JP6859646B2 - 化合物半導体装置、化合物半導体装置の製造方法、電源装置、及び増幅器 - Google Patents

化合物半導体装置、化合物半導体装置の製造方法、電源装置、及び増幅器 Download PDF

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Description

本発明は、化合物半導体装置、化合物半導体装置の製造方法、電源装置、及び増幅器に関する。
化合物半導体装置には様々なタイプのものがある。なかでも、HEMT(High Electron Mobility Transistor)は、雑音が小さく高速動作が可能であり、この特徴を活かして携帯電話の基地局等に使用されている。
そのHEMTにおいては、電子走行層に誘起された二次元電子ガスがキャリアとなる。電子走行層の材料としては様々な材料があるが、GaN等の窒化物半導体を電子走行層の材料として使用すると、窒化物半導体が有する大きいバンドギャップによってHEMTの耐圧を高めることができる。
電子走行層であるGaN層に二次元電子ガスを誘起するには、そのGaN層との間で格子定数差と自発分極差が生じるAlGaN層をGaN層の上に形成すればよい。この場合、各層の格子定数差に起因してAlGaN層に歪みが生じる。そして、この歪みが原因でAlGaN層に発生したピエゾ分極や自発分極により、電子走行層であるGaN層に二次元電子ガスを誘起することができる。
しかしながら、上記のように窒化物半導体を材料に用いたHEMTには電流コラプス現象が発生することがある。
電流コラプス現象は、ソース‐ドレイン間電圧を高めるとオン抵抗が上昇し、ドレイン電流が増加し難くなる現象であって、HEMTの高出力化を阻む一因となる。
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、電流コラプス現象が発生するのを抑制することを目的とする。
以下の開示の一観点によれば、基板と、前記基板の上に形成された電子走行層と、前記電子走行層の上に形成され、ガリウムを含む化合物半導体層と、前記化合物半導体層の上に形成され、酸化ガリウムを含む拡散防止層と、前記拡散防止層の上に形成された絶縁層と、前記電子走行層の上方において互いに間隔をおいて形成されたソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極と、を有し、前記化合物半導体層は、前記ガリウムの他にIII族元素を含み、前記化合物半導体層は、前記拡散防止層寄りの上層と、前記上層よりも下の下層とを有し、前記上層における前記III族元素の組成比は、前記下層における前記III族元素の組成比よりも小さい化合物半導体装置が提供される。
以下の開示によれば、拡散防止層に含まれる酸化ガリウムが、化合物半導体層から絶縁層にガリウム原子が拡散するのを防止するように機能する。そのため、ガリウム原子の拡散に起因して化合物半導体層や絶縁層に電子トラップが形成され難くなり、その電子トラップによって電流コラプス現象が発生するのを抑制することができる。
図１は、検討に使用した化合物半導体装置の断面図である。 図２は、検討に使用した化合物半導体装置のTEM像を基にして描いた図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る化合物半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。 図４（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る化合物半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。 図５（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る化合物半導体装置の製造途中の断面図（その３）である。 図６（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る化合物半導体装置の製造途中の断面図（その４）である。 図７（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る化合物半導体装置の製造途中の断面図（その５）である。 図８（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る化合物半導体装置の製造途中の断面図（その６）である。 図９は、第１実施形態に係る化合物半導体装置の製造途中の断面図（その７）である。 図１０は、第１実施形態に係る化合物半導体装置の製造途中の断面図（その８）である。 図１１は、第１実施形態に係る化合物半導体装置のTEM像を基にして描いた図である。 図１２（ａ）は、比較例に係る化合物半導体装置の３端子特性の測定結果を示すグラフであり、図１２（ｂ）は、第１実施形態に係る化合物半導体装置の３端子特性の測定結果を示すグラフである。 図１３（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る化合物半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。 図１３（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る化合物半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。 図１５は、第２実施形態に係る化合物半導体装置のTEM像を基にして描いた図である。 図１６（ａ）は、比較例に係る化合物半導体装置の３端子特性の測定結果を示すグラフであり、図１６（ｂ）は、第２実施形態に係る化合物半導体装置の３端子特性の測定結果を示すグラフである。 図１７は、第３実施形態に係るディスクリートパッケージの平面図である。 図１８は、第４実施形態に係るPFC回路の回路図である。 図１９は、第５実施形態に係る電源装置の回路図である。 図２０は、第６実施形態に係る高周波増幅器の回路図である。
