JP6197344B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置に関する。

窒化物半導体を用いた、例えばＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）などの半導体装置は、高周波用出力増幅用素子として用いられることがある。ＨＥＭＴには高出力、及び高い線形性が要求される。窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いたＨＥＭＴの電子供給層とチャネル層との界面近傍に高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が発生する。特許文献１には、ＧａＮにより形成されたチャネル層を備える半導体装置が記載されている。

特開２００８−３０６０２５号公報

ＨＥＭＴのような高周波デバイスにおいては例えば相互変調歪みなどの歪みが生じることがある。また高出力を得るためには、リーク電流を抑制することが求められる。しかしながら、相互変調歪みの抑制とリーク電流の抑制との両立は困難であった。本願発明は、上記課題に鑑み、高い線形性の確保及びリーク電流の抑制が可能な半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、基板上に形成された窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層の上に形成されたｎ型窒化ガリウム層と、前記ｎ型窒化ガリウム層の上面に接触して形成された、窒化物半導体からなる電子走行層と、窒化物半導体により形成され、前記電子走行層の上に設けられた電子供給層と、前記電子供給層の上に設けられたゲート電極、ソース電極及びドレイン電極と、を具備し、前記ゲート電極とその下地層との接触面のゲート長方向の幅をＬ、前記ｎ型窒化ガリウム層の表面と前記接触面との距離をｄ１とすると、Ｌ／ｄ１が７以上である半導体装置である。

上記構成において、前記ｎ型窒化ガリウム層のドーパント濃度と前記ｎ型窒化ガリウム層の厚さとの積は、１．４×１０^１２ｃｍ^−２以上、９．０×１０^１２ｃｍ^−２以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記ｎ型窒化ガリウム層のドーパント濃度は３．０×１０^１８ｃｍ^−３以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記ｎ型窒化ガリウム層の厚さは４０ｎｍ以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記電子走行層の厚さは３ｎｍ以上、２０ｎｍ以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記窒化物半導体層の厚さは１００ｎｍ以上、３μｍ以下である構成とすることができる。

上記構成において、窒化物半導体により形成され、前記電子供給層の上面に接触するキャップ層を具備し、前記ゲート電極は前記キャップ層の上面に設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記電子供給層は、窒化アルミニウムガリウムまたは窒化インジウムアルミニウムにより形成されている構成とすることができる。

上記構成において、前記Ｌ／ｄ１は１０以上である構成とすることができる。

本発明によれば、高い線形性の確保及びリーク電流の抑制が可能な半導体装置を提供することが可能となる。

図１（ａ）は実施例１に係る半導体装置を例示する断面図である。図１（ｂ）は半導体装置のバンド構造を例示する模式図である。 図２（ａ）は比較例に係る半導体装置を例示する断面図である。図２（ｂ）は半導体装置のバンド構造を例示する模式図である。 図３（ａ）は実施例１におけるＩｄｓ−Ｖｇ特性及びｇｍ−Ｖｇ特性の測定結果を示す図である。図３（ｂ）は比較例におけるＩｄｓ−Ｖｇ特性及びｇｍ−Ｖｇ特性の測定結果を示す図である。 図４（ａ）は実施例１におけるｇｍ１、ｇｍ２及びｇｍ３の計算結果を示す図である。図４（ｂ）は比較例におけるｇｍ１、ｇｍ２及びｇｍ３の計算結果を示す図である。 図５はＩＭＤ３の測定結果を示す図である。 図６はリーク電流の測定結果を示す図である。

図面を用いて本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）は実施例１に係る半導体装置１００を例示する断面図である。半導体装置１００は例えば周波数が３００ＭＨｚ〜１００ＧＨｚのようなマイクロ波帯域の高周波信号を増幅するＨＥＭＴである。

図１（ａ）に示すように、基板１０の上にバッファ層１２（窒化物半導体層）が設けられ、バッファ層１２の上にｎ−ＧａＮ層１４が設けられている。ｎ−ＧａＮ層１４の上にチャネル層１６が設けられ、チャネル層１６の上に電子供給層１８が設けられている。電子供給層１８の上にキャップ層２０が設けられ、キャップ層２０の上に絶縁層２２が設けられている。絶縁層２２の開口部から露出するキャップ層２０の上面に、ゲート電極２４が設けられている。キャップ層２０にはリセスが形成され、リセスから露出する電子供給層１８の上面にソース電極２６及びドレイン電極２８が設けられている。ｎ−ＧａＮ層１４はバッファ層１２の上面に接触し、チャネル層１６はｎ−ＧａＮ層１４の上面に接触している。チャネル層１６と電子供給層１８との界面からチャネル層１６側に深さ１０ｎｍ程度の領域に２ＤＥＧ（二次元電子ガス）が形成される。

