインおよびチャネルのために利用される。

電界効果トランジスタ１１では、導電性窒化ガリウム基板１３の第１の領域１３ｃと窒化ガリウム系半導体領域１５の第１の部分１５ｃとは、所定の面Ｓ１に沿って設けられている。つまり、転位密度の大きな領域１３ｃ、１５ｃは、Ｚ軸方向に伸びており、窒化ガリウム系半導体領域１５の第１の部分１５ｃは導電性窒化ガリウム基板１３の第１の領域１３ｃに直接に繋がっている。ソース電極２１の少なくとも一部は、窒化ガリウム系半導体領域１５の第１の部分１５ｃ上に位置しており、これにより窒化ガリウム系半導体領域１５の第１の部分１５ｃを介して導電性窒化ガリウム基板１３の第１の領域１３ｃに電気的に接続される。

この実施例では、導電性窒化ガリウム基板１３の第１の領域１３ｃは、Ｚ方向に交差するＹ方向に沿って伸びている。この電界効果トランジスタ１１によれば、導電性窒化ガリウム基板１３の第１の領域１３ｃに転位を集めて、第２の領域１３ｄの転位密度を減らすことができる。第２の領域１３ｄ上には、ＭＯＶＰＥ法またはＭＢＥ法を用いて電界効果トランジスタ１１のために良質の半導体結晶を作製可能である。例えば、導電性窒化ガリウム基板１３の第２の領域１３の第２の転位密度は、約１×１０^６ｃｍ^−２以下であることができる。この電界効果トランジスタ１１によれば、窒化ガリウム系半導体領域１５の第２の部分１５ｄの結晶性が良好になる。

また、一実施例の導電性窒化ガリウム基板１３では、第１の領域１３ｃの結晶軸は、第２の領域１３ｄの結晶軸と逆向きである。例えば、導電性窒化ガリウム基板１３の裏面１３ｂに現れた第１の領域１３ｃは、窒化ガリウムのＮ面およびＧａ面の一方であり、また裏面１３ｂに現れた第２の領域１３ｄは、窒化ガリウムのＮ面およびＧａ面の他方である。

引き続いて、電界効果トランジスタ１１の一例として、高電子移動度トランジスタを説明する。窒化ガリウム系半導体領域１５は、第１の窒化ガリウム系半導体からなるチャネル層２３と、第２の窒化ガリウム系半導体からなる電子障壁層２５とを含むことができる。第１の窒化ガリウム系半導体は、第２の窒化ガリウム系半導体と異なる。導電性窒化ガリウム基板１３上において、チャネル層２３および電子障壁層２５の一方は他方の上に設けられており、チャネル層２３および電子障壁層２５はヘテロ接合２７を形成している。

本実施例は、電子障壁層２５がチャネル層２３上に形成されている。チャネル層２３は、第１の部分２３ｃと第２の部分２５ｃとを含む。第１の部分２３ｃは、導電性窒化ガリウム基板１３の第１の領域１３ｃ上に設けられている。また、第２の部分２３ｄは、導電性窒化ガリウム基板２３の第２の領域２３ｄ上に設けられている。電子障壁層２５は、第１の部分２５ｃと第２の部分２５ｄを含む。第１の部分２５ｃは、チャネル層２３の第１の部分２３ｃ上に設けられている。第２の部分２５ｄは、チャネル層２３の第２の部分２３ｄ上に設けられている。第１の領域１３ｃは、２つの第２の領域１３ｄ間に位置している。第２の領域１３ｄの第２の転位密度が第１の領域１３ｃの第１の転位密度より小さいので、第２の部分２３ｄの第２の転位密度は、第１の部分２３ｃの第１の転位密度より小さく、また第２の部分２５ｄの第２の転位密度は、第１の部分２５ｃの第１の転位密度より小さい。

この電界効果トランジスタ１１によれば、ヘテロ接合トランジスタのソース電極は、チャネル層２３の第１の部分２３ｃおよび電子障壁層２５の第１の部分２５ｃを介して導電性窒化ガリウム基板１３に電気的に接続される。これ故に、フィルードプレート効果を利用可能なヘテロ接合トランジスタが提供される。

電子障壁層２５の窒化ガリウム系半導体のバンドギャップは、チャネル層２３の窒化ガリウム系半導体のバンドギャップより大きく、これ故に、チャネル層２３内にはヘテロ接合２７に沿って二次元電子ガス２９が形成される。二次元電子ガス２９がソース電極２１からドレイン電極１９に向かって流れ、二次元電子ガス２９の密度はゲート電極１７によって制御される。好適な実施例では、チャネル層２３はアンドープ半導体から成り、また電子障壁層２５はアンドープ半導体から成る。

