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JP2006032552A - 窒化物含有半導体装置 - Google Patents

窒化物含有半導体装置 Download PDF

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藤 渉 齋
Ichiro Omura
村 一 郎 大
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Abstract

【課題】 ゲート絶縁膜と半導体層との間に良好な界面が形成され、ゲートリーク電流の小さい窒化物含有半導体装置を提供する。
【解決手段】 本発明の実施の一形態に係る窒化物含有半導体装置は、チャネル層として形成されたノンドープの第１の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１））層と、第１の窒化アルミニウムガリウム層上にバリア層として形成されたノンドープ又はｎ型の第２の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１，ｘ＜ｙ））層と、第２の窒化アルミニウムガリウム層上にゲート絶縁膜下層として形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜と、窒化アルミニウム膜上にゲート絶縁膜上層として形成された酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜と、第２の窒化アルミニウムガリウム層にそれぞれ電気的に接続されるように第１及び第２の主電極として形成されたソース電極及びドレイン電極と、酸化アルミニウム膜上に制御電極として形成されたゲート電極と、を備えているものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒化物含有半導体装置に係り、特に、高周波信号増幅、電力制御等に用いられる横型電力用ＦＥＴ（横型パワーＦＥＴ）に関する。
窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）ヘテロ構造を含む電子デバイスは、従来の高周波信号増幅や電力制御に用いたれているガリウムヒ素（ＧａＡｓ）やシリコン（Ｓｉ）を主要材料として含む電子デバイスに比較して、高い臨界電界を有することから高耐圧・高出力素子を実現することができる。
窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）ヘテロ構造を含む電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）は、ショットキーゲートにおけるリーク電流が大きいが、リーク電流の抑制には、絶縁ゲート構造を用いることが有効である。
絶縁ゲート構造には、良好な絶縁耐圧を有し、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層との界面に準位を大量に発生させないゲート絶縁膜が必要とされる。特に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜をゲート絶縁膜として用いると、バンド不連続量の大きさから、ゲート電圧を正の値としても負の値としてもリーク電流の小さい良好な絶縁ゲート構造が期待できる。
窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）ヘテロ構造を含み、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜や酸化アルミニウム／窒化シリコン（Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＮ）積層膜をゲート絶縁膜として用いたＭＩＳ−ＨＦＥＴが、これまでに報告されている。
その他、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）をゲート絶縁膜として用い、窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）ヘテロ構造とゲート絶縁シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）との間に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜を形成したＭＩＳ−ＨＦＥＴがこれまでに提案され、公知となっている（例えば、特許文献１参照）。尚、この特許文献１には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜がゲート絶縁膜の一部として記載されているが、当該半導体素子においては、ソース電極及びドレイン電極が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜にのみコンタクトしているので、実際には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜はゲート絶縁膜の一部ではなく半導体層として機能している。従って、特許文献１における窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜は、通常、単結晶膜として形成されるものと考えられる。
酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜は、ゲート絶縁膜として有望ではあるが、窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）ヘテロ構造との組合せでは、ゲート絶縁膜と半導体層との間に良好な界面を得ることが困難である。即ち、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜を成膜する際に窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層が酸化されると、界面準位が著しく増加する。
一方、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層の酸化防止膜としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜との間に形成すると界面準位の増加は抑制されるが、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）の熱膨張係数が上下の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜や窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）層と大きく異なるため、ゲート絶縁膜と半導体層との間の界面の状態が熱処理プロセスにより劣化するという問題が発生する。
特開２０００−２５２４５８号公報
本発明の目的は、ゲート絶縁膜と半導体層との間に良好な界面が形成され、ゲートリーク電流の小さい窒化物含有半導体装置を提供することである。
本発明の実施の一形態に係る窒化物含有半導体装置によれば、
チャネル層として形成されたノンドープの第１の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１））層と、
上記第１の窒化アルミニウムガリウム層上にバリア層として形成されたノンドープ又はｎ型の第２の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１，ｘ＜ｙ））層と、
上記第２の窒化アルミニウムガリウム層上にゲート絶縁膜下層として形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜と、
上記窒化アルミニウム膜上にゲート絶縁膜上層として形成された酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜と、
上記第２の窒化アルミニウムガリウム層にそれぞれ電気的に接続されるように第１及び第２の主電極として形成されたソース電極及びドレイン電極と、
上記酸化アルミニウム膜上に制御電極として形成されたゲート電極と、
を備えていることを特徴とする。
本発明の他の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置によれば、
チャネル層として形成されたノンドープの第１の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１））層と、
上記第１の窒化アルミニウムガリウム層上にバリア層として形成されたノンドープ又はｎ型の第２の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１，ｘ＜ｙ））層と、
