(57)【要約】  二次元電子ガス（２ＤＥＧ）層の形成のためにＩｎＧａＮチャネルを備える、Ｎ極の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）デバイスが、開示される。この新規なチャネル層は、電子伝達の改善を提供する。それは、より高い周波数の無線周波数（ＲＦ）性能を可能にする、より高い電子移動度及び高い界速度を備える。デバイスはまた、２ＤＥＧに二重の閉じ込めを提供するＩｎＧａＮチャネル層の上に堆積される、ＧａＮキャップ層を含み得る。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ極に配向したＩＩＩ族窒化物半導体デバイスであって、該デバイスは：
基板；
基板上に堆積されるバリヤ層；及び
バリヤ層に堆積されるインジウム窒化ガリウム（ＩｎＧａＮ）のＮ極のチャネル層
を含む、デバイス。
【請求項２】
チャネル層は、およそ１％と３０％の間のインジウム組成、及び、およそ１ｎｍと５０ｎｍの間の厚みを含む、ことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
バリヤ層はＡｌＧａＮを含む、ことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
ＡｌＧａＮバリヤ層は、およそ２０％と１００％の間のアルミニウム組成、及び、およそ２ｎｍと５０ｎｍの間の厚みを含む、ことを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
窒化ガリウム（ＧａＮ）又はアルミニウム窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）のバッファ層を更に含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
バリヤ層とチャネル層の間に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のバリヤ中間層を更に含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
ＩｎＧａＮチャネル層に堆積されるＧａＮのキャップ層を更に含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
キャップ層は３ｎｍの厚みである、ことを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
Ｎ極の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であって、該トランジスタは：
基板；
基板上に堆積されるバリヤ層；
バリヤ層に堆積されるインジウム窒化ガリウム（ＩｎＧａＮ）のＮ極のチャネル層；
チャネル層に堆積されるＮ極のキャップ層；
キャップ層の頂部に堆積されるソース電極；
キャップ層の頂部に堆積されるドレーン電極；
ソース電極とドレーン電極の間で、チャネル層の上に堆積されるゲート電極
を含む、トランジスタ。
【請求項１０】
ＩｎＧａＮチャネル層は、およそ１％と３０％の間のインジウム組成、及び、およそ１ｎｍと５０ｎｍの間の厚みを含む、ことを特徴とする請求項９に記載のトランジスタ。
【請求項１１】
バリヤ層はＡｌＧａＮを含む、ことを特徴とする請求項９に記載のトランジスタ。
【請求項１２】
ＡｌＧａＮバリヤ層は、およそ２０％と１００％の間のアルミニウム組成、及び、およそ２ｎｍと５０ｎｍの間の厚みを含む、ことを特徴とする請求項１１に記載のトランジスタ。
【請求項１３】
窒化ガリウム（ＧａＮ）又はアルミニウム窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）のバッファ層を更に含む、請求項９に記載のトランジスタ。
【請求項１４】
基板が炭化けい素（ＳｉＣ）で更に構成され、バッファ層は、基板のＣ極側に堆積される、ことを特徴とする請求項１３に記載のトランジスタ。
【請求項１５】
基板がサファイアで構成され、デバイスは、基板とバッファ層の間に核生成層を更に含む、ことを特徴とする請求項１３に記載のトランジスタ。
【請求項１６】
バリヤ層とチャネル層の間に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のバリヤ中間層を更に含む、請求項９に記載のトランジスタ。
【請求項１７】
Ｎ極のＩＩＩ族窒化物デバイスを制作する方法であって、該方法は：
基板を形成する工程；
基板層の側部にＩＩＩ族窒化物バリヤ層を形成する工程であって、バリヤ層はそのバンドギャップ特性のために選択される、工程；及び