基板１０は例えばＳｉＣ（炭化シリコン）、Ｓｉ（シリコン）又はサファイアなどの材料により形成されている。バッファ層１２、ｎ−ＧａＮ層１４、チャネル層１６、電子供給層１８、及びキャップ層２０はエピタキシャル成長された窒化物半導体層である。バッファ層１２及びチャネル層１６はｉ−ＧａＮ（ノンドープの窒化ガリウム）により形成されている。ｎ−ＧａＮ層１４及びキャップ層２０はドーパントとしてＳｉを含むｎ−ＧａＮにより形成されている。バッファ層１２の厚さをＴ１、ｎ−ＧａＮ層１４の厚さをＴ２、チャネル層１６の厚さをＴ３とする。電子供給層１８は、例えばＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）により形成されている。絶縁層２２は例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）などの絶縁体により形成されている。ソース電極２６及びドレイン電極２８は、例えば電子供給層１８に近い方から順にチタン及びアルミニウム（Ｔｉ／Ａｌ）又はタンタル及びアルミニウム（Ｔａ／Ａｌ）などの金属を積層したオーミック電極である。ゲート電極２４は、例えばキャップ層２０に近い方から順にニッケル及びアルミニウム（Ｎｉ／Ａｌ）などの金属を積層して形成されている。

図１（ｂ）は半導体装置１００のバンド構造を例示する模式図であり、左から順に絶縁層２２、キャップ層２０、電子供給層１８、チャネル層１６、ｎ−ＧａＮ層１４及びバッファ層１２のバンドを示している。図中の斜線は２ＤＥＧを表す。チャネル層１６とバッファ層１２との間にｎ−ＧａＮ層１４が挿入されることで、後述の比較例と比べチャネル層１６からバッファ層１２にかけてバンドの形状が緩やかになる。

図２（ａ）は比較例に係る半導体装置１００Ｒを例示する断面図である。図２（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＮ層１４は設けられていない。基板１０の上面に、バッファ層及びチャネル層として機能するｉ−ＧａＮ層１１が設けられ、ｉ−ＧａＮ層１１の上に電子供給層１８が設けられている。他の構成は半導体装置１００と同じである。図２（ｂ）は半導体装置１００Ｒのバンド構造を例示する模式図である。図２（ｂ）に示すように、ｉ−ＧａＮ層１１のバンドは、図１（ｂ）に示した実施例１に比べ急峻に立ち上がる。急峻なバンド構造はｉ−ＧａＮの分極電荷によるものである。

ＨＥＭＴにおいては高い線形性を得ることが重要となる。線形性にはコンダクタンスの高次成分が影響する。ドレイン電流Ｉｄｓをゲート−ソース間電圧Ｖｇで級数展開するとＩｄｓは次式で表される。

ｇｍ１はコンダクタンスの基本成分であり、ｇｍ２、ｇｍ３、ｇｍ４…はコンダクタンスの高次成分である。三次相互変調歪みＩＭＤ３は、ｇｍ１及びｇｍ３を用いて次の式で表される。Ａは定数、Ｖｓはソース−ドレイン間電圧である。

ｇｍ３が大きいと三次相互変調歪みＩＭＤ３が大きくなり、線形性が悪化する。ｇｍ３を小さくすることで、ＩＭＤ３を抑制し、高い線形性を得ることができる。実施例１と比較例とを対照させ、実施例１により高い線形性が得られることを説明する。

実施例１及び比較例において、Ｉｄｓ−Ｖｇ特性及びｇｍ−Ｖｇ特性を測定した。測定に用いた半導体装置１００の寸法及び組成は以下の通りである。
基板１０の材料：ＳｉＣ
バッファ層１２（ＧａＮ）の厚さＴ１：９３０ｎｍ
ｎ−ＧａＮ層１４の厚さＴ２：２０ｎｍ
チャネル層１６（ＧａＮ）の厚さＴ３：５０ｎｍ
電子供給層１８（ＡｌＧａＮ）の厚さ：２４ｎｍ
電子供給層１８の組成：
ドーパント（Ｓｉ）を含み、Ａｌ組成比は２３％
キャップ層２０（ＧａＮ）の厚さ：５ｎｍ
ｎ−ＧａＮ層１４、電子供給層１８及びキャップ層２０のＳｉドーパント濃度：
１．５×１０^１８ｃｍ^−３
ゲート電極２４の長さＬ：１μｍ
半導体装置１００Ｒのｉ−ＧａＮ層１１の厚さは９６０ｎｍである。他の寸法及び組成は半導体装置１００と同じである。

