(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮからなるチャネル層と、
前記チャネル層上に設けられ、下側がＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなり、上側がＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に設けられ、ＧａＮからなるキャップ層と、を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記電子供給層のＩｎの組成比は、下から上に向けて高くな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】
前記電子供給層のＩｎの組成比は、前記キャップ層に接触する領域ではｘ＝０．１５〜０．２であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記電子供給層のＩｎの組成比は、前記チャネル層に接触する領域ではｘ＝０．１以下であることを特徴とする請求項１から３いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項５】
前記電子供給層のＩｎの組成比は、下から上に向けて、離散的に変化する、又は連続的に変化することを特徴とする請求項１から４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ＧａＮを用いたＦＥＴである半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ（窒化ガリウム）を用いた半導体装置、例えばＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果型トランジスタ）等の半導体装置は、高周波用出力増幅用素子として用いられることがある。特許文献１には、半導体層の表面に水素を含んだＳｉＮ膜を設ける発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２８６１３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＦＥＴでは、半導体装置の特性を改善するために、二次元電子ガスの濃度を高めることが求められている。本発明は上記課題に鑑み、二次元電子ガスの濃度を高めること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】
【０００５】
本発明は、ＧａＮからなるチャネル層と、前記チャネル層上に設けられ、下側がＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなり、上側がＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる電子供給層と、前記電子供給層上に設けられ、ＧａＮからなるキャップ層と、を具備する半導体装置である。本発明によれば、二次元電子ガスの濃度を高めることが可能となる。
【０００６】
上記構成において、前記電子供給層のＩｎの組成比は、下から上に向けて高くなる構成とすることができる。この構成によれば、効果的に二次元電子ガス濃度を高め、かつリークを抑制することが可能となる。
【０００７】
上記構成において、前記電子供給層のＩｎの組成比は、前記キャップ層に接触する領域ではｘ＝０．１５〜０．２である構成とすることができる。この構成によれば、効果的にリークを抑制し、かつ電流コラプスを抑制することができる。
【０００８】
上記構成において、前記電子供給層のＩｎの組成比は、前記チャネル層に接触する領域ではｘ＝０．１以下である構成とすることができる。この構成によれば、効果的に二次元電子ガスの濃度を高めることができる。
【０００９】
上記構成において、前記電子供給層のＩｎの組成比は、下から上に向けて、離散的に変化する、又は連続的に変化する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、二次元電子ガスの濃度を高めることが可能な半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は実施例１に係る半導体装置を例示する断面図である。
【図２】図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を例示する断面図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を例示する断面図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実験の結果を示す図である。
【図５】図５は実施例２に係る半導体装置を例示する図である。
【図６】図６（ａ）は実施例３に係る半導体装置を例示する断面図であり、図６（ｂ）はＩｎの組成比を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面を用いて、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１３】
