JP2006286698A - 電子デバイス及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明が解決しようとする課題は主として高いコンダクタンスｇ_mを示しながらも、ノーマリーオフの動作をするトランジスタの実現を目的とする。
【解決手段】ＧａＮ層３、ＡｌＮ層９及びＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層４が順に密着して積層された積層構造と、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層４に接触する電極の組み合わせからなる電子デバイスにおいて、前記ＧａＮ及びＡｌ_xＧａ_1-xＮのｘが、０＜ｘ＜０．２であり、前記電極直下に相当する部分を含む部分の前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層の厚さＤ、前記ＡｌＮ層９の厚さｄが０＜Ｄ≦３ｎｍ、０＜ｄ≦０．５ｎｍであることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒化物を含む半導体からなる電子デバイス及びこれを用いた電力変換装置に関するものである。

ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮなどの窒化物系化合物半導体材料は、ＧａＡｓ系の材料に比べてそのバンドギャップエネルギーが大きいので、これを用いた電子デバイスは耐熱温度が高く高温動作に優れている。そして特にＧａＮを用いたＦＥＴ等の電子デバイスを電源デバイスとして応用することが期待されている。

ここで、ＦＥＴを電源デバイスとして用いることを考える。既存の回路を用いてコンバータやインバータといった電源回路を構成する場合には、そのＦＥＴはノーマリーオフの特性を示すことが必要とされている。図４に従来技術に係るＧａＮを用いたＦＥＴの一例である高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｏｒｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を示した。この高電子移動度トランジスタにおいては、例えばサファイア基板のような基板１の上に、ＧａＮから成るバッファ層２、アンドープＧａＮ層３からなる電子走行層、および前記電子走行層に比べて薄いアンドープＡｌＧａＮ層４からなる電子供給層を順次積層して成る層構造（ヘテロ接合構造）が形成されている。そして、電子供給層の上には、ソース電極Ｓ、ゲート電極Ｇ、ドレイン電極Ｄが平面配置されている（特許文献１の従来技術の記載を参照）。

特開２００３−１７９０８２

図４で示した高電子移動度トランジスタの場合、アンドープＧａＮ層３からなる電子走行層のバンドギャップエネルギーはアンドープＡｌＧａＮ層４からなる電子供給層のバンドギャップエネルギーよりも小さい。そして、アンドープＧａＮは二元結晶であるが、アンドープＡｌＧａＮはＡｌＮとＧａＮの混晶になっている。そのため、電子走行層と電子供給層のヘテロ接合界面においては、結晶歪みに基づくピエゾ圧電効果でピエゾ電界が発生し、両者の接合界面の直下に２次元電子ガス層６が形成される。

この高電子移動度トランジスタにおいて、電子供給層は電子走行層へ電子を供給する層として機能する。そして、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄを作動すると、電子走行層に供給された電子は２次元電子ガス層６中で高速移動して走行する。このとき、ゲート電極Ｇに電圧を加えて、当該ゲート電極Ｇの直下に所望の厚さの空乏層を発生させることにより、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ間を走行する電子の制御を行なっている。

既に説明したように、電子走行層と電子供給層のヘテロ接合構造の接合界面の電子走行層側においては、ピエゾ電界の作用により常時２次元電子ガス層６が形成される。２次元電子ガスの存在のため、チャネル層のキャリアの移動度を高くすることができるので、かかる高電子移動度トランジスタの相互コンダクタンスｇ_mを高くすることができる。しかしながら、ゲート電極Ｇ直下において、２次元電子ガスはゲート電極Ｇに電圧を加えない状態では常時発生している。そのため、このヘテロ接合構造を有する高電子移動度トランジスタは、ゲート電極Ｇに電圧を加えない状態では、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ間に電流が流れ続けるいわゆるノーマリーオンの動作をし、ゲート電極Ｇに電圧を加えない状態で、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ間に電流が流れないいわゆるノーマリーオフの動作は実現できないという問題がある。そこで、本発明が解決しようとする課題は主として高いコンダクタンスｇ_mを示しながらも、ノーマリーオフの動作をするトランジスタの実現を目的とする。

請求項１に係る発明は、ＧａＮ層、ＡｌＮ層及びＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層が順に密着して積層された積層構造と、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層に接触する電極の組み合わせからなる電子デバイスにおいて、前記ＧａＮ及びＡｌ_xＧａ_1-xＮの組成ｘが、０＜ｘ＜０．２であり、前記電極直下に相当する部分を含む部分の前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層の厚さＤ、前記ＡｌＮ層の厚さｄが０＜Ｄ≦３ｎｍ、０＜ｄ≦０．５ｎｍであることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、ＧａＮ層、ＡｌＮ層及びＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層が順に密着して積層された積層構造と、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層に接触する電極の組み合わせからなる電子デバイスにおいて、前記ＧａＮ及びＡｌ_xＧａ_1-xＮの組成ｘが、０．１５＜ｘ＜０．２であり、前記電極直下に相当する部分を含む部分の前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層の厚さＤ、前記ＡｌＮ層の厚さｄが０＜Ｄ≦３ｎｍ、０＜ｄ≦０．５ｎｍであることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の電子デバイスにおいて、前記電子デバイスは、電界効果トランジスタであり、前記電極は前記電界効果トランジスタのゲート電極であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子デバイスを用いたことを特徴とする電力変換装置。

