JP7461630B2 - 高電子移動度トランジスタ装置、半導体多層膜ミラーおよび縦型ダイオード - Google Patents

Description

本明細書では、窒化ガリウムを用いた高電子移動度トランジスタ装置、半導体多層膜ミラーおよび縦型ダイオードに関する技術を開示する。

特許文献１には、ＡｌＧａＮＰからなるクラッド層を備えた、レーザ素子が開示されている。

特開２００３－７８２１８号公報

特許文献１は、ブロードストライプ型半導体レーザ素子についての技術である。様々な種類の素子についての技術については、開示していない。

本明細書では、高電子移動度トランジスタ装置を開示する。高電子移動度トランジスタ装置は、基板を備える。基板上に配置されている、窒化ガリウムのバッファ層を備える。バッファ層上に配置されている、窒化ガリウムのチャネル層を備える。チャネル層上に配置されている、リンを含んだ窒化物半導体の電子供給層を備える。電子供給層上に配置されているソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極と、を備える。リンを含んだ窒化物半導体は、ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰである。

また本明細書では、高電子移動度トランジスタ装置の他の一実施例を開示する。高電子移動度トランジスタ装置は、基板を備える。基板上に配置されている、リンを含んだ窒化物半導体の電子供給層を備える。窒化物半導体層上に配置されている、窒化ガリウムのチャネル層を備える。チャネル層上に配置されているソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極と、を備える。リンを含んだ窒化物半導体は、ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰである。

本明細書の高電子移動度トランジスタ装置は、リンを含んだ窒化物半導体（ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰ）の電子供給層を備えている。この電子供給層は、窒化ガリウムのチャネル層と接している。ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰの格子定数を、窒化ガリウムの格子定数に近づけることによって、応力の発生を抑制できる。格子欠陥の導入を抑制できるため、高電子移動度トランジスタ装置の性能を向上させることが可能となる。

本明細書では、半導体多層膜ミラーを開示する。半導体多層膜ミラーは、リンを含んだ窒化物半導体の第１層と、窒化ガリウムの第２層と、のペア構造が複数積層された構造を備える。リンを含んだ窒化物半導体は、ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰである。効果の詳細は実施例で説明する。

本明細書では、縦型ダイオードを開示する。縦型ダイオードは、第１導電型の窒化ガリウムの基板を備える。基板上に配置されている、リンを含んだ第１導電型の窒化物半導体層を備える。窒化物半導体層上に配置されている、第２導電型の窒化ガリウム層を備える。リンを含んだ窒化物半導体は、ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰである。効果の詳細は実施例で説明する。

また本明細書では、縦型ダイオードの他の一実施例を開示する。縦型ダイオードは、第１導電型の窒化ガリウムの基板を備える。基板上に配置されている、リンを含んだ第１導電型の窒化物半導体層を備える。窒化物半導体層上に配置されている、ショットキー電極を備える。リンを含んだ窒化物半導体は、ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰである。効果の詳細は実施例で説明する。

リンを含んだ窒化物半導体の格子定数は、窒化ガリウムの｛０００１｝面の格子定数に略一致していてもよいし小さくてもよい。

ＡｌＰＮの組成は、ＡｌＰ_０．１３Ｎ_０．８７であってもよい。ＡｌＧａＮＰの組成は、Ａｌ_{（１－ｘ）}Ｇａ_ｘＮ_{１－０．１３＊（１－ｘ）}Ｐ_{０．１３＊（１－ｘ）}であってもよい。

実施例１に係るＨＥＭＴ装置１の断面概略図である。 ＡｌＰ_０．１３Ｎ_０．８７のＸＲＤ分析結果を示すグラフである。 実施例２に係るＨＥＭＴ装置１ａの断面概略図である。 実施例３に係るＬＥＤ装置１００の部分断面概略図である。 反射鏡１１２の反射率特性を示すグラフである。 実施例４に係る縦型のＰＮダイオード２００の断面概略図である。 実施例５に係る縦型のショットキーバリアダイオード２００ａの断面概略図である。

＜ＨＥＭＴ装置１の構造＞
図１に、実施例１に係るＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）装置１の断面概略図を示す。ＨＥＭＴ装置１は、基板１１、バッファ層１２、チャネル層１３、電子供給層１４、ソース電極２１、ドレイン電極２２、ゲート電極２３、保護層２４を備える。

