JP2012028706A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】電流コラプスを抑制することが可能な半導体装置を提供すること。
【解決手段】本発明は、窒化物半導体からなるチャネル層14と、チャネル層14上に設けられ、チャネル層14よりバンドギャップが大きく、窒化物半導体からなる電子供給層16と、電子供給層16上に設けられた、Feがドープされた窒化物半導体からなるキャップ層18と、を具備する半導体装置である。本発明によれば、電流コラプスを抑制することが可能となる。
【選択図】図2A semiconductor device capable of suppressing current collapse is provided.
The present invention relates to a channel layer made of a nitride semiconductor, an electron supply layer provided on the channel layer and having a band gap larger than that of the channel layer and made of a nitride semiconductor, and an electron supply layer. And a cap layer 18 made of a nitride semiconductor doped with Fe. According to the present invention, current collapse can be suppressed.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は半導体装置に関し、特に窒化物半導体層を有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having a nitride semiconductor layer.
窒化物半導体を用いた半導体装置、例えばFET(Field Effect Transistor:電界効果型トランジスタ)等の半導体装置は、高周波用出力増幅用素子として用いられることがある。特許文献1には、窒化物半導体層上に、水素含有率を調節したSiN(窒化シリコン)膜を設ける発明が開示されている。 A semiconductor device using a nitride semiconductor, for example, a semiconductor device such as a field effect transistor (FET) may be used as a high-frequency output amplification element. Patent Document 1 discloses an invention in which a SiN (silicon nitride) film with a controlled hydrogen content is provided on a nitride semiconductor layer.
従来の技術では、窒化物半導体層表面の状態によって、電流コラプスが発生し、半導体装置の出力が低下することがあった。本発明は上記課題に鑑み、出力低下を抑制することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。 In the conventional technique, current collapse may occur depending on the state of the surface of the nitride semiconductor layer, and the output of the semiconductor device may decrease. In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing a decrease in output.
本発明は、窒化物半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層上に設けられ、前記チャネル層よりバンドギャップが大きく、窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層上に設けられた、Feがドープされた窒化物半導体からなるキャップ層と、を具備する半導体装置である。本発明によれば、電流コラプスを抑制することが可能となる。 The present invention provides a channel layer made of a nitride semiconductor and the channel layer, and has a band gap larger than the channel layer, and is provided on the electron supply layer made of a nitride semiconductor and the electron supply layer. And a cap layer made of a nitride semiconductor doped with Fe. According to the present invention, current collapse can be suppressed.
上記構成において、前記キャップ層は、1×1010cm−3以下の濃度の前記Feを含有する構成とすることができる。この構成によれば、キャップ層を半絶縁化して、電流コラプスを抑制することが可能となる。 In the above configuration, the cap layer may be configured to contain 1 × 10 10 cm -3 the Fe in the following concentrations. According to this configuration, the cap layer can be semi-insulated to suppress current collapse.
上記構成において、前記キャップ層が含有する前記Feの濃度は、前記電子供給層に近い領域から前記電子供給層に遠い領域に向けて、大きくなる構成とすることができる。この構成によれば、チャネル層及び電子供給層へのFeの拡散を抑制することができる。 The said structure WHEREIN: The density | concentration of the said Fe which the said cap layer contains can be set as the structure which becomes large toward the area | region far from the said electron supply layer from the area | region close to the said electron supply layer. According to this configuration, diffusion of Fe into the channel layer and the electron supply layer can be suppressed.
上記構成において、前記電子供給層は、Alを含む窒化物半導体からなり、前記電子供給層のAlの組成比は、前記チャネル層に近い領域から前記キャップ層に近い領域に向けて大きくなる構成とすることができる。この構成によれば、チャネル層及び電子供給層へのFeの拡散を抑制することができる。 In the above configuration, the electron supply layer is made of a nitride semiconductor containing Al, and the composition ratio of Al in the electron supply layer increases from a region close to the channel layer toward a region close to the cap layer. can do. According to this configuration, diffusion of Fe into the channel layer and the electron supply layer can be suppressed.
上記構成において、前記電子供給層と前記キャップ層との間に、前記キャップ層にドープされたFeの拡散を抑制するためのバリア層を備える構成とすることができる。この構成によれば、チャネル層及び電子供給層へのFeの拡散を抑制することができる。 The said structure WHEREIN: It can be set as the structure provided with the barrier layer for suppressing the spreading | diffusion of the Fe doped by the said cap layer between the said electron supply layer and the said cap layer. According to this configuration, diffusion of Fe into the channel layer and the electron supply layer can be suppressed.
