JP2013074280A - 化合物半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の極性を有する電子走行層2bと、電子走行層2bの上方に形成された第2の極性を有するp型キャップ層2eと、p型キャップ層2e上に形成された第1の極性を有するn型キャップ層2fとを有しており、n型キャップ層2fは、厚みの異なる部位2fa,2fbを有する。
【選択図】図3
Description
ノーマリオフ動作のGaN・HEMTを実現するための手法の一つとして、p型GaN層を電子供給層上に形成し、バンド変調効果により2DEGの濃度を制御する手法が提案されている。
その一方で、RF分野ではGaN−HEMTは既に実用化されており、イオン打ち込み技術等の製造技術が成熟し、Siのデバイス構造を使用できるのを待つことなく、上記の問題を解決する半導体市場からの強い要請がある。
なお、以下の図面において、図示の便宜上、相対的に正確な大きさ及び厚みに示していない構成部材がある。
本実施形態では、化合物半導体装置としてAlGaN/GaN・HEMTを開示する。
図1〜図3は、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
Si基板1上に、バッファ層2a、電子走行層2b、中間層2c、電子供給層2d、p型キャップ層2e、及びn型キャップ層2fとなる各化合物半導体を順次成長する。バッファ層2aは、Si基板1上に、AlNを0.1μm程度の厚みに成長することで形成される。電子走行層2bは、i(インテンショナリ・アンドープ)−GaNを1μm程度〜3μm程度の厚みに成長することで形成される。中間層2cは、i−AlGaNを5nm程度の厚みに成長することで形成される。電子供給層2dは、n−AlGaNを30nm程度の厚みに成長することで形成される。中間層2cは形成しない場合もある。電子供給層は、i−AlGaNを形成するようにしても良い。
n型キャップ層2fは、p型キャップ層2eとの関係で、n−GaNを例えば5nm程度〜500nm程度、ここでは100nm程度の厚みに成長することで形成される。
詳細には、化合物半導体積層構造2の素子分離領域に、例えばアルゴン(Ar)を注入する。これにより、化合物半導体積層構造2及びSi基板1の表層部分に素子分離構造3が形成される。素子分離構造3により、化合物半導体積層構造2上で活性領域が画定される。
なお、素子分離は、上記の注入法の代わりに、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法等既知の他の方法を用いて行っても良い。このとき、化合物半導体積層構造2のドライエッチングには、例えば塩素系のエッチングガスを用いる。
詳細には、先ず、図1(c)に示すように、n型キャップ層2f上にレジストを塗布し、リソグラフィーにより加工する。これにより、n型キャップ層2fの表面のゲート電極の形成予定位置を露出させる開口10Aaを有するレジストマスク10Aが形成される。
レジストマスク10Aは、アッシング処理又は所定の薬液を用いたウェット処理により、除去される。
詳細には、先ず、化合物半導体積層構造2の表面におけるソース電極及びドレイン電極の形成予定位置(電極形成予定位置)に電極用リセス2A,2Bを形成する。
化合物半導体積層構造2の表面にレジストを塗布する。レジストをリソグラフィーにより加工し、レジストに、電極形成予定位置に相当する化合物半導体積層構造2の表面を露出する開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
レジストマスクは、アッシング処理又は所定の薬液を用いたウェット処理により除去される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばTa/Alを、例えば蒸着法により、電極用リセス2A,2Bを露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Taの厚みは20nm程度、Alの厚みは200nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したTa/Alを除去する。その後、Si基板1を、例えば窒素雰囲気中において400℃〜1000℃の温度、例えば600℃程度で熱処理し、残存したTa/Alを電子供給層2dとオーミックコンタクトさせる。Ta/Alの電子供給層2dとのオーミックコンタクトが得られるのであれば、熱処理が不要な場合もある。以上により、電極用リセス2A,2Bを電極材料の一部で埋め込むソース電極4及びドレイン電極5が形成される。
詳細には、先ず、ゲート電極及びフィールドプレート電極を形成するためのレジストマスクを形成する。ここでは、蒸着法及びリフトオフ法に適した例えば庇構造2層レジストを用いる。このレジストを化合物半導体積層構造2上に塗布し、開口2fa及び薄化部分2fbを露出させる各開口を形成する。以上により、当該各開口を有するレジストマスクが形成される。
図4の破線I−I'に沿った断面が図3(c)に相当する。このように、ソース電極4とドレイン電極5とが櫛歯状に互いに平行に形成されており、ソース電極4とドレイン電極5との間に櫛歯状のゲート電極6がこれらと平行に配されている。
このディスクリートパッケージでは、本実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTのチップが搭載される。以下、本実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTのチップ(以下、HEMTチップと言う)のディスクリートパッケージについて例示する。
