JP2019067786A - 高出力素子 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶性の良いチャネル層を有し、キャリアである電子の移動度が高移動度であり、高密度の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を有する、高出力素子を提供する。【解決手段】高出力素子１００は、第１の窒化物半導体層２０と、第１の窒化物半導体層２０上に形成された第２の窒化物半導体層３０と、第２の窒化物半導体層３０上に形成され、Ａｌ元素を含有した第３の窒化物半導体層４０と、を具備する。第２の窒化物半導体層３０は、Ｉｎ元素を含有した窒化物半導体層と、Ｉｎ元素を含有していない窒化物半導体層が交互に積層された多重量子井戸層を構成する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、高出力素子に関する。

従来、高出力素子（一例としてＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor））に
は窒化物半導体層のＧａＮ層と窒化物半導体層のＡｌＧａＮ層との間に窒化物半導体層の
ＩｎＧａＮを厚く形成した構造の物がある。

しかし、ＩｎＧａＮ層を厚く形成すると、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層との格子間の接続が
切断され、ＩｎＧａＮ層が緩和される。ＩｎＧａＮ層が緩和されると、格子間の欠陥の発
生など結晶構造に乱れが生じ、キャリアである電子の散乱が発生する。このため、ＩｎＧ
ａＮ層とＡｌＧａＮ層との界面における２次元電子ガス（2 Dimensional Electron Gas、
２ＤＥＧ）の電子移動度が低下する、電子密度が低下する、という問題があった。

特開２００３−１９７６４６号公報 特表２００４−５１５９０９号公報

本発明が解決しようとする課題は、結晶性の良いチャネル層を有し、高移動度で高密度
の２次元電子ガスを有する、高出力素子を提供する。

上記課題を解決するため、実施形態の高出力素子は、第１の窒化物半導体層と、前記第
１の窒化物半導体層上に形成された第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層
上に形成され、Ａｌ元素を含有した第３の窒化物半導体層と、を具備し、前記第２の窒化
物半導体層はＩｎ元素を含有した窒化物半導体層と、Ｉｎ元素を含有していない窒化物半
導体層が交互に積層された多重量子井戸層であることを特徴とする。

実施形態である高出力素子の断面図。 実施形態の伝導帯のバンド構造を模式的に表す図。 実施形態の格子間距離とバンドギャップの相関図。 実施形態の窒化物半導体層の格子結合の図。 実施形態の変形例の断面図。 実施形態の変形例の格子間距離とバンドギャップの相関図。

以下、高出力素子の実施形態を図面に基づき説明する。

（実施形態）
図１は本実施形態の基板１０上に各窒化物半導体層が積層され、さらにこの窒化物半導
体層上に電極が接続された高出力素子１００の断面図である。

実施形態は基板１０の上に窒化ガリウム層（ＧａＮ層、第１の窒化物半導体層）２０が
形成されている。窒化ガリウム層２０の上にチャネル層として多重量子井戸層（ＩｎxＧ
ａ1-xＮ層(1≧ｘ>０)／ＧａＮの積層、第２の窒化物半導体層）３０が形成されている。
さらに多重量子井戸層３０の上に窒化アルミニウムガリウム層（ＡｌＧａＮ層、第３の窒
化物半導体層）４０が形成されている。多重量子井戸層３０上には、２次元電子ガス３１
（図１の破線）が形成されている。

基板１０の部材には珪素（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、サファイア（α-Ａｌ２Ｏ３
）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ダイ
ヤモンド等がある。ただし、本実施形態において、基板１０の部材についてはこれらに限
定されるものではない。

窒化アルミニウムガリウム層４０の上にはソース電極５０とゲート電極５１とドレイン
電極５２が設けられている。ソース電極５０とゲート電極５１とドレイン電極５２とはそ
れぞれ離間して設けられている。ソース電極５０とドレイン電極５２とはゲート電極５１
を挟むように設けられている。

窒化アルミニウムガリウム層４０とソース電極５０とゲート電極５１とドレイン電極５
２との上には保護層を設けても良い。保護層は一例として窒化珪素（ＳｉＮ）などがある
。

窒化ガリウム層２０と多重量子井戸層（ＩｎxＧａ1-xＮ層(1≧ｘ≧０)／ＧａＮの積層
、第２の窒化物半導体層）３０と窒化アルミニウムガリウム層４０は窒化物半導体である
。本実施形態において、これらの層はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジ
ウム（Ｉｎ）等のＩＩＩ族の元素と、窒素（Ｎ）のＶ族の元素とを組み合わせたＩＩＩ‐
Ｖ族半導体である。

