JP5202312B2 - 第ｉｉｉ族窒化物エンハンスメント型デバイス - Google Patents
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Description
本出願は、「窒化ガリウムのエンハンスメント型デバイスの実現」という発明の名称をもって、２００５年７月６日に提出の米国仮特許願第６０／６９６９８５号に関連するものである。
本発明は、電力半導体デバイス、より詳細には、第ＩＩＩ族窒化物電力半導体デバイスに関する。
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、従来の電力半導体デバイスの一例である。ＨＥＭＴは、第ＩＩＩ族窒化物半導体を用いて製造することが可能であり、この半導体は、本明細書においては、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどのようなＡｌＩｎＧａＮ系による半導体合金を意味するものとする。
公知技術によるＨＥＭＴは、例えば非ドープのＧａＮから成る、第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体と、第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体上に配置されている、例えばＡｌＧａＮから成る、第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体とを含んでいる。周知のように、第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体と第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体のヘテロ接合は、通常２次元電子ガス（２ＤＥＧ）と呼ばれる導電性領域を形成する。
典型的なＨＥＭＴは、少なくとも２つの電源電極をさらに含んでいる。電流は２ＤＥＧを通って２つの電源電極の間を流れる。
ＨＥＭＴはまた、必要に応じて、２ＤＥＧを不能または可能にするように動作し、それによってデバイスをオンまたはオフすることができるゲートも含んでいる。そのため、ＨＥＭＴは、電界効果トランジスタのように動作することができる。実際に、このようなデバイスは、往々にして、ヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）と呼ばれる。
低損失、高通電容量、および高耐圧の特性によって、第ＩＩＩ族窒化物を基材とするヘテロ接合電力半導体デバイスは、電力応用に適している。しかしながら、多くの第ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、常時オンであり、これは、ゲートに対するバイアスがデバイスをオフにするために必要であることを意味する。ａ）このようなデバイスは、常時オンデバイスよりも動作効率が小さく、ｂ）常時オンデバイスのドライブ回路は、より複雑であり、従ってより高価であるので、常時オンデバイスは、電力応用にそれほど望ましくない。
従って、常時オフの第ＩＩＩ族窒化物電力半導体デバイスを有することが望ましい。
本発明の目的は、常時オフの第ＩＩＩ族窒化物電力半導体デバイス、およびその製造方法を提供することである。
本発明の態様によれば、窒素極性第ＩＩＩ族窒化物半導体（例えば、窒素極性ＧａＮ）は、半導体デバイスを製造するために使用される。
本発明の好ましい実施形態による電力半導体デバイスは、基板と、１つのバンドギャップを有する第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体、および前記第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体上に別のバンドギャップを有する第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体を含む２次元電子ガスを有する窒素極性能動ヘテロ接合と、少なくとも前記第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体に結合されているゲートと、前記ゲートにバイアスをかけない場合に前記２次元電子ガスを中断するために、前記ゲートと前記第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体との間に設けられているゲートバリアと、前記少なくとも第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体に結合されている第１電源電極および第２電源電極とを含んでいる。
本発明の好ましい実施形態では、ゲートバリアは、ＡｌＩｎＧａＮ系による合金から成っている。例えば、ゲートバリアは、ＡｌＧａＮから成っているのがよい。
本発明の実施形態では、ゲートバリアは、絶縁スペーサによって各電源電極から隔てられているのがよい。絶縁スペーサは、酸化膜であるのがよい。例えば、絶縁スペーサは、（ＡｌＧａ）2Ｏ3であるとよい。
本発明の別の実施形態では、半導体デバイスは、２ＤＥＧをそれぞれ含む、複数の能動第ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合を含んでいるのがよい。能動ヘテロ接合の少なくとも１つは、ゲートを収容するリセスを含むことがある。
