JP5805830B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
III族窒化物半導体を利用する半導体装置であって、
該半導体装置は、
格子緩和したAlxGa1-xN(0≦x≦1)からなるAlxGa1-xN下部障壁層、圧縮歪を有するInyGa1-yN(0≦y≦1)からなるInyGa1-yNチャネル層、AlzGa1-zN(0≦z≦1)からなるAlzGa1-zNコンタクト層が、順次積層されてなるダブルへテロ構造を具え、
InyGa1-yNチャネル層の、AlzGa1-zNコンタクト層との界面近傍には、2次元電子ガスが生成されており、
AlzGa1-zNコンタクト層上には、ソース電極とドレイン電極として、少なくとも、二つのオーミック電極が形成されており、
ソース電極とドレイン電極で挟まれた領域に、ゲート電極が設けられ、該ゲート電極と、ソース電極とドレイン電極により、電界効果トランジスタを構成可能な構造を備えており、
ソース電極とドレイン電極で挟まれた領域には、
前記AlzGa1-zNコンタクト層の一部を前記InyGa1-yNチャネル層が露出するまでエッチング除去して形成されるリセス部が設けられ、
該リセス部に、多結晶またはアモルファスからなる絶縁膜を介して、前記ゲート電極が埋め込まれるように形成されている
ことを特徴とする半導体装置である。
分極効果に起因して、AlxGa1-xN下部障壁層とInyGa1-yNチャネル層のへテロ接合界面に負の界面電荷が発生するため、絶縁膜の膜厚、ならびにAlxGa1-xN下部障壁層中の浅いn型不純物(ドナー)濃度を変えることにより、制御可能な閾値電圧VTの範囲は広がっている。すなわち、絶縁膜の膜厚、ならびにAlxGa1-xN下部障壁層中の浅いn型不純物(ドナー)濃度を変えることにより、作製される電界効果トランジスタの動作モードを、閾値電圧VT≦0のディプレッションモードと、閾値電圧VT>0のエンハンスメントモードのいずれに選択することが可能となる。
41、51、61、101 ・・・ バッファ層
42、52、62、102 ・・・ AlGaN下部障壁層
43、53、63、103 ・・・ GaNチャネル層
44、54、64 ・・・ AlGaNコンタクト層
45、55、65 ・・・ SiN膜
47、57、67、107 ・・・ 2次元電子ガス
4S、5S、6S、10S ・・・ ソース電極
4D、5D、6D、10D ・・・ ドレイン電極
4G、5G、6G、10G ・・・ ゲート電極
104 ・・・ AlN絶縁層
III族窒化物半導体を利用する半導体装置であって、
該半導体装置は、
格子緩和したAlxGa1-xN(0≦x≦1)からなるAlxGa1-xN下部障壁層、圧縮歪を有するInyGa1-yN(0≦y≦1)からなるInyGa1-yNチャネル層、AlzGa1-zN(0≦z≦1)からなるAlzGa1-zNコンタクト層が、順次積層されてなるダブルへテロ構造を具え、
InyGa1-yNチャネル層の、AlzGa1-zNコンタクト層との界面近傍には、2次元電子ガスが生成されており、
AlzGa1-zNコンタクト層上には、ソース電極とドレイン電極として、少なくとも、二つのオーミック電極が形成されており、
ソース電極とドレイン電極で挟まれた領域に、ゲート電極が設けられ、該ゲート電極と、ソース電極とドレイン電極により、電界効果トランジスタを構成可能な構造を備えており、
ソース電極とドレイン電極で挟まれた領域には、
前記AlzGa1-zNコンタクト層の一部を前記InyGa1-yNチャネル層が露出するまでエッチング除去して形成されるリセス部が設けられ、
該リセス部に、多結晶またはアモルファスからなる絶縁膜を介して、前記ゲート電極が埋め込まれるように形成されている
ことを特徴とする半導体装置である。
前記AlzGa1-zNコンタクト層のAl組成zを、前記AlxGa1-xN下部障壁層のAl組成xよりも大きく選択する。
前記AlxGa1-xN下部障壁層には、浅いn型不純物が添加されており、
前記ゲート電極と、ソース電極とドレイン電極を、等しい電位とする際、
前記InyGa1-yNチャネル層の、前記AlxGa1-xN下部障壁層との界面近傍には、2次元電子ガスが生成されている形態とする。
前記AlzGa1-zNコンタクト層には、浅いn型不純物が添加されている形態とする。
