(57)【要約】  ＩＩＩ族窒化物スイッチは、凹型のゲートコンタクトを含み、ノミナリーオフの、すなわち、エンハンスメント型のデバイスを提供する。凹型のゲートコンタクトを提供することにより、ゲート電極が不活性状態である場合には、２つのＩＩＩ族窒化物材料の界面に形成された伝導チャンネルが遮断され、デバイス中の電流の流れを防止する。ゲート電極は、ショットキコンタクト又は絶縁金属コンタクトである可能性がある。２つのゲート電極が提供され、ノミナリーオフ特性の双方向スイッチを形成することが可能である。ゲート電極と共に形成された凹部は、傾斜した側壁を持つ可能性がある。デバイスの電流伝達電極に関連して、多くの形状にてゲート電極を形成することが可能である。
2007534163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のＩＩＩ族窒化物材料と第２のＩＩＩ族窒化物材料との間の界面に形成され、前記２つのＩＩＩ族窒化物材料は異なる面内格子定数又は異なる禁止帯を有する伝導チャンネルと、
該伝導チャンネルに接続され、チャンネル電流を伝達する電流伝達電極と、
前記伝導チャンネルに接続され、かつ該伝導チャンネルが該伝導チャンネルにおける電流の伝導を可能とし、又は防止するべく影響を及ぼすように動作可能なゲート電極と、
該ゲート電極が非活性状態であるときに、前記界面にて前記伝導チャンネルが遮断されるように、前記ＩＩＩ族窒化物材料の層の１つにおいて形成された修正部分と
を備えたことを特徴とするエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項２】
前記修正部分が、前記第１のＩＩＩ族窒化物材料中に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項３】
前記修正部分が、前記第２のＩＩＩ族窒化物材料中に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項４】
前記ゲート電極が、ショットキコンタクトであることを特徴とする請求項１に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項５】
前記ゲート電極と前記１つのＩＩＩ族窒化物材料の層との間に絶縁層をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項６】
前記修正部分が、凹部、イオン注入領域、拡散領域、酸化又は窒化のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項７】
前記ゲート電極が、導電性材料であることを特徴とする請求項５に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項８】
前記伝導チャンネルが、二次元電子ガスにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項９】
前記修正部分が、傾斜した側壁を有する凹部であることを特徴とする請求項１に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項１０】
前記修正部分が、変化する濃度プロファイルを有する注入領域であることを特徴とする請求項１に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項１１】
前記電流伝達電極が、前記１つのＩＩＩ族窒化物材料の層とのオーミックコンタクトを提供することを特徴とする請求項１に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項１２】
前記ゲート電極と前記１つのＩＩＩ族窒化物材料との間に配置された第３のＩＩＩ族窒化物材料をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項１３】
前記チャンネル電流を伝達するために前記チャンネルに接続された第２の電流伝達電極をさらに備え、該２つの電流伝達電極の間を、該チャンネルを通して電流が流れることが可能であることを特徴とする請求項１に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項１４】
前記チャンネルにおける伝導を可能とし、又は防止するために、該チャンネルに接続された第２のゲート電極をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項１５】
前記チャンネルにおける電流の伝導を可能とし、又は防止するために、該チャンネルに接続された第２のゲート電極をさらに備えていることを特徴とする請求項１３に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項１６】
前記それぞれのゲート電極が対応する電流伝達電極から間隔を取ることを特徴とする請求項１５に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項１７】
前記ゲート電極と前記電流伝達電極との間の前記間隔が、それぞれのゲート電極及び対応する電流伝達電極に対して実質的に一定であることを特徴とする請求項１６に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項１８】
