(57)【要約】【課題】ゲートリーク電流および電流コラプスの少ない窒化物半導体装置を提供する。【解決手段】基板１１の主面に形成されたＧａＮ層１３と、ＧａＮ層１３上に形成され、ＧａＮ層１３に電子を供給する第１ＡｌＧａＮ層１４と、第１ＡｌＧａＮ層１４上に形成され、水素を０．５乃至３０ａｔｏｍｓ％含有する窒化物半導体層１５と、窒化物半導体層１５上に形成されたゲート電極１６と、窒化物半導体層１５上に、ゲート電極１６をゲート長方向に挟むように形成されたソース電極１７およびドレイン電極１８と、を具備する。窒化物半導体層１５の表面近傍のダングリングボンドを水素で終端し、表面欠陥に起因する電極間リークを抑制する。【選択図】図１
2008205029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ層と、
前記ＧａＮ層上に形成され、前記ＧａＮ層に電子を供給する第１ＡｌＧａＮ層と、
前記第１ＡｌＧａＮ層上に形成され、水素を０．５乃至３０ａｔｏｍｓ％含有する窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層上に形成されたゲート電極と、
前記窒化物半導体層上に、前記ゲート電極をゲート長方向に挟むように形成されたソース電極およびドレイン電極と、
を具備することを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記窒化物半導体層が、前記第１ＡｌＧａＮ層よりＡｌ組成の大きい第２ＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層およびＧａＮ層のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項３】
前記ゲート電極が、絶縁膜を介して前記窒化物半導体層上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【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する。
【背景技術】
【０００２】
衛星放送機器や、移動体通信機器などに用いられる高周波トランジスタとして、窒化物半導体を用いた高出力トランジスタが知られている。  
然しながら、窒化物半導体を用いたトランジスタには、窒化物半導体層の表面欠陥および結晶粒界に起因するゲートリーク電流や電流コラプス（高周波の大出力動作により電流出力が低下する現象）などにより素子特性が不安定化になり、信頼性が低いという問題がある（例えば特許文献１または特許文献２参照。）。
【０００３】
特許文献１に開示された窒化物半導体装置は、ＧａＮチャネル層と、ＡｌＧａＮ電子供給層と、電子供給層よりＡｌ組成比の大きいＡｌＧａＮキャップ層とを具備し、キャップ層上にゲート電極が形成され、キャップ層の一部を除去して電子供給層上にソース・ドレイン電極が形成されている。
【０００４】
Ａｌ組成比の大きいＡｌＧａＮは、バンドギャップエネルギーが大きく、窒素の平衡蒸気圧が高いことから、ゲート電極と界面のバリアハイトを高くし、窒素空孔を生じにくくすることにより、ゲートリーク電流を抑制している。
【０００５】
特許文献２に開示された窒化物半導体装置は、ＧａＮチャネル層と、ＡｌＧａＮ電子供給層と、ＧａＮ薄膜層とを具備し、ＧａＮ薄膜層上にゲート電極、ソース・ドレイン電極が形成されている。  
更に、ＧａＮキャップ層上に水素含有量が１５％以下のＳｉＮ保護膜を設けてｎ型ＧａＮの薄膜層の表面をパッシベーションしている。
【０００６】
これによりＳｉＮ保護膜中に水素が存在することで生じる窒化物半導体表面の状態変化と表面欠陥準位の荷電状態の変化を抑制し、ゲートリーク電流と電流コラプスとを抑制している。
【０００７】
然しながら、特許文献１または特許文献２に開示された窒化物半導体装置は、安定して電流コプラスおよびゲートリーク電流を抑制するのが難しいという問題がある。
【特許文献１】特開２００４−２６０１１４号公報