電界効果トランジスタ１１は、窒化ガリウム系半導体領域１５上に設けられた保護膜３１を含むことができる。保護膜３１は、例えばＳｉＯ_２といったシリコン酸化物、ＳｉＮといったシリコン窒化膜、Ａｌ_２Ｏ_３といったアルミニウム酸化物のような絶縁物からなり、ソース電極２１とゲート電極１７との間において半導体領域１５上およびドレイン電極１９とゲート電極１７との間において半導体領域１５上に位置している。

電界効果トランジスタ１１では、窒化ガリウム系半導体領域１５は、一または複数の第３の領域１３ｅをさらに含むことができる。第３の領域１３ｅはＺ方向に伸びており、第２の領域１３ｄの転位密度より大きい第３の転位密度を有する。また、第３の転位密度は第１の転位密度と実質的に等しい。窒化ガリウム系半導体領域１５は、第３の部分１５ｅを含んでおり、第３の部分１５ｅは、導電性窒化ガリウム基板１３の第３の領域１３ｅ上に設けられている。第３の部分１５ｅおよび第３の領域１３ｅは、所定の面Ｓ２に沿って設けられている。つまり、転位密度の大きな領域１３ｅ、１５ｅは、Ｚ軸方向に伸びており、窒化ガリウム系半導体領域１５の第３の部分１５ｅは導電性窒化ガリウム基板１３の第３の領域１３ｅに直接に繋がっている。所定の面Ｓ２と所定の面Ｓ１との間隔Ｄ１は、例えば１００マイクロメートル程度であり、更なる高転位領域が所定のピッチで配列されていることができる。窒化ガリウム系半導体領域１５がチャネル層２３および電子障壁層２５を含むとき、第３の部分１５ｅは、チャネル層２３の第３の部分２３ｅと電子障壁層２５の第３の部分２５ｅとを含む。

窒化ガリウム系半導体領域１５の第３の部分１５ｅの導電率は、窒化ガリウム系半導体領域１５の第２の部分１５ｄの導電率より大きく、また窒化ガリウム系半導体領域１５の第１の部分１５ｃの導電率と実質的に同じ程度である。第３の部分１５ｅは、導電性窒化ガリウム基板１３を介して窒化ガリウム系半導体領域１５の第１の部分１５ｃに接続されるので、第３の部分１５ｅの電位は第１の部分１５ｃと同電位になる。窒化ガリウム系半導体領域１５は、窒化ガリウム系半導体領域１５の第３の部分１５ｅをドレイン電極１９から分離するためのアイソレーション領域３３を含む。アイソレーション領域３３によって、窒化ガリウム系半導体領域１５の第３の部分１５ｅがドレイン電極１９と低抵抗で電気的に繋がることを避けることができる。

窒化ガリウム系半導体領域１５がチャネル層２３および電子障壁層２５を含む場合には、アイソレーション領域３３の深さは、ヘテロ接合２７の位置より深い。これによって二次元電子ガス２９がアイソレーション領域３３によって互いに分離される。

アイソレーション領域３３として、電気的な分離のため溝を窒化ガリウム系半導体領域１５に形成することができる。或いは、アイソレーション領域３３として、電気的な分離のための高い抵抗率を有する領域を窒化ガリウム系半導体領域１５内に形成することができる。

また、電界効果トランジスタ１１では、窒化ガリウム系半導体領域１５は、ソース電極２１の下に位置する第１の部分１５ｃに沿って伸びるアイソレーション領域３５を含むことができる。

図２は、第１の実施の形態に係る電界効果トランジスタの変形例を示す図面である。変形例の電界効果トランジスタ１１ａは、導電性窒化ガリウム基板１３の裏面１３ｂ上に設けられたソースパッド電極３７を更に備えることができる。ソースパッド電極３７が、電界効果トランジスタ１１ａの基板１３の裏面１３ｂに位置するので、電界効果トランジスタ１１ａの表面にソースパッド電極を設けるのためのエリアが不要になる。

以上説明したように、本実施の形態は、複雑なプロセスを必要とせず裏面フィールドプレート構造を採用することができる。また、第１および第２の領域を有する窒化ガリウム基板を用いるので、この基板上に形成されるエピタキシャル膜の結晶性が向上される。これ故に、窒化ガリウム系パワーデバイスの耐圧を向上できる。

