(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成される半絶縁性ＧａＮ層と、
前記半絶縁性ＧａＮ層上に形成され、ＡｌがドーピングされたＧａＮ層と、
前記ＡｌがドーピングされたＧａＮ層上に形成され、下記の組成式１を有する物質からなる第１窒化物層と、
前記第１窒化物層の一領域のストレインが弛緩されることにより前記一領域に対応する位置でピエゾ効果が喪失されるように、前記第１窒化物層の一領域上に形成され、前記第１窒化物層と同じ物質からなる第２窒化物層と、
前記第１窒化物層上に形成されるソース電極パターンおよびドレイン電極パターンと、
前記第２窒化物層上に形成されるゲート電極パターンと、
を含むことを特徴とするノーマリーオフパワー素子。
［組成式１］
ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮ（ここで、０．１≦ｘ≦１であり、０≦ｙ≦０．３である）
【請求項２】
前記組成式１においてｘ値の範囲が０．１≦ｘ≦０．５であり、ｙ値が０であり、前記第２窒化物層の厚さは２０ｎｍ〜７０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のノーマリーオフパワー素子。
【請求項３】
前記組成式１においてｘ値が１であり、ｙ値が０であり、前記第２窒化物層の厚さは２ｎｍ〜７ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のノーマリーオフパワー素子。
【請求項４】
前記第２窒化物層と前記ソース電極パターンおよび前記ドレイン電極パターンとの間に形成された絶縁パターンをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のノーマリーオフパワー素子。
【請求項５】
前記絶縁パターンは、酸化珪素（ＳｉＯｘ）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）、および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）により形成されたグループから選択されることを特徴とする請求項４に記載のノーマリーオフパワー素子。
【請求項６】
基板上に半絶縁性ＧａＮ層を形成するステップと、
前記半絶縁性ＧａＮ層上にＡｌがドーピングされたＧａＮ層を形成するステップと、
前記ＡｌがドーピングされたＧａＮ層上に、下記の組成式１を有する物質からなる第１窒化物層を形成するステップと、
前記第１窒化物層の一領域のストレインが弛緩されることにより前記一領域に対応する位置でピエゾ効果が喪失されるように、前記第１窒化物層の一領域上に、前記第１窒化物層と同じ物質からなる第２窒化物層を形成するステップと、
前記第１窒化物層上にソース電極パターンおよびドレイン電極パターンを形成するステップと、
前記第２窒化物層上にゲート電極パターンを形成するステップと、
を含むことを特徴とするノーマリーオフパワー素子の製造方法。
［組成式１］
ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮ（ここで、０．１≦ｘ≦１であり、０≦ｙ≦０．３である）
【請求項７】
前記第２窒化物層は、前記第１窒化物層を形成した後、前記ゲート電極パターンの下部領域で窒化物が再成長されて形成されることを特徴とする請求項６に記載のノーマリーオフパワー素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２窒化物層は、前記第１窒化物層を形成した後、前記ゲート電極パターンの下部領域を除いた部分がエッチングされて形成されることを特徴とする請求項６に記載のノーマリーオフパワー素子の製造方法。
【請求項９】
前記組成式１においてｘ値の範囲が０．１≦ｘ≦０．５であり、ｙ値が０であり、前記第２窒化物層の厚さは２０ｎｍ〜７０ｎｍであることを特徴とする請求項６に記載のノーマリーオフパワー素子の製造方法。
【請求項１０】
前記組成式１においてｘ値が１であり、ｙ値が０であり、前記第２窒化物層の厚さは２ｎｍ〜７ｎｍであることを特徴とする請求項６に記載のノーマリーオフパワー素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
