(57)【要約】【課題】  動作特性の温度依存性が小さく、窒化物系半導体デバイスの高温動作が可能であるという特徴を生かすことのできる窒化物系半導体デバイスを実現する。【解決手段】少なくとも一組の窒化物系半導体層のヘテロ接合５と少なくとも２つの電極Ｅからなり、前記一組の半導体層を構成する一の半導体層中に発生する２次元電子ガス層６を走行するキャリアが前記２つの電極の間を流れる電流となる窒化物系半導体デバイスにおいて、前記電極のコンタクト抵抗の温度依存性が負であることを特徴とする窒化物系半導体デバイス。【選択図】  図１
2006261474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一組の窒化物系半導体層のヘテロ接合と少なくとも２つの電極からなり、前記一組の半導体層を構成する一の半導体層中に発生する２次元電子ガス層を走行するキャリアが前記２つの電極の間を流れる電流となる窒化物系半導体デバイスにおいて、前記電極のコンタクト抵抗の温度依存性が負であることを特徴とする窒化物系半導体デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の窒化物系半導体デバイスにおいて、前記窒化物系半導体デバイスが高電子移動度トランジスタ又はショットキーバリアダイオードであることを特徴とする窒化物系半導体デバイス。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の窒化物系半導体デバイスにおいて、前記窒化物系半導体層の半導体材料は、ＡｌxＧａ1-xＮ(０≦ｘ≦１)、ＡｌＩｎＧａＮであり、前記電極が前記窒化物系半導体デバイスの窒化物系半導体層に接触する金属の材料はＴｉ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔａであることを特徴とする窒化物系半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体デバイスに関するものである。更に詳しくは、動作特性の温度依存性が小さい窒化物系半導体デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系半導体は、Ｓｉ，ＧａＡｓ系の半導体に比べてそのバンドギャップエネルギーが大きい。そのため、窒化物系半導体を用いた半導体素子は、耐熱度が高く高温動作に優れているので、この材料を用いた半導体デバイスの開発が行なわれている。窒化物系半導体デバイスとして、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）や、ダイオードがある。
【０００３】
図６に従来技術に係る窒化物系半導体を用いた電界効果トランジスタの一である高電子移動度トランジスタを示した。この高電子移動度トランジスタにおいては、例えばサファイア基板のような基板１の上に、ＧａＮから成るバッファ層２、アンドープＧａＮからなる電子走行層３、および前記電子走行層に比べて薄いアンドープＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなる電子供給層４を順次積層して成る層構造（ヘテロ接合）が形成されている。そして、電子供給層４の上には、ソース電極Ｓ、ゲート電極Ｇ、ドレイン電極Ｄが平面配置されている（特許文献１の従来技術の記載を参照）。
【０００４】
また、電子走行層３と電子供給層４両層のヘテロ接合界面においては、結晶歪みに基づくピエゾ圧電効果でピエゾ電界が発生し、両者の接合界面の直下に２次元電子ガス層６が形成され、２次元電子ガス層６中でキャリアが走行する。２次元電子ガス層６中を走行したキャリアは、ソース電極Ｓ−ドレイン電極Ｄ間を流れる電流になる。
【０００５】
窒化物系半導体デバイスがダイオードである場合については図７を参照しながら説明する。すなわち、図７はショットキーバリアダイオードを示したものである。このショットキーバリアダイオードは、例えばサファイア基板のような基板１の上に、ＧａＮから成るバッファ層２、アンドープＧａＮ層３´、および前記アンドープＧａＮ層３´に比べて薄いアンドープＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４´を順次積層して成る層構造（ヘテロ接合構造）が形成されている。そして、アンドープＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４´の一端には、カソード電極Ｃ、他端には、アノード電極Ａが形成されている。
【０００６】
ここで、カソード電極Ｃはオーミック接合となり、アノード電極Ａはショットキー接合となる。図７に示したショットキーバリアダイオードは、図６に示した高電子移動度トランジスタと同様にして、アンドープＧａＮ層３´とアンドープＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４´両層のヘテロ接合５界面においては、結晶歪みに基づくピエゾ圧電効果でピエゾ電界が発生し、両者の接合界面の直下に２次元電子ガス層６が形成される。そして、アノード電極Ａ−カソード電極Ｃ間を流れる電流は、２次元電子ガス層６中を走行するキャリアが担う。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１７９０８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図６で示した従来技術に係る高電子移動度トランジスタでは、２次元電子ガス層６中でキャリアが走行する。しかし、２次元電子ガス層６中におけるキャリアの移動度は温度に大きく依存し、高電子移動度トランジスタの動作温度が高くなるほど、その移動度は低下する。そのため、動作温度の上昇と共に、電界効果トランジスタのオン抵抗が増大し、また、相互コンダクタンスｇmの値が低下するという問題がある。