前記第１のＩＩＩ族窒化物材料がＡｌＧａＮであり、かつ前記第２のＩＩＩ族窒化物材料がＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載のエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項１９】
電流の流れを選択的に可能とする半導体デバイスであって、
基板と、
該基板上を覆うＧａＮ層と、
該ＧａＮ層上を覆うＡｌＧａＮ層と、
該ＡｌＧａＮ層と前記ＧａＮ層との間の界面に形成された伝導チャンネルを遮断するために前記ＡｌＧａＮ層中に形成された修正部分と、
前記伝導チャンネルを制御し、該伝導チャンネルにおける電流の伝導を可能にし、又は遮断するために、凹部中に形成されたゲート電極と
を備えたことを特徴とする半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイスに関し、ＩＩＩ族窒化物材料に基づいた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に関する。
【０００２】
なお、本願は、２００４年１月２３日に出願された名称「Enhancement Mode FET Based on Etched Gate」、米国特許仮出願番号６０／５３８，７９５号に基づき、その利益を主張するものであり、これによりこれに対する優先権主張が為され、参照することによりその開示内容は本明細書の一部とする。
【背景技術】
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物半導体は、現在、２．２ＭＶ／ｃｍより大きな絶縁降伏電界を呈することで知られている。また、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合構造は、極めて大電流を流す能力があり、ＩＩＩ族窒化物材料系で製造された半導体デバイスは、電力応用分野に対して優れている。
【０００４】
ＩＩＩ族窒化物材料に基づく半導体デバイスの開発は、一般に、携帯電話の基地局の送信機などの高電力−高周波数の応用分野に狙いを付けている。これらの種類の応用分野に対して製造された半導体デバイスは、高い電子移動度を呈し、ヘテロ接合電界効果トランジスタ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＥＭＴ）、又は変調ドープ電界効果トランジスタ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＤＦＥＴ）など、さまざまに称される一般的な半導体デバイス構造に基づいている。これらの種類の半導体デバイスは、通常２〜１００ギガヘルツ程度の高周波で動作しつつ、通常１００ボルト程度の高電圧に耐えることが可能である。これらの種類の半導体デバイスは、多くの種類の応用に対して修正できるが、通常は圧電分極電界の使用により動作し、非常に少ない抵抗性損失を伴う非常に高い電流密度の流れを可能とする二次元電子ガス（ｔｗｏ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ：２ＤＥＧ）を発生させる。この２ＤＥＧは、従来のこれらＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴデバイスにおいてはＡｌＧａＮ及びＧａＮ材料の界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）に形成される。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面の性質及び界面での２ＤＥＧの形成により、ＩＩＩ族窒化物材料系にて形成されるデバイスはノミナリーオン（ｎｏｍｉｎａｌｌｙ  ｏｎ）、すなわち、ディプレッション型デバイスである傾向がある。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層の界面での２ＤＥＧの高い電子移動度により、ＨＥＭＴデバイスなどのＩＩＩ族窒化物デバイスは、ゲート電圧を印加することなく導通することが可能である。以前に製造されたＨＥＭＴデバイスのノミナリーオンという性格は、それらの応用先を電力管理に限定してきた。ＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴデバイスが電力を安全に制御可能となるためには、その前に制御回路に電力が供給され、動作状態になることが必要であるという点においては、ノミナリーオンの電力デバイスの限界が認識される。従って、起動及び他の形態の間の電流伝導の問題を回避するために、ノミナリーオフのＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴデバイスを創成することが望ましいであろう。
【０００５】
低い抵抗損失を伴い高い電流密度を可能とするＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴデバイスの欠点は、歪ＡｌＧａＮ／ＧａＮ方式にて獲得可能な厚さが限定されることである。これらの種類の材料では格子構造が相違するため、別の層を作るために成長させられた膜に転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）をもたらす可能性のある歪みを引き起こす。これは例えば、バリヤ層を通る高水準の漏れ（ｌｅａｋａｇｅ）をもたらす。いくつかの従来の設計は、ＡｌＧａＮ層の面内格子定数を減少させ、転位の発生及び漏れを抑制する緩和点が生ずるところに近付けることに集中してきた。しかしながら、限定された厚さの問題は、これらの設計によっては扱われてはいない。