パワー素子およびその製造方法が開示される。より詳しくは、ノーマリーオフ（Ｎｏｒｍａｌｌｙ  ｏｆｆ）動作が可能なパワー素子およびその製造方法が開示される。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子は電流が印加されると、ｐ、ｎ型半導体の接合部分で電子と精工の再結合に基づいて様々な色の光を発生させ得る半導体装置である。このような半導体発光素子は、フィラメントに基づいた発光素子に比べて長い寿命、低い電源、優れる初期駆動特性、高い振動抵抗などの多様な長所を有するため、その需要が持続的に増加している。特に、最近では青色系の短波長領域の光を発光することのできる窒化物半導体が脚光を浴びている。
【０００３】
最近、全世界的に情報通信技術の急激な発達に伴って超高速、大容量の信号送信のための通信技術が急速に発達している。特に、無線通信技術において個人携帯電話、衛星通信、軍事用レーダー、放送通信、通信用中継機などの需要が次第に拡大するにつれて、マイクロ波とミリメートル波帯域の超高速情報通信システムに必要な高速、高電力電子素子に対する要求が増加している。また、高電力に使用しているパワー素子における応用においても省エネのために多くの研究が行われている。
【０００４】
特に、窒化物半導体はエネルギギャップが大きく、高い熱的および化学的な安定度、高い電子飽和の速度（〜３×１０７ｃｍ／ｓｅｃ）等の優れる物性を有し、光素子だけではなく高周波、高出力用の電子素子における応用が容易であるため、全世界的に活発に研究されている。特に、窒化物半導体を用いる電子素子は高い降伏電圧（〜３×１０６Ｖ／ｃｍ）および最大電流密度、安定した高温動作、高い熱伝導度などの様々な長所を有する。
【０００５】
化合物半導体のヘテロ接合構造を用いるＨＦＥＴ（Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の場合、接合界面におけるバンド不連続（ｂａｎｄ−ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ）が大きいため、界面に高い濃度の電子が誘起される場合があるため電子移動度（ｍｏｂｉｌｉｔｙ）をさらに高める。このような物性的な特徴により高電力素子における応用が可能である。しかし、このような高い電子移動度を有するＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＦＥＴ構造では、信号が印加されていない状態でも電流が流れることで電力の消耗が発生する。
【０００６】
電力素子の場合、大きい電流密度が要求されるためノーマリーオン（ｎｏｒｍａｌｌｙ  ｏｎ）素子における電力損失は大きい問題になっており、最近ゲートの部分のＡｌＧａＮ層を除去してＭＯＳ  ＨＦＥＴを実現したノーマリーオフ（Ｎｏｒｍａｌｌｙ  ｏｆｆ）素子が開発されている。このようなノーマリーオフ素子は、ゲートの部分のＡｌＧａＮ層をＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ−Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈ）で除去してリセス（ｒｅｃｅｓｓ）構造を形成し、絶縁物質をゲート酸化物を用いてＭＯＳ  ＨＦＥＴを実現した後、電圧の印加によりチャネルが形成される。しかし、ＡｌＧａＮ層の厚さを正確に制御することが難しく、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いる時に表面がプラズマに露出して電気的な特性の低下をもたらす問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、ノーマリーオフ動作が可能なパワー素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態に係るノーマリーオフパワー素子は、基板と、前記基板上に形成される半絶縁性ＧａＮ層と、前記半絶縁性ＧａＮ層上に形成され、ＡｌがドーピングされたＧａＮ層と、前記ＡｌがドーピングされたＧａＮ層上に形成され、下記の組成式１を有する物質からなる第１窒化物層と、前記第１窒化物層の一領域のストレインが弛緩されることにより前記一領域に対応する位置でピエゾ効果が喪失されるように、前記第１窒化物層の一領域上に形成され、前記第１窒化物層と同じ物質からなる第２窒化物層と、前記第１窒化物層上に形成されるソース電極パターンおよびドレイン電極パターンと、前記第２窒化物層上に形成されるゲート電極パターンと、を含む。
【００１０】
［組成式１］
ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮ（ここで、０．１≦ｘ≦１であり、０≦ｙ≦０．３である）
【００１３】
