JP2014130951A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高周波信号遮断時の電流変化を抑制すること。
【解決手段】本発明は、伝導帯下端のエネルギーをＥｃとし、フェルミエネルギーをＥｆとした場合のＥｃとＥｆとの差であるＥｃ−Ｅｆが、０．６７ｅＶ以上且つ１．４３ｅＶ以下である半絶縁性のＳｉＣ基板１０と、ＳｉＣ基板１０上に設けられた、厚さが５０ｎｍ以下のＡｌＮ層１２と、ＡｌＮ層１２上に設けられた、厚さが１．５μｍ以下のＧａＮ層１４と、ＧａＮ層１４上に設けられた、ＧａＮよりもバンドギャップが大きい電子供給層１６と、電子供給層１６上に設けられたゲート電極２０、ソース電極２２、及びドレイン電極２４と、を備える半導体装置である。
【選択図】図４
【解決手段】本発明は、伝導帯下端のエネルギーをＥｃとし、フェルミエネルギーをＥｆとした場合のＥｃとＥｆとの差であるＥｃ−Ｅｆが、０．６７ｅＶ以上且つ１．４３ｅＶ以下である半絶縁性のＳｉＣ基板１０と、ＳｉＣ基板１０上に設けられた、厚さが５０ｎｍ以下のＡｌＮ層１２と、ＡｌＮ層１２上に設けられた、厚さが１．５μｍ以下のＧａＮ層１４と、ＧａＮ層１４上に設けられた、ＧａＮよりもバンドギャップが大きい電子供給層１６と、電子供給層１６上に設けられたゲート電極２０、ソース電極２２、及びドレイン電極２４と、を備える半導体装置である。
【選択図】図４
Description
本発明は、半導体装置に関し、例えば半絶縁性ＳｉＣ基板上に窒化物半導体が設けられた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ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）等のＦＥＴ（Field Effect Transistor）は、携帯電話基地局用増幅器等の高周波且つ高出力で動作する増幅用素子に用いられている。一例として、半絶縁性炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる下地層、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層、及び窒化アルミニウムガリウムからなる電子供給層が順に積層された構造が挙げられる（例えば、特許文献１）。
上記した構造において、ＡｌＮ層の厚さを適正に設計すれば、高周波信号遮断時の電流変化を抑制する効果が期待できる。しかしながら、高周波信号遮断後の短い時間での電流変化に着目すると改善の余地が残されている。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高周波信号遮断時の電流変化を抑制することを目的とする。
本発明は、伝導帯下端のエネルギーをＥｃとし、フェルミエネルギーをＥｆとた場合のＥｃとＥｆとの差であるＥｃ−Ｅｆが、０．６７ｅＶ以上且つ１．４３ｅＶ以下である半絶縁性のＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板上に設けられ、厚さが５０ｎｍ以下のＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上に設けられ、厚さが１．５μｍ以下のＧａＮ層と、前記ＧａＮ層上に設けられ、ＧａＮよりもバンドギャップが大きい電子供給層と、前記電子供給層上に設けられたゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極と、を備えることを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、高周波信号遮断時の電流変化を抑制することができる。
上記構成において、前記ＳｉＣ基板は、ｎ型の導電型を有し、室温での抵抗率が１×１０８Ω・ｃｍ以上且つ１×１０２２Ω・ｃｍ以下である構成とすることができる。
本発明は、ｎ型の導電性を有し、室温での抵抗率が１×１０８Ω・ｃｍ以上且つ１×１０２２Ω・ｃｍ以下である半絶縁性のＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板上に設けられ、厚さが５０ｎｍ以下のＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上に設けられ、厚さが１．５μｍ以下のＧａＮ層と、前記ＧａＮ層上に設けられ、ＧａＮよりもバンドギャップが大きい電子供給層と、前記電子供給層上に設けられたゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極と、を備えることを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、高周波信号遮断時の電流変化を抑制することができる。