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。
図１は、その検討に使用した化合物半導体装置の断面図である。
この化合物半導体装置１は、HEMTであって、SiC基板２と、その上に形成されたGaNの電子走行層３とを有する。なお、SiC基板２と電子走行層３との間に核形成層を含むバッファ層を形成してもよい。
電子走行層３の上には、ソース電極７とドレイン電極８が互いに間隔をおいて形成される。
そして、そのソース電極７とドレイン電極８の間の電子走行層３の上には、中間層４、障壁層５、及びキャップ層６がこの順に形成される。
このうち、中間層４は、電子走行層３の成膜終了後にその表面が荒れるのを防止する役割を担っており、この例ではAlN層を中間層４として形成する。
また、障壁層５は、電子走行層３との間で格子定数差が生じ、かつ電子走行層３との間に障壁を形成するAlGaN層である。その格子定数差や自発分極差に起因してピエゾ分極や自発分極が発生し、これにより電子走行層３に二次元電子ガスeが発生する。その二次元電子ガスeはキャリアとして機能し、中間層４寄りの電子走行層３に蓄積される。
そして、キャップ層６は、障壁層５に含まれるアルミニウムが酸化するのを防止したり電界を緩和したりするために設けられ、この例ではキャップ層６としてGaN層を形成する。
更に、キャップ層６の上にはゲート電極９と絶縁層１０が形成される。絶縁層１０は、大気中の水分等から化合物半導体装置１を保護する役割を担っており、この例では防湿機能に優れた窒化シリコン膜を絶縁層１０として形成する。
上記した化合物半導体装置１においては、障壁層５やキャップ層６の材料として窒化物半導体が使用される。この場合、前述のように化合物半導体装置１に電流コラプス現象が起きることがある。
本願発明者は、電流コラプス現象の原因を探るため、この化合物半導体装置１をTEM(Transmission Electron Microscope)で観察した。
図２は、そのTEM像を基にして描いた図である。
この例では、キャップ層６と絶縁層１０との界面をTEMで観察した。
図２に示すように、その界面は薄くぼやけている。これは、キャップ層６として形成したＧａＮ層のガリウム原子が、絶縁層１０として形成した窒化シリコン膜に拡散したためと考えられる。その拡散長dは、キャップ層６の表面から３nm程度である。
このようにガリウム原子が拡散すると、キャップ層６においてガリウム原子が欠損し、Ga-N結合の破壊が生じる。また、絶縁層１０においては、キャップ層６から拡散してきたガリウム原子によってSi-N結合が破壊される。このようにGa-N結合やSi-N結合が破壊された部分は電子トラップとなるため、その電子トラップに捕獲された電子によってキャップ層６と絶縁層１０との界面付近でチャージアップが発生する。
そのチャージアップ（電子捕獲）が原因で伝導帯が持ち上げられて電子濃度が低下し、前述の電流コラプス現象が発生すると考えられる。
そのため、電流コラプス現象を抑制するには絶縁層１０にガリウム原子が拡散するのを防止するのが有効であると考えられる。
このような知見に鑑み、本願発明者は、以下の各実施形態を着想した。
（第１実施形態）
第１実施形態に係る化合物半導体装置について、その製造工程を追いながら説明する。
図３〜図１０は、本実施形態に係る化合物半導体装置の製造途中の断面図である。本実施形態では、以下のようにして化合物半導体装置としてHEMTを製造する。
まず、図３（ａ）に示すように、基板２１として半絶縁性のSiC基板を用意し、その上にMOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法でバッファ層２２としてGaN（窒化ガリウム）層を１μm程度の厚さに形成する。
なお、バッファ層２２を形成する前に基板２１の上にAlNの各形成層を予め形成し、その上にバッファ層２２を形成するようにしてもよい。
その後、このバッファ層２２の上にMOVPE法で電子走行層２３としてGaN層を１００nm程度の厚さに形成する。基板２１と電子走行層２３との間には格子定数差があるが、これらの間にバッファ層２２を形成することで、基板２１と電子走行層２３との格子不整合を緩和することができる。
電子走行層２３の成膜条件は特に限定されない。本実施形態では、成膜ガスとしてTMG(Trimethylgalium)ガス、アンモニア（NH3）ガス、及び水素（H2）ガスの混合ガスを使用しながら、基板温度を１０００℃〜１２００℃程度とすることにより電子走行層２３を形成する。
本実施形態では電子走行層２３を形成した後、基板温度を下げずに１０００℃〜１２００℃程度に維持しながら、電子走行層２３の表面を中間層２４で覆う。
中間層２４は、MOVPE法で形成された厚さが１nm程度のAlN層である。
このように中間層２４で電子走行層２３を覆うことによりHEMTの移動度が向上する。
