(57)【要約】      （修正有）【課題】高出力の高周波デバイス半導体として有望であり、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の実用化のため、ゲートリーク電流の少ないノーマリオフ型の窒化物半導体装置を提供する。【解決手段】基板１上に、バッファ層２を介して、ｎ型もしくはアンドープの第一の窒化物半導体からなる電子供給層３と、電子供給層３とヘテロ接合し、かつヘテロ接合によって二次元電子ガスを形成する電子供給層３よりバンドギャップが小さいアンドープの第二の窒化物半導体からなる電子走行層４とが積層され、電子供給層３上に積層された電子走行層４表面、あるいは電子走行層４上に積層された電子供給層４表面を、ｐ型の第三の窒化物半導体からなるキャップ層５で被覆する。キャップ層５上にゲート電極８を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、バッファ層を介して、ｎ型もしくはアンドープの第一の窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層とヘテロ接合し、かつ該ヘテロ接合によって二次元電子ガスを形成する、前記電子供給層よりバンドギャップが小さいアンドープの第二の窒化物半導体からなる電子走行層とが積層し、前記電子走行層に電気的に接続するソース電極およびドレイン電極と、該ソース電極およびドレイン電極間の電流を制御するゲート電極を備えた窒化物半導体装置において、
前記電子供給層上に積層した前記電子走行層表面を、あるいは前記電子走行層上に積層した前記電子供給層表面を、ｐ型の第三の窒化物半導体からなるキャップ層で被覆し、該キャップ層に前記ゲート電極が接触していることを特徴とする窒化物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体装置に関し、特にノーマリオフ型の高電子移動度トランジスタを構成する窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどの窒化物半導体は、絶縁破壊電界および電子飽和速度が高いという優れた特性を有している。この優れた特性により、高出力の高周波デバイスを実現できる半導体材料として有望であり、近年、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の実用化開発が進められている。
【０００３】
図５に、従来のＨＥＭＴ構造の窒化物半導体装置の断面図を示す。図５に示すように、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはシリコン（Ｓｉ）等からなる基板１上に、バッファ層２を介してアンドープのＧａＮ等からなる電子走行層４と、ｎ型不純物がドープされた、あるいはアンドープのＡｌＧａＮ等からなる電子供給層３とが形成されている。そして、電子供給層３上には、オーミック接触するソース電極６、ドレイン電極７と、ソース電極６とドレイン電極７間に流れる電流を制御するゲート電極８が形成されている。電子供給層３のバンドギャップは電子走行層４のバンドギャップより大きく、電子供給層３の格子定数は電子走行層４の格子定数よりも小さくなるような材料で、電子供給層３および電子走行層４を構成されている。その結果、電子供給層３に引っ張り応力によるピエゾ分極および自発分極が生じ、ヘテロ接合近傍の電子走行層４側に、電子移動度が極めて大きい二次元電子ガス１０が発生する。二次元電子ガス１０は、チャネルとなり、ゲート電極８に印加されるバイアス電圧を制御することで、ソース電極６、ドレイン電極７間に流れる電流を制御することができる。
【０００４】
ところで、このような構造の窒化物半導体装置は、ゲート電極８にバイアス電圧を印加しない状態で、ソース電極６、ドレイン電極７間に電流が流れるノーマリオン（ディプレッション）型となっている。このようなノーマルオン型の窒化物半導体装置をオフ状態（チャネルにキャリアが流れない状態）に保つためには、ゲート電極８に負のバイアス電圧を印加する必要がある。そのため、ゲート電極８にバイアス電圧を印加しない状態で、ソース電極６、ドレイン電極７間に電流が流れないノーマリオフ（エンハンスメント）型の窒化物半導体装置の開発が進められている。
【０００５】
ノーマリオフ型の窒化物半導体装置を実現する方法が、特許文献１に開示されている。この方法によれば、電子供給層３の一部をエッチング除去してゲートリセス構造とし、ゲート電極とチャネルとなる二次元電子ガスとの距離を短くすることにより、ショットキー障壁に基づく電界がヘテロ接合に対して作用しやすくし、ゲート電極８にバイアス電圧を印加しない状態で、ゲート電極８直下の二次元電子ガス１０を消失させ、ノーマリオフ型の窒化物半導体装置を実現している。
【０００６】
また別の方法として、基板１上にバッファ層２を介して、ｎ型またはアンドープのＡｌＧａＮからなる電子供給層３と、アンドープのＧａＮからなる電子走行層４とを順に積層し、電子走行層４上にソース電極６、ドレイン電極７およびゲート電極８を形成する方法がある。これは、電子供給層３と電子走行層４を一般的な構成のＨＥＭＴ構造とは逆側に積層させることで、二次元電子ガス１０がヘテロ接合近傍のゲート電極８側に生成し、電子走行層４の膜厚の制御を行うことで、ノーマリオフ型とする方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１４１０４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような従来のノーマリオフ型の窒化物半導体装置は、ノーマリオフ動作は実現しているが、しきい値電圧が比較的低く、ノイズによって誤動作しやすいという問題点があった。また、ゲート電極に正のバイアス電圧を印加するとゲートリーク電流が増大するという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消し、ゲートリーク電流の少ないノーマリオフ型の窒化物半導体装置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】