図２は実施形態の伝導帯のバンド図である。多重量子井戸層３０を構成する窒化インジ
ウムガリウム層と窒化ガリウム層、及び多重量子井戸層３０の上に形成されている窒化ア
ルミニウムガリウム層４０はそれぞれのバンドギャップが異なる。

窒化アルミニウムガリウム層４０と、多重量子井戸層３０を構成し窒化アルミニウムガ
リウム層４０と隣接する窒化インジウムガリウム層が接合されると、接合面（ヘテロ界面
）の近傍にてエネルギー準位の量子井戸が形成され、量子井戸に電子が高密度で蓄積され
、２次元電子ガス３１が形成される。

また、多重量子井戸層３０を構成している窒化インジウムガリウム層のバンドギャップ
は、同じく多重量子井戸層３０を構成している窒化ガリウム層のバンドギャップより低く
、窒化インジウムガリウム層は窒化ガリウム層に挟まれた構造をしているため、ここでも
量子井戸が形成される。この量子井戸にも電子が高密度で蓄積され、２次元電子ガス３１
が形成される。実施形態の高出力素子１００は、このような量子井戸を重ねて多重量子井
戸層とすることで、電子をより高密度で蓄積することができる。

図３は窒化物半導体の格子間距離とバンドギャップの相関図であり、ＧａＮ、ＡｌＮ、
ＩｎＮそれぞれの格子間距離の値とバンドギャップの値とをプロットし、各プロットを線
で結んだものである。

ＧａＮとＡｌＮを結ぶ線はＡｌｙＧａ１−ｙＮの特性となる。ｙはアルミニウム元素（
Ａｌ）の組成比であり、1≧ｙ≧０となる。即ちアルミニウム元素（Ａｌ）の組成比を大
きくし、ガリウム元素（Ｇａ）の組成比を小さくすると、ＡｌＮに近づいていき、バンド
ギャップが大きくなっていく。

ＧａＮとＩｎＮを結ぶ線はＩｎｘＧａ１−ｘＮの特性となる。ｘはインジウム元素（Ｉ
ｎ）の組成比であり、０≦ｘ≦１となる。即ちインジウム元素（Ｉｎ）の組成比を大きく
し、ガリウム元素（Ｇａ）の組成比を小さくすると、ＩｎＮに近づいていき、バンドギャ
ップが小さくなっていく。またインジウム組成が大きいほど電子の有効質量が小さいこと
から移動度が増加するため、高速、高周波の特性が向上する。

本実施形態の高出力素子１００における多重量子井戸層３０は、ＩｎＧａＮとＧａＮか
ら形成される。この高出力素子１００の性能が最も良くなるときは、ＩｎＧａＮとＧａＮ
のバンドギャップが最大となるときであり、すなわちＩｎｘＧａ１−ｘＮのｘ＝１となる
ときである。

なお、本実施形態の高出力素子１００において、多重量子井戸層の窒化インジウムガリ
ウム層の膜厚は１０ｎｍまで、多重量子井戸層の窒化ガリウム層の膜厚は２０ｎｍまでと
することが望ましい。窒化インジウムガリウム層と窒化ガリウム層のペア数は１〜１００
とし、さらに前述した通り、窒化インジウムガリウム層（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ）の組成比
はｘ＝１とすることで、最も性能が良くなる。この組成比の窒化インジウムガリウム層は
膜厚を０．７ｎｍとすることが望ましい。

図４は本実施形態の窒化物半導体層の格子結合の図である。図４の（ａ）は窒化ガリウ
ム層と窒化インジウムガリウム層のそれぞれの格子間距離の概略図である。１格子を四角
形で表している。図３より、窒化インジウムガリウム層の格子間距離は窒化ガリウム層２
０の格子間距離よりも大きいことから、それぞれ図４の（ａ）のような関係となる。

図４の（ｂ）は窒化ガリウム層の上に窒化インジウムガリウム層を積層したときの格子
結合の図である。窒化インジウムガリウム層を薄い範囲（０．２６〜１００ｎｍ）で形成
すると、窒化ガリウム層より応力を受けるため、窒化ガリウム層の格子間距離に合わせて
結晶が形成される。