二次元電子ガスの濃度を高めるために、電子供給層を形成するＡｌＧａＮのＡｌの組成比を高めることが検討されている。しかしながら、結晶構造の歪みや、電子供給層とチャネル層及びキャップ層との格子不整合等が発生することがある。そこで、電子供給層にＡｌＧａＮ以外の材料を用いることが検討されている。実施例１では、電子供給層に、組成比を変更したＩｎｘＡｌ１−ｘＮを用いる。図１は実施例１に係る半導体層を例示する断面図である。各層の厚さは例示である。
【００１４】
図１に示すように、実施例１に係る半導体装置は、基板１０、バリア層１２、チャネル層１４、電子供給層１６、キャップ層１８、ＳｉＮ（窒化シリコン）層２０及び２２、ソース電極２４、ドレイン電極２６、ゲート電極２８、並びに配線層３０を備える。
【００１５】
基板１０は例えばＳｉＣ（炭化シリコン）、Ｓｉ又はサファイア等からなる。バリア層１２は、例えば厚さ３００ｎｍのＡｌＮからなる。チャネル層１４は例えば厚さ１０００ｎｍのｉ−ＧａＮからなる。電子供給層１６は、例えば厚さ３０ｎｍ以下のＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなる。より詳細には、電子供給層１６の下側はＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなり、上側はＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる。キャップ層１８は、例えば厚さ５ｎｍのｎ−ＧａＮからなる。基板１０、バリア層１２、チャネル層１４、電子供給層１６、及びキャップ層１８は、それぞれ（０００１）面が上面になるように配向されている。
【００１６】
電子供給層１６は、下から電子供給層１６ａと電子供給層１６ｂとを積層した二層構造である。電子供給層１６ａは、Ｉｎの組成比ｘが０．１以下のＩｎｘＡｌ１−ｘＮからなる。電子供給層１６ｂはｘ＝０．１５〜０．２のＩｎｘＡｌ１−ｘＮからなる。つまり、電子供給層１６は、下から上に向けてＩｎの組成比ｘが高くなるＩｎｘＡｌ１−ｘＮからなる。電子供給層１６の下面ではｘ＝０．１以下であり、電子供給層１６の上面ではｘ＝０．１５〜０．２である。電子供給層１６ａの下面に接触してチャネル層１４が設けられている。電子供給層１６ｂの上面に接触して、キャップ層１８が設けられている。
【００１７】
次に実施例１に係る半導体装置の製造方法について説明する。図２（ａ）から図３（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を例示する断面図である。
【００１８】
図２（ａ）に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長法）により、基板１０上にバリア層１２、チャネル層１４、電子供給層１６、及びキャップ層１８をエピタキシャル成長させる。このとき、各層は（０００１）面が上面となるように成長させる。また上述のように、電子供給層１６は、上面に向けてＩｎの組成比ｘが高くなるように成長させる。
【００１９】
図２（ｂ）に示すように、例えばプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）法により、キャップ層１８上に、例えば厚さ２０ｎｍのＳｉＮ層２０を形成する。さらにＳｉＮ層２０上にレジスト２１を形成し、ＳｉＮ層２０のパターニングを行う。パターニングにより露出したキャップ層１８上に、例えば蒸着法及びリフトオフ法により、ソース電極２４及びドレイン電極２６を形成する。ソース電極２４及びドレイン電極２６は、例えば下から順にＴｉ／ＡｌやＴａ／Ａｌ等の金属を積層してなるオーミック電極である。
【００２０】
図２（ｃ）に示すように、例えばプラズマＣＶＤ法により、ＳｉＮ層２０、ソース電極２４、及びドレイン電極２６上に、例えば厚さ４０ｎｍのＳｉＮ層２２を形成する。
【００２１】
図３（ａ）に示すように、ＳｉＮ層２２上にレジスト２３を形成し、ＳｉＮ層２０及び２２のパターニングを行う。パターニングにより露出したキャップ層１８上に、例えば蒸着法及びリフトオフ法により、ゲート電極２８を形成する。ゲート電極２８は、例えば下から順にＮｉ／Ａｌ等の金属を積層してなる。
【００２２】
図３（ｂ）に示すように、ソース電極２４及びドレイン電極２６上に配線層３０を形成する。配線層３０は、例えばＡｕ等の金属からなる。以上で、実施例１に係る半導体装置は完成する。
【００２３】
実施例１の電子供給層１６の下側はＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなり、上側はＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる。上述したように、チャネル層１４に接触する電子供給層１６ａでは、Ｉｎの組成比ｘが例えば０．１以下と低い。このため電子供給層１６ａの組成はＡｌＮに近くなる。ＡｌＮはＧａＮよりも格子定数が小さいため、ｘが０．１以下である場合、チャネル層１４と電子供給層１６ａとの界面でピエゾ分極が発生しやすくなる。ピエゾ分極が促進されることにより、チャネル層１４と電子供給層１６ａとの界面に発生する二次元電子ガスの濃度が高くなる。またＡｌＮはＧａＮよりバンドギャップが大きい。このため、電子供給層１６ａは、電子供給層１６ｂよりバンドギャップが大きくなり、電子供給層として効果的に機能する。
