JP2013077638A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い障壁を有し、かつ高品質のバッファ層及びチャネル層を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】基板１０と、基板１０上に設けられ、ＡｌＮからなる下地層１２と、下地層１２上に設けられ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなるバッファ層１４と、バッファ層１４上に設けられ、厚さが１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下のＧａＮからなるチャネル層１６と、チャネル層１６上に設けられ、ＡｌＧａＮからなる電子供給層２０と、電子供給層２０上に設けられたソース電極２６、ドレイン電極２８及びゲート電極３０と、を具備し、バッファ層１４のＡｌの組成ｘは、下地層１２側の領域において０．３≦ｘ≦０．５であり、チャネル層１６側の領域において０．９≦ｘ≦１．０である。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置に関する。

窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）は、高周波用出力増幅用素子として用いられる。ＨＥＭＴでは、チャネル層と電子供給層との界面に生じる二次元電子ガス（２ＤＥＧ）をキャリアとして利用する。２ＤＥＧの電子を閉じ込めるため、高い障壁を有するバッファ層を形成することがある。特許文献１には、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層のアルミニウム（Ａｌ）の組成を０．３以上０．６以下とする発明が開示されている。

特開２００８−１６６３４９号公報

しかし、ＡｌＧａＮ等をバッファ層として用いた場合、高い障壁と、バッファ層及びチャネル層の結晶性とがトレードオフの関係になることがある。本発明は、上記課題に鑑み、高い障壁を有し、かつ高品質のバッファ層及びチャネル層を有する半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、基板と、前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなる下地層と、前記下地層上に設けられ、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）からなるバッファ層と、前記バッファ層上に設けられ、厚さが１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の窒化ガリウムからなるチャネル層と、前記チャネル層上に設けられ、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ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、前記バッファ層のアルミニウムの組成ｘは、前記下地層側の領域において０．３≦ｘ≦０．５であり、前記チャネル層側の領域において０．９≦ｘ≦１．０である半導体装置である。本発明によれば、高い障壁を有し、かつ高品質のバッファ層及びチャネル層を有する半導体装置を提供することができる。

上記構成において、前記バッファ層のアルミニウムの組成ｘは、前記下地層側の領域から前記チャネル層側の領域に向けて連続的、又は段階的に大きくな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、又は窒化インジウムアルミニウムからなる構成とすることができる。

上記構成において、前記基板は、シリコン又は炭化シリコンからなる構成とすることができる。

本発明によれば、高い障壁を有し、かつ高品質のバッファ層及びチャネル層を有する半導体装置を提供することができる。

図１（ａ）は、実施例１に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。図１（ｂ）は、実施例１におけるアルミニウムの組成を示すグラフである。 図２は、実施例１に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。 図３は、実施例１の変形例におけるアルミニウムの組成を示すグラフである。

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ＨＥＭＴを例示する断面図である。

図１（ａ）に示すように、実施例１に係るＨＥＭＴ１００（半導体装置）において、基板１０上に下地層１２が設けられている。下地層１２上にバッファ層１４が設けられている。バッファ層１４上にチャネル層１６が設けられている。チャネル層１６上にスペーサ層１８が設けられている。スペーサ層１８上に電子供給層２０が設けられている。電子供給層２０上にキャップ層２２が設けられている。キャップ層２２にはリセス２１が形成され、リセス２１から露出した電子供給層２０上にソース電極２６及びドレイン電極２８が設けられている。キャップ層２２上に保護層２４が設けられている。保護層２４の開口部から露出したキャップ層２２上にゲート電極３０が設けられている。下地層１２は基板１０の上面に接触し、バッファ層１４は下地層１２の上面に接触している。チャネル層１６はバッファ層１４の上面に接触し、スペーサ層１８はチャネル層１６の上面に接触している。電子供給層２０はスペーサ層１８の上面に接触し、キャップ層２２は電子供給層２０の上面に接触している。ソース電極２６及びドレイン電極２８は電子供給層２０の上面に接触し、ゲート電極３０はキャップ層２２の上面に接触している。またソース電極２６及びドレイン電極２８は、電子供給層２０の上面に接触している以外に、ゲート電極３０と同様にキャップ層２２の上面に接触していてもよい。