（実施例１）
２×１０^５ｃｍ^−２の低転位領域、厚さ３５０μｍ、２×１０^１８ｃｍ^−３のキャリア濃度のＧａＮ基板を準備する。この種のＧａＮ基板として、１０μｍ〜１ｍｍ間隔でストライプ状の高転位領域（以下、この実施例でコア領域として参照する）を有するものが得られる。このＧａＮ基板上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、１．５μｍのアンドープＧａＮ層、ついで３０ｎｍのアンドープＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ障壁層（例えば、Ｘ＝０．２５）を形成する。これにより、ヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）のためのエピタキシャル基板が作製される。上記の実施の形態のように、低転位領域上にゲート電極およびドレイン電極を形成する。ゲート電極にはＮｉ／Ａｕ構造を用い、ドレイン電極にはＴｉ／Ａｌ構造を用いる。ゲート長Ｌｇは１．５μｍであり、ゲート幅Ｗｇは２００μｍである。ソース電極は、その一部がコア領域に接するように形成される。ソース電極は、ドレイン電極と同じＴｉ／Ａｌ構造を有し、ドレイン電極の形成時に同時にソース電極も形成する。ゲート電極、ドレイン電極およびソース電極のパッド電極は、トランジスタの表面に設けられている。また、素子間分離のために、ＧａＮ層およびＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ障壁層のエッチングをＲＩＥ法で行った。さらに、保護膜としてＳｉＯ_２を用いる。図３（Ａ）に模式的に示されるＨ−ＦＥＴ１１ｂを作製する。試作したヘテロ構造電界効果トランジスタの最大相互コンダクタンス（ｇｍ）は１８０ｍＳ／ｍｍで、最大ドレイン電流は８００ｍＡ／ｍｍであった。オフ耐圧は９６０ボルトと高い値である。オン抵抗は２．３ｍΩｃｍ^２であり、この値は、パワースイッチングデバイスとしては良好な低い値である。

なお、オーミック抵抗低減のためにキャップ層を形成することもできる。また、さらに、ゲート電極、ドレイン電極およびソース電極の少なくともいずれか一つがリセス構造を有することができる。これらの場合でも、本実施の形態に係る利点は変わりなく発揮される。

（実施例２）
実施例１と同様にして、コア領域と低転位領域とを持つＧａＮ基板上にＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＦＥＴ構造のためのエピタキシャル基板を形成した。ソースパッド電極は、変形例に示されるように基板の裏面に形成される。このソースパッド電極の材料はＴｉ／Ａｌ構造を用いる。図３（Ｂ）に模式的に示されるＨ−ＦＥＴ１１ｃを作製する。その結果、オフ耐圧は１０００ボルトまで若干向上する。さらに、ソース配線抵抗を低減させることができるので、オン抵抗が１．８ｍΩｃｍ^２と低い値となった。

（実施例３）
２×１０^５ｃｍ^−２の低転位領域、厚さ３５０μｍ、２×１０^１８ｃｍ^−３のキャリア濃度のＧａＮ基板を準備する。この種のＧａＮ基板は、１０μｍ〜１ｍｍ間隔でストライプ状のコア領域を有する。このＧａＮ基板上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、１．４９μｍのアンドープＧａＮ層、０．０１μｍのアンドープＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ層（例えば、Ｘ＝０．０５）、３０ｎｍのアンドープＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ障壁層（例えば、Ｙ＝０．２）を形成する。これにより、ＨＦＥＴのためのエピタキシャル基板が作製される。実施例１と同様にして、図３（Ｃ）に模式的に示されるＨＦＥＴ１１ｄを作製した。その結果、オフ耐圧は８２０ボルトであり、オン抵抗は０．９ｍΩｃｍ^２である。

以上説明したように、上記の実施例では、コア領域とその領域を除いた低転位領域を持つ窒化ガリウム半導体基板上に窒化ガリウム系電界効果型トランジスタが形成されている。コア領域の高い密度の多数の転位は窒化ガリウム基板からその上方まで引き継がれて表面まで達している。このため窒化ガリウム系電界効果型トランジスタ表面においてもコア領域とその領域を除いた低転位領域が形成されている。ゲート電極、ドレイン電極が上記低転位領域の表面に設けられ、ソース電極がコア領域に接するように設けられている。ゲート電極とソース電極およびドレイン電極との間にはコア領域が存在しないので、チャネル層等の動作領域は低転位領域に形成されることになり、良好なトランジスタ特性を得ることができる。一方、ソース電極は、引き継がれたコア領域を介して窒化ガリウム基板と電気的に接続される。このため、ソースビア構造などの複雑な構造を採用することなく、窒化ガリウム基板をソース電極と同電位に保つことが可能となり、裏面フィールドプレート作用によってトランジスタの耐圧が高くできる。さらに、窒化ガリウム基板を用いているので、上記動作領域は優れた結晶性となり、先行技術では成し得なかった良好な特性を得ることができる。また、ソースパッド電極を基板の裏面に設けると、チップサイズの縮小に加えて、オン抵抗の低減や寄生ソースインダクタンスが低減される。高転位の領域は規則的に配列されている場合には、電極形成位置が容易に設計できる。このため、パワースイッチング用デバイスを歩留まり良く量産化することができる。