上記構成において、前記ＳｉＣ基板は、伝導帯下端のエネルギーをＥｃとし、フェルミエネルギーをＥｆとした場合のＥｃとＥｆとの差であるＥｃ−Ｅｆが、０．６７ｅＶ以上且つ１．４３ｅＶ以下である構成とすることができる。
上記構成において、前記ＧａＮ層は、遷移金属が意図的に添加されていない構成とすることができる。
上記構成において、前記ＧａＮ層は、アクセプタ不純物が意図的に添加されていない構成とすることができる。
上記構成において、前記ＳｉＣ基板に含まれるドナー不純物の濃度は、前記ＳｉＣ基板に含まれるアクセプタ不純物の濃度よりも多い構成とすることができる。
上記構成において、前記ドナー不純物は、窒素、リン、および砒素のいずれかであり、前記アクセプタ不純物はボロン、アルミニウム、およびガリウムのいずれかであ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、ＡｌＧａＮ層、ＩｎＡｌＮ層、およびＩｎＡｌＧａＮ層のいずれかである構成とすることができる。
本発明によれば、高周波信号遮断時の電流変化を抑制することができる。
まず初めに、発明者が行った実験について説明する。発明者は、ＳｉＣ基板上に、厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層、厚さ１．０μｍのＧａＮ層、厚さ２５ｎｍのＡｌＧａＮ層を順に積層し、ＡｌＧａＮ層上にゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を設けたＨＥＭＴを作製した。そして、作製したＨＥＭＴの高周波信号遮断後の電流変化を測定した。
図１（ａ）は、高周波信号遮断後の電流変化を１秒単位で測定した測定結果であり、図１（ｂ）は、０．０１秒単位で測定した測定結果である。図１（ａ）及び図１（ｂ）の横軸は時間であり、縦軸は高周波出力を遮断した後のドレイン電流を高周波動作前のドレイン電流で規格化した規格化ドレイン電流である。また、図１（ａ）及び図１（ｂ）では、ドレイン電圧が５０Ｖの場合の測定結果を示している。図１（ａ）のように、１秒単位の測定では、高周波信号遮断直後のドレイン電流は、初期値の０．６までの落ち込みに抑えられている。しかしながら、図１（ｂ）のように、時間分解能を改善して０．０１秒単位で測定した結果、高周波信号遮断直後のドレイン電流は、初期値の０．２まで落ち込んでいることが確認された。このような短時間の間の電流変化でも高周波特性（出力信号）の劣化を引き起こしてしまう。このため、ＨＥＭＴを、例えば高周波高出力増幅器として通信システムに組み込む場合には、通信障害を引き起こすことになってしまう。
高周波信号遮断後の短い時間での電流変化は以下のようなメカニズムにより起こると考えられる。図２は、ＳｉＣ基板上に、ＡｌＮ層、ＧａＮ層、及びＡｌＧａＮ層がこの順に積層されたＨＥＭＴのエネルギーバンドを示す図である。図２のように、ＡｌＮ層中には、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）の電子を捕獲する電子トラップ３０が存在する。この電子トラップ３０の量はＡｌＮ層の厚さと相関があり、ＡｌＮ層が厚くなるほど電子トラップ３０の量は多くなる。このため、ＡｌＮ層が厚くなると電子トラップ３０の量が増え、その結果、高周波信号遮断時の電流変化が大きくなると考えられる。したがって、発明者が行った実験において、ＡｌＮ層の厚さを２０ｎｍと薄くすることで、図１（ａ）のように、１秒単位での電流変化は抑えられていると考えられる。
しかしながら、図１（ｂ）のように、ＡｌＮ層の厚さを２０ｎｍと薄くした場合でも、０．０１秒単位では電流変化が大きくなっている。このような短い時間での電流変化は、２ＤＥＧからＡｌＮ層の間の領域に存在する電子トラップに起因するものと考えられる。この領域のうち、とりわけＧａＮ層のＡｌＮ層に近い領域では、ＧａＮとＡｌＮとの格子定数の差により転移欠陥が形成されやすく、それに伴い電子トラップが形成されやすい。このＧａＮ層に形成される電子トラップにより、０．０１秒単位の測定において電流変化が大きくなったものと考えられる。
以上のことから、ＡｌＮとＧａＮの格子定数の差に起因してＧａＮ層に形成される電子トラップを低減することで、短い時間における電流変化を抑制することができると考えられる。しかしながら、ＧａＮ層の成長条件を如何に変えようとも、ＧａＮ層のＡｌＮ層に近い領域には、ＡｌＮとＧａＮの格子定数の差に起因する転移欠陥が生じてしまい、電子トラップが形成されてしまう。そこで、発明者は、ＧａＮ層のＡｌＮ層に近い領域の電子トラップを減らすのではなく、電子トラップに電子を充満させてトラップとして機能させないことで、電流変化を抑制するという方法を発案した。以下に、高周波信号遮断時の電流変化を抑制することが可能な実施例について説明する。
