(57)【要約】      （修正有）【課題】ＩＩＩ族窒化物エンハンスメントモード電界効果デバイスについての構造および製造工程がある製造方法を提供する。【解決手段】二次元電子ガス３８が、ＩＩＩ族窒化物バリア層２６およびＩＩＩ族窒化物半導体層を含む１対の活性層２８の間の界面において、またはこの界面付近において存在する。バリア層２６は、隣接し下にある半導体層２４のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する。バリア層２６上にわたって配置された１つ以上の層２８を設けることによって二次元電子ガスを発生させる。ゲート電極３２はバリア層と直接接触している。ソース電極３４およびドレイン電極３６用のそれぞれのオーミックコンタクトは、バリア層２６と直接接触しているか、またはバリア層２６上にわたって配置された半導体窒化物層２８と直接接触している。【選択図】図１
2011238931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンハンスメントモード電界効果デバイスであって、
ＩＩＩ族窒化物半導体層で構成される第１の活性層と、
第１の活性層上のＩＩＩ族窒化物バリア層で構成される第２の活性層とを含み、第２の活性層は第１の活性層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有し、第１の活性層と第２の活性層との間の界面において、またはその界面付近において二次元電子ガスが存在し、前記エンハンスメントモード電界効果デバイスはさらに、
第２の活性層上にわたって配置された１つ以上の被覆層を含み、１つ以上の被覆層のうち少なくともいくつかの被覆層の材料組成は、第２の活性層の材料組成とは異なり、二次元電子ガスは１つ以上の被覆層がない状態では存在せず、前記エンハンスメントモード電界効果デバイスはさらに、
１つ以上の被覆層を通って延在し、第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層と直接接触しているゲート電極と、
ＩＩＩ族窒化物コンタクト層と直接接触しているソース電極およびドレイン電極とを含む、エンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項２】
ソースコンタクトおよびドレインコンタクトのためのＩＩＩ族窒化物コンタクト層は、第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層である、請求項１に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項３】
第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層が、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮおよびＡｌＩｎＮからなる群から選択される、請求項１に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項４】
第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層の厚さが５ｎｍ未満である、請求項３に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項５】
１つ以上の被覆層が、第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する半導体オーミックコンタクト層を含む、請求項１に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項６】
半導体オーミックコンタクト層がＩＩＩ族窒化物を含む、請求項５に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項７】
半導体窒化物オーミックコンタクト層はさらに、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮまたはＡｌＩｎＮを含む、請求項６に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項８】
第１および第２の活性層が１つ以上のバッファ層上にわたって配置される、請求項１に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項９】
１つ以上のバッファ層が核形成層および基板上にわたって配置される、請求項８に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項１０】
第１の活性層がバッファ層である、請求項８に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項１１】
バッファ層がＧａＮまたはＡｌＧａＮを含む、請求項８に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項１２】
バッファ層がウルツ鉱結晶構造を有する、請求項８に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項１３】
バッファ層が立方晶系結晶構造を有する、請求項８に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項１４】
第１の活性層が、バッファ層と同じ化学量論で、但し異なるレベルのドーパントで構成される、請求項８に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項１５】
第１の活性層が、バッファ層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する窒化物チャネル層である、請求項８に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項１６】
チャネル層がＩｎＧａＮまたはＧａＮを含む、請求項１５に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項１７】
１つ以上の被覆層がパッシベーション層を含む、請求項１に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項１８】
半導体窒化物オーミックコンタクト層がパッシベーション層の下に延在する、請求項１７に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項１９】