（第２の実施の形態）
図４（Ａ）は、第２の実施の形態に係る電界効果トランジスタを示す平面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示されたII−II断面に沿ってとられた断面図である。図５は、図４（Ａ）に示されたIII−III断面に沿ってとられた断面図である。電界効果トランジスタ１１ｅは、導電性窒化ガリウム基板４３と、窒化ガリウム系半導体領域４５と、ゲート電極１７と、ドレイン電極１９と、ソース電極２１とを備える。導電性窒化ガリウム基板４３は、表面４３ａ及び裏面４３ｂを有しており、第１の転位密度を有する複数の第１の領域４３ｃと第２の転位密度を有する第２の領域４３ｄとを含む。第１の領域１３ｃは、裏面４３ｂから表面４３ａに向かうＺ方向に伸びている。各第１の領域４３ｃは、第２の領域４３ｄに囲まれている。第２の領域４３ｄの第２の転位密度は、第１の領域４３ｃの第１の転位密度より小さい。窒化ガリウム系半導体領域４５は、第１の部分４５ｃと第２の部分４５ｄとを含む。第１の部分４５ｃは、導電性窒化ガリウム基板４３の第１の領域４３ｃ上に設けられている。第２の部分４５ｄは、導電性窒化ガリウム基板４３の第２の領域４３ｄ上に設けられている。ゲート電極１７は、窒化ガリウム系半導体領域４５の第２の部分４５ｄ上に設けられている。ドレイン電極１９は、窒化ガリウム系半導体領域４５の第２の部分４５ｄ上に設けられている。ソース電極２１は、窒化ガリウム系半導体領域４５上に設けられており、また窒化ガリウム系半導体領域４５の第１の部分４５ｃに接続されている。窒化ガリウム系半導体領域４５の第１の部分４５ｃの転位密度は、窒化ガリウム系半導体領域４５の第２の部分４５ｄの転位密度より大きい。窒化ガリウム系半導体領域４５の第１の部分４５ｃの導電率は、窒化ガリウム系半導体領域４５の第２の部分４５ｄの導電率より大きい。

この電界効果トランジスタ１１ｅによれば、ソース電極２１が、窒化ガリウム系半導体領域４５の第１の部分４５ｃを介して導電性窒化ガリウム基板４３と接続される。大きな転位密度を有する第１の部分４５ｃにソース電極の電位が印加されて、このソース電極の電位が導電性窒化ガリウム基板に伝わる。小さい転位密度を有する第２の部分４５ｄがドレインおよびチャネルのために利用される。

電界効果トランジスタ１１ｅでは、導電性窒化ガリウム基板４３の各第１の領域４３ｃと窒化ガリウム系半導体領域４５の各第１の部分４５ｃとは、所定の面Ｓ３に沿って配列されている。つまり、転位密度の大きな領域４３ｃ、４５ｃは、Ｚ軸方向に伸びており、窒化ガリウム系半導体領域４５の第１の部分４５ｃは導電性窒化ガリウム基板４３の第１の領域４３ｃに直接に繋がっている。ソース電極２１の一部は、窒化ガリウム系半導体領域４５の第１の部分４５ｃ上に位置しており、これにより窒化ガリウム系半導体領域４５の第１の部分４５ｃを介して導電性窒化ガリウム基板４３の第１の領域４３ｃに電気的に接続される。

この実施例では、図５に示されるように、導電性窒化ガリウム基板４３の第１の領域４３ｃは、Ｚ方向に交差するＹ方向に配列されて列を成す。この電界効果トランジスタ１１ｅによれば、導電性窒化ガリウム基板４３の第１の領域４３ｃに転位を集めて、第２の領域４３ｄの転位密度を減らすことができる。例えば、導電性窒化ガリウム基板４３の第２の領域４３ｄの第２の転位密度は、約１×１０^６ｃｍ^−２以下であることができる。この電界効果トランジスタ１１ｅによれば、窒化ガリウム系半導体領域４５の第２の部分４５ｄの結晶性が良好になる。