作製される電界効果トランジスタの閾値電圧VTが正である態様を達成することが可能である。
AlzGa1-zNコンタクト層上には、ソース電極とドレイン電極として、少なくとも、二つのオーミック電極を形成する。このオーミック電極の形成は、AlzGa1-zNコンタクト層の表面に、例えば、チタン(Ti)/アルミニウム(Al)/ニッケル(Ni)/金(Au)などの金属を蒸着し、パターニングを行う。次いで、例えば、窒素ガス雰囲気中、温度850℃、30秒間、アロイ処理することにより、オーム性接触を形成する。
・コンタクト層とチャネル層とのヘテロ接合界面におけるバンド不連続ΔEc(contact/channel)が、ΔEc(AlzGa1-zN/InyGa1-yN)と同様に、このコンタクト層とチャネル層の界面にキャリア(電子)を蓄積し、2次元電子ガスを生成することができる;
・コンタクト層とチャネル層とのヘテロ接合界面には、分極効果により、正の界面電荷σ(contact/channel)が生成している状態である;
・コンタクト層を構成するエピタキシャル成長層の格子定数は、AlxGa1-xN下部障壁層の格子定数a(AlxGa1-xN)となっている;
以上の3つの条件を満たす範囲では、
AlzGa1-zNに代えて、他のIII族窒化物半導体からなるコンタクト層を採用しても、同等の効果を達成することができる。例えば、GaN、InGaN、InAlN、InAlGaN中から、上記の条件を満足するIII族窒化物半導体を選択して、コンタクト層に用いることもできる。
・実効的な格子定数が、AlzGa1-zNの格子定数a(AlzGa1-zN)と等しい;
・実効的な伝導帯端のエネルギーEcは、コンタクト層とチャネル層とのヘテロ接合界面におけるバンド不連続ΔEc(contact/channel)を、ΔEc(AlzGa1-zN/InyGa1-yN)と同程度とする;
・コンタクト層とチャネル層とのヘテロ接合界面には、分極効果により、正の界面電荷σ(contact/channel)が生成し、σ(AlzGa1-zN/InyGa1-yN)と同等である;
以上の3つの条件を満たす範囲では、
AlzGa1-zNに代えて、AlN/GaNの組み合わせからなる超格子構造を用いてもよい。
・下部障壁層とチャネル層とのヘテロ接合界面におけるバンド不連続ΔEc(barrier/channel)が、ΔEc(AlxGa1-xN/InyGa1-yN)と同様に、この下部障壁層とチャネル層の界面にキャリア(電子)を蓄積した際、2次元電子ガスを生成することができる;
・下部障壁層とチャネル層とのヘテロ接合界面には、分極効果により、負の界面電荷σ(channel/barrier)が生成している状態である;
・下部障壁層を構成するエピタキシャル成長層の格子定数は、AlxGa1-xNの格子定数a(AlxGa1-xN)となっている;
以上の3つの条件を満たす範囲では、
AlxGa1-xNに代えて、他のIII族窒化物半導体からなる下部障壁層を採用しても、同等の効果を達成することができる。例えば、GaN、InGaN、InAlN、InAlGaN中から、上記の条件を満足するIII族窒化物半導体を選択して、下部障壁層に用いることもできる。
・実効的な格子定数が、AlxGa1-xNの格子定数a(AlxGa1-xN)と等しい;
・実効的な伝導帯端のエネルギーEcは、下部障壁層とチャネル層とのヘテロ接合界面におけるバンド不連続ΔEc(barrier/channel)を、ΔEc(AlxGa1-xN/InyGa1-yN)と同程度とする;
・下部障壁層とチャネル層とのヘテロ接合界面には、分極効果により、負の界面電荷σ(channel/barrier)が生成し、σ(InyGa1-yN/AlxGa1-xN)と同等である;
以上の3つの条件を満たす範囲では、
AlxGa1-xNに代えて、AlN/GaNの組み合わせからなる超格子構造を用いてもよい。
・下部障壁層とチャネル層とのヘテロ接合界面におけるバンド不連続ΔEc(barrier/channel)が、ΔEc(AlxGa1-xN/InyGa1-yN)と同様に、この下部障壁層とチャネル層の界面にキャリア(電子)を蓄積した際、2次元電子ガスを生成することができる;
・下部障壁層とチャネル層とのヘテロ接合界面には、分極効果により、負の界面電荷σ(channel/barrier)が生成している状態である;
