JP6604036B2 - 化合物半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本実施形態では、化合物半導体装置として、窒化物半導体のAlGaN/GaN・HEMTを開示する。
図1〜図2は、第1の実施形態によるInAlN/GaN・HEMTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
化合物半導体積層構造2は、バッファ層2a、電子走行層2b、スペーサ層2c、及び電子供給層2dを有して構成される。本実施形態では、キャリアは電子(2DEG)であるためキャリア走行層が電子走行層2b、キャリア供給層が電子供給層2dとなる。
Si基板1上に、初期層(不図示)としてAlNを160nm程度の厚みに成長する。その後、AlGaNを200nm程度の厚みに、i(インテンショナリ・アンドープ)−GaNを1μm程度の厚みに、AlGaNを20nm程度の厚みに、InAlNを10nm程度の厚みに、n−GaNを3nm程度の厚みに順次成長する。以上により初期層上に、バッファ層2a、電子走行層2b、スペーサ層2c、及び電子供給層2dが形成される。電子供給層2d上にn−GaNのキャップ層を形成しても良い。
詳細には、化合物半導体積層構造2の素子分離領域に、例えばアルゴン(Ar)を注入する。これにより、化合物半導体積層構造2及びSi基板1の表層部分に素子分離構造3が形成される。素子分離構造3により、化合物半導体積層構造2上で活性領域が画定される。
なお、素子分離は、上記の注入法の代わりに、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法を用いて行っても良い。このとき、化合物半導体積層構造2のドライエッチングには、例えば塩素系のエッチングガスを用いる。
詳細には、先ず、ソース電極及びドレイン電極を形成するためのレジストマスクを形成する。ここでは、蒸着法及びリフトオフ法に適した例えば庇構造2層レジストを用いる。このレジストを化合物半導体積層構造2上に塗布し、化合物半導体積層構造2上の電極形成予定位置を露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばTa(上層)/Al(下層)を、例えば蒸着法により、電極形成予定位置を露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Taの厚みは20nm程度、Alの厚みは200nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したTa/Alを除去する。その後、Si基板1を、例えば窒素雰囲気中において400℃〜1000℃程度の温度、例えば600℃程度で熱処理し、残存したTa/Alを電子供給層2dとオーミックコンタクトさせる。Ta/Alの電子供給層2dとのオーミックコンタクトが得られるのであれば、熱処理が不要な場合もある。以上により、化合物半導体積層構造2上にソース電極4及びドレイン電極5が形成される。
詳細には、先ず、ゲート電極を形成するためのレジストマスクを形成する。ここでは、蒸着法及びリフトオフ法に適した例えば庇構造2層レジストを用いる。このレジストを化合物半導体積層構造2上に塗布し、化合物半導体積層構造2上の電極形成予定位置を露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
本実施形態では、化合物半導体積層構造2において、スペーサ層2cがAlGaNで、電子供給層2dがInAlNで形成される。
電子供給層2dをInAlNで形成することにより、電子走行層2bのGaNとの大きい自発分極差により、高い2DEG濃度を実現することができる。
本実施形態では、第1の実施形態と同様にInAlN/GaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、スペーサ層が異なる点で第1の実施形態と相違する。なお、第1の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図6は、第2の実施形態によるInAlN/GaN・HEMTの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
しかる後、層間絶縁膜の形成、ソース電極4、ドレイン電極5、ゲート電極6と接続される配線の形成、上層の保護膜の形成、最表面に露出する接続電極の形成等の諸工程を経て、本実施形態によるInAlN/GaN・HEMTが形成される。
第1の実施形態と同様に、電子供給層2dをInAlNで形成することにより、電子走行層2bのGaNとの大きい自発分極差により、高い2DEG濃度を実現することができる。
本実施形態では、第1の実施形態と同様にInAlN/GaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、スペーサ層が異なる点で第1の実施形態と相違する。なお、第1の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図8は、第3の実施形態によるInAlN/GaN・HEMTの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