上記第２の窒化アルミニウムガリウム層上の一部に制御電極として形成されたゲート電極と、
上記ゲート電極を被覆して上記第２の窒化アルミニウムガリウム層上に絶縁膜下層として形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜と、
上記窒化アルミニウム膜上に絶縁膜上層として形成された酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜と、
上記第２の窒化アルミニウムガリウム層にそれぞれ電気的に接続されるように第１及び第２の主電極として形成されたソース電極及びドレイン電極と、
を備えていることを特徴とする。
本発明の実施の一形態に係る窒化物含有半導体装置によれば、ゲート絶縁膜として酸化アルミニウム／窒化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３／ＡｌＮ）積層構造を形成することによって、ゲート絶縁膜と半導体層との間に良好な界面を有し、ゲートリーク電流の小さい安定した絶縁ゲート構造を備えている窒化物含有半導体装置を実現することができる。
以下、本発明に係る窒化物含有半導体装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、各図面中の同一部分には同一符号を付している。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。
本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、チャネル層としてのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）層１と、窒化ガリウム（ＧａＮ）層１上に形成されたバリア層としてのノンドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上に形成されたゲート絶縁膜下層としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３上に形成されたゲート絶縁膜上層としての酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２にそれぞれ電気的に接続されるように形成された第１及び第２の主電極としてのソース電極５及びドレイン電極６と、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４上に形成された制御電極としてのゲート電極７と、を備えている。
上記構造から分かるように、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、窒化物により形成された窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）ヘテロ構造を含み、ＭＩＳ構造を有する電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）、即ち、ＭＩＳ−ＨＦＥＴである。
窒化ガリウム（ＧａＮ）層１は、第１の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１））層として形成されたものであり、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２は、第２の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１，ｘ＜ｙ））層として形成されたものである。
ゲート絶縁膜として酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４を形成することにより、バリア層としての窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２とのバンド不連続量が大きくなり、ゲートリーク電流を小さく抑制することができる。
そして、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置においては、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４と窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２との間に、ゲート絶縁膜下層としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３を挟み込むように形成することによって、バリア層としての窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２の酸化を抑制し、ゲート絶縁膜と半導体層との間に良好な界面を形成している。
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜は、酸化させると酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜になるので、製造プロセスにおいては、先ず窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜をスパッタ等により堆積させて形成し、その上層部を熱酸化させることによって酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４／窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３の二層積層構造を有するゲート絶縁膜を容易に形成することができる。
一方、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜の一部を酸化させて酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４を形成するのではなく、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３を堆積させて形成した後、同様に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４を堆積させて形成することによっても、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４／窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３の二層積層構造を有するゲート絶縁膜を得ることができる。
また、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３は、半導体層ではなくゲート絶縁膜の一部として機能するものであるので、平坦で緻密なゲート絶縁膜を得るため、単結晶膜ではなく、多結晶又はアモルファスとして形成するとよい。
窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）の熱膨張係数は、それぞれ２．７，７．１，４．５，５．４−７．２（ｐｐｍ／Ｋ）である。即ち、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、窒化シリコン（ＳｉＮ）に比較して、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）にも窒化ガリウム（ＧａＮ）にも熱膨張係数が近い。
従って、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４と窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２との間に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３を挟み込むように形成しておくと、高温の熱処理プロセスを通しても新たに界面準位を発生させることがなく、信頼性の高い絶縁ゲート構造を実現することができる。
以上のように、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置によれば、ゲート絶縁膜上層として酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４とバリア層としての窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２との間に、ゲート絶縁膜下層としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３を挟み込むように形成しているので、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２の酸化を抑制してゲート絶縁膜と半導体層との間に良好な界面を形成することができると共に、ゲート絶縁膜とバリア層との間に十分なバンド不連続量を確保してゲートリーク電流を小さく抑制することができ、信頼性の高い絶縁ゲート構造を実現することができる。
