JP2007250727A - 電界効果トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】III族窒化物系化合物半導体から成るＨＥＭＴのリーク電流の抑制。
【解決手段】ＨＥＭＴ１００は、Ｃ面を主面とするサファイア基板１０の上に形成されており、低温成長ＡｌＮから成るバッファ層１、ｐ−ＧａＮ層２、ｎ−ＧａＮ層３が積層されている。ｎ−ＧａＮ層３の中央部には、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４がチャネル長２０μｍ幅で形成されている。Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４の左側には、ソース領域であｎ⁺−ＧａＮ層５Ｓが、右側にはドレイン領域であるｎ⁺−ＧａＮ層６Ｄが形成されている。Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４の上には、チャネル長よりも長い幅でＳｉＯ₂から成るゲート絶縁膜７が形成されている。ＨＥＭＴ１００のリーク電流は、ゲートの紙面前後方向の長さに対し、９．６ｐＡ／ｍｍと極めて微弱であった。
【選択図】図１

Description

本発明は、III族窒化物系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に関する。本発明によれば当該ＦＥＴのオフ時のリーク電流を抑制することができる。

現在、III族窒化物系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、特に高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）が、高温、高電圧下で機能する素子として有望であることから、それらの開発が進んでいる。III族窒化物系化合物半導体素子は、例えばＧａＮの厚膜基板が高価なため、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板等の異種基板に形成されることが多い。
特開２００１−２３０４０７

格子定数の異なる異種基板にIII族窒化物系化合物半導体素子を形成する際には、いわゆるバッファ層をまず形成し、その後に素子の主体となる単結晶層を例えばエピタキシャル成長により、ドーピングやエッチングを交えながら、順に形成していく。しかし、ＦＥＴやＨＥＭＴを構成する際、チャネルが形成されるべき２μｍ厚程度の高抵抗ＧａＮ層がバッファ層の直上に形成されていると、ゲートオフ時においても、ソース−ＧａＮ層−バッファ層−ＧａＮ層−ドレイン間で電流路が形成されてしまう。これはゲート長が例えば２０μｍ程度とすると、格子欠陥を多数有するバッファ層の抵抗が極めて低いため、当該ゲート長の２０μｍよりも、ソースとバッファ層の間、ドレインとバッファ層の間のＧａＮ層膜厚の和が狭いことによる。しかし、良く知られている通り、エピタキシャルＧａＮ層を厚く形成することは急激な生産コストの上昇を招くことになり、好ましくない。また、いわゆるノーマリオンタイプのＦＥＴ或いはＨＥＭＴとして利用することが可能であるにしても、当該リーク電流は極力小さくすることが望ましい。

本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、異種基板に形成されるIII族窒化物系化合物半導体から成る電界効果トランジスタの、オフ時のリーク電流を抑制することである。

請求項１に係る発明は、異種基板上にバッファ層を介して形成されたIII族窒化物系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタにおいて、チャネルが形成されるｎ型又はｉ型のIII族窒化物系化合物半導体層と前記バッファ層との間に、ｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層を有することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、前記ｎ型又はｉ型のIII族窒化物系化合物半導体層に二次元電子ガス領域から成るチャネルを形成するために、その上に組成の異なるIII族窒化物系化合物半導体層を有することを特徴とする。請求項３に係る発明は、請求項２に記載の電界効果トランジスタにおいて、前記ｎ型又はｉ型のIII族窒化物系化合物半導体層の上に形成されるIII族窒化物系化合物半導体層はＡｌＧａＮであることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、前記ｎ型又はｉ型のIII族窒化物系化合物半導体層は、窒化ガリウム(ＧａＮ）から成ることを特徴とする。請求項５に係る発明は、前記ｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層は、マグネシウム（Ｍｇ）の添加された窒化ガリウム(ＧａＮ）から成ることを特徴とする。

エピタキシャル成長されたIII族窒化物系化合物半導体は、ドーパントが無くてもｎ型の伝導性を有する。特に、バッファ層として多用される非晶質又は多結晶層は、その抵抗が低い。そのため、バッファ層上に、ＦＥＴ又はＨＥＭＴのチャネル或いは二次元電子ガス領域を形成する層を数μｍの厚さで形成しても、当該層がｉ又はｎ型であるならば、チャネル或いは二次元電子ガス領域が形成されていなくても、バッファ層を介して当該層を膜厚方向に形成される電流路によりソースとドレインが接続されてしまう。