本発明の一側面に係るノーマリーオフパワー素子において、前記組成式１においてｘ値の範囲が０．１≦ｘ≦０．５であり、ｙ値が０であり、前記第２窒化物層の厚さは２０ｎｍ〜７０ｎｍであってもよい。
【００１４】
本発明の一側面に係るノーマリーオフパワー素子において、前記組成式１においてｘ値が１であり、ｙ値が０であり、前記第２窒化物層の厚さは２ｎｍ〜７ｎｍであってもよい。
【００１５】
本発明の一側面に係るノーマリーオフパワー素子において、前記第２窒化物層と前記ソース・ドレイン電極パターンとの間に形成された絶縁パターンをさらに含んでもよい。
【００１６】
本発明の一側面に係るノーマリーオフパワー素子において、前記絶縁パターンは、酸化珪素（ＳｉＯｘ）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）、および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）により形成されたグループから選択されてもよい。
【００１７】
本発明の他の実施形態に係るノーマリーオフパワー素子の製造方法は、基板上に半絶縁性ＧａＮ層を形成するステップと、前記半絶縁性ＧａＮ層上にＡｌがドーピングされたＧａＮ層を形成するステップと、前記ＡｌがドーピングされたＧａＮ層上に、下記の組成式１を有する物質からなる第１窒化物層を形成するステップと、前記第１窒化物層の一領域のストレインが弛緩されることにより前記一領域に対応する位置でピエゾ効果が喪失されるように、前記第１窒化物層の一領域上に、前記第１窒化物層と同じ物質からなる第２窒化物層を形成するステップと、前記第１窒化物層上にソース電極パターンおよびドレイン電極パターンを形成するステップと、前記第２窒化物層上にゲート電極パターンを形成するステップと、を含む。
【００１８】
［組成式１］
ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮ（ここで、０．１≦ｘ≦１であり、０≦ｙ≦０．３である）
【００１９】
本発明の一実施形態に係るノーマリーオフパワー素子の製造方法は、前記第２窒化物層は、前記第１窒化物層を形成した後、前記ゲート電極パターンの下部領域で窒化物が再成長されて形成されてもよい。
【００２０】
本発明の一実施形態に係るノーマリーオフパワー素子の製造方法は、前記第２窒化物層は、前記第１窒化物層を形成した後、前記ゲート電極パターンの下部領域を除いた部分がエッチングされて形成されてもよい。
【００２４】
本発明の一実施形態に係るノーマリーオフパワー素子の製造方法は、前記組成式１においてｘ値の範囲が０．１≦ｘ≦０．５であり、ｙ値が０であり、前記第２窒化物層の厚さは２０ｎｍ〜７０ｎｍであってもよい。
【００２５】
本発明の一実施形態に係るノーマリーオフパワー素子の製造方法は、前記組成式１においてｘ値が１であり、ｙ値が０であり、前記第２窒化物層の厚さは２ｎｍ〜７ｎｍであってもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の一実施形態に係るパワー素子は、第１窒化物層を形成した後、ゲート電極下部に第２窒化物層をさらに形成することによって、ゲート電極に対応する部分には２次元の電子ガス層（２−ＤＥＧ：２−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ）が形成されないため、ノーマリーオフ動作が可能である。
【００２７】
これによって、本発明の一実施形態に係るパワー素子は、ゲートの電圧に応じて２次元の電子ガス層の生成を調整することができ、ノーマリーオフ動作が可能であるため消費電力を減少させることができる。
【００２８】
また、ゲート電極に対応する第２窒化物層を形成するために、第１窒化物層を形成した後、ゲート電極に対応する部分のみを再成長させたり、ゲート電極に対応する部分を除いた残り部分をエッチングする方法を用いることによって、リセス工程を省略することができることから素子の再現性が確保され、工程を単純化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係るパワー素子構造を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るパワー素子を製造する過程を示す図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係るパワー素子を製造する過程を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係るパワー素子を製造する過程を示す図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態に係るパワー素子を製造する過程を示す図である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態に係るパワー素子を製造する過程を示す図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に係るパワー素子を製造する過程を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態に係るパワー素子を製造する過程を示す図である。