【０００９】
以上、窒化物系半導体デバイスの一として電界効果トランジスタについての説明を行ったが、ダイオードの場合であっても同様の問題が発生する。すなわち、図７で示したショットキーバリアダイオードもアノード電極Ａ−カソード電極Ｃ間を流れる電流は、２次元電子ガス層６中を走行するキャリアが担うためである。そのため、動作温度の上昇と共にショットキーバリアダイオードの微分抵抗やオン抵抗の増大を招くという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記問題を解決し、動作特性の温度依存性が小さく、窒化物系半導体デバイスの高温動作が可能であるという特徴を生かすことのできる窒化物系半導体デバイスを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明は、一組の窒化物系半導体層のヘテロ接合と少なくとも２つの電極からなり、前記一組の半導体層を構成する一の半導体層中に発生する２次元電子ガス層を走行するキャリアが前記２つの電極の間を流れる電流となる窒化物系半導体デバイスにおいて、前記電極のコンタクト抵抗の温度依存性が負であることを特徴とする窒化物系半導体デバイス。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の窒化物系半導体デバイスにおいて、前記窒化物系半導体デバイスが高電子移動度トランジスタ又はショットキーバリアダイオードであることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の窒化物系半導体デバイスにおいて、前記窒化物系半導体層の半導体材料は、ＡｌxＧａ1-xＮ(０≦ｘ≦１)、ＡｌＩｎＧａＮであり、前記電極が前記窒化物系半導体デバイスの窒化物系半導体層に接触する金属の材料はＴｉ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔａであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る窒化物系半導体デバイスによれば、電極のコンタクト抵抗の温度依存性が負であるため、２次元電子ガス層中におけるキャリアの移動度の負の温度依存性（２次元電子ガス層のシート抵抗の正の温度依存性）を補償することができる。そのため、本発明に係る窒化物系半導体デバイスは、室温と高温におけるデバイス特性の差が小さい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る概略化されたＧａＮ系電界効果デバイスの断面図を図１に示した。  
すなわち、図１に示すように、本発明に係る窒化物系半導体デバイスは、一組の窒化物系半導体層のヘテロ接合５と２つの電極Ｅを少なくとも有している。ここで、一組の窒化物系半導体層はヘテロ接合５となっているので、一組の窒化物系半導体層のうちバンドギャップエネルギーの小さい方の窒化物系半導体層には２次元電子ガス層６が発生する。また、２つの電極Ｅをそれぞれ２次元電子ガス層６の両端に電気的に接続する。このようにすることで、２次元電子ガス層を走行するキャリアが２つの電極の間を流れる電流となる。なお、電極Ｅの材料はコンタクト抵抗の温度依存性が負となるようなものを選択する。
【００１６】
本発明に係る窒化物系半導体デバイスとして、高電子移動度トランジスタ又はショットキーバリアダイオードを例として挙げることができる。窒化物系半導体デバイスとして、高電子移動度トランジスタとする場合は、一組の窒化物系半導体層のうちバンドギャップエネルギーの小さい方の窒化物系半導体層中の２次元電子ガス層６をトランジスタのチャネル層とする。そして、チャネル層の両端にそれぞれ電気的に接続するソース電極、ドレイン電極を形成する。ここで、ソース電極、ドレイン電極の材料はコンタクト抵抗の温度依存性が負となるようなものを選択する。
【００１７】
窒化物系半導体デバイスとして、ショットキーバリアダイオードとする場合は、一組の窒化物系半導体層のうちバンドギャップエネルギーの小さい方に発生する窒化物系半導体層中の２次元電子ガス層６をダイオードのアノード電極Ａ−カソード電極Ｃ間の電流経路とする。ここで、カソード電極Ｃの材料はコンタクト抵抗の温度依存性が負となるようなものを選択する。
【００１８】
上記窒化物系半導体デバイスの窒化物系半導体層の半導体材料としては、ＡｌxＧａ1-xＮ(０≦ｘ≦１)、ＡｌＩｎＧａＮを採用することができる。また、窒化物系半導体デバイスの窒化物系半導体層に接触する電極の材料はＴｉ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔａを採用することができる。このような窒化物系半導体材料及び電極の材料の組み合わせにより、電極のコンタクト抵抗の温度依存性を負とすることができる。
【００１９】
（実施例１）
図２は、実施例１に係る窒化物系半導体デバイスの断面図であり、高電子移動度トランジスタを示すものである。
すなわち、サファイア基板１の上に、ＧａＮから成るバッファ層２、アンドープＧａＮからなる電子走行層３（チャネル層）、および前記電子走行層３に比べて薄いアンドープＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなる電子供給層４を順次積層して成る層構造（ヘテロ接合５）が形成されている。そして、電子供給層４の上には、ソース電極Ｓ、ゲート電極Ｇ、ドレイン電極Ｄが平面配置されている。なお、電子走行層３と電子供給層４の間には薄いＡｌＮからなる中間層７が挿入されている。
