JP2008198691A

JP2008198691A - 窒化物半導体装置

Info

Publication number: JP2008198691A
Application number: JP2007030059A
Authority: JP
Inventors: Eiji Waki; 英司脇; Atsushi Nakagawa; 敦中川; Tadayoshi Deguchi; 忠義出口; Takashi Egawa; 孝志江川
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd; Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd; Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2008-08-28

Abstract

【課題】電流コラプスを抑制することができる窒化物半導体装置を提供する。
【解決手段】サファイア基板１１上に、バッファ層（ＧａＮ）１２、チャネル層（ＧａＮ）１３、キャリア供給層（ｎ−ＡｌＧａＮ）１４、ショットキ層（ＡｌＧａＮ）１５を順次積層し、そのショットキ層１５の上に、キャップ層（ＧａＮ）１６を積層する。キャップ層１６は、（００４）面におけるＸ線回折ロッキングカーブの半値幅が４０００秒〜１２０００秒の角度範囲内に含まれる多結晶構造とする。このキャップ層１６により、当該キャップ層１６の表面準位にトラップされる電子若しくは表面準位密度を低減させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、能動層にIII−Ｖ族窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置に係り、特に高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor)や電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor)等に用いられその表面に保護膜を備えた窒化物半導体装置に関するものである。

図６は、III−Ｖ族窒化物半導体を用いた従来の窒化物半導体装置の断面図を示している。図６に示す窒化物半導体装置は、いわゆるＨＥＭＴ構造を示しており、サファイア基板からなる基板２１上に、ノンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層２２、ノンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層２３、ｎ型の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層２４、ノンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるショットキ層２５が、順次積層した構造となっており、チャネル層２３とキャリア供給層２４との間のへテロ接合界面近傍に、ポテンシャル井戸からなる電子移動度が極めて大きな２次元電子ガス層が形成される。このような構造の窒化物半導体装置では、ショットキ層２５にショットキ接触するゲート電極２７（制御電極）に印加する電圧を制御することにより、ソース電極２８とドレイン電極２９との間を流れるキャリア（２次元電子ガス）を制御できる。

この種の窒化物半導体装置は、上記構造の他、例えば特許文献１に開示されているような様々な構造が提案されている。
特開平１０−３３５６３７号公報

しかしながら、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層や窒化ガリウム（ＧａＮ）層などの窒化物半導体層上にゲート電極を形成した半導体装置においては、当該の窒化物半導体層の表面準位にトラップされた電子により、表面のポテンシャルが揺らぐことにより、高いドレイン電圧での準静的動作時（ＲＦ信号やパルス信号等の小信号での線型動作時）に、ドレイン電流が減少する現象（以下、電流コラプスという）が生じるという問題があった。

本発明の目的は、表面保護膜を備えることにより、電流コラプスを抑制できるようにした窒化物半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明の窒化物半導体装置は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素、およびインジウムからなる群の内の少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン、および砒素からなる群の内の少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に積層したアルミニウムを含まない前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極とを備え、前記第２の窒化物半導体層は、（００４）面におけるＸ線回折ロッキングカーブの半値幅が４０００秒〜１２０００秒の角度範囲に含まれる多結晶構造であることを特徴とする。
請求項２に係る発明の窒化物半導体装置は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素、およびインジウムからなる群の内の少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン、および砒素からなる群の内の少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に積層したアルミニウムを含まない前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層に形成された凹部から前記第１の窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極とを備え、前記第２の窒化物半導体層は、（００４）面におけるＸ線回折ロッキングカーブの半値幅が４０００秒〜１２０００秒の角度範囲に含まれる多結晶構造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２に記載の窒化物半導体装置において、前記第２の窒化物半導体層にオーミック接触するソース電極およびドレイン電極を、前記制御電極を挟むように配置したことを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置によれば、Ｘ線回折で得られるロッキングカーブの半値幅で規定（４０００秒〜１２０００秒の角度範囲）された多結晶構造の第２の窒化物半導体層を表面保護膜とすることで、当該表面保護膜の表面準位にトラップされる電子若しくは表面準位密度を低減させることができ、高いドレイン電圧での準静的動作時であっても、電流コラプス現象が抑制され、高周波特性が改善される。
また、本発明の窒化物半導体装置によれば、通常の窒化物半導体装置の製造工程における通常の成膜条件（成膜温度、Ｖ／III比、成長速度等）の制御により、前記多結晶構造の第２の窒化物半導体層を形成することができるため、製造工程の制御性が良く、特性の優れた窒化物半導体装置を歩留まり良く製造することができる。

以下、本発明の窒化物半導体装置について、III−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴを例にとり、詳細に説明する。

＜第１の実施例＞
図１は本発明の第１の実施例のIII−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴの断面図を示している。本実施例の窒化物半導体装置は、図１に示すように、サファイアからなる基板１１上に、厚さ３０ｎｍ程度のノンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１２、後述するキャリア供給層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持ち厚さ２μｍのノンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、当該チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する厚さ１５ｎｍのｎ型の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１４、厚さ３ｎｍのノンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるショットキ層１５、表面保護膜となる厚さ１０ｎｍのノンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるキャップ層１６を、順次積層形成している。