【０００６】
他の解決法は絶縁層を加え、漏れ問題を回避することである。この絶縁層を加えることにより、境界を通る漏れを減少させることが可能であり、この目的に使用される典型的な層は、ＡｌＧａＮ及びメタルゲート層の間に配置された、酸化ケイ素、窒化ケイ素、サファイア、又は他の絶縁体である。この種類のデバイスは、しばしばＭＩＳＨＦＥＴと呼ばれ、絶縁層を持たない伝統的なデバイスに対していくつかの利点を有する。
【０００７】
追加の絶縁層は、より厚い歪ＡｌＧａＮ／ＧａＮ方式が構成できるようにすることを可能とするが、追加の絶縁体により作り出された閉じ込め層では、ＧａＮ／絶縁体界面での電子に対して生じた拡散効果のため、結果として電流伝達容量はより低くなる。また、ＡｌＧａＮ層及び絶縁体の間の追加的界面は、結果としてデバイスの応答を遅くする界面トラップ状態を生じることにもなる。また、酸化物の厚さが追加されること、及び２つの層の間の界面が追加されることはまた結果として、デバイスを切り換えるために、より高いゲート駆動電圧を使用する必要を生じる。
【０００８】
ノミナリーオフデバイスを得るための窒化物材料を使用する従来のデバイス設計は、この追加的絶縁体が閉じ込め層として機能すること、及び上部ＡｌＧａＮ層を抑制し、又は排除できることを当てにしている。しかしながら、これらのデバイスは、ＧａＮ／絶縁体界面での拡散のために、通常は電流伝達容量が低くなる。
【０００９】
したがって、少数の界面及び層により漏れの低い特性を有し、なお高電圧に耐え、かつ低抵抗損失で高い電流密度を生み出すことが可能である、ノミナリーオフのＨＥＭＴスイッチングデバイス又はＦＥＴを作り出すことが望ましいであろう。現在、プレーナデバイスがＧａＮ及びＡｌＧａＮ合金により、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長法）、ならびにＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシャル法）及びＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ハイドライド気相成長法）を含む、多くの技術で製造されている。
【００１０】
窒化ガリウム材料系の材料には、窒化ガリウム（ＧａＮ）及びアルミニウム窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）などのその合金、インジウム窒化ガリウム（ＩｎＧａＮ）及びインジウム・アルミニウム窒化ガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）が含まれる場合がある。これらの材料は、非常に活性のある電子遷移を起こすことが可能な比較的広い直接禁止帯を有する半導体化合物である。窒化ガリウム材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サファイア及びケイ素を含む、多くの異なる基板上に形成されている。ケイ素基板は、容易に入手可能であり、比較的安価であり、かつケイ素加工技術は充分開発されている。
【００１１】
しかしながら、半導体デバイスを製造するためにシリコン基板上に窒化ガリウム材料を形成すると、シリコン及び窒化ガリウムの間の格子定数、熱膨張、及び禁止帯の差異から生ずる課題を引き起こす。
【００１２】
ＧａＮ及び伝統的な基板材料の間の格子不整合に付随する問題は、また、ＧａＮ及びＧａＮ合金にかかわる材料の層構造においても一般的である。例えば、ＧａＮ及びＡｌＧａＮの材料は、圧電分極の一因となる、層間の界面に歪みを発生するに十分大きな差異のある格子構造を有する。従来の多くの半導体デバイスにおいては、圧電分極により発生する電界は、半導体デバイスの特性を改良するために制御される。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層構造におけるアルミニウムの含有量の変化は、材料の間の格子不整合量を変化させ、伝導率や絶縁膜の改善などの、異なるデバイス特性を獲得するために役立つ場合がある。
【００１３】
ノミナリーオフのＦＥＴデバイスを実現することで大いに利便を得るデバイスの１つの種類は、半導体デバイスとして実施可能な双方向スイッチである。エンハンスメント型デバイスとして動作する双方向スイッチの実現により、多くの応用において大きな改良の可能性がある。現在、双方向のデバイスはいささか複雑であって、通常は多くの個別的なＩＣデバイスから構成されている。一方ではノミナリーオンのＩＩＩ族窒化物双方向スイッチが多くの応用において有利であるであろうが、ノミナリーオフ、すなわち、エンハンスメント型デバイスは、モータ駆動及び電力変換システムを含むさまざまな応用に対して選択されるであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明により、起動及び他の形態の間の電流伝導の問題を回避するために、ＩＩＩ族窒化物材料系において実現された、ノミナリーオフ、すなわち、エンハンスメント型ＦＥＴデバイスが提供され、ゲートへのバイアスの印加によりオンに切り換えることが可能である。
