(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ基板上に設けられ、炭素を含む第１のＧａＮ層と、
前記第１のＧａＮ層上に設けられ、炭素を含む第２のＧａＮ層と、
前記第２のＧａＮ層上に設けられ、ＧａＮよりもバンドギャップが大きい電子供給層と、を有し、
前記第１のＧａＮ層のアクセプタ濃度は前記第２のＧａＮ層のアクセプタ濃度よりも高く、
前記第１のＧａＮ層の厚さは前記第２のＧａＮ層の厚さよりも薄く、
前記第２のＧａＮ層の炭素濃度は前記第１のＧａＮ層の炭素濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１のＧａＮ層は、浅いアクセプタ準位を形成する不純物が添加されてい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】
前記浅いアクセプタ準位は、０．８ｅＶ以下であ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１のＧａＮ層のアクセプタ濃度は、１．０×１０１４ｃｍ−３〜１．０×１０１６ｃｍ−３であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１のＧａＮ層の厚さは、１００ｎｍ〜３００ｎｍであり、前記第１のＧａＮ層の厚さと前記第２のＧａＮ層の厚さとの総厚は、１０００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、ＳｉＣ基板を用いた窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた半導体装置は、高周波かつ高出力で動作するパワー素子等に用いられている。特に、マイクロ波、準ミリ波、ミリ波等の高周波帯域において増幅を行うのに適した半導体装置として、例えば高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transisor：ＨＥＭＴ）等のＦＥＴが知られている。
【０００３】
窒化物半導体を用いた半導体装置として、Ｓｉ基板上に、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層、電子供給層が順次積層された半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、窒化物半導体を用いた半導体装置の基板として、Ｓｉ基板以外に、ＧａＮと格子定数が比較的近いＳｉＣ基板が用いられることも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１６６３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
窒化物半導体を用いた半導体装置においては、更なる高周波化が求められており、高周波化のためには、短ゲートにおけるピンチオフ特性の改善が求められている。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ピンチオフ特性の改善が可能な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】
【０００７】
本発明は、ＳｉＣ基板上に設けられ、炭素を含む第１のＧａＮ層と、前記第１のＧａＮ層上に設けられ、炭素を含む第２のＧａＮ層と、前記第２のＧａＮ層上に設けられ、ＧａＮよりもバンドギャップが大きい電子供給層と、を有し、前記第１のＧａＮ層のアクセプタ濃度は前記第２のＧａＮ層のアクセプタ濃度よりも高く、前記第１のＧａＮ層の厚さは前記第２のＧａＮ層の厚さよりも薄く、前記第２のＧａＮ層の炭素濃度は前記第１のＧａＮ層の炭素濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、第１のＧａＮ層におけるＥｃを上昇させることができ、ピンチオフ特性を改善できる。
【０００８】