その後に、中間層２４の上に障壁層２５としてMOVPE法でAlGaN（窒化アルミニウムガリウム）層を５nm〜１５nm程度の厚さに形成する。その障壁層２５の成膜ガスとしては、例えば、TMA(Trimethylaluminum)ガス、TMGガス、アンモニアガス、及び水素ガスの混合ガスがある。
なお、障壁層２５の自発分極を高めて電子走行層２３に高濃度の二次元電子ガスを誘起するために、上記の成膜ガスにTMI(Trimethylindium)ガスを混合することにより障壁層２５としてInAlGaN層を形成してもよい。そのInAlGaN層は、電子走行層２３や中間層２４よりも低温で形成される。
次に、図３（ｂ）に示すように、障壁層２５の上にGaN層をMOVPE法で１nm〜１０nm程度の厚さに形成し、そのGaN層をキャップ層２６とする。
そのキャップ層２６により、障壁層２５に含まれるアルミニウムが大気中の酸素によって酸化するのを防止することができると共に、電界を緩和する効果も得られる。
なお、キャップ層２６は、化合物半導体層の一例である。
続いて、図４（ａ）に示すように、キャップ層２６の表面から基板２１に向けてアルゴンイオンを注入することにより素子分離領域２８を形成し、各素子分離領域２８で活性領域を画定する。
次に、図４（ｂ）に示すように、キャップ層２６の上に第１のレジスト層３０を塗布し、それを露光、現像することにより、第１のレジスト層３０に二つの開口３０ａを間隔をおいて形成する。
そして、図５（ａ）に示すように、各開口３０ａを通じて障壁層２５の一部とキャップ層２６をドライエッチングすることにより、障壁層２５の途中の深さに至る第１の開口３１と第２の開口３２を間隔をおいて形成する。
このドライエッチングで使用するエッチングガスは特に限定されず、例えば不活性ガスと塩素（Cl2）ガスとの混合ガスをエッチングガスとして使用し得る。
その後に、加温した有機溶剤で第１のレジスト層３０を除去する。
次いで、図５（ｂ）に示すように、基板２１の上側全面に第２のレジスト層３７と第３のレジスト層３８とをこの順に形成する。この例では、第２のレジスト層３７の材料としてMicroChem社製のPMGIを使用すると共に、第３のレジスト層３７の材料として日本ゼオン株式会社製のZEP520を使用する。
そして、第３のレジスト層３８を電子線で露光した後、日本ゼオン株式会社製のZEP-SDで第３のレジスト層３８を現像することにより、第１の開口３１と第２の開口３２の各々の上方に開口３８ａを形成する。
更に、その開口３８ａを通じて第２のレジスト層３７をウエットエッチングすることにより、開口３８ａから側面が後退した開口３７ａを第２のレジスト層３７に形成する。そのウエットエッチングで使用し得るエッチング液としては、例えば東京応化工業株式会社製のNMD-Wがある。
なお、この例では第３のレジスト層３８を電子線で露光したが、i線用のレジスト層を第３のレジスト層３８として形成し、i線で第３のレジスト層３８を露光してもよい。そのようなi線用のレジスト層としては、例えば、住友化学株式会社製のPFI-32Aがある。
続いて、図６（ａ）に示すように、第３のレジスト層３８の上と各開口３１、３２から露出する障壁層２５の上に、蒸着法により金属積層膜４０として厚さが２０nm程度のチタン層と厚さが２００nm程度のアルミニウム層とをこの順に形成する。
この後に、第２のレジスト層３７と第３のレジスト層３８をリフトオフする。これにより、各開口３１、３２内に形成されていた金属積層膜４０が、互いに間隔がおかれたソース電極４０ａ及びドレイン電極４０ｂとなる。
このとき、前述のように開口３７ａの側面を開口３８ａから後退させたため、第３のレジスト層３８上の金属積層膜４０からソース電極４０ａとドレイン電極４０ｂを分離することができ、リフトオフ後に金属積層膜４０が残るのを防止できる。
次いで、図６（ｂ）に示すように、窒素雰囲気中で基板温度を５５０℃程度とする条件でソース電極４０ａとドレイン電極４０ｂを加熱する。これにより、ソース電極４０ａとドレイン電極４０ｂの材料が電子走行層２３に拡散し、ソース電極４０ａとドレイン電極４０ｂの各々を電子走行層２３にオーミックコンタクトさせることができる。
次に、図７（ａ）に示す工程について説明する。
まず、不図示のアッシングチャンバに基板２１を入れる。そして、そのチャンバ内に酸素ガスを供給し、その酸素ガスに周波数が１３．５６MHzでパワーが２００Wの高周波電力を印加することにより酸素のプラズマ雰囲気を生成する。
そして、そのプラズマ雰囲気にキャップ層２６の表面を３分程度曝すことにより、キャップ層２６の表層のガリウムを酸化し、酸化ガリウムの拡散防止層４１を１nm〜２nm程度の厚さに形成する。
その酸化の際、拡散防止層４１寄りのキャップ層２６の上層２６ａにおいてガリウム原子が消費されるため、当該上層２６ａではガリウム原子が欠乏し、上層２６ａにおけるガリウムの組成比は化学量論的組成よりも小さくなる。
一方、キャップ層２６の下層２６ｂではガリウム原子は消費されない。よって、上層２６ａにおけるガリウムの組成比は、下層２６ｂにおけるガリウムの組成比よりも小さくなる。
なお、拡散防止層４１の形成方法はこれに限定されない。例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やMOVPE法により拡散防止層４１として酸化ガリウム層を形成してもよい。更に、キャップ層２６の表面を大気に曝して酸化することにより拡散防止層４１を形成してもよい。これらについては後述の第２実施形態でも同様である。