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。
本発明の第２の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、チャネル層としてのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）層１と、窒化ガリウム（ＧａＮ）層１上に形成されたバリア層としてのノンドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上に形成されたゲート絶縁膜下層としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３上に形成されたゲート絶縁膜上層としての酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２にそれぞれ電気的に接続されるように形成された第１及び第２の主電極としてのソース電極５及びドレイン電極６と、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４上に形成された制御電極としてのゲート電極７と、ゲート電極７を被覆して形成された絶縁膜８と、ゲート電極７を被覆するように絶縁膜８上に形成され、ソース電極５に電気的に接続されたフィールドプレート電極９と、を備えている。
上記のように、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置に対して、絶縁膜８を介してゲート電極７を被覆するように形成され、ソース電極５に電気的に接続されたフィールドプレート電極９が付加された構成となっている。
図１に示す本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置のようにフィールドプレート電極９を備えていない構成では、ドレイン電極６に電圧を印加すると、ゲート電極７端部に電界が集中する。従って、ドレイン電極６に過剰な電圧を印加すると、最悪の場合、素子が損傷することがある。
そこで、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置においては、絶縁膜８を介してゲート電極７を被覆するフィールドプレート電極９を付加形成することにより、ゲート電極７端部の電界を緩和し、素子耐圧の向上を図ることができる。
尚、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置のその他の構成は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と全く同様であるから、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３を形成したことによって同様の効果を得ることができる。
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。
本発明の第３の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、チャネル層としてのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）層１と、窒化ガリウム（ＧａＮ）層１上に形成されたバリア層としてのノンドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上に形成されたゲート絶縁膜下層としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３上に形成されたゲート絶縁膜上層としての酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２にそれぞれ電気的に接続されるように形成された第１及び第２の主電極としてのソース電極５及びドレイン電極６と、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４上に形成された制御電極としてのゲート電極７と、ゲート電極７を被覆して形成された絶縁膜８と、ゲート電極７を被覆するように絶縁膜８上に形成され、ソース電極５に電気的に接続されたフィールドプレート電極９と、ドレイン電極６とゲート電極７との間のドレイン電極６近傍領域を被覆するように絶縁膜８上に形成され、ドレイン電極６に電気的に接続された第２のフィールドプレート電極１０と、を備えている。
上記のように、本発明の第３の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置に対して、さらに、ドレイン電極６とゲート電極７との間のドレイン電極６近傍領域を絶縁膜８を介して被覆するように形成され、ドレイン電極６に電気的に接続された第２のフィールドプレート電極１０が付加された構成となっている。
図１及び図２に示す本発明の第１及び第２の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置のように第２のフィールドプレート電極１０を備えていない構成では、ドレイン電極６に電圧を印加すると、ドレイン電極６端部に電界が集中する。従って、ドレイン電極６に過剰な電圧を印加すると、最悪の場合、素子が損傷することがある。
そこで、本発明の第３の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置においては、絶縁膜８を介してドレイン電極６近傍領域を被覆する第２のフィールドプレート電極１０を付加形成することにより、ドレイン電極６端部の電界を緩和し、さらに素子耐圧の向上を図ることができる。
第２のフィールドプレート電極１０は、絶縁膜８上ではなく、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４上に直接形成してもよい。
尚、本発明の第３の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置のその他の構成は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と全く同様であるから、フィールドプレート電極９によりゲート電極７端部の電界が緩和されて素子耐圧の向上が図られている他、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３を形成したことによって、本発明の第１及び第２の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と同様の効果を得ることができる。
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。
本発明の第４の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、チャネル層としてのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）層１と、窒化ガリウム（ＧａＮ）層１上に形成されたバリア層としてのノンドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上に形成された第２の窒化ガリウム（ＧａＮ）層１１と、第２の窒化ガリウム（ＧａＮ）層１１上に形成されたゲート絶縁膜下層としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３上に形成されたゲート絶縁膜上層としての酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２にそれぞれ電気的に接続されるように形成された第１及び第２の主電極としてのソース電極５及びドレイン電極６と、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４上に形成された制御電極としてのゲート電極７と、を備えている。
上記のように、本発明の第４の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置に対して、半導体層としての窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２とゲート絶縁膜としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３との間に挟み込まれるように形成された第２の窒化ガリウム（ＧａＮ）層１１が付加された構成となっている。