１つ以上の被覆層が、第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層上に直接配置された第２のＩＩＩ族窒化物バリア層をさらに含む、請求項５に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項２０】
第２のＩＩＩ族窒化物バリア層がオーミックコンタクト層の下に延在する、請求項１９に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項２１】
半導体オーミックコンタクト層がＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮまたはＡｌＩｎＮを含み、オーミックコンタクト層がＡｌＩｎＮである場合、第２のＩＩＩ族窒化物バリア層が、オーミックコンタクト層よりもＡｌ割合が高いＡｌＩｎＮを含む、請求項１９に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項２２】
第２のＩＩＩ族窒化物バリア層がバッファに格子整合される、請求項１９に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項２３】
１つ以上の被覆層が、半導体窒化物オーミックコンタクト層と第２のＩＩＩ族窒化物バリア層との間に配置された傾斜半導体層をさらに含む、請求項１９に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項２４】
被覆層のうち少なくとも１つが意図的にドープされる、請求項２１に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項２５】
ソースおよびドレインコンタクト層が、被覆層の下ではなくソース電極およびドレイン電極の下に配置される、請求項１に記載のエンハンスメントモード電界効果デバイス。
【請求項２６】
エンハンスメントモード電界効果デバイスを製造する方法であって、
ヘテロ接合を形成する第１の活性層および第２の活性層を設けるステップを含み、第１の活性層はＩＩＩ族半導体層で構成され、第２の活性層は第１の活性層上に配置されたＩＩＩ族窒化物バリアで構成され、第２の活性層は第１の活性層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有し、前記方法はさらに、
ソースオーミックコンタクトおよびドレインオーミックコンタクトならびにゲートコンタクトのそれぞれのために第２の活性層への開口部をパッシベーション層に設けるステップと、
第２の活性層と直接接触するソース電極およびドレイン電極を設けるステップと、
ゲートコンタクトを形成するステップとを含み、前記ゲートコンタクトは、前記ゲートコンタクトが第２の活性層と直接接触するようにゲートコンタクト用の開口部を通って延在するよう形成される、方法。
【請求項２７】
第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層が、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＮからなる群から選択される材料を含み、
第１の活性層がバッファ層またはチャネル層を含み、
第１の活性層および第２の活性層の各々が、エピタキシャル成長工程によって成長させられる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
ソース、ドレインおよびゲートを含むデバイス区域を分離するステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
被覆層からバッファに向かうメサエッチングによって、少なくとも第１の活性層と第２の活性層との界面よりも深く分離が実現される、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
エンハンスメントモード電界効果デバイスを製造する方法であって、
ヘテロ接合を形成する第１の活性層および第２の活性層を設けるステップを含み、第１の活性層がＩＩＩ族半導体層で構成され、第２の活性層が第１の活性層上に配置されたＩＩＩ族窒化物バリアで構成され、第２の活性層が第１の活性層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有し、前記方法はさらに、
第２の活性層と直接接触するソース電極およびドレイン電極を設けるステップと、
ゲートコンタクトを形成するステップとを含み、前記ゲートコンタクトは、前記ゲートコンタクトが第２の活性層と直接接触するようにゲート開口部を通って延在するよう形成され、前記方法はさらに、
次にパッシベーション層を堆積させるステップを含む、方法。
【請求項３１】
第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層が、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＮからなる群から選択される材料を含み、
第１の活性層がバッファ層またはチャネル層を含み、
第１の活性層および第２の活性層の各々が、エピタキシャル成長工程によって成長させられる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
ソース、ドレインおよびゲートを含むデバイス区域を分離するステップをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
被覆層からバッファに向かうメサエッチングによって、少なくとも第１の活性層と第２の活性層との界面よりも深く分離が実現される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
エンハンスメントモード電界効果デバイスを製造する方法であって、
ヘテロ接合を形成する第１の活性層および第２の活性層を設けるステップを含み、第１の活性層がＩＩＩ族半導体層で構成され、第２の活性層が第１の活性層上に配置されたＩＩＩ族窒化物バリア層で構成され、第２の活性層が第１の活性層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有し、前記方法はさらに、
ゲートコンタクト区域を規定するよう第２の活性層上に保護層を堆積させるステップと、
次に、第２の活性層上にわたって１つ以上の層を成長させるステップとを含み、１つ以上の層が半導体窒化物オーミックコンタクト層を含み、前記方法はさらに、