まず、ＳｉＣ基板上に、ＡｌＮ層、ＧａＮ層、及びＡｌＧａＮ層がこの順に積層されたＨＥＭＴにおいて、ＧａＮ層のＡｌＮ層に近い領域に形成される電子トラップをトラップとして機能させなくするメカニズムについて説明する。ＳｉＣ基板は、高周波動作での損失を抑制する観点から、室温での抵抗率が１×１０８Ω・ｃｍ以上の半絶縁性のものが用いられる。抵抗率が１×１０８Ω・ｃｍ以上のＳｉＣ基板といっても、基板中の不純物（ドナー、アクセプタ及び遷移金属）の量によって、伝導帯下端のエネルギーＥｃとフェルミエネルギーＥｆとの差である（Ｅｃ−Ｅｆ）の範囲が変化し、それによりＳｉＣ基板の抵抗率及び導電型も変化する。
図３（ａ）は、ＳｉＣ基板の（Ｅｃ−Ｅｆ）が大きい場合のエネルギーバンドを示す図であり、図３（ｂ）は、（Ｅｃ−Ｅｆ）が小さい場合のエネルギーバンドを示す図である。図３（ａ）のように、ＳｉＣ基板の（Ｅｃ−Ｅｆ）が大きい場合では、ＡｌＮ層のバンド及びＧａＮ層のＳｉＣ基板に近い側のバンドは、ＳｉＣ基板の影響を受けて、（Ｅｃ−Ｅｆ）が大きくなる。このとき、ＧａＮ層のＡｌＮ層に近い領域に形成される電子トラップ３２は、Ｅｆよりも上側に存在し電子が充満していないため、トラップとして機能して、電子を捕獲する。
一方、図３（ｂ）のように、ＳｉＣ基板の（Ｅｃ−Ｅｆ）が小さい場合では、ＡｌＮ層のバンド及びＧａＮ層のＳｉＣ基板に近い側のバンドは、ＳｉＣ基板の影響を受けて、（Ｅｃ−Ｅｆ）が小さくなる。このとき、ＧａＮ層のＡｌＮ層に近い領域に形成される電子トラップ３２は、Ｅｆの下側に存在し電子で充満されるため、トラップとしては機能しなくなる。
このように、ＳｉＣ基板の（Ｅｃ−Ｅｆ）を制御することで、ＡｌＮ層とＧａＮ層の結晶条件が同じ場合でも、ＧａＮ層のＡｌＮ層に近い領域に形成される電子トラップの活性、不活性を制御することができる。つまり、ＳｉＣ基板の（Ｅｃ−Ｅｆ）を制御することで、高周波信号遮断時の電流変化を制御することができる。
図４は、実施例１に係る半導体装置の断面図である。図４のように、実施例１の半導体装置１００は、ＳｉＣ基板１０上に、ＡｌＮ層１２、ＧａＮ層１４、及びＧａＮよりもバンドギャップの大きい電子供給層１６がこの順に積層されている。ＳｉＣ基板１０は、例えば４Ｈ、６Ｈ等の六方晶系の結晶構造をしている。ＡｌＮ層１２は、例えばＳｉＣ基板１０の（０００１）Ｓｉ面に接して設けられている。ＧａＮ層１４は、例えばＡｌＮ層１２の上面に接して設けられている。電子供給層１６は、例えばＧａＮ層１４の上面に接して設けられている。ＧａＮ層１４と電子供給層１６との間の界面のＧａＮ層１４側には２次元電子ガス（２ＤＥＧ）１８が形成される。電子供給層１６上に、ゲート電極２０と、ゲート電極２０を挟むソース電極２２及びドレイン電極２４と、が設けられている。ゲート電極２０、ソース電極２２、及びドレイン電極２４が設けられた領域以外の領域の電子供給層１６上には、例えばＳｉＮ膜からなる保護膜２６が設けられている。
ＳｉＣ基板１０は、（Ｅｃ−Ｅｆ）が０．６７ｅＶ以上且つ１．４３ｅＶ以下であり、半絶縁性の性質を有する。ＡｌＮ層１２は、バッファ層であり、厚さが５０ｎｍ以下である。ＧａＮ層１４は、チャネル層であり、厚さが１．５μｍ以下である。ＧａＮ層１４は、後述するように遷移金属が意図的に添加されていないことが好ましい。ＧａＮ層１４は、ｉ型であることが好ましい。電子供給層１６は、ＧａＮよりもバンドギャップが大きい、例えばＡｌＧａＮ層である。ゲート電極２０は、例えばＳｉＣ基板１０側からＮｉ層とＡｕ層とが積層された多層金属膜である。ソース電極２２及びドレイン電極２４は、例えばＳｉＣ基板１０側からＴｉ層とＡｌ層とが積層された多層金属膜である。
ここで、ＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）を０．６７ｅＶ以上且つ１．４３ｅＶ以下とすることについて説明する。図４に示す半導体装置において、（Ｅｃ−Ｅｆ）が異なる複数のＳｉＣ基板１０を用い、ＡｌＮ層１２の厚さを２０ｎｍ、ＧａＮ層１４を厚さ１μｍのｉ型、電子供給層１６を厚さ２５ｎｍのＡｌＧａＮ層とした複数の半導体装置を作製した。そして、作製した半導体装置の高周波信号遮断時の電流変化を測定した。図５は、ＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）と高周波信号遮断時の電流変化率との関係を示す図である。高周波信号遮断時の電流変化率とは、高周波出力を遮断したときのドレイン電流（Ｉ１）の高周波動作前のドレイン電流（Ｉ０）からの変化量（Ｉ０−Ｉ１）を高周波動作前のドレイン電流で割った値（（Ｉ０−Ｉ１）／Ｉ０）である。図５の横軸はＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）であり、縦軸は高周波信号を遮断して０．０１秒後の電流変化率である。また、図５では、ドレイン電圧が５０Ｖの場合の測定結果を示している。