【図４Ｃ】本発明の一実施形態に係るパワー素子を製造する過程を示す図である。
【図４Ｄ】本発明の一実施形態に係るパワー素子を製造する過程を示す図である。
【図４Ｅ】本発明の一実施形態に係るパワー素子を製造する過程を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るパワー素子においてＡｌＧａＮの厚さによる移動度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
実施形態の説明において、各基板、層またはパターンなどが各基板、層、またはパターンなどの「上（ｏｎ）」に、または「下（ｕｎｄｅｒ）」に形成されるものと記載される場合、「上（ｏｎ）」と「下（ｕｎｄｅｒ）」は「直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）」または「他の構成要素を介在して（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）」形成されるものをすべて含む。また、各構成要素の上または下に対する基準は図面を基準にして説明する。
【００３１】
図面における各構成要素の大きさは説明のために誇張される場合があり、実際に適用される大きさを意味することはない。
【００３２】
以下では下記の図面を参照して実施形態を説明する。
【００３３】
図１は、本発明の一実施形態に係るパワー素子構造を示す断面図である。
【００３４】
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係るパワー素子は、基板１００、半絶縁性ＧａＮ層２００、ＡｌがドーピングされたＧａＮ層３００、２次元の電子ガス層（２−ＤＥＧ：２−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ）４００、第１窒化物層５１０、第２窒化物層５２０、ソース電極パターン６２０、ドレイン電極パターン６３０、およびゲート電極パターン６１０、絶縁パターン７１０，７２０を含む。
【００３５】
基板１００上にバッファ層（図示せず）または半絶縁性ＧａＮ層２００が形成されてもよい。基板１００は、ガラス基板またはサファイア基板のような絶縁性の基板であってもよく、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯのような導電性基板であってもよい。また、基板１００は、窒化物成長用の基板であってもよく、例えば、ＡｌＮまたはＧａＮ系の基板であってもよい。
【００３６】
半絶縁性ＧａＮ層２００は基板１００上に形成される。半絶縁性ＧａＮ層２００は、基板１００に向かった漏洩電流を防止して素子間の分離のために比較的に高い抵抗を有し得る。半絶縁性ＧａＮ層２００は、抵抗が極めて高くて半絶縁性（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ）の特性を有し得る。
【００３７】
ＡｌがドーピングされたＧａＮ層３００は半絶縁性ＧａＮ層２００上に形成される。ＡｌがドーピングされたＧａＮ層３００はチャネル層の役割をする。２次元の電子ガス層４００は、異なるバンドギャップを有するＡｌがドーピングされたＧａＮ層３００および下記の第１窒化物層５１０のヘテロ接合によって形成される。すなわち、ゲート電極６１０に電圧が印加されると、２次元の電子ガス層４００によってチャネルが形成されて、ソース電極６２０とドレイン電極６３０との間に電流が流れる。
【００３８】
第１窒化物層５１０はＡｌがドーピングされたＧａＮ層３００上に形成され、第２窒化物層５２０は第１窒化物層５１０上に形成される。
【００３９】
第１窒化物層５１０は、下記の組成式１を有する物質からなり得る。
【００４０】
［組成式１］
ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮ（ここで、０．１≦ｘ≦１であり、０≦ｙ≦０．３である）
【００４１】