しかる後、層間絶縁膜の形成、ソース電極4、ドレイン電極5、ゲート電極6と接続される配線の形成、上層の保護膜の形成、最表面に露出する接続電極の形成等の諸工程を経て、本実施形態によるInAlN/GaN・HEMTが形成される。
第1の実施形態と同様に、電子供給層2dをInAlNで形成することにより、電子走行層2bのGaNとの大きい自発分極差により、高い2DEG濃度を実現することができる。
以下、第3の実施形態の変形例について説明する。本例では、第3の実施形態と同様にInAlN/GaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、スペーサ層の積層構造が異なる点で第3の実施形態と相違する。なお、第3の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図9は、第3の実施形態の変形例によるInAlN/GaN・HEMTの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
しかる後、層間絶縁膜の形成、ソース電極4、ドレイン電極5、ゲート電極6と接続される配線の形成、上層の保護膜の形成、最表面に露出する接続電極の形成等の諸工程を経て、本例によるInAlN/GaN・HEMTが形成される。
第3の実施形態と同様に、電子供給層2dをInAlNで形成することにより、電子走行層2bのGaNとの大きい自発分極差により、高い2DEG濃度を実現することができる。
本実施形態では、第1の実施形態と同様にInAlN/GaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、スペーサ層が異なる点で第1の実施形態と相違する。なお、第1の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図10は、第4の実施形態によるInAlN/GaN・HEMTの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
スペーサ層51をInAlGaNで形成する場合、InAlGaN、Al組成率が0.2以上0.7以下の範囲内で、In組成率が0.2以下でそれぞれ変化する。例えば、下面でIn0.05Al0.65Ga0.3Nであり、上面に向かうにつれてAl組成率が漸増し、上面でIn0.05Al0.7Ga0.25Nとなる。
しかる後、層間絶縁膜の形成、ソース電極4、ドレイン電極5、ゲート電極6と接続される配線の形成、上層の保護膜の形成、最表面に露出する接続電極の形成等の諸工程を経て、本実施形態によるInAlN/GaN・HEMTが形成される。
化合物半導体積層構造2の結晶表面にソース電極4及びドレイン電極5を形成する際には、電極4,5から結晶側へ向かう電子輸送が如何にスムーズに行われるかが重要となる。このとき、化合物半導体積層構造の結晶奥部側にバンドギャップの大きい材料が存在する場合、電極側から見ると、電極と電子供給層との界面の障壁のみならず、結晶奥部側に2つ目の障壁が存在することになる。そうすると、オーミック接合を形成することが困難となる。
以下、第4の実施形態の変形例について説明する。本例では、第4の実施形態と同様にInAlN/GaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、Al組成の変化する化合物半導体層が異なる点で相違する。なお、第4の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図11は、第4の実施形態の変形例によるInAlN/GaN・HEMTの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
化合物半導体積層構造2の結晶表面にソース電極4及びドレイン電極5を形成する際には、電極4,5から結晶側へ向かう電子輸送が如何にスムーズに行われるかが重要となる。このとき、化合物半導体積層構造の結晶奥部側にバンドギャップの大きい材料が存在する場合、電極側から見ると、電極と電子供給層との界面の障壁のみならず、結晶奥部側に2つ目の障壁が存在することになる。そうすると、オーミック接合を形成することが困難となる。
本実施形態では、第1〜第4の実施形態及び諸変形例から選ばれた1種のInAlN/GaN・HEMTを適用した電源装置を開示する。
図12は、第5の実施形態による電源装置の概略構成を示す結線図である。
一次側回路71は、交流電源74と、いわゆるブリッジ整流回路75と、複数(ここでは4つ)のスイッチング素子76a,76b,76c,76dとを備えて構成される。また、ブリッジ整流回路75は、スイッチング素子76eを有している。
二次側回路72は、複数(ここでは3つ)のスイッチング素子77a,77b,77cを備えて構成される。
本実施形態では、第1〜第4の実施形態及び諸変形例から選ばれた1種のInAlN/GaN・HEMTを適用した高周波増幅器を開示する。
図13は、第6の実施形態による高周波増幅器の概略構成を示す結線図である。