【００２０】
また、電子走行層３と電子供給層４両層のヘテロ接合界面においては、結晶歪みに基づくピエゾ圧電効果でピエゾ電界が発生し、両者の接合界面の直下に２次元電子ガス層６が形成され、２次元電子ガス層６中でキャリアが走行する。ここで、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄは、電子供給層４を介して、電子走行層３中の２次元電子ガス層６と電気的に接続している。そのため、２次元電子ガス層６中を走行したキャリアは、ソース電極Ｓ−ドレイン電極Ｄ間を流れる電流になる。
【００２１】
図２で示した本実施例に係る高電子移動度トランジスタを以下のような工程を経て製造した。成長装置はＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置を用い、成長するための基板１はサファイア基板を用いた。
【００２２】
１）まず、サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ターボポンプでＭＯＣＶＤ装置内の真空度を１×１０-6ｈＰａ以下になるまで真空引きした後、真空度を１００ｈＰａとし基板を１１００℃に昇温した。温度が安定したところで、基板１を９００ｒｐｍで回転させ、原料となるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を１００ｃｍ3／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で基板１の表面に導入しＧａＮからなるバッファ層２の成長を行った。ここで、バッファ層２の膜厚は５０ｎｍ程度であった。
【００２３】
２）その後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を１００ｃｍ3／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量でバッファ層２の上に導入してＧａＮからなる電子走行層３の成長を行った。なお、電子走行層３の膜厚は２０００ｎｍであった。
【００２４】
３）電子走行層３を成膜後、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を５０ｃｍ3／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で導入し厚さ０．５ｎｍのＡｌＮからなる中間層７の成長を行なった。最後に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を５０ｃｍ3／ｍｉｎ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を１００ｃｍ3／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で導入し、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなる電子供給層４の成長を行って層構造を構成した。ここで、電子供給層４の膜厚は２５ｎｍであった。
【００２５】
４）そしてＥＢ蒸着法により、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ（Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ，厚さは１５ｎｍ／５０ｎｍ／１００ｎｍ／７５ｎｍ）を形成し、窒素雰囲気中において、７５０℃の温度で電極のアニールを行なった。そして、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄの間にゲート電極Ｇ（Ｐｔ／Ａｕ，厚さは２０ｎｍ／２００ｎｍ）を形成することにより、図２で示した高電子移動度トランジスタが得られた。
【００２６】
以上の工程を経て得られた高電子移動度トランジスタのソース電極Ｓとドレイン電極Ｄを構成する金属のうち、電子供給層４に接触する金属はＴｉとなっている。この場合は、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄのコンタクト抵抗（接触抵抗）の温度依存性は図３に示したようになり、負の温度依存性を示した。一方、上記高電子移動度トランジスタの２次元電子ガス層６のシート抵抗（半導体抵抗）の温度依存性は図３に示したようになり、正の温度依存性を示す。
【００２７】
ここで、正の温度依存性を示す２次元電子ガス層６の抵抗は、負の温度依存性を有するソース電極Ｓ及びドレイン電極Ｄのコンタクト抵抗により相殺される。したがって、ソース電極Ｓ−ドレイン電極Ｄ間の抵抗（ＦＥＴｏｎ抵抗）は、図３に示したように、温度依存性が小さくなった。
【００２８】
（実施例２）
図４は、実施例２に係る窒化物系半導体デバイスの断面図であり、ショットキーバリアダイオードを示すものである。
すなわち、サファイア基板１の上に、ＧａＮから成るバッファ層２、アンドープＧａＮ層３´、およびアンドープＧａＮ層３´に比べて薄いアンドープＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４´を順次積層して成る層構造（ヘテロ接合５）が形成されている。そして、アンドープＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４´の上には、カソード電極Ｃ及びアノード電極Ａが平面配置されている。
【００２９】