続いて、図７（ｂ）に示すように、ソース電極４０ａ、ドレイン電極４０ｂ、及び拡散防止層４１の上に、大気中の水分からデバイスの表面を保護するための絶縁層４２として窒化シリコン層を５０nm程度の厚さに形成する。その窒化シリコン層は化学量論的組成を有しており、その屈折率は波長が６３３nmの光に対して２．０程度である。
また、その窒化シリコン層は、例えば、シランガス（SiH4）とアンモニアガスとを成膜ガスとして使用するプラズマCVD法により形成され得る。
絶縁層４２は窒化シリコン層に限定されない。窒化シリコン層に代えて、酸窒化シリコン層、酸化シリコン層、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム層、酸窒化アルミニウム層、及び酸化ハフニウム層のいずれかを絶縁層４２として形成してもよい。
次に、図８（ａ）に示すように、絶縁層４２の上に第４のレジスト層４３としてMicroChem社製のPMMAを塗布し、それを電子線で露光した後に現像することにより、直径が０．１μm程度の開口４３ａを第４のレジスト層４３に形成する。
そして、エッチングガスとしてSF6ガスを使用しながら開口４３ａを通じて絶縁層４２をドライエッチングすることにより、ソース電極４０ａとドレイン電極４０ｂの間の絶縁層４２に開口４２ａを形成し、その開口４２ａから拡散防止層４１を露出させる。
その後に、第４のレジスト層４３を除去する。
続いて、図８（ｂ）に示すように、絶縁層４２の上に、第５〜第７のレジスト層４５〜４７をこの順に形成する。
各レジスト層４５〜４７の材料は特に限定されない。この例では、第５のレジスト層４５の材料としてMicroChem社製のPMMAを使用し、第６のレジスト層４６の材料としてMicroChem社製のPMGIを使用する。また、第７のレジスト層４７の材料としては、日本ゼオン株式会社製のZEP520を使用する。
そして、電子線により第７のレジスト層４７を露光した後、日本ゼオン株式会社製の現像液ZEP-SDで第７のレジスト層４７を現像することにより、第７のレジスト層４７に幅が０．８μm程度の開口４７ａを形成する。
その後、その開口４７ａを通じて第６のレジスト層４６をウエットエッチングすることにより、開口４７ａから側面が０．５μmだけ後退した開口４６ａを第６のレジスト層４６に形成する。そのウエットエッチングにおけるエッチング液として、例えば東京応化工業株式会社製のNMD-Wを使用する。
更に、その開口４６ａから露出した第５のレジスト層４５を電子線で露光した後、東京応化工業株式会社製の現像液ZMB-Bで第５のレジスト層４５を現像することにより、開口４２ａの上に直径が０．１５μm程度の開口４５ａを形成する。
次に、図９に示すように、第７のレジスト層４７の上に蒸着法により金属積層膜４９として厚さが１０nm程度のニッケル層と厚さが３００nm程度の金層とをこの順に形成する。
その金属積層膜４９は開口４５ａと各開口４６ａ、４７ａ内にも形成される。これにより、開口４２ａから露出したキャップ層２６の上に、マッシュルーム型のゲート電極４９ａがソース電極４０ａとドレイン電極４０ｂの各々から間隔をおいて形成される。
その後に、図１０に示すように、加温した有機溶剤により各レジスト層４５〜４７を溶解して除去する。
以上により、本実施形態に係る化合物半導体装置５０の基本構造が完成する。
この化合物半導体装置５０においては、障壁層２５のピエゾ分極や自発分極によって電子走行層２３にキャリアとして二次元電子ガスeが発生する。
上記した本実施形態によれば、GaNのキャップ層２６と窒化シリコンの絶縁層４２との間に、拡散防止層４１として酸化ガリウム層を形成する。
その酸化ガリウム層におけるGa-O結合はGa-N結合よりも強いため、ガリウム原子が絶縁層４２に拡散するのを抑制することができる。
その結果、ガリウム原子の拡散によってキャップ層２６や絶縁層４２に電子トラップが発生するのを抑制することができ、その電子トラップが原因で電流コラプスが発生するのを抑えることが可能となる。
なお、絶縁層４２の成膜ガスとしては前述のようにシランが使用されるため、シラン中の水素原子に起因したSi-H結合やN-H結合が絶縁層４２に含まれることもある。本実施形態では上記のように拡散防止層４１がガリウム原子の拡散を防止するように機能するため、これらのSi-H結合やN-H結合の構成原子がガリウム原子に置換することが原因で絶縁層４２にガリウム原子が取り込まれることもない。
本願発明者は、拡散防止層４１によってガリウム原子の拡散が抑制されるのを確認するため、化合物半導体装置５０をTEMで観察した。
図１１は、そのTEM像を基にして描いた図である。
この例では、キャップ層２６と絶縁層４２との界面をTEMで観察した。
図１１に示すように、本実施形態においては、図２の例よりもキャップ層２６と絶縁層４２との境目が明瞭に表れており、キャップ層２６から絶縁層４２へのガリウム原子の拡散が抑制されている。なお、ガリウム原子の拡散長ｄは、図２の例よりも短い２nｍ以下である。
この結果より、拡散防止層４１がガリウム原子の拡散を抑制するのに有効であることが確かめられた。
また、本願発明者は、本実施形態において電流コラプス現象が抑制されるのを確かめるため、本実施形態に係る化合物半導体装置５０の３端子特性を測定した。
その測定結果について図１２（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
