JP5259906B2 - 窒化ガリウムベースのｈｅｍｔ素子 - Google Patents
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Description
発明の政府権利
本発明は、ｔｈｅ Ｕ．Ｓ．Ａｒｍｙ Ｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｍｉｓｓｉｌｅ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｃｏｍｍａｎｄ、契約番号ＤＡＳＧ６０−９８−Ｃ−００２５の履行によってなされた。米国政府は、本発明に特定の権利を有する。
本発明は、ｔｈｅ Ｕ．Ｓ．Ａｒｍｙ Ｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｍｉｓｓｉｌｅ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｃｏｍｍａｎｄ、契約番号ＤＡＳＧ６０−９８−Ｃ−００２５の履行によってなされた。米国政府は、本発明に特定の権利を有する。
発明の背景
発明の分野
本発明は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）素子、および同素子の製造方法に関する。
発明の分野
本発明は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）素子、および同素子の製造方法に関する。
関連技術の説明
ＧａＮベースの材料は、それらを高温、高出力および高周波素子用に魅力あるものにする物理的および電子的特性を有する。広いバンドギャップ半導体（ＧａＮおよびＳｉＣ）は、以下の表１に示したように、ＳｉおよびＧａＡｓと比較して、本質的により低い熱キャリア発生率およびより高いブレークダウン電界を有する。
ＧａＮベースの材料は、それらを高温、高出力および高周波素子用に魅力あるものにする物理的および電子的特性を有する。広いバンドギャップ半導体（ＧａＮおよびＳｉＣ）は、以下の表１に示したように、ＳｉおよびＧａＡｓと比較して、本質的により低い熱キャリア発生率およびより高いブレークダウン電界を有する。
ＧａＮは、高い（＞８００ｃｍ２／Ｖｓ）電子移動度および高い（＞１０７ｃｍ／秒）電子速度などの付加的な利点を有する。更に、より高い移動度、より良い電荷閉込めおよびより高い降伏電圧を提供する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ材料系で製造することができる。６−８Ｗ／ｍｍのオーダーの室温高周波（８−１０ＧＨｚ）出力パワーがＡｌＧａＮ／ＧａＮ材料系で理論的に可能であり、６．８Ｗ／ｍｍもの出力密度が最近報告されている（Ｓ．Ｔ．ＳｈｅｐＰａｒｄら、５６ｔｈ Ｄｅｖｉｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｃｈａｒｌｏｔｔｅｓｖｉｌｌｅ， ＶＡ，Ｊｕｎｅ ２２−２４，１９９８）。
期待できる出力パワーがＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴにおいて報告されているが、材料関連の問題が素子の性能を制限し続けている。永久光導電性（ＰＰＣ）およびドレインＩ−Ｖ崩壊（ｃｏｌｌａｐｓｅ）が、ＡｌＧａＮ合金（Ｍ．Ｄ．ＭｃＣｌｕｓｋｅｙ，Ｎ．Ｍ．Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ｃ．Ｇ Ｖａｎ Ｄｅ Ｗａｌｌｅ，Ｄ．Ｐ． Ｂｏｕｒ，Ｍ．Ｋｎｅｉｓｓｌ ａｎｄ Ｗ．Ｗａｌｕｋｉｅｗｉｃｚ，Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．５２１（１９９８），ｐ．５３１）およびＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造（Ｊ．Ｚ．Ｌｉ，Ｊ．Ｙ．Ｌｉｎ，Ｈ．Ｘ．Ｊｉａｎｇ，Ｍ．Ａ．Ｋｈａｎ ａｎｄ Ｑ．Ｃｈｅｎ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８２（１９９７）１２２７）において報告されている。