バッファ層１２、チャネル層１３、キャリア供給層１４およびショットキ層１５は、請求項の第１の窒化物半導体層を構成し、キャップ層１６は請求項の第２の窒化物半導体層を構成する。

キャップ層１６上のゲート電極形成予定領域には、ニッケル（Ｎｉ）を下地層とするニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体からなるゲート電極１７が形成され、キャップ層１６との間にショットキ接触が形成されている。また、キャップ層１６上のソース電極およびドレイン電極形成予定領域には、チタン（Ｔｉ）を下地層とするチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）の積層体からなるソース電極１８およびドレイン電極１９が形成され、それぞれ、キャップ層１６との間にはオーミック接触が形成されている。このオーミック接触は、非常に低抵抗接触が実現されている。

表面保護膜となるキャップ層１６は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法、ＭＢＥ（電子線エピタキシャル）法等を用いて、成長温度、成長速度、Ｖ／III比などの成膜条件を調整することにより、その結晶性（結晶構造）を調整することができる。

図１で説明したショットキー層１５上に形成すべきキャップ層１６は、その厚みが１０ｎｍ程度の薄膜であるので直接評価することが困難なため、ここでは、サファイア基板のＣ面に、１μｍの厚膜を、上記した各種成膜条件で成膜して、その結晶性を評価する。

図２に、ＭＯＣＶＤ法でサファイア基板のＣ面（六方晶体のｃ軸に垂直な面）に１μｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）を各種成膜条件で成膜したときの（００４）面のＸ線回折でのロッキングカーブを示す。図２の縦軸はＸ線回折強度、横軸はＸ線の入射角度である。ロッキングカーブは、入射Ｘ線の方向と検出器とを固定し、厚膜を形成したサファイア基板のみを回転して測定したものであり、得られた特性カーブのピーク幅が、面方位の揺らぎの度合い（モザイク度）に比例する。つまり、ピーク幅が大きいほど、結晶性が悪いことを示す。

そこで、このピーク幅を半値幅（ＦＷＨＭ：ピーク値の半値の角度幅）で表す。図２において、特性Ａの厚膜は半値幅が６００秒、特性Ｂの厚膜は２１００秒、特性Ｃの厚膜は４０００秒、特性Ｄの厚膜は１２０００秒、特性Ｅの厚膜は１２０００秒以上である。特性Ａの厚膜は単結晶となるが、特性Ｂ〜Ｄの厚膜は多結晶、特性Ｅの厚膜は非晶質（アモルファス）となる。

図３Ａ、図３Ｂに、図１に示した構造の窒化物半導体装置であるＨＥＭＴのＤＣ測定およびパルス測定によるドレイン電流−電圧特性を示す。パルス測定では、パルス幅１０ｍｓ、パルス周期１００ｍｓ、Duty１０％のパルスを印加した。なお、ここでは、複数のゲート電圧について記載した。

この図３Ａ、図３Ｂは、図１の窒化半導体装置の窒化ガリウム（ＧａＮ）のキャップ層１６を、図２における特性採取時と同じ成膜条件でショットキー層１５上に成膜した複数の半値幅（ＦＷＨＭ）のものについて実験したものであり、その半値幅は、６００秒、２１００秒、４０００秒、１２０００秒である。キャップ層１６の半値幅が６００秒および２１００秒の場合の(a)、(b)では、ドレイン電流がＤＣ測定時に比べてパルス測定で減少しており、電流コラプスにより特性が劣化していることがわかる。これに対し、半値幅が４０００秒および１２０００秒の場合の(c)、(d)では、ＤＣ測定とパルス測定でのドレイン電流はほぼ同じ特性を示しており、電流コラプスが抑制されていることがわかる。

図３Ａ、図３Ｂのドレイン電流−電圧特性において、ドレイン電圧１０Ｖにおける最大ドレイン電流のパルス測定とＤＣ測定の電流比と半値幅との相関を図４に示す。半値幅が４０００秒以上、１２０００秒以下の角度範囲を満足する成膜条件でキャップ層１６を形成した場合には、９５％以上の電流が保持されており、この半値幅を満足するキャップ層１６を使用することにより、電流コラプスを抑制する効果が非常に大きくなることがわかる。

以上から、図１のキャップ層１６としては、半値幅が４０００秒以上、１２０００秒以下の角度範囲内に含まれる特性カーブを呈する多結晶構造からなる薄膜を、III−Ｖ族窒化物膜となる成膜条件で１０ｎｍ程度の膜厚で成膜することが望ましい。調整可能な成長条件としては、成長温度、Ｖ／III比、成長速度等がある。成長温度の場合は、他の膜（１３〜１５）の成膜時の温度（単結晶を形成させる温度である１０００℃程度前後）よりも低く、例えば、成長温度を６００℃、５５０℃、５００℃と下げていくことにより、半値幅は、２１００秒、４０００秒、１２０００秒と大きくなる。なお、Ｖ／III比を下げる、あるいは成長速度を高くすることでも、半値幅を大きくすることができる。