上記構成において、前記第１のＧａＮ層は、浅いアクセプタ準位を形成する不純物が添加されている構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記浅いアクセプタ準位は、０．８ｅＶ以下である構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記第１のＧａＮ層のアクセプタ濃度は、１．０×１０１４ｃｍ−３〜１．０×１０１６ｃｍ−３である構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記第１のＧａＮ層の厚さは、１００ｎｍ〜３００ｎｍであり、前記第１のＧａＮ層の厚さと前記第２のＧａＮ層の厚さとの総厚は、１０００ｎｍ以上である構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、第１のＧａＮ層におけるＥｃを上昇させることができ、ピンチオフ特性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、比較例１に係る半導体装置におけるエピ層を示す断面模式図の例である。
【図２】図２は、比較例２に係る半導体装置におけるエピ層を示す断面模式図の例である。
【図３】図３（ａ）は、図１に示した比較例１の場合の、ＡｌＧａＮ電子供給層の上面からの深さに対するＥｃの変化をシミュレーションしたバンド図である。図３（ｂ）は、図２に示した比較例２の場合の、ＡｌＧａＮ電子供給層の上面からの深さに対するＥｃの変化をシミュレーションしたバンド図である。
【図４】図４は、実施例１に係る半導体装置におけるエピ層を示す断面模式図の例である。
【図５】図５は、図４に示した実施例１の場合の、ＡｌＧａＮ電子供給層１６の上面からの深さに対するＥｃの変化をシミュレーションしたバンド図である。
【図６】図６は、実施例１に係る半導体装置の断面模式図の例である。
【図７】図７は、実施例１と比較例２についての、オフ状態における電流電圧特性のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
まず初めに、比較例１に係る半導体装置について説明する。図１は、比較例１に係る半導体装置におけるエピ層を示す断面模式図の例である。図１のように、ＳｉＣ基板１０上に、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用い、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなるシード層１２を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス：ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＮＨ３（アンモニア）
成長温度：１１００℃
圧力    ：１３．３ｋＰａ
膜厚    ：２５ｎｍ
【００１６】
シード層１２上に、ＧａＮ電子走行層１４を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス    ：ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ３
成長温度    ：１０５０℃
圧力        ：１３．３ｋＰａ
Ｖ／ＩＩＩ比：５０００
成長速度    ：０．２ｎｍ／ｓｅｃ
膜厚        ：８００ｎｍ
【００１７】
ＧａＮ電子走行層１４上に、ＡｌＧａＮ電子供給層１６を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス  ：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３
Ａｌ組成比：２０％
膜厚      ：２５ｎｍ
【００１８】
比較例１のように、ＳｉＣ基板１０上にシード層１２を介してＧａＮ電子走行層１４を形成すると、ＳｉＣとＧａＮとは格子定数が比較的近いが格子不整合であることには変わりないため、ＧａＮ電子走行層１４に転位が生じる。転位はトラップの要因となる。また、ＭＯＣＶＤ法による成長では、原料に含まれるＣ（炭素）が、ＧａＮ電子走行層１４に取り込まれてＣ濃度が高くなることがある。Ｃ濃度が高いＧａＮ結晶についてフォトルミネッセンス評価すると、５００ｎｍ〜７００ｎｍの波長帯でブロードな発光（Ｙｅｌｌｏｗ  ＢＡＮＤ：イエローバンド）が観測される。イエローバンドの発光が生じることは、深いトラップ等が存在していることを示唆している。トラップは、電流コラプスに代表される電流電圧特性の過度応答の原因となる。
【００１９】