本発明によるデバイスは、好ましくはＧａＮである第ＩＩＩ族窒化物半導体本体を成長させ、水素イオンを前記本体の領域内に注入し、窒素極性第ＩＩＩ族窒化物半導体本体を得るために前記領域に沿って前記半導体本体を分離し、そして第ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを前記窒素極性半導体本体の上に製造することによって製造されることが好ましい。
本発明の態様によれば、本発明の方法は、窒素極性第ＩＩＩ族窒化物本体、例えば窒素極性ＧａＮを得るのを可能にし、次にこれはエンハンスメント型（常時オフ）デバイスの製造を可能にする。
この方法は、基板を前記第ＩＩＩ族窒化物半導体本体に接合する工程をさらに含んでいるのがよい。
本発明の他の特徴および利点については、添付図面に基づく本発明の次の説明により明らかになると思う。
図１に示す、本発明の第１実施形態による半導体デバイスは、基板１０、接合層１２、第１の第ＩＩＩ族窒化物バッファ本体１４、第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体１６、第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体１８、第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体１８に電気的に結合される第１電源電極２０、および第２電源電極２２、ならびにゲート２４を含んでいる。
本発明の態様によれば、ゲートバリア２６は、ゲート２４の下に、かつ第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体１８の上に配置されている。ゲートバリア２６は、ＡｌＩｎＧａＮの合金であり、好ましくはＡｌＧａＮであるのがよい。
本発明の別の態様によれば、バッファ層２４は、窒素極性第ＩＩＩ族窒化物半導体材料、例えば窒素極性ＧａＮである。その結果、バッファ層２４上に形成されるスタック全体は窒素極性である。
第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体１６および第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体１８は、ＡｌＩｎＧａＮ系と異なる合金であり、他と異なるバンドギャップをそれぞれ有する。第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体１６がＡｌＧａＮであるのに対して、第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体１８は、ＧａＮであることが好ましい。２ＤＥＧは、周知のように、第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体１６、および第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体１８のヘテロ接合に形成されることに留意する必要がある。従って電源電極２０、２２は、電流電導のために、２ＤＥＧに電気的に結合される。
図１に示すデバイスは常時オフデバイスである。すなわち、ゲートバリア２６の存在により、２ＤＥＧは中断される。ゲート配置２４は、ゲート電極（詳細に図示せず）を含み、これは、バイアスをかけられると、２ＤＥＧを回復して電導を可能にすることに留意する必要がある。従って、バイアスがゲート電極に加えられる場合に、デバイスはオフのままである。
ゲート電極は、ゲートバリア２６付きのショットキーコンタクトを通して、第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体１６および第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体１８のヘテロ接合に結合されているのがよく、または本発明の範囲および精神から逸脱しないでゲート絶縁体、例えばＳｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2などを通して結合されているのがよい。
本発明の態様によれば、スマートカット技術が、本発明によるデバイスを製造するために使用される。
本発明による電力半導体デバイスは、図２Ａに示すように、先ず遷移層１１（例えばＡｌＮ）を適切な基板１０（例えばＳｉ）上に成長させ、次にバッファ材料３０を遷移層１２上に成長させることによって製造される。
基板１０は、シリコンであるのが好ましいが、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、ＳｉＣ、サファイア、またはＧａＮ基板とすることもできる。
遷移層１１は、１つのＡｌＮから成ることが好ましく、この層は、その厚さに沿って異なるアルミニウム濃度を有するように勾配を付けられるか、または周知のように、アルミニウム含有量が変化するＡｌＮ層のスタックである。バッファ材料３０は、ＧａＮであることが好ましい。
図２Ｂに示すように、バッファ材料３０を成長させた後に、水素原子３２をそこに所望の深さに注入して、注入領域３４を形成する。水素原子は、ガリウムと窒素との結合を破壊するように作用し、これにより、それを容易に分離することができる。
