JP5117031B2 - ノーマリオフで動作するhemt - Google Patents
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反転層が発生するのに先立って2次元電子ガス層を発生させるためには、例えば第2半導体層の厚みを薄く調整することで実現させることができる。本発明は、本発明者らによって初めて見出された現象を利用することを特徴としており、この現象に係る知見が得られれば、本発明を具現化するHEMTは様々な形態であり得る。
上記のHEMTによると、ゲート電極に正の電圧を印加したときに、ゲート電圧の作用を第1半導体層と第2半導体層のヘテロ界面に十分に及ぼすことができる。このため、第1半導体層と第2半導体層のヘテロ界面のキャリア密度を濃くすることができる。上記のHEMTは、オン抵抗が小さいという特性を得ることができる。
第2半導体層とゲート絶縁膜の界面に発生するキャリア密度が1×1018cm-3以下であると、反転層が形成されていないと評価することができる。キャリア密度が1×1018cm-3以下であると、ゲート電圧の作用が第2半導体層とゲート絶縁膜の界面で阻害されることなく、第1半導体層と第2半導体層のヘテロ界面にまで十分に及ぶことができる。
さらに、2次元電子ガス層のキャリア密度が1×1019cm-3以上であると、従来のノーマリオンで動作するHEMTと遜色のないキャリア密度を達成していると評価できる。したがって、上記のHEMTによると、従来のノーマリオンで動作するHEMTと同程度のオン抵抗を達成しながら、ノーマリオフで動作することができ、実用上において極めて有用である。
通常、ゲート電極に印加される制御電圧は、0Vと10Vの間で変動させることが多く、その制御電圧に基づいて半導体装置のオン・オフを制御することが多い。したがって、ゲート電極に10Vの電圧を印加したときに、第2半導体層とゲート絶縁膜の界面に発生するキャリア密度が1×1018cm-3以下であれば、ゲート電圧の作用が第2半導体層とゲート絶縁膜の界面で阻害されることなく、第1半導体層と第2半導体層のヘテロ界面にまで十分に及ぶことができ、低いオン抵抗を得ることができる。
窒化物半導体を利用すると、高耐圧で大電流を制御できるHEMTを得ることができる。
さらに、第2半導体層の厚みが10nm以下であることが好ましい。この場合、第2半導体層とゲート絶縁膜の界面に発生するキャリア密度が1×1018cm-3以下であり、第1半導体層と第2半導体層のヘテロ界面に発生する2次元電子ガス層のキャリア密度が1×1019cm-3以上となる状態が存在することが確認されている。
(第1特徴) 窒化物半導体は、一般式がAlXGaYIn1-X-YN(ただし、0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦1-X-Y≦1)で表される。
(第2特徴) HEMTは、第1半導体層と第2半導体層の界面に対向するp型の第3半導体層を備えていることが好ましい。第3半導体層は、第1半導体層と第2半導体層の界面に第1半導体層を介して対向しているのが好ましい。
図1に、窒化物半導体を用いたHEMT10の要部断面図を模式的に示す。図1に示すHEMT10は、本発明の技術を説明するために必要とされる基本的な構成要素を基本的な形態で具現化したものである。本発明の技術は、この他の様々な形態のHEMTにも適用することが可能であり、例えば本出願人が既に出願済みの特開2004−260140号公報などのHEMTに適用することが可能である。
HEMT10は、窒化ガリウムの第1半導体層24と、その第1半導体層24上に形成されている窒化ガリウム・アルミニウムの第2半導体層26と、その第2半導体層26上の一部に形成されているゲート絶縁膜34と、そのゲート絶縁膜34上に形成されているゲート電極36を備えている。第2半導体層36上にはドレイン電極32とソース電極38も形成されており、ドレイン電極32とソース電極38はゲート絶縁膜34及びゲート電極36によって隔てられている。HEMT10はさらに、第1半導体層24の裏面に接している窒化ガリウムの第3半導体層22を備えている。
第2半導体層26は、不純物を実質的に含んでいなくてもよく、n型の不純物を含んでいてもよい。第2半導体層26のバンドギャップの幅は、第1半導体層24のバンドギャップの幅よりも広い。後述するが、第2半導体層26の厚み26Tは極めて薄く調整されている。第2半導体層26は、第1半導体層24の表面から結晶成長技術を利用して得ることができる。
ゲート絶縁膜34の材料には、酸化シリコンが用いられている。これに代えて、窒化シリコンを用いてもよい。ゲート絶縁膜の厚みは、約0.1μmである。
ゲート電極36の材料には、多結晶シリコンが用いられている。これに代えて、アルミニウム、ニッケル、チタン、タングステン、モリブテン、金、白金、又はそれらのシリサイトからなる単層膜を用いてもよい。あるいは、多結晶シリコン、アルミニウム、ニッケル、チタン、タングステン、モリブテン、金、白金、又はそれらのシリサイトからなる二層以上の積層膜を用いてもよい。