トラップを低減するには、ＧａＮ電子走行層１４に生じる転位密度の低減と、イエローバンドの発光強度の低減と、を図ることが考えられる。転位密度を低減するには、ＧａＮ電子走行層１４の厚さを厚くすることが考えられる。例えば、ＳｉＣ基板１０上に形成されるＧａＮ電子走行層１４の厚さを、５００ｎｍ→１０００ｎｍ→１６００ｎｍと厚くすると、転位密度は１．０×１０１０ｃｍ−２→１．０×１０９ｃｍ−２→５．０×１０８ｃｍ−２と低減する。一方、イエローバンドの発光強度を低減するには、ＧａＮ電子走行層１４の成長の際に取り込まれるＣの量を減らして、Ｃ濃度を低くすることが考えられる。Ｃ濃度を低くすることは、ＧａＮ電子走行層１４の成長条件を制御することで実現できる。例えば、Ｖ／ＩＩＩ比を高くする、成長温度を高くする、成長速度を遅くする、等により実現できる。例えば、成長温度を１０００℃→１０５０℃→１１００℃と高くすると、イエローバンドの発光強度をバンド端強度で割った値は１０→１→０．１と小さくなる。
【００２０】
そこで、ＧａＮ電子走行層１４に生じる転位密度の低減とイエローバンドの発光強度の低減とを実現すべく、ＧａＮ電子走行層１４の厚さを厚くし且つ成長温度を高くして成長した場合の比較例２に係る半導体装置について説明する。図２は、比較例２に係る半導体装置におけるエピ層を示す断面模式図の例である。図２のように、ＳｉＣ基板１０上に、例えばＭＯＣＶＤ法を用い、ＡｌＮからなるシード層１２を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス：ＴＭＡ、ＮＨ３
成長温度：１１００℃
圧力    ：１３．３ｋＰａ
膜厚    ：２５ｎｍ
【００２１】
シード層１２上に、ＧａＮ電子走行層１４を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス    ：ＴＭＧ、ＮＨ３
成長温度    ：１１００℃
圧力        ：１３．３ｋＰａ
Ｖ／ＩＩＩ比：５０００
成長速度    ：０．２ｎｍ／ｓｅｃ
膜厚        ：１５００ｎｍ
【００２２】
ＧａＮ電子走行層１４上に、ＡｌＧａＮ電子供給層１６を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス  ：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３
Ａｌ組成比：２０％
膜厚      ：２５ｎｍ
【００２３】
図３（ａ）は、図１に示した比較例１の場合の、ＡｌＧａＮ電子供給層１６の上面からの深さに対するＥｃ（伝導帯のエネルギー準位）の変化をシミュレーションしたバンド図である。図３（ｂ）は、図２に示した比較例２の場合の、ＡｌＧａＮ電子供給層１６の上面からの深さに対するＥｃの変化をシミュレーションしたバンド図である。なお、比較例１において、ＧａＮ電子走行層１４のアクセプタ濃度（Ｎａ）を５．０×１０１４／ｃｍ３、ドナー濃度（Ｎｄ）を１．０×１０１４／ｃｍ３とし、比較例２において、ＧａＮ電子走行層１４のアクセプタ濃度（Ｎａ）を２．０×１０１３／ｃｍ３、ドナー濃度（Ｎｄ）を１．０×１０１４／ｃｍ３としてシミュレーションを行った。図３（ａ）および図３（ｂ）のように、比較例２では、比較例１に比べて、ＧａＮ電子走行層１４におけるＥｃが低くなっている。つまり、比較例２では、トラップの低減は図れていても、ピンチオフ特性が劣化してしまっている。
【００２４】
ここで、比較例１および比較例２において、ＡｌＧａＮ電子供給層１６上に、ソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極を形成した場合における、オフ状態での電流電圧特性をシミュレーションした。その結果、ゲート電圧を−３Ｖとした場合のドレイン電流は、比較例１では３．１×１０−６Ａ／ｍｍであったのに対し、比較例２では４．５×１０−４Ａ／ｍｍとなり、ピンチオフ特性が劣化してしまった。
【００２５】
比較例２において、Ｅｃが低くなった理由は以下のように考えられる。ＳｉＣとＧａＮとは、バンドギャップに大きな差がないことから、ＳｉＣ基板１０上にＧａＮ電子走行層１４を成長させても、ＳｉＣ基板１０とＧａＮ電子走行層１４との界面近傍のバンドは持ち上がらない。そして、ＧａＮ電子走行層１４の成長において、ＧａＮ電子走行層１４には、Ｃの他に、原料に起因したＳｉ（シリコン）とＯ（酸素）とが取り込まれる。Ｃはアクセプタとして働き、ＳｉとＯはドナーとして働く。つまり、Ｃ濃度を低減させるとアクセプタ濃度が低下する。このため、Ｃ濃度を低減させると、ドナー濃度−アクセプタ濃度（電子濃度）が増大することとなり、その結果、Ｅｃが低くなってしまったと考えられる。そこで、このような課題を解決することが可能な実施例を以下に示す。
【実施例１】
【００２６】