第２窒化物層５２０は、第１窒化物層５１０と同じ物質からなってもよい。また、第２窒化物層５２０は、第１窒化物層５１０の物質にｐ型物質がドーピングされたもので形成されてもよい。例えば、第２窒化物層５２０は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮ（ここで、０．１≦ｘ≦１であり、０≦ｙ≦０．３である）、またはｐ−ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮ（ここで、０．１≦ｘ≦１であり、０≦ｙ≦０．３である）であってもよい。ここで、ｐ−ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮはＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮがｐ型物質にドーピングされたものを意味し、ｐ型物質はＩＩＩ族の元素である。第２窒化物層５２０がｐ型物質にドーピングされたｐ−ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮから形成されることによって、ｐ型ドーピングによって電荷は（＋）、チャネルは（−）になって、電荷中性（ｃｈａｒｇｅ  ｎｅｕｔｒａｌ）を達成することができる。これによって、ゲート電極６１０の下部に対応する部分には、２次元の電子ガス層４００が形成されないためチャネルを除去することができる。
【００４２】
第１窒化物層５１０および第２窒化物層５２０は、アルミニウムの含量に応じて表面のモーフォロジー（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）およびピエゾ効果（ｐｉｅｚｚｏ  ｅｆｆｅｃｔ）が変わり得る。通常、アルミニウム含量に応じる表面のモーフォロジーおよびピエゾ効果は互いにトレードオフ（ｔｒａｄｅ  ｏｆｆ）の関係にある。すなわち、アルミニウムの含量に応じて表面のモーフォロジーが優れるとピエゾ効果は減少し、反対に、アルミニウムの含量に応じてピエゾ効果が増加すると表面のモーフォロジーはよくない特性を表す。
【００４３】
組成式１においてｘ値が０または１である場合、すなわち、ＧａＮまたはＡｌＮの場合にはＧａＮまたはＡｌＮ表面のモーフォロジーが優秀であるが、ｘ値が０．１と１の間にある場合には表面のモーフォロジーが様々に変化することがある。
【００４４】
本発明の一側面に係るパワー素子において、表面のモーフォロジーを考慮する時に第１窒化物層５１０においてｘ値の範囲が０．１≦ｘ≦０．５であってもよく、第１窒化物層５１０の厚さは２５ｎｍ〜３０ｎｍであってもよい。ただし、第１窒化物層５１０においてｘ値が０．３であり、第１窒化物層５１０の厚さが２５ｎｍ〜３０ｎｍである場合、ピエゾ効果が最も強いことがある。
【００４５】
本発明において優秀な表面モーフォロジーを確保しながらピエゾ効果を除去するために、ゲート電極６１０に対応する部分に第２窒化物層５２０を形成してもよい。すなわち、第１窒化物層５１０においてｘ値の範囲を０．１≦ｘ≦０．５に調整することで優秀な表面モーフォロジーを確保し、第２窒化物層５２０の厚さを調整することでゲート電極６１０に対応する部分において２次元の電子ガス層４００の形成を遮断することができる。
【００４６】
本発明の一側面における第１窒化物層５１０の組成式１において、ｘ値の範囲が０．１≦ｘ≦０．５であり、ｙ値が０である場合、第２窒化物層５２０の厚さは２０ｎｍ〜７０ｎｍであってもよい。好ましくは、第１窒化物層５１０の組成式１において、ｘ値の範囲が０．１≦ｘ≦０．５であり、ｙ値が０である場合、第２窒化物層５２０の厚さは３０ｎｍ〜５０ｎｍであってもよい。
【００４７】
本発明の一側面における第１窒化物層５１０の組成式１において、ｘ値が１であり、ｙ値が０である場合、第２窒化物層５２０の厚さは２ｎｍ〜７ｎｍであってもよい。好ましくは、第１窒化物層５１０の組成式１においてｘ値が１であり、ｙ値が０である場合、第２窒化物層５２０の厚さは３ｎｍ〜５ｎｍであってもよい。すなわち、第１窒化物層５１０がＡｌＮからなることによって優秀な表面モーフォロジーを確保し、第２窒化物層５２０の厚さを２ｎｍ〜７ｎｍに形成することによって、ゲート電極６１０に対応する部分で２次元の電子ガス層４００の形成を遮断することができる。
【００４８】
第１窒化物層５１０および第２窒化物層５２０が全てＡｌｘＧａ１−ｘＮである場合よりも第１窒化物層５１０および第２窒化物層５２０が全てＡｌＮである場合において、第２窒化物層５２０の厚さがさらに小さくなってもよい。すなわち、第１窒化物層５１０および第２窒化物層５２０が全てＡｌＮである場合にさらに小さい厚さの第２窒化物層５２０で２次元の電子ガス層の形成を防ぐことができる。