基板１１は、シリコン基板やサファイヤ基板などの表面に形成された窒化ガリウム（ＧａＮ）テンプレートである。バッファ層１２は、基板１１上に配置されている、窒化ガリウムの層である。チャネル層１３は、バッファ層１２上に配置されている、窒化ガリウムの層である。電子供給層１４は、チャネル層１３上に配置されている、ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰの層である。電子供給層１４の厚さは、１～３０ｎｍの範囲である。ＡｌＰＮおよびＡｌＧａＮＰは、ウルツ鉱型構造を有する、リンを含んだ窒化物半導体である。電子供給層１４上には、ソース電極２１、ドレイン電極２２、およびゲート電極２３が配置されている。電子供給層１４およびゲート電極２３の表面は、絶縁体からなる保護層２４で覆われている。

電子供給層１４を構成しているＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰの格子定数は、窒化ガリウムの｛０００１｝面の格子定数に略一致している又は小さい。格子定数については後述する。ＡｌＰＮの組成は、ＡｌＰ_ｙＮ_１－ｙであり、ｙ≦０．１５である。本実施例では、ＡｌＰＮの組成は、ＡｌＰ_０．１３Ｎ_０．８７である。またＡｌＧａＮＰの組成は、Ａｌ_{（１－ｘ）}Ｇａ_ｘＮ_{１－０．１３＊（１－ｘ）}Ｐ_{０．１３＊（１－ｘ）}である。ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰは、ＭＯＶＰＥ（metal-organic vapor phase epitaxy）法によって成長可能である。成長条件は、例えば、ＡｌＮの成長に用いられるような既知の条件を用いればよい。また成長温度は、１１００℃とした。なお、ＨＥＭＴ装置１の動作は周知であるため、詳細な説明は省略する。

＜ＸＲＤ分析結果＞
ウルツ鉱型構造のＡｌＰＮおよびＡｌＧａＮＰの格子定数は、ＧａＮのａ軸の格子定数に一致させることが可能である。図２に、ＡｌＰ_０．１３Ｎ_０．８７のＸＲＤ分析結果を示す。測定法は、斜入射法（ω－２θ）を用いた。試料には、ＧａＮ上に形成された１４０ｎｍのＡｌＰＮを用いた。図２において、点は測定値であり、実線はシミュレーション結果である。図２より、ＡｌＰ_０．１３Ｎ_０．８７の格子定数が、ＧａＮの格子定数に略一致していることが分かる。換言すると、ＡｌＰＮとＧａＮの格子定数を一致させるためには、１３％のリンが必要であることが分かる。

＜効果＞
本実施例に係るＨＥＭＴ装置１では、窒化ガリウムのチャネル層１３と接触する電子供給層１４に、ＡｌＰＮ（ＡｌＰ_yＮ_１－ｙ、ここでｙ≦０．１５）またはＡｌＧａＮＰ（Ａｌ_{（１－ｘ）}Ｇａ_ｘＮ_{１－０．１３＊（１－ｘ）}Ｐ_{０．１３＊（１－ｘ）}）を用いている。これにより、ＡｌＰＮおよびＡｌＧａＮＰの格子定数を、窒化ガリウムの｛０００１｝面の格子定数に略一致させることができる。応力の発生を抑制できるため、結晶欠陥の密度を低減することが可能となる。また、電子供給層の厚膜化が可能となる。その結果、高電子移動度トランジスタ装置の性能を向上させることが可能となる。

ＧａＮはｃ軸方向に自発分極を持つ結晶である。本実施例に係るＨＥＭＴ装置１では、格子整合よりもＰ（リン）が少ないまたは多いひずみ層を使用することで、自発分極効果をさらに高めることができる。また、ＡｌＧａＮＰは、Ｐの含有量を低くするほど、バンドギャップを広くできるため、より高い分極効果を得ることができる。その結果、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）の濃度を高めることができるため、オン抵抗を非常に低くすることが可能となる。以上より、応力の発生を抑制しながら、オン抵抗を低減することが可能となる。