【特許文献２】特開２００５−２８６１３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ゲートリーク電流および電流コラプスの少ない窒化物半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様の窒化物半導体装置は、ＧａＮ層と、前記ＧａＮ層上に形成され、前記ＧａＮ層に電子を供給する第１ＡｌＧａＮ層と、前記第１ＡｌＧａＮ層上に形成され、水素を０．５乃至３０ａｔｏｍｓ％含有する窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層上に形成されたゲート電極と、前記窒化物半導体層上に、前記ゲート電極をゲート長方向に挟むように形成されたソース電極およびドレイン電極と、を具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ゲートリーク電流および電流コラプスの少ない窒化物半導体装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１２】
本発明の実施例１に係る窒化物半導体装置について、図１を用いて説明する。図１は窒化物半導体装置の構造を示す断面図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施例の窒化物半導体装置１０は、基板１１、例えばサファイア基板上にバッファ層１２、例えば膜厚３００ｎｍのアンドープＡｌＮ層を介して形成された、例えば膜厚３μｍのアンドープＧａＮ層１３と、ＧａＮ層１３上に形成され、例えばＡｌ組成ｘが０．２、膜厚が３０ｎｍのアンドープ第１ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ層（以後、第１ＡｌＧａＮ層という）１４と、第１ＡｌＧａＮ層１４上に形成された窒化物半導体層、例えばＡｌ組成ｙが０．２５、膜厚が２．５ｎｍ、水素の含有率が３ａｔｏｍｓ％程度のアンドープ第２ＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ｎ層（以後、第２ＡｌＧａＮ層という）１５と、を具備している。
【００１４】
更に、第２ＡｌＧａＮ層１５上に形成されたゲート電極１６と、第２ＡｌＧａＮ層１５上にゲート電極１６をゲート長方向に挟むように形成されたソース電極１７およびドレイン電極１８とを具備している。
【００１５】
窒化物半導体装置１０は、周知の変調ドープ電界効果トランジスタである。変調ドープ電界効果トランジスタでは、電子供給層である第１ＡｌＧａＮ層１４からバンドギャップが小さく、電子親和力の大きいＧａＮ層１３に電子が供給され、２次元電子ガス層１９が生じる。
【００１６】
ゲート電極１６は、電子供給層である第１ＡｌＧａＮ層１４とショットキー接触を得るように形成されている。  
ソース電極１７およびドレイン電極１８は、２次元電子ガス層１９との間でオーミック接触を得るように形成されている。
【００１７】
このとき、電子供給層である第１ＡｌＧａＮ層１４には、二つの空乏層が形成される。ひとつはショットキー接合の空乏層であり、もうひとつは二次元電子ガスの形成に伴うヘテロ界面側から伸びる空乏層である。
【００１８】
電子供給層である第１ＡｌＧａＮ層１４の厚さは、上述した二つの空乏層が接する程度に設定される。ゲート電極１６に電圧を加えることにより二つの空乏層の厚さを変化させ、電界効果により二次元電子ガスの濃度を制御している。
【００１９】
ソース電極１７を接地電位とし、ゲート電極１６に負電位、ドレイン電極１７に正電位を印加すると、ソース電極１７から注入された電子は第２ＡｌＧａＮ層１５と電子供給層である第１ＡｌＧａＮ層１４の中をドリフトし、ＧａＮ層１３の２次元電子ガス層１９に注入される。
【００２０】
注入された電子はゲート電極１６とドレイン電極１８に印加されるバイアスによって形成されるポテンシャル勾配に沿って２次元電子ガス層１９内を走行し、電子供給層である第１ＡｌＧａＮ層１４と第２ＡｌＧａＮ層１５の中をドリフトしてドレイン電極１８へ流れ込む。
【００２１】
かかるバイアス印加状態において、第２ＡｌＧａＮ層１５の表面にダングリングボンドに起因する高密度の欠陥準位が存在すると、ゲート電極１６中の電子が第２ＡｌＧａＮ層１５の表面欠陥準位にトラップされ、第２ＡｌＧａＮ層１５と電子供給層である第１ＡｌＧａＮ層１４との界面に沿って電荷が輸送されることで生じるリーク電流や、この表面準位が見かけ上のソースとなってゲート電極１６からチャネルへの電子注入がなされることで生じるリーク電流などが発生する。
【００２２】
電流コラプスについては、まだ原因が特定されていないものの、窒化物半導体表面の欠陥などに起因した電子捕獲準位が関係した現象と考えられている。
【００２３】
第２ＡｌＧａＮ層１５の表面のダングリングボンドを水素で終端することにより、表面欠陥が不活性化され、電子捕獲準位密度が低減する。  