【００４９】
すなわち、本発明の一側面に係るパワー素子は、第１窒化物層５１０では優秀な表面モーフォロジーを確保し、第２窒化物層５２０では第１窒化物層５１０を形成した後第２窒化物層５２０を特定の厚さで形成することによって、ゲート電極６１０に対応する部分に２次元の電子ガス層の形成を遮断することができる。
【００５０】
したがって、本発明の一側面に係るパワー素子は２次元の電子ガス層４００が形成されていないため、ノーマリーオフ動作が可能である。すなわち、ゲート電極６１０の下部に対応する部分には２次元の電子ガス層４００が形成されていないため、ゲート電極にバイアス電圧を加えなければ、ソース・ドレインの間に電流が流れることなくオフ状態となる。これによって、本発明の一側面に係るパワー素子は、ゲートの電圧に応じて２次元の電子ガス層４００の生成を調整することができ、ノーマリーオフ動作が可能であるため消費電力の減少を図ることができる。
【００５１】
第２窒化物層５２０とソース・ドレイン電極パターン６２０，６３０との間に形成された絶縁パターン７１０，７２０をさらに含んでもよい。絶縁パターン７１０，７２０は、酸化珪素（ＳｉＯｘ）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）、および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）に形成されるグループから選択されてもよい。絶縁パターン７１０，７２０は、ゲート電極６１０、ソース電極６２０、およびドレイン電極６３０の間を絶縁させ、電極間にショートの発生を防止することができる。
【００５２】
ソース電極パターン６２０およびドレイン電極パターン６３０は第１窒化物層５１０上に形成され、ゲート電極パターン６１０は第２窒化物層５２０上に形成される。ソース６２０、ドレイン６３０およびゲート電極パターン６１０は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｐｔ、Ａｕ、ＲｕＯ２、Ｖ、Ｗ、ＷＮ、Ｈｆ、ＨｆＮ、Ｍｏ、ＮｉＳｉ、ＣｏＳｉ２、ＷＳｉ、ＰｔＳｉ、Ｉｒ、Ｚｒ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｃｏおよびこの組合で形成されるグループから選択されてもよい。
【００５３】
本発明の一実施形態に係るパワー素子は、第１窒化物層を形成した後、ゲート電極下部に第２窒化物層をさらに形成することによってストレイン（ｓｔｒａｉｎ）が完全に弛緩してゲート電極に対応する部分でピエゾ効果が喪失される。すなわち、本発明の一実施形態に係るパワー素子は、ゲート電極に対応する部分には２次元の電子ガス層が形成されないためノーマリーオフ動作が可能である。したがって、本発明の一実施形態に係るパワー素子は、ノーマリーオフ動作が可能であるため消費電力を減少させることができる。
【００５４】
以下は、本発明の他の実施形態に係るパワー素子の製造方法を説明する。
【００５５】
図２〜図４は、本発明の一実施形態に係るパワー素子を製造する過程を示す図である。
【００５６】
図２〜図４を参照すると、本発明の他の実施形態に係るパワー素子の製造方法は、基板１００上に半絶縁性ＧａＮ層２００を形成するステップと、半絶縁性ＧａＮ層２００上にＡｌがドーピングされたＧａＮ層３００を形成するステップと、ＡｌがドーピングされたＧａＮ層３００上に第１窒化物層５１０を形成するステップと、第１窒化物層５１０上に第２窒化物層５２０を形成するステップと、第１窒化物層５１０上にソース電極パターン６２０およびドレイン電極パターン６３０を形成するステップと、第２窒化物層５２０上にゲート電極パターン６１０を形成するステップとを含む。
【００５７】
まず、図２に示すように、基板１００上に半絶縁性ＧａＮ層２００を形成する。半絶縁性ＧａＮ層２００は、金属有機化学気相蒸着法（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ）、分子線成長法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ；ＭＢＥ）、および水素気相成長法（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ；ＨＶＰＥ）等の方法を用いて形成してもよく、これに制限されることはない。
【００５８】