＜ＨＥＭＴ装置１ａの構造＞
図３に、実施例２に係るＨＥＭＴ装置１ａの断面概略図を示す。実施例２のＨＥＭＴ装置１ａ（図３）は、実施例１のＨＥＭＴ装置１（図１）に比して、インバーティド型のチャネル構造を有する点が異なる。両装置で共通する部位には同一符号を付すことで、説明を省略する。

電子供給層１４は、基板１１上に配置されている、ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰの層である。チャネル層１３は、電子供給層１４上に配置されている、窒化ガリウムの層である。チャネル層１３上には、ソース電極２１およびドレイン電極２２が配置されている。また絶縁層２４ａを介して、ゲート電極２３が配置されている。

電子供給層１４は、高い絶縁性を有していてもよい。高い絶縁性は、カーボンをドープすることや、格子整合によって可能となった厚膜化によって実現してもよい。電子供給層１４の上部は、わずかにｎ型不純物がドープされていてもよい。これにより、電子供給層１４とチャネル層１３との界面からの正電荷を補償することができる。電子供給層１４は、厚くすることが可能であり、例えば１００ｎｍ～２μｍの厚さであってもよい。

実施例１のＨＥＭＴ装置１ａ（図１）では、ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰの電子供給層１４が最表面に配置される。キャリア電子は電子供給層１４を介して電極に流れるため、オン抵抗の上昇の一因となってしまう。一方、実施例２のＨＥＭＴ装置１ａ（図３）では、ＧａＮのチャネル層１３が最表面に配置されるため、電極への接続が低抵抗で実現できる。オン抵抗を低くすることができる。また前述したように、ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰの電子供給層１４を用いることで高い分極効果を得られるため、チャネル層１３を非常に薄くしても、動作に問題がない程度に２ＤＥＧの濃度を高く維持できる。チャネル層１３の薄膜化により、ゲート電極２３によるキャリア密度制御を効率的に行うことができるため、ノーマリオフ特性の実現が可能となる。

＜ＬＥＤ装置１００の構造＞
図４に、実施例３に係るＬＥＤ装置１００の部分断面概略図を示す。ＬＥＤ装置１００は、基板１１１、反射鏡１１２、発光層１１３、ＧａＮ層１１４、を備える。
基板１１１は、ＧａＮテンプレートである。反射鏡１１２は、基板１１１上に配置されている。反射鏡１１２は、ブラッグミラーである。反射鏡１１２は、ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰの第１層Ｌ１（低屈折率層）と、ＧａＮの第２層Ｌ２（高屈折率層）と、のペア構造が複数積層された構造を備える。反射鏡１１２は、第１層Ｌ１および第２層Ｌ２を交互にエピタキシャル成長することで形成できる。本実施例では、ペア構造の積層数は１２ペアである。

第１層Ｌ１の厚さは、レーザ光の発振波長λの１／（４×ｎ_ＡｌＰＮ）、または、１／（４×ｎ_{ＡｌＧａＮＰ}）である。ここで「ｎ_{ＡｌＰＮ」}はＡｌＰＮの屈折率であり、「ｎ_{ＡｌＧａＮＰ」}はＡｌＧａＮＰの屈折率である。また第２層Ｌ２の厚さは、レーザ光の発振波長λの１／（４×ｎ_ＧａＮ）である。ここで「ｎ_ＧａＮ」は、ＧａＮの屈折率である。例えば、波長の最大値が４６０ｎｍである場合に、ＡｌＰ_０．１３Ｎ_０．８７の第１層Ｌ１の厚さは５９ｎｍであり、ＧａＮの第２層Ｌ２の厚さは４７ｎｍである。

発光層１１３は、反射鏡１１２上に配置されている。発光層１１３の構造は周知であるため、詳細な説明を省略する。ＧａＮ層１１４は、発光層１１３上に配置されている、リンがドープされたＧａＮである。なお図４において、ＧａＮ層１１４の上方に配置される上部反射鏡や各種電極は、図示を省略している。