電界効果トランジスタ１１ｅでは、図４に示されるように、窒化ガリウム系半導体基板４３は、一または複数の第３の領域４３ｅをさらに含むことができる。第３の領域４３ｅはＺ方向に伸びており、第２の領域４３ｄの転位密度より大きい第３の転位密度を有する。また、第３の転位密度は第１の転位密度とほぼ等しい。窒化ガリウム系半導体領域４５は、第３の部分４５ｅを含んでおり、第３の部分４５ｅは、導電性窒化ガリウム基板４３の第３の領域４３ｅ上に設けられている。第３の部分４５ｅおよび第３の領域４３ｅは、所定の面Ｓ４に沿って設けられている。つまり、転位密度の大きな領域４３ｅ、４５ｅは、Ｚ軸方向に伸びており、窒化ガリウム系半導体領域４５の第３の部分４５ｅは導電性窒化ガリウム基板４３の第３の領域４３ｅに直接に繋がっている。所定の面Ｓ３と所定の面Ｓ４との間隔Ｄ２は、例えば１００マイクロメートル程度であり、更なる高転位領域の列が所定のピッチで配列されていることができる。

窒化ガリウム系半導体領域４５の第３の部分４５ｅの導電率は、窒化ガリウム系半導体領域４５の第２の部分４５ｄの導電率より大きく、また窒化ガリウム系半導体領域４５の第１の部分４５ｃの導電率とほぼ同じ程度である。第３の部分４５ｅは、導電性窒化ガリウム基板４３を介して第１の部分４５ｃに接続されているので、第３の部分４５ｅは第１の部分４５ｃと同電位である。窒化ガリウム系半導体領域４５は、窒化ガリウム系半導体領域４５の第３の部分４５ｅをドレイン電極１９から分離するためのアイソレーション領域６３を含む。アイソレーション領域６３によって、窒化ガリウム系半導体領域４５の第３の部分４５ｅがドレイン電極１９と電気的に繋がることを避けることができる。

引き続いて、電界効果トランジスタ１１ｅの一例として、高電子移動度トランジスタを説明する。窒化ガリウム系半導体領域４５は、第１の窒化ガリウム系半導体からなるチャネル層５３と、第２の窒化ガリウム系半導体からなる電子障壁層５５とを含むことができる。導電性窒化ガリウム基板４３上において、チャネル層５３および電子障壁層５５の一方は他方の上に設けられており、チャネル層５３および電子障壁層５５はヘテロ接合５７を形成している。

本実施例は、電子障壁層５５がチャネル層５３上に形成されている。チャネル層５３は、第１の部分５３ｃと第２の部分５５ｃとを含む。第１の部分５３ｃは、導電性窒化ガリウム基板４３の第１の領域４３ｃ上に設けられている。また、第２の部分５３ｄは、導電性窒化ガリウム基板５３の第２の領域５３ｄ上に設けられている。電子障壁層５５は、第１の部分５５ｃと第２の部分５５ｄを含む。第１の部分５５ｃは、チャネル層２３の第１の部分５３ｃ上に設けられている。第２の部分５５ｄは、チャネル層５３の第２の部分５３ｄ上に設けられている。第１の領域４３ｃは、２つの第２の領域４３ｄ間に位置している。第２の領域４３ｄの第２の転位密度が第１の領域４３ｃの第１の転位密度より小さいので、第２の部分５３ｄの第２の転位密度は、第１の部分５３ｃの第１の転位密度より小さく、また第２の部分５５ｄの第２の転位密度は、第１の部分５５ｃの第１の転位密度より小さい。窒化ガリウム系半導体領域４５がチャネル層５３および電子障壁層５５を含むとき、第３の部分４５ｅは、チャネル層５３の第３の部分５３ｅと電子障壁層５５の第３の部分５５ｅとを含む。

この電界効果トランジスタ１１ｅによれば、フィルードプレート効果を利用可能なヘテロ接合トランジスタが提供される。ヘテロ接合トランジスタのソース電極は、チャネル層５３の第１の部分５３ｃおよび電子障壁層５５の第１の部分５５ｃを介して導電性窒化ガリウム基板４３に電気的に接続される。

窒化ガリウム系半導体領域４５がチャネル層５３および電子障壁層５５を含む場合には、アイソレーション領域６３の深さは、ヘテロ接合５７の位置より深い。これによって二次元電子ガス５９がアイソレーション領域６３に分離される。

また、電界効果トランジスタ１１ｅでは、窒化ガリウム系半導体領域４５は、ソース電極２１の下に位置する第１の部分４５ｃに沿って伸びるアイソレーション領域６５を含むことができる。