図３（ａ）は実施例１におけるＩｄｓ−Ｖｇ特性及びｇｍ−Ｖｇ特性の測定結果を示す図である。横軸はゲート電圧Ｖｇを示し、左の縦軸及び実線はドレイン電流Ｉｄｓを表す。右の縦軸及び破線はコンダクタンスｇｍを表す。

図３（ａ）に示すように、実施例１においては、ｇｍがＶｇ＝−４Ｖ近傍から緩やかに大きくなる。またドレイン電流Ｉｄｓの立ち上がりがなだらかになる。これにより図４（ａ）に後述するようにｇｍ３が小さくなり、数２で示したドレイン電流の三次相互変調歪みＩＭＤ３が低減される。

図３（ｂ）は比較例におけるＩｄｓ−Ｖｇ特性及びｇｍ−Ｖｇ特性の測定結果を示す図である。図３（ｂ）に示すように、Ｖｇが−３Ｖを超えた辺りからｇｍが急激に大きくなる。またドレイン電流Ｉｄｓが急激に立ち上がる。これにより、図４（ｂ）に後述するようにｇｍ３が大きくなり、ドレイン電流の相互変調歪みＩＭＤ３が大きくなる。

数１に示したようにＩｄｓを級数展開し、ｇｍ１、ｇｍ２及びｇｍ３を計算した。図４（ａ）は実施例１におけるｇｍ１、ｇｍ２及びｇｍ３の計算結果を示す図である。図４（ｂ）は比較例におけるｇｍ１、ｇｍ２及びｇｍ３の計算結果を示す図である。横軸はゲート電圧Ｖｇを示し、縦軸はコンダクタンスを示す。破線は１次成分ｇｍ１、点線は二次成分ｇｍ２、実線は三次成分ｇｍ３を表す。

図４（ａ）に縦軸方向の実線で示すように、実施例１における動作点は約−２．８Ｖである。動作点付近におけるｇｍ３は約−４０ｍＳである。図４（ｂ）に示すように、比較例１における動作点は約−２．４Ｖである。動作点付近におけるｇｍ３は約−２００ｍＳである。比較例１においては、図２（ｂ）に示したようにバンド構造が急峻であるためｇｍ３が大きくなる。実施例１によれば、図１（ｂ）に示したように実施例１におけるバンド構造が比較例より緩やかであることにより、比較例１に比べ、動作点におけるｇｍ３をおよそ１／５程度まで低減することができる。

図５はＩＭＤ３の測定結果を示す図である。縦軸はＩＭＤ３を表す。横軸はバックオフ出力を表す。実線は実施例１、破線は比較例の測定結果を表す。ドレイン電流の大きさが飽和電流Ｉｆｍａｘに対して１０％とした。信号の周波数は８ＧＨｚ及び８・０１ＧＨｚである。

図５に示すように、実施例１によれば比較例と比べＩＭＤ３が低下している。特にバックオフ出力が−９ｄＢ以下でＩＭＤ３が大きく低減され、約−１３ｄＢで最小となる。以上のように、実施例１によれば、バッファ層１２とチャネル層１６との間にｎ−ＧａＮ層１４を設けたことによりバンドが緩やかになる。緩やかなバンドによりｇｍ３が低下し、ＩＭＤ３が小さくなる。

ｎ−ＧａＮ層１４を設けると、図１（ｂ）に示したようにバンドの形状がなだらかになるため、リーク電流が大きくなる恐れがある。ｎ−ＧａＮ層１４とゲート電極２４との距離ｄ１が大きくなることで、２ＤＥＧから離れた位置（ｎ−ＧａＮ層１４及びバッファ層１２など）にリークパスが形成され、リーク電流が増大する。リーク電流を抑制するためには、距離ｄ１を小さくすることが好ましい。距離ｄ１は、ｎ−ＧａＮ層１４の表面からゲート電極２４の底面までの最短距離のことであり、ゲート電極２４の底面とは、ゲート電極２４とその下地層との接触面のことである。ゲート電極の長さＬに対する距離ｄ１の比（アスペクト比）Ｌ／ｄ１によりリーク電流の大きさは変化する。長さＬは、キャップ層２０とショトキー接触しているゲート電極２４の底面のゲート長方向の幅を指す。