図１２（ａ）は、比較例として図１の化合物半導体装置１を採用し、その比較例の３端子特性を測定して得られた図である。
図１２（ａ）の横軸はソース‐ドレイン電圧を表し、その縦軸はドレイン電流を表す。これについては後述の図１２（ｂ）でも同様である。
図１２（ａ）に示すように、比較例においては、同じゲート電圧Vgで比較した場合に、ソース‐ドレイン電圧を２０Vにまで高めた場合（実線）のオン抵抗と最大電流が１０Ｖにまで高めた場合（点線）よりも小さくなっており、電流コラプス現象が発生している。
一方、図１２（ｂ）は、本実施形態に係る化合物半導体装置５０の３端子特性を測定して得られた図である。
図１２（ｂ）に示すように、本実施形態においては、同じゲート電圧Vgで比較した場合に、ソース‐ドレイン電圧を２０Vにまで高めた場合（実線）と１０Ｖにまで高めた場合（点線）とでオン抵抗と最大電流が略同じであり、電流コラプス現象が抑制されている。
この結果から、拡散防止層４１を形成することが、電流コラプス現象を抑制するのに有効であることが確かめられた。
（第２実施形態）
第１実施形態では、障壁層２５の上にキャップ層２６を形成することにより、障壁層２５に含まれるアルミニウムが酸化するのをキャップ層２６で防いだ。
障壁層２５の酸化が問題にならない場合には、以下のようにキャップ層２６を省いてもよい。
図１３〜図１４は、本実施形態に係る化合物半導体装置の製造途中の断面図である。なお、図１３〜図１４において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
まず、第１実施形態の図３（ａ）で説明した工程を行うことにより、図１３（ａ）に示すように、基板２１の上にバッファ層２２、電子走行層２３、中間層２４、及び障壁層２５がこの順に積層された構造を得る。
なお、本実施形態では図３（ｂ）の工程を行わず、障壁層２５の上にはキャップ層２６を形成しない。
その障壁層２５の材料は、第１実施形態と同様に、ガリウムの他にIII族元素としてアルミニウムを含むAlGaNである。なお、障壁層２５の自発分極を高めるために、AlGaNにIII族元素のインジウムを添加したInAlGaN層を障壁層２５として形成してもよい。
また、本実施形態では障壁層２５が化合物半導体層の一例となる。
そして、第１実施形態で説明した図４（ａ）〜図６（ｂ）の工程を行うことにより、図１３（ｂ）に示すように、電子走行層２３の上にソース電極４０ａとドレイン電極４０ｂとが互いに間隔をおいて形成された構造を得る。
次に、図１４（ａ）に示すように、第１実施形態の図７（ａ）の工程と同じ条件でアッシングチャンバ内に酸素プラズマを発生させ、その酸素プラズマに障壁層２５の表面を曝す。
これにより、障壁層２５として形成したAlGaN層の表層が酸化され、酸化ガリウムと酸化アルミニウムとを含む拡散防止層４１が１nm〜２nm程度の厚さに形成される。
その酸化の際、拡散防止層４１寄りの障壁層２５の上層２５ａにおいてガリウム原子とアルミニウム原子が消費される。そのため、当該上層２５ａではガリウム原子とアルミニウム原子が欠乏し、上層２５ａにおけるガリウムとアルミニウムの各々の組成比は化学量論的組成よりも小さくなる。
一方、障壁層２５の下層２５ｂではガリウム原子とアルミニウム原子は消費されない。よって、上層２５ａにおけるガリウムとアルミニウムの各々の組成比は、下層２６ｂにおけるガリウムとアルミニウムの各々の組成比よりも小さくなる。
なお、ＩｎＡｌＧａＮ層を障壁層２５として形成した場合には、拡散防止層４１には酸化インジウムも含まれることになる。そして、上記と同様の理由により、上層２５ａにおけるインジウムの組成比は、下層２５ｂにおけるインジウムの組成比よりも小さくなる。
この後は、第１実施形態で説明した図７（ｂ）〜図１０の工程を行うことにより、図１４（ｂ）に示す本実施形態に係る化合物半導体装置６０の基本構造を完成させる。
その化合物半導体装置６０においても、第１実施形態と同様に、障壁層２５のピエゾ分極や自発分極によって電子走行層２３にキャリアとして二次元電子ガスeが発生する。
以上説明した本実施形態によれば、AlGaNの障壁層２５と窒化シリコンの絶縁層４２との間に、酸化ガリウムや酸化アルミニウムを含む拡散防止層４１を設ける。
その酸化アルミニウムのAl-O結合は、酸化ガリウムのGa-O結合よりも結合エネルギが更に高い。よって、酸化ガリウム層を拡散防止層４１として形成する場合と比較して拡散防止層４１が安定となり、ガリウム原子が絶縁層４２に拡散するのを効果的に抑制することができる。
これにより、ガリウム原子の拡散によって障壁層２５や絶縁層４２に電子トラップが発生するのを抑制することができ、その電子トラップが原因で電流コラプスが発生するのを抑えることが可能となる。
本願発明者は、このように酸化ガリウムと酸化アルミニウムとを含む拡散防止層４１によってガリウム原子の拡散が抑制されるのを確認するため、化合物半導体装置６０をTEMで観察した。
図１５は、そのTEM像を基にして描いた図である。
この例では、障壁層２５と絶縁層４２との界面をTEMで観察した。
図１５に示すように、本実施形態においても障壁層２５と絶縁層４２との境目が明瞭に表れており、障壁層２５から絶縁層４２にガリウム原子が拡散するのが抑制されている。なお、そのガリウム原子の拡散長dは、第１実施形態と同様に２nm以下である。
この結果より、本実施形態に係る拡散防止層４１がガリウム原子の拡散を抑制するのに有効であることが確かめられた。