【００１０】
上記目的を達成するため本願発明の窒化物半導体装置は、基板上に、バッファ層を介して、ｎ型もしくはアンドープの第一の窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層とヘテロ接合し、かつ該ヘテロ接合によって二次元電子ガスを形成する、前記電子供給層よりバンドギャップが小さいアンドープの第二の窒化物半導体からなる電子走行層とが積層し、前記電子走行層に電気的に接続するソース電極およびドレイン電極と、該ソース電極およびドレイン電極間の電流を制御するゲート電極を備えた窒化物半導体装置において、
前記電子供給層上に積層した前記電子走行層表面を、あるいは前記電子走行層上に積層した前記電子供給層表面を、ｐ型の第三の窒化物半導体からなるキャップ層で被覆し、該キャップ層に前記ゲート電極が接触していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ゲート電極をｐ型の窒化物半導体からなるキャップ層に接触するように構成することで、ショットキー障壁を高くすることができ、ゲートリーク電流を少なくすることができる。また、ｐ型の窒化物半導体は、正孔が多数キャリアであるため、ゲート−ソース間電圧は逆バイアスとなり、ゲート電極に正のバイアス電圧を印加しても、ゲートリーク電流が増加することがないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施例の窒化物半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例の窒化物半導体装置の伝達特性である。
【図３】本発明の第１の実施例の窒化物半導体装置のゲートリーク電流特性である。
【図４】本発明の第２の実施例の窒化物半導体装置の断面図である。
【図５】従来のＨＥＭＴ構造の窒化物半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、ゲート電極をｐ型の窒化物半導体層に接触するように形成することを大きな特徴としている。以下、本発明の実施例について、ＨＥＭＴ構造の窒化物半導体装置を例にとり、詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施例の窒化物半導体装置の断面図である。図１に示すように、基板１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相エピタキシャル成長）法もしくはＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）法等により、バッファ層２を介して、第一の窒化物半導体からなる電子供給層３、第二の窒化物半導体からなる電子走行層４、ｐ型不純物をドープした（第三の窒化物半導体に相当）キャップ層５が順に積層されている。キャップ層５上には、ソース電極６、ドレイン電極７およびゲート電極８が形成されている。
【００１５】
基板１は、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるための成長基板として機能し、機械的に支持するための支持基板としても機能する。基板１は、一般にサファイア（Ａｌ2Ｏ3）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）あるいはシリコン（Ｓｉ）が用いられ、格子定数の整合性、熱伝導率、熱膨張係数等を考慮し、基板１上に成長させる窒化物半導体層に応じて選択することができる。本実施例では、後述する窒化物半導体層との格子定数の整合性等を考慮し、サファイアを使用した。
【００１６】
バッファ層２は、基板１とその上にエピタキシャル成長される第一の窒化物半導体との緩衝層として用いられる。本実施例では、基板１として用いるサファイアと窒化物半導体との格子不整合が大きいため、バッファ層２として、サファイア上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層をエピタキシャル成長させた後、アンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）層を２μｍ程度の厚さまで厚く成長させ、さらにｎ型ＧａＮ層を成長させる。ｎ型ＧａＮ層は、その上に成長させる第一の窒化物半導体からなる電子供給層３とのヘテロ接合界面に二次元電子ガスが発生するのを抑制するために導入している。なお、このバッファ層２はＨＥＭＴの動作に直接に関係しないので、バッファ層２の半導体材料をＡｌＮ、ＧａＮ以外の窒化物半導体またはIII−Ｖ族化合物半導体に置き換えるたり、単層構造のバッファ層とすることもできる。
【００１７】
電子供給層３は、厚さ２０ｎｍ、ｎ型あるいはアンドープのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層で構成する。また、電子供給層３は、ｎ型あるいはアンドープのＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮで構成することもできる。ここで、ｘは０＜ｘ≦１、ｙは０≦ｙ＜１、およびｘ＋ｙはｘ＋ｙ≦１を満足する数値であり、ｘの好ましい値は０.１〜０.４である。