バリヤ層上にＮ極のＩｎＧａＮチャネル層を形成する工程であって、チャネル層は、バリヤ層より小さなバンドギャップを備える、工程
を含む、方法。
【請求項１８】
ＩｎＧａＮチャネル層は、およそ１％と３０％の間のインジウム組成、及び、およそ１ｎｍと５０ｎｍの間の厚みを含む、ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
バリヤ層は、およそ２０％と１００％の間のアルミニウム組成、及び、およそ２ｎｍと５０ｎｍの間の厚みを備えるＡｌＧａＮで構成される、ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
基板とバリヤ層の間にバッファ層を形成する工程を更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
バリヤ層とチャネル層の間に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のバリヤ中間層を形成する工程を更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
チャネル層上にキャップ層を形成する工程；
キャップ層上にＨＥＭＴのソース電極及びドレーン電極を形成する工程；及び
ソース電極とドレーン電極の間で、チャネル層の上にゲート電極を形成する工程
を更に含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜政府の権利の声明＞
アメリカ合衆国政府は、政府契約第ＨＲ００１１−０９−Ｃ−０１３２（ＤＡＲＰＡ）に準ずる、本発明における権利を有する。
【０００２】
＜技術分野＞
本発明は一般的に、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、及びより具体的にはＮ極のＧａＮベースのＨＥＭＴに関する。
【背景技術】
【０００３】
ＨＥＭＴは共通して、ガリウムひ素（ＧａＡｓ）で製造されてきたが、近年、半導体窒化ガリウム（ＧａＮ）は、その高性能な、高周波の性能のため、ＨＥＭＴの生産での多くの関心を集めてきた。ＧａＮのような窒化物ベースの半導体の１つの特徴は、窒素原子の非常に高い電気陰性度と同様に、格子構造における反転対称の欠如のため、それらが強い分極を示すということである。故に、ＧａＮは、結晶格子構造の配向に基づいて、Ｇａ極及びＮ極と称される、２つの異なるフェース（ｆａｃｅｓ）、又は極性を示す。
【０００４】
ＨＥＭＴは、一種の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、そこでは、チャネルは、ドープした（ｄｏｐｅｄ）チャネルによってではなく、異なるバンドギャップを備えた２つの物質間の接合によって、形成される。この接合はヘテロ接合と呼ばれ、ヘテロ接合から結果として生じるチャネルは、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）と呼ばれる。典型的なＮ極のＧａＮ  ＨＥＭＴ構造は、図１Ａに示されるようなＧａＮチャネル層を使用する。Ｎ極のＧａＮ  ＨＥＭＴの帯域ダイアグラムは、図１Ｂに示される。
【０００５】
ＧａＮ  ＨＥＭＴの性能の改善は、ＩｎＧａＮチャネルの使用により達成され得る。ＩｎＧａＮチャネルを使用すると、デバイス性能は、ＩｎＧａＮ合金の固有の利点のため、改善され得る。これは、より高い電子速度を提供する低い電子有効質量、及び、キャリヤ閉じ込めの改善を提供するバリヤに対する大きなバンドオフセットを含む。しかし、Ｇａ極のＨＥＭＴについて、ＩｎＧａＮチャネルは典型的に、損なわれた品質で成長する（ｇｒｏｗｎ）。ＩｎＧａＮの低い成長温度は、物質の品質を下げるだけでなく、デバイスの品質に悪影響を及ぼす不適当な成長の中止を必要とする。この状況は、相分離、原子拡散を増強し、及びＩｎＧａＮ層の品質を更に下げるためにＩｎＧａＮチャネル層を過熱する、以下の高温のＡｌＧａＮバリヤ成長によって、悪化する。
【０００６】
故に、層の特性の改善、及び、ＩｎＧａＮ合金の固有の利点を十分に活用するためのエピタキシャル成長技術による、ＩｎＧａＮチャネルを備えたＧａＮ  ＨＥＭＴの必要性が、存在する。
【発明の概要】
【０００７】
１つの実施における本発明は、ＩｎＧａＮチャネルを備えるＮ極のＨＥＭＴデバイスを包含する。この新規なチャネル層は、電子伝達の改善を提供する。それは、より高い周波数の無線周波数（ＲＦ）性能を可能にする、より高い電子移動度及び高い界速度（ｆｉｅｌｄ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）を備える。