半導体装置１００においてアスペクト比を変化させて、リーク電流（半導体装置１００がピンチオフ時の状態におけるリーク電流）の測定を行った。バッファ層１２の厚さは９６０ｎｍとした。ゲート電極２４の長さＬを変化させることで、アスペクト比Ｌ／ｄ１を変化させた。他の条件は、図３（ａ）の測定に用いた条件と同じである。ゲート電圧Ｖｇ＝−５Ｖ、ドレイン電圧＝１０Ｖとした。

図６はリーク電流の測定結果を示す図である。横軸がアスペクト比、縦軸がリーク電流を表す。図６に示すように、アスペクト比が７以上である場合、リーク電流は５．０×１０^−６Ａ／ｍｍ以下になる。アスペクト比を７以上とすることで、リーク電流を抑制し、かつ高い線形性を得ることができる。リーク電流の抑制により、半導体装置１００の効率の改善、及び熱暴走の抑制が可能となる。実施例１ではＬ＝１μｍ、ｄ１＝０．０７９μｍとし、アスペクト比を１２．６（＝１／０．０７９）とした。アスペクト比は１３以上としてもよい。リーク電流を抑制するために、アスペクト比は１０以上が好ましい。なお、アスペクト比は例えば６以上、８以上、及び９以上、２０以下、１５以下などとしてもよい。また、アスペクト比が７以上の場合、ゲート電極２４を再現性良く形成することができる。これは、フォトリソグラフィ技術によりゲート電極２４が形成されるため、ゲート電極２４の長さＬの形成において広いマージンを得ることができることに起因する。

図１（ａ）に示した電子供給層１８とｎ−ＧａＮ層１４との距離ｄ２（チャネル層１６の厚さＴ３に相当）が小さいほどバンド形状の変化が２ＤＥＧに影響するため、ＩＭＤ３の低減が効果的に可能となる。また距離ｄ２が小さくなることで距離ｄ１も小さくなるためアスペクト比Ｌ／ｄ１が大きくなる。アスペクト比が大きくなることで、図６のようにリーク電流も抑制される。高い線形性及びリーク電流の抑制のため、距離ｄ２は例えば２０ｎｍ以下が好ましい。距離ｄ２が小さくなるとｎ−ＧａＮ層１４と２ＤＥＧとがオーバーラップし、ｎ−ＧａＮ層１４中の不純物により電子移動度が低下する。電子移動度の低下を抑制するために、距離ｄ２は５ｎｍ以上が好ましい。距離ｄ２（厚さＴ３）は例えば３ｎｍ以上、８ｎｍ以上、及び１０ｎｍ以上、１８ｎｍ以下、及び１５ｎｍ以下とすることができる。なお、ｎ−ＧａＮ層１４のドーパント濃度が小さい場合、距離ｄ２（厚さＴ３）は４０ｎｍ以下としてもよい。

寸法及び組成は変更可能である。表１は実施例１、及び実施例１の変形例１〜４における寸法及び組成を示す表である。左からバッファ層１２の厚さＴ１、ｎ−ＧａＮ層１４の厚さＴ２、チャネル層１６の厚さＴ３、及びｎ−ＧａＮ層１４のドーパント濃度を表す。

変形例１及び２によれば、三次相互変調歪みＩＭＤ３を低減することができる。ただし低減の効果は実施例１に比べ小さい。ドーパント濃度が小さいためである。変形例３によれば、実施例１と同程度に三次相互変調歪みＩＭＤ３を低減することができる。変形例３のドーパント濃度は実施例１の半分以下であるが、ｎ−ＧａＮ層１４の厚さＴ２が２倍であるため、実施例１と同程度の効果が生じる。変形例４によれば三次相互変調歪みＩＭＤ３を低減することができる。

図１（ｂ）に示したようなバンド構造を得ることでＩＭＤ３を低減するためには、ｎ−ＧａＮ層１４のドーパント濃度とｎ−ＧａＮ層１４の厚さとの積は、３．０×１０^１２ｃｍ^−２以上であることが好ましい。例えば積は、４．０×１０^１２ｃｍ^−２以上、３．５×１０^１２ｃｍ^−２以上、２．５×１０^１２ｃｍ^−２以上、２．０×１０^１２ｃｍ^−２以上でもよい。なお、ｎ−ＧａＮ層１４にドープできる濃度を考慮した場合、ドーパント濃度とｎ−ＧａＮ層１４の厚さとの積は、９．０×１０^１２ｃｍ^−２以下が好ましい。また、ＩＭＤ３の低減およびドープできる濃度を考慮すると、積は３．０×１０^１２ｃｍ^−２以上、５．０×１０^１２ｃｍ^−２以下が好ましい。また変形例１及び２に示すように積が１．４×１０^１２ｃｍ^−２程度でもＩＭＤ３の低減は可能である。