【００１８】
電子走行層４は、厚さ２０ｎｍ、アンドープのＧａＮ層で構成する。この電子走行層４は、電子供給層３で用いた窒化物半導体（第一の窒化物半導体に相当）よりも小さいバンドギャップと格子定数を有する窒化物半導体で構成され、この電子走行層４と電子供給層３とのヘテロ接合近傍には、チャネルとなる二次元電子ガス１０が生成する。また、アンドープのＧａＮ層とすることで、イオン不純物散乱による二次元電子ガス１０の移動度低下を防ぐことができる。なお、電子走行層４はＧａＮ以外に、例えば、ＩｎaＧａ1-aＮで構成することもできる。ここで、ａは０≦ａ＜１を満足する数値である。
【００１９】
ノーマリオフ型の窒化物半導体装置を形成するため、電子走行層４の厚さは、ゲート電極８にバイアス電圧を印加しない状態で、ゲート電極８直下に２次元電子ガス１０が存在せず、ゲート電極８に正のバイアス電圧を印加することで、２次元電子ガス１０が生成する厚さに設定する必要がある。
【００２０】
キャップ層５は、厚さ５ｎｍ、ｐ型ＧａＮ層で構成する。ｐ型不純物としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）炭素（Ｃ）、ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）等を用いることができる。キャップ層５のホールキャリア濃度としては１×１０16〜５×１０19ｃｍ-3が、窒化物半導体装置の特性上望ましい。
【００２１】
ソース電極６およびドレイン電極７は、キャップ層５にオーミック接触し、ゲート電極８は、キャップ層５にショットキー接触する。なお、ソース電極６およびドレイン電極７は、図１のように、電極を形成する部分のキャップ層５および電子走行層４の一部もしくは全部をドライエッチングなどにより除去し、オーミックリセス構造とした後に、電極を形成することもできる。オーミックリセス構造とすることにより、キャリアとなる二次元電子ガス１０に対するコンタクト抵抗が低いオーミック接触を形成することが可能となる。
【００２２】
以上のように形成した本実施例の窒化物半導体装置の特性を、図５に示す従来の窒化物半導体装置の特性と比較した結果が、図２および図３となる。図２は、窒化物半導体装置の伝達特性を示している。本実施例の窒化物半導体装置では、電子供給層３と電子走行層４とのヘテロ接合近傍の二次元電子ガス１０が、ゲート電極８側に生じていること、および電子走行層４の薄膜化が可能であることから、ゲート電極８とチャネルとなる二次元電子ガス１０との距離が短くなる。この結果、ゲート電極８に制御電圧を印加しない状態でソース電極６とドレイン電極７間に電圧を印加しても、ゲート電極８直下に二次元電子ガス１０が存在しないため、ノーマリオフ型となっている。
【００２３】
次に、ゲートリーク電流特性を図３に示す。従来の窒化物半導体装置は、ゲート電極８に正のバイアス電圧を印加するとゲートリーク電流が増加するのに対して、本発明の窒化物半導体装置は、ゲートリーク電流が減少していることがわかる。これは、ｐ型の窒化物半導体層で構成したキャップ層５を導入することで、ゲート電極８とキャップ層５との間のショットキー障壁が増加することとなること、ｐ型窒化物半導体の多数キャリアは正孔であるため、ゲート電極に正のバイアス電圧を印加した場合、キャップ層５に対して逆バイアスとなることから、ゲートリーク電流を抑制することができることがわかる。
【実施例２】
【００２４】
次に第２の実施例について説明する。図４は、本発明の第２の実施例の窒化物半導体装置の断面図である。第１の実施例同様、ＭＯＣＶＤ法もしくはＭＢＥ法等により、バッファ層２を介して、第二の窒化物半導体からなる電子走行層、第一の窒化物半導体からなる電子供給層３および第二の窒化物半導体と同じ窒化物半導体であって、ｐ型不純物をドープした（第三の窒化物半導体に相当）キャップ層５が順に積層されている。キャップ層５上には、ソース電極６、ドレイン電極７およびゲート電極８が形成されている。
【００２５】
前述の第１の実施例と比較して、電子走行層４と電子供給層３の積層が逆となっている点が相違している。この場合も電子供給層３の厚さ、不純物濃度を適宜設定することで、ゲート電極８にバイアス電圧を印加しない状態で、ゲート電極８直下に２次元電子ガス１０が存在せず、ゲート電極８に正のバイアス電圧を印加することで、２次元電子ガス１０が生成する厚さと不純物濃度に設定する必要がある。
【００２６】
このように構成しても、第１の実施例同様、ゲート電極８はｐ型キャップ層５上に形成されるため、ゲート電極８とキャップ層５との間のショットキー障壁が増加することとなること、ｐ型窒化物半導体の多数キャリアは正孔であるため、ゲート電極に正のバイアス電圧を印加した場合、キャップ層５に対して逆バイアスとなることから、ゲートリーク電流を抑制することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１：基板、２：バッファ層、３：電子供給層（第一の窒化物半導体）、４：電子走行層（第二の窒化物半導体）、５：キャップ層（ｐ型不純物ドープ窒化物半導体）、６：ソース電極、７：ドレイン電極、８：ゲート電極、９：表面保護膜、１０：二次元電子ガス
【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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