電界効果トランジスタの変形例１１ａと同様に、ソースパッド電極が導電性窒化ガリウム基板４３の裏面４３ｂ上に設けられることができる。

（第３の実施の形態）
図６は、第３の実施の形態に係る電界効果トランジスタを示す平面図である。図７は、図６に示されたIＶ−IＶ断面に沿ってとられた断面図である。電界効果トランジスタ１１ｆは、導電性窒化ガリウム基板１３と、窒化ガリウム系半導体領域１５とを備える。窒化ガリウム系半導体領域１５上には、Ｘ方向に順に、ソース電極２１ａ、ゲート電極１７ａ、ドレイン電極１９ａ、ゲート電極１７ｂ、ソース電極２１ｂが配列されている。ゲート電極１７ａ、１７ｂは、窒化ガリウム系半導体領域１５の第２の部分１５ｄ上に設けられている。ドレイン電極１９ａは、窒化ガリウム系半導体領域１５の第２の部分１５ｄ上に設けられている。ソース電極２１ａは、窒化ガリウム系半導体領域１５上に設けられており、また窒化ガリウム系半導体領域１５の第１の部分１５ｃに接続されている。ソース電極２１ｂは、窒化ガリウム系半導体領域１５上に設けられており、また窒化ガリウム系半導体領域１５の第３の部分１５ｅに接続されている。

この電界効果トランジスタ１１ｆによれば、ソース電極２１ａ、２１ｂが、それぞれ、窒化ガリウム系半導体領域１５の第１の部分１５ｃおよび第３の部分１５ｅを介して導電性窒化ガリウム基板１３と接続される。大きな転位密度を有する第１の部分１５ｃおよび第３の部分１５ｅにソース電極２１ａ、２１ｂの電位が印加されて、このソース電極２１ａ、２１ｂの電位が導電性窒化ガリウム基板１３に伝わる。小さい転位密度を有する第２の部分１５ｄがドレインおよびチャネルのために利用される。２つのドレイン電極１９ｂの間に、ソース電極２１ａ、ゲート電極１７ａ、ドレイン電極１９ａ、ゲート電極１７ｂ、ソース電極２１ｂが置かれている。

また、電界効果トランジスタ１１ｆでは、窒化ガリウム系半導体領域１５は、ソース電極２１ａ、２１ｂの下に位置する第１の部分１５ｃ、１５ｅに沿ってそれぞれ伸びるアイソレーション領域３５ａを含むことができる。

（実施例４）
窒化ガリウム基板の複数のコア領域（ストライプ状）が１００μｍ間隔で規則的に配列された平面に沿って伸びており、低転位領域の転位密度が１×１０^５ｃｍ^−２であり、厚みが４００μｍであり、キャリア濃度が４×１０^１８ｃｍ^−３である。実施例１と同様に、ＨＦＥＴデバイスを作製した。この場合、コア間の距離が電極間の距離と一致することとなり、窒化ガリウム基板と電極配置とを組み合わせた大電流用のＨＦＥＴ構造デバイスが設計される。ソース電極長Ｌｓは２４μｍであり、ゲート-ソース間Ｌｇｓは１．５μｍであり、ゲート長Ｌｇは１．５μｍであり、ゲート幅は２００μｍ（２×１００μｍ）であり、ゲート-ドレイン間Ｌｇｄは１０μｍであり、ドレイン電極長Ｌｄは５０μｍである。このＨＦＥＴでは、オフ耐圧は９００ボルトであり、オン抵抗は２．５ｍΩｃｍ^２であり、最大ドレイン電流は１２０アンペアである。

（第４の実施の形態）
図８は、第４の実施の形態に係る電界効果トランジスタを示す平面図である。図９は、図８に示されたＶ−Ｖ断面に沿ってとられた断面図である。電界効果トランジスタ１１ｇは、導電性窒化ガリウム基板４３と、窒化ガリウム系半導体領域４５とを備える。窒化ガリウム系半導体領域４５上には、Ｘ方向に順に、ソース電極２１ａ、ゲート電極１７ａ、ドレイン電極１９ａ、ゲート電極１７ｂ、ソース電極２１ｂが配列されている。ゲート電極１７ａ、１７ｂは、窒化ガリウム系半導体領域４５の第２の部分４５ｄ上に設けられている。ドレイン電極１９ａは、窒化ガリウム系半導体領域４５の第２の部分４５ｄ上に設けられている。ソース電極２１ａは、窒化ガリウム系半導体領域４５上に設けられており、また窒化ガリウム系半導体領域４５の第１の部分４５ｃに接続されている。ソース電極２１ｂは、窒化ガリウム系半導体領域４５上に設けられており、また窒化ガリウム系半導体領域４５の第３の部分４５ｅに接続されている。

