(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体から構成されるチャネル層と、
前記チャネル層の上面に設けられ、前記チャネル層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する窒化物半導体から構成されるバリア層と、
前記バリア層の上に設けられたゲート電極と、
ソース電極およびドレイン電極と
を備え、
前記チャネル層は、前記チャネル層の下面側がＧａＮまたはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）であり、前記チャネル層の上面側が前記下面側のＡｌの組成比ｘよりも大きなＡｌの組成比ｙを有するＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）であって、前記チャネル層の下面から上面に向かって、Ａｌの組成比が段階的に又は連続的に増加している層であり、
前記チャネル層のＡｌの組成比が前記チャネル層の下面から上面に向かって変化する変化率は、前記チャネル層の厚みが１００ｎｍあたり０．０２以下であることを特徴とするヘテロ接合電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記チャネル層は、前記チャネル層の上面側のＡｌｙＧａ１−ｙＮのＡｌの組成比ｙが０．３以下である請求項１に記載のヘテロ接合電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記チャネル層は、Ａｌの組成比が連続的に増加している層である請求項１又は２に記載のヘテロ接合電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記チャネル層は、前記チャネル層の下面側がＧａＮであり、前記チャネル層の下面から上面に向かって、Ａｌの組成比が０から連続的に増加している層である請求項３に記載のヘテロ接合電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記チャネル層は、
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる第１層と、
前記第１層上に設けられ、前記第１層のＡｌの組成比ｘよりも大きなＡｌの組成比ｙを有するＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）からなる第２層とを少なくとも有する請求項１又は２に記載のヘテロ接合電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記チャネル層の下面に、ＧａＮ層が配置されている、請求項１から５の何れか一つに記載のヘテロ接合電界効果トランジスタ。
【請求項７】
前記ソース電極は、前記チャネル層の側面に延在している、請求項１から６の何れか一つに記載のヘテロ接合電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ヘテロ接合電界効果トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ヘテロ接合電界効果トランジスタとしては、特開２００８−２４３８８１号公報（特許文献１）に記載されたものがある。このヘテロ接合電界効果トランジスタは、基板上に設けられたＡｌＧａＮからなるチャネル層と、チャネル層上に設けられたＡｌＧａＮからなるバリア層と、バリア層上に設けられたソース電極、ドレイン電極およびゲート電極とを備える。このように、チャネル層をＡｌＧａＮとすることで、チャネル層がＧａＮである場合と比べて、バンドギャップが大きくなり、この結果、チャネル層の絶縁破壊電界が高くなって、トランジスタの耐圧を向上している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２４３８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来のヘテロ接合電界効果トランジスタでは、シート抵抗が高くなる問題がある。これは、チャネル層をＡｌＧａＮとすることで、チャネル層の結晶性、特に、２次元電子ガス層が生じる部分の結晶性が悪化したことが原因であると考えられる。
【０００５】
そこで、本発明に係る課題は、耐圧の向上とシート抵抗の低減とを両立できるヘテロ接合電界効果トランジスタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明に係るヘテロ接合電界効果トランジスタは、
窒化物半導体から構成されるチャネル層と、
前記チャネル層の上面に設けられ、前記チャネル層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する窒化物半導体から構成されるバリア層と、
前記バリア層の上に設けられたゲート電極と、
ソース電極およびドレイン電極と