上記構成において、前記電子供給層と前記チャネル層との間に、前記キャップ層にドープされたFeの拡散を抑制するためのバリア層を備える構成とすることができる。この構成によれば、チャネル層及び電子供給層へのFeの拡散を抑制することができる。またチャネル層における、二次元電子ガスの不純物散乱を抑制することができる。 In the above configuration, a barrier layer for suppressing diffusion of Fe doped in the cap layer may be provided between the electron supply layer and the channel layer. According to this configuration, diffusion of Fe into the channel layer and the electron supply layer can be suppressed. Moreover, impurity scattering of the two-dimensional electron gas in the channel layer can be suppressed.
上記構成において、前記バリア層は、GaN又はAlNからなる構成とすることができる。この構成によれば、チャネル層及び電子供給層へのFeの拡散を抑制することができる。 The said structure WHEREIN: The said barrier layer can be set as the structure which consists of GaN or AlN. According to this configuration, diffusion of Fe into the channel layer and the electron supply layer can be suppressed.
上記構成において、前記チャネル層はGaNからなり、前記電子供給層は、AlGaN又はInAlNからなり、前記キャップ層は、GaN,AlN,AlGaN,又はInAlNからなる構成とすることができる。 In the above configuration, the channel layer may be made of GaN, the electron supply layer may be made of AlGaN or InAlN, and the cap layer may be made of GaN, AlN, AlGaN, or InAlN.
本発明によれば、出力低下を抑制することが可能な半導体装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor device which can suppress an output fall can be provided.
まず電流コラプスについて説明する。図1は半導体装置を例示する模式図である。なお、図1ではハッチングの一部を省略している。 First, current collapse will be described. FIG. 1 is a schematic view illustrating a semiconductor device. In FIG. 1, a part of hatching is omitted.
図1に示すように、半導体装置は基板10、核形成層12、チャネル層14、電子供給層16、キャップ層18、ソース電極20、ドレイン電極22、及びゲート電極24を備える。ソース電極20を接地し、ドレイン電極22に正電位、ゲート電極に負電位をそれぞれ印加すると、チャネル層14に発生した二次元電子ガスが、ソース−ドレイン間を移動する。このとき、二次元電子ガスの電子が高エネルギーとなり、キャップ層18の表面準位に捕獲される。電子が捕獲されることにより、ドレイン電流が小さくなる。この現象は電流コラプスと呼ばれている。
As shown in FIG. 1, the semiconductor device includes a
次に図面を用いて、本発明の実施例について説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
実施例1は、キャップ層にFeをドープする例である。図2は実施例1に係る半導体装置を例示する断面図である。 Example 1 is an example in which the cap layer is doped with Fe. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to the first embodiment.
図2に示すように、実施例1に係る半導体装置は、基板10、核形成層12、チャネル層14、電子供給層16、キャップ層18、ソース電極20、ドレイン電極22、及びゲート電極24を備える。基板10は、例えばSiC(炭化シリコン)、Si、サファイア等からなる。また基板10はGaNやZnO(酸化亜鉛)等からなる半導体基板としてもよい。核形成層12は、例えば厚さ300nmのAlN(窒化アルミニウム)からなる。チャネル層14は、例えば厚さ1000nmのi−GaNからなる。電子供給層16は、例えば厚さ20nmのi−AlxGa1−xN(窒化アルミニウムガリウム、x=0.15〜0.35)からなる。電子供給層16のバンドギャップは、チャネル層14のバンドギャップより大きい。キャップ層18は、例えば厚さ5nmのn−GaNからなる。またキャップ層18には、例えば濃度1×1010cm−3以下のFeがドープされている。
As shown in FIG. 2, the semiconductor device according to the first embodiment includes a
ソース電極20及びドレイン電極22は、例えば下からTi/Al/AuやTa/Al/Au等の金属を積層してなる。ゲート電極24は、例えば下からNi/Al等の金属を積層してなる。
The
核形成層12、チャネル層14、電子供給層16、及びキャップ層18の各々は、例えばMOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長法)によりエピタキシャル成長される。成長条件は例えば以下の通りである。
温度:800〜1300℃
圧力:0.1〜1気圧(0.01〜0.1HPa)
キャリアガス:H2又はN2、もしくはH2及びN2
Alの材料:TMA(Tri Methyl Alminum:トリメチルアルミニウム)
Nの材料:NH3(アンモニア)
Gaの材料:TMG(Tri Methyl Gallium:トリメチルガリウム)
Feドーパント:C10H10Fe(フェロセン)