HEMTチップ100では、その表面に、上述したAlGaN/GaN・HEMTのトランジスタ領域101と、ドレイン電極が接続されたドレインパッド102と、ゲート電極が接続されたゲートパッド103と、ソース電極が接続されたソースパッド104とが設けられている。
ディスクリートパッケージを作製するには、先ず、HEMTチップ100を、ハンダ等のダイアタッチ剤111を用いてリードフレーム112に固定する。リードフレーム112にはドレインリード112aが一体形成されており、ゲートリード112b及びソースリード112cがリードフレーム112と別体として離間して配置される。
その後、モールド樹脂114を用いて、トランスファーモールド法によりHEMTチップ100を樹脂封止し、リードフレーム112を切り離す。以上により、ディスクリートパッケージが形成される。
本実施形態では、化合物半導体装置として、AlGaN/GaNの高電子移動度ダイオード(以下、単にAlGaN/GaN・ダイオードと記す。)を開示する。
図10〜図12は、第2の実施形態によるAlGaN/GaN・ダイオードの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
化合物半導体積層構造21は、バッファ層21a、電子走行層21b、中間層(スペーサ層)21c、電子供給層21d、p型キャップ層21e、及びn型キャップ層21fを有して構成される。
SiC基板21上に、バッファ層21a、電子走行層21b、中間層21c、電子供給層21d、p型キャップ層21e、及びn型キャップ層21fとなる各化合物半導体を順次成長する。バッファ層21aは、Si基板1上に、AlNを0.1μm程度の厚みに成長することで形成される。電子走行層21bは、i−GaNを1μm程度〜3μm程度の厚みに成長することで形成される。中間層21cは、i−AlGaNを5nm程度の厚みに成長することで形成される。電子供給層21dは、n−AlGaNを30nm程度の厚みに成長することで形成される。中間層21cは形成しない場合もある。電子供給層は、i−AlGaNを形成するようにしても良い。
n型キャップ層21fは、p型キャップ層21eとの関係で、n−GaNを例えば5nm程度〜500nm程度、ここでは100nm程度の厚みに成長することで形成される。
詳細には、先ず、図10(b)に示すように、n型キャップ層2f上にレジストを塗布し、リソグラフィーにより加工する。これにより、n型キャップ層2fの表面のアノード電極の形成予定位置よりもカソード電極の形成予定位置に偏倚した所定部位を露出させる開口20Aaを有するレジストマスク20Aが形成される。
レジストマスク20Aは、アッシング処理又は所定の薬液を用いたウェット処理により、除去される。
レジストマスク20Bは、アッシング処理又は所定の薬液を用いたウェット処理により、除去される。
このレジストマスクを用いて、電子供給層21dの表面が露出するまで、n型キャップ層21f及びp型キャップ層21eの各電極形成予定位置をドライエッチングして除去する。これにより、電子供給層21dの表面の各電極形成予定位置を露出する電極用リセス21A,21Bが形成される。このとき、n型キャップ層21fは、n型キャップ層21f上に階段形状に残存する。エッチング条件としては、Ar等の不活性ガス及びCl2等の塩素系ガスをエッチングガスとして用い、例えばCl2を流量30sccm、圧力を2Pa、RF投入電力を20Wとする。なお、電極用リセス2A,2Bは、例えば電子供給層2d以降までエッチングして形成しても良い。
レジストマスクは、アッシング処理又は所定の薬液を用いたウェット処理により除去される。
詳細には、先ず、カソード電極を形成するためのレジストマスクを形成する。ここでは、蒸着法及びリフトオフ法に適した例えば庇構造2層レジストを用いる。このレジストを化合物半導体積層構造2上に塗布し、電極用リセス21Aを露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばTa/Alを、例えば蒸着法により、電極用リセス2Aを露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Taの厚みは20nm程度、Alの厚みは200nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したTa/Alを除去する。以上により、電極用リセス21Aを電極材料の一部で埋め込むカソード電極23が形成される。
詳細には、先ず、アノード電極を形成するためのレジストマスクを形成する。ここでは、蒸着法及びリフトオフ法に適した例えば庇構造2層レジストを用いる。このレジストを化合物半導体積層構造2上に塗布し、電極用リセス21Bを露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばNiを、例えば蒸着法により、電極用リセス2Bを露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Niの厚みは30nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したNiを除去する。以上により、電極用リセス21Bを電極材料の一部で埋め込むアノード電極24が形成される。
このディスクリートパッケージでは、本実施形態によるAlGaN/GaN・ダイオードのチップが搭載される。以下、本実施形態によるAlGaN/GaN・のダイオードチップ(以下、ダイオードチップと言う)のディスクリートパッケージについて例示する。
ダイオードチップ200では、その表面に、上述したAlGaN/GaN・ダイオードのダイオード領域201と、カソード電極が接続されたカソードパッド202と、アノード電極が接続されたアノードパッド203とが設けられている。