従って、第２ＡｌＧａＮ層１５に多量の水素を含有させ、水素含有量の最適値を見出すことにより、ゲートリーク電流、電流コラプスを抑制することが可能である。
【００２４】
水素の含有量が少なすぎると、第２ＡｌＧａＮ層１５の表面のダングリングボンドの終端効果が不足するので、十分な電極間のリーク電流低減効果が得られなくなる。  
水素の含有量が多すぎると、第２ＡｌＧａＮ層１５の結晶性が損なわれ、結晶欠陥の発生により、ゲートリーク電流などの増大を招く恐れがある。
【００２５】
これから、水素の含有量を種々検討した結果、水素の含有量は０．５乃至３０ａｔｏｍｓ％が好ましく、１乃至１０ａｔｏｍｓ％が更に好ましいことが判明した。
【００２６】
次に、窒化物半導体装置１０の製造方法について、図２を用いて説明する。  
図２に示すように、周知のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、サファイアよりなる基板１１の（０００１）Ｃ面上に窒化物系半導体層を成長させる。
【００２７】
ここでは、III族の原料ガスとしてＡｌ、Ｇａ、Ｉｎの有機金属化合物であるトリメチルアルミニュウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族の原料ガスとしてアンモニアガス（ＮＨ３）を用いている。  
キャリアガスとして、水素または水素と窒素の混合ガスを用いている。更に、ｎ型のドーパントとしてシランガス（ＳｉＨ４）を用いている。
【００２８】
始めに、図２（ａ）に示すように、サファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながらサファイア基板１１の温度を１０５０℃程度まで昇温し、サファイア基板１１のサーマルクリーニングを行う。  
次に、サファイア基板１１の温度を６００℃程度まで降温し、バッファ層１２として、アンドープＡｌＮ層を３００ｎｍ程度形成する。
【００２９】
次に、図２（ｂ）に示すように、サファイア基板１１の温度を９００℃程度まで昇温し、アンドープＧａＮ層１３を３μｍ程度形成する。
【００３０】
次に、図２（ｃ）に示すように、サファイア基板１１の温度を１０００℃程度まで昇温し、Ａｌ組成が０．２のアンドープ第１ＡｌＧａＮ層１４を３０ｎｍ程度形成する。
【００３１】
次に、図２（ｄ）に示すように、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３などのプロセスガスとキャリアガスとの流量比を維持して水素の流量を増加し、水素分圧を高めた条件で、Ａｌ組成が０．２５のアンドープ第２ＡｌＧａＮ層１５を２．５ｎｍ程度形成する。
【００３２】
一般に、ＡｌＧａＮが成長する温度範囲は８００℃から１２００℃であり、ＡｌＧａＮが２次元的に成長しやすい９００℃以上からＡｌＧａＮの熱分解が激しくなる１１５０℃以下の成長温度が好ましいとされている。
【００３３】
通常、ＭＯＣＶＤ法により形成された窒化物半導体層中には、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）分析により、１Ｅ１８〜１Ｅ２０ｃｍ−３程度（＜０．１ａｔｏｍｓ％）の水素が含まれていることが知られている。
【００３４】
本実施例の水素分圧を高めたＭＯＣＶＤ法では、窒化物半導体層中に水素が取り込まれ易くなる傾向が見られた。  
水素が取り込まれる割合は、水素分圧以外に、成長温度によっても変化し、成長温度が低い方が取り込まれ易くなる傾向が見られた。
【００３５】
次に、プロセスガスの供給を停止し、サファイア基板１１の温度を降下させる。サファイア基板１１の温度が室温近傍になったときに、サファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。
【００３６】
次に、第２ＡｌＧａＮ層１５中の水素を、例えばＲＢＳ（Rutherford Back Scattering）法により分析したところ、第２ＡｌＧａＮ層１５中に水素が％オーダで含まれていることが確認された。
【００３７】
次に、第２ＡｌＧａＮ層１５上に、例えばスパッタリング法によりＮｉ／Ａｕ膜を蒸着し、フォトリソグラフィー法によりパターンニグして、ゲート長１μｍ程度のゲート電極１６を形成する。  
次に、例えばスパッタリング法によりＴｉ／Ａｌ膜を蒸着し、フォトリソグラフィー法によりパターニングし、熱処理することにより、ゲート電極１６を挟むようにソース電極１７およびドレイン電極１８を形成する。