【００１５】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、起動及び他の形態の間の電流伝導の問題を回避するために、ＩＩＩ族窒化物材料系において実現されたエンハンスメント型ＩＩＩ族窒化物デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によるＦＥＴは、下部のＩＩＩ族窒化物材料上に形成された上部のＩＩＩ族窒化物材料を含んでいる。この２つのＩＩＩ族窒化物材料は、異なる面内格子定数又は異なる禁止帯を有する。本発明によるＦＥＴは、ＩＩＩ族窒化物材料系の性格により大電流を流すことが可能であり、そこでは、圧電性及び自発性の分極電界が高い電荷移動性及び大電流出力を可能とする２ＤＥＧを形成することに寄与する。
【００１７】
本発明の１つの実施例によると、本発明のＩＩＩ族窒化物デバイスには、ゲートへバイアスが印加されないときには、デバイスがオフであるように、２ＤＥＧの密度を変化させるように動作する修正部分（ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）が含まれている。この修正部分は、ＩＩＩ族窒化物材料の１つ（望ましくは上部ＩＩＩ族窒化物材料）におけるゲートの下に形成された凹部（ｒｅｃｅｓｓ）であることが望ましいが、イオン注入領域、拡散領域、酸化又は窒化である場合がある。好適な実施例では、この修正部分は、上部ＩＩＩ族窒化物材料中で形成されるが、しかしながら、また、本発明によるＩＩＩ族窒化物デバイスは、下部ＩＩＩ族窒化物材料中に修正部分を含むことも可能である。
【００１８】
本発明の１つの好適な実施例によると、ノミナリーオフのスイッチは、凹部でのゲートにより形成され、ゲート電圧の印加によりゲートの下に２ＤＥＧを形成することが可能となる。ゲートに電圧が印加されない場合には、この修正部分が２ＤＥＧの密度を変化させ、それにより導通不可能となり、ゲートへバイアスを印加すると、２ＤＥＧは回復して導通可能となる。
【００１９】
本発明の好適な実施例では、ＧａＮ上に成長したＡｌＧａＮなどの、窒化ガリウム材料の層で構成され、２つのソース／ドレイン電極及びゲート電極を含む、ＦＥＴデバイス及び動作の方法が提供される。
【００２０】
被覆加工及びコンタクト層は、活性領域の上、又は下で有利に成長する場合がある。電極、絶縁層などを構成するための他の既知の処理もまた、本発明に適用することができる。
【００２１】
本発明の特徴によると、追加的絶縁層又は活性層での構造よりむしろ、適切なＧａＮ絶縁体界面が電流伝達容量を改善するために提供される。ここで記述されるヘテロ界面のエピタキシャル性により、積層された場合には、追加的絶縁層なしで２ＤＥＧにおいて１桁高い電子移動度をもたらす。
【００２２】
本発明の他の実施例によると、ＩＩＩ族窒化物材料系にて実現されたノミナリーオフの双方向スイッチは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面を提供し、２ＤＥＧが形成される場所を提供する。ＡｌＧａＮ層においてゲートコンタクトを囲む領域が、２ＤＥＧを局所的に排除するためにエッチバック（ｅｔｃｈｅｄ  ｂａｃｋ）され、エンハンスメント型デバイスを獲得する。本発明の特徴によると、双方向スイッチに対する電流伝達経路を形成するそれぞれのソース電極からゲート電極への距離が等しい。
【００２３】
本発明の他の実施例では、二元的ゲートを有する双方向スイッチが提供され、そこではゲート電極がソース電極と対になり、複数のゲートを有する双方向スイッチが獲得される。本発明の特徴によると、ゲート電極の周りの領域においてＡｌＧａＮ層がエッチバックされ、エンハンスメント型デバイスを形成し、そこではＡｌＧａＮ／ＧａＮ層の間で２ＤＥＧが局所的に排除される。
【００２４】
本発明の他の実施例によると、ＩＩＩ族窒化物材料系においてＦＥＴを構成する方法は、補償済みＧａＮ層により基板を覆い、それがＡｌＧａＮ層により、次にドーピングされたＧａＮ層により覆われる。ドーピングされたＧａＮ層はエッチングされ、ソース／ドレイン電極を形成することができる。ＡｌＧａＮ層はエッチングされ、層の界面にて２ＤＥＧでの遮断を形成し、結果としてノミナリーオフのスイッチをもたらす。ゲート電極は絶縁層により形成され、例えば、ＴｉＷなどの、適切な材料によりメタライズすることができる。ソース／ドレインコンタクトは、また、絶縁層により形成され、メタライズされて適切なコンタクトを供給する。
【００２５】
ＩＩＩ族窒化物半導体材料系においては、絶縁降伏電界が高いため、スタンドオフ領域の大きさが削減されたノミナリーオフの電力デバイスを構成することが可能である。この材料系は、また、同様の電圧定格の既知のデバイスとの比較において抵抗値仕様（ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｏｎ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が削減されたデバイスの製造を可能とする。ここに議論されるＧａＮ／ＡｌＧａＮデバイスの場合において、垂直方向の寸法で対応するもので比較すると、およそ３００ボルトの定格電圧での抵抗値仕様において、プレーナデバイスはおよそ１００倍の改善を有する。
【００２６】
ＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴデバイスでは、対称特性を活用して、ウエハ領域を犠牲にすることなく、両方向に電圧を遮断することが可能なノミナリーオフの双方向スイッチの製作が可能である。片方の方向で電圧を遮断する伝統的なスイッチに対して優れるこの利点のために、１つの双方向スイッチは、４つの単一方向のスイッチを置き換え、かつ同じ全体抵抗を得ることが可能である。
【００２７】