ディジタル・プレディストーション回路81は、入力信号の非線形歪みを補償するものである。ミキサー82aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号をミキシングするものである。パワーアンプ83は、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅するものであり、第1〜第4の実施形態及び諸変形例から選ばれた1種のInAlN/GaN・HEMTを有している。なお図13では、例えばスイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー82bで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路81に送出できる構成とされている。
前記キャリア走行層の上方に形成された、InAlNからなるキャリア供給層と、
前記キャリア走行層と前記キャリア供給層との間に形成された、AlGaN及びInAlGaNの少なくとも一方からなるスペーサ層と
を備えたことを特徴とする化合物半導体装置。
前記キャリア走行層上に、AlGaN及びInAlGaNの少なくとも一方からなるスペーサ層を形成し、
前記スペーサ層上に、InAlNからなるキャリア供給層を形成することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
前記高圧回路はトランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
キャリア走行層と、
前記キャリア走行層の上方に形成された、InAlNからなるキャリア供給層と、
前記キャリア走行層と前記キャリア供給層との間に形成された、AlGaN及びInAlGaNの少なくとも一方からなるスペーサ層と
を備えたことを特徴とする電源回路。
トランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
キャリア走行層と、
前記キャリア走行層の上方に形成された、InAlNからなるキャリア供給層と、
前記キャリア走行層と前記キャリア供給層との間に形成された、AlGaN及びInAlGaNの少なくとも一方からなるスペーサ層と
を備えたことを特徴とする高周波増幅器。
2 化合物半導体積層構造
2a バッファ層
2b 電子走行層
2c,21,31,41,51 スペーサ層
2d,61 電子供給層
3 素子分離構造
4 ソース電極
5 ドレイン電極
6 ゲート電極
7 ゲート絶縁膜
32,42 下層
33,43 上層
71 一次側回路
72 二次側回路
73 トランス
74 交流電源
75 ブリッジ整流回路
76a,76b,76c,76d,76e,77a,77b,77c スイッチング素子
81 ディジタル・プレディストーション回路
82a,82b ミキサー
83 パワーアンプ
Claims (8)
- キャリア走行層と、
前記キャリア走行層の上方に形成された、InAlNからなるキャリア供給層と、
前記キャリア走行層と前記キャリア供給層との間に形成された、AlGaN及びInAlGaNの少なくとも一方からなるスペーサ層と
を備えており、
前記スペーサ層は、下面から上面へ向かうにつれてAl組成率が漸増しており、
前記キャリア供給層は、下面から上面へ向かうにつれてAl組成率が漸増していることを特徴とする化合物半導体装置。 - 前記スペーサ層がAlGaNからなり、Al組成率が0.2以上0.7以下であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。
- 前記スペーサ層がInAlGaNからなり、Al組成率が0.2以上0.7以下であり、且つIn組成率が0.2以下であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。
- 前記スペーサ層は、AlGaNの層及びInAlGaNの層の積層構造とされていることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。
- キャリア走行層を形成し、
前記キャリア走行層上に、AlGaN及びInAlGaNの少なくとも一方からなるスペーサ層を形成し、
前記スペーサ層上に、InAlNからなるキャリア供給層を形成し、
前記スペーサ層は、下面から上面へ向かうにつれてAl組成率が漸増しており、
前記キャリア供給層は、下面から上面へ向かうにつれてAl組成率が漸増していることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 - 前記スペーサ層がAlGaNからなり、Al組成率が0.2以上0.7以下であることを特徴とする請求項5に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記スペーサ層がInAlGaNからなり、Al組成率が0.2以上0.7以下であり、且つIn組成率が0.2以下であることを特徴とする請求項5に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記スペーサ層は、AlGaNの層及びInAlGaNの層の積層構造とされることを特徴とする請求項5に記載の化合物半導体装置の製造方法。
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