(57)【要約】【課題】ＡｌＮを含む基板上において、電気特性に優れた横型デバイスを得ること。【解決手段】化学式Ａｌａ’Ｇａ１−ａ’Ｎ（０＜ａ’≦１）で表される組成をもつ基板（１１、１２ａ）上に、緩衝層（１２ａ、１２ｂ）を介して、化学式Ａｌｍ’Ｇａ１−ｍ’Ｎ（０≦ｍ’＜１）で表される組成をもつ能動層（１３、１４）が形成され、前記能動層上に離間して第１及び第２の主電極（１５、１６）が形成された構成を備え、前記能動層において前記第１及び第２の主電極間に電流が流されて動作する半導体装置（１０）であって、前記緩衝層は、化学式ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０＜ｂ＜１、ａ’＞ｂ＞ｍ’）で表される組成を有することを特徴とする半導体装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学式Ａｌａ’Ｇａ１−ａ’Ｎ（０＜ａ’≦１）で表される組成をもつ基板上に、緩衝層を介して、化学式Ａｌｍ’Ｇａ１−ｍ’Ｎ（０≦ｍ’＜１）で表される組成をもつ能動層が形成され、前記能動層上に離間して第１及び第２の主電極が形成された構成を備え、前記能動層において前記第１及び第２の主電極間に電流が流されて動作する半導体装置であって、
前記緩衝層は、化学式ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０＜ｂ＜１、ａ’＞ｂ＞ｍ’）で表される組成を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記緩衝層が、前記基板上に形成され、且つ、化学式ＡｌａＧａ１−ａＮ（０＜ａ＜１）で表される組成をもつ第１の緩衝層と、前記第１の緩衝層と前記能動層との間に形成され、且つ、化学式ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０＜ｂ＜１、ａ＞ｂ）で表される組成をもつ第２の緩衝層と、を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１の緩衝層及び前記第２の緩衝層のうち少なくとも一方のＡｌ組成比が、前記基板の基板面と垂直な方向に変化することを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２の緩衝層のＡｌ組成比ｂが、前記第１の緩衝層側で高く、前記能動層側で低くなることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の緩衝層のＡｌ組成比ａが、前記基板の基板面と垂直な方向に均一であることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記能動層が、ヘテロ接合を形成する電子走行層と電子供給層とを備え、前記ヘテロ接合に基づく２次元キャリアガス層を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体のヘテロ接合上に能動領域を備える半導体装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体を用いた半導体装置、特に高出力・高周波用の素子として、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられている。特許文献１に開示されるＨＥＭＴ素子９０の断面構造の概略を図５に示す。図５において、基板９１上に、電子走行層（チャネル層）９３、電子供給層（バリヤ層）９４がエピタキシャル成長によって形成される。ここで、基板９１はＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成され、電子走行層９３はノンドープＧａＮで構成され、電子供給層９４はノンドープＡｌＮで構成される。また、電子走行層９３は基板９１にヘテロ接合し、電子供給層９４は電子走行層９３にヘテロ接合する。なお、ここでいうノンドープとは、伝導性の制御等のための意図的な不純物導入を行っていないことを意味する。
【０００３】