ディスクリートパッケージを作製するには、先ず、ダイオードチップ200を、ハンダ等のダイアタッチ剤211を用いてリードフレーム212に固定する。リードフレーム212と別体として、カソードリード212a及びアノードリード212bがリードフレーム212から離間して配置される。
その後、モールド樹脂214を用いて、トランスファーモールド法によりダイオードチップ200を樹脂封止し、リードフレーム212を切り離す。以上により、ディスクリートパッケージが形成される。
本実施形態では、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMT又は第2の実施形態によるAlGaN/GaN・ダイオード、或いは双方を備えたPFC(Power Factor Correction)回路を開示する。
図17は、PFC回路を示す結線図である。
本実施形態では、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMT、更には第2の実施形態によるAlGaN/GaN・ダイオードを備えた電源装置を開示する。
図18は、第4の実施形態による電源装置の概略構成を示す結線図である。
一次側回路41は、第3の実施形態によるPFC回路30と、PFC回路30のコンデンサ35の両端子間に接続されたインバータ回路、例えばフルブリッジインバータ回路40とを有している。フルブリッジインバータ回路40は、複数(ここでは4つ)のスイッチ素子44a,44b,44c,44dを備えて構成される。
二次側回路42は、複数(ここでは3つ)のスイッチ素子45a,45b,45cを備えて構成される。
本実施形態では、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTを備えた高周波増幅器を開示する。
図19は、第5の実施形態による高周波増幅器の概略構成を示す結線図である。
ディジタル・プレディストーション回路51は、入力信号の非線形歪みを補償するものである。ミキサー52aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号をミキシングするものである。パワーアンプ53は、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅するものであり、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTを有している。なお図19では、例えばスイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー52bで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路51に送出できる構成とされている。
第1の実施形態では、化合物半導体装置としてAlGaN/GaN・HEMTを例示した。化合物半導体装置としては、AlGaN/GaN・HEMT以外にも、以下のようなHEMTに適用できる。
また、第2の実施形態では、化合物半導体装置としてAlGaN/GaN・ダイオードを例示した。化合物半導体装置としては、AlGaN/GaN・ダイオード以外にも、以下のような高電子移動度ダイオードに適用できる。
本例では、化合物半導体装置として、InAlN/GaN・HEMT、InAlN/GaN・ダイオードを開示する。
InAlNとGaNは、組成によって格子定数を近くすることが可能な化合物半導体である。この場合、上記した第1及び第2の実施形態では、電子走行層がi−GaN、中間層がAlN、電子供給層がn−InAlN、p型キャップ層がp−GaN、n型キャップ層がn−GaNで形成される。また、この場合のピエゾ分極がほとんど発生しないため、2次元電子ガスは主にInAlNの自発分極により発生する。
本例では、化合物半導体装置として、InAlGaN/GaN・HEMT、InAlGaN/GaN・ダイオードを開示する。
GaNとInAlGaNは、後者の方が前者よりも組成によって格子定数を小さくすることができる化合物半導体である。この場合、上記した第1及び第2の実施形態では、電子走行層がi−GaN、中間層がi−InAlGaN、電子供給層がn−InAlGaN、p型キャップ層がp−GaN、n型キャップ層がn−GaNで形成される。
前記第1の半導体層の上方に形成された第2の極性を有する第2の化合物半導体層と、
前記第2の半導体層の上方に形成された第1の極性を有する第3の化合物半導体層と
を含み、
前記第3の化合物半導体層は、厚みの異なる部位を有することを特徴とする化合物半導体装置。
前記貫通口を埋め込むゲート電極を更に含むことを特徴とする付記1又は2に記載の化合物半導体装置。
前記第3の化合物半導体層は、一方の前記電極側が薄く、他方の前記電極側が一方の前記電極側よりも厚く形成されていることを特徴とする付記1又は2に記載の化合物半導体装置。
前記第1の半導体層の上方に、第2の極性を有する第2の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層の上方に、第2の極性を有する第3の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第3の化合物半導体層に、厚みの異なる部位を形成する工程と
を含むことを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
前記貫通口を埋め込むゲート電極を形成する工程を更に含むことを特徴とする付記7又は8に記載の化合物半導体装置の製造方法。
前記第3の化合物半導体層を、一方の前記電極側が薄く、他方の前記電極側が一方の前記電極側よりも厚く形成することを特徴とする付記7又は8に記載の化合物半導体装置の製造方法。