＜第２実施例＞
図５は本発明の第２の実施例のIII−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴの断面函を示している。この窒化物半導体装置は、図５に示すように、サファイアからなる基板１１上に、厚さ３０ｎｍ程度のノンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１２、後述するキャリア供給層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持ち厚さ２μｍのノンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、当該チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する厚さ１５ｎｍのｎ型の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１４、厚さ３ｎｍのノンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるショットキ層１５、厚さ１０ｎｍの表面保護膜となるノンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるキャップ層１６を、順次積層形成している。

本実施例では、キャップ層１６のゲート電極形成領域をエッチング除去して凹部を形成し、その凹部において表面に露出したショットキ層１５上に、チタン（Ｔｉ）を下地層とするチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の積層体あるいはニッケル（Ｎｉ）を下地層とするニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１７Ａを形成し、ショットキ層１５との間にショットキ接触を形成している。キャップ層１６上には、そのキャップ層１６に対してオーミック接触するチタン（Ｔｉ）を下地層とするチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）からなるソース電極１８Ａ、ドレイン電極１９Ａを形成している。

表面保護膜としてのキャップ層１６は、第１の実施例と同様に、（００４）面のＸ線回折でのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が４０００秒以上、１２０００秒以下の角度範囲内に含まれる多結晶構造のIII−Ｖ族窒化物半導体層となる成膜条件で１０ｎｍ程度の膜厚で成膜されている。本実施例で示したIII−Ｖ族窒化物半導体装置においても、第１の実施例と同様に電流コラブスを抑制することができる。

＜その他の実施例＞
なお、以上説明した第１および第２の実施例において、窒化ガリウム（ＧａＮ）のキャップ層１６をノンドープとしたが、結晶性を制御するために、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、炭素（Ｃ）等を添加してもよい。また、III−Ｖ族窒化物半導体のIII族元素としては、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、硼素（Ｂ）、インジウム（Ｉｎ）からなる群の内の少なくとも１つを含むものを使用することができ、Ｖ族元素としては、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）からなる群の内の少なくとも窒素を含む１以上の元素を使用する。キャップ層１６にはアルミニウムは含ませない。

また、ＨＥＭＴ構造の窒化物半導体層の代わりに、不純物が添加された窒化物半導体層を能動層（チャネル層）とし、その上に上述のキャップ層が形成された構造のＦＥＴ構造とすることもできる。

本発明の第１の実施例の窒化物半導体装置の断面図である。ＧａＮ（００４）面におけるＸ線回折ロッキングカーブを示す特性図である。 (a)、(b)は第１の実施例においてキャップ層の半値幅を異ならせたときのドレイン電流−電圧特性を示す特性図である。 (c)、(d)は第１の実施例においてキャップ層の半値幅を異ならせたときのドレイン電流−電圧特性を示す特性図である。図３Ａ，Ｂにおける半値幅に対するドレイン電流比の特性図である。本発明の第２の実施例の窒化物半導体装置の断面図である。従来の窒化物半導体装置の断面図である。

符号の説明

１１：サファイア基板、１２：バッファ層、１３：チャネル層、１４：キャリア供給層、１５：ショットキ層、１６：キャップ層、１７，１７Ａ：ゲート電極、１８，１８Ａ：ソース電極、１９，１９Ａ：ドレイン電極
２１：サファイア基板、２２：バッファ層、２３：チャネル層、２４：キャリア供給層、２５：ショットキ層、２７：ゲート電極、２８：ソース電極、２９：ドレイン電極

Claims

ガリウム、アルミニウム、ホウ素、およびインジウムからなる群の内の少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン、および砒素からなる群の内の少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、
基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に積層したアルミニウムを含まない前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極とを備え、
前記第２の窒化物半導体層は、（００４）面におけるＸ線回折ロッキングカーブの半値幅が４０００秒〜１２０００秒の角度範囲に含まれる多結晶構造であることを特徴とする窒化物半導体装置。
ガリウム、アルミニウム、ホウ素、およびインジウムからなる群の内の少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン、および砒素からなる群の内の少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、
基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に積層したアルミニウムを含まない前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層に形成された凹部から前記第１の窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極とを備え、
前記第２の窒化物半導体層は、（００４）面におけるＸ線回折ロッキングカーブの半値幅が４０００秒〜１２０００秒の角度範囲に含まれる多結晶構造であることを特徴とする窒化物半導体装置。
請求項１又は２に記載の窒化物半導体装置において、
前記第２の窒化物半導体層にオーミック接触するソース電極およびドレイン電極を、前記制御電極を挟むように配置したことを特徴とする窒化物半導体装置。