半導体窒化物オーミックコンタクト層と直接接触するソース電極およびドレイン電極を設けるステップと、
次に、保護層を除去して、ゲートコンタクト区域を規定し、第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層と直接接触するゲートコンタクトを形成するステップとを含む、方法。
【請求項３５】
第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層が、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＮからなる群から選択される材料を含み、
第１の活性層がバッファ層またはチャネル層を含み、
半導体窒化物オーミックコンタクト層が、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮおよびＡｌＩｎＮからなる群から選択される材料を含み、
第１の活性層、第２の活性層、第２の半導体ＩＩＩ族窒化物バリア層および半導体窒化物オーミックコンタクト層の各々が、エピタキシャル成長工程によって成長させられる、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
ソース、ドレインおよびゲートを含むデバイス区域を分離するステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
被覆層からバッファに向かうメサエッチングによって、少なくとも第１の活性層と第２の活性層との界面よりも深く分離が実現される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
パッシベーションステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
エンハンスメントモード電界効果デバイスを製造する方法であって、
ヘテロ接合を形成する第１の活性層および第２の活性層を設けるステップを含み、第１の活性層がＩＩＩ族半導体層で構成され、第２の活性層が第１の活性層上に配置されたＩＩＩ族窒化物バリアで構成され、第２の活性層が第１の活性層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有し、前記方法はさらに、
第２の活性層上にわたって１つ以上の層を成長させるステップを含み、１つ以上の層が半導体窒化物オーミックコンタクト層を含み、前記方法はさらに、
半導体窒化物オーミックコンタクト層と直接接触するソース電極およびドレイン電極を設けるステップと、
第２の活性層上にわたる１つ以上の層を通じて選択的にエッチングして、ゲートコンタクト用の開口部を形成するステップとを含み、開口部の底部は、実質的に第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層の上面にあり、前記方法はさらに、
ゲートコンタクトを形成するステップを含み、前記ゲートコンタクトは、前記ゲートコンタクトが第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層と直接接触するように開口部を通って延在するよう形成される、方法。
【請求項４０】
第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層が、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＮからなる群から選択される材料を含み、
第１の活性層がバッファ層またはチャネル層を含み、
半導体窒化物オーミックコンタクト層が、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮおよびＡｌＩｎＮからなる群から選択される材料を含み、
第１の活性層、第２の活性層、第２の半導体ＩＩＩ族窒化物バリア層および半導体窒化物オーミックコンタクト層の各々が、エピタキシャル成長工程によって成長させられる、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
ソース、ドレインおよびゲートを含むデバイス区域を分離するステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
被覆層からバッファに向かうメサエッチングによって、少なくとも第１の活性層と第２の活性層との界面よりも深く分離が実現される、請求項３９に記載の方法。
【請求項４３】
パッシベーションステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４４】
エンハンスメントモード電界効果デバイスを製造する方法であって、
ヘテロ接合を形成する第１の活性層および第２の活性層を設けるステップを含み、第１の活性層がＩＩＩ族半導体層で構成され、第２の活性層が、第１の活性層上に配置されたＩＩＩ族窒化物バリアで構成され、第２の活性層が第１の活性層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有し、前記方法はさらに、
第２の活性層上にわたって１つ以上の半導体窒化物層を成長させるステップを含み、前記１つ以上の層が半導体窒化物オーミックコンタクト層を含み、前記方法はさらに、
半導体窒化物オーミックコンタクト層と直接接触するソース電極およびドレイン電極を設けるステップと、
ソース電極とドレイン電極との間にあってソース電極およびドレイン電極によって覆われていない区域において被覆層開口部を規定するよう半導体窒化物層の部分を選択的に除去するステップと、
被覆層開口部において１つ以上の被覆層を成長させるステップと、
被覆層を通じて選択的にエッチングして、ゲートコンタクト用のゲートコンタクト開口部を形成するステップとを含み、ゲートコンタクト開口部の底部が、実質的に第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層の上面にあり、前記方法はさらに、
ゲートコンタクトを形成するステップを含み、前記ゲートコンタクトは、前記ゲートコンタクトが第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層と直接接触するようにゲートコンタクト開口部を通って延在するよう形成される、方法。
【請求項４５】
第２の活性層の第１のＩＩＩ族窒化物バリア層が、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＮからなる群から選択される材料を含み、
第１の活性層がバッファ層またはチャネル層を含み、