本発明に係る電子デバイスとして電界効果トランジスタとした場合は、ノーマリーオフ動作をしながらも、高いコンダクタンスｇ_mを示し、また、オフ時のリーク電流も少ない。本発明に係る電子デバイスを電力変換装置に用いた場合は、電子デバイスのリーク電流が少ないので、変換効率を高くすることができる。また、かかる電力変換装置にはノーマリーオフの動作をする電界効果トランジスタを用いるので、電力変換装置を構成する電界効果トランジスタのオフ時にゲート電圧を加える必要がないので、ゲート電圧をコントロールする回路の構成を簡単にすることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る電子デバイスの一実施形態の断面図である。
例えばサファイア基板のような基板１の上に形成されたバッファ層２上にＧａＮ層３、ＡｌＮ層９及びＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層４が順に密着して積層された積層構造とＡｌ_xＧａ_1-xＮ層４上に接触する電極Ｇの組み合わせからなっている。

この状態では、ＧａＮ層３のバンドギャップエネルギーはＡｌ_xＧａ_1-xＮ層４のバンドギャップエネルギーよりも小さい。そのため、ＧａＮ層とＡｌ_xＧａ_1-xＮ層４のヘテロ接合界面においては、結晶歪みに基づくピエゾ圧電効果でピエゾ電界が発生し、両者の接合界面の直下に２次元電子ガス層６が形成される。

ここで、ＧａＮ層３とＡｌ_xＧａ_1-xＮ層４の間に、これらの層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きな半導体ＡｌＮからなるＡｌＮ層９が挿入されているので、ピエゾ圧電効果が一層高まる。そのため、２次元電子ガス層６の２次元電子ガスの濃度を一層高くすることができる。
そして、電極Ｇ直下に相当する部分を含む部分のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層４の厚さＤ、ＡｌＮ層９の厚さｄを置き、Ｄ，ｄが以下の条件を満たすようにする。

（Φ_Bは前記電極を構成する金属とＡｌ_xＧａ_1-xＮ層４との接合におけるショットキーバリア高さ、ΔＥ_cは、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層４とＧａＮ層３との伝導帯のバンドオフセット、Ｎ_Dは前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層４、ＧａＮ層３において活性化されたドナーの濃度、εは前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層４、ＧａＮ層３における誘電率。）

このようなＤ，ｄの条件を設定することにより、電極Ｇに電界を加えていない状態では、電極Ｇが存在する箇所の２次元電子ガス層６の２次元電子ガスが消滅し、その部分のＧａＮ層３が空乏化する。

電極に電界を加えていない状態では、電極Ｇが存在する部分のＧａＮ層３が空乏化し、かつ、ＧａＮ層３に２次元電子ガスが十分発生するという観点より、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層４のｘの範囲は０＜ｘ＜０．２が好ましい。ｘの値が大きすぎると、上記式の左辺がゼロ以上になりにくくなるためである。さらｘの範囲は、０．１５＜ｘ＜０．２がより好ましい。ｘの値が小さすぎると電極直下以外の２次元電子ガス層６の濃度が薄くなり、電子デバイスとして電界効果トランジスタとした場合のコンダクタンスｇ_mが低くなるためである。

なお、上記式及び上記ｘの範囲において、電極Ｇに電界を加えていない状態では、電極Ｇが存在する部分のＧａＮ層３が空乏化する具体的なＤ，ｄの条件は以下の通りである。
０＜Ｄ≦３ｎｍ、０＜ｄ≦０．５ｎｍ。

図１に示した電子デバイスは、ＧａＮ層３を電子走行層、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層４を電子供給層、そして、ＡｌＮ層９を中間層とする高電子移動度トランジスタを構成する半導体層とすることができる。そして、電極Ｇをゲート電極Ｇとし、電極Ｇを挟んで積層構造上にソース電極Ｓ，ドレイン電極Ｄを形成することにより、高電子移動度トランジスタとなる。また、ソース電極Ｓ、ドレイン電極Ｄはコンタクト抵抗を低くして動作時のオン抵抗を下げて大電流動作を実現させるため、電子供給層の表面のうち、これらの電極を形成する領域に例えばｎ型不純物がドーピングされて成る窒化物系化合物半導体のコンタクト層５を形成してある。