これらの効果は、前記材料の深いレベルからのキャリアの捕捉（ｔｒａｐｐｉｎｇ）および発生に起因し、ＨＥＭＴにおける低い高周波性能、ドレイン電流の減少、出力パワーの低減につながることがある。ＧａＡｓベースのＨＥＭＴにおけるＰＰＣおよび電流の落ち込み（ｃｏｌｌａｐｓｅ）は、ｘ＞０．２０であるとき、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ中の欠陥ドナー複合体（ＤＸセンター）によるものとされた。ＡｌリッチなＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＞０．２７）中に酸素ＤＸ−センターがある証拠が最近報告された（Ｍ．Ｄ．ＭｃＣｌｕｓｋｅｙら、同上）。高Ａｌ含有量ＡｌＧａＮ層（ｘ＞０．２０）は一般に、図１のデータに示すように、圧電性によるドーピング（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｏｐｉｎｇ）によってＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ構造の高シート密度を達成するために用いられる（図１は、アンドープ２３ナノメートルＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造中のアルミニウム組成物のパーセントの関数としてのシート密度のプロットである）。
ＩＩＩ−Ｖ窒化物ＨＥＭＴの性能を改善するために、高Ａｌ組成物層の使用に起因する深いレベルの欠陥の有害な効果を除く方法が、特定されなくてはならない。
発明の要旨
本発明は、その１つの態様において、ＩｎＧａＮ合金から形成されたチャネル層を含む、窒化ガリウムベースのＨＥＭＴ素子に関する。
本発明は、その１つの態様において、ＩｎＧａＮ合金から形成されたチャネル層を含む、窒化ガリウムベースのＨＥＭＴ素子に関する。
かかる素子は、例えば、ＧａＮ層と、前記ＧａＮ層の上のＩｎＧａＮ層と、前記ＩｎＧａＮ層の上のＡｌＧａＮ層とを有する構造中に、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造を含んでもよい。ＡｌＧａＮ層はドープされるか、またはＨＥＭＴの所定の最終用途の適用に必要であるかまたは望ましいとき、ドープされなくてもよい。
あるいは、本発明のＨＥＭＴ素子は、何れのアルミニウム含有層をも含まない素子、例えば、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＨＥＭＴ素子またはＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＨＥＭＴ素子として製造されてもよい。
別の態様において、本発明は、ＩｎＧａＮ合金の素子のチャネル層を形成する工程を含む、ＧａＮベースのＨＥＭＴ素子の製造方法に関する。
本発明の他の態様、特徴および実施態様は、次の開示内容および添付した特許請求の範囲からより十分に明らかとなろう。
発明の詳細な説明およびその好ましい実施態様
本発明によれば、ＧａＮベースのＨＥＭＴの性能が、素子のチャネル層中にＩｎＧａＮ合金を使用することによって改善される。
本発明によれば、ＧａＮベースのＨＥＭＴの性能が、素子のチャネル層中にＩｎＧａＮ合金を使用することによって改善される。
ＨＥＭＴ素子のチャネル層中にＩｎＧａＮ合金を使用することにより、実質的により低Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層を、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造の歪および圧電性ドーピングの特徴の等価レベルで使用することができるのが発見された。