アンドープＧａＮ層３´とアンドープＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４´両層のヘテロ接合５界面においては、結晶歪みに基づくピエゾ圧電効果でピエゾ電界が発生し、両者の接合界面の直下に２次元電子ガス層６が形成され、２次元電子ガス層６中でキャリアが走行する。ここで、図４に示したように、カソード電極Ｃ及びアノード電極Ａは、アンドープＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４´上に配置されているので、２次元電子ガス層６はカソード電極Ｃ及びアノード電極Ａと電気的に接続する。そのため、２次元電子ガス層６中を走行したキャリアは、カソード電極Ｃ−アノード電極Ａ間を流れる電流になる。
【００３０】
図４で示した本実施例に係るショットキーバリアダイオードを以下のような工程を経て製造した。成長装置はＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置を用い、成長するための基板１はサファイア基板を用いた。
【００３１】
１）まず、サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ターボポンプでＭＯＣＶＤ装置内の真空度を１×１０-6ｈＰａ以下になるまで真空引きした後、真空度を１００ｈＰａとし基板を１１００℃に昇温した。温度が安定したところで、基板１を９００ｒｐｍで回転させ、原料となるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を１００ｃｍ3／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で基板１の表面に導入しＧａＮからなるバッファ層２の成長を行った。ここでバッファ層２の膜厚は５０ｎｍ程度であった。
【００３２】
２）その後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を１００ｃｍ3／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量でバッファ層２の上に導入してアンドープＧａＮ層３´の成長を行った。なお、アンドープＧａＮ層３´の膜厚は２０００ｎｍであった。
【００３３】
３）アンドープＧａＮ層３´を成膜後、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を５０ｃｍ3／ｍｉｎ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を１００ｃｍ3／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で導入し、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４´の成長を行って層構造を構成した。ここで、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４´の膜厚は２５ｎｍであった。
【００３４】
４）そしてスパッタ法により、カソード電極Ｃ（Ｔｉ／Ａｌ，厚さは１５ｎｍ／３００ｎｍ）を形成し、窒素雰囲気中において、６５０℃の温度で電極のアニールを行なった。その後、アノード電極Ａ（Ｎｉ／Ａｕ，厚さは２０ｎｍ／２００ｎｍ）を形成し、図４で示したショットキーバリアダイオードが得られた。
【００３５】
以上の工程を経て得られたショットキーバリアダイオードのカソード電極Ｃを構成する金属のうち、半導体層に接触する金属はＴｉとなっている。この場合、カソード電極Ｃのコンタクト抵抗（接触抵抗）の温度依存性は図５に示したようになり、負の温度依存性を示した。一方、上記ショットキーバリアダイオードの２次元電子ガス層６のシート抵抗（半導体抵抗）の温度依存性は図５に示したようになり、正の温度依存性を示す。
【００３６】
ここで、正の温度依存性を示す２次元電子ガス層６の抵抗は、負の温度依存性のあるカソード電極Ｃのコンタクト抵抗により相殺される。したがって、アノード電極Ａ−カソード電極Ｃ間の抵抗（ＳＢＤ微分抵抗）は、図５に示したように、温度依存性が小さくなった。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る窒化物系半導体デバイスの形態を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係る高電子移動度トランジスタの断面図である。
【図３】本発明の実施例１に係る高電子移動度トランジスタの特性の温度依存性を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例２に係るショットキーバリアダイオードの断面図である。
【図５】本発明の実施例１に係るショットキーバリアダイオードの特性の温度依存性を示すグラフである。
【図６】従来技術に係る高電子移動度トランジスタの断面図である。
【図７】従来技術に係るダイオードの断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  基板
２  バッファ層
３  電子走行層
３´  ＧａＮ層
４  電子供給層
４´  Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層
５  ヘテロ接合
６  ２次元電子ガス層
７  中間層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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