ＨＥＭＴ素子９０において、電子走行層９３の内部には、上記のヘテロ接合に基づき２ＤＥＧ層（２次元電子ガス層）９８が形成される。２ＤＥＧ層９８は、ソース電極９５とドレイン電極９６との間に電流が流れる電流経路である。ゲート電極９７は、ゲート電極９７に印加される電圧によって２ＤＥＧ層９８のオン・オフを制御し、ＨＥＭＴ素子９０のスイッチング動作を行う。
【０００４】
この際、２ＤＥＧ層９８中の電子の速度（移動度）は極めて高いため、ＨＥＭＴ素子９０は高速動作が可能である。また、ＧａＮはＧａＡｓ等と比べてバンドギャップが大きいため、ＨＥＭＴ素子９０は高い絶縁耐圧をもち、高出力動作をすることができる。また、基板９１を構成するＡｌＮは、絶縁性に優れるため、ＨＥＭＴ素子９０の縦方向にリーク電流が流れることを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５３９５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、図５に示すように、ＨＥＭＴ素子９０の２ＤＥＧ層９８は、電子走行層９３が基板９１に格子整合し形成されることにより電子走行層９３と基板９１との界面付近にも形成される。基板９１側の２ＤＥＧ層９８は、ソース・ドレイン間の電流経路として機能する反面、ゲート構造及びゲート電圧によるオフ制御が困難な電流経路である。即ち、ＨＥＭＴ素子９０は、ソース電極９５とドレイン電極９６との間にリーク電流が流れやすい構造を有する。
【０００７】
また、ＡｌＮで構成される基板９１とＧａＮで構成される電子走行層９３との間の格子不整合（格子定数の相違）が大きいため、これらの接合界面には転位等の結晶欠陥が形成されやすい。その結果、ＨＥＭＴ素子９０のオン抵抗、或いは電流コラプスといった電気特性の劣化が生じる。これらの問題は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ≦１）を含む基板を用いても同様に起こりうる。
【０００８】
こうした状況は、ＨＥＭＴ素子に限らず、ＧａＮを基板としたヘテロ構造をもち、横方向（基板面と平行な方向）に電流を流して動作する横型デバイス、例えばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）あるいはＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）等においても同様である。
【０００９】
従って、ＡｌＮを含む基板上において、電気特性に優れた横型デバイスを得ることは困難であった。
【００１０】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、化学式Ａｌａ’Ｇａ１−ａ’Ｎ（０＜ａ’≦１）で表される組成をもつ基板１１、１２ａ上に、緩衝層１２ａ、１２ｂを介して、化学式Ａｌｍ’Ｇａ１−ｍ’Ｎ（０≦ｍ’＜１）で表される組成をもつ能動層１３、１４が形成され、前記能動層上に離間して第１及び第２の主電極１５、１６が形成された構成を備え、前記能動層において前記第１及び第２の主電極間に電流が流されて動作する半導体装置１０であって、
前記緩衝層は、化学式ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０＜ｂ＜１、ａ’＞ｂ＞ｍ’）で表される組成を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は以上のように構成されているので、ＡｌＮを含む基板上において、電気特性が改善された横型デバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＨＥＭＴ素子１０の断面構造、及びこのうちの緩衝層の組成分布を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るＨＥＭＴ素子１０’の断面構造を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の変形例に係るＨＥＭＴ素子１０’’の断面構造、及びこのうちの緩衝層の組成分布を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るＳＢＤ素子２０の断面構造を示す図である。