図４は、実施例１に係る半導体装置におけるエピ層を示す断面模式図の例である。図４のように、酸洗浄したＳｉＣ基板１０を、成長温度よりも高温のＨ２雰囲気中で基板表面をクリーニングした後、ＳｉＣ基板１０上に、例えばＭＯＣＶＤ法を用い、ＡｌＮからなるシード層１２を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス：ＴＭＡ、ＮＨ３
成長温度：１１００℃
圧力    ：１３．３ｋＰａ
膜厚    ：２５ｎｍ
【００２７】
シード層１２上に、第１のＧａＮ層１８を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス    ：ＴＭＧ、ＮＨ３
成長温度    ：１０５０℃
圧力        ：１３．３ｋＰａ
Ｖ／ＩＩＩ比：１０００
成長速度    ：０．３ｎｍ／ｓｅｃ
ドープ      ：Ｚｎ（亜鉛）を１×１０１５ｃｍ−３ドープ
膜厚        ：３００ｎｍ
【００２８】
第１のＧａＮ層１８上に、第２のＧａＮ層２０（電子走行層）を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス    ：ＴＭＧ、ＮＨ３
成長温度    ：１１００℃
圧力        ：１３．３ｋＰａ
Ｖ／ＩＩＩ比：５０００
成長速度    ：０．２ｎｍ／ｓｅｃ
膜厚        ：１２００ｎｍ
【００２９】
第２のＧａＮ層２０上に、ＡｌＧａＮ電子供給層１６を成長させる。成長条件は以下である。
原料ガス  ：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３
Ａｌ組成比：２０％
膜厚      ：２５ｎｍ
【００３０】
第１のＧａＮ層１８は、第２のＧａＮ層２０に比べて、成長温度およびＶ／ＩＩＩ比を低くし、成長速度を早くしているため、第１のＧａＮ層１８のＣ濃度は、第２のＧａＮ層２０のＣ濃度に比べて高くなる。さらに、第１のＧａＮ層１８にはＺｎを添加している。このため、第１のＧａＮ層１８のアクセプタ濃度は、第２のＧａＮ層２０に比べて高くなる。
【００３１】
図５は、図４に示した実施例１の場合の、ＡｌＧａＮ電子供給層１６の上面からの深さに対するＥｃの変化をシミュレーションしたバンド図である。なお、実施例１において、第１のＧａＮ層１８のアクセプタ濃度（Ｎａ）を１．０×１０１５／ｃｍ３、ドナー濃度（Ｎｄ）を１．０×１０１４／ｃｍ３とし、第２のＧａＮ層２０のアクセプタ濃度（Ｎａ）を２．０×１０１３／ｃｍ３、ドナー濃度（Ｎｄ）を１．０×１０１４／ｃｍ３としてシミュレーションを行った。図５のように、第１のＧａＮ層１８および第２のＧａＮ層２０におけるＥｃが、比較例２に比べて、上昇していることが分かる。これは、第１のＧａＮ層１８を、アクセプタ濃度（Ｎａ）の高い層としたため、ＳｉＣ基板１０界面でのバンドが持ち上がったためと考えられる。
【００３２】
図６は、実施例１に係る半導体装置の断面模式図の例である。図６のように、実施例１に係る半導体装置は、図４で説明したエピ層を有し、さらにＡｌＧａＮ電子供給層１６上に、オーミック電極としてのソース電極２２とドレイン電極２４とが設けられている。ソース電極２２およびドレイン電極２４は、例えばＡｌＧａＮ電子供給層１６側からＴｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）が順次積層された２層構造をしている。ソース電極２２とドレイン電極２４との間のＡｌＧａＮ電子供給層１６上には、ゲート電極２６が設けられている。ゲート電極２６は、例えばＡｌＧａＮ電子供給層１６側からＮｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）が順次積層された２層構造をしている。
【００３３】
図７は、実施例１に係る半導体装置について、オフ状態における電流電圧特性のシミュレーション結果を示す図である。また、比較のために、比較例２に係る半導体装置についてのオフ状態における電流電圧特性のシミュレーション結果も示す。図７の横軸はゲート電圧Ｖｇであり、縦軸はドレイン電流Ｉｄである。図７のように、比較例２では、ゲート電圧Ｖｇを−３Ｖとした場合におけるドレイン電流Ｉｄは４．５×１０−４Ａ／ｍｍであるのに対し、実施例１では、ゲート電圧Ｖｇを−３Ｖとした場合におけるドレイン電流Ｉｄは４．３×１０−６Ａ／ｍｍであった。このように、実施例１では、比較例２に比べて、ピンチオフ特性の改善が実現できることが分かる。
【００３４】