また、本願発明者は、本実施形態において電流コラプス現象が抑制されるのを確かめるため、本実施形態に係る化合物半導体装置６０の３端子特性を測定した。
その測定結果について図１６（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
図１６（ａ）は、比較例として図１の化合物半導体装置１を採用し、その比較例の３端子特性を測定して得られた図である。
図１６（ａ）の横軸はソース‐ドレイン電圧を表し、その縦軸はドレイン電流を表す。これについては後述の図１６（ｂ）でも同様である。
図１６（ａ）の比較例においては、図１２（ａ）を参照して説明したように電流コラプス現象が発生している。
一方、図１６（ｂ）は、本実施形態に係る化合物半導体装置６０の３端子特性を測定して得られた図である。
図１６（ｂ）に示すように、本実施形態においては、同じゲート電圧Vgで比較した場合に、ソース‐ドレイン電圧を２０Vにまで高めた場合（実線）と１０Ｖにまで高めた場合（点線）とでオン抵抗と最大電流が略同じであり、電流コラプス現象が抑制されている。
この結果から、本実施形態のように酸化ガリウムと酸化アルミニウムを含む拡散防止層４１を形成することが、電流コラプス現象を抑制するのに有効であることが確かめられた。
（第３実施形態）
本実施形態では、第１実施形態や第２実施形態で製造した化合物半導体装置５０、６０を備えたディスクリートパッケージについて説明する。
図１７は、本実施形態に係るディスクリートパッケージの平面図である。
このディスクリートパッケージ１００は、化合物半導体装置５０（図１０参照）と化合物半導体装置６０（図１４（ｂ）参照）のいずれかを含むHEMTチップ１０１と、そのHEMTチップ１０１を封止する樹脂１０２とを有する。
このうち、HEMTチップ１０１には、ゲートパッド１０３、ドレインパッド１０４、及びソースパッド１０５が設けられる。これらのパッドの各々は、不図示の配線を介して、前述のゲート電極４９ａ、ドレイン電極４０ｂ、及びソース電極４０ａの各々と電気的に接続される。
また、樹脂１０２には、ゲートリード１１０、ドレインリード１１１、及びソースリード１１２の各々の一部が埋没される。このうち、ドレインリード１１１には正方形状のランド１１１ａが設けられており、ダイアタッチ材１０７によりランド１１１ａにHEMTチップ１０１が接着される。
そして、これらのリード１１０、１１１、１１２の各々は、アルミニウム線等の金属ワイヤ１１４を介してそれぞれゲートパッド１０３、ドレインパッド１０４、及びソースパッド１０５の各々に電気的に接続される。
以上説明した本実施形態によれば、HEMTチップ１０１において電流コラプス現象が発生し難いため、高出力用途に適したディスクリートパッケージ１００を提供することができる。
（第４実施形態）
本実施形態では、第３実施形態のHEMTチップ１０１を用いたPFC（Power Factor Correction）回路について説明する。
図１８は、そのPFC回路の回路図である。
図１８に示すように、PFC回路２００は、ダイオード２０１、チョークコイル２０２、コンデンサ２０３、２０４、ダイオードブリッジ２０５、交流電源２０６、及びスイッチ素子２１０を有する。
このうち、スイッチ素子２１０としては、第３実施形態で説明したHEMTチップ１０１を採用し得る。そのスイッチ素子２１０のドレイン電極は、ダイオード２０１のアノード端子と、チョークコイル２０２の一端子とに接続される。
また、スイッチ素子２１０のソース電極は、コンデンサ２０３の一端子と、コンデンサ２０４の一端子とに接続される。
なお、スイッチ素子２１０のゲート電極には不図示のゲートドライバが接続される。
更に、コンデンサ２０３の他端子とチョークコイル２０２の他端子とが接続されると共に、コンデンサ２０４の他端子とダイオード２０１のカソード端子とが接続される。
そして、コンデンサ２０３の両端子間にはダイオードブリッジ２０５を介して交流電源２０６が接続され、コンデンサ２０４の両端子間には直流電源DCが接続される。
（第５実施形態）
本実施形態では、第３実施形態のHEMTチップ１０１を用いた電源装置について説明する。
図１９は、その電源装置の回路図である。なお、図１９において、第４実施形態で説明したのと同じ要素には第４実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図１９に示すように、電源装置３００は、高圧の一次側回路３０１、低圧の二次側回路３０２、及びこれらの間に接続されたトランス３０３を備える。
このうち、一次側回路３０１には、第４実施形態で説明したPFC回路２００と、そのPFC回路２００のコンデンサ２０４の両端子間に接続されたフルブリッジインバータ回路３０４が設けられる。
そのフルブリッジインバータ回路３０４には、四つのスイッチ素子３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄが設けられる。これらのスイッチ素子３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄの各々としては、第３実施形態で説明したHEMTチップ１０１を採用し得る。
一方、二次側回路３０２は、三つのスイッチ素子３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃを備える。これらのスイッチ素子３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃとしては、例えば、シリコン基板にチャネルが形成されるMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を採用し得る。