n型ドーパント:SiH4(シラン)
基板10を、MOCVD装置の炉に入れ、基板10に近い層から順に材料を炉内に供給して、層を積層する。なお、キャップ層18を成長させる工程では、FeTMG及びNH3とともに、C10H10Fe及びSiH4も炉内に供給し、Feのドーピングを行う。
Each of the
Temperature: 800-1300 ° C
Pressure: 0.1 to 1 atmosphere (0.01 to 0.1 HPa)
Carrier gas: H 2 or N 2 , or H 2 and N 2
Al material: TMA (Tri Methyl Aluminum)
Material of N: NH 3 (ammonia)
Material of Ga: TMG (Tri Methyl Gallium)
Fe dopant: C 10 H 10 Fe (ferrocene)
n-type dopant: SiH 4 (silane)
The
キャップ層18にドープされたFeが、活性化してFeイオンとなる。Feイオンは深いエネルギー準位を形成し、捕獲中心として機能する。これによりキャップ層18が半絶縁化される。またFeのドーピングにより、キャップ層18がp型に近づく。従って、キャップ層18の表面準位のバンドが持ち上げられる。実施例1によれば、半絶縁化、及びバンド持ち上げにより、キャップ層18の表面準位の影響が低減され、電流コラプスが抑制される。
Fe doped in the
Feのドープ量は、キャップ層18の半絶縁化が十分にされる程度の量とする。キャップ層18の半絶縁化のため、キャップ層18が含有するFeの濃度は、1×1010cm−3以下が好ましい。さらに好ましくは、ドープ量を1×108cm−3以下、さらに1×107cm−3以下としてもよい。
The amount of Fe doped is such that the
Feは窒化物半導体に拡散しやすい。Feがチャネル層14や電子供給層16に拡散すると、半導体装置の特性が変動する恐れがある。Feの拡散を抑制するため、キャップ層18のFe濃度は、電子供給層16に近い領域から電子供給層16に遠い領域に向けて、大きくなることが好ましい。これにより、電流コラプス及びFeの拡散が抑制される。また、窒化物半導体のバンドギャップは大きい方が、Feの拡散は抑制される。このため、キャップ層18のバンドギャップは、電子供給層16のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。
Fe easily diffuses into the nitride semiconductor. If Fe diffuses into the
核形成層12はAlNからなるとしたが、例えばAlGaNから形成してもよいし、AlNとAlGaNとを組み合わせてもよい。電子供給層16はn−AlGaNからなるとしたが、i−AlGaNやInAlN(窒化インジウムアルミニウム)等からなるとしてもよい。キャップ層18はn−GaNからなるとしたが、i−GaNやAlNやAlGaN、InAlN、又はInGaN(窒化インジウムガリウム)等からなるとしてもよい。また、核形成層12、チャネル層14、電子供給層16、及びキャップ層18は、既述したもの以外の窒化物半導体から形成してもよい。窒化物半導体とは、窒素を含む半導体であり、例えばInN(窒化インジウム)、InGaN、InAlN、及びAlInGaN(窒化アルミニウムインジウムガリウム)等がある。
Although the
実施例2は、電子供給層16の構成を変更する例である。上述のように、Feは窒化物半導体に拡散しやすい。実施例2では、電子供給層16により、Feの拡散を抑制する。図3は実施例2に係る半導体装置を例示する断面図である。既述した構成と同じ構成については、説明を省略する。
Example 2 is an example in which the configuration of the
図3に示すように、電子供給層16は、例えば厚さ20nmのi−AlxGa1−xNからなり、チャネル層14に近い側からキャップ層18に近い側に向けて、Alの組成比が大きくなる。例えば、電子供給層16のチャネル層14に近い側の領域16aでは、x=0.15〜0.35である。これに対し、電子供給層16のキャップ層18に近い側の領域16bでは、x=0.5である。なお、図3中において領域16aと領域16bとは破線で区切られているが、これは模式的に図示したものである。実際には、電子供給層16中のFe濃度は、連続的に変化している。
As shown in FIG. 3, the
実施例2によれば、実施例1と同様に、電流コラプスが抑制される。また、AlNはGaNよりバンドギャップが大きい。このため、AlNはFe拡散抑制の効果が、GaNよりも大きい。実施例2によれば、電子供給層16において、キャップ層18に近い領域16aのAlの組成比を、チャネル層14に近い領域16bのAlの組成比よりも大きくすることで、電子供給層16のキャップ層18に近い領域のバンドギャップを大きくする。このことにより、電子供給層16のFe拡散抑制の効果を大きくすることができる。
According to the second embodiment, the current collapse is suppressed as in the first embodiment. AlN has a larger band gap than GaN. For this reason, AlN has a greater effect of suppressing Fe diffusion than GaN. According to the second embodiment, in the
電子供給層16は、例えばAl組成比の小さい層の上にAl組成比の大きい層を積層する構成としてもよい。つまり、Al組成比が離散的に変化してもよい。また、電子供給層16をAlGaN以外の、Alを含む窒化物半導体から形成し、Al組成比を変更してもよい。つまり、既述したように、電子供給層16は、AlGaN以外に,InAlN等からなるとしてよい。
The
実施例3は、バリア層を設ける例である。図4は実施例3に係る半導体装置を例示する断面図である。既述した構成と同じ構成については、説明を省略する。 Example 3 is an example in which a barrier layer is provided. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to the third embodiment. The description of the same configuration as that described above is omitted.