半導体窒化物オーミックコンタクト層が、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮおよびＡｌＩｎＮからなる群から選択される材料を含み、
第１の活性層、第２の活性層、第２の半導体ＩＩＩ族窒化物バリア層および半導体窒化物オーミックコンタクト層の各々が、エピタキシャル成長工程によって成長させられる、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
ソース、ドレインおよびゲートを含むデバイス区域を分離するステップをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
被覆層からバッファに向かうメサエッチングによって、少なくとも第１の活性層と第２の活性層との界面よりも深く分離が実現される、請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
パッシベーションステップをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４９】
被覆層開口部が、第２の活性層の第１のＩＩＩ族窒化物バリアを露出させる、請求項４４に記載の方法。
【請求項５０】
被覆層開口部が、第２のＩＩＩ族窒化物バリアのうち少なくとも一部を露出させる、請求項４４に記載の方法。
【請求項５１】
１つ以上の被覆層がパッシベーション層だけを含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項５２】
エンハンスメントモード電界効果デバイスを製造する方法であって、
ヘテロ接合を形成する第１の活性層を設けるステップを含み、第１の活性層がＩＩＩ族半導体層で構成され、前記方法はさらに、
半導体窒化物オーミックコンタクト層を成長させるステップと、
半導体オーミックコンタクト層と直接接触するソース電極およびドレイン電極を設けるステップと、
ソース電極とドレイン電極との間にあってソース電極およびドレイン電極によって覆われていない区域においてバリア開口部を規定するよう、半導体オーミックコンタクト層の部分を選択的に除去するステップと、
バリア開口部において第２の活性層を成長させるステップと、
同じバリア開口部において第２の活性層上にわたって配置される１つ以上の被覆層をさらに成長させるステップと、
被覆層を通じて選択的にエッチングして、ゲートコンタクトのためのゲートコンタクト開口部を形成するステップとを含み、ゲートコンタクト開口部の底部が実質的に第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層の上面にあり、前記方法はさらに、
ゲートコンタクトを形成するステップを含み、前記ゲートコンタクトは、前記ゲートコンタクトが第２の活性層のＩＩＩ族窒化物バリア層と直接接触するようにゲートコンタクト開口部を通って延在するよう形成される、方法。
【請求項５３】
第２の活性層の第１のＩＩＩ族窒化物バリア層が、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＮからなる群から選択される材料を含み、
第１の活性層がバッファ層またはチャネル層を含み、
半導体窒化物オーミックコンタクト層が、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮおよびＡｌＩｎＮからなる群から選択される材料を含み、
第１の活性層、第２の活性層、第２の半導体ＩＩＩ族窒化物バリア層および半導体窒化物オーミックコンタクト層の各々が、エピタキシャル成長工程によって成長させられる、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
ソース、ドレインおよびゲートを含むデバイス区域を分離するステップをさらに含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
被覆層からバッファに向かうメサエッチングによって、少なくとも第１の活性層と第２の活性層との界面よりも深く分離が実現される、請求項５２に記載の方法。
【請求項５６】
パッシベーションステップをさらに含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５７】
被覆層開口部が第２の活性層の第１のＩＩＩ族窒化物バリアを露出させる、請求項５２に記載の方法。
【請求項５８】
被覆層開口部が第２のＩＩＩ族窒化物バリアのうち少なくとも一部を露出させる、請求項５２に記載の方法。
【請求項５９】
１つ以上の被覆層がパッシベーション層だけを含む、請求項５２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の詳細な説明
開示の分野
この開示は、ＩＩＩ族窒化物エンハンスメントモード電界効果デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
エンハンスメントモード電界効果デバイスは、ノーマリオフ型デバイスであり、正電圧がゲートに印加されない限りソースコンタクトとドレインコンタクトとの間に電流が流れない。このような電界効果デバイスは、たとえば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはサファイア基板に堆積した２つの活性層の間（たとえば、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との間）に二次元電子ガス（２ＤＥＧ：two-dimensional electron gas）を有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：high electron mobility transistor）を含む。この二次元電子ガス層は、材料内における電荷分離につながる自発分極および圧電分極の結果として得られる。
【０００３】
いくつかの電界効果デバイスにおいては、材料の特性の結果として、０のゲートバイアスでは二次元電子ガスが存在する。ＡｌＧａＮ層の上にコンタクトを備えた大抵のＧａＮ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：field effect transistor）デバイスは、ノーマリオン型デバイスである。というのも、ＦＥＴのソースとドレインとをつなぐ高い導電性を得るために或る程度の厚さのＡｌＧａＮバリアが必要となるからである。容量結合を通じて二次元電子ガスを空乏化するために、しきい値電圧と称される特定の負電圧をゲートに印加しなければならない。ゲートに負電圧を印加することにより、電子チャンネルをピンチオフすることができる。この負電圧は、典型的には幾らかの負のしきい値電圧（Ｖｔｈ）よりも低い。これらのトランジスタはディプレッションモードで動作する（すなわち、トランジスタのスイッチを切るためにチャネルを空乏化しなければならない）。パワースイッチングまたは集積ロジックなどのいくつかの応用例の場合、負極性ゲート電圧の供給は望まれない。