ＩｎＧａＮが、ＧａＮとの関係で大きなａ−格子定数を提供し（ＧａＮとＡｌＮとの間の０．０７９Åの差と比較して、ＧａＮとＩｎＮとの間のａ−格子定数の差は０．３５１Åである）、低ＡｌおよびＩｎ含有量層を用いて、ＡｌＧａＮ／ＧａＮに対して同等の歪を有するシュードモルフィック（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ）ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造を生じさせることができる。例えば、Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ／Ｉｎ０．０４６Ｇａ０．９５４Ｎ境界面の格子不整合は、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ／ＧａＮの格子不整合と同一である。従って、圧電性によるドーピングを有意に低減またはチャネル層の構造的または電気的特性を低下させずに低減されたＡｌ含有量のＡｌＧａＮ層を使用することを可能にするＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造を生じさせることが可能である。
ＤＸ−センターに関連した過渡効果の低下のほかに、ＨＥＭＴ中で低Ａｌ含有量ＡｌＧａＮ層を使用することにより、低減されたオーム接触抵抗を達成することを可能にする。
ＧａＮとの関係でＩｎＮの高い電子移動度（ｎ＝１Ｅ１６ｃｍ−３について４０００ｃｍ２／Ｖｓ）は、素子のチャネル層中にＩｎＧａＮ合金を使用することを可能にし、電気的性質および素子の性能を著しく改善する。
図２は、本発明による実例となる素子のＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＨＥＭＴ構造の略図である。この素子の製造において、当業者によって過度の実験をせずに容易に確認できる適切な成長条件を用いて、シュードモルフィックＡｌＧａＮ層が、ＧａＮ層の上にあるＩｎＧａＮ層の上に成長される。ＩｎＧａＮ層は、それが多層構造中で“緩和”されるように、十分に厚いのがよい。本発明のいろいろな実施態様の代表的な厚さには、約１００〜約５，０００ナノメートルの範囲のＩｎＧａＮ層の厚さが挙げられ、いくつかの場合のより限定的な厚さは、約２００〜約２，０００ナノメートルの範囲、または約４００〜約１，０００ナノメートルのより狭い範囲である。
あるいは、ＩｎＧａＮ層が、基板（緩衝層を含める）上に直接に成長させられてもよい。ＡｌＧａＮ層はドープされなくてもよく、またはＡｌＧａＮの上または最上部がドープされてシート密度を更に増大させることができる。
あるいは、ＩｎＧａＮチャネルＨＥＭＴを、ＩｎＧａＮ上のＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて製造することができる。この場合、化学反応性Ａｌ含有層を素子の構造から完全に除き、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴまたはＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＨＥＭＴによって達成可能であるよりも高出力動作（ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）下で改善された長時間安定性および信頼性の特徴を有するＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＨＥＭＴを提供する。更に、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＨＥＭＴは、ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮまたはＧａＮとの間の異なった最適成長条件のために製造上の利点を提供する。
本発明の実施における窒化インジウムガリウム層の成長は、それに適した何れの方法または技術によって達成されてもよい。例えば、かかる層は、反応ガス種（例えば、アンモニア、トリメチルガリウム、およびトリメチルインジウム）が、基板を保有する成長反応器に入る気相技術によって形成されてもよい。反応ガス種が基板上を通過し、前記種のエピタキシャル膜（すなわち、アンモニアからの窒素、トリメチルガリウムからのガリウム、およびトリメチルインジウムからのインジウム）を堆積させる。ＩｎＧａＮプロセスは、約５００〜１０００℃の範囲の温度で行われてもよく、約７００〜９５０℃のより特定の温度範囲、または約８００〜９００℃のより狭い温度範囲で行われてもよい。反応器の圧力は、約５０〜９８０ｍｂａｒｒの範囲に維持されてもよい。インジウム対ガリウムの比は、大体、０〜１００％の範囲であってもよい。