そこで、少なくともｐ型である層をバッファ層の上に形成すれば、上記電流路の中途にｐｎ界面が必ず存在することとなる。これは空乏層が形成されることを意味する。当該空乏層は、本来のＦＥＴ又はＨＥＭＴの素子動作に全く関係しないので、ｐ層の抵抗を高く、即ちアクセプタ濃度（ホール濃度）を低くすることで空乏層を極めて厚くすることが可能となる。即ち、ｐｎ接合が存在することによる空乏層、或いはｉ層とｐ層との間で漏れ電流路が遮断されるので、リーク電流が極めて低くなる。

本発明は、二次元電子ガス領域を形成するＨＥＭＴに特に有効であり、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ界面で二次元電子ガス領域を形成する際に、その下方にｐ層を形成することができ、好適である。ｐ層はＧａＮで形成するとその上の素子形成が容易であり、チャネル或いは二次元電子ガス領域を形成する領域は、ｎ−ＧａＮ又はｉ−ＧａＮとすると素子形成が極めて容易である。

本発明は、要するにバッファ層よりも上にｐｎ接合界面、或いはｐｉ接合を形成することで、ソース領域とドレイン領域とが、バッファ層を介して結ばれる電流路を遮断するものである。当該ｐ型層は、素子本来の動作特性には関与しない層であるので、その組成及びホール濃度又はアクセプタ濃度は任意であるが、空乏層を厚く形成する点から、ホール濃度は１０¹⁸ｃｍ^-3以下とすることが好ましい。当該ｐ型層の厚さは、５００ｎｍ以上が好ましく、１μｍ以上が更に好ましい。

ｐ型層の上に、ＦＥＴ又はＨＥＭＴのチャネル或いは二次元電子ガス領域を形成する層を直接形成することも可能である。この層は、ｎ型又はｉ型とすることができる。電子濃度が低いことが好ましく、或いは真性半導体であっても良く、１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることが好ましい。この層の厚さは、設計により任意であるが、厚さは５０ｎｍ以上とすることが、空乏層がチャネル或いは二次元電子ガス領域の形成を邪魔しない点から好ましい。

本願発明は、上記の主たる特徴を除けば、公知の任意の構成のIII族窒化物系化合物半導体から成る電界効果トランジスタ、特にＨＥＭＴに適用できる。

図１は本発明の具体的な一実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体ＨＥＭＴ１００の構成を示す断面図である。ＨＥＭＴ１００は、Ｃ面を主面とするサファイア基板１０の上に形成されており、まず、下から次の層構成を有する。低温成長による非晶質のＡｌＮから成る膜厚２０ｎｍのバッファ層１、Ｍｇが添加されてホール濃度が２×１０¹⁷ｃｍ^-3、膜厚２μｍのｐ−ＧａＮ層２、Ｓｉが添加されて電子濃度が１０¹⁶ｃｍ^-3、膜厚１５０ｎｍのｎ−ＧａＮ層３。

ｎ−ＧａＮ層３の中央部には、ｎ−ＧａＮ層３との界面に二次元電子ガスを形成するための、膜厚２５ｎｍのＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４がチャネル長２０μｍ幅で形成されている。Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４の左側には、ソース領域である電子濃度が１０²⁰ｃｍ^-3のｎ⁺−ＧａＮ層５Ｓが、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４の右側には、ドレイン領域である電子濃度が１０²⁰ｃｍ^-3のｎ⁺−ＧａＮ層６Ｄが、形成されている。ソース領域であるｎ⁺−ＧａＮ層５Ｓとドレイン領域であるｎ⁺−ＧａＮ層６Ｄは、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４とｎ−ＧａＮ層３との界面よりもｎ−ＧａＮ層３の深い位置まで形成されており、ソース領域であるｎ⁺−ＧａＮ層５Ｓとドレイン領域であるｎ⁺−ＧａＮ層６Ｄは、直接二次元電子ガス領域と接触可能となっている。

ＨＥＭＴ１００の各層の形成は次のようにすると良い。非晶質のＡｌＮバッファ層１は例えば５００℃以下、ｐ−ＧａＮ層２及びｎ−ＧａＮ層３は１０００℃でＭＯＣＶＤによりエピタキシャル成長させる。ｐ−ＧａＮ層２は、エピタキシャル成長終了時には実質的には「ｉ型」で高抵抗であるが、ｎ−ＧａＮ層３までのエピタキシャル成長が全て終了した後に窒素雰囲気下で熱アニールを行うことで低抵抗化（ｐ型化）できる。この後ｎ⁺−ＧａＮ層５Ｓとｎ⁺−ＧａＮ層６Ｄをシリコンイオンドーピングにより形成する。この後、ｎ−ＧａＮ層３の中央部にエッチングでＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４の形成領域を凹部状に形成する。この後、適当なマスクを用いてＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４を当該凹部に形成する。