【００２４】
これに対し、キャップ層１８に接触する電子供給層１６ｂでは、Ｉｎの組成比ｘが例えば０．１５〜０．２と高い。このような組成のＩｎｘＡｌ１−ｘＮはＧａＮと格子定数が近似する。このため、電子供給層１６ｂは、キャップ層１８と格子整合しやすくなる。結果的にキャップ層１８においてピエゾ分極による電子の発生は抑制され、電子供給層１６ｂとキャップ層１８との界面に、二次元電子ガスが発生しにくくなる。これにより、キャップ層１８からのリークが抑制される。
【００２５】
次に、実施例１の効果を検証するために、半導体装置のＩ−Ｖ特性を測定した実験について説明する。実験では、電子供給層にＡｌＧａＮを用いたサンプルＡと、電子供給層にＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（窒化物インジウムアルミニウム）を用いたサンプルＢとで、ゲート−ドレイン特性を比較した。
【００２６】
まずサンプルについて説明する。チャネル層は厚さ１０００ｎｍのｉ−ＧａＮ（窒化ガリウム）からなる。キャップ層は厚さ４ｎｍのｎ−ＧａＮからなる。サンプルＡにおける電子供給層は、厚さ２０ｎｍで、Ａｌの組成比が０．２のＡｌＧａＮからなる。サンプルＢにおける電子供給層は、厚さ２０ｎｍのＩｎｘＡｌ１−ｘＮからなる。またサンプルＢの電子供給層は二層構造であり、下側の電子供給層はｘ＝０であり、上側の電子供給層はｘ＝０．１８である。
【００２７】
ゲート電極２８の幅（ゲート幅）は１ｍｍ、長さ（ゲート長）は０．５μｍとした。なお幅方向は、後述する図１の奥行き方向であり、長さ方向は図１の横方向である。
【００２８】
次に測定方法について説明する。ドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓを０〜２０Ｖまで変動させた場合の各サンプルのＩ−Ｖ特性を測定した。ゲート電圧Ｖｇは−３〜２Ｖまで０．５Ｖ刻みで変動させ、各ゲート電圧においてＶｄｓを変動させた。
【００２９】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実験の結果を示す図である。図４（ａ）はサンプルＡの測定結果、図４（ｂ）はサンプルＢの測定結果、をそれぞれ表す。横軸はドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ、縦軸はドレイン−ソース間電流Ｉｄｓである。
【００３０】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、サンプルＡよりもサンプルＢの方が、ドレイン−ソース間電流Ｉｄｓが約０．１Ａ大きくなった。つまり、電子供給層の材料を、ＡｌＧａＮからＩｎｘＡｌ１−ｘＮに変更し、かつＩｎの組成比ｘを低くすることで、半導体装置の特性が改善した。
【００３１】
実施例１によれば、電子供給層１６の下側はＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなり、上側はＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるため、チャネル層１４と電子供給層１６ａとの界面でピエゾ分極が促進される。これにより、チャネル層１４と電子供給層１６ａとの界面に発生する二次元電子ガスの濃度を高めることができる。また、電子供給層１６ｂとキャップ層１８との界面に二次元電子ガスが発生しにくいため、キャップ層１８からのリークが抑制される。特に、電子供給層１６のＩｎ組成比ｘが下から上に向けて高くなるため、効果的に二次元電子ガスの濃度を高め、かつリークを抑制することができる。また電子供給層１６ｂとキャップ層１８との界面に二次元電子ガスが発生しにくいため、電子がキャップ層１８側へ流れにくくなる。このため、キャップ層１８の不純物に電子が捕獲されにくくなる。これにより電流コラプスが抑制される。これらにより、半導体装置の特性が改善する。
【００３２】
チャネル層１４に近い側（下側）の電子供給層１６ａでは、ピエゾ分極を促進させるために、Ｉｎの組成比ｘが低いことが好ましい。例えばｘ＝０．１以下、さらにｘ＝０．０８以下とすることが好ましい。これにより、効果的に二次元電子ガスの濃度を高めることができる。またｘ＝０としてもよい。つまり電子供給層１６ａは、ＡｌＮからなるとしてもよい。これに対し、キャップ層１８に近い側の電子供給層１６ｂでは、ピエゾ分極を抑制するために、ＩｎｘＡｌ１−ｘＮの格子定数がＧａＮの格子定数に近いことが好ましい。例えばｘ＝０．１５〜０．２、さらにｘ＝０．１８〜０．２とすることが好ましい。これにより、効果的にリークを抑制することができる。つまり電子供給層１６のＩｎの組成比ｘは、０≦ｘ＜０．２とすることが好ましい。
【００３３】
電子供給層１６が厚すぎると、ゲートリーク電流が増加する恐れがある。このため電子供給層１６の厚さ（電子供給層１６ａと電子供給層１６ｂとを合わせた厚さ）は、１０〜３０ｎｍ、つまり３０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００３４】
バリア層１２は、他の窒化物半導体から形成してもよい。窒化物半導体とは、窒素を含む半導体であり、例えばＩｎＮ、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）、ＩｎＡｌＮ、及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化アルミニウムインジウムガリウム）等がある。