電流変化率が大きいことは高周波高出力動作中にドレイン電流が変動していることを示しており、電流変化率が大きいことは信頼性上好ましくない。例えば、実施例１のＨＥＭＴを高周波高出力増幅器に使用する場合には、電流変化率は０．５以下の場合が好ましく、０．４以下の場合がより好ましい。図５のように、ＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）を１．４３ｅＶ以下にすることで、電流変化率は０．３以下となる。また、前述したように、高周波動作での損失を抑制するには、ＳｉＣ基板１０は半絶縁性であることが重要であり、この達成のために（Ｅｃ−Ｅｆ）が０．６７ｅＶ以上が必要である。以上のことから、ＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）を０．６７ｅＶ以上且つ１．４３ｅＶ以下とすることで、高周波動作での損失の低減と、高周波信号遮断時の電流変化の抑制と、を図っている。
図６は、図５の横軸をＳｉＣ基板の室温での抵抗率とした図である。前述したように、（Ｅｃ−Ｅｆ）の範囲は基板中の不純物（ドナー、アクセプタ及び遷移金属）の種類と量によって変化する。そして、（Ｅｃ−Ｅｆ）が変化することで、基板の導電型と抵抗率も変化する。図６のように、ＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）が小さい場合、ＳｉＣ基板１０がｎ型の導電型を示す傾向になり、特に室温での抵抗率が１×１０２２Ω・ｃｍ以下を示す場合、電流変化率は０．３以下となる。一方、抵抗率が１×１０２２Ω・ｃｍ以下であっても、ＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）が大きい場合は導電型がｐ型を示す傾向にあり、その場合は、電流変化率を小さくすることができない。また、ＳｉＣ基板１０が半絶縁性となり、高周波動作での損失が抑制されるには、室温での抵抗率は１×１０８Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。したがって、ＳｉＣ基板１０がｎ型の導電型を示し、且つ、室温での抵抗率を１×１０８Ω・ｃｍ以上且つ１×１０２２Ω・ｃｍ以下とする材料で構成することで、高周波動作での損失を抑制しつつ、高周波信号遮断時の電流変化を抑制することができる。ＳｉＣ基板１０がｎ型の導電型で、抵抗率が１×１０８Ω・ｃｍ以上１×１０２２Ω・ｃｍ以下であることは、ＳｉＣ基板１０に存在するｎ型のキャリア濃度が１×１０１３／ｃｍ３以下であることを意味する。
次に、ＡｌＮ層１２の厚さを５０ｎｍ以下にすることについて説明する。（Ｅｃ−Ｅｆ）が異なる複数のＳｉＣ基板１０を用い、ＡｌＮ層１２の厚さを５０ｎｍ及び１００ｎｍとした以外は、図５の測定をした構成と同じにした複数の半導体装置を作製し、高周波信号遮断時の電流変化を測定した。つまり、ＡｌＮ層１２上のＧａＮ層１４の厚さは、１μｍである。図７は、図５にＡｌＮ層１２の厚さが５０ｎｍ及び１００ｎｍの場合の測定結果を加えた図である。図７中の四角印はＡｌＮ層１２の厚さが１００ｎｍの場合の測定結果であり、三角印はＡｌＮ層１２の厚さが５０ｎｍの場合の測定結果であり、ひし型印は２０ｎｍの場合の測定結果である。図７では、ＡｌＮ層１２の厚さと電流変化率との関係が分かる。
図７のように、ＡｌＮ層１２の厚さが２０ｎｍ及び５０ｎｍの場合では、ＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）を１．４３ｅＶ以下にすることで、電流変化率を小さくすることができる。一方、ＡｌＮ層１２の厚さが１００ｎｍの場合では、ＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）を１．４３ｅＶ以下にしても、電流変化率を小さくすることは難しい。これは、ＡｌＮ層１２が厚い場合では、ＡｌＮ層１２自身のピエゾ電荷によってＡｌＮ層１２のＧａＮ層１４側の（Ｅｃ−Ｅｆ）が大きくなり、ＳｉＣ基板１０とは無関係に、ＧａＮ層１４のＡｌＮ層１２に近い領域に形成される電子トラップが活性になるためと考えられる。したがって、ＡｌＮ層１２の厚さを５０ｎｍ以下にすることで、ＧａＮ層１４のＡｌＮ層１２に近い領域に形成される電子トラップを不活性にして、高周波信号遮断時の電流変化の抑制を図っている。