次に図２Ｃを参照すると、シリコン材料は、例えば２酸化シリコン接合層３８によって、ＧａＮ層３０の上面に接合される。ＧａＮ層３０は、注入サイト３４に沿って分割され、その上層は、シリコンウエーハ３６を除去することによって除去される。すなわち、ＧａＮ層３０を分割させるアニーリングストリップが施され、シリコンウエーハ３６として除去されるその上部分は除去される。上部分３７は、窒素極性ＧａＮ本体３９を含むことに留意する必要がある。
次に、上部分３７をひっくり返し、ＧａＮの別の層４０を、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を用いて、窒素極性ＧａＮ３９上に成長させ、それによって、バッファ層１４を形成する。その後に、図２Ｅに示すように、第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体１６（例えばＡｌＧａＮ）は、バッファ層１４上に成長させられ、第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体１８（例えばＧａＮ）は、第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体１６上に成長させられ、そしてゲートバリア材料４２は、第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体１８上に形成される。
次に、図２Ｆに示すように、ゲート配置の材料は、ゲートバリア材料４２上に堆積され、堆積はパターン化され、エッチングされて、ゲートバリア２６を覆うゲート配置２４を得る。次に、電源電極２０，２２は、図１に示す第１実施形態によるデバイスを得るために形成される。ここに述べた方法は、自己整合ゲート配置をもたらすことに留意する必要がある。
スマートカッテングは、好ましい方法ではあるが、窒素極性ＧａＮを得るために他の方法も使用できることにも留意する必要がある。例えば、窒素極性バッファＧａＮが、デバイスの製造に先立ってその上に成長させられる基板を選択することができる。
図３Ａを参照すると、ゲートの下で、ゲートバリア２６（例えばＡｌＧａＮ）はバンドを構造から離れて上げる。この追加電位は、伝導バンドをフェルミ準位の上に引き上げて、デバイスをオフにする。しかしながら、ゲートバリア層の除去後に、図３Ｂに示すように、伝導バンドは、フェルミ準位の下にあって、蓄積および高移動度２ＤＥＧを生じる。従って、ゲートバリア材料の一部をゲート配置の下に残すと、２ＤＥＧの中断を生じ、次に適切なバイアスを加えると、回復することができる。その結果、エンハンスメント型第ＩＩＩ族窒化物デバイスが、本明細書に記載の概念によって得られる。
第１実施形態によるデバイスは、次の理由により有利である。
エンハンスメント型デバイスであること。
自己整合ゲートを含むこと。
その絶縁裏面は、縦方向耐圧問題を解消すること。
Ｓｉ基板上に、ＧａＮの厚いエピタキシャル層を必要としないこと。
この薄いＧａＮバッファは、ゲートの下のバッファを通じての寄生リークを減らすこと。
次に、図４に示す本発明の第２実施形態による電力半導体デバイスは、第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体１６（例えばＡｌＧａＮ）と同じ材料であるのがよい第３の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体４４と、第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体１８（例えばＧａＮ）と同じ材料であるとよい第４の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体４６とを含んでいる。第４の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体４６は、第３の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体４４と第４の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体４６のヘテロ接合の２ＤＥＧを中断するために、リセス４８を含むことに留意する必要がある。
ゲート配置２４は、リセス４８に収容される。図４は、２つの能動第ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合１９、２１を示しているが、それぞれは２ＤＥＧを有し、第２実施形態によるデバイスは、導通を増大させるために、複数の能動ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合を含むことができる。この実施形態では、層４４は、ゲートバリアの機能を果たすと同時に、能動ヘテロ接合の一部であることに留意する必要がある。
図５Ａは、電源電極２０、２２の下のバンドの状態に関するバンド図を模式化しており、図５Ｂは、第２実施形態によるデバイスのゲート２４の下の状態を示すバンド図を図式化している。
第２実施形態によるデバイスは、第３および第４の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体４４、４６が形成され、第４の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体に、ゲートおよび電源電極２０、２２を形成するのに先立って凹みをつくることを除いて、図２Ａ〜２Ｆに示す工程によって製造される。