基板１０は例えば厚さ５０〜２００μｍの炭化シリコン（ＳｉＣ）からなる。下地層１２は例えば厚さ１０ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。下地層１２はエピタキシャル成長されたものではなく、例えばアモルファス状の結晶構造を有する。バッファ層１４は例えば厚さ７００ｎｍの窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、０≦ｘ≦１）からなる。Ａｌの組成ｘについては後述する。チャネル層１６は例えば厚さ１００ｎｍ〜３００ｎｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる。スペーサ層１８は例えば厚さ３ｎｍのＡｌＧａＮからなる。電子供給層２０は例えば厚さ２０ｎｍのＡｌＧａＮからなる。キャップ層２２は例えば厚さ５ｎｍのＧａＮからなる。バッファ層１４、チャネル層１６、スペーサ層１８、電子供給層２０及びキャップ層２２はエピタキシャル成長されたものであり、単結晶からなる。保護層２４は例えば窒化シリコン等の絶縁体からなる。ソース電極２６及びドレイン電極２８は、電子供給層２０に近い方からチタン層及びアルミニウム層（Ｔｉ／Ａｌ）を積層したオーミック電極である。ゲート電極３０は、キャップ層２２に近い方から例えばニッケル層及び金層（Ｎｉ／Ａｕ）を積層した電極である。次にバッファ層１４のＡｌの組成について説明する。

図１（ｂ）は、実施例１におけるアルミニウムの組成を示すグラフである。横軸は電子供給層２０の上面からの深さを表し、左端は電子供給層２０の上面、右端はバッファ層１４と下地層１２との界面を表す。縦軸はＡｌ組成ｘを表す。ＨＥＭＴ１００の各部位に対応する領域は図１（ａ）と同じ符号で示す。図１（ｂ）に示すように、バッファ層１４のＡｌ組成ｘは下地層１２とチャネル層１６との間において連続的に変化し、下地層１２側の領域からチャネル層１６側の領域に向けて大きくなる。Ａｌ組成ｘは、バッファ層１４のチャネル層１６側の領域において１であり、基板１０側の領域において０．３以上０．５以下である。なおスペーサ層１８及び電子供給層２０のＡｌ組成は例えば０．２５である。

図２は、実施例１に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。横軸は深さを表し、縦軸はエネルギーを表す。点線で示したＥｆはフェルミエネルギーを表す。実線で示したＥｃはコンダクションバンドのエネルギーを表す。格子斜線の領域は２ＤＥＧを表す。ＨＥＭＴ１００の各部位に対応する領域は、破線で区切り、図１（ａ）と同じ符号で示す。

図２に示すように、バッファ層１４におけるエネルギーＥｃは下地層１２側からチャネル層１６側に向けて高くなる。チャネル層１６付近におけるＡｌ組成は１であるため、バッファ層１４とチャネル層１６との間には高い障壁が形成される。高い障壁を形成するためには、Ａｌ組成ｘは０．９以上（０．９≦ｘ≦１．０）が好ましく、更に好ましくは０．９５以上である。このため、２ＤＥＧの電子が障壁を越えることは困難であり、バッファ層１４のトラップへの電子の捕獲が抑制される。２ＤＥＧ付近のエネルギーＥｃの上昇、及び２ＤＥＧの電子濃度の低下が抑制される。この結果、ドレイン電流の減少も抑制される。

バッファ層１４がバリアとして有効に機能するためには、バッファ層１４の下面付近においてもＡｌ組成が高いことが好ましい。このため下面付近のＡｌ組成は０．３以上が好ましい。しかし、Ａｌ組成が高い場合、バッファ層１４の平坦性が悪化し、バッファ層１４及びチャネル層１６の結晶性が悪化する。下地層１２上に高品質なバッファ層１４及びチャネル層１６を得るためには、バッファ層１４の下面付近のＡｌ組成は０．５以下が好ましい。これによりＨＥＭＴ１００の特性が改善する。このように下地層１２側の領域におけるＡｌ組成ｘは０．３以上０．５以下（０．３≦ｘ≦０．５）が好ましく、また０．３５以上０．４８以下、０．４以上０．４５以下としてもよいし、０．３より大きく０．５未満としてもよい。

