JP6880406B2 - 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3は、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。なお、AlGaN/GaN・HEMTを構成する各層の厚みは正確には図示されていない。
化合物半導体積層構造2は、初期層2a、バッファ層2b、電子走行層2c、及び電子供給層2dを有して構成される。電子走行層2cと電子供給層2dとの間に、AlN、AlGaN等の薄いスペーサ層を設けても良い。電子供給層2d上に、n型GaNのキャップ層を設けても良い。
先ず、図1(b)に示すように、第1AlGaN層11を形成する。
詳細には、電子走行層2c上にAlGaNを数nm〜20nm程度、例えば10nm程度の厚みに成長する。これにより、第1AlGaN層11が形成される。第1AlGaN層11は、ゲート電極下における2DEG濃度を十分低くするため、Al組成を10%以下の低値とする。Al組成が10%である場合、第1AlGaN層11はAl0.1Ga0.9Nとなる。
詳細には、CVD法等により、第1AlGaN層11の全面に絶縁物、例えばSiNを堆積し、これをエッチングして、第2AlGaN層の形成予定部位を露出させる開口13aを有するマスク13を形成する。
詳細には、マスク13を用いて、第1AlGaN層11の上面の開口13aから露出する部分上にAlGaNを再成長する。これにより、第1AlGaN層11上に第2AlGaN層12が形成される。第1AlGaN層11及び第2AlGaN層12から電子供給層2dが構成される。
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、形成予定部位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。
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。レジストを化合物半導体積層構造2上に塗布し、フォトリソグラフィーにより加工して、電子供給層2dの形成予定部位を露出させる開口を形成する。この形成予定部位は、電子供給層2dの上面において、第1領域である第1AlGaN層11上に位置する。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。
なお、第2AlGaN層12は、平面視において、ゲート電極6との間における端部が、ソース電極4のゲート電極6側の端部と一致するように形成されても良い。
以下、第1の実施形態の諸変形例によるAlGaN/GaN・HEMTについて説明する。なお、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTと同じ構成部材等については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
変形例1では、AlGaN/GaN・HEMTの電子供給層において、ドレイン電極下に、第2領域と同様に高Al組成の第3領域が形成されている点で第1の実施形態と相違する。図5〜図6は、第1の実施形態の変形例1によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法について、主要工程を示す概略断面図である。
詳細には、CVD法等により、第1AlGaN層11の全面に絶縁物、例えばSiNを堆積し、これをエッチングして、第2AlGaN層及び第3AlGaN層の形成予定部位を露出させる開口14a,14bを有するマスク14を形成する。マスク14を用いて、第1AlGaN層11の上面の開口14a,14bから露出する部分上にAlGaNを再成長し、第2AlGaN層12及び第3AlGaN層15を形成する。第1AlGaN層11、第2AlGaN層12、及び第3AlGaN層15から電子供給層10が構成される。第2及び第3AlGaN層12,15のAl組成は、第1AlGaN層11のAl組成よりも高値、例えば10%よりも高く100%以下とする。例えば80%であり、第2及び第3AlGaN層12,15はAl0.8Ga0.1Nとなる。マスク14は、例えばHF系の酸を用いたウェット処理により除去される。
変形例1では、電子供給層10の上面において、第2領域である第2AlGaN層12上にソース電極4が、第3領域である第3AlGaN層15上にドレイン電極5がそれぞれ配置される。Al組成の高い第2AlGaN層12上にソース電極4が、Al組成の高い第3AlGaN層15上にドレイン電極5が設けられるため、ソース電極4及びドレイン電極5のコンタクト抵抗が低減する。
第2AlGaN層12では、平面視において、ゲート電極6との間における端部が、ソース電極4のゲート電極6側の端部からゲート電極6に向かって延在している。同様に、第3AlGaN層15では、平面視において、ゲート電極6との間における端部が、ドレイン電極5のゲート電極6側の端部からゲート電極6に向かって延在している。これらの構成により、アクセス抵抗が低減されるため、高出力化に有利となる。
変形例2では、変形例1の構成を備えたMIS型のAlGaN/GaN・HEMTを開示する。図7は、第1の実施形態の変形例2によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法について、主要工程を示す概略断面図である。
