JP2012028706A

JP2012028706A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2012028706A
Application number: JP2010168643A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kouchi; 剛志河内
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2012-02-09

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。

窒化物半導体を用いた半導体装置、例えばＦＥＴ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：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。

特開２００５−２８６１３５号公報

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。

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。

上記構成において、前記キャップ層は、１×１０^１０ｃｍ^−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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図１は電流コラプスが発生した半導体装置を例示する模式図である。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。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。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。図５は実施例５に係る半導体装置を例示する断面図である。

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。

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。

次に図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

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。

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−Ａｌ_ｘＧａ_１−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１×１０^１０ｃｍ^−３以下のＦｅがドープされている。

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。

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（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：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：Ｈ_２又はＮ_２、もしくはＨ_２及びＮ_２
Ａｌの材料：ＴＭＡ（ＴｒｉＭｅｔｈｙｌＡｌｍｉｎｕｍ：トリメチルアルミニウム）
Ｎの材料：ＮＨ_３（アンモニア）
Ｇａの材料：ＴＭＧ（ＴｒｉＭｅｔｈｙｌＧａｌｌｉｕｍ：トリメチルガリウム）
Ｆｅドーパント：Ｃ_１０Ｈ_１０Ｆｅ（フェロセン）
ｎ型ドーパント：ＳｉＨ_４（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ＮＨ_３とともに、Ｃ_１０Ｈ_１０Ｆｅ及びＳｉＨ_４も炉内に供給し、Ｆｅのドーピングを行う。

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、１×１０^１０ｃｍ^−３以下が好ましい。さらに好ましくは、ドープ量を１×１０^８ｃｍ^−３以下、さらに１×１０^７ｃｍ^−３以下としてもよい。

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。

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。

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。

図３に示すように、電子供給層１６は、例えば厚さ２０ｎｍのｉ−Ａｌ_ｘＧａ_１−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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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、を具備することを特徴とする半導体装置。
前記キャップ層は、１×１０^１０ｃｍ^−３以下の濃度の前記Ｆｅを含有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
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、大きくなることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
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。
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。
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。
前記バリア層は、ＧａＮ又はＡｌＮからなることを特徴とする請求項５又は６記載の半導体装置。
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。