第２実施形態によるデバイスは、次の事由により有利である。
エンハンスメント型デバイスであること。
自己整合ゲートを含むこと。
絶縁裏面は、縦方向耐圧問題を解消すること。
Ｓｉ基板上に、ＧａＮの厚いエピタキシャル層を必要としないこと。
薄いＧａＮバッファは、ゲートの下のバッファを通じての寄生リークを減らすこと。
ＡｌＧａＮ上のＧａＮに対するエッチングは公知であるので、公知の技術を用いて製造することができること。
製造は、ＡｌＧａＮの可能な酸化を可能にすること。
図６に示す第３実施形態によるデバイスは、ゲートバリア２６を第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体１８の上、かつゲート２４の下に有し、このゲートバリアは、酸化膜本体、例えば（ＡｌＧａ）2Ｏ3によって、その両側で、それぞれの電源電極から隔てられている。
図７Ａは、第３実施形態の電源電極の下の状態に関するバンド図を示し、図７Ｂは、ゲート２４の下の状態に関するバンド図を示す。
第３実施形態によるデバイスは、ゲートを製造する前に、バリア材料４２が適切に酸化されることを除いて、図２Ａ〜図２Ｂに示したのと同じ工程によって製造される。
酸化膜本体４８は、酸化されるべきではない部分を、適切なマスクを用いてマスキングし、マスキングされない部分を酸化することによって形成される。従って、図８に示すように、マスク５０は施され、マスキングされない部分は酸化される。適切なマスク材料は、Ｓｉ3Ｎ4である。
別の適切なマスクは、シリコンを用いて形成されることが可能であり、このシリコンは、酸化後にＳｉＯ2５２に変わる。ＳｉＯ2５２は、ゲート絶縁体として使用することができる。
次の利点があることは、開示されている内容から明らかである。
窒素極性材料は、エンハンスメント型第ＩＩＩ族窒化物デバイスを実現する追加経路を開くこと。
複数のヘテロ接合は、層の数に応じて２ＤＥＧを生成するか、または阻止するために使用できること。
スマートカットの使用によって、シリコン上の厚いエピタキシャルＧａＮを必要としないで、ＧａＮ材料をＳｉ基板上に生成することができること。
ウエーハ接合は、縦方向耐圧を解消すること。
ウエーハ接合は、ＧａＮバッファの厚さおよび対応するリーク経路を減らし、また、バッファの抵抗率に対する制約も減らし、従って、ＣまたはＦｅコーピングおよび対応するトラッピング問題の必要がなくなること。
窒素極性材料は、接合フローの第２フリップを無くすことによって、スマートカットの複雑さを減らすこと。
以上本発明を、その特定の実施形態に関して説明したけれども、多くの他の変形例と変更態様、および他の用途に想到しうることは、当業者には明らかである。従って本発明は、本明細書の特定の開示によってではなく、添付の特許請求の範囲のみによって限定されるべきである。
１０ 基板
１１ 遷移層
１２ 接合層
１４ 第１の第ＩＩＩ族窒化物バッファ本体
１６ 第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体
１８ 第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体
１９ ヘテロ接合
２０ 第１電源電極
２１ ヘテロ接合
２２ 第２電源電極
２４ ゲート
２６ ゲートバリア
３０ バッファ材料
３２ 水素原子
３４ 注入領域
３６ シリコンウエーハ
３７ 上部分
３８ ２酸化シリコン接合層
３９ 窒素極性ＧａＮ本体
４０ ＧａＮ層
４２ ゲートバリア材料
４４ 第３の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体
４６ 第４の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体
４８ リセス
５０ マスク
５２ ＳｉＯ2
１１ 遷移層
１２ 接合層
１４ 第１の第ＩＩＩ族窒化物バッファ本体
１６ 第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体
１８ 第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体
１９ ヘテロ接合
２０ 第１電源電極
２１ ヘテロ接合
２２ 第２電源電極
２４ ゲート
２６ ゲートバリア
３０ バッファ材料
３２ 水素原子
３４ 注入領域
３６ シリコンウエーハ
３７ 上部分
３８ ２酸化シリコン接合層
３９ 窒素極性ＧａＮ本体
４０ ＧａＮ層
４２ ゲートバリア材料
４４ 第３の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体
４６ 第４の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体
４８ リセス
５０ マスク
５２ ＳｉＯ2
Claims (19)
- 接合層を介して窒素極性第ＩＩＩ族窒化物バッファ層の表面に接合された基板と、
１つのバンドギャップを有する第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体、および前記第１の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体上に前記１つのバンドギャップより小さい別のバンドギャップを有する第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体を含む２次元電子ガスを有する窒素極性能動ヘテロ接合と、
