JP5126733B2 - 電界効果トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
AlGaNバリア層には、オーミック抵抗の低減のため、n型のドーピングを行う。ソース電極とドレイン電極には、Ti/Al/Auなどの金属を用いる。またゲート電極には白金やニッケルなどの金属を用いる。AlGaNバリア層上に直接ゲート電極を形成する構造は、MES構造(MEtal Semiconductor構造)と呼ばれている。また一方で、AlGaNバリア層とゲート電極の間に窒化硅素膜や酸化硅素膜などの誘電体をはさみ込んだ構造は、MIS構造(Metal Insulator Semiconductor構造)と呼ばれている。
しかしながら、しきい電圧を正にするには、AlGaNバリア層を薄くしなければならず、その結果ゲート部以外の部分でバリア層表面の電子準位の影響が大きくなるため電流コラプスなどの問題がある。また、AlGaNバリア層を10nm以下にするとp型GaN層を取り除いた部分のシート抵抗が高くなるため、AlGaNバリア層はある程度の厚みを確保しなけばならず、その結果しきい電圧の制御が困難になる上、ゲート部とチャネル間の距離が厚いため、利得が低下するという問題がある。さらに、AlGaNバリア層とp型GaN層のエッチング選択比が小さいため、係る半導体素子の加工精度が悪くなるという問題がある。
T. Kawasaki, K. Nakata, and S. Yaegassi, Normally-off AlGaN/GaN HEMT with Recessed Gate for High Power Applications, Extended Abstracts of the 2005 International Conference on Solid State Devices and Materials, I−1−3,Kobe, 2005, pp.206-207. 稲田正樹、八木修一、山本由貴、朴冠錫、矢野良樹、清水三聡、奥村元、荒井和雄、ノーマリーオフ型AlGaN/GaN HEMTに関する研究、第66回応用物理学会学術講演会、2005年秋、徳島大学、8p−W−3. 露口士夫、広瀬貴利、岩谷素顕、上山智、天野浩、赤崎勇、p型GaNゲートを用いたノーマリーオフ型AlGaN/GaN HFE T、第66回応用物理学会学術講演会、2005年秋、徳島大学、8p−W−5. 水野博昭、大野雄高、岸本茂、前澤宏一、水谷孝、フッ素プラズマ処理によるノーマリーオフ型AlGaN/GaN HEMT、第53回応用物理学関係連合講演会、2006年春、武蔵工業大学、24a−ZE−17. W. Saito, Y. Takada, M. Kuraguchi K. Tsuda, and I. Omura, Recessed-Gate Structure Approach Toward Normally Off High-Voltage AlGaN/GaN HEMT for Power Electronics Applications, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 53, NO. 2, FEBRUARY 2006.
1.窒化物半導体からなるノンドープバリア層とチャネル層のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタにおいて、p型InGaN層が、ゲート領域のバリア層に積層された構造を有することを特徴とするヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタ、を提供する。
また、本発明は、
2.窒化物半導体からなるノンドープバリア層とチャネル層のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタにおいて、バリア層のゲート領域にリセス構造を備え、p型InGaN層が、前記リセス構造部のバリア層上に積層された構造を有するヘテロ接合構造の電界効果トランジスタとすることもできる。
3.上記ヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタにおいて、バリア層/チャネル層の構造を、AlGaN/GaN、AlN/GaN、InAlN/GaN、AlGaN/InGaNなどのヘテロ構造とすることができる。
4.上記ヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタにおいて、ゲート電極直下に絶縁層を積層させ、MIS構造とすることができる。
5.上記ヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタにおいて、ソース電極、ドレイン電極及びゲート領域のp型InGaN層を除いたバリア層上に終端化膜(パッシベーション膜)を形成し、ゲートリークを防止することができる。
さらに、本発明は、
6.窒化物半導体からなるノンドープバリア層とチャネル層のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタを製造する際に、チャネル層にノンドープバリア層を積層させた後、バリア層にp型InGaN層を積層させ、さらにゲート領域以外のp型InGaN層を除去して、p型InGaN層がゲート領域のバリア層に積層された構造を形成することができる。
また、本願発明は、
7.窒化物半導体からなるノンドープバリア層とチャネル層のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタを製造する際に、チャネル層にノンドープバリア層を積層させた後、ゲート領域のバリア層をエッチングにより薄くしてリセス構造を形成し、リセス構造部分のバリア層にp型InGaN層を積層させることもできる。