【０００４】
ディプレッションモードデバイスとは対照的に、正のしきい値電圧を有する電界効果トランジスタはノーマリオフ型デバイスであり、このため、０ゲート電圧では、電流を通すためのチャネルが存在しない。これらのトランジスタは、エンハンスメントモードで動作するものであり、ノーマリオフのパワースイッチ、デジタル電子機器の応用例および高効率ＲＦの応用例にとっては有用になり得る。
【０００５】
ノーマリオフ型デバイスを製造するために、ゲートコンタクト下のチャネルを選択的に遮断しつつ、同時に、他の領域において二次元電子ガス密度を維持することができる。次いで、ゲートに印加された正のしきい値電圧により、ゲートコンタクト下に二次元電子ガスが発生し、これによりソースとドレインとの間に電流が流れることが可能となるだろう。
【０００６】
エンハンスメントモード電界効果デバイスを得るためにさまざまな技術が提案されてきた。たとえば、提案された一構造では、ゲートとチャネルとの間に極薄のＩｎＡｌＮ／ＡｌＮバリアが用いられる。オステルマイア（Ostermaier）他の「ノーマリオフ動作時において性能の高い極薄ＩｎＡｌＮ／ＡｌＮバリアＨＥＭＴ（Ultrathin InAlN/AlN Barrier HEMT With High Performance in Normally Off Operation）」（２００９年１０月（IEEE Electron Device Letters, vol. 30, no. 10, pp. 1030-1032）を参照されたい。この文献に開示されるように、エンハンスメントモードＨＥＭＴ構造は、付加的な１ｎｍのＡｌＮ中間層を有する１ｎｍの格子整合されたＩｎＡｌＮバリアを含み、結果として、ＧａＮバッファ上にわたって２ｎｍの薄いバリアをなす。この構造は高濃度にドープされたｎ＋＋ＧａＮ層で覆われる。エンハンスメントモードデバイスは、ＧａＮキャップ層を選択的にエッチングしてゲートの金属被覆のための凹みを形成し、ゲートとチャネルとの間に２ｎｍのバリアを残すことによって得られる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】オステルマイア他、「ノーマリオフ動作時において性能の高い極薄ＩｎＡｌＮ／ＡｌＮバリアＨＥＭＴ」、２００９年１０月、IEEE Electron Device Letters, vol. 30, no. 10, pp. 1030-1032
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
概要
ＩＩＩ族窒化物エンハンスメントモード電界効果デバイスについての構造を説明する。ＩＩＩ族窒化物エンハンスメントモード電界効果デバイスにおいては、二次元電子ガスが、ＩＩＩ族窒化物バリア層およびＩＩＩ族窒化物半導体層を含む１対の活性層の間の界面において、またはこの界面付近において存在する。バリア層は、隣接しその下にある半導体層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有し、付加的な材料がこのバリア層上にわたって配置されない場合には二次元電子ガスが空乏化されるほど十分に薄い。二次元電子ガスは、バリア層上にわたって１つ以上の指定された層を設けることによって発生させることができる。ゲートコンタクトはバリア層と直接接触している。ソースおよびドレインのためのそれぞれのオーミックコンタクトは、たとえば、バリア層と直接接触しているか、またはバリア層上にわたって配置された半導体窒化物層と直接接触している。
【０００９】
さまざまなエンハンスメントモード電界効果デバイスについての製造工程を記載する。
他の特徴および利点が、以下の詳細な説明、添付の図面および添付の特許請求の範囲から明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴの例を示す図である。
【図２】図１の構造を製造するための例示的なフロー工程を示す図である。
【図３】ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴの別の例を示す図である。
【図４】ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴのさらなる例を示す図である。
【図５】ＡｌＩｎＮ／ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴの例を示す図である。
【図６】ＡｌＩｎＮ／ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴの別の例を示す図である。
【図７】図６の構造を製造するためのプロセスフローを示す図である。
【図８】図６の構造を製造するための別のプロセスフローを示す図である。
【図９】ＡｌＩｎＮ／ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴのさらなる例を示す図である。
【図１０】ＡｌＩｎＮ／ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴのさらに別の例を示す図である。
【図１１】ＡｌＩｎＮ／ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴのさらに別の例を示す図である。
【図１２】図１１の構造を製造するためのプロセスフローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面の詳細な説明