変形例1では、電子供給層10の上面において、第2領域である第2AlGaN層12上にソース電極4が、第3領域である第3AlGaN層15上にドレイン電極5がそれぞれ配置される。Al組成の高い第2AlGaN層12上にソース電極4が、Al組成の高い第3AlGaN層15上にドレイン電極5が設けられるため、ソース電極4及びドレイン電極5のコンタクト抵抗が低減する。
変形例2では、電子供給層10上のマスク14を除去することなく、これを残存させた状態でゲート絶縁膜として利用する。以下、マスク14をゲート絶縁膜16と称する。第1の実施形態と同様の手法により、ゲート電極6をゲート絶縁膜16上に形成する。
本実施形態では、第1の実施形態と同様にAlGaN/GaN・HEMTを開示するが、電子供給層の形成方法及び構造が若干異なる点で第1の実施形態と相違する。図8〜図9は、第2の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法について、主要工程を示す概略断面図である。なお、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTと同じ構成部材等については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
詳細には、CVD法等により、第1AlGaN層11の全面に絶縁物、例えばSiNを堆積し、これをエッチングして、第2AlGaN層の形成予定部位を露出させる開口13aを有するマスク13を形成する。
詳細には、Si基板1を例えばMOCVD炉内に搬送し、雰囲気ガスを例えばH2及びNH3として、第1AlGaN層11の成長温度に近い温度、例えば1000℃程度で加熱処理を行う。これにより、第1AlGaN層11のマスク13の開口13aから露出する部分の最表面近傍からGaが脱離する。第1AlGaN層11の当該部分の最表面近傍では、Gaの脱離によりAl組成が相対的に高くなり、第1AlGaN層11よりも高Al組成の第2AlGaN層21が形成される。第1AlGaN層11と、底部及び側部(下面及び側面)が第1AlGaN層11で覆われた第2AlGaN層21とから電子供給層20が構成される。
本実施形態では、電子供給層20の上面において、第2領域である第2AlGaN層21上にソース電極4が、第1領域である第1AlGaN層11上にドレイン電極5がそれぞれ配置される。Al組成の高い第2AlGaN層21上にソース電極4が設けられるため、ソース電極4のコンタクト抵抗が低減する。
第2AlGaN層12では、平面視において、ゲート電極6との間における端部が、ソース電極4のゲート電極6側の端部からゲート電極6に向かって延在している。この構成により、アクセス抵抗が低減されるため、高出力化に有利となる。
本実施形態では、第1の実施形態と同様にAlGaN/GaN・HEMTを開示するが、電子供給層の形成方法及び構造が若干異なる点で第1の実施形態と相違する。図10〜図11は、第3の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法について、主要工程を示す概略断面図である。なお、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTと同じ構成部材等については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
詳細には、CVD法等により、第1AlGaN層11の全面に絶縁物、例えばSiNを堆積し、これをエッチングして、第2AlGaN層の形成予定部位を露出させる開口13aを有するマスク13を形成する。
詳細には、マスク13を用いて、第1AlGaN層11の上面の開口13aから露出する部分上にAlGaNを再成長する。このとき、AlGaNにn型不純物、例えばSi又はGeをドーピングする。具体的には、AlGaNの原料ガスであるTMAガス、TMGガス及びNH3ガスの混合ガスに、Siのドーパントとしてモノシラン(SiH4)を、又はGeのドーパントとしてモノゲルマン(GeH4)を添加する。
第1態様では、各態様のうちで相対的に最も高い2DEG濃度を得ることができる。その一方で、n型不純物のドーピングにより導入される結晶欠陥を含むnドープ層22が2DEGに最も近くなるため、コラプス特性は各態様のうちで相対的に劣る。
以上のようにして、第1AlGaN層11と、底部(下面)が第1AlGaN層11で覆われた第2AlGaN層21と、第2AlGaN層21に形成されたnドープ層22と備えた電子供給層30が構成される。
本実施形態では、電子供給層30の上面において、第2領域である第2AlGaN層21上(厳格には、第2AlGaN層21を介したnドープ層22上)にソース電極4が、第1領域である第1AlGaN層11上にドレイン電極5がそれぞれ配置される。Al組成の高い第2AlGaN層21上にソース電極4が設けられるため、ソース電極4のコンタクト抵抗が低減する。
第2AlGaN層12では、平面視において、ゲート電極6との間における端部が、ソース電極4のゲート電極6側の端部からゲート電極6に向かって延在している。この構成により、アクセス抵抗が低減されるため、高出力化に有利となる。
例えば、第1の実施形態の変形例2において、第1の実施形態と同様に電子供給層2dを形成し、ソース電極4及びドレイン電極5を形成した後、全面に絶縁膜を形成し、これをパターニングしてゲート絶縁膜を形成するようにしても良い。この場合、ゲート絶縁膜はSiNに限定されることなく、種々の絶縁物を用いることができる。例えば、Si,Al,Hf,Zr,Ti,Ta,Wの酸化物、窒化物又は酸窒化物、或いはこれらから適宜に選択して多層に堆積して、ゲート絶縁膜を形成しても良い。