以上説明した本実施形態によれば、スイッチ素子２１０、３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄの各々にHEMTチップ１０１を採用する。そのHEMTチップ１０１においては電流コラプス現象が発生し難いため、高出力用途に適した電源装置３００を提供することができる。
（第６実施形態）
本実施形態では、第３実施形態のHEMTチップ１０１を用いた高周波増幅器について説明する。
図２０は、その高周波増幅器の回路図である。
図２０に示すように、高周波増幅器４００は、ディジタル・プレディストーション回路４０１、ミキサ４０２、４０３、及びパワーアンプ４０４を備える。
このうち、ディジタル・プレディストーション回路４０１は、入力信号の非線形歪みを補償する。また、ミキサ４０２は、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号とをミキシングする。
そして、パワーアンプ４０４は、前述のHEMTチップ１０１を備えており、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅する。なお、本実施形態では、スイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサ４０３で交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路４０１に送出できる。
以上説明した本実施形態によれば、パワーアンプ４０４が内蔵するHEMTチップ１０１において電流コラプス現象が発生し難いため、高出力用途に適した高周波増幅器４００を提供することができる。
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１） 基板と、
前記基板の上に形成された電子走行層と、
前記電子走行層の上に形成され、ガリウムを含む化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上に形成され、酸化ガリウムを含む拡散防止層と、
前記拡散防止層の上に形成された絶縁層と、
前記電子走行層の上方において互いに間隔をおいて形成されたソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極と、
を有する化合物半導体装置。
（付記２） 前記電子走行層の上に形成された障壁層を更に有し、
前記化合物半導体層は、前記障壁層の上に形成された窒化ガリウムのキャップ層であることを特徴とする付記１に記載の化合物半導体装置。
（付記３） 前記キャップ層は、前記拡散防止層寄りの上層と、前記上層よりも下の下層とを有し、
前記上層におけるガリウムの組成比は、前記下層におけるガリウムの組成比よりも小さいことを特徴とする付記２に記載の化合物半導体装置。
（付記４） 前記化合物半導体層は、前記電子走行層の上に形成された障壁層であることを特徴とする付記１に記載の化合物半導体装置。
（付記５） 前記障壁層は、前記ガリウムの他にIII族元素を含み、
前記拡散防止層は、前記酸化ガリウムの他に、前記III族元素の酸化物を含むことを特徴とする付記４に記載の化合物半導体装置。
（付記６） 前記障壁層は、前記拡散防止層寄りの上層と、前記上層よりも下の下層とを有し、
前記上層における前記III族元素の組成比は、前記下層における前記III族元素の組成比よりも小さいことを特徴とする付記５に記載の化合物半導体装置。
（付記７） 前記III族元素はアルミニウムであり、
前記障壁層は、窒化アルミニウムガリウム層であることを特徴とする付記５に記載の化合物半導体装置。
（付記８） 前記III族元素はアルミニウムとインジウムであり、
前記障壁層は、インジウムが添加された窒化アルミニウムガリウム層であることを特徴とする付記５に記載の化合物半導体装置。
（付記９） 基板の上に電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層の上にガリウムを含む化合物半導体層を形成する工程と、
前記化合物半導体層の上に、酸化ガリウムを含む拡散防止層を形成する工程と、
前記拡散防止層の上に絶縁層を形成する工程と、
前記電子走行層の上方に、ソース電極とドレイン電極とを互いに間隔をおいて形成する工程と、
前記電子走行層の上方に、前記ソース電極と前記ドレイン電極から間隔をおいてゲート電極を形成する工程と、
を有する化合物半導体装置の製造方法。
（付記１０） 前記拡散防止層を形成する工程は、前記化合物半導体層を酸化することにより行われることを特徴とする付記９に記載の化合物半導体装置の製造方法。
（付記１１） 基板と、
前記基板の上に形成された電子走行層と、
前記電子走行層の上に形成され、ガリウムを含む化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上に形成され、酸化ガリウムを含む拡散防止層と、
前記拡散防止層の上に形成された絶縁層と、
前記電子走行層の上方において互いに間隔をおいて形成されたソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極とを備えた化合物半導体装置を有する電源装置。