図１〜図１２は、ＩＩＩ族窒化物エンハンスメントモード電界効果デバイスについての構造およびフロー工程の例を示す。ＩＩＩ族窒化物エンハンスメントモード電界効果デバイスにおいては、ＩＩＩ族窒化物バリア層と、隣接しその下にあるＩＩＩ族窒化物半導体層との間のヘテロ接合において、またはこのヘテロ接合付近において二次元電子ガスが形成される。この文脈においては、ＩＩＩ族窒化物は、たとえば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびＩｎＡｌＧａＮを含むＩｎＡｌＧａＮ系からの窒化物である。以下により詳細に記載する構造においては、第２の活性層としての役割を果たすバリア層は、第１の活性層としての役割を果たす隣接する下層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する。バリア層は、バリア層上にわたって付加的な材料が配置されない場合には二次元電子ガスが空乏化されるほど十分に薄い。エンハンスメントモード電界効果デバイスのソース用電極とドレイン用電極との間に配置されるゲートコンタクトは、バリア層と直接接触しており、特定のしきい値を上回る正電圧がゲートに印加されるとゲート下において二次元電子ガスを選択的に回復させる。ソース電極およびドレイン電極のためのそれぞれのオーミックコンタクトは、バリア層と直接接触するか、または、バリア層上にわたって配置されたＩＩＩ族窒化物半導体層と直接接触している。このような構造により動作特性を向上させることができる。
【００１２】
バリア層上にわたって１つ以上の層を設けることにより、ソースとドレインとの間に二次元電子ガスが生じる。特定の構造に応じて、第２の活性層上にわたる（すなわち、バリア層上にわたる）最上層を用いても、オーミックコンタクトを改善させることができる。好ましくは、バリア層上にわたる最上層は、歪みを減らすように第１の活性層に格子整合される。
【００１３】
好ましくは、バリア層は比較的薄く、たとえば５ナノメートル（ｎｍ）未満のオーダである。このようにして、最上層を成長させる前に当該構造が非常に高い抵抗Ｒｓｈ（たとえば、少なくとも４０００Ω／）を有することが可能となり、二次元電子ガスが大幅に空乏化される。二次元電子ガスの導電性は、バリア層上にわたって最上層を追加することによって著しく向上させることができる。導電性の向上は、表面空乏化の低減、もしくは、最上層から付加的な電荷が生成されることによる二次元電子ガスシート電荷密度の増加、またはこれらの要因の組合せに起因し得る。
【００１４】
ゲートがバリア層と直接接触しているので、ゲートコンタクトの真下にある領域が大幅に空乏化され、０のゲートバイアス未満では導電性が低くなるだろう。したがって、０のゲートバイアスでノーマリオフ動作を達成するのに、バリア層に深い凹みを設ける必要はない。最上層（すなわち、バリア層上にわたる層）の化学量論は、ゲートコンタクト用の開口部の形成中にこれらの層の選択的なエッチングを可能にするよう選択することができる。このようにして、バリア層は、当該バリア層に凹みをほとんどまたは全く設けなくても、エッチング停止層として機能し得る。
【００１５】
図１は、ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴ  ２０Ａの一例を示しており、ソース用のオーミックコンタクト３４およびドレイン用のオーミックコンタクト３６がＡｌＮバリア層２８に直接設けられている。この例においては、核形成層２４がＳｉＣまたは他の基板２２の上にわたって設けられる。ＡｌＮバリア層２８は、核形成層２４の上にある半絶縁性のＧａＮバッファ層２６上に設けられる。ＡｌＮ層２８は第２の活性層としての役割を果たすものであり、下にあるＧａＮバッファ層２６よりも広いバンドギャップを有する。このＧａＮバッファ層２６は、この例においては第１の活性層としての役割を果たす。ＡｌＮバリア層２８と下にある半絶縁性のＧａＮバッファ層２６との間の界面において、またはその界面付近において二次元電子ガス３８が生じるように、パッシベーション層３０がバリア層２８上にわたって設けられる。ゲート３２はバリア層２８と直接接触している。ソース用のオーミックコンタクト３４およびドレイン用のオーミックコンタクト３６もバリア層２８と直接接触している。ゲートコンタクトの形成後にパッシベーション層３０を堆積させてゲートを保護することができる。
【００１６】
図２は、図１のデバイスを製造するための例示的なフロー工程を示す。まず、基板２２（たとえば、ＳｉＣまたはサファイア）を設け（ブロック１０２）、核形成層２４（たとえば、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮ）を基板上に成長させる（ブロック１０４）。次いで、窒化物バッファ層２６（たとえば、ＧａＮまたはＡｌＧａＮ）を核形成層２４の上に成長させる（ブロック１０６）。場合によっては、次にバッファ層２６上にチャネル層２７を成長させて、二次元ガスの導電性を向上させる（ブロック１０８）。任意のチャネル層２７は、たとえば、ＩｎＧａＮまたはＧａＮであってもよい。バリア層２８は、隣接する下層（すなわち、存在する場合にはチャネル層２７、またはチャネル層が存在しない場合にはバッファ層２６）よりも広いバンドギャップを有していなければならない。バッファ層２６（および、含まれている場合にはチャネル層２７）の成長後、第１のバリア層２８を成長させる（ブロック１１０）。層２４、２６、２７、２８は、たとえば、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：metal organic vapor phase deposition）または分子線蒸着（ＭＢＥ：molecular beam deposition）などの公知のエピタキシャル成長技術を用いて成長させることができる。他の技術を用いることもできる。エピタキシャル成長後、少なくとも層２６（および、含まれている場合にはチャネル層２７）と層２８との界面の下にまでエッチングすることによってデバイス区域を分離することができる（ブロック１１２）。次いで、オーミックコンタクト３４および３６を設ける（ブロック１１４）。ゲートコンタクト３２の形成（ブロック１１６）が完了した後、パッシベーション層３０を堆積させる（ブロック１１８）。
【００１７】
パッシベーション層３０の堆積およびパラメータは、二次元ガス３８が活性層同士の界面において、またはこの界面付近において位置するように選択される。ゲートが浮遊しているかまたは接地されている場合、ソースとドレインとの間には電流は流れないだろう。しかしながら、特定のしきい値を上回る正電圧をゲートに印加することにより、ゲートコンタクトの下方に二次元電子ガスを発生させると、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるだろう。
【００１８】