次に、ＧａＮ層１４の厚さを１．５μｍ以下にすることについて説明する。（Ｅｃ−Ｅｆ）が異なる複数のＳｉＣ基板１０を用い、ＧａＮ層１４の厚さを１．５μｍ及び２μｍとした以外は、図５の測定をした構成と同じにした複数の半導体装置を作製し、高周波信号遮断時の電流変化を測定した。つまり、ＡｌＮ層１２の厚さは２０ｎｍである。図８は、図５にＧａＮ層１４の厚さが１．５μｍ及び２μｍの場合の測定結果を加えた図である。図８中の四角印はＧａＮ層１４の厚さが２μｍの場合の測定結果であり、三角印はＧａＮ層１４の厚さが１．５μｍの場合の測定結果であり、ひし形印は１μｍの場合の測定結果である。図８では、ＧａＮ層１４の厚さと電流変化率との関係が分かる。
図８のように、ＧａＮ層１４の厚さが１μｍ及び１．５μｍの場合では、ＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）を１．４３ｅＶ以下にすることで、電流変化率を小さくすることができる。一方、ＧａＮ層１４の厚さが２μｍの場合では、ＧａＮ層１４に形成される電子トラップの影響を抑制することが難しくなり、ＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）を１．４３ｅＶ以下にしても、電流変化率を小さくする効果が期待できない。したがって、ＧａＮ層１４の厚さを１．５μｍ以下にすることで、高周波信号遮断時の電流変化の抑制を図っている。
以上のように、実施例１によれば、（Ｅｃ−Ｅｆ）が０．６７ｅＶ以上且つ１．４３ｅＶ以下である半絶縁性のＳｉＣ基板１０を用いている。あるいは、ｎ型の導電型を有し、室温での抵抗率が１×１０８Ω・ｃｍ以上且つ１×１０２２Ω・ｃｍ以下である半絶縁性のＳｉＣ基板１０を用いている。そして、ＳｉＣ基板１０上に設けられたＡｌＮ層１２の厚さを５０ｎｍ以下とし、ＡｌＮ層１２上に設けられたＧａＮ層１４の厚さを１．５μｍ以下にしている。これにより、図５から図８で説明したように、高周波信号遮断時の電流変化を抑制することができる。本発明者は、（Ｅｃ−Ｅｆ）が０．６７ｅＶ以上且つ１．４３ｅＶ以下である半絶縁性のＳｉＣ基板１０が、ＧａＮ層１４のＡｌＮ層１２に近い領域に形成される電子トラップの活性、不活性を制御できる知見を得た。さらに、本発明者は、この知見を基に、電流変化の制御では、ＳｉＣ基板１０上のＡｌＮ層１２及びＧａＮ層１４それぞれの厚みが起因することも突き止めた。つまり、本発明は、電流変化の抑制のために、所望の半絶縁性のＳｉＣ基板１０と５０ｎｍ以下の厚さのＡｌＮ層１２及び１．５μｍ以下の厚さのＧａＮ層１４との組み合わせが必要不可欠であることの知見に伴い創出されたものである。
高周波動作の損失と高周波信号遮断時の電流変化とをより抑制する観点から、ＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）は、０．７ｅＶ以上且つ１．４ｅＶ以下の場合が好ましく、０．８５ｅＶ以上且つ１．３ｅＶ以下の場合がより好ましく、０．９ｅＶ以上且つ１．２ｅＶ以下の場合がさらに好ましい。ＳｉＣ基板１０の室温での抵抗率は、１×１０１０Ω・ｃｍ以上且つ１×１０２０Ω・ｃｍ以下の場合が好ましく、１×１０１１Ω・ｃｍ以上且つ１×１０１８Ω・ｃｍ以下の場合がより好ましく、１×１０１２Ω・ｃｍ以上且つ１×１０１６Ω・ｃｍ以下の場合がさらに好ましい。
ＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）は、ＳｉＣ基板１０に導入されるドナー不純物及びアクセプタ不純物のバランスによって決定することができる。（Ｅｃ−Ｅｆ）の値は、高温でのホール測定法により得られた値に基づいて、物理定数に従って室温時の値と対照させることで得られる。ドナー不純物及びアクセプタ不純物を選択し、上記方法によって（Ｅｃ−Ｅｆ）を得ながら、本発明に定義される（Ｅｃ−Ｅｆ）が０．６７ｅＶ以上且つ１．４３ｅＶ以下を有するＳｉＣ基板１０を実現する。ここで、ドナー不純物には、例えば窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、及び砒素（Ａｓ）のいずれかを用いることができ、アクセプタ不純物には、例えばボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びガリウム（Ｇａ）のいずれかを用いることができる。本発明による（Ｅｃ−Ｅｆ）が０．６７ｅＶ以上且つ１．４３ｅＶ以下を有するＳｉＣ基板１０は、ｎ型の導電型で且つ抵抗率が１×１０８Ω・ｃｍ以上且つ１×１０２２Ω・ｃｍ以下となる。ＳｉＣ基板１０がｎ型の導電型を示すということは、ＳｉＣ基板１０に含まれるドナー不純物の濃度が、ＳｉＣ基板１０に含まれるアクセプタ不純物の濃度よりも多いことになる。