このトランジスタでは、ゲート電極Ｇに電圧を加えていない状態では、ゲート電極Ｇ下の２次元電子ガスが消失する。そのため、ゲート電極Ｇに電圧を加えていない状態ではトランジスタのソース電極Ｓ、ドレイン電極Ｄ間には電流が流れないノーマリーオフのトランジスタとなる。なお、中間層が存在しているので、電極Ｇ直下に相当する部分以外を含む部分のＧａＮ層３に存在する２次元電子ガスの濃度を高くすることができる。そのため、トランジスタのコンダクタンスｇ_mを高くすることができる。

上記トランジスタは、インバータ又はコンバータといった電力変換装置に用いることができる。

実施例１に係る電子デバイスを図１に示した。本電子デバイスは高電子移動度トランジスタであり、サファイア基板のような基板１の上に厚さ５０ｎｍのＧａＮからなるバッファ層２が形成され、厚さ４００ｎｍのＧａＮ層３からなる電子走行層、ＡｌＮ層９からなる中間層、厚さ２０ｎｍのアンドープＡｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ層４からなる電子供給層を順次積層した積層構造がバッファ層２上に形成されている。そして、ソース電極Ｓ、ゲート電極Ｇ、ドレイン電極Ｄが平面配置されている。ここで、ゲート電極Ｇは、Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ層４上に形成されている。

ここで、電子走行層と電子供給層両層のヘテロ接合界面においては、結晶歪みに基づくピエゾ圧電効果でピエゾ電界が発生し、両者の接合界面の直下に２次元電子ガス層６が形成されようとする。さらに本実施例において、ＡｌＮ層９からなる中間層が挿入されており、中間層と電子走行層の結晶歪みの差が一層大きくなるので、両者の接合界面の直下に２次元電子ガス層６の濃度が一層高くなる。

本実施例に係る高電子移動度トランジスタは、ゲート電極Ｇ直下に相当する部分を含む部分のＡｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ層４の厚さＤ、ＡｌＮ層９の厚さｄとした場合、Ｄ＝３ｎｍ、ｄ＝０．５ｎｍとなっている。

ここで、ゲート電極Ｇの金属材料はＰｔ／Ａｕなので、ＰｔとＧａＮとのショットキー接合におけるショットキーバリア高さは、Φ_B＝１．２ｅＶとなる。また、ＧａＮ層３からなる電子走行層とＡｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ層４からなる電子供給層との界面のバンドオフセットはΔＥ_C＝０．９ｅＶ（中間層は非常に薄いので、バンドオフセットに与える影響を無視する。）、電子走行層において活性化されたドナーの濃度はＮ_ｄ＝１×１０²⁰ ／ｃｍ³、そして、ゲート電極Ｇの面積は８００μｍ²なので、上記式を用いてピンチオフ電圧Ｖ_TはＶ_T＝０．1Ｖと計算される。そのため、ゲート電極Ｇに電圧を加えていない状態では、ゲート直下に相当する部分を含む部分８の電子供給層は空乏化し、２次元電子ガス層６が存在しないので、ノーマリーオフの動作をさせることができる。

図１で示した本実施例に係る高電子移動度トランジスタ（Ａ）を以下のようにして製造した。
成長装置はＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置を用い、基板はサファイア基板１を用いた。
１）まず、サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ターボポンプでＭＯＣＶＤ装置内の真空度を１×１０^-6ｈＰａ以下になるまで真空引きした後、真空度を１００ｈＰａとし基板を１１００℃に昇温した。温度が安定したところで、基板１を９００ｒｐｍで回転させ、原料となるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を１００ｃｍ³／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で基板１の表面に導入しＧａＮから成るバッファ層２の成長を行った。成長時間は４ｍｉｎでバッファ層２の膜厚は５０ｎｍ程度である。

２）その後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を１００ｃｍ³／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量でバッファ層２の上に導入してＧａＮ層３から成る電子走行層の成長を行った。成長時間は１０００ｓｅｃで、電子走行層の膜厚は４００ｎｍであった。
次に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を５０ｃｍ³／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で導入し、アンドープのＡｌＮ層９から成る中間層を成長し、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を５０ｃｍ³／ｍｉｎ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を１００ｃｍ³／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で導入し、Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ層４から成る電子供給層の成長を行った。成長時間は４０ｓｅｃで、電子供給層の膜厚は２０ｎｍである。このようにして、図２（ａ）に示した層構造Ａ₀が完成する。

３）層構造Ａ₀のエピタキシャル成長が終了した後、Ａ₀の全面にＳｉＯ₂膜１０を形成し、ゲート直下に相当する部分を含む部分８に相当するＡｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ層４にＳｉＯ₂膜１０の開口を設け、その部分のＡｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ層４を露出させる。そして、塩素系のガスを用いて、ドライエッチングを行ない、図２（ｂ）に示した層構造Ａ₁が完成する。