図５に、反射鏡１１２の反射率特性の計算結果を示す。横軸が波長であり、縦軸が反射率である。第１層Ｌ１はＡｌＰＮであり、その組成は、ＡｌＰ_０．１３Ｎ_０．８７である。このときのＡｌＰＮの屈折率ｎ_{ＡｌＰＮ」}は、１．９５（λ＞４００ｎｍ）である。図５には、ペア構造の数を１０ペア、１２ペア、１５ペア、２０ペアに変化させた場合の反射率がそれぞれ示されている。１２ペアのときに、５００ｎｍまでの波長の領域において、約０．９９の反射率が得られることが分かる（矢印Ａ１参照）。

＜効果＞
第１層Ｌ１と第２層Ｌ２との格子定数を、略一致させることができる。反射鏡１１２で発生する応力を低減できるため、結晶欠陥の密度やサイズを減少させることができる。反射鏡１１２の反射率を増大させることが可能となる。

従来のように、第１層Ｌ１をＡｌＩｎＮで形成する場合には、１２ペアの反射鏡１１２の作成時間は１２時間を超過してしまう。本実施例の技術では、ＡｌＩｎＮよりも成膜レートを高くすることができるＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰを、第１層Ｌ１として用いている。（ＡｌＰＮの成膜レートは６００ｎｍ／ｈｏｕｒを達成できている）。これにより、１２ペアの反射鏡１１２の作成時間を大幅に短縮化（９０分以下）することが可能となる。

＜ＰＮダイオード２００の構造＞
図６に、実施例４に係る縦型のＰＮダイオード２００の断面概略図を示す。ＰＮダイオード２００は、基板２１１、ｎ型ドリフト層２１２、ｐ型層２１３、を備える。基板２１１は、ｎ型の窒化ガリウムである。ｎ型ドリフト層２１２は、基板２１１上に配置されている、ｎ型ＡｌＰＮまたはｎ型ＡｌＧａＮＰの層である。ｐ型層２１３は、ｎ型ドリフト層２１２上に配置されている、ｐ型の窒化ガリウムの層である。なお図６において、アノード電極やカソード電極は、図示を省略している。

＜効果＞
一般的な仮説として、破壊電界（breakdown field）の強度はバンドギャップの３乗に対応する（Ｅ_{ｂｒｅａｋ}～Ｅ_ｇａｐ ^３）。本実施例のＰＮダイオード２００では、ドリフト層にＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰを用いることで、ＧａＮを用いる場合に比して、バンドギャップを広くすることができる。
従って、例えば、ドリフト層にＡｌＰ_０．１３Ｎ_０．８７を用いた場合、ＧａＮを用いる場合に比して、破壊電界の強度を３．７倍で増加させることができる。（合金散射（alloy scattering）を無視した場合）。素子の高耐圧化を実現することが可能となる。

＜ショットキーバリアダイオード２００ａの構造＞
図７に、実施例５に係る縦型のショットキーバリアダイオード２００ａの断面概略図を示す。ＰＮダイオード２００は、基板２１１、ｎ型ドリフト層２１２、ショットキー電極２１４ａ、を備える。実施例５のショットキーバリアダイオード２００ａ（図７）と実施例４のＰＮダイオード２００（図６）とで共通する部位には同一符号を付すことで、説明を省略する。ショットキー電極２１４ａとしては、例えば、Ｎｉ／Ａｕの積層構造（この順に膜形成）が挙げられる。

本実施例のショットキーバリアダイオード２００ａにおいても、ドリフト層にＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰを用いることで、破壊電界の強度を高めることが可能となる。

＜変形例＞
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書のＡｌＰＮおよびＡｌＧａＮＰの適用範囲は、ＨＥＭＴ、ＬＥＤ、ダイオード等に限定されない。各種の素子や用途に適用可能である。例えば、アルカリ溶液を用いた選択エッチングにおける犠牲層として、ＡｌＰＮおよびＡｌＧａＮＰを用いることが可能である。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１、１ａ：ＨＥＭＴ装置 １１：基板 １２：バッファ層 １３：チャネル層 １４：電子供給層 ２１：ソース電極 ２２：ドレイン電極 ２３：ゲート電極 １００：ＬＥＤ装置 １１１：基板 １１２：反射鏡 １１３：発光層 ２００：ＰＮダイオード ２００ａ：ショットキーバリアダイオード ２１１：基板 ２１２：ｎ型ドリフト層 ２１３：ｐ型層 ２１４ａ：ショットキー電極 Ｌ１：第１層 Ｌ２：第２層