本発明によると、二元的ゲートを有するノミナリーオフの双方向スイッチの設計でデバイスにおける電圧スタンドオフ領域の共有を可能とする。二元的ゲートを有する設計が電圧スタンドオフ領域を共有することにより、二元的ゲートを有するエンハンスメント型双方向スイッチの製造に使用されるウエハー領域は著しい削減が可能である。
【００２８】
本発明の他の利点において、例えば、単一の半導体構造において１組のノミナリーオフの双方向スイッチを実現し、共通ドレインを有する１つの双方向ハーフブリッジ回路を形成することができる。モータ駆動系、電力コンバータ、及び他のよく知られている電源制御応用を含む多くの応用において、双方向ハーフブリッジの形態は有用である。例えば、単一のデバイスにおいて多くのノミナリーオフの双方向スイッチが実現され、三相ブリッジ回路、フルブリッジ回路、又はハーフブリッジ回路を創成することができる。さらに、本発明によるデバイスをショットキブリッジに組み入れることができる。
【００２９】
本発明の一実施例によると、ゲート、ソース及びドレイン領域を有するノミナリーオフのＦＥＴデバイスは、２層のＡｌＧａＮ／ＧａＮの材料を使用して構成され、ＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴデバイスを生成する。ソース及びドレイン領域は、イオン注入、ソース及びドレイン領域を覆うバリヤ領域を除去するためのエッチング、及び低抵抗のオーミックコンタクト形成処理の応用を含む既知の方法により形成することができる。
【００３０】
このデバイスは、また、ゲートコンタクトにおける漏れの少ないこと、及びバリヤ層からの降伏電界が高いことにより特徴付けられる。その結果、ＳｉＯ２やＳｉＮなどの従来の絶縁体と比較して、このデバイスはより大きい誘電率を提供する。ＧａＮ材料の高い臨界電界により、薄層が絶縁破壊なしで高い電圧に耐えることが可能である。ＧａＮ材料の誘電率はおよそ１０であり、これはＳｉＯ２より２．５倍良い。
【００３１】
本発明の他の特徴及び利点は添付図面を参照する本発明の以下の記述から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
ＧａＮ材料デバイスの構造において、多くの要因がデバイスの機能性及び能力に影響を与える役割を負う。ＩＩＩ族窒化物材料における大きい格子不整合及びこれらの材料における強圧電性及び分極性の効果は、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合デバイスの電気特性に重大な影響を与える。これまでに報告されたほとんどすべてのＧａＮベースのＨＥＭＴは、歪みを緩和し、デバイスにおける長期の不安定性の原因となる場合がある転位を回避するように設計されている合金組成による歪ＧａＮ−ＡｌＧａＮ接合を使用している。ヘテロ接合デバイスを構築する様々なデバイス及びシステムが、格子不整合及びＧａＮ−ＡｌＧａＮ接合の歪みを制御するために提案されている。これらのデバイスは、圧電性、かつ自発分極の効果を活用し、長期の不安定性を最小にするように特に設計されている。
【００３３】
ＧａＮ／ＡｌＧａＮのＨＥＭＴデバイスは、通常、電力流を制御するゲート、ドレイン及びソース端子を含む３つの端子を有する。ゲート端子に印加された電位は、電気的伝導チャンネルを介してのドレイン端子からソース端子への電流の流れを制御する。電気的伝導チャンネルは、異なる２つの半導体材料の間の少なくとも１つのヘテロ界面により構成される。
【００３４】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮの材料が、ＨＥＭＴの半導体材料を構成し、かつＡｌＧａＮがバリヤ層として使用されると、ＡｌＧａＮの自発分極の特性、ならびに圧電分極電界として知られる歪みが誘発した特性から生じる分極電荷が存在する。ＨＥＭＴデバイスの構造における、これらの電界の形成を制御することは、デバイスがどう特徴付けられるかに依り、ＧａＮベースのＨＥＭＴデバイスが多種多様な応用に対して適するようにする、異なる特性をもたらす。
【００３５】
ＧａＮ材料により形成されたＨＥＭＴデバイスは、通常、チャンネル層に配置されたＡｌＧａＮのバリヤ層を含み、そのチャンネルにおいて、電子の高濃度化を引き起こす２ＤＥＧを生じ、その結果そのチャンネルの電気伝導特性を増大させる。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層の界面にて形成された２ＤＥＧの存在に依り、チャンネルの存在がソース及びドレイン電極の間の伝導を可能とするため、基本的に形成されたＨＥＭＴデバイスはノミナリーオンである。
【００３６】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。  
図１は、本発明に係る部分的に形成されたＩＩＩ族窒化物デバイスの断面図で、形成の初期段階における本発明によるＩＩＩ族窒化物デバイス１０が示されている。このＩＩＩ族窒化物デバイス１０は、基板１２と絶縁ＧａＮ層１４と活性ＡｌＧａＮ層１６を備えている。オーミックコンタクト１８は、ＡｌＧａＮ層１６上に形成され、得られるＨＥＭＴデバイスにおけるソース及び／又はドレイン端子に対する接続部として機能する。ＧａＮ／ＡｌＧａＮ界面１５は、オーミックコンタクト１８，１８間に電流が流れることを可能とする２ＤＥＧの伝導チャンネルを形成する。
【００３７】