【００３８】
これにより、図１に示す水素を３％程度含有する第２ＡｌＧａＮ層１５を備えた窒化物半導体装置１０が得られる。
【００３９】
ソース電極１７を接地電位とし、ゲート電極１６に負電位、ドレイン電極１７に正電位を印加し、ゲート電極１６の電位を変えながら窒化物半導体装置１０のゲートリーク電流を測定したところ、水素含有率が０．１ａｔｏｍｓ％以下の第２ＡｌＧａＮ層を有する窒化物半導体装置に比べて、ゲートリーク電流が１／２以下に抑えられていることが確かめられた。  
また、ゲート電極１６の電位を一定にし、ドレイン電極１７の電位を変えながら、ドレイン電流を測定したところ、ドレイン電流の減少量が１／２以下に抑えられていることが確かめられた。
【００４０】
以上説明したように、本実施例では、電子供給層となる第１ＡｌＧａＮ層１４上に水素を３ａｔｏｍｓ％含有する第２ＡｌＧａＮ層１５を形成している。
【００４１】
その結果、第２ＡｌＧａＮ層１５の表面のダングリンクボンドが水素で終端され、表面欠陥を抑制することができる。  
更に、第２ＡｌＧａＮ層１５の内部に水素を多量に含むことにより、第１ＡｌＧａＮ層１４と第２ＡｌＧａＮ層１５の界面トラップ密度を抑制することができる。
【００４２】
従って、表面あるいは界面欠陥起因のゲートリーク電流、電流コラプスなどの電極間リーク電流の少ない窒化物半導体装置が得られる。
【００４３】
こでは、基板１１がサファイアである場合について説明したが、他の窒化物半導体膜を形成できる基板、例えばＳｉＣ、ＧａＮ、Ｓｉなどでも構わない。
【００４４】
窒化物半導体層が、第２ＡｌＧａＮ層１５である場合について説明したが、他の窒化物半導体層、例えばＩｎＧａＮ層、ＧａＮ層とすることもできる。
【００４５】
第２ＡｌＧａＮ層１５に水素を添加する方法は、ＭＯＣＶＤ法によりキャリアガスの水素の分圧を高くして行なう場合ついて説明したが、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法により行うこともできる。  
第２ＡｌＧａＮ層１５を形成した後に、水素アニール法によって行うこともできる。また、両者を併用して行っても良い。
【実施例２】
【００４６】
図３は、本発明の実施例２に係る窒化物半導体装置を示す断面図である。本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施例が実施例１と異なる点は、絶縁膜を介して窒化物半導体層上にゲート電極が形成されていることにある。
【００４７】
即ち、図３に示すように、本実施例の窒化物半導体装置３０は、水素を３ａｔｏｍｓ％程度含有する第２ＡｌＧａＮ層１５上に、例えばプラズマＣＶＤ法により形成された膜厚５０ｎｍ程度のシリコン窒化膜（絶縁膜）３１を介してゲート電極１６が形成されたＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）型の変調ドープ電界効果トランジスタである。
【００４８】
シリコン窒化膜３１により、第２ＡｌＧａＮ層１５がパッシベーションされるので、酸化されやすいＡｌを有する第２ＡｌＧａＮ層１５の表面が酸化されることがない。  
その結果、Ａｌが酸化されることに起因する電極リーク電流、電流コラプス現象などを抑制することが可能である。
【００４９】
以上説明したように、本実施例の窒化物半導体装置３０は、シリコン窒化膜３１を介して第２ＡｌＧａＮ層１５上にゲート電極を形成している。  
その結果、第２ＡｌＧａＮ層１５の表面が酸化されることに起因するゲートリーク電流、電流コラプス現象などが抑制される利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施例１に係る窒化物半導体基板を示す断面図。
【図２】本発明の実施例１に係る窒化物半導体装置の製造工程を順に示す断面図。
【図３】本発明の実施例２に係る窒化物半導体基板を示す断面図。
【符号の説明】
【００５１】
１０、３０  窒化物半導体装置
１１  基板
１２  バッファ層
１３  ＧａＮ層
１４  第１ＡｌＧａＮ層
１５  第２ＡｌＧａＮ層（窒化物半導体層）
１６  ゲート電極
１７  ソース電極
１８  ドレイン電極
１９  ２次元電子ガス層
３１  シリコン窒化膜（絶縁膜）
【図１】
2008205029.tif 000003
【図２】
2008205029.tif 000004
【図３】
2008205029.tif 000005