本発明の第４の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置においては、ゲート絶縁膜直下の半導体層の最上層を窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２ではなく第２の窒化ガリウム（ＧａＮ）層１１とすることにより、ゲート絶縁膜直下の半導体層表面の酸化を抑制し、ゲート絶縁膜と半導体層との間に良好な界面を得ることができる。
即ち、第２の窒化ガリウム（ＧａＮ）層１１はアルミニウムを含有していないので、それ自体が自然酸化し難く、また、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２を被覆することによって窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２の自然酸化も防止することができる。従って、ゲート絶縁膜と半導体層との間に良好な界面を得ることができる。
図５は、本発明の第５の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。
本発明の第５の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、チャネル層としてのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）層１と、窒化ガリウム（ＧａＮ）層１上に形成されたバリア層としてのノンドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上に形成されたゲート絶縁膜下層としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３上に形成されたゲート絶縁膜上層としての酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上の少なくとも２箇所に分離して形成されたｎ＋型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１２と、分離して形成された２箇所のｎ＋型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１２にそれぞれ電気的に接続されるように形成された第１及び第２の主電極としてのソース電極５及びドレイン電極６と、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４上に形成された制御電極としてのゲート電極７と、を備えている。
上記のように、本発明の第５の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置に対して、ソース電極５及びドレイン電極６と窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２との間にそれぞれ挟み込まれるように形成されたｎ＋型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１２が付加された構成となっている。
ソース電極５及びドレイン電極６と窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２との間に、不純物が注入された半導体層、即ち、ｎ＋型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１２を形成しておくことにより、ソース電極５及びドレイン電極６と窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２とのオーミック・コンタクトのコンタクト抵抗を低減させることができる。
尚、本発明の第５の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置のその他の構成は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と全く同様であるから、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３を形成したことによって同様の効果を得ることができる。
図６は、本発明の第６の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。
本発明の第６の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、チャネル層としてのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）層１と、窒化ガリウム（ＧａＮ）層１上に形成されたバリア層としてのノンドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上の一部に形成されたｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１３と、ｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１３を被覆して窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上に形成されたゲート絶縁膜下層としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３上に形成されたゲート絶縁膜上層としての酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２にそれぞれ電気的に接続されるように形成された第１及び第２の主電極としてのソース電極５及びドレイン電極６と、ｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１３形成領域上の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜４上に形成された制御電極としてのゲート電極７と、を備えている。
上記のように、本発明の第６の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置に対して、ゲート電極７下方の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３との間に挟み込まれるように形成されたｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１３が付加された構成となっている。
ゲート電極７下方の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３との間に、不純物が注入された半導体層、即ち、ｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１３を形成しておくことにより、ゲート電極７下方のチャネルを空乏化させて、ノーマリオフ型素子を実現することができる。
尚、本発明の第６の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置のその他の構成は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と全く同様であるから、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３を形成したことによって同様の効果を得ることができる。
図７は、本発明の第７の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。
本発明の第７の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、チャネル層としてのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）層１と、窒化ガリウム（ＧａＮ）層１上に形成されたバリア層としてのノンドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上の一部に形成された制御電極としてのゲート電極７と、ゲート電極７を被覆して窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上に形成された絶縁膜下層としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４上に形成された絶縁膜上層としての酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜１５と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２にそれぞれ電気的に接続されるように形成された第１及び第２の主電極としてのソース電極５及びドレイン電極６と、を備えている。