図３は、ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴ  ２０Ｂの例を示しており、ソース用のオーミックコンタクト３４およびドレイン用のオーミックコンタクト３６がＡｌＮバリア層２８上のＩＩＩ族窒化物半導体層４２上に直接設けられている。図１の例と同様に、核形成層２４がＳｉＣまたは他の基板２２上にわたって設けられる。二次元電子ガスのための量子井戸構造は、半絶縁性のＧａＮバッファ層２６上にＡｌＮバリア層２８を含んでおり、このため、ＡｌＮバリア層２８と下にある半絶縁性のＧａＮバッファ層２６との間の界面において、またはその界面付近において二次元電子ガス３８が発生する。ＩＩＩ族窒化物半導体層４２（たとえばＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＩｎＮ）がバリア層２８上に設けられ、パッシベーション層３０がＩＩＩ族窒化物半導体層４２上にわたって設けられる。ゲートコンタクト３２は半導体窒化物層４２を通って延在し、バリア層２８と直接接触している。ソースコンタクト３４およびドレインコンタクト３６はＩＩＩ族窒化物半導体層４２と直接接触している。ゲートコンタクトの形成後にパッシベーション層３０を堆積させてゲートを保護することができる。
【００１９】
図２と同様のプロセスフローを用いて、図３の構造を製造することができる。しかしながら、この場合、バリア層２８を成長させた後、たとえば公知のエピタキシャル成長技術を用いて、ＩＩＩ族窒化物半導体層４２を成長させる。
【００２０】
図４は、ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴ  ２０Ｃの別の例を示しており、ソース用のオーミックコンタクト３４およびドレイン用のオーミックコンタクト３６がＩＩＩ族窒化物半導体層４２に直接設けられている。しかしながら、図３の構造とは対照的に、ＩＩＩ族窒化物半導体層４２は、実質的にソース電極３４およびドレイン電極３６の下にしか存在せず、ゲート３２の下には延在していない。
【００２１】
図５は、ＡｌＩｎＮ／ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴ  ２０Ｄの例を示しており、ソース用のオーミックコンタクト３４およびドレイン用のオーミックコンタクト３６がＡｌＩｎＮ層４４に直接設けられている。図１の例と同様に、核形成層２４がＳｉＣまたは他の基板２２の上にわたって設けられる。二次元電子ガスのための量子井戸構造は、半絶縁性のＧａＮバッファ層２６上にＡｌＮバリア層２８およびＡｌＩｎＮバリア層４４を含む。第２のバリア層４４は、この例においてはＡｌｘＩｎ１−ｘＮ（０．１７＜ｘ＜０．１８）であり、第１のバリア層２８上にある。この第２のバリア層４４が有するバンドギャップは、半絶縁性のＧａＮバッファ層２６のバンドギャップよりも広いが、第１のバリア層２８のバンドギャップよりも狭い。この例におけるｘの値は、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮバリアが六角形（ウルツ鉱（Wurtzite）構造）のＧａＮバッファに整合された格子に近くなるように選択される。立方体などの他の結晶構造を有するバッファに対して格子不整合なＡｌｘＩｎ１−ｘＮバリアを用いることもできる。第１のバリア層２８と下にある半絶縁性のＧａＮバッファ層２６との間の界面において、またはその界面付近において二次元電子ガス３８が生じる。パッシベーション層３０が第２のバリア層４４上にわたって設けられる。ゲートコンタクト３２は第２のバリア層４４を通って延在し、第１のバリア層２８と直接接触している。ソースコンタクト３４およびドレインコンタクト３６は第２のバリア層４４と直接接触している。ゲートコンタクトの形成後にパッシベーション層３０を堆積させてゲートを保護することができる。
【００２２】
図２と同様のプロセスフローを用いて図５の構造を製造することができる。しかしながら、この場合、第１のバリア層２８を成長させた後、たとえば公知のエピタキシャル成長技術を用いて第２のＡｌＩｎＮ層４４を成長させる。
【００２３】
図６は、分離されたＡｌＩｎＮ／ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴ  ２０Ｅの例を示しており、ソース用のオーミックコンタクト３４およびドレイン用のオーミックコンタクト３６が、第２のバリア層４４上に配置されたＩＩＩ族窒化物半導体層（たとえばＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）４６に直接設けられている。図６においては、ゲートコンタクト３２は、ＩＩＩ族窒化物層４６および第２のバリア層４４を通って延在し、第１のバリア層２８と直接接触している。ゲートコンタクトの形成後にパッシベーション層３０を堆積させることができる。
【００２４】
図７および８は、図６の構造を製造するためのさまざまなプロセスフローを示す。図７は、たとえば、エッチダウンプロセスを示す。図７のブロック２０２、２０４、２０６、２０８および２１０は、それぞれ、図２における対応するブロック１０２、１０４、１０６、１０８および１１０と同様である。ブロック２１２においては、たとえば、公知のエピタキシャル成長技術を用いて、第２のバリア層４４およびＩＩＩ族窒化物半導体層（たとえば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＩｎＮ）４６を、順次、成長させる。エピタキシャル成長の後、少なくとも層２６（および、含まれている場合にはチャネル層２７）と層２８との界面の下にまでエッチングすることによってデバイス区域を分離することができる（ブロック２１４）。次いで、オーミックコンタクト３４および３６を設ける（ブロック２１６）。最上層４６および４４を選択的にエッチングすることにより、ゲート形成のために第１のバリア層２８を露出させ（ブロック２１８）、次いで、ゲートコンタクトを作成し（ブロック２２０）、続いて、パッシベーション層３０を堆積させる（ブロック２２２）。
【００２５】
図８は、図６の構造を製造するための形成プロセスを示す。ブロック３０２、３０４、３０６、３０８および３１０は、それぞれ、図７における対応するブロック２０２、２０４、２０６、２０８および２１０と同様である。ブロック３１２においては、ゲート区域は、後に最上層を再成長させるのには適していない保護層４８（たとえば、ウェットエッチング可能な誘電体）でパターニングされる。次いで、最上層（すなわち、第２のバリア層４４および半導体層４６）を再成長させ（ブロック３１４）、次に、デバイス区域を分離し（ブロック３１６）、さらに、ソース用のオーミックコンタクト３４およびドレイン用のオーミックコンタクト３６を設ける（ブロック３１８）。ゲート区域上にわたる保護層４８を除去した後、バリア層２８上にゲートコンタクトを形成する（ブロック３２０）。図７のフロー工程が、ゲートコンタクト３２のための開口部を形成するよう最上層４４および４６をエッチングする工程を含んでいるのに対して、図８のフロー工程はこのようなエッチング工程を含んでいない。代わりに、図８のフロー工程においては、保護層４８をゲート区域上にわたって堆積させた後に最上層４４および４６を形成するので、保護層４８を除去したときにはゲートコンタクトのための開口部が既に存在している。ゲートコンタクトの形成後、パッシベーション層３０を堆積させることができる（ブロック３２２）。