【図５】窒化物半導体を用いた従来のＨＥＭＴ素子９０の断面構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態に係る半導体装置として、特に高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子について説明する。このＨＥＭＴ素子においては、ＡｌＮを含む基板上にヘテロ構造が形成され、横方向、すなわち基板面と平行な方向に電流が流されて動作する構造を備える。
【実施例１】
【００１５】
図１に、本発明の第１の実施形態に係るＨＥＭＴ素子１０の断面構造（左）、その緩衝層におけるＡｌ組成分布（右）を示す。ＨＥＭＴ素子１０は、基板１１としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用いる。基板１１の上に、第１の緩衝層１２ａとして、Ａｌ組成比ａが一定のノンドープＡｌａＧａ１−ａＮ層（０＜ａ＜１）が形成される。なお、ここでいうノンドープとは、伝導性の制御等のための意図的な不純物導入を行っていないことを意味する。
【００１６】
第１の緩衝層１２ａの上に、第２の緩衝層１２ｂとして、ノンドープＡｌｂＧａ１−ｂＮ層（０＜ｂ＜１）が形成される。第２の緩衝層１２ｂにおいて、Ａｌ組成比ｂは、第２の緩衝層１２ｂの厚み（縦）方向に傾斜を有して変化する。本実施形態におけるＡｌ組成比ｂは、第１の緩衝層１２ａ側において電子走行層１３側よりも高くなる。
【００１７】
緩衝層１２ｂの上には、ノンドープＧａＮからなる電子走行層１３と、ノンドープＡｌＧａＮからなる電子供給層１４と、がＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法又はＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法等によって順次形成される。電子供給層１４を構成するノンドープＡｌＧａＮは、詳細にはＡｌｍＧａ１−ｍＮ（０＜ｍ＜１、ｍ＝０．２０程度）である。電子走行層１３及び電子供給層１４は、共にＨＥＭＴ素子１０における能動層として機能する。
【００１８】
電子供給層１４の上には、ソース電極１５（第１の主電極）及びドレイン電極１６（第２の主電極）が形成され、これらの間における電子走行層１３と電子供給層１４との界面の電子走行層１３側に２次元電子ガスが形成される。この２次元電子ガスからなるチャネルのオン・オフが、空乏層を介してゲート電極１７（制御電極）に印加された電圧で制御される。ソース電極１５及びドレイン電極１６は、共に２ＤＥＧ層（２次元電子ガス層）とオーミック接触をする材料として、例えばＴｉ／Ａｕ等で構成される。ゲート電極１７は、ノンドープＡｌＧａＮとショットキー接触をし、ノンドープＡｌＧａＮ中に空乏層を形成する材料として、例えばＮｉ／Ａｕで構成される。ＨＥＭＴ素子１０は、能動層の上に形成されたソース電極１５とドレイン電極１６との間に流れる電流を制御する横型デバイスである。なお、電子供給層１４として、ｎ型導電型のＡｌＧａＮ層を積層することもできる。
【００１９】
このＨＥＭＴ素子１０の特徴は、第１の緩衝層１２ａがＡｌａＧａ１−ａＮ層で形成されることと、第２の緩衝層１２ｂのＡｌ組成比ｂが、上記のように変化することである。即ち、基板１１と第１の緩衝層１２ａとの間の格子不整合（格子定数の相違）が比較的小さく、さらに、第１の緩衝層１２ａと第２の緩衝層１２ｂとの間の格子不整合、及び、第２の緩衝層１２ｂと電子走行層１３との間の格子不整合が低減されることである。
【００２０】
ここで、上記ＨＥＭＴ素子１０の構造は、図２に示すＨＥＭＴ素子１０’のように見なすことができる。即ち、基板１１及び第１の緩衝層１２ａがＡｌａ’Ｇａ１−ａ’Ｎ層（０＜ａ’≦１）からなる基板を構成し、第２の緩衝層１２ｂを介して、電子走行層１３及び電子供給層１４がＡｌｍ’Ｇａ１−ｍ’Ｎ層（０≦ｍ’＜１）からなる能動層を構成する。なお、後述する作用効果を得るためには、ＨＥＭＴ素子１０’を構成する基板並びに各層のＡｌ組成比が、ａ’＞ｂ＞ｍ’であることが望ましい。
【００２１】
本実施形態に係るＨＥＭＴ素子１０及び１０’の作用効果について説明する。
Ａｌａ’Ｇａ１−ａ’Ｎ層（０＜ａ’≦１）からなる基板が高いＡｌ組成比を有するため、絶縁性が高く、ＨＥＭＴ素子の縦方向にリーク電流が流れることを抑制することができる。