半絶縁性ＧａＮ層２００上にＡｌがドーピングされたＧａＮ層３００を形成する。ＡｌがドーピングされたＧａＮ層３００は、Ａｌが１％以下にドーピングされて形成してもよく、ＡｌがドーピングされたＧａＮ層３００も上記のように様々な成長方法に基づいて形成してもよい。
【００５９】
その後、ＡｌのドーピングされたＧａＮ層３００上に下記の組成式１を有する第１窒化物層５００が形成される。
【００６０】
［組成式１］
ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮ（ここで、０．１≦ｘ≦１であり、０≦ｙ≦０．３である）
【００６１】
第１窒化物層５１０上には第２窒化物層５２０が形成される。第２窒化物層５２０は第１窒化物層５１０と同じ物質からなってもよい。また、第２窒化物層５２０は、第１窒化物層５１０の物質にｐ型物質がドーピングされたものに形成されてもよい。例えば、第２窒化物層５２０は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮ（ここで、０．１≦ｘ≦１であり、０≦ｙ≦０．３である）またはｐ−ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮ（ここで、０．１≦ｘ≦１であり、０≦ｙ≦０．３である）であってもよい。
【００６２】
ここで、ｐ−ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮはＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮがｐ型物質にドーピングされたことを意味し、ｐ型物質はＩＩＩ族の元素である。第２窒化物層５２０がｐ型物質にドーピングされたｐ−ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘＮからなることによって、ｐ型ドーピングにより電荷は（＋）、チャネルは（−）になって電荷中性を達成することができる。これによって、ゲート電極６１０の下部に対応する部分では２次元の電子ガス層４００が形成されないためャネルを除去することができる。
【００６３】
第２窒化物層５２０は、図３Ａ〜図３Ｄに示すように再成長方法に基づいて形成されてもよく、図４Ａ〜図４Ｅに示すようにエッチング方法に基づいて形成されてもよい。以下では第２窒化物層５２０の形成方法について具体的に説明する。
【００６４】
図３Ａ〜図３Ｄは第１窒化物層５１０が形成された後、ゲート電極パターン６１０の下部領域で窒化物が再成長されることによって第２窒化物層５２０が形成される過程を示す図である。
【００６５】
図３Ａ〜図３Ｄを参照すると、第１窒化物層５１０が形成された後、ゲート電極パターン６１０に対応する下部領域で追加的に窒化物を再成長させることによって行われてもよい。
【００６６】
図３Ａに示すように第１窒化物層５１０を２５〜３０ｎｍに成長させた後、図３Ｂに示すように第１窒化物層５１０上にフォトレジスト７００の工程でパターニングしてゲート電極６１０に対応する部分を定義する。すなわち、フォトレジスト工程において、ゲート電極６１０に対応する部分のみをエッチングして第１窒化物層５１０を露出させる。その次に、図３Ｃに示すように露出された第１窒化物層５１０で窒化物を一定の厚さ以上の範囲で再成長させた後、図３Ｄに示すようにフォトレジストを除去して第２窒化物層５２０を形成する。第２窒化物層５２０は、第１窒化物層５１０と同じ物質または第１窒化物層５１０の物質にｐ型物質がドーピングされた物質に形成されてもよい。
【００６７】
図４Ａ〜図４Ｅは、第１窒化物層５１０が形成された後、ゲート電極パターン６１０の下部領域を除いた部分が直角になるように第２窒化物層５２０が形成される過程を示す図である。
【００６８】
図４Ａ〜図４Ｅを参照すると、第１窒化物層５１０が形成された後、ゲート電極パターン６１０に対応する下部領域を除いた部分が特定の厚さにエッチングされる工程を行ってもよい。
【００６９】
図４Ａに示すように第１窒化物層５１０を５０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲に成長させた後、図４Ｂに示すように第１窒化物層５１０の全面にフォトレジスト７００を形成した後、図４Ｃに示すようにフォトレジスト７００の一部をパターニングしてゲート電極６１０に対応する部分のみを残してエッチングする。すなわち、フォトレジスト工程において、ゲート電極６１０に対応する部分のみを残して第１窒化物層５１０を露出させる。
【００７０】