本発明の特徴、態様および利点は、更に、本発明に関連した以下の非制限的な実施例に対して示される。
実施例１
実施例１に示された設計のＨＥＭＴ構造は、ＧａＮの堆積に適した基板と、前記基板の上に緩衝物として偶発的にドープされたＧａＮ層と、ＧａＮ緩衝層およびＩｎＧａＮチャネル層の異なった格子定数のために歪に対して緩和される前記ＧａＮ緩衝層の上の偶発的にドープされたＩｎＧａＮチャネル層と、前記ＩｎＧａＮチャネル層の上の偶発的にドープされたＡｌＧａＮスペーサー層と、前記ＡｌＧａＮスペーサー層の上の意図的にケイ素のドープされたＡｌＧａＮドナー層と、を含む。
実施例２
緩衝層を有する、基板上に直接に形成されるＩｎＧａＮ層の製造の実施例
実施例２に示した設計のＩｎＧａＮ構造が、ＧａＮの堆積に適した基板と、前記基板の上の緩衝層と、前記緩衝層の上の偶発的にドープされたＩｎＧａＮ層と、を含む。
実施例２に示した設計のＩｎＧａＮ構造が、ＧａＮの堆積に適した基板と、前記基板の上の緩衝層と、前記緩衝層の上の偶発的にドープされたＩｎＧａＮ層と、を含む。
実施例３
ＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＨＥＭＴ素子の製造の実施例
実施例３に示された設計のＨＥＭＴ構造は、ＧａＮの堆積に適した基板と、前記基板の上に緩衝物として偶発的にドープされたＧａＮ層と、ＧａＮ緩衝層およびＩｎＧａＮチャネル層の異なった格子定数のために歪に対して緩和される前記ＧａＮ緩衝層の上の偶発的にドープされたＩｎＧａＮチャネル層と、前記ＩｎＧａＮチャネル層の上の偶発的にドープされたＧａＮスペーサー層と、前記ＡｌＧａＮスペーサー層の上の意図的にケイ素のドープされたＧａＮドナー層と、を含む。
実施例３に示された設計のＨＥＭＴ構造は、ＧａＮの堆積に適した基板と、前記基板の上に緩衝物として偶発的にドープされたＧａＮ層と、ＧａＮ緩衝層およびＩｎＧａＮチャネル層の異なった格子定数のために歪に対して緩和される前記ＧａＮ緩衝層の上の偶発的にドープされたＩｎＧａＮチャネル層と、前記ＩｎＧａＮチャネル層の上の偶発的にドープされたＧａＮスペーサー層と、前記ＡｌＧａＮスペーサー層の上の意図的にケイ素のドープされたＧａＮドナー層と、を含む。
実施例４
ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＨＥＭＴ素子の製造の実施例
実施例４に示された設計のＨＥＭＴ構造は、ＧａＮの堆積に適した基板と、前記基板の上に緩衝物として偶発的にドープされたＧａＮ層と、ＧａＮ緩衝層およびＩｎＧａＮチャネル層の異なった格子定数のために歪に対して緩和される前記ＧａＮ緩衝層の上の偶発的にドープされたＩｎＧａＮチャネル層と、前記ＩｎＧａＮチャネル層の上のＩｎＧａＮチャネル層に比較して低いＩｎＮ濃度を有する偶発的にドープされたＩｎＧａＮスペーサー層と、前記ＩｎＧａＮスペーサー層と同じＩｎＮ濃度を有するＩｎＧａＮスペーサー層の上の意図的にケイ素のドープされたＩｎＧａＮドナー層と、を含む。この実施例において、帯電キャリアの高密度を含むチャネルが、ＩｎＧａＮチャネル層およびＩｎＧａＮスペーサー層の異なったＩｎＮ濃度に対応した歪の結果として圧電性によるドーピングのために、ＩｎＧａＮチャネル層とＩｎＧａＮスペーサー層との間の境界面かその近くに形成される。
実施例４に示された設計のＨＥＭＴ構造は、ＧａＮの堆積に適した基板と、前記基板の上に緩衝物として偶発的にドープされたＧａＮ層と、ＧａＮ緩衝層およびＩｎＧａＮチャネル層の異なった格子定数のために歪に対して緩和される前記ＧａＮ緩衝層の上の偶発的にドープされたＩｎＧａＮチャネル層と、前記ＩｎＧａＮチャネル層の上のＩｎＧａＮチャネル層に比較して低いＩｎＮ濃度を有する偶発的にドープされたＩｎＧａＮスペーサー層と、前記ＩｎＧａＮスペーサー層と同じＩｎＮ濃度を有するＩｎＧａＮスペーサー層の上の意図的にケイ素のドープされたＩｎＧａＮドナー層と、を含む。この実施例において、帯電キャリアの高密度を含むチャネルが、ＩｎＧａＮチャネル層およびＩｎＧａＮスペーサー層の異なったＩｎＮ濃度に対応した歪の結果として圧電性によるドーピングのために、ＩｎＧａＮチャネル層とＩｎＧａＮスペーサー層との間の境界面かその近くに形成される。