ＩＩＩ族窒化物デバイス１０のＧａＮ層１４は、ＡｌＧａＮ層１６より大きな面内格子定数を有する。界面１５が、伝導チャンネルを電流が伝導するように形成可能である限り、ＩＩＩ族窒化物デバイス１０を形成するために他のＩＩＩ族窒化物材料を使用することができることは明らかである。基板１２は絶縁基板であるが、高抵抗性であることが可能であり、かつ通常は炭化ケイ素、ケイ素、サファイア及び他の周知の基板材料などの周知の材料から形成される。
【００３８】
図２は、図１に示したＩＩＩ族窒化物デバイスにおけるエッチングされたゲート領域を示す図で、図３は、ゲートコンタクトを備えた図２に示したＩＩＩ族窒化物デバイスを示す図である。
【００３９】
本発明によるＩＩＩ族窒化物デバイス１０は、２ＤＥＧの密度を変化させるように機能し、それによりデバイス１０がノミナリーオフ（ｎｏｍｉｎａｌｌｙ  ｏｆｆ）にされ、すなわち、２ＤＥＧが遮断される修正部分を含んでいる。本発明の好適な実施例においては、凹部（ｒｅｃｅｓｓ）２０がＡｌＧａＮ層１６にエッチングされる。この凹部２０は、傾斜する側壁２２を含むが、何らかの特定な形状に従って構成されることを必要とはしない。また、凹部２０は、ゲートコンタクト３０がＡｌＧａＮ層１６とＧａＮ層１４との間の界面１５の、より近接域に蒸着されることを可能とする。ゲートコンタクト３０は、例えば、ショットキ金属（ｓｃｈｏｔｔｋｙ  ｍｅｔａｌ）で構成され、２ＤＥＧにより確立されたチャンネルにおける電流に対する制御端子として機能する。ゲートコンタクト３０を凹部２０に蒸着することに
より、ゲートコンタクト３０の下の２ＤＥＧは排除され、その結果、デバイス３１における電流伝達チャンネルは遮断される。非活性状態では、２ＤＥＧによって確立された電流伝達チャンネルがゲートコンタクト３０の下で遮断されるため、デバイス３１は、オーミックコンタクト１８，１８の間で電流を伝導しない。デバイス３１は、ゲートコンタクト３０への電位の印加により、オーミックコンタクト１８，１８の間で電流を伝達するように動作し、２ＤＥＧを再構成し、オーミックコンタクト１８，１８の間に電流を伝達するチャンネルを提供する。一実施例において、デバイス３１が伝導する効果を生ずるための、ゲートコンタクト３０に印加される電位は、オーミックコンタクト１８，１８により形成された電流を伝達する電極のいずれかに印加された中で最高の電位に関連した閾値に比しより正の電位である。
【００４０】
ゲートコンタクト３０は、凹部２０において蒸着されたＡｌＧａＮ層１６上にショットキ金属で構成することが可能である。上述したように、ＡｌＧａＮ層１６の面内格子定数がＧａＮ層１４の面内格子定数以下である限り、ＡｌＧａＮ層１６は、任意のＩＩＩ族窒化物材料の層に置き換えることができる。
【００４１】
オーミックコンタクト１８，１８及びゲートコンタクト３０に関して多くの他の形状によりデバイス３１を構成することができる。例えば、ゲートコンタクト３０は、オーミックコンタクト１８，１８の１つを取り囲むショットキコンタクトであることが可能である。ゲートコンタクト３０は、また、デバイス３１における特定の方向に、又は指定された領域に向けて電流の流れを制限するように、ギャップ又はエッチングされた領域を形成して、オーミックコンタクト１８，１８の一部の周りに形成することができる。ショットキコンタクトとして形成されたオーミックコンタクト１８，１８及びゲートコンタクト３０は、また、互いに様々な距離で間隔を取り、降伏電圧及びオン抵抗パラメータを増加し、又は減少させることが可能である。
【００４２】
ゲートコンタクト３０の下の凹部２０は、ゲートコンタクト３０の下での２ＤＥＧの形成を回避し、ゲートコンタクト３０の下での電流を制限することをもたらす。ＡｌＧａＮ層１６上で凹型のゲートコンタクト３０を提供することにより、デバイス３１の電流−電圧特性が修正され、ノミナリーオン（ｎｏｍｉｎａｌｌｙ  ｏｎ）のデバイスではなく、ノミナリーオフのデバイスが獲得される。従って、デバイス３１は、ディプレッション型ではなくエンハンスメント型にて動作し、そして制御回路に電力が供給される間に電流が流れてしまうことを回避するための、起動の間の補償を必要としない、大電力スイッチとして、デバイス３１を使用することが可能となる。さらに、デバイス３１がエンハンスメント型デバイスであるため、起動時に電力分配を制御するためにもまた、デバイス３１を使用可能である。すなわち、デバイス３１は、起動時及び通常動作の間の電力の流れを制御する論理的電力要素として使用することができる。
【００４３】
図４は、本発明に係る絶縁されたゲートコンタクトを備えたＩＩＩ族窒化物デバイスの断面図で、本発明の他の実施例のデバイス４１を示している。このデバイス４１は、ゲートコンタクト４０が絶縁層４２上に導電性材料により形成される点を除き、実質的にデバイス３１と同様である。したがって、ゲートコンタクト４０は、ショットキコンタクトではなく、絶縁コンタクトであり、かつゲートを動作させる任意の種類の金属導体をも含むことが可能である。デバイス４１の動作は、デバイス３１のものと実質的に同一であり、そこでは２ＤＥＧがゲートコンタクト４０の下で遮断され、ノミナリーオフのデバイスを形成する。ゲートコンタクト４０へ、いずれのオーミックコンタクト１８，１８に印加される電位より高い電位を印加することにより、ゲートコンタクト４０の下の２ＤＥＧの形成する効果を生じ、そしてデバイス４１は、オーミックコンタクト１８，１８の間で電流を伝導させることが可能となる。絶縁層４２は、また、適切な閉じ込め性能及び漏れの削減を達成することを可能とする。
【００４４】