を備え、
前記チャネル層は、前記チャネル層の下面側がＧａＮまたはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）であり、前記チャネル層の上面側が前記下面側のＡｌの組成比ｘよりも大きなＡｌの組成比ｙを有するＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）であって、前記チャネル層の下面から上面に向かって、Ａｌの組成比が段階的に又は連続的に増加している層であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係るヘテロ接合電界効果トランジスタによれば、耐圧の向上とシート抵抗の低減とを両立できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るヘテロ接合電界効果トランジスタを模式的に示す断面図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態に係るヘテロ接合電界効果トランジスタを模式的に示す断面図であり、ヘテロ接合電界効果トランジスタのオフ状態を示す断面図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態に係るヘテロ接合電界効果トランジスタを模式的に示す断面図であり、ヘテロ接合電界効果トランジスタのオン状態を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るヘテロ接合電界効果トランジスタのバンドギャップエネルギーを模式的に示す説明図である。
【図４】チャネル層の厚みおよび下面側の組成を固定して上面側の組成を変化させた試料について、閾値電圧をＡｌの組成比の変化率ごとにプロットしたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を図面を用いて実施の形態により詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態に係るヘテロ接合電界効果トランジスタを模式的に示す断面図である。図１に示すように、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor））であり、チャネル層１４と、チャネル層１４の上面に設けられたバリア層１５とを有する。チャネル層１４は、窒化物半導体から構成される。バリア層１５は、チャネル層１４のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する窒化物半導体から構成される。バリア層１５との界面近傍のチャネル層１４に、２次元電子ガス層３１が形成される。
【００１１】
バリア層１４の上面に、ゲート電極２１が設けられている。さらには、ソース電極２２およびドレイン電極２３が設けられており、本実施形態ではこれらの電極はゲート電極２１を挟む位置に設けられている。
【００１２】
ソース電極２２から流される電子は、２次元電子ガス層３１を介して、ドレイン電極２３に到達する。つまり、２次元電子ガス層３１を介して、ソース電極２２とドレイン電極２３との間を電流が流れる。
【００１３】
２次元電子ガス層３１を流れる電流は、ゲート電極２１に印加する電圧に基づいて、制御される。具体的に述べると、図２Ａに示すように、ゲート電極２１に負の電圧を印加し、空乏層３２の深さを２次元電子ガス層３１に到達するように制御することで、ソース電極２２とドレイン電極２３との間の電流経路としての２次元電子ガス層３１を遮断する。これにより、２次元電子ガス層３１を電流が流れず、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１をオフ状態とできる。一方、図２Ｂに示すように、ゲート電極２１に印加する電圧を正の電圧に近づけて、空乏層３２を縮小することで、電流経路としての２次元電子ガス層３１を開通する。これにより、２次元電子ガス層３１を電流が流れて、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１をオン状態とできる。
【００１４】
チャネル層１４は、チャネル層１４の下面から上面に向かって、Ａｌの組成比が段階的に又は連続的に増加している層であり、チャネル層１４の下面側がＧａＮまたはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）であり、チャネル層１４の上面側が下面側のＡｌの組成比ｘよりも大きなＡｌの組成比ｙを有するＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）である。言い換えると、チャネル層１４の組成は、チャネル層１４の下面から上面に向かって、格子定数が小さくなるように構成されている。また、チャネル層１４の下面から上面に向かって、バンドギャップエネルギーが大きくなるようにも構成されている。なお、ここで、上面とはバリア層１５と接する側の面であり、下面とはその反対側の面である。