図１に示す本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、ゲート電極７がゲート絶縁膜上に形成されているＭＩＳゲート構造であったのに対し、図７に示す本発明の第７の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、半導体層上に直接ゲート電極７が形成されているショットキー接合ゲート構造となっている。
半導体装置がショットキー接合ゲート構造を有する場合においても、半導体層の最上層としての窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２を被覆するパッシベーション膜である絶縁膜下層として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４を形成することにより、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２の酸化を抑制してパッシベーション膜と半導体層との間に良好な界面を形成することができ、高温の熱処理プロセスを通しても新たに界面準位を発生させることがなく、信頼性の高いショットキー接合ゲート構造を実現することができる。
また、絶縁膜上層として酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜１５を形成して窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４を被覆することにより、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４及び窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２の酸化等による変質も防止することができる。
図８は、本発明の第８の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。
本発明の第８の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、チャネル層としてのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）層１と、窒化ガリウム（ＧａＮ）層１上に形成されたバリア層としてのノンドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上の一部に形成された制御電極としてのゲート電極７と、ゲート電極７を被覆して窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上に形成された絶縁膜下層としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４上に形成された絶縁膜上層としての酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜１５と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２にそれぞれ電気的に接続されるように形成された第１及び第２の主電極としてのソース電極５及びドレイン電極６と、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜１５上に形成された絶縁膜８と、ゲート電極７を被覆するように絶縁膜８上に形成され、ソース電極５に電気的に接続されたフィールドプレート電極９と、を備えている。
上記のように、本発明の第８の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、本発明の第７の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と同様に、半導体層上に直接ゲート電極７が形成されているショットキー接合ゲート構造を有する半導体装置であるが、さらに、絶縁膜８、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜１５及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４を介してゲート電極７を被覆するように形成され、ソース電極５に電気的に接続されたフィールドプレート電極９が付加された構成となっている。
本発明の第７の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置に対してフィールドプレート電極９が付加された本発明の第８の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構成は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置に対してフィールドプレート電極９が付加された本発明の第２の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と同様の変形例である。
本発明の第８の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置においては、絶縁膜８、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜１５及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４を介してゲート電極７を被覆するフィールドプレート電極９を付加形成することにより、ゲート電極７端部の電界を緩和して、本発明の第７の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置よりも素子耐圧の向上を図ることができる。
尚、本発明の第８の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置のその他の構成は、本発明の第７の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と全く同様であるから、半導体層の最上層としての窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２を被覆するパッシベーション膜である絶縁膜下層として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４を形成することにより、本発明の第７の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と同様の効果を得ることができる。
図９は、本発明の第９の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。
本発明の第９の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、チャネル層としてのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）層１と、窒化ガリウム（ＧａＮ）層１上に形成されたバリア層としてのノンドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上の一部に形成された制御電極としてのゲート電極７と、ゲート電極７を被覆して窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上に形成された絶縁膜下層としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４上に形成された絶縁膜上層としての酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜１５と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２にそれぞれ電気的に接続されるように形成された第１及び第２の主電極としてのソース電極５及びドレイン電極６と、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜１５上に形成された絶縁膜８と、ゲート電極７を被覆するように絶縁膜８上に形成され、ソース電極５に電気的に接続されたフィールドプレート電極９と、ドレイン電極６とゲート電極７との間のドレイン電極６近傍領域を被覆するように絶縁膜８上に形成され、ドレイン電極６に電気的に接続された第２のフィールドプレート電極１０と、を備えている。