図５は、本発明に係る二元的ゲートを備えたＩＩＩ族窒化物デバイスの断面図で、本発明による他の実施例のデバイス５６を示している。このデバイス５６は、２つのゲート電極５０，５２を備えた双方向電界効果トランジスタである。デバイス３１，４１のように、ゲート電極５０，５２は、ＡｌＧａＮ層１６中の凹部において形成され、ノミナリーオフのスイッチを提供する。すなわち、ゲート電極５０，５２は、それぞれ局所的にゲートコンタクトの下の２ＤＥＧを遮断させ、界面１５にて提供される伝導チャンネルを遮断させる。ゲートコンタクト５０，５２の両方が活性状態であるときに、電流伝達電極５４，５５の間の伝導は可能となる。ゲートコンタクト５０，５２の両方は、例えば、いずれの電流伝達電極５４，５５の電位よりも高い電位を受け、ゲート電極５０，５２の下で２ＤＥＧを形成し、完全な伝導チャンネルが電流伝達電極５４，５５の間で形成されることを可能とする。
【００４５】
ゲートコンタクト５０，５２は、絶縁層５１，５３によりＡｌＧａＮ層１６から絶縁され、かつ任意の導電性材料により構成することが可能である。あるいはまたゲートコンタクト５０，５２は、デバイス３１のゲートコンタクト３０と同様に、ショットキ金属コンタクトである場合がある。その場合、ゲートコンタクト５０，５２は、直接ＡｌＧａＮ層１６（この層は、ＧａＮ層１４より低い面内格子定数の任意のＩＩＩ族窒化物材料から構成することが可能である）に接触する。
【００４６】
電流伝達電極５４，５５から個々のゲートコンタクト５０，５２への間隔が等価な状態に維持されている場合には、双方向デバイス５６は、電流伝達電極５４，５５の間に均衡された電流の伝導を提供する。すなわち、電流伝達電極５４及びゲートコンタクト５０の間の間隔を、電流伝達電極５５及びゲートコンタクト５２の間の間隔と同じになるように形成することにより、電流が電流伝達電極５４から電流伝達電極５５に向け流れるか、逆方向に流れるかに拘わらず、デバイス５６が実質的に同様に動作するように、降伏電圧、オン抵抗及び他のスイッチの特性が均衡することが可能である。活性状態のゲートとは、ゲートが閾値を超えた電位を印加されて動作し、スイッチが状態変化を引き起こす状態であることを示すことを意味する。活性（オン）状態のゲートとは、また、ノミナリーオフのデバイスにおいて電流の伝導を可能とする状態にゲートがあることを示している。
【００４７】
ゲートコンタクト５０，５２は、両方が活性化されると、電流伝達電極５４，５５から／に向けて電流が流れることを可能とする。ゲートコンタクト５０，５２の片方又は両方が活性化されていない場合には、電流伝達電極５４，５５の間に電流は流れない。したがって、双方向デバイス５６は、電力論理ＡＮＤゲートとして動作し、両方の「入力」がオン、すなわち、ゲートコンタクト５０，５２が活性化状態であるときのみスイッチが活性化する。したがって、デバイス５６は、起動時及び正常運転条件の間、電力を制御するために特に有益な、電力論理デバイスとして使用することが可能である。さらにデバイス５６は、障害事象に対応して電力を検知し、制御することにより障害状態を検出し、又はこれに反応するために使用することが可能である。
【００４８】
図６は、本発明に係る処理を説明する部分的に形成されたＩＩＩ族窒化物デバイスの断面図で、この処理によりデバイス５６を形成することが可能な、デバイス６０を製作するための技術が示されている。フォトレジスト層６２が、ＩＩＩ族窒化物バリヤ層１６上に形成され、かつ開口部６４，６５は、フォトレジスト層６２中に形成される。開口部６４，６５は、傾斜した側壁を有し、エッチングの段階がＩＩＩ族窒化物バリヤ層１６に向かって傾斜形状を遷移して行くことを可能とする。図２に示された傾斜のある側壁２２は、この技術により形成することが可能である。ＩＩＩ族窒化物バリヤ層１６は、通常、ＡｌＧａＮで構成され、そして適当なエッチング処理がフォトレジスト層６２及び開口部６４，６５と共に使用され、傾斜した側壁を有する凹部をバリヤ層１６中に構成する。
【００４９】
オーミックコンタクト、ショットキコンタクト、絶縁層、及び金属化コンタクトの構成は、既知の技術により実行される。さらに、ここに記述されたエンハンスメント型トランジスタには、表面安定化処理層及び被覆加工、並びに完成デバイスを提供するために、電流を伝達する電極及びゲートにコンタクトを形成する技術を適用することができる。
【００５０】
デバイス５６が２つのゲートコンタクト５０，５２を含むため、結果として双方向スイッチは、共有されたドリフト領域を持つことになり、デバイス５６に対する大きさを削減することを可能とする。デバイス５６の大きさがより小さくなると、オン抵抗の削減もまた実現される可能性がある。
【００５１】
デバイス３１，４１，５６を構成するために使用されるＩＩＩ族窒化物材料は、通常、従来の材料よりはるかに良い遮断特性を示すため、動作パラメータの値を維持しつつ、従来の材料を用いて可能であったものに比較しより小さい大きさで構成することができる。デバイス３１，４１，５６は、同等機能を実行する従来のデバイスより小さい大きさで実現することができるため、削減されたオン抵抗を実現し、改善された電力効率を獲得することが可能である。
【００５２】
さらに、デバイス５６の動作特性をさらに改善する低抵抗のオーミックコンタク
ト処理により電流伝達電極５４，５５を形成することができる。
【００５３】
ここに記述された好適な修正部分は、ＩＩＩ族窒化物材料の１つにおいてゲートコンタクトの下に形成された凹部であるが、本発明によるデバイスにおける修正部分は、イオン注入領域、拡散領域、酸化又は窒化である場合がある。