第１の緩衝層１２ａを形成することにより、基板１１と第１の緩衝層１２ａとの間に作用するピエゾ電界が弱められ、また、ヘテロ接合を形成する半導体層の組成変化が抑制されるため、ヘテロ接合界面付近に２ＤＥＧ層が形成されにくい。従って、ＨＥＭＴ素子のソース電極１５とドレイン電極１６との間にリーク電流が流れることを抑制できる。
第２の緩衝層１２ｂの厚み（縦）方向にＡｌ組成比を変化させるため、第１の緩衝層１２ａと第２の緩衝層１２ｂとの間及び第２の緩衝層１２ｂと電子走行層１３との間に作用する応力を緩和し、これらの接合界面において、格子不整合に起因する転位等の結晶欠陥を抑制し、結晶品質を改善することができる。従って、ＨＥＭＴ素子のオン抵抗、或いは電流コラプスといった電気特性が改善される。
【００２２】
なお、ＭＯＶＰＥ法を用いて第２の緩衝層１２ｂを形成する場合、Ａｌの原料ガス（例えばＴＭＡ：トリメチルアルミニウム）の流量を経時変化させればよい。ＭＢＥ法においても、同様にＡｌ分子線強度を変化させればよい。
【００２３】
本発明の第１の実施形態の変形例について説明する。
図３は、本実施形態の変形例に係るＨＥＭＴ素子１０’’の断面構造（左）、その緩衝層におけるＡｌ組成分布（右）を示す。ＨＥＭＴ素子１０’’は、ＨＥＭＴ素子１０における第１及び第２の緩衝層１２ａ、１２ｂに代えてを第３の緩衝層１２ｃを設ける。基板１１の上に、第３の緩衝層１２ｃとして、ノンドープＡｌｃＧａ１−ｃＮ層が形成される（０＜ｃ＜１）。第３の緩衝層１２ｃにおいて、Ａｌ組成比ｃは、第３の緩衝層１２ｃの厚み方向に段階的に変化する。このような構造から、第３の緩衝層１２ｃは、Ａｌ組成比が互いに異なる複数のＡｌＧａＮ層が積層されて構成されると換言できる。
【００２４】
ＨＥＭＴ素子１０’’のように、緩衝層全体にわたってＡｌ組成比を変化させても、本実施形態に係るＨＥＭＴ素子１０及び１０’と同様の作用効果が得られる。なお、Ａｌ組成比の変化は、ＨＥＭＴ１０のような連続的な変化やＨＥＭＴ１０’’のような段階的な変化を適宜選択できる。
【実施例２】
【００２５】
図４は、本発明の第２の実施形態に係るＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  ＢａｒｒｉｅｒＤｉｏｄｅ）素子２０の断面構造を示す。ＳＢＤ素子２０は、ＨＥＭＴ素子１０’’におけるソース電極１５及びドレイン電極１６に代えて、アノード電極（第１の主電極）１８とカソード電極（第２の主電極）１９とを設け、ゲート電極１７を削除した構成を有する。
【００２６】
アノード電極１８は、電子走行層１３に形成される２ＤＥＧ層（２次元電子ガス層）にショットキー接触する材料として、例えばＰｄ（パラジウム）で構成される。また、カソード電極１９は、２ＤＥＧ層とオーミック接触をする材料として、例えばＴｉ／Ａｕ等で構成される。
【００２７】
本実施形態に係るＳＢＤ素子２０においても、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ素子１０及び１０’と同様の作用効果が得られる。
【００２８】
以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において種々の変更や、各実施例或いは変形例の組合せが可能である。例えば、上記の例ではＨＥＭＴ素子について説明したが、ＭＩＳＦＥＴ等の電子デバイスにおいても本願発明が適用できることは明らかである。また、基板材料としてＡｌＧａＮを使用しても良く、電子走行層を構成する半導体層としてＡｌＧａＮ層を使用しても良い。また、２次元電子ガス層に代えて２次元ホールガス層が形成されるように走行層及び電子供給層を構成しても良い。
【符号の説明】
【００２９】
１０、９０  ＨＥＭＴ素子
１１、９１  基板
１２ａ  第１の緩衝層
１２ｂ  第２の緩衝層
１２ｃ  第３の緩衝層
１３、９３  電子走行層
１４、９４  電子供給層
１５、９５  ソース電極
１６、９６  ドレイン電極
１７、９７  ゲート電極
１８  アノード電極
１９  カソード電極
２０  ＳＢＤ素子
【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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