上記のように、本発明の第９の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、本発明の第７及び第８の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と同様に、半導体層上に直接ゲート電極７が形成されているショットキー接合ゲート構造を有する半導体装置であるが、さらに、本発明の第８の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置に対して、ドレイン電極６とゲート電極７との間のドレイン電極６近傍領域を絶縁膜８、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜１５及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４を介して被覆するように形成され、ドレイン電極６に電気的に接続された第２のフィールドプレート電極１０が付加された構成となっている。
本発明の第８の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置に対して第２のフィールドプレート電極１０が付加された本発明の第９の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構成は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置に対して第２のフィールドプレート電極１０が付加された本発明の第３の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と同様の変形例である。
本発明の第９の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置においては、絶縁膜８、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜１５及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４を介してドレイン電極６近傍領域を被覆する第２のフィールドプレート電極１０を付加形成することにより、ドレイン電極６端部の電界を緩和して、本発明の第８の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置よりも素子耐圧の向上を図ることができる。
第２のフィールドプレート電極１０は、絶縁膜８上ではなく、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜１５上に直接形成してもよい。
尚、本発明の第９の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置のその他の構成は、本発明の第８の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と全く同様であるから、半導体層の最上層としての窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２を被覆するパッシベーション膜である絶縁膜下層として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４を形成することにより、本発明の第７及び第８の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と同様の効果を得ることができる。
図１０は、本発明の第１０の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。
本発明の第１０の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、チャネル層としてのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）層１と、窒化ガリウム（ＧａＮ）層１上に形成されたバリア層としてのノンドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上に形成された第２の窒化ガリウム（ＧａＮ）層１１と、第２の窒化ガリウム（ＧａＮ）層１１上の一部に形成された制御電極としてのゲート電極７と、ゲート電極７を被覆して窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上に形成された絶縁膜下層としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４上に形成された絶縁膜上層としての酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜１５と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２にそれぞれ電気的に接続されるように形成された第１及び第２の主電極としてのソース電極５及びドレイン電極６と、を備えている。
上記のように、本発明の第１０の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、本発明の第７の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置に対して、半導体層としての窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２とパッシベーション膜としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４との間に挟み込まれるように形成された第２の窒化ガリウム（ＧａＮ）層１１が付加された構成となっている。
本発明の第１０の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置においては、本発明の第４の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と同様に、パッシベーション膜直下の半導体層の最上層を窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２ではなく第２の窒化ガリウム（ＧａＮ）層１１とすることにより、パッシベーション膜直下の半導体層表面の酸化を抑制し、パッシベーション膜と半導体層との間に良好な界面を得ることができる。
図１１は、本発明の第１１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。
本発明の第１１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、チャネル層としてのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）層１と、窒化ガリウム（ＧａＮ）層１上に形成されたバリア層としてのノンドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上の一部に形成されたｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１３と、ｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１３上に形成された制御電極としてのゲート電極７と、ゲート電極７及びｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１３を被覆して窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２上に形成された絶縁膜下層としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１４上に形成された絶縁膜上層としての酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜１５と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２にそれぞれ電気的に接続されるように形成された第１及び第２の主電極としてのソース電極５及びドレイン電極６と、を備えている。
上記のように、本発明の第１１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置は、本発明の第７の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置に対して、ゲート電極７と窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２との間に挟み込まれるように形成されたｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１３が付加された構成となっている。
ゲート電極７と窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２との間に、不純物が注入された半導体層、即ち、ｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１３を形成しておくことにより、本発明の第６の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と同様に、ゲート電極７下方のチャネルを空乏化させて、ノーマリオフ型素子を実現することができる。