ここで、窒化インジウムガリウム層を厚く積層し臨界膜厚を超えた場合は、窒化ガリウ
ム層からの応力に耐え切れず、窒化インジウムガリウム層で結晶欠陥を発生させて緩和す
る。このため、窒化インジウムガリウム層の結晶性が劣化する。そのため、緩和させずに
積層する場合は、窒化インジウムガリウム層を薄い範囲で形成しなければならない。

図４の（ｃ）は窒化ガリウム層と窒化インジウムガリウム層との結合について、横に連
続した場合の格子結合の図である。窒化インジウムガリウム層を緩和させずに積層すると
、窒化インジウムガリウム層の結晶性が高くなる。結晶性が高くなると、２次元電子ガス
を増加させ、移動度を高くすることが可能となり、飽和ドリフト速度が向上する。

本実施形態の高出力素子１００において、多重量子井戸層３０は、窒化インジウムガリ
ウム層と窒化ガリウムの積層である。窒化インジウムガリウム層と窒化ガリウム層は格子
間距離が異なるが、窒化インジウムガリウム層を薄く形成することで、窒化インジウムガ
リウム層を緩和させずに積層することができる。さらに、これらの窒化インジウムガリウ
ム層と窒化ガリウム層を多重量子井戸構造にして積層させることで、厚みを厚くすること
ができる。このようにして厚みを厚くすることで、電子移動度が上がり、高い周波数特性
が得られると共に、高密度の２次元電子ガスを得ることができる。

また、窒化インジウムガリウム層３０の上に積層される、窒化アルミニウムガリウム層
４０についても同様に、窒化ガリウム層２０の格子間距離と合わせて積層することで、緩
和しない層を形成しても良い。緩和させないことで結晶性の良い高出力素子を形成し、ト
ラップ準位などの形成を抑制することが可能となる。

以下、本実施形態の高出力素子１００の製造方法について以下に説明する。高出力素子
１００は、基板１０にＧａＮをＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition
）法等により結晶成長させ、窒化ガリウム層２０を積層させる。ＭＯＣＶＤ法とは基板１
０の上に有機金属とキャリアガスを基板上に供給し、加熱した基板上で気相による化学反
応をすることによって、エピタキシャル成長をする方法である。

基板１０の上に窒化ガリウム層２０を積層させた後、有機金属原料のトリメチルインジ
ウム（TMI）、トリメチルガリウム（TMG）、トリエチルガリウム（TEG）、トリエチルイ
ンジウム(TEI)およびアンモニアガスをキャリアガス（窒素や水素）とともに供給し、反
応させることによって窒化ガリウム層２０の上に窒化インジウムガリウム層が積層される
。

その後、基板１０上に窒化ガリウムを形成した時と同様に、窒化インジウムガリウム層
上に窒化ガリウムを形成させる。窒化インジウムガリウムと窒化ガリウムを交互に積層さ
せることによって、多重量子井戸層３０を積層させる。

窒化ガリウム層２０の上に多重量子井戸層３０を積層させた後、同様にトリメチルガリ
ウム、トリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム（TMA）とアンモニアガス、キャリ
アガスを供給し、反応させることによって多重量子井戸層３０の上に窒化アルミニウムガ
リウム層４０が積層される。

ただし、ＭＯＣＶＤ法によるこれらの積層方法は一例であり、本実施形態において、Ｍ
ＯＣＶＤ法に限定されるものではない。

窒化アルミニウムガリウム層４０を積層した後、ソース電極５０とゲート電極５１とド
レイン電極５２とを窒化アルミニウムガリウム層４０の上に形成する。

以上により、本実施形態の高出力素子１００は、窒化ガリウム層２０と、多重量子井戸
層３０と、窒化アルミニウムガリウム層４０とを有し、多重量子井戸層３０は緩和しない
窒化インジウムガリウム層と窒化ガリウム層の積層により形成される。そのため、高移動
度、高密度の２次元電子ガスを量子井戸層の数だけ有することになり、高い性能を期待す
ることが可能となる。

（実施形態の変形例１）
図５は実施形態の変形例である。当該変形例の高出力素子１０１は基板１０と窒化ガリ
ウム層２０との間にバッファ層６０を積層させている。基板１０と窒化ガリウム層２０と
の結晶構造の差異により、窒化ガリウム層２０の結晶構造に欠陥が発生し、多重量子井戸
層３０の積層に影響することがあるため、バッファ層６０を挿入することで窒化ガリウム
層２０の結晶性を向上させている。バッファ層６０は例えば、窒化インジウムアルミニウ
ムガリウム層（ＩｎａＡｌｂＧａ（１−ａ−ｂ）Ｎ、１≧ａ≧０、１≧ｂ≧０、）である
。