ＡｌＮ層１２の厚さが５０ｎｍ以下の場合に、高周波信号遮断時の電流変化の抑制効果が得られるが、ＡｌＮ層１２が薄い方が、電流変化の抑制効果が大きい。図７と特許文献１の記載内容とを含めて考慮すると、ＡｌＮ層１２の厚さは、４０ｎｍ以下の場合が好ましく、２５ｎｍ以下の場合がより好ましく、２０ｎｍ以下の場合がさらに好ましい。また、特許文献１に記載されているように、ＡｌＮ層１２の厚さが５ｎｍよりも薄くなるとピンチオフ時のリーク電流が大きくなってしまう。なお、ピンチオフ時のリーク電流とは、半導体装置をオフさせたときにドレイン電極とソース電極との間に流れる電流のことである。したがって、ピンチオフ時のリーク電流の低減の観点から、ＡｌＮ層１２の厚さは５ｎｍ以上の場合が好ましく、７ｎｍ以上の場合がより好ましく、１０ｎｍ以上の場合がさらに好ましい。
ＧａＮ層１４の厚さが１．５μｍ以下の場合に、高周波信号遮断時の電流変化の抑制効果が得られるが、ＧａＮ層１４が薄い方が、電流変化の抑制効果が大きい。したがって、ＧａＮ層１４の厚さは、１．２μｍ以下の場合が好ましく、１μｍ以下の場合がより好ましい。また、ＧａＮ層１４の厚さが０．５μｍよりも薄くなると、結晶歪みのために電子の移動度が遅くなってしまう。したがって、ＧａＮ層１４の厚さは、０．５μｍ以上の場合が好ましく、０．７５μｍ以上の場合がより好ましく、１μｍ以上の場合がさらに好ましい。
ＧａＮ層１４は、遷移金属及びアクセプタ不純物が意図的に添加されていないことが好ましい。この理由を以下に説明する。（Ｅｃ−Ｅｆ）が異なる複数のＳｉＣ基板１０を用い、厚さ１μｍのＧａＮ層１４にＦｅ又は炭素（Ｃ）を意図的に添加した以外は、図５の測定をした構成と同じにした複数の半導体装置を作製し、高周波信号遮断時の電流変化を測定した。図９は、ＧａＮ層１４にＦｅ又はＣを添加した場合の測定結果を図５に加えた図である。図９中の四角印はＧａＮ層１４に遷移金属であるＦｅが添加された場合の測定結果であり、三角印はアクセプタ不純物であるＣが添加された場合の測定結果であり、ひし形印は不純物が意図的に添加されていない（ｉ型）の場合の測定結果である。
図９のように、ＧａＮ層１４に意図的な不純物が添加されていない（ｉ型）場合では、ＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）を１．４３ｅＶ以下にすることで、電流変化率を小さくすることができる。一方、ＧａＮ層１４に遷移金属であるＦｅが意図的に添加されている場合では、ＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）を１．４３ｅＶ以下にしても、電流変化率はあまり小さくならない。したがって、高周波信号遮断時の電流変化を抑制するためには、ＧａＮ層１４には遷移金属が意図的に添加されていない場合が好ましい。また、ＧａＮ層１４にアクセプタ不純物であるＣが意図的に添加されている場合では、ＳｉＣ基板１０の（Ｅｃ−Ｅｆ）を１．４３ｅＶ以下にすると、電流変化率は多少低下するが、その低下率は小さい。したがって、高周波信号遮断時の電流変化を抑制するためには、ＧａＮ層１４にはアクセプタ不純物も添加されていない場合が好ましい。このように、ＧａＮ層１４に遷移金属及びアクセプタ不純物が添加された場合に電流変化率が小さくならないのは、これら遷移金属及びアクセプタ不純物が電子トラップとして作用するためと考えられる。
ＧａＮ層１４に遷移金属及びアクセプタ不純物が意図的に添加されていないとは、例えば、ＧａＮ層１４をＭＯＣＶＤ法で成長させる際に、ＧａＮ層１４を成長させるための原料ガス以外に、遷移金属及びアクセプタ不純物を含む原料ガスを用いないことを言う。したがって、ＧａＮ層１４を成長させるための原料ガスだけを用いて成長させた際に、ＧａＮ層１４に僅かに含まれるアクセプタ不純物等は意図的に添加しているとは言わない。例えば、ＧａＮ層１４中の遷移金属及びアクセプタ不純物それぞれの濃度が５×１０１６／ｃｍ３以下である場合、遷移金属及びアクセプタ不純物を意図的に添加していないと言える。遷移金属及びアクセプタ不純物それぞれの濃度が１×１０１７／ｃｍ３以下であると、遷移金属及びアクセプタとして機能しないためである。ＧａＮ層１４中の遷移金属とアクセプタ不純物とは少ない方が好ましいことから、遷移金属及びアクセプタ不純物それぞれの濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以下の場合がより好ましく、５×１０１５／ｃｍ３以下の場合がさらに好ましい。遷移金属としては、Ｆｅの他、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）が挙げられ、また、アクセプタ不純物としては、Ｃの他、マグネシウム（Ｍｇ）、ボロン（Ｂ）が挙げられ、これらが意図的に添加されていないことが好ましい。