本発明の構造が適用可能なヘテロ接合構造は、チャネル層/バリア層の順に、GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InAlN、InGaN/AlGaNなどのヘテロ構造である。
図1は、AlGaN/GaNヘテロ接合電界効果トランジスタを示す。結晶基板1として、MOCVD法等によりGaN基板を結晶成長させた。なお、結晶基板としては、この他にサファイア基板、SiC基板、シリコン基板等を用いることもできる。次に、基板側から低温成長GaNバッファ層2などの結晶性を向上させる構造を形成した後に、高抵抗のGaN層3を成長させた。
その後、AlGaNバリア層4を成長させた。この時、高抵抗のGaN層3とAlGaNバリア層4のヘテロ接合部分に、AlGaNバリア層4のアルミニウムの組成に依存したピエゾ効果により正の固定電荷が発生しn型のチャネルが形成される。その後、p型InGaN層5を成長させた。
ここで、電子サイクロトロン共鳴(ECR)法を用いたアルゴンプラズマによるドライエッチングで、エッチングレートを測定した。引き出し電圧が200V、2.45GHzのRFパワーが200W、アルゴンガス圧が約1×10−2Paの時に、GaN膜はエッチングレートが300nm/時であったが、InGaN層はその約3〜4倍程度であった。
この方法により、本発明の構造を用いれば、選択的にInGaN層をエッチング可能であり、再現性良くプロセスを行うことができることがわかった。
素子分離については、塩素系のガスを用いたドライエッチング以外にもイオン注入によっても可能である。窒素イオン等を高速で打ち込むことにより、電気的に絶縁性を持たせて、素子分離を行うことができる。
メサの端で、ゲート電極11がある部分において、メサの側面のAlGaN/GaNチャネル構造にゲート電極11が接すると、ゲートリーク電流が増加するので、メサ側面も絶縁膜によりカバーするようにする。
これより、GaN層をAlGaNバリア層上に成長する場合よりも、本発明のようにInGaN層をAlGaNバリア層上に成長する方が、AlGaNバリア層表面側ヘテロ界面に、より大きなマイナスの空間固定電荷がピエゾ効果により発生し、チャネル内の電子がより枯渇するものと考えられる。
以上から、p型GaN層を用いた場合より、しきい電圧を大きくでき、完全なノーマリーオフ動作が得られることが分かった。
図3は、ゲート領域がリセス構造となっている実施例である。この素子においては、ゲートとドレイン間のAlGaNバリア層4が厚くなっているため、AlGaNバリア層4上の表面準位によるコラプスの影響が小さい。
また、ドレインとゲート間の厚いAlGaNバリア層4を選択的に成長させる方法もある。この場合はゲート部のInGaN層を窒化珪素膜や酸化珪素膜などによりカバーして選択的に成長させる。
2:バッファ層
3:キャリア層
4:バリア層
5:p型InGaN層
10:ソース電極
11:ゲート電極
12:ドレイン電極
Claims (7)
- 窒化物半導体からなるノンドープ バリア層とチャネル層のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタにおいて、p型InGaN層が、ゲート領域のバリア層に積層された構造を有することを特徴とするヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタ。
- 窒化物半導体からなるノンドープバリア層とチャネル層のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタにおいて、バリア層のゲート領域にリセス構造を備え、p型InGaN層が、前記リセス構造部のバリア層上に積層された構造を有することを特徴とするヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタ。
- バリア層/チャネル層のヘテロ接合構造が、AlGaN/GaN、AlN/GaN、InAlN/GaN、AlGaN/InGaNのいずれかの構造を備えていることを特徴とする請求項1又は2記載のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタ。
- ゲート電極直下に絶縁層を積層させることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタ。
- ソース電極、ドレイン電極及びゲート領域のp型InGaN層を除いたバリア層上に終端化膜を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタ。
- 窒化物半導体からなるノンドープバリア層とチャネル層のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタの製造方法において、チャネル層にノンドープバリア層を積層させた後、バリア層にp型InGaN層を積層させ、さらにゲート領域以外のp型InGaN層を除去して、p型InGaN層がゲート領域のバリア層に積層された構造を形成することを特徴とするテロ接合構造を有する電界効果トランジスタの製造方法。
- 窒化物半導体からなるノンドープバリア層とチャネル層のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタの製造方法において、チャネル層にノンドープバリア層を積層させた後、ゲート領域のバリア層をエッチングによりリセス構造を形成し、リセス構造部分のバリア層にp型InGaN層を積層させ、p型InGaN層がゲート領域のバリア層に積層された構造を形成することを特徴とするヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタの製造方法。
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