（実施形態の変形例２）
図６は本変形例の格子間距離とバンドギャップの相関図である。図６の破線は窒化ガリ
ウムのバンドギャップの値（約３．４ｅＶ）のラインである。図中のＡｌＮ、ＧａＮ、Ｉ
ｎＮのプロットを結んだ三角形の内、破線よりも上の領域をＡ領域とし、破線よりも下の
領域をＢ領域とする。即ち、バンドギャップが窒化ガリウムよりも大きい値の領域をＡ領
域とし、小さい値の領域をＢ領域とする。

変形例２において、第２の窒化物半導体層は多重量子井戸層３０を構成する窒化インジ
ウムガリウム層の代わりに、バンドギャップが窒化ガリウムよりも小さい、Ｂ領域にある
素材を用いても良い。即ち、第２の窒化物半導体層を構成する窒化インジウムガリウム層
は、窒化インジウム層（ＩｎＮ）、または窒化ガリウム（ＧａＮ）のバンドギャップより
も低い値を有する窒化インジウムアルミニウムガリウム層（ＩｎＡｌＧａＮ）若しくは窒
化インジウムアルミニウム層（ＩｎＡｌＮ）、のいずれかに代えても良い。

また、変形例２において、第３の窒化物半導体層は窒化アルミニウムガリウム層４０の
代わりに、バンドギャップが窒化ガリウムよりも大きい、Ａ領域にある素材を用いても良
い。即ち、前記第３の窒化物半導体層は、窒化アルミニウム層（ＡｌＮ）、または窒化ガ
リウム（ＧａＮ）のバンドギャップよりも高い値を有する窒化インジウムアルミニウムガ
リウム層（ＩｎＡｌＧａＮ）若しくは窒化インジウムアルミニウム層（ＩｎＡｌＮ）いず
れかとしても良い。

変形例２においても変形例１と同様にバッファ層６０を設けていても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したも
のであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その
ほかの様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々
の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲
や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれ
る。

１０‥‥基板、
２０‥‥窒化ガリウム層（ＧａＮ層、第１の窒化物半導体層）、
３０‥‥多重量子井戸層（ＩｎxＧａ1-xＮ層(1≧ｘ>０)／ＧａＮの積層、第２の窒化物半
導体層）
３１‥‥２次元電子層（２ＤＥＧ）、
４０‥‥窒化アルミニウムガリウム層（ＡｌＧａＮ層、第３の窒化物半導体層）、
５０‥‥ソース電極、
５１‥‥ゲート電極、
５２‥‥ドレイン電極、
６０‥‥バッファ層、
１００‥‥高出力素子、
１０１‥‥高出力素子。

Claims (6)

1. 第１の窒化物半導体層と、
   前記第１の窒化物半導体層上に形成された第２の窒化物半導体層と、
   前記第２の窒化物半導体層上に形成され、Ａｌ元素を含有した第３の窒化物半導体層と
   、
   を具備し、
   前記第２の窒化物半導体層はＩｎ元素を含有した窒化物半導体層と、Ｉｎ元素を含有し
   ていない窒化物半導体層が交互に積層された多重量子井戸層
   であることを特徴とする、高出力素子。
2. 前記多重量子井戸層は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ層(1≧ｘ>０)とＧａＮ層が交互に積層されるこ
   とによって構成され、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層の膜厚が１０ｎｍ以下であり、かつＧａＮ層
   の膜厚が２０ｎｍ以下であることを特徴とする、
   請求項１に記載の高出力素子。
3. 前記多重量子井戸層におけるＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層とＧａＮ層のペア数は１００以下で
   あることを特徴とする、
   請求項２に記載の高出力素子。
4. 前記第３の窒化物半導体層は、ＡｌｙＧａ_１−ｙＮ（１≧ｙ＞０）層であることを特徴
   とする、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の高出力素子。
5. 前記第１の窒化物半導体層は基板上に設けられたバッファ層の上に形成されており、前
   記バッファ層はＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ（１−ａ−ｂ）Ｎ層（１≧ａ≧０、１≧ｂ≧０）である
   ことを特徴とする、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の高出力素子。
6. 前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＣ、α−Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド
   のいずれかであることを特徴とする、
   請求項５に記載の高出力素子。

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