電子供給層１６としてＡｌＧａＮ層の場合を例に示したが、ＧａＮよりもバンドギャップが大きければ、ＡｌＧａＮ層以外の窒化物半導体を用いてもよい。例えば、電子供給層１６としてＩｎＡｌＮ層又はＩｎＡｌＧａＮ層を用いることもできる。なお、窒化物半導体とは、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等のことをいう。実施例１の図４では、電子供給層１６上にキャップ層が設けられていないが、キャップ層が設けられている場合でもよい。キャップ層として、例えばＧａＮ層を用いることができる。
実施例２では、実施例１の図４と同様な構造をした実施例２の半導体装置について、製造方法を交えて説明する。実施例２の半導体装置の製造方法は、まず、ｎ型の導電型を示し、室温での抵抗率が１×１０９Ω・ｃｍである半絶縁性のＳｉＣ基板１０を準備する。このようなＳｉＣ基板１０は、ＳｉＣ基板１０中のドナー不純物（Ｎ、Ｐ、Ａｓ）の濃度とアクセプタ不純物（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ）の濃度とのバランスを取る事で得られる。
ＳｉＣ基板１０上に、例えばＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて、以下の条件にてＡｌＮ層１２を成長させる。
原料ガス ：トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）
成長温度 ：１１００℃
圧力 ：１００ｔｏｒｒ
Ｖ／ＩＩＩ比：１０００
厚さ ：２０ｎｍ
原料ガス ：トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）
成長温度 ：１１００℃
圧力 ：１００ｔｏｒｒ
Ｖ／ＩＩＩ比：１０００
厚さ ：２０ｎｍ
続いて、例えばＭＯＣＶＤ法を用いて、以下の条件にて、ＡｌＮ層１２上にＧａＮ層１４を成長させる。
原料ガス：トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＮＨ３
成長温度：１０８０℃
圧力 ：１００ｔｏｒｒ
厚さ ：１μｍ
原料ガス：トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＮＨ３
成長温度：１０８０℃
圧力 ：１００ｔｏｒｒ
厚さ ：１μｍ
続いて、例えばＭＯＣＶＤ法を用いて、以下の条件にて、ＧａＮ層１４上にＡｌＧａＮ層からなる電子供給層１６を成長させる。
原料ガス ：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３
成長温度 ：１０８０℃
圧力 ：１００ｔｏｒｒ
厚さ ：２５ｎｍ
Ａｌ組成比：２０％
原料ガス ：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３
成長温度 ：１０８０℃
圧力 ：１００ｔｏｒｒ
厚さ ：２５ｎｍ
Ａｌ組成比：２０％
続いて、電子供給層１６上に、例えばプラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＮ膜からなる厚さ１００ｎｍの保護膜２６を形成する。なお、電子供給層１６と保護膜２６との間にｎ型ＧａＮ層を介在させてもよい。その後、電子供給層１６上に、例えば蒸着法及びリフトオフ法を用いて、ＳｉＣ基板１０側からＮｉ層とＡｕ層とが積層されたゲート電極２０を形成する。ゲート電極２０の両側に、例えば蒸着法及びリフトオフ法を用いて、ＳｉＣ基板１０側からＴｉ層とＡｌ層とが積層されたオーミック電極であるソース電極２２とドレイン電極２４とを形成する。ゲート長は、例えば０．９μｍであり、ソース−ゲート間距離は、例えば１．５μｍであり、ゲート−ドレイン間距離は、例えば７μｍである。
実施例２の半導体装置のピンチオフ時のリーク電流を測定した。ピンチオフ時のリーク電流は、ドレイン電圧が５０Ｖ、ゲート電圧が（閾値電圧−０．５Ｖ）のときの、単位ゲート幅あたりのドレイン電流として定義した。その結果、ピンチオフ時のリーク電流は、３×１０−６Ａ／ｍｍであった。また、高周波信号遮断時の電流変化率についても測定した。電流変化率の測定は、ドレイン電圧が５０Ｖの条件で半導体装置を飽和出力にて１分間動作させた後、高周波信号を遮断して０．０１秒後の電流変化率を測定した。その結果、電流変化率は０．３であった。
ここで、ｐ型の導電型を示し、室温での抵抗率が１×１０９Ω・ｃｍである半絶縁性のＳｉＣ基板を用いた以外は、実施例２と同じ方法で作製した比較例１の半導体装置についても、実施例２と同じ方法で、ピンチオフ時のリーク電流と高周波信号遮断時の電流変化率とを測定した。その結果、ピンチオフ時のリーク電流は２×１０−６Ａ／ｍｍで、高周波信号遮断後０．０１秒の電流変化率は０．９であった。