また、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４の上には、チャネル長よりも長い幅でＳｉＯ₂から成る膜厚５０ｎｍのゲート絶縁膜７が形成されており、ゲート絶縁膜７上部に形成されるアルミニウムから成るゲート電極Ｇがソース及びドレインの半導体領域及び電極に接触することを防いでいる。また、ソース領域であるｎ⁺−ＧａＮ層５Ｓとドレイン領域であるｎ⁺−ＧａＮ層６Ｄには、それぞれ金属多層膜から成るソース電極Ｓとドレイン電極Ｄが形成されている。当該金属多層膜は、下から２０ｎｍ厚のチタン、２００ｎｍ厚のアルミニウム、４０ｎｍ厚のニッケル、５０ｎｍ厚の金で形成した。

このような構成のＨＥＭＴ１００を作製し、ソース電位及びゲート電位を０Ｖとし、ドレイン電位を５Ｖとした際、ソース／ドレイン間のリーク電流を測定した。リーク電流は、ゲートの紙面前後方向の長さに対し、９．６ｐＡ／ｍｍと極めて微弱であった。尚、この微弱なリーク電流は、ｎ−ＧａＮ層内部で横方向に形成される電流路によりソース領域とドレイン領域が接続されるものによる。

〔比較例〕
比較例として、図２のようなＨＥＭＴ９００を作製し、同様にリーク電流を測定した。図２のＨＥＭＴ９００は、図１のｐ−ＧａＮ層２及びｎ−ＧａＮ層３に替えて、Ｓｉを添加しない、電子密度が１０¹⁶ｃｍ^-3未満、膜厚２μｍのｉ−ＧａＮ層９としたものである。ＨＥＭＴ９００においては、ソース電位及びゲート電位を０Ｖ、ドレイン電位を５Ｖとした際、ソース／ドレイン間のリーク電流は５３ｐＡ／ｍｍと無視できない大きな値であった。

上記実施例１では、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄの下部にソース領域であるｎ⁺−ＧａＮ層５Ｓとドレイン領域であるｎ⁺−ＧａＮ層６Ｄを設ける構成を示した。図３の本実施例に係るＨＥＭＴ２００では、それら２つのｎ⁺−ＧａＮ領域を形成せず、ｎ−ＧａＮ層３全面にＡｌＧａＮ層４を形成し、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄを形成する。この際、ゲート電極Ｇの幅を２０μｍとすると、実施例１と同様のＨＥＭＴを構成することができる。

本発明の具体的な一実施例に係るＨＥＭＴ１００の構成を示す断面図。 比較例に係るＨＥＭＴ９００の構成を示す断面図。 本発明の具体的な他の実施例に係るＨＥＭＴ２００の構成を示す断面図。

符号の説明

１００：III族窒化物系化合物半導体から成るＨＥＭＴ
１０：サファイア基板
１：低温成長による非晶質ＡｌＮバッファ
２：ｐ−ＧａＮ
３：ｎ−ＧａＮ
４：ＡｌＧａＮ
５Ｓ：ソース領域のｎ⁺−ＧａＮ
６Ｄ：ドレイン領域のｎ⁺−ＧａＮ
７：ＳｉＯ₂から成るゲート絶縁膜
Ｓ：ソース電極
Ｄ：ドレイン電極
Ｇ：ゲート電極

Claims (5)

1. 異種基板上にバッファ層を介して形成されたIII族窒化物系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタにおいて、
   チャネルが形成されるｎ型又はｉ型のIII族窒化物系化合物半導体層と前記バッファ層との間に、ｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層を有することを特徴とする電界効果トランジスタ。
2. 前記ｎ型又はｉ型のIII族窒化物系化合物半導体層に二次元電子ガス領域から成るチャネルを形成するために、その上に組成の異なるIII族窒化物系化合物半導体層を有することを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
3. 前記ｎ型又はｉ型のIII族窒化物系化合物半導体層の上に形成されるIII族窒化物系化合物半導体層はＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項２に記載の電界効果トランジスタ。
4. 前記ｎ型又はｉ型のIII族窒化物系化合物半導体層は、窒化ガリウム(ＧａＮ）から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
5. 前記ｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層は、マグネシウム（Ｍｇ）の添加された窒化ガリウム(ＧａＮ）から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。

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