チャネル層１６が厚い場合、ＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整合に起因した欠陥がチャネル層１６に発生する。またチャネル層１６が薄い場合、ソース電極２６及びドレイン電極２８形成時にオーミック電極の金属がバッファ層１４まで到達する。この結果、バッファ層１４にも電流が流れ、ＨＥＭＴの特性が劣化する。チャネル層１６の欠陥を抑制し、かつ金属の侵入を抑制するためには、チャネル層１６の厚さは１００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下が好ましい。またチャネル層１６の厚さを１２０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下、１５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下等としてもよいし、１００ｎｍより大きく３００ｎｍ未満としてもよい。次に実施例１の変形例について説明する。

図３は、実施例１の変形例におけるアルミニウムの組成を示すグラフである。図３に示すように、バッファ層１４はＡｌ組成ｘが異なる５つの領域に分かれており、Ａｌ組成ｘが段階的に変化する。バッファ層１４とチャネル層１６との間に高い障壁が形成されることは実施例１と同様である。バッファ層１４は４つ以下の領域、又は６つ以上の領域に分かれていてもよい。

電極は単層、又は三層以上の構造でもよいし、上記の材料以外の金属により形成してもよい。基板１０はＳｉＣ以外に例えばシリコン（Ｓｉ）、サファイア等の絶縁体、又はｎ−ＧａＮ等の半導体からなるとしてもよい。基板１０が絶縁基板である場合、バッファ層１４を形成するＡｌＧａＮと絶縁体との格子不整合が生じるため、基板１０上に下地層１２を設けることが好ましい。例えば、基板１０がＧａＮからなる半導体基板である場合、下地層１２は設けなくてもよい。スペーサ層１８、電子供給層２０及びキャップ層２２は、実施例１に示したもの以外の窒化物半導体からなるとしてもよい。窒化物半導体とは、窒素（Ｎ）を含む半導体であり、例えば窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、及び窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）等がある。電子供給層２０は、窒化物半導体のうち、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等からなるとしてもよい。スペーサ層１８及びキャップ層２２は設けなくてもよい。チャネル層１６とスペーサ層１８との間、スペーサ層１８と電子供給層２０との間、電子供給層２０とキャップ層２２との間には別の層が設けられていてもよい。なお図２においては、スペーサ層１８のＡｌ組成が電子供給層２０のＡｌ組成より高い例を示している。図１（ｂ）及び図２に示すように、スペーサ層１８及び電子供給層２０のＡｌ組成は任意に選択でき、両方の層におけるＡｌ組成は同じでもよいし異なってもよい。

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。

１０ 基板
１２ 下地層
１４ バッファ層
１６ チャネル層
１８ スペーサ層
２０ 電子供給層
２２ キャップ層
２４ 保護層
２６ ソース電極
２８ ドレイン電極
３０ ゲート電極
１００ ＨＥＭＴ

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなる下地層と、
   前記下地層上に設けられ、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）からなるバッファ層と、
   前記バッファ層上に設けられ、厚さが１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の窒化ガリウムからなるチャネル層と、
   前記チャネル層上に設けられ、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ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、
   前記バッファ層のアルミニウムの組成ｘは、前記下地層側の領域において０．３≦ｘ≦０．５であり、前記チャネル層側の領域において０．９≦ｘ≦１．０であることを特徴とする半導体装置。
2. 前記バッファ層のアルミニウムの組成ｘは、前記下地層側の領域から前記チャネル層側の領域に向けて連続的、又は段階的に大きくなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記電子供給層は窒化アルミニウムガリウム、又は窒化インジウムアルミニウムから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。
4. 前記基板は、シリコン又は炭化シリコンから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。

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