本実施形態では、第1〜第3の実施形態及び諸変形例から選ばれた1種のAlGaN/GaN・HEMTを適用した電源装置を開示する。
図14は、第4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41は、交流電源44と、いわゆるブリッジ整流回路45と、複数(ここでは4つ)のスイッチング素子46a,46b,46c,46dとを備えて構成される。また、ブリッジ整流回路45は、スイッチング素子46eを有している。
二次側回路42は、複数(ここでは3つ)のスイッチング素子47a,47b,47cを備えて構成される。
本実施形態では、第1〜第3の実施形態及び諸変形例から選ばれた1種のAlGaN/GaN・HEMTを適用した高周波増幅器を開示する。
図15は、第5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51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52a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53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3の実施形態及び諸変形例から選ばれた1種のAlGaN/GaN・HEMTを有している。なお図15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52b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51に送出できる構成とされている。
第1〜第5の実施形態及び諸変形例では、化合物半導体装置としてAlGaN/GaN・HEMTを例示した。化合物半導体装置としては、AlGaN/GaN・HEMT以外にも、例えば以下のようなGaN−HEMTに適用できる。
本例では、化合物半導体装置として、InAlN/GaN・HEMTを開示する。
InAlNとGaNは、組成によって格子定数を近くすることが可能な化合物半導体である。この場合、上記した第1〜第5の実施形態及び諸変形例では、電子走行層がi−GaN、電子供給層がInAlNで形成される。電子供給層は、電子走行層の上方に設けられており、第1領域と、少なくとも底部が第1領域に覆われており、第1領域よりもAl組成が高い第2領域とを有している。InAlN/GaN・HEMTでは、ピエゾ分極が殆ど発生しないため、2次元電子ガスは主にInAlNの自発分極により発生する。
本例では、化合物半導体装置として、InAlGaN/GaN・HEMTを開示する。
GaNとInAlGaNは、後者の方が前者よりも組成によって格子定数を小さくすることができる化合物半導体である。この場合、上記した第1〜第5の実施形態及び諸変形例では、電子走行層がi−GaN、電子供給層がInAlGaNで形成される。電子供給層は、電子走行層の上方に設けられており、第1領域と、少なくとも底部が第1領域に覆われており、第1領域よりもAl組成が高い第2領域とを有している。
前記電子走行層の上方に設けられており、第1領域と、少なくとも底部が前記第1領域に覆われ、前記第1領域よりもAl組成が高い第2領域とを有する電子供給層と、
前記第1領域の上方に設けられた第1電極と、
前記第2領域の上方に設けられた第2電極と
を備えたことを特徴とする化合物半導体装置。
前記第3領域の上方に、前記第2領域と共に前記第1領域を挟むように設けられた第3電極を備えたことを特徴とする付記1〜9のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
前記電子走行層の上方に、第1領域と、少なくとも底部が前記第1領域に覆われており、前記第1領域よりもAl組成が高い第2領域とを有する電子供給層を形成し、
前記第1領域の上方に第1電極を、前記第2領域の上方に第2電極をそれぞれ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。
前記第2領域は、厚み方向の上方部分のみにn型不純物を含有することを特徴とする付記20に記載の化合物半導体装置の製造方法。
前記第3領域の上方に、前記第2領域と共に前記第1領域を挟むように第3電極を形成することを特徴とする付記11〜23のいずれか1項に記載の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、
電子走行層と、
前記電子走行層の上方に設けられており、第1領域と、少なくとも底部が前記第1領域に覆われ、前記第1領域よりもAl組成が高い第2領域とを有する電子供給層と、
前記第1領域の上方に設けられた第1電極と、
前記第2領域の上方に設けられた第2電極と
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、
電子走行層と、
前記電子走行層の上方に設けられており、第1領域と、少なくとも底部が前記第1領域に覆われ、前記第1領域よりもAl組成が高い第2領域とを有する電子供給層と、
前記第1領域の上方に設けられた第1電極と、
前記第2領域の上方に設けられた第2電極と
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 初期層
2b バッファ層
2c 電子走行層