比較例１のように、ＳｉＣ基板１０の抵抗率が１×１０８Ω・ｃｍ以上且つ１×１０２２Ω・ｃｍ以下であって、ＡｌＮ層１２の厚さが５０ｎｍ以下であり、ＧａＮ層１４の厚さが１．５μｍ以下である場合でも、ＳｉＣ基板１０の導電型がｐ型の場合では、電流変化率は大きくなることが確認された。一方、実施例２のように、ＳｉＣ基板１０にｎ型の導電型を用いた場合では、電流変化率が０．３と小さくなることが確認された。また、ピンチオフ時のリーク電流に関しては、実施例２は比較例１と同程度に十分低減されることが確認された。なお、ＳｉＣ基板１０の導電型は、ＳｉＣ基板１０の抵抗率に温度をかけて抵抗率の温度係数を求め、この抵抗率の温度係数からｎ型又はｐ型であるかを判断することができる。また、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）の分析から不純物を特定することでｎ型又はｐ型であるかの判断をすることもできる。
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 ＳｉＣ基板
１２ ＡｌＮ層
１４ ＧａＮ層
１６ 電子供給層
１８ ２ＤＥＧ
２０ ゲート電極
２２ ソース電極
２４ ドレイン電極
２６ 保護膜
３０ 電子トラップ
３２ 電子トラップ
１２ ＡｌＮ層
１４ ＧａＮ層
１６ 電子供給層
１８ ２ＤＥＧ
２０ ゲート電極
２２ ソース電極
２４ ドレイン電極
２６ 保護膜
３０ 電子トラップ
３２ 電子トラップ
Claims (9)
- 伝導帯下端のエネルギーをＥｃとし、フェルミエネルギーをＥｆとした場合のＥｃとＥｆとの差であるＥｃ−Ｅｆが、０．６７ｅＶ以上且つ１．４３ｅＶ以下である半絶縁性のＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板上に設けられた、厚さが５０ｎｍ以下のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上に設けられた、厚さが１．５μｍ以下のＧａＮ層と、
前記ＧａＮ層上に設けられた、ＧａＮよりもバンドギャップが大きい電子供給層と、
前記電子供給層上に設けられたゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極と、を備えることを特徴とする半導体装置。 - 前記ＳｉＣ基板は、ｎ型の導電型を有し、室温での抵抗率が１×１０８Ω・ｃｍ以上且つ１×１０２２Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- ｎ型の導電性を有し、室温での抵抗率が１×１０８Ω・ｃｍ以上且つ１×１０２２Ω・ｃｍ以下である半絶縁性のＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板上に設けられた、厚さが５０ｎｍ以下のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上に設けられた、厚さが１．５μｍ以下のＧａＮ層と、
前記ＧａＮ層上に設けられた、ＧａＮよりもバンドギャップが大きい電子供給層と、
前記電子供給層上に設けられたゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極と、を備えることを特徴とする半導体装置。 - 前記ＳｉＣ基板は、伝導帯下端のエネルギーをＥｃとし、フェルミエネルギーをＥｆとした場合のＥｃとＥｆとの差であるＥｃ−Ｅｆが、０．６７ｅＶ以上且つ１．４３ｅＶ以下であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
- 前記ＧａＮ層は、遷移金属が意図的に添加されていないことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体装置。
- 前記ＧａＮ層は、アクセプタ不純物が意図的に添加されていないことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体装置。
- 前記ＳｉＣ基板に含まれるドナー不純物の濃度は、前記ＳｉＣ基板に含まれるアクセプタ不純物の濃度よりも多いことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の半導体装置。
- 前記ドナー不純物は、窒素、リン、および砒素のいずれかであり、前記アクセプタ不純物はボロン、アルミニウム、およびガリウムのいずれかであることを特徴とする請求項７記載の半導体装置。
- 前記電子供給層は、ＡｌＧａＮ層、ＩｎＡｌＮ層、およびＩｎＡｌＧａＮ層のいずれかであることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の半導体装置。
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