尚、本発明の第１１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置のその他の構成は、本発明の第７の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置と全く同様であるから、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜３を形成したことによって同様の効果を得ることができる。
以上、本発明の第１乃至第１１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置について説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これら以外にも当業者が容易になし得る変形には、総て本発明の構成を適用することが可能である。
例えば、本発明の第６及び第１１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置においては、チャネルの空乏化の観点から、ノーマリオフ型素子を実現するｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層１３の代わりにｐ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層を形成してもよい。
また、上記各実施の形態においては、窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）ヘテロ構造を含む半導体装置を例に説明したが、窒化ガリウム／窒化インジウムガリウム（ＧａＮ／ＩｎＧａＮ）ヘテロ構造や窒化アルミニウム／窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ）ヘテロ構造を含む半導体装置にも、本発明の構成を適用することが可能である。
また、窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）ヘテロ構造を形成する基板材料に関しては特に記述していないが、本発明の構成は、サファイア基板、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板等の基板材料に依存せず、また、基板材料の導電性や絶縁性といった特性にも関係無く、適用可能である。
さらに、上記各実施の形態においては、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２として、ノンドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層を用いて説明したが、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層を用いても実施可能である。
本発明の第１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第７の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第８の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第９の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第１０の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第１１の実施の形態に係る窒化物含有半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。
符号の説明
１ 窒化ガリウム（ＧａＮ）層（チャネル層）
２ 窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層（バリア層）
３ 窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜（ゲート絶縁膜下層）
４ 酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜（ゲート絶縁膜上層）
５ ソース電極（第１の主電極）
６ ドレイン電極（第２の主電極）
７ ゲート電極（制御電極）
８ 絶縁膜
９ フィールドプレート電極
１０ 第２のフィールドプレート電極
１１ 第２の窒化ガリウム（ＧａＮ）層
１２ ｎ＋型窒化ガリウム（ＧａＮ）層
１３ ｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層
１４ 窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜（絶縁膜（パッシベーション膜）下層）
１５ 酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜（絶縁膜（パッシベーション膜）上層）

Claims (5)

  1. チャネル層として形成されたノンドープの第１の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１））層と、
    前記第１の窒化アルミニウムガリウム層上にバリア層として形成されたノンドープ又はｎ型の第２の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１，ｘ＜ｙ））層と、
    前記第２の窒化アルミニウムガリウム層上にゲート絶縁膜下層として形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜と、
    前記窒化アルミニウム膜上にゲート絶縁膜上層として形成された酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜と、
    前記第２の窒化アルミニウムガリウム層にそれぞれ電気的に接続されるように第１及び第２の主電極として形成されたソース電極及びドレイン電極と、
    前記酸化アルミニウム膜上に制御電極として形成されたゲート電極と、
    を備えていることを特徴とする窒化物含有半導体装置。
  2. 前記ゲート電極を被覆して形成された絶縁膜と、
    前記ゲート電極を被覆するように前記絶縁膜上に形成され、前記ソース電極に電気的に接続されたフィールドプレート電極と、
    をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物含有半導体装置。
  3. 前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の前記ドレイン電極近傍領域を被覆するように前記絶縁膜上に形成され、前記ドレイン電極に電気的に接続された第２のフィールドプレート電極をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の窒化物含有半導体装置。
  4. 前記第２の窒化アルミニウムガリウム層と前記窒化アルミニウム膜との間に挟み込まれるように形成された窒化ガリウム層をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物含有半導体装置。
  5. チャネル層として形成されたノンドープの第１の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１））層と、
    前記第１の窒化アルミニウムガリウム層上にバリア層として形成されたノンドープ又はｎ型の第２の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１，ｘ＜ｙ））層と、
    前記第２の窒化アルミニウムガリウム層上の一部に制御電極として形成されたゲート電極と、
    前記ゲート電極を被覆して前記第２の窒化アルミニウムガリウム層上に絶縁膜下層として形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜と、
    前記窒化アルミニウム膜上に絶縁膜上層として形成された酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜と、
    前記第２の窒化アルミニウムガリウム層にそれぞれ電気的に接続されるように第１及び第２の主電極として形成されたソース電極及びドレイン電極と、
    を備えていることを特徴とする窒化物含有半導体装置。
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