・チャネル層を構成するエピタキシャル成長層の格子定数は、AlxGa1-xNの格子定数a(AlxGa1-xN)となっている;
・チャネル層中に、浅いn型不純物(ドナー)をドーピングしており、チャネル層中にキャリア(電子)を蓄積する形態である;
以上の4つの条件を満たす範囲では、
InyGa1-yNに代えて、他のIII族窒化物半導体からなるチャネル層を採用しても、同等の効果を達成することができる。例えば、InN、InGaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN中から、上記の条件を満足するIII族窒化物半導体を選択して、チャネル層に用いることもできる。
・実効的な格子定数が、InyGa1-yNの格子定数a(InyGa1-yN)と等しい;
・実効的な伝導帯端のエネルギーEcは、下部障壁層とチャネル層とのヘテロ接合界面におけるバンド不連続ΔEc(barrier/channel)を、ΔEc(AlxGa1-xN/InyGa1-yN)と同程度とする;
・下部障壁層とチャネル層とのヘテロ接合界面には、分極効果により、負の界面電荷σ(channel/barrier)が生成し、σ(InyGa1-yN/AlxGa1-xN)と同等である;
以上の3つの条件を満たす範囲では、
InyGa1-yNに代えて、InN/GaNの組み合わせからなる超格子構造を用いてもよい。
図1は、本発明の第一の実施形態にかかる半導体装置の構造の一例を模式的に示す断面図である。
GaNチャネル層43とAlx4Ga1-x4N下部障壁層42との界面においては、分極Pは、P43からP42へと不連続な変化を示す。そのため、この界面には、シート状の分極電荷σ43が発生している。この界面で発生する界面電荷密度σ43/q(但し、qは、電子の電荷量(単位電荷)を表す)は、σ43/q=(P43−P42)/qとなる。
図5は、本発明の第二の実施形態にかかる半導体装置の構造の一例を模式的に示す断面図である。
上記の第一の実施形態、第二の実施形態にかかる半導体装置は、本発明をエンハンスメント動作可能な電界効果トランジスタへ適用する形態である。
Claims (11)
- III族窒化物半導体を利用する半導体装置であって、
該半導体装置は、
格子緩和したAl x Ga 1−x N(0<x<1)からなるAl x Ga 1−x N下部障壁層、圧縮歪を有するIn y Ga 1−y N(0≦y≦1)からなるIn y Ga 1−y Nチャネル層、Al z Ga 1−z N(0<z≦1)からなるAl z Ga 1−z Nコンタクト層が、順次積層されてなるダブルへテロ構造を具え、
In y Ga 1−y Nチャネル層の、Al z Ga 1−z Nコンタクト層との界面近傍には、2次元電子ガスが生成されており、
AlzGa1−zNコンタクト層上には、ソース電極とドレイン電極として、少なくとも、二つのオーミック電極が形成されており、
ソース電極とドレイン電極で挟まれた領域に、ゲート電極が設けられ、該ゲート電極と、ソース電極とドレイン電極により、電界効果トランジスタを構成可能な構造を備えており、
ソース電極とドレイン電極で挟まれた領域には、
前記Al z Ga 1−z Nコンタクト層の一部を前記In y Ga 1−y Nチャネル層が露出するまでエッチング除去して形成されるリセス部が設けられ、
該リセス部に、多結晶またはアモルファスからなる絶縁膜を介して、前記ゲート電極が埋め込まれるように形成されており、
前記ゲート電極直下のチャネル領域では、ゲート電極/絶縁膜/In y Ga 1−y Nチャネル層のMIS構造が構成されており、
前記Al x Ga 1−x N下部障壁層は、基板上に形成されている、C軸成長のAl u Ga 1−u N(0≦u≦1)を含むバッファ層上に形成されており、
前記Al u Ga 1−u N(0<u≦1)を含むバッファ層は、基板上に成長されたノンドープのAlN薄膜を下地層として利用し、エピタキシャル成長により形成されており、
前記Al u Ga 1−u N(0<u≦1)を含むバッファ層とAlxGa1−xN下部障壁層との界面において、前記バッファ層に含まれるAl u Ga 1−u N(0<u≦1)のAl組成uは、Al x Ga 1−x N下部障壁層のAl組成xと一致しており、