【０００８】
１つの実施形態において、本発明は、基板、バリヤ層にＮ極を配向させる基板の側に堆積するバリヤ層、及び、バリヤ層に堆積されるインジウム窒化ガリウム（ＩｎＧａＮ）のＮ極のチャネル層を備える、Ｎ極のＩＩＩ族窒化物半導体素子を包含する。デバイスはまた、基板とバリヤ層の間にバッファ層を備え得る。
【０００９】
別の実施形態において、本発明は、基板、バリヤ層にＮ極を配向させる基板の側に堆積するバリヤ層、バリヤ層に堆積されるインジウム窒化ガリウム（ＩｎＧａＮ）のＮ極のチャネル層、及び、チャネル層に堆積されるキャップ層を備える、Ｎ極のＩＩＩ族窒化物半導体素子を包含する。
【００１０】
別の実施形態において、本発明は、上記の実施形態の何れかを使用して作られる、Ｎ極のＨＥＭＴを包含する。
【００１１】
また別の実施形態において、本発明は、基板、バリヤ層にＮ極を配向させる基板の側に堆積するバリヤ層、バリヤ層に堆積されるインジウム窒化ガリウム（ＩｎＧａＮ）のＮ極のチャネル層、及び随意に、チャネル層に堆積されるキャップ層を備える、半導体素子を作成する方法を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明の実施形態（ｅｘａｍｐｌｅ  ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ）の特徴は、記載、請求項、及び添付図面から明白になる：
【図１Ａ】ＧａＮチャネルを備えたＮ極のＨＥＭＴの、先行技術の半導体素子の特性の横断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの構造の帯域ダイアグラムである。
【図２Ａ】ＩｎＧａＮチャネルを備えたＮ極のＨＥＭＴの、半導体素子の特性の横断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの構造の帯域ダイアグラムである。
【図３Ａ】ＧａＮキャップ層を備えるＩｎＧａＮチャネルを備えたＮ極のＨＥＭＴの、半導体素子の特性の横断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの構造の帯域ダイアグラムである。
【図４Ａ】ＩｎＧａＮチャネルを備えたＮ極のＨＥＭＴの、半導体素子の特性の具体的な実施形態である。
【図４Ｂ】図４ＡのＩｎＧａＮチャネルのフォトルミネッセンスプロットである。
【図５】ゲート、ソース、及びドレーン端子を備える、ＨＥＭＴ半導体素子の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
Ｎ極のＧａＮ  ＨＥＭＴにおけるＩｎＧａＮチャネルは、高い移動度、低い有効電子質量、及び高い電子速度を備える。特に、ＩｎＧａＮのより小さな電子フォノン結合は、熱いフォノン散乱効果を少なくし、それ故、ＧａＮチャネル特性と比較して、電子速度を更に改善する。上に説明されるように、Ｇａ極のＨＥＭＴにおけるＩｎＧａＮチャネルは、物質の品質を損なった。
【００１４】
本発明の第１実施形態、ＩｎＧａＮチャネルを備えるＮ極のＨＥＭＴデバイス（２００）が、図２Ａに示される。デバイス（２００）は、炭化けい素（ＳｉＣ）基板（２１０）を含む。代案として、ＧａＮ、シリコン、ＡｌＮ、サファイア、又は他の適切な物質が、基板（２１０）として使用され得る。サファイア又はシリコンが使用される場合、デバイスはまた、当業者によって理解されるようなＮ極の表面を提供するために、ＡｌＮの代わりに、異なる核生成層を含む必要がある。
【００１５】
デバイスはまた、ＧａＮバッファ層（２２０）を含む。代案として、バッファ層（２２０）は、ＡｌＧａＮで作られるか、又は完全に排除され得る。デバイス（２００）はまた、ＡｌＧａＮ後部バリヤ（２３０）を含む。バッファ層（２２０）又はＡｌＧａＮ後部バリヤ（２３０）は、バッファ層におけるホールチャネルを排除するために、シリコンなどのｎ型ドーパントでドープされるか、又はされない場合がある。ＡｌＮバリヤ中間層（又は層間膜）（２４０）は、デバイスの用途に随意に依存している。ＩｎＧａＮで作られるチャネル層は、（２５０）で示され、それは、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）（２６０）を形成する。
【００１６】
発明性のあるエピタキシャル特性は、ＡｌＧａＮ及びＡｌＮのバリヤエピタキシャル成長を含む、全ての高温処理が、ＩｎＧａＮチャネルの前に生じるように、設計される。故に、温度感知可能なＩｎＧａＮ層の高品質が保存され、より高品質のＩｎＧａＮチャネル層及び高い移動度のＩｎＧａＮチャネルＨＥＭＴを可能にする。
【００１７】
２ＤＥＧ領域において、