【実施例２】
【００３５】
実施例２は、電子供給層１６をより多くの層から形成する例である。図５は実施例２に係る半導体装置を例示する図である。既述した構成と同じ構成については、説明を省略する。
【００３６】
図５に示すように、電子供給層１６は、下から電子供給層１６−１、電子供給層１６−２、電子供給層１６−３〜電子供給層１６−１０が積層した構成を有する。なお電子供給層１６−４〜１６−９は省略して図示する。また電子供給層１６−１〜１６−１０の厚さは模式的に図示したものである。
【００３７】
電子供給層１６−１のＩｎの組成比はｘ＝０である。電子供給層１６−２ではｘ＝０．０２、電子供給層１６−３ではｘ＝０．０４である。つまり、電子供給層１６−１〜１６−１０にかけて、Ｉｎの組成比ｘは０．０２刻みで０〜０．２と変動する。電子供給層１６−１〜１６−１０の各々の厚さは、例えば１〜３ｎｍであり、電子供給層１６全体の厚さは１０〜３０ｎｍ、つまり３０ｎｍ以下となる。
【００３８】
実施例２によれば、実施例１と同様に、チャネル層１４と電子供給層１６ａとの界面に発生する二次元電子ガスの濃度を高めることができる。また、チャネル層１４に接触する電子供給層１６−１は、ｘ＝０であるため、組成がＡｌＮとなる。このため、より効果的にピエゾ分極が促進され、二次元電子ガスの濃度が高くなる。
【００３９】
また電子供給層１６−１〜１６−１０を例えば１〜３ｎｍ程度として、電子供給層１６全体の厚さは１０〜３０ｎｍと、実施例１における厚さと同程度としている。このため、電子供給層１６が厚くなり、ゲートリークが発生することが抑制される。また半導体装置の大型化も抑制される。実施例２では、電子供給層１６を十層構造としたが、下から上に向けてＩｎの組成比ｘが高くなる、三層以上の層が積層された構造とすればよい。また組成比ｘは０．０２刻み以外の比率で変動してもよい。
【００４０】
また実施例２では、最下層の電子供給層１６−１ではｘ＝０としたが、Ｉｎの組成比はこれに限定されない。つまり電子供給層１６−１でｘ＝０でなくてもよい。ただし、二次元電子ガスの濃度を効果的に高めるためには、最下層の電子供給層１６−１ではｘ＝０であることが好ましい。また、電子供給層１６−１〜１６−１０は、互いに同一の厚さを有するとしたが、異なる厚さを有していてもよい。
【実施例３】
【００４１】
実施例３は、電子供給層１６のＩｎの組成比を、連続的に変更させる例である。まず半導体装置の構成について説明する。図６（ａ）は実施例３に係る半導体装置を例示する断面図である。既述した構成と同じ構成については説明を省略する。
【００４２】
図６（ａ）に示すように、チャネル層１４上に、からなる電子供給層１６が設けられている。電子供給層１６のＩｎの組成比ｘは、下から上に向けて連続的に変化する。電子供給層１６の厚さは例えば３０ｎｍである。
【００４３】
図６（ｂ）はＩｎの組成比を例示する図である。横軸は電子供給層１６の下面からの高さ、縦軸はＩｎの組成比ｘを、それぞれ表す。図６（ｂ）に示すように、高さが大きくなるにつれて、Ｉｎの組成比ｘは高くなる。言い換えれば、組成比ｘは、図６（ａ）の下から上に向けて、連続的に変化する。電子供給層１６の下面ではｘ＝０である。電子供給層１６の下面からの高さが３０ｎｍ、つまり電子供給層１６の上面ではｘ＝０．２である。
【００４４】
実施例３によれば、実施例１及び２と同様に、チャネル層１４と電子供給層１６ａとの界面に発生する二次元電子ガスの濃度を高めることができる。またキャップ層１８からのリークを抑制することができる。このように、Ｉｎの組成比ｘは連続的に変化しても、離散的に変化してもよい。また実施例３では、電子供給層１６の、チャネル層１４に近い側ではｘ＝０としたが（図６（ｂ）参照）、ｘ＝０としなくてもよい。ただし、二次元電子ガスの濃度を効果的に高めるためには、電子供給層１６の下面ではｘ＝０であることが好ましい。なお、電子供給層１６の下面からの高さと組成比ｘとは、図６（ｂ）のように比例していなくてもよく、高さが大きくなるにつれて、ｘが高くなればよい。
【００４５】
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】
【００４６】
基板                  １０
窒化物半導体層        １１
バリア層              １２
チャネル層            １４
電子供給層            １６，１６ａ，１６ｂ，１６−１〜１６−１０
キャップ層            １８
ＳｉＮ層              ２０，２２
ソース電極            ２４
ドレイン電極          ２６
ゲート電極            ２８
配線層                ３０
【図１】
0005655413.tif 000002
【図２】
0005655413.tif 000003
【図３】
0005655413.tif 000004
【図４】
0005655413.tif 000005
【図５】
0005655413.tif 000006
【図６】
0005655413.tif 000007