【００５４】
また、好適な実施例では、この修正部分は、上部のＩＩＩ族窒化物材料中で形成される。しかしながら、本発明によるデバイスは、下部のＩＩＩ族窒化物材料中に修正部分を含むことが可能である。例えば、２ＤＥＧを変化させたいと希望する場所のＧａＮ層においてイオンを注入することができ、次にＧａＮ層上でＡｌＧａＮ層を成長させることが可能である。
【００５５】
図７は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物デバイスのゲート構造の変形例（その１）を示す図で、本発明によるＩＩＩ族窒化物デバイスが注入領域７０を含む場合を示している。この注入領域７０は、接合構造及びその下の２ＤＥＧを破壊するべく影響を及ぼす格子損傷を含んでいる。示された例においては、注入領域７０は、凹部２０下に形成することができる。しかしながら、凹部２０は必須ではない。
【００５６】
図８は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物デバイスのゲート構造の変形例（その２）を示す図で、ゲート絶縁体４２を省略した場合を示す図である。
【００５７】
図９は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物デバイスのゲート構造の変形例（その３）を示す図で、ゲート絶縁体４２をＰ−型ＧａＮ層７２に置き換えた場合を示す図である。注入領域７０を排除できることが注意されるべきである。図９に示された変更によるデバイスが、凹部２０を必要としないこともまた注意されるべきである。
【００５８】
図１０は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物デバイスのゲート構造の変形例（その４）を示す図で、Ｐ−型ＧａＮ層７２を取り除くことができ、代わりに、ＡｌＧａＮ層１６中の領域７４を酸化又は窒化させ、あるいはドーパントを拡散させることができる。ここでもまた、凹部２０を省略することができる。
【００５９】
図１１は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物デバイスのゲート構造の変形例（その５）を示す図である。修正部分は、ＡｌＧａＮ層１６中において形成される必要はない。この変形例では、ＧａＮ層１４中においてそれを形成することができる。図１１を参照すると、本発明に係るデバイスは、ゲート電極４０の下のＧａＮ層１４中において形成されたＰでドーピングされた領域７６を含むことができる。この領域７６は、ｐ型ドーパントによりドーピングされる。領域７６を形成するためにＡｌＧａＮ層１６を通して標準の注入及びアニール（annealing）の工程を使用することが可能であるが、領域７６をＧａＮ層１４中において形成し、次にＧａＮ層１４の他の層で、かつ次にＡｌＧａＮで覆うことも可能である。領域７６を形成するために使用されるＰ型ドーパントは、Ｍｇ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｚｎである場合がある。Ｍｇ又はＺｎが好適なドーパントであるであろう。
【００６０】
本発明がその特定の実施例に関連して記述されてきたが、他の多くの変更、修正、及び他の用法が当業者にとって明らかになるであろう。したがって、本発明はここでの特定の開示によるものではなく、追加された請求の範囲のみにより限定されること好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に係る部分的に形成されたＩＩＩ族窒化物デバイスの断面図である。
【図２】図１に示したＩＩＩ族窒化物デバイスにおけるエッチングされたゲート領域を示す図である。
【図３】ゲートコンタクトを備えた図２に示したＩＩＩ族窒化物デバイスを示す図である。
【図４】本発明に係る絶縁されたゲートコンタクトを備えたＩＩＩ族窒化物デバイスの断面図である。
【図５】本発明に係る二元的ゲートを備えたＩＩＩ族窒化物デバイスの断面図である。
【図６】本発明に係る処理を説明する部分的に形成されたＩＩＩ族窒化物デバイスの断面図である。
【図７】本発明に係るＩＩＩ族窒化物デバイスのゲート構造の変形例（その１）を示す図である。
【図８】本発明に係るＩＩＩ族窒化物デバイスのゲート構造の変形例（その２）を示す図である。
【図９】本発明に係るＩＩＩ族窒化物デバイスのゲート構造の変形例（その３）を示す図である。
【図１０】本発明に係るＩＩＩ族窒化物デバイスのゲート構造の変形例（その４）を示す図である。
【図１１】本発明に係るＩＩＩ族窒化物デバイスのゲート構造の変形例（その５）を示す図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年3月7日(2007.3.7)
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007534163.tif 000014
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2007534163.tif 000015
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2007534163.tif 000016
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
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