次に、実施例１において、第２のＧａＮ層２０を成長させた後、第２のＧａＮ層２０のトラップ密度をＤＬＴＳ（Deep Level Transient Spectroscopy）により測定した。また、比較のために、比較例１において、ＧａＮ電子走行層１４を成長させた後、ＧａＮ電子走行層１４のトラップ密度をＤＬＴＳにより測定した。比較例１では、トラップ密度が３．０×１０１２ｃｍ−２であったのに対し、実施例１では、トラップ密度が６．０×１０１１ｃｍ−２と大幅に低下した。
【００３５】
以上説明してきたように、実施例１によれば、ＳｉＣ基板１０上に、第１のＧａＮ層１８、第２のＧａＮ層２０、ＡｌＧａＮ電子供給層１６を順次積層させ、第１のＧａＮ層１８のアクセプタ濃度（Ｎａ）を、第２のＧａＮ層２０のアクセプタ濃度（Ｎａ）よりも高くしている。これにより、図５で説明したように、第１のＧａＮ層１８におけるＥｃを上昇させることができ、図７で説明したように、ピンチオフ特性を改善できる。また、第２のＧａＮ層２０のＣ濃度を低く抑えているため、トラップの低減が図れ、電流コラプスに代表される電圧電流特性の過度応答の抑制もできる。
【００３６】
実施例１では、第１のＧａＮ層１８のアクセプタ濃度を高くするためにＺｎを添加しているが、浅いアクセプタ準位を形成する不純物であれば、他の不純物を添加してもよい。アクセプタ準位が深いと、時定数の長いトラップを形成し、時間の長い電流の過度応答特性が現れてしまうためである。浅いアクセプタ準位としては、例えば０．８ｅＶ以下である場合が好ましく、０．５ｅＶ以下である場合がより好ましい。具体的な不純物として、例えばＭｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｂｅ（ベリウム）、Ｃ（炭素）、Ｃｄ（カドミウム）、Ａｓ（砒素）、Ｐ（リン）、Ｃａ（カルシウム）が挙げられる。また、実施例１で説明した製造方法で第１のＧａＮ層１８を形成することにより、第１のＧａＮ層１８には、少なくともＣが含まれることとなる。
【００３７】
また、実施例１において、第１のＧａＮ層１８のアクセプタ濃度（Ｎａ）は１．０×１０１５／ｃｍ３である場合を例に示したが、これに限られない。しかしながら、アクセプタ濃度（Ｎａ）が、１．０×１０１４ｃｍ−３より低い場合はＥｃを上昇させる効果が弱く、１．０×１０１６ｃｍ−３より高い場合はトラップが増大してしまうため、アクセプタ濃度（Ｎａ）は、１．０×１０１４ｃｍ−３〜１．０×１０１６ｃｍ−３の場合が好ましく、３．０×１０１４ｃｍ−３〜７．０×１０１５ｃｍ−３の場合がより好ましく、７．０×１０１４ｃｍ−３〜３．０×１０１５ｃｍ−３の場合がさらに好ましい。
【００３８】
また、第１のＧａＮ層１８の厚さは３００ｎｍである場合を例に示しているが、これに限られない。しかしながら、第１のＧａＮ層１８の厚さが１００ｎｍより薄い場合はＥｃを上昇させる効果が弱く、３００ｎｍより厚い場合はトラップが増大してしまうため、第１のＧａＮ層１８の厚さは、１００ｎｍ〜３００ｎｍの場合が好ましく、１５０ｎｍ〜３００ｎｍの場合がより好ましく、２００ｎｍ〜３００ｎｍの場合がさらに好ましい。
【００３９】
また、第１のＧａＮ層１８の厚さと第２のＧａＮ層２０の厚さとの総厚は、１０００ｎｍ以上の場合が好ましく、１５００ｎｍ以上の場合がより好ましい。第２のＧａＮ層２０の厚さが薄くなると、転位密度を低減することが難しくなり、また、Ｃ濃度の高い第１のＧａＮ層１８の影響が現れてしまい、トラップの低減が達成できなくなる場合がある。
【００４０】
実施例１では、ＨＥＭＴの場合を例に示したが、これに限らず、ＳｉＣ基板上にアクセプタ濃度（Ｎａ）の高い第１のＧａＮ層と、第１のＧａＮ層よりもアクセプタ濃度の低い第２のＧａＮ層と、電子供給層と、が順次積層された構造が適用できれば、ＨＥＭＴ以外の場合であってもよい。また、電子供給層は、ＧａＮよりもバンドギャップが大きければ、ＡｌＧａＮ以外の場合でもよい。
【００４１】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例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、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  ＳｉＣ基板
１２  シード層
１４  ＧａＮ電子走行層
１６  ＡｌＧａＮ電子供給層
１８  第１のＧａＮ層
２０  第２のＧａＮ層
２２  ソース電極
２４  ドレイン電極
２６  ゲート電極
【図１】
0005707767.tif 000002
【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】
0005707767.tif 000008