【００１５】
例えば、チャネル層１４は、Ａｌの組成比が、チャネル層１４の下面から上面に向かって、低い方から高い方へ連続的に変化するように、構成することができる。下面はＡｌの組成比が０であってもよい。具体的に述べると、チャネル層１４は、チャネル層１４の下面側がＧａＮであり、チャネル層の下面から上面に向かって、Ａｌの組成比が０から連続的に増加しているように、構成することができる。
【００１６】
また、チャネル層１４は、Ａｌの組成比が、チャネル層１４の下面から上面に向かって、低い方から高い方へ段階的に変化するように、構成することができる。つまり、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる第１層と、第１層上に設けられ、第１層のＡｌの組成比ｘよりも大きなＡｌの組成比ｙを有するＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）からなる第２層と、を少なくとも有するように、構成することができる。
【００１７】
具体的に述べると、チャネル層１４は、下面から上面に向かって、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との２層構造であってもよい。または、チャネル層１４は、下面から上面に向かって、Ａｌの組成比の低いＡｌＧａＮ層と、Ａｌの組成比の高いＡｌＧａＮ層との２層構造であってもよい。
【００１８】
または、チャネル層１４は、下面から上面に向かって、３層以上のＡｌＧａＮ層であってもよく、この場合、３層以上のＡｌＧａＮ層は、Ａｌの組成比が、チャネル層１４の下面から上面に向かって、低い方から高い方へ変化する。または、チャネル層１４は、下面から上面に向かって、ＧａＮ層と、２層以上のＡｌＧａＮ層とであってもよく、この場合、２層以上のＡｌＧａＮ層は、Ａｌの組成比が、チャネル層１４の下面から上面に向かって、低い方から高い方へ変化する。
【００１９】
本発明の実施形態に係るトランジスタ１では、２次元電子ガス層３１が形成されるチャネル層１４の上面側の組成がＡｌＧａＮである。ＡｌＧａＮは、ＧａＮと比べて、バンドギャップエネルギーが大きいため、２次元電子ガス層が形成されるチャネル層をＧａＮで構成する場合よりも、チャネル層１４の絶縁破壊電界が高くなって、トランジスタ１の耐圧を向上できる。
【００２０】
また、チャネル層１４のＡｌの組成比は、チャネル層１４の下面から上面に向かって、増大するように変化している。これにより、チャネル層１４全体、特に２次元電子ガス層３１が形成される上面に近い部分のＡｌＧａＮ層を結晶性よく成長でき、この結果、シート抵抗を低減できる。
【００２１】
したがって、本発明の実施形態に係るトランジスタ１によれば、耐圧の向上とシート抵抗の低減とを両立できる。
【００２２】
また、チャネル層１４において、組成変化を緩やかにすることで、ソース電極とドレイン電極間に電流が流れ始めるときのゲート電極の電圧である閾値電圧が低下しにくくなる。これに対して、例えばＧａＮ層上に直接にＡｌの組成比の高いＡｌＧａＮ層を設けた２層構造とした場合には、ＡｌＧａＮ層との界面近傍のＧａＮ層に、別の２次元電子ガス層が形成され、閾値電圧が低下するおそれがある。
【００２３】
さらに、チャネル層１４のＡｌの組成比は、チャネル層１４の下面から上面に向かって、段階的または連続的に増大するように変化している。これにより、図３に示すように、チャネル層１４に形成される２次元電子ガス層３１からチャネル層１４の下面側へ向かって、バンド幅Ｗ１が狭くなり価電子帯の上端が上がる。この結果、２次元電子ガス層３１付近で発生したホールｈが、矢印Ａに示すようにチャネル層１４の下面側へ向かって、２次元電子ガス層３１から離れやすくなる。これにより、ホールｈが電子を引き付けることによる生じる過電流破壊を、抑制することができると考えられる。図３では、バリア層１５としてＡｌＮを含むものとしている。
【００２４】
これに対して、チャネル層１４をＡｌＧａＮ層の単層とする場合、図３の二点鎖線に示すように、チャネル層１４のバンド幅Ｗ２は、チャネル層１４の下面側へ向かって、狭くならず、価電子帯の上端は上がらない。この結果、ホールｈは２次元電子ガス層３１から離れず、ホールｈが電子を引き付けることにより、過電流破壊が生じる場合がある。
【００２５】
以下、本実施の形態に係るヘテロ接合電界効果トランジスタの好ましい形態について説明する。
【００２６】
図１に示すように、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１は、基板１１と、基板１１上に順に積層されるバッファ層１２、ＧａＮ層１３、チャネル層１４およびバリア層１５とを有する。
【００２７】
（基板１１）
基板１１は、サファイアから構成される。なお、基板１１は、サファイア以外に、ＧａＮ、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＳｉまたはＡｌＮなどの材料から構成されるようにしてもよい。