ドレイン電極32とソース電極38の材料には、チタンとアルミニウムの積層膜が用いられており、第2半導体層26とオーミック接触している。
第3半導体層22は、不純物としてマグネシウムを含んでおり、p型の導電型を有している。第3半導体層22の不純物濃度は、約1×1019cm-3である。第3半導体層22の厚みは、約3μmである。第3半導体層22は、図示しないサファイア等の半導体基板の表面から結晶成長技術を利用して得ることができる。あるいは、第3半導体層22は、第1半導体層24の裏面にマグネシウムをイオン導入することによって形成してもよい。
図2及び図3に示すように、第2半導体層26の厚み26Tが薄くなるほど、2次元電子ガス層(2DEG)のピークキャリア密度が濃くなることが分かる。特に、図2に示すように、第2半導体層26の厚み26Tが20nm以下であると、2次元電子ガス層(2DEG)のピークキャリア密度が1×1019cm-3以上となる状態が存在していることが確認された。ここで、2次元電子ガス層(2DEG)のピークキャリア密度が1×1019cm-3以上という数値は、従来のノーマリオンで動作するHEMTと遜色のないキャリア密度を達成していることを意味する。従来のノーマリオンで動作するHEMTでは、シートキャリア密度が1×1013cm-2を実現したとする報告がある(信学技報ED2003-149参照)。2次元電子ガス層(2DEG)の厚みは一般的に約10nmであるとされているので、従来のノーマリオンで動作するHEMTのキャリア密度は約1×1019cm-3であると評価できる。即ち、本実施例のHEMT10は、従来のノーマリオンで動作するHEMTと遜色のないキャリア密度を達成しながら、ノーマリオフで動作することができる。
図4に示すように、第2半導体層26の厚み26Tが薄くなるほど、界面27に誘起されるキャリア密度が薄くなることが分かる。なお、第2半導体層26の厚み26Tが5nmの場合は、界面27に誘起されるキャリア密度が1×1016cm-3以下であり、図面上に表れていない。ここで、図4に示すa〜eの変局点は、図2に示すa〜eの変局点に対応している。図4に示すa〜eの変局点は、キャリア密度が1×1018〜0.5×1019cm-3の範囲に存在している。即ち、界面27に誘起されるキャリア密度が1×1018〜0.5×1019cm-3の範囲に達すると、図2に示すように2次元電子ガス層(2DEG)のピークキャリア密度の増加が抑制されることが分かる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
24:第1半導体層
26:第2半導体層
32:ドレイン電極
34:ゲート絶縁膜
36:ゲート電極
38:ソース電極
Claims (4)
- 窒化物半導体の第1半導体層と、
その第1半導体層上の少なくとも一部に形成されているとともに第1半導体層よりもバンドギャップの幅が広い窒化物半導体の第2半導体層と、
その第2半導体層上の少なくとも一部に形成されているゲート絶縁膜と、
そのゲート絶縁膜上の少なくとも一部に形成されているゲート電極を備えており、
ゲート電極に電圧を印加していないときは、第1半導体層と第2半導体層の界面に2次元電子ガス層が発生しておらず、
ゲート電極に正の電圧を印加したときに、第2半導体層とゲート絶縁膜の界面に発生するキャリア密度が1×10 18 cm -3 以下であり、第1半導体層と第2半導体層の界面に発生する2次元電子ガス層のキャリア密度が1×10 19 cm -3 以上となる状態が存在することを特徴するHEMT。 - 窒化物半導体の第1半導体層と、
その第1半導体層上の少なくとも一部に形成されているとともに第1半導体層よりもバンドギャップの幅が広い窒化物半導体の第2半導体層と、
その第2半導体層上の少なくとも一部に形成されているゲート絶縁膜と、
そのゲート絶縁膜上の少なくとも一部に形成されているゲート電極を備えており、
ゲート電極に電圧を印加していないときは、第1半導体層と第2半導体層の界面に2次元電子ガス層が発生しておらず、
ゲート電極に10Vの電圧を印加したときに、第2半導体層とゲート絶縁膜の界面に発生するキャリア密度が1×10 18 cm -3 以下であることを特徴とするHEMT。 - 少なくともゲート電極に対向している範囲の第1半導体層の裏面に接するとともにp型の不純物を含む第3半導体層をさらに備えており、
第1半導体層は、窒化ガリウムであり、
第2半導体層は、窒化ガリウム・アルミニウムであり、
第3半導体層は、窒化ガリウムであり、
ゲート絶縁膜は、酸化シリコン又は窒化シリコンであり、
ゲート電極は、多結晶シリコン、アルミニウム、ニッケル、チタン、タングステン、モリブテン、金、白金、又はそれらのシリサイトからなる一層もしくは二層以上の積層膜であり、
第2半導体層の厚みが20nm以下であることを特徴とする請求項1又は2のHEMT。 - 第2半導体層の厚みが10nm以下であることを特徴とする請求項3のHEMT。
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