少なくとも前記第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体に結合されているゲートと、
前記ゲートにバイアスをかけない場合に伝導バンドをフェルミ準位より上に引き上げて前記２次元電子ガスを中断するために、前記ゲート配置と前記第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体との間に設けられ、前記第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体より大きいバンドギャップを有するゲートバリアと、
少なくとも前記第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体に結合されている第１電源電極および第２電源電極
とを備える電力半導体デバイス。 - 前記接合層は、二酸化シリコンからなる、請求項１に記載の電力半導体デバイス。
- 前記基板はシリコンから成る、請求項２に記載の電力半導体デバイス。
- 前記バッファ層は、ＧａＮから成る請求項３に記載の電力半導体デバイス。
- 前記ゲートバリアは、ＩｎＡｌＧａＮの合金から成る請求項１に記載の電力半導体デバイス。
- 前記ゲートバリアは、ＡｌＧａＮから成る請求項１に記載の電力半導体デバイス。
- 前記ゲートバリアは、各電源電極からそれぞれの酸化膜本体によって隔てられている請求項１に記載の電力半導体デバイス。
- 前記バリアは、ＡｌＩｎＧａＮの合金から成り、前記酸化膜本体は、（ＡｌＧａ）２Ｏ３から成る請求項７に記載の電力半導体デバイス。
- 前記バリアは、ＡｌＧａＮから成り、前記酸化膜本体は、（ＡｌＧａ）２Ｏ３から成る請求項７に記載の電力半導体デバイス。
- 前記窒素極性能動ヘテロ接合の上に形成される別の窒素極性能動ヘテロ接合をさらに備え、前記別の窒素極性能動ヘテロ接合は、第３の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体および第４の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体を含み、前記第３および前記第４の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体は、異なるバンドギャップを有し、２次元電子ガスを形成している請求項１に記載の電力半導体デバイス。
- 前記第４の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体は、前記ゲートを収容するためにリセスを備えている請求項１０に記載の電力半導体デバイス。
- 半導体デバイスを製造する方法であって、
第ＩＩＩ族窒化物半導体本体を成長させる工程と、
水素イオンを、前記第ＩＩＩ族窒化物半導体本体の領域内に注入する工程と、
基板を、接合層を介して、前記領域内に水素イオンを注入した前記第ＩＩＩ族窒化物半導体本体の表面に接合する工程と、
窒素極性第ＩＩＩ族窒化物半導体本体を得るために、前記領域に沿って、前記基板に接合した前記第ＩＩＩ族窒化物半導体本体を分離する工程と、
前記窒素極性第ＩＩＩ族窒化物半導体本体上に、１つのバンドギャップを有する第１のＩＩＩ族窒化物半導体本体と、前記１つのバンドギャップより小さい別のバンドギャップを有する第２のＩＩＩ族窒化物半導体本体とを含む２次元電子ガスを有する窒素極性能動ヘテロ接合を形成する工程と、
少なくとも前記第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体に結合されているゲートと、前記ゲートにバイアスをかけない場合に伝導バンドをフェルミ準位より上に引き上げて前記２次元電子ガスを中断するために、前記ゲート配置と前記第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体との間に設けられ、前記第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体より大きいバンドギャップを有するゲートバリアとを形成する工程と、
少なくとも前記第２の第ＩＩＩ族窒化物半導体本体に結合されている第１電源電極および第２電源電極を形成する工程
とを含む方法。 - 前記基板は、シリコンから成り、かつ、前記接合層は、二酸化シリコンから成る、請求項１２に記載の方法。
- 前記ＩＩＩ族窒化物半導体本体は、ＧａＮから成る請求項１２に記載の方法。
- 前記ゲートバリアは、ＡｌＩｎＧａＮ系の合金である請求項１２に記載の方法。
- 前記ゲートバリアは、ＡｌＧａＮから成る請求項１５に記載の方法。
- 前記ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、前記第１および第２の各前記電源電極と前記ゲートバリアとの間に配置された絶縁スペーサを含む請求項１２に記載の方法。
- 前記絶縁スペーサは、（ＡｌＧａ）２Ｏ３から成る請求項１７に記載の方法。
- 前記窒素極性能動ヘテロ接合は、前記ゲートを収容するためにリセスを有する、請求項１２に記載の方法。
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