2d,10,20,30 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
11 第1AlGaN層
12,21 第2AlGaN層
13,14 マスク
13a,14a,14b 開口
15 第3AlGaN層
16 ゲート絶縁膜
22 nドープ層
41 一次側回路
42 二次側回路
43 トランス
44 交流電源
45 ブリッジ整流回路
46a,46b,46c,46d,46e,47a,47b,47c スイッチング素子
51 ディジタル・プレディストーション回路
52a,52b ミキサー
53 パワーアンプ
Claims (15)
- 電子走行層と、
前記電子走行層の上方に設けられており、第1領域と、少なくとも底部が前記第1領域に覆われ、前記第1領域よりもAl組成が高い第2領域とを有する電子供給層と、
前記第1領域の上方に設けられた第1電極と、
前記第2領域の上方に設けられた第2電極と
を備えており、
前記第2領域は、厚み方向について、n型不純物を非含有の下層部分と、下面から上面に向かうにつれてn型不純物の濃度が漸増する上層部分とからなることを特徴とする化合物半導体装置。 - 前記第2領域は、前記第1領域の前記第2領域下の部分よりも薄いことを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。
- 前記第2領域は、前記電子供給層の上面の一部を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の化合物半導体装置。
- 前記第2領域は、平面視において、前記第1電極と前記第2電極との間における端部が前記第2電極の前記第1電極側の端部と一致していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
- 前記第2領域は、平面視において、前記第1電極と前記第2電極との間における端部が前記第2電極の前記第1電極側の端部から前記第1電極側に延在していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
- 前記電子供給層は、少なくとも底部が前記第1領域に覆われ、前記第1領域よりもAl組成が高い第3領域を有しており、
前記第3領域の上方に、前記第2電極と共に前記第1電極を挟むように設けられた第3電極を備えたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。 - 電子走行層を形成し、
前記電子走行層の上方に、第1領域と、少なくとも底部が前記第1領域に覆われており、前記第1領域よりもAl組成が高い第2領域とを有する電子供給層を形成し、
前記第1領域の上方に第1電極を、前記第2領域の上方に第2電極をそれぞれ形成し、
前記第2領域は、厚み方向について、n型不純物を非含有の下層部分と、下面から上面に向かうにつれてn型不純物の濃度が漸増する上層部分とからなることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 - 前記第2領域は、前記第1領域の前記第2領域下の部分よりも薄いことを特徴とする請求項7に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記第2領域は、前記電子供給層の上面の一部を含むことを特徴とする請求項7又は8に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記電子走行層の上方に第1化合物半導体層を形成し、前記第1化合物半導体層の上面の一部上に、前記第1化合物半導体層よりもAl組成が高い第2化合物半導体層を形成して、前記第1領域及び前記第2領域を有する前記電子供給層を形成することを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記電子走行層の上方に化合物半導体層を形成し、前記化合物半導体層を加熱処理し、前記化合物半導体層の上面の一部のみのAl組成を高くして、前記第1領域及び前記第2領域を有する前記電子供給層を形成することを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記化合物半導体層上に前記第2領域となる部分を開口するマスクを形成し、前記加熱処理を行うことを特徴とする請求項11に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記化合物半導体層の全面を前記加熱処理し、前記化合物半導体層のAl組成が高くなった部分を、前記第2領域となる部分のみを残して除去することを特徴とする請求項11に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記第2領域は、厚み方向の少なくとも上方部分にn型不純物を含有することを特徴とする請求項7〜13のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記電子供給層は、少なくとも底部が前記第1領域に覆われ、前記第1領域よりもAl組成が高い第3領域を有しており、
前記第3領域の上方に、前記第2電極と共に前記第1電極を挟むように第3電極を形成することを特徴とする請求項7〜14のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
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