図4に示すように、実施例3に係る半導体装置は、電子供給層16とキャップ層18との間に、キャップ層18に含まれるFeの拡散を抑制するためのバリア層26を備える。バリア層26は、例えば厚さ2nmのi−GaNからなる。キャップ層18は、例えば厚さ3nmのi−GaNである。バリア層26は、実施例1に係る半導体装置のキャップ層18のうち、電子供給層16に近い側の領域にFeをドープしないことで形成される。
As shown in FIG. 4, the semiconductor device according to Example 3 includes a
実施例3によれば、実施例1と同様に、電流コラプスが抑制される。またバリア層26により、電子供給層16等へのFeの拡散を抑制することができる。バリア層26は、i−GaN以外に例えばi−AlNからなるとしてもよい。上述のように、AlNは、GaNよりもバンドギャップが大きいため、Fe拡散抑制の効果がGaNより大きい。またバリア層26は、i−GaNやi−AlN以外に、Fe拡散抑制の効果が得られる材料で形成してもよい。実施例3では、バリア層26の厚さの分だけ、実施例1よりもキャップ層18を薄くしている。このため、半導体装置の大型化が抑制される。なお、バリア層26の厚さは任意に定めることができる。
According to the third embodiment, the current collapse is suppressed as in the first embodiment. Further, the
実施例4は、バリア層26の位置を変更する例である。図5は実施例4に係る半導体装置を例示する断面図である。既述した構成と同じ構成については、説明を省略する。
Example 4 is an example in which the position of the
図4に示すように、実施例4に係る半導体装置は、チャネル層14と電子供給層16との間に、バリア層26を備える。バリア層26は例えば厚さ2nmのi−AlNからなる。
As shown in FIG. 4, the semiconductor device according to Example 4 includes a
実施例4によれば、実施例1と同様に電流コラプスが抑制され、かつ実施例2や実施例3と同様に、Fe拡散が抑制される。また電子供給層16に含まれる不純物によって、二次元電子ガスが散乱されソース−ドレイン間に電流が流れにくくなる。実施例4によれば、チャネル層14の上面にバリア層26を設けるため、電子供給層16に含まれる不純物による、二次元電子ガスの不純物散乱を効果的に抑制することができる。
According to the fourth embodiment, the current collapse is suppressed as in the first embodiment, and the Fe diffusion is suppressed as in the second and third embodiments. Further, the two-dimensional electron gas is scattered by the impurities contained in the
実施例3で説明したように、キャップ層18は電子供給層16に接触していなくてもよい。またキャップ層18が半導体装置の表面に設けられていなくてもよく、電子供給層16より上にFeドープされたキャップ層18が設けられていればよい。
As described in the third embodiment, the
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
基板 10
核形成層 12
チャネル層 14
電子供給層 16
キャップ層 18
ソース電極 20
ドレイン電極 22
ゲート電極 24
バリア層 26
Claims (8)
前記チャネル層上に設けられ、前記チャネル層よりバンドギャップが大きく、窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に設けられた、Feがドープされた窒化物半導体からなるキャップ層と、を具備することを特徴とする半導体装置。 A channel layer made of a nitride semiconductor;
An electron supply layer provided on the channel layer, having a larger band gap than the channel layer and made of a nitride semiconductor;
And a cap layer made of a nitride semiconductor doped with Fe provided on the electron supply layer.
前記電子供給層のAlの組成比は、前記チャネル層に近い領域から前記キャップ層に近い領域に向けて大きくなることを特徴とする請求項1から3いずれか一項記載の半導体装置。 The electron supply layer is made of a nitride semiconductor containing Al,
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein an Al composition ratio of the electron supply layer increases from a region close to the channel layer toward a region close to the cap layer. 5.
前記電子供給層は、AlGaN又はInAlNからなり、
前記キャップ層は、GaN,AlN,AlGaN,又はInAlNからなることを特徴とする請求項1から7いずれか一項記載の半導体装置。 The channel layer is made of GaN;
The electron supply layer is made of AlGaN or InAlN,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the cap layer is made of GaN, AlN, AlGaN, or InAlN.
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