前記高圧回路はトランジスタ及びダイオードを有しており、
前記トランジスタ及び前記ダイオードの少なくも一方は、
第1の極性を有する第1の化合物半導体層と、
前記第1の半導体層の上方に形成された第2の極性を有する第2の化合物半導体層と、
前記第2の半導体層の上方に形成された第1の極性を有する第3の化合物半導体層と
を含み、
前記第3の化合物半導体層は、厚みの異なる部位を有することを特徴とする電源装置。
トランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
第1の極性を有する第1の化合物半導体層と、
前記第1の半導体層の上方に形成された第2の極性を有する第2の化合物半導体層と、
前記第2の半導体層の上方に形成された第1の極性を有する第3の化合物半導体層と
を含み、
前記第3の化合物半導体層は、厚みの異なる部位を有することを特徴とする高周波増幅器。
2,21 化合物半導体積層構造
2a,21a バッファ層
2b,21b 電子走行層
2c,21c 中間層
2d,21d 電子供給層
2e,21e p型キャップ層
2f,21f n型キャップ層
2fa,21fa 開口
2fb,21fb 薄化部分
2A,2B,21A,21B 電極用リセス
3 素子分離構造
4 ソース電極
5 ドレイン電極
6 ゲート電極
7 フィールドプレート電極
10A,10B,20A,20B レジストマスク
10Aa,10Ba,20Aa,20Ba 開口
23 カソード電極
24 アノード電極
30 PFC回路
31,44a,44b,44c,44d,45a,45b,45c スイッチ素子
32 ダイオード
33 チョークコイル
34,35 コンデンサ
36 ダイオードブリッジ
40 フルブリッジインバータ回路
41 一次側回路
42 二次側回路
43 トランス
51 ディジタル・プレディストーション回路
52a,52b ミキサー
53 パワーアンプ
100 HEMTチップ
101 トランジスタ領域
102 ドレインパッド
103 ゲートパッド
104 ソースパッド
111,211 ダイアタッチ剤
112,212 リードフレーム
112a ドレインリード
112b ゲートリード
112c ソースリード
113,213 Alワイヤ
114,214 モールド樹脂
200 ダイオードチップ
201 ダイオード領域
202 カソードパッド
203 アノードパッド
212a カソードリード
212b アノードリード
Claims (10)
- 第1の極性を有する第1の化合物半導体層と、
前記第1の半導体層の上方に形成された第2の極性を有する第2の化合物半導体層と、
前記第2の半導体層の上方に形成された第1の極性を有する第3の化合物半導体層と
を含み、
前記第3の化合物半導体層は、厚みの異なる部位を有することを特徴とする化合物半導体装置。 - 前記第1の極性は、負の極性であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。
- 前記第3の化合物半導体層は、貫通口が形成されており、
前記貫通口を埋め込むゲート電極を更に含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の化合物半導体装置。 - 前記第3の化合物半導体層上に形成されたフィールドプレート電極を更に含み、
前記フィールドプレート電極は、前記第3の化合物半導体層の薄い部位に形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。 - 前記第1の化合物半導体層の上方で前記第3の化合物半導体層の両側に形成された一対の電極を更に含み、
前記第3の化合物半導体層は、一方の前記電極側が薄く、他方の前記電極側が一方の前記電極側よりも厚く形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の化合物半導体装置。 - 第1の極性を有する第1の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層の上方に、第2の極性を有する第2の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層の上方に、第2の極性を有する第3の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第3の化合物半導体層に、厚みの異なる部位を形成する工程と
を含むことを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 - 前記第1の極性は、負の極性であることを特徴とする請求項6に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記第3の化合物半導体層に貫通口を形成し、
前記貫通口を埋め込むゲート電極を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項6又は7に記載の化合物半導体装置の製造方法。 - 前記第3の化合物半導体層上にフィールドプレート電極を形成する工程を更に含み、
前記フィールドプレート電極を、前記第3の化合物半導体層の薄い部位に形成することを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。 - 前記第1の化合物半導体層の上方で前記第3の化合物半導体層の両側に一対の電極を形成する工程を更に含み、
前記第3の化合物半導体層を、一方の前記電極側が薄く、他方の前記電極側が一方の前記電極側よりも厚く形成することを特徴とする請求項6又は7に記載の化合物半導体装置の製造方法。
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