【００２８】
（バッファ層１２）
バッファ層１２は、例えば、ＡｌＧａＮから構成される。なお、バッファ層１２は、ＧａＮまたはＡｌＮなどの材料から構成されるようにしてもよい。
【００２９】
（ＧａＮ層１３）
ＧａＮ層１３は、チャネル層１４の下面に、配置されている。これにより、チャネル層１４をさらに結晶性よく成長できる。ＧａＮ層１３の厚みは、１０ｎｍ以上とすることができ、例えば、１００ｎｍである。また、ＧａＮ層１３の厚みは、１０μｍ以下とすることができる。ＧａＮ層１３を設ける場合には、ＧａＮ層１３の下面に接してバッファ層１２を設け、ＧａＮ層１３の上面に接してチャネル層１４を設けることが望ましい。なお、ＧａＮ層１３を設けないようにしてもよい。
【００３０】
（チャネル層１４）
チャネル層１４は、Ａｌの組成比が、チャネル層１４の下面から上面に向かって、増大するように変化したＡｌ組成傾斜層である。チャネル層１４の厚みは、１００ｎｍ以上であり、例えば、５００ｎｍである。
【００３１】
チャネル層１４をＡｌ組成傾斜層とすることで、シート抵抗を低くできる。例えば、同じ厚みのチャネル層において、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層で構成したときは、２５４２ｃｍ２／ＶＳであるが、ＧａＮからＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎへ連続的に変化させることで、１７７５ｃｍ２／ＶＳとなり、シート抵抗を低減させることができる。また、チャネル層をＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのみで構成したときは、１３３０ｃｍ２／ＶＳであるが、ＧａＮからＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎへ連続的に変化させることで、１１１２ｃｍ２／ＶＳとなる。
【００３２】
チャネル層１４のＡｌの組成比の変化率は、好ましくは、チャネル層１４の厚みが１００ｎｍあたり０．０２以下である。チャネル層１４のＡｌの組成比の変化率が急激であると閾値電圧が低下するが、チャネル層１４の厚みが１００ｎｍあたり０．０２以下であれば、閾値電圧が低下しにくい。
【００３３】
例えば、チャネル層１４の厚みを５００ｎｍとして下面側をＧａＮとし、上面側の組成を変化させたものについて閾値電圧を測定し、Ａｌの組成比の変化率ごとにプロットしたグラフを図４に示す。図４に示す例では、Ａｌ組成比を連続的に変化させており、Ａｌの組成比の変化率は、Ａｌの組成比の変化量をチャネル層１４の厚みで除算することにより求めた。同じＡｌ組成比変化率の試料を複数作成しており、図４にはそれぞれの結果をプロットした。また、図４におけるＡｌ組成比変化率が０とは、チャネル層をＧａＮのみで形成した場合である。
【００３４】
図４に示すように、Ａｌの組成比の変化率が、チャネル層１４の厚みが１００ｎｍあたり０．１であるときは、−３．３Ｖ程度であり、チャネル層をＧａＮのみで形成した場合の閾値電圧０Ｖ〜−０．５Ｖ程度よりも、大幅に低下している。Ａｌ組成比変化率が低くなることで閾値電圧が徐々に上昇し、０．０２以下とすることで、チャネル層をＧａＮのみで形成した場合とほぼ同等の閾値電圧とすることができる。このように、変化率が低いほど、閾値電圧の低下が抑制される。また、チャネル層１４は、チャネル層１４の上面側のＡｌｙＧａ１−ｙＮのＡｌの組成比ｙを大きくすることで２次元電子ガス層３１が生じる部分の耐圧を向上させることができるが、大きくしすぎると結晶性が悪化しやすい。チャネル層１４の上面側のＡｌｙＧａ１−ｙＮのＡｌの組成比ｙは、０．０５以上であることが好ましい。また、０．３以下とすることができ、さらには０．１以下とすることができる。
【００３５】
また、閾値電圧の低下をより抑制するためには、チャネル層１４に複数の２次元電子ガス層が生じにくいように、Ａｌの組成比の変化を設定することが好ましい。具体的には、チャネル層１４内に、チャネル層１４の上端とバリア層１５とのバンドギャップ差を越えるバンドギャップ差が存在しないことが好ましい。また、Ａｌの組成比を連続的に変化させることが好ましい。ここで、段階的に変化とは、組成の異なる各層が分析による判別できる程度をいい、例えば厚み５０ｎｍごとに組成を変化させる。連続的に変化させる場合には、例えば、エピタキシャル成長時において原料ガスの流量比の切り替えを１０ｎｍ以下ごとに行えばよい。図４に示したＡｌ組成比変化率の測定においては、１ｎｍごとに切り替えて作製した試料を用いた。なお、ゲート電極２１から遠ざかる方向において、チャネル層１４より遠くに別のチャネル層が存在しないことが好ましい。具体的には、チャネル層１４からバッファ層１２までの間に、チャネル層１４の上端とバリア層１５とのバンドギャップ差を越えるバンドギャップ差が存在しないことが好ましい。