本発明は、具体的な実施態様および特徴に対して本明細書中でいろいろに開示されたが、上に記載した実施態様および特徴は本発明を制限することを意図するものではなく、他の変型、改良および他の実施態様が当業者に提案されることは、理解されよう。従って本発明は、以下に記載した特許請求の範囲と一致して、広く解釈されなければならない。
Claims (8)
- ＩｎＧａＮ合金からなるチャネル層と前記チャネル層上に少なくとも一つの付加的な層を含む、窒化ガリウムベースのＨＥＭＴ素子であって、前記チャネル層が緩和されかつ１００〜５０００ナノメートルの範囲の厚さを有し、アルミニウム含有層を含まず、前記少なくとも一つの付加的な層が（ａ）前記チャネル層と共にＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造を形成するＧａＮ及び（ｂ）前記チャネル層よりも低いＩｎ濃度を有し、前記チャネル層と共にＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造を形成する、ＩｎＧａＮからなる群より選ばれる材料を含む、素子。
- ＩｎＧａＮ合金からなるチャネル層と前記チャネル層上に少なくとも一つの付加的な層を含む、窒化ガリウムベースのＨＥＭＴ素子であって、前記少なくとも一つの付加的な層がＡｌxＧａ1-xＮ材料、ここでｘは０．１である、を含み、前記チャネル層と共にＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造を形成し、前記チャネル層が緩和されかつ１００〜５０００ナノメートルの範囲の厚さを有する、素子。
- ＩｎＧａＮ合金からなるチャネル層と前記チャネル層上に少なくとも一つの付加的な層を含む、窒化ガリウムベースのＨＥＭＴ素子であって、前記少なくとも一つの付加的な層がＧａＮ材料を含み前記チャンネル層と共にＧａＮ／ＩｎＧａＮＨＥＭＴを形成し、前記チャネル層が緩和されかつ１００〜５０００ナノメートルの範囲の厚さを有し、アルミニウム含有層を含まない、素子。
- ＩｎＧａＮ合金からなるチャネル層と前記チャネル層上に少なくとも一つの付加的な層を含む、窒化ガリウムベースのＨＥＭＴ素子であって、前記少なくとも一つの付加的な層が前記チャネル層よりも低いＩｎ濃度を有するＩｎＧａＮ材料を含み前記チャンネル層と共にＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮＨＥＭＴを形成し、前記チャネル層が緩和されかつ１００〜５０００ナノメートルの範囲の厚さを有し、アルミニウム含有層を含まない、素子。
- 前記少なくとも一つの付加的な層が、さらに、ドープされていないＧａＮスペーサー層と前記ＧａＮスペーサー層上に形成されたドープされたＧａＮドナー層とを含む、請求項１又は３に記載の窒化ガリウムベースのＨＥＭＴ素子。
- 前記少なくとも一つの付加的な層が、さらに、ドープされていないＩｎＧａＮスペーサー層と前記ＩｎＧａＮスペーサー層上に形成されたドープされたＩｎＧａＮドナー層とを含み、前記ＩｎＧａＮスペーサー層が前記チャンネル層よりも低いＩｎ濃度を有する、請求項１又は４に記載の窒化ガリウムベースのＨＥＭＴ素子。
- 前記Ａｌ x Ｇａ 1-x Ｎ材料、ここでｘは０．１である、を含む少なくとも一つの付加的な層が、ドープされていない、請求項２に記載の窒化ガリウムベースのＨＥＭＴ素子。
- 基板と、
前記基板上のＧａＮ緩衝層と、
をさらに含み、前記チャンネル層が前記緩衝層上に形成される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の窒化ガリウムベースのＨＥＭＴ素子。
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