良好な結晶性を有するｎ−ＧａＮ層１４を成長させるためには、ｎ−ＧａＮ層１４のドーパント濃度は３．０×１０^１８ｃｍ^−３以下が好ましい。ｎ−ＧａＮ層１４のドーパント濃度は例えば４．０×１０^１８ｃｍ^−３以下、３．５×１０^１８ｃｍ^−３以下、２．５×１０^１８ｃｍ^−３以下、及び２．０×１０^１８ｃｍ^−３以下としてもよい。バンド構造を緩やかにするためにドーパント濃度は例えば０．５×１０^１８ｃｍ^−３以上、及び１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上が好ましい。ショートチャネル効果を抑制するために、ｎ−ＧａＮ層１４の厚さＴ２は４０ｎｍ以下が好ましく、例えば５０ｎｍ以下、３０ｎｍ以下としてもよい。

上記のようにチャネル層１６の厚さＴ３（図１（ａ）の距離ｄ２に相当）は５ｎｍ以上４０ｎｍ以下とすることができ、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましい。高い線形性の確保及びリーク電流の抑制が可能となる。バッファ層１２の厚さＴ１は１００ｎｍ以上、３μｍ以下が好ましい。ｎ−ＧａＮ層１４及びチャネル層１６の結晶性が高くなり、かつ高い量産性が得られるためである。厚さＴ１は例えば１５０ｎｍ以上、２００ｎｍ以上、３．５μｍ以下、４．０μｍ以下などとしてもよい。例えばバッファ層１２と基板１０との間に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層又はＡｌＧａＮ層を設けてもよい。キャップ層２０にリセスが形成されておらず、ソース電極２６及びドレイン電極２８はキャップ層２０の上面に設けられてもよい。

電子供給層１８及びキャップ層として図１に述べた以外の窒化物半導体を用いてもよい。窒化物半導体とは、窒素を含む半導体であり、例えばＡｌＮ、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、及び窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）などがある。

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。

１０ 基板
１２ バッファ層
１４ ｎ−ＧａＮ層
１６ チャネル層
１８ 電子供給層
２０ キャップ層
２２ 絶縁層
２４ ゲート電極
２６ ソース電極
２８ ドレイン電極
１００ 半導体装置

Claims (9)

1. 基板上に形成された窒化物半導体層と、
   前記窒化物半導体層の上に形成されたｎ型窒化ガリウム層と、
   前記ｎ型窒化ガリウム層の上面に接触して形成された、窒化物半導体からなる電子走行層と、
   窒化物半導体により形成され、前記電子走行層の上に設けられた電子供給層と、
   前記電子供給層の上に設けられたゲート電極、ソース電極及びドレイン電極と、を具備し、
   前記ゲート電極とその下地層との接触面のゲート長方向の幅をＬ、前記ｎ型窒化ガリウム層の表面と前記接触面との距離をｄ１とすると、Ｌ／ｄ１が７以上であり、
   前記窒化物半導体層および前記電子走行層はノンドープの窒化ガリウムで形成され、
   前記ｎ型窒化ガリウム層のドーパント濃度と前記ｎ型窒化ガリウム層の厚さとの積は、１．４×１０ ^１２ ｃｍ ^−２ 以上であることを特徴とする半導体装置。
2. 前記ｎ型窒化ガリウム層のドーパント濃度と前記ｎ型窒化ガリウム層の厚さとの積は９．０×１０^１２ｃｍ^−２以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記ｎ型窒化ガリウム層のドーパント濃度は３．０×１０^１８ｃｍ^−３以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
4. 前記ｎ型窒化ガリウム層の厚さは４０ｎｍ以下であ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。
5. 前記電子走行層の厚さは３ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から４いずれか一項記載の半導体装置。
6. 前記窒化物半導体層の厚さは１００ｎｍ以上、３μｍ以下であることを特徴とする請求項１から５いずれか一項記載の半導体装置。
7. 窒化物半導体により形成され、前記電子供給層の上面に接触するキャップ層を具備し、
   前記ゲート電極は前記キャップ層の上面に設けられていることを特徴とする請求項１から６いずれか一項記載の半導体装置。
8. 前記電子供給層は、窒化アルミニウムガリウムまたは窒化インジウムアルミニウムにより形成されてい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。
9. 前記Ｌ／ｄ１は１０以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。

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