【００３６】
（バリア層１５）
バリア層１５は、下から上に順に、ＡｌＮ層１６とＡｌＧａＮ層１７とを有する。２次元電子ガス層３１は、バリア層１５のＡｌＮ層１６との界面近傍のチャネル層１４に、形成される。なお、バリア層１５は、ＡｌＮ層１６とＡｌＧａＮ層１７との少なくとも一方から構成されていてもよい。ＡｌＮ層１６を設ける場合には、２ｎｍ以下とすることが好ましく、このときにはＡｌＮ層１６の上にＡｌＧａＮ層１７を設けて、バリア層１５全体として５ｎｍ以上の厚みとすることが好ましい。また、バリア層１５は、ＡｌＮ層１６およびＡｌＧａＮ層１７に限定されず、チャネル層１４の上面側のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する窒化物半導体から構成されていればよい。また、バリア層１５がＡｌＮ層１６とＡｌＧａＮ層１７を有する場合に、ＡｌＧａＮ層１７のＡｌの組成比は、チャネル層１４の上面側のＡｌの組成比よりも大きいことが好ましい。
【００３７】
（ゲート電極２１）
ゲート電極２１は、例えば、ＮｉおよびＡｕから構成される。本実施形態では、ゲート電極２１は、ｐ型ＧａＮ層１８を介して、バリア層１５のＡｌＧａＮ層１７上に設けられる。このように、バリア層１５とゲート電極２１との間にｐ型ＧａＮ層１８などのｐ層を設けることで、閾値電圧を上昇させることができる。ｐ型ＧａＮ層１８は省略することもできる。
【００３８】
（ソース電極２２）
ソース電極２２は、例えば、ＴｉおよびＡｌから構成される。本実施形態では、ソース電極２２は、チャネル層１４の第１側面（図中の左側面）の一部と、バリア層１５の第１側面（図中の左側面）とに設けられる。つまり、ソース電極２２は、チャネル層１４の側面に延在しており、ソース電極２２は、２次元電子ガス層３１に接触している。ソース電極２２は、チャネル層１４の下面の近傍に到達する位置まで、延在している。
【００３９】
ここで、前述したように、図３に示すように、２次元電子ガス層３１付近で発生したホールｈは、チャネル層１４の下面側へ向かって、２次元電子ガス層３１から離れやすくなる。このとき、ソース電極２２が、チャネル層１４の側面に延在しているので、２次元電子ガス層３１から離れたホールｈを、ソース電極２２から排出することができる。この結果、過電流破壊を、一層抑制することができると考えられる。特に、ソース電極２２は、チャネル層１４の下面の近傍に到達する位置まで、延在しているので、チャネル層１４の下面の近傍にまで離れたホールｈを、ソース電極２２から確実に排出することができる。ソース電極２２の下端はＧａＮ層１３まで到達していてもよい。
【００４０】
また、ソース電極２２は、２次元電子ガス層３１に接触しているので、接触抵抗を小さくできる。
【００４１】
（ドレイン電極２３）
ドレイン電極２３は、例えば、ＴｉおよびＡｌから構成される。本実施形態では、ドレイン電極２３は、チャネル層１４の第２側面（図中の右側面）の一部と、バリア層１５の第２側面（図中の右側面）とに設けられる。つまり、ドレイン電極２３は、チャネル層１４の側面に延在しており、ドレイン電極２３は、２次元電子ガス層３１に接触している。ドレイン電極２３は、ソース電極２２と同じ深さまで延在していてよい。各電極の深さが同じであれば同一の工程で形成することができる。ドレイン電極２３は、２次元電子ガス層３１に接触しているので、接触抵抗を小さくできる。
【００４２】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
【００４３】
前記実施形態では、ソース電極およびドレイン電極は、チャネル層の側面に延在していたが、ソース電極およびドレイン電極を、バリア層の上面のみに配置するようにしてもよい。また、ソース電極およびドレイン電極の少なくとも一方を、チャネル層の側面に延在するようにしてもよい。
【００４４】
前記実施形態では、基板を設けたが、基板を省略するようにしてもよい。また、前記実施形態では、ソース電極およびドレイン電極を、半導体積層体の同一面側に設けたが、ソース電極を半導体積層体の第１面側に設け、ドレイン電極を半導体積層体の第１面と反対側の第２面側に設けた縦型のヘテロ接合電界効果トランジスタとしてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１  ヘテロ接合電界効果トランジスタ
１１  基板
１２  バッファ層
１３  ＧａＮ層
１４  チャネル層
１５  バリア層
１６  ＡｌＮ層
１７  ＡｌＧａＮ層
１８  ｐ型ＧａＮ層
２１  ゲート電極
２２  ソース電極
２３  ドレイン電極
３１  ２次元電子ガス層
３２  空乏層
【図１】
0006287629.tif 000002
【図２Ａ】
0006287629.tif 000003
【図２Ｂ】
0006287629.tif 000004
【図３】
0006287629.tif 000005
【図４】
0006287629.tif 000006