この電界効果トランジスタ１１ｇによれば、ソース電極２１ａ、２１ｂが、それぞれ、窒化ガリウム系半導体領域４５の第１の部分４５ｃおよび第３の部分４５ｅを介して導電性窒化ガリウム基板４３と接続される。大きな転位密度を有する第１の部分４５ｃおよび第３の部分４５ｅにソース電極２１ａ、２１ｂの電位が印加されて、このソース電極２１ａ、２１ｂの電位が導電性窒化ガリウム基板４３に伝わる。小さい転位密度を有する第２の部分４５ｄがドレインおよびチャネルのために利用される。２つのドレイン電極１９ｂの間に、ソース電極２１ａ、ゲート電極１７ａ、ドレイン電極１９ａ、ゲート電極１７ｂ、ソース電極２１ｂが置かれている。

また、電界効果トランジスタ１１ｇでは、窒化ガリウム系半導体領域４５は、ソース電極２１ａ、２１ｂの下に位置する第１の部分１５ｃ、１５ｅに沿ってそれぞれ伸びるアイソレーション領域６５ａを含むことができる。

（実施例５）
窒化ガリウム基板のコア領域（島状）が１００μｍ間隔で規則的に配列された平面に沿って伸びている。窒化ガリウム基板の低転位領域の転位密度が１×１０^５ｃｍ^−２であり、厚みが４００μｍであり、キャリア濃度が４×１０^１８ｃｍ^−３である。実施例４と同様に、ＨＦＥＴ構造のデバイスを作製した。この場合、コア間の距離が電極間の距離と一致することとなり、窒化ガリウム基板と電極配置とを組み合わせた大電流用デバイスが設計される。総ゲート幅が２００μｍであるとき、オフ耐圧は９４０ボルトであり、オン抵抗は２．０ｍΩｃｍ^２であり、最大ドレイン電流は１４０アンペアである。

窒化ガリウム系パワーデバイスを構成する窒化ガリウム系半導体の格子定数および熱膨張係数は、ＳｉＣやＳｉの格子定数および熱膨張係数と異なるので、窒化ガリウム系半導体と異なる異種材料からなる基板として形成した窒化ガリウム系エピタキシャル結晶は良好な結晶性を示さない。デバイスの高耐圧化は、結晶性の良否にも依存するので、窒化ガリウム基板を用いるとき、先行技術で用いられるＳｉＣ基板およびＳｉ基板を用いて達成されるデバイス特性よりも優れた特性の電界効果トランジスタが提供される。

上記のいくつかの実施の形態に係る電界効果トランジスタは、少なくともチャネル層として、第１の（Ａｌ_ＸＩｎ_１−Ｘ）_ＹＧａ_１−ＹＮ層（０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ≦１）を含む。また、該電界効果トランジスタは、電子障壁層として、第１の（Ａｌ_ＸＩｎ_１−Ｘ）_ＹＧａ_１−ＹＮ層より大きなバンドギャップエネルギーを有する第２の（Ａｌ_ＵＩｎ_１−Ｕ）_ＶＧａ_１−ＶＮ（０≦Ｕ≦１、０≦Ｖ＜１）を含むことができる。これ故に、二次元電子ガスを利用することで良好なヘテロ構造電界効果型トランジスタ（ＨＦＥＴ）が提供される。以上のように、本発明に係る実施の形態によれば、高耐圧および低オン抵抗を有する窒化ガリウム系パワースイッチングデバイスを提供できる。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１（Ａ）は、第１の実施の形態に係る電界効果トランジスタを示す平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示されたI−I断面に沿ってとられた断面図である。 図２は、第１の実施の形態に係る電界効果トランジスタの変形例を示す図面である。 図３（Ａ）、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、第１の実施の形態に係る実施例を示す図面である。 図４（Ａ）は、第２の実施の形態に係る電界効果トランジスタを示す平面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示されたII−II断面に沿ってとられた断面図である。 図５は、図４（Ａ）に示されたIII−III断面に沿ってとられた断面図である。 図６は、第３の実施の形態に係る電界効果トランジスタを示す平面図である。 図７は、図６に示されたIＶ−IＶ断面に沿ってとられた断面図である。 図８は、第４の実施の形態に係る電界効果トランジスタを示す平面図である。 図９は、図８に示されたＶ−Ｖ断面に沿ってとられた断面図である。