（付記１２） 基板と、
前記基板の上に形成された電子走行層と、
前記電子走行層の上に形成され、ガリウムを含む化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上に形成され、酸化ガリウムを含む拡散防止層と、
前記拡散防止層の上に形成された絶縁層と、
前記電子走行層の上方において互いに間隔をおいて形成されたソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極とを備えた化合物半導体装置を有する増幅器。
１…化合物半導体装置、２…SiC基板、３…電子走行層、４…中間層、５…障壁層、６…キャップ層、７…ソース電極、８…ドレイン電極、９…ゲート電極、１０…絶縁層、２１…基板、２２…バッファ層、２３…電子走行層、２４…中間層、２５…障壁層、２６…キャップ層、２６ａ…上層、２６ｂ…下層、２８…素子分離領域、３０…第１のレジスト層、３１…第１の開口、３２…第２の開口、３７…第２のレジスト層、３８…第３のレジスト層、３８ａ…開口、４０…金属積層膜、４０ａ…ソース電極、４０ｂ…ドレイン電極、４２…絶縁層、４２ａ…開口、４３…第４のレジスト層、４３ａ…開口、４５…第５のレジスト層、４５ａ…開口、４６…第６のレジスト層、４６ａ…開口、４７…第７のレジスト層、４７ａ…開口、４９…金属積層膜、４９ａ…ゲート電極、５０、６０…化合物半導体装置、１００…ディスクリートパッケージ、１０１…HEMTチップ、１０２…樹脂、１０３…ゲートパッド、１０４…ドレインパッド、１０５…ソースパッド、１０７…ダイアタッチ材、１１０…ゲートリード、１１１ａ…ランド、１１１…ドレインリード、１１２…ソースリード、１１４…金属ワイヤ、２００…PFC回路、２０１…ダイオード、２０２…チョークコイル、２０３、２０４…コンデンサ、２０５…ダイオードブリッジ、２０６…交流電源、３０１…一次側回路、３０２…二次側回路、３０３…トランス、３０４…フルブリッジインバータ回路、３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ…スイッチ素子、４００…高周波増幅器、４０１…ディジタル・プレディストーション回路、４０２、４０３…ミキサ、４０４…パワーアンプ。

Claims (7)

  1. 基板と、
    前記基板の上に形成された電子走行層と、
    前記電子走行層の上に形成され、ガリウムを含む化合物半導体層と、
    前記化合物半導体層の上に形成され、酸化ガリウムを含む拡散防止層と、
    前記拡散防止層の上に形成された絶縁層と、
    前記電子走行層の上方において互いに間隔をおいて形成されたソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極と、
    を有し、
    前記化合物半導体層は、前記ガリウムの他にIII族元素を含み、
    前記化合物半導体層は、前記拡散防止層寄りの上層と、前記上層よりも下の下層とを有し、
    前記上層における前記III族元素の組成比は、前記下層における前記III族元素の組成比よりも小さい化合物半導体装置。
  2. 前記化合物半導体層は、前記電子走行層の上に形成された障壁層であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体装置。
  3. 前記化合物半導体層は、前記ガリウムの他のIII族元素として少なくともインジウムを含み、
    前記上層を構成するすべてのIII族元素は、前記下層を構成するすべてのIII族元素と同種であり、
    前記上層におけるインジウムの組成比は、前記下層におけるインジウムの組成比よりも小さい請求項１又は２に記載の化合物半導体装置。
  4. 基板の上に電子走行層を形成する工程と、
    前記電子走行層の上にガリウムを含む化合物半導体層を形成する工程と、
    前記化合物半導体層の上に、酸化ガリウムを含む拡散防止層を形成する工程と、
    前記拡散防止層の上に絶縁層を形成する工程と、
    前記電子走行層の上方に、ソース電極とドレイン電極とを互いに間隔をおいて形成する工程と、
    前記電子走行層の上方に、前記ソース電極と前記ドレイン電極から間隔をおいてゲート電極を形成する工程と、
    を有し、
    前記化合物半導体層は、前記ガリウムの他にIII族元素を含み、
    前記化合物半導体層は、前記拡散防止層寄りの上層と、前記上層よりも下の下層とを有し、
    前記上層における前記III族元素の組成比は、前記下層における前記III族元素の組成比よりも小さい化合物半導体装置の製造方法。
  5. 前記化合物半導体層は、前記ガリウムの他のIII族元素として少なくともインジウムを含み、
    前記上層を構成するすべてのIII族元素は、前記下層を構成するすべてのIII族元素と同種であり、
    前記上層におけるインジウムの組成比は、前記下層におけるインジウムの組成比よりも小さい請求項４に記載の化合物半導体装置の製造方法。
  6. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の化合物半導体装置を有する電源装置。
  7. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の化合物半導体装置を有する増幅器。
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