前記Al u Ga 1−u N(0<u≦1)を含むバッファ層中の格子定数は、下地層として利用するAlNの格子定数a(AlN)から、Al x Ga 1−x N下部障壁層に用いるAl x Ga 1−x N(0<x<1)の格子定数a(Al x Ga 1−x N)へと、膜厚方向に格子定数が変化する構成が選択されており、
前記AlxGa1−xN下部障壁層には、浅いn型不純物が添加されており、
前記ゲート電極と、ソース電極とドレイン電極を、等しい電位とする際、
前記InyGa1−yNチャネル層の、前記AlxGa1−xN下部障壁層との界面近傍には、2次元電子ガスが生成されている
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記絶縁膜は、Si3N4、SiO2、SiON、Al2O3、Ga2O3、ZnO、MgO、HfO2からなる群より選択される、絶縁材料の多結晶またはアモルファスからなる単層膜、あるいは、前記単層膜の複数で構成される積層構造の多層膜である
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記AlzGa1−zNコンタクト層のAl組成zと、前記AlxGa1−xN下部障壁層のAl組成xは、その差(z−x)が(z−x)>0.02を満たすように選択されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 - 前記AlzGa1−zNコンタクト層には、浅いn型不純物が添加されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 - 前記InyGa1−yNチャネル層は、アンドープ、または浅いn型不純物が添加されたInyGa1−yN(0≦y≦1)からなる
ことを特徴とする請求項1−4のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記AlxGa1−xN下部障壁層、InyGa1−yNチャネル層、AlzGa1−zNコンタクト層は、いずれも、C軸成長エピタキシャル膜である
ことを特徴とする請求項1−5のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記AlzGa1−zNコンタクト層とInyGa1−yNチャネル層のヘテロ接合界面における、前記AlzGa1−zNとInyGa1−yNとの伝導帯エネルギー差によるバンド不連続ΔEc(AlzGa1−zN/InyGa1−yN)は、50meV以上の範囲に選択されている
ことを特徴とする請求項1−6のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記AlxGa1−xN下部障壁層とInyGa1−yNチャネル層のヘテロ接合界面における、前記AlxGa1−xNとInyGa1−yNとの伝導帯エネルギー差によるバンド不連続ΔEc(AlxGa1−xN/InyGa1−yN)は、50meV以上の範囲に選択されている
ことを特徴とする請求項1−7のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記ノンドープのAlN薄膜の膜厚:tnuclearは、10nm〜500nmの範囲に選択され;
前記AluGa1−uN(0<u≦1)を含むバッファ層の膜厚:tbufferは、0.5〜3μmの範囲に選択されている
ことを特徴とする請求項1−8のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記絶縁膜の膜厚は、5nm〜500nmの範囲に選択されている
ことを特徴とする請求項1−9のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記AlxGa1−xN下部障壁層中に、浅いn形不純物が、面密度Ndで添加され、
前記AlxGa1−xN下部障壁層と前記InyGa1−yNチャネル層の界面に、自発性分極効果とピエゾ分極効果に起因して、面密度Npで負の分極電荷が生成され、
前記面密度Ndと、面密度Npの間において、
関係式 Nd≦Np が成り立つ
ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
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