エッチングにより、ゲート直下に相当する部分を含む部分８のＡｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ層４の半導体層の厚さが３ｎｍとなり、ゲート直下に相当する部分を含む部分８以外の他の部分の電子供給層を構成する半導体層の厚さよりも薄くなる。これにより、ゲート直下に相当する部分を含む部分８に相当するＡｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ層４の２次元電子ガス層６が消失する。

４）エッチング終了後、ＳｉＯ₂膜１０を除去し、再び層構造Ａ₂の全面にＳｉＯ₂膜を形成し、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄが形成される領域に相当する部分のＳｉＯ₂膜を除去する。そして、ＭＯＣＶＤ法により、ＴＭＧａ（１００ｃｍ³／ｍｉｎ）、アンモニア（１２リットル／ｍｉｎ）、ｎ型不純物としてのＳｉＨ₄（１０ｃｍ³／ｍｉｎ）を用い、成長温度１０５０℃でＳｉが高濃度でドーピングされて成るｎ−ＧａＮのコンタクト層５（キャリア濃度は１×１０¹⁹ ／ｃｍ³）を形成した。コンタクト層５の膜厚は２０ｎｍ程度、キャリア濃度は１×１０¹⁹ ／ｃｍ³である。

５）そして、ＥＢ蒸着法により、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ（Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ，厚さは１００ｎｍ／１００ｎｍ／２００ｎｍ）とドレイン電極Ｄの間にゲート電極Ｇ（Ｐｔ／Ａｕ，厚さは１００ｎｍ／２００ｎｍ）を形成することにより、図１で示した高電子移動度トランジスタが得られる。なお、ソースおよびドレイン電極に、Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（２００ｎｍ）を用いてもよいし、ショットキー電極Ａに、Ｎｉ（５０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）を用いても良い。

なお、この高電子移動度トランジスタのコンダクタンスｇ_mは１００ｍＳ／ｍｍを示した。また、オフ時のリーク電流も少なく、その値は０．１μＡ／ｃｍ²であった。これは、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層４のｘの値が０．１８と０．１５＜ｘ＜０．２の範囲に収まっていたためである。

実施例１に係る高電子移動度トランジスタは電力変換装置に使用することができる。例えば図３に示したような電力変換装置１２は、インバータ用の回路に用いることができる。この場合は、高電子移動度トランジスタのソース電極Ｓ、ドレイン電極Ｄ及びショットキーダイオードのアノード電極Ａ、カソード電極Ｃを図３に示したインバータ用の回路を構成するように配線を行なう。インバータ用の回路に用いた場合では、本実施例に係るＧａＮ系半導体集積回路１は、電源からの単相の電力を負荷で消費される三相の電力に変換する電力変換装置の働きをする。

本発明に係る電子デバイスの実施の形態を示す断面図である。 本発明に係る高電子移動度トランジスタを製造中の層構造であり、（ａ）はＡ₀、（ｂ）はＡ₁の断面図である。 本発明に係る電力変換装置の回路図である。 従来技術に係る高電子移動度トランジスタを示す断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ バッファ層
３ 層
４ 層
５ コンタクト層
６ ２次元電子ガス層
７ 凹部
８ 電極直下に相当する部分を含む部分
９ ＡｌＮ層
１０ ＳｉＯ₂膜
１１ 酸化層
１２ 電力変換装置

Claims (4)

1. ＧａＮ層、ＡｌＮ層及びＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層が順に密着して積層された積層構造と、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層に接触する電極の組み合わせからなる電子デバイスにおいて、前記ＧａＮ及びＡｌ_xＧａ_1-xＮの組成ｘが、０＜ｘ＜０．２であり、前記電極直下に相当する部分を含む部分の前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層の厚さＤ、前記ＡｌＮ層の厚さｄが０＜Ｄ≦３ｎｍ、０＜ｄ≦０．５ｎｍであることを特徴とする電子デバイス。
2. ＧａＮ層、ＡｌＮ層及びＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層が順に密着して積層された積層構造と、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層に接触する電極の組み合わせからなる電子デバイスにおいて、前記ＧａＮ及びＡｌ_xＧａ_1-xＮの組成ｘが、 ０．１５＜ｘ＜０．２であり、前記電極直下に相当する部分を含む部分の前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層の厚さＤ、前記ＡｌＮ層の厚さｄが０＜Ｄ≦３ｎｍ、０＜ｄ≦０．５ｎｍであることを特徴とする電子デバイス。
3. 前記電子デバイスは、電界効果トランジスタであり、前記電極は前記電界効果トランジスタのゲート電極であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電子デバイス。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子デバイスを用いたことを特徴とする電力変換装置。
   

Images