その後、図４Ｄに示すように、露出された第１窒化物層５１０を２５〜３０ｎｍ範囲の厚さにエッチングする。その後、図４Ｅに示すように、エッチングされずにゲート電極パターン６１０に対応する部分を第２窒化物層５２０と定義し、第２窒化物層５２０を形成する。第２窒化物層５２０は、第１窒化物層５１０と同じ物質または第１窒化物層５１０の物質にｐ型物質がドーピングされた物質に形成されてもよい。
【００７１】
その後、第１窒化物層５１０上にゲート６１０、ソース・ドレイン電極６２０，６３０を形成し、電極の間に絶縁パターン７１０，７２０を形成する。ここで、ソース６２０、ドレイン６３０、およびゲート電極パターン６１０は通常のフォトリソグラフィ（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）工程によって形成されてもよい。
【００７２】
すなわち、図３Ａ〜図３Ｄおよび図４Ａ〜図４Ｅに示すような再成長およびエッチング工程によって形成された第２窒化物層５２０は、上述したようなピエゾ効果を除去するために特定の厚さで形成されてもよい。すなわち、本発明の一側面において、第１窒化物層５１０の組成式１においてｘ値の範囲が０．１≦ｘ≦０．５であり、ｙ値が０である場合、第２窒化物層５２０の厚さは２０ｎｍ〜７０ｎｍであってもよい。好ましくは、第１窒化物層５１０の組成式１において、ｘ値の範囲が０．１≦ｘ≦０．５であり、ｙ値が０である場合、第２窒化物層５２０の厚さは３０ｎｍ〜５０ｎｍであってもよい。
【００７３】
また、本発明の一側面において、第１窒化物層５１０の組成式１においてｘ値が１であり、ｙ値が０である場合、第２窒化物層５２０の厚さは２ｎｍ〜７ｎｍであってもよい。好ましくは、第１窒化物層５１０の組成式１においてｘ値が１であり、ｙ値が０である場合、第２窒化物層５２０の厚さは３ｎｍ〜５ｎｍであってもよい。すなわち、第１窒化物層５１０がＡｌＮからなることによって優秀な表面モーフォロジーを確保し、第２窒化物層５２０の厚さを２ｎｍ〜７ｎｍに形成することによって、ゲート電極６１０に対応する部分で２次元の電子ガス層４００の形成を遮断することができる。
【００７４】
図５は、本発明の一実施形態に係るパワー素子でＡｌＧａＮの厚さに応じる移動度を示すグラフである。図５において、第１窒化物層および第２窒化物層が同じ物質に形成され、第１窒化物層および第２窒化物層の全てがＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎの物質に形成された。
【００７５】
図５に示すように、第１窒化物層の組成式１においてｘ値が０．３であり、第１窒化物層の厚さが約３０ｎｍである場合、移動度が約１２００ｃｍ２／Ｖｓであるため、ピエゾ効果が最も強く現れた。一方、本発明の一側面に係るパワー素子において、第１窒化物層の組成式１においてｘ値が０．３であり、第１窒化物層（約３０ｎｍ）および第２窒化物層（約４０ｎｍ）の厚さの和が約７０ｎｍである場合、移動度は５０ｃｍ２／Ｖｓであることを確認することができた。
【００７６】
その後、第１窒化物層を形成した後、第２窒化物層を上述したような厚さに形成することによって、ゲート電極パターンの下部で２次元の電子ガス層の形成を遮断することができる。
【００７７】
すなわち、本発明の一側面によって製造されたパワー素子は、ゲート電極の下部に対応する部分には２次元の電子ガス層が形成されないため、ゲート電極にバイアス電圧を加えなければソース・ドレインの間に電流が流れないためオフ状態となる。これによって、本発明の一側面によって製造されたパワー素子はノーマリーオフ動作が可能であり、消費電力を減少させることができる。
【００７８】
上述したように本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような実施形態から多様な修正及び変形が可能である。したがって、本発明の範囲は、開示された実施形態に限定されて定められるものではなく、特許請求の範囲だけではなく特許請求の範囲と均等なものなどによって定められるものである。
【符号の説明】
【００７９】
１００      基板
２００      半絶縁性ＧａＮ層
３００      ＡｌがドーピングされたＧａＮ層
４００      ２次元の電子ガス層
５１０      第１窒化物層
５２０      第２窒化物層
６１０      ゲート電極
６２０      ソース電極
６３０      ドレイン電極
７００      フォトレジスト
７１０、７２０      絶縁パターン
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
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