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板上に配置されている、窒化ガリウムのバッファ層と、
   前記バッファ層上に配置されている、窒化ガリウムのチャネル層と、
   前記チャネル層上に配置されている、リンを含んだ窒化物半導体の電子供給層と、
   前記電子供給層上に配置されているソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極と、
   を備え、
   前記リンを含んだ窒化物半導体は、ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰであり、
   前記ＡｌＰＮの組成は、ＡｌＰ _０．１３ Ｎ _０．８７ であり、
   前記ＡｌＧａＮＰの組成は、Ａｌ _{（１－ｘ）} Ｇａ _ｘ Ｎ _{１－０．１３＊（１－ｘ）} Ｐ _{０．１３＊（１－ｘ）} である、高電子移動度トランジスタ装置。
2. 基板と、
   前記基板上に配置されている、リンを含んだ窒化物半導体の電子供給層と、
   前記電子供給層上に配置されている、窒化ガリウムのチャネル層と、
   前記チャネル層上に配置されているソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極と、
   を備え、
   前記リンを含んだ窒化物半導体は、ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰであり、
   前記ＡｌＰＮの組成は、ＡｌＰ _０．１３ Ｎ _０．８７ であり、
   前記ＡｌＧａＮＰの組成は、Ａｌ _{（１－ｘ）} Ｇａ _ｘ Ｎ _{１－０．１３＊（１－ｘ）} Ｐ _{０．１３＊（１－ｘ）} である、高電子移動度トランジスタ装置。
3. 前記リンを含んだ窒化物半導体の格子定数は、前記窒化ガリウムの｛０００１｝面の格子定数に略一致している又は小さい、請求項１または２に記載の高電子移動度トランジスタ装置。
4. リンを含んだ窒化物半導体の第１層と、窒化ガリウムの第２層と、のペア構造が複数積層された構造を備え、
   前記リンを含んだ窒化物半導体は、ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰであり、
   前記ＡｌＰＮの組成は、ＡｌＰ _０．１３ Ｎ _０．８７ であり、
   前記ＡｌＧａＮＰの組成は、Ａｌ _{（１－ｘ）} Ｇａ _ｘ Ｎ _{１－０．１３＊（１－ｘ）} Ｐ _{０．１３＊（１－ｘ）} である、半導体多層膜ミラー。
5. 前記リンを含んだ窒化物半導体の格子定数は、前記窒化ガリウムの｛０００１｝面の格子定数に略一致している又は小さい、請求項４に記載の半導体多層膜ミラー。
6. 第１導電型の窒化ガリウムの基板と、
   前記基板上に配置されている、リンを含んだ第１導電型の窒化物半導体層と、
   前記窒化物半導体層上に配置されている、第２導電型の窒化ガリウム層と、
   を備え、
   前記リンを含んだ窒化物半導体は、ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰであり、
   前記ＡｌＰＮの組成は、ＡｌＰ _０．１３ Ｎ _０．８７ であり、
   前記ＡｌＧａＮＰの組成は、Ａｌ _{（１－ｘ）} Ｇａ _ｘ Ｎ _{１－０．１３＊（１－ｘ）} Ｐ _{０．１３＊（１－ｘ）} である、縦型ダイオード。
7. 第１導電型の窒化ガリウムの基板と、
   前記基板上に配置されている、リンを含んだ第１導電型の窒化物半導体層と、
   前記窒化物半導体層上に配置されている、ショットキー電極と、
   を備え、
   前記リンを含んだ窒化物半導体は、ＡｌＰＮまたはＡｌＧａＮＰであり、
   前記ＡｌＰＮの組成は、ＡｌＰ _０．１３ Ｎ _０．８７ であり、
   前記ＡｌＧａＮＰの組成は、Ａｌ _{（１－ｘ）} Ｇａ _ｘ Ｎ _{１－０．１３＊（１－ｘ）} Ｐ _{０．１３＊（１－ｘ）} である、縦型ダイオード。
8. 前記リンを含んだ窒化物半導体の格子定数は、前記窒化ガリウムの｛０００１｝面の格子定数に略一致している又は小さい、請求項６または７に記載の縦型ダイオード。

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