【００２６】
図９は、ＡｌＩｎＮ／ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴ  ２０Ｆの例を示しており、ソース用のオーミックコンタクト３４およびドレイン用のオーミックコンタクト３６がＩｎＮ層５２に直接設けられている。ＨＥＭＴ  ２０Ｆはまた、ＩｎＮ層５２と第２のＡｌＩｎＮバリア層４４との間に配置された傾斜ＩｎＧａＮ層５０を含む。図９においては、ゲートコンタクト３２は層５２、５０、４４を通って延在し、第１のバリア層２８と直接接触している。ゲートコンタクトの形成後にパッシベーション層３０を堆積させてゲートを保護することができる。
【００２７】
図７または図８と同様のプロセスフローを用いて図９の構造を製造することができる。たとえば、公知のエピタキシャル成長技術を用いて、傾斜ＩｎＧａＮ層５０およびＩｎＮ層５２を成長させることができる。
【００２８】
図１０は、ＡｌＩｎＮ／ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴ  ２０Ｇの別の例を示す。図６の構造と同様に、ソース用のオーミックコンタクト３４およびドレイン用のオーミックコンタクト３６は、第２のＡｌＩｎＮバリア層４４上にわたって堆積しているＩＩＩ族窒化物半導体層（たとえば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）４２に直接設けられる。しかしながら、図４と同様に、層４２は実質的にソース電極３４およびドレイン電極３６の下にしか存在せず、ゲート３２の下方には延在しない。また、第２のＡｌＩｎＮバリア層４４をパッシベーション層３０と第１のバリア層２８との間に配置して、二次元電子ガス３８を改善させる。ここでも、ゲートコンタクト３２は第１のバリア層２８と直接接触している。
【００２９】
層４２を図９における層５０および５２と置換えても図１０と同様の構造を設けることができる。
【００３０】
図１１は、ＡｌＩｎＮ／ＡｌＮバリアのエンハンスメントモードＨＥＭＴ  ２０Ｈの別の例を示す。この構造と図１０の構造との違いは、層４２が第１のバリア層２８の上に直接堆積していることである。
【００３１】
図１２は、図１１の構造を製造するためのプロセスフローを示す。図１２のブロック４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４および４１６は、それぞれ、図７における対応するブロック２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２、２１４および２１６と同様である。ブロック４１６においてオーミックコンタクトを設けた後、ソースとドレインとの間の区域からオーミックコンタクト層４２を除去し（ブロック４１８）、オーミックコンタクト層４２の除去された区域に第２のＡｌＩｎＮバリア層４４を堆積させる（ブロック４２０）。次いで、第２のバリア層４４を選択的にエッチングして、第１のバリア層２８に対するゲートコンタクト用の開口部を形成し（ブロック４２２）、パッシベーション層３０を堆積させる（ブロック４２４）。
【００３２】
上述の例における第１のバリア層２８はＡｌＮであるが、他の広いバンドギャップ窒化物層（たとえば、ＡｌＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＮ）を用いることもできる。上述のとおり、第１のバリア層２８のバンドギャップは、隣接する下層（たとえば、存在する場合にはチャネル層２７、またはチャネル層が存在しない場合にはバッファ層２６）のバンドギャップよりも広くなければならない。オーミックコンタクトが第１のバリア層２８に直接設けられていない場合には、第１のバリア層２８のバンドギャップも、オーミックコンタクト層４２のバンドギャップよりも広くなければならない。上述のように、オーミックコンタクト層４２のための材料の例には、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮが含まれる。
【００３３】
また上述のとおり、たとえば、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）または分子線蒸着（ＭＢＥ）などの公知のエピタキシャル成長技術を用いてさまざまな層を設けることができる。他の技術も同様に用いることができる。
【００３４】
いくつかの実現例においては、第１のＩＩＩ族窒化物バリア層上にわたって他の層が存在してもよい。さまざまなＩＩＩ族窒化物層およびパッシベーション層に加えて、他のこのような層は、たとえば誘電体層（たとえば、ＳｉＮ、ＨｆＯおよびＩＴＯ）、さらには半金属（たとえば、ＮｉＭｎＳｂ）または他の材料（たとえば、ＺｒＮ）の層を含み得る。他の層が存在するかどうかについては、デバイスの所望の電子特性および他の特性に応じて決まるだろう。
【００３５】
上述のプロセスはウェハレベルで実行することができる。
添付の特許請求の範囲内の実現例が他にもある。
【符号の説明】
【００３６】
２４  核形成層、２６  ＧａＮバッファ層、２７  チャネル層、２８  ＡｌＮバリア層、３０  パッシベーション層、３２  ゲート、３４、３６  オーミックコンタクト、３８  二次元電子ガス。
【図１】
2011238931.tif 000003
【図２】
2011238931.tif 000004
【図３】
2011238931.tif 000005
【図４】
2011238931.tif 000006
【図５】
2011238931.tif 000007
【図６】
2011238931.tif 000008
【図７】
2011238931.tif 000009
【図８】
2011238931.tif 000010
【図９】
2011238931.tif 000011
【図１０】
2011238931.tif 000012
【図１１】
2011238931.tif 000013
【図１２】
2011238931.tif 000014
【外国語明細書】
2011238931000001.pdf