符号の説明

１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ…電界効果トランジスタ、１３…導電性窒化ガリウム基板、１３ａ…導電性窒化ガリウム基板表面、１３ｂ…導電性窒化ガリウム基板の裏面、１３ｃ…第１の領域（高転位領域）、１３ｄ…第２の領域（低転位領域）、１３ｅ…第３の領域（高転位領域）、１５…窒化ガリウム系半導体領域、１５ｃ…第１の部分、１５ｄ…第２の部分、１５ｅ…第３の部分、１７…ゲート電極、１７ａ…ゲート電極、１７ｂ…ゲート電極、１９…ドレイン電極、１９ａ…ドレイン電極、１９ｂ…ドレイン電極、２１…ソース電極、２１ａ…ソース電極、２１ｂ…ソース電極、２３…チャネル層、２３ｃ…第１の部分、２３ｄ…第２の部分、２３ｅ…第３の部分、２５…電子障壁層、２５ｃ…第１の部分、２５ｄ…第２の部分、２５ｅ…第３の部分、２７…ヘテロ接合、２９…二次元電子ガス、３１…保護膜、３３、３５、３５ａ…アイソレーション領域、３７…ソースパッド電極、４３…導電性窒化ガリウム基板、４３ａ…導電性窒化ガリウム基板表面、４３ｂ…導電性窒化ガリウム基板裏面、４３ｃ…第１の領域、４３ｄ…第２の領域、４３ｅ…第３の領域、４５…窒化ガリウム系半導体領域、４５ｃ…第１の部分、４５ｄ…第２の部分、４５ｅ…第３の部分、５３…チャネル層、５５…電子障壁層、５７…ヘテロ接合、５９…二次元電子ガス、６３、６５、６５ａ…アイソレーション領域、

Claims (7)

1. 表面及び裏面を有しており、前記裏面から前記表面に向かう第１の方向に伸びており第１の転位密度を有する第１の領域と前記第１の転位密度より小さな第２の転位密度を有する第２の領域とを含む導電性窒化ガリウム基板と、
   前記導電性窒化ガリウム基板の前記第１の領域上に設けられた第１の部分と前記導電性窒化ガリウム基板の前記第２の領域上に設けられた第２の部分とを含む窒化ガリウム系半導体領域と、
   前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第２の部分上に設けられたゲート電極と、
   前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第２の部分上に設けられたドレイン電極と、
   前記窒化ガリウム系半導体領域上に設けられており前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第１の部分に接続されたソース電極と
   を備え、
   前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第１の部分の転位密度は、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第２の部分の転位密度より大きく、
   前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第１の部分の導電率は、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第２の部分の導電率より大きい、ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
2. 前記導電性窒化ガリウム基板の前記裏面上に設けられたソースパッド電極を更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載された電界効果トランジスタ。
3. 前記導電性窒化ガリウム基板の前記第２の領域の前記第２の転位密度は、１×１０^６ｃｍ^−２以下である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された電界効果トランジスタ。
4. 前記窒化ガリウム系半導体領域は、
   前記導電性窒化ガリウム基板の前記第１の領域上に設けられた第１の部分と前記導電性窒化ガリウム基板の前記第２の領域上に設けられた第２の部分とを含んでおり第１の窒化ガリウム系半導体からなるチャネル層と、
   前記導電性窒化ガリウム基板の前記第１の領域上に設けられた第１の部分と前記導電性窒化ガリウム基板の前記第２の領域上に設けられた第２の部分とを含んでおり第２の窒化ガリウム系半導体からなる電子障壁層と
   を含んでおり、
   前記電子障壁層および前記チャネル層の一方は他方の上に設けられており、
   前記チャネル層および前記電子障壁層はヘテロ接合を形成している、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載された電界効果トランジスタ。
5. 前記導電性窒化ガリウム基板は、前記第２の転位密度より大きな第３の転位密度を有しており前記第１の方向に伸びる第３の領域をさらに含み、
   前記窒化ガリウム系半導体領域は、前記導電性窒化ガリウム基板の前記第３の領域上に設けられた第３の部分を含み、
   前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第３の部分の導電率は、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第２の部分の導電率より大きく、
   前記窒化ガリウム系半導体領域は、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第３の部分を前記ドレイン電極から分離するためのアイソレーション領域を含み、
   前記アイソレーション領域の深さは、前記ヘテロ接合の位置より深い、ことを特徴とする請求項４に記載された電界効果トランジスタ。
6. 前記導電性窒化ガリウム基板の前記第１の領域は、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って伸びている、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載された電界効果トランジスタ。
7. 前記導電性窒化ガリウム基板は、前記第２の転位密度より大きな第３の転位密度を有しており前記第１の方向に伸びる複数の第３の領域をさらに含み、
   前記窒化ガリウム系半導体領域は、前記導電性窒化ガリウム基板の前記第３の領域上に設けられた第３の部分を含み、
   前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第３の部分の導電率は、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記第２の部分の導電率より大きく、
   前記導電性窒化ガリウム基板の前記第１の領域および前記第３の領域は、前記第１の方向に交差する第２および第３の方向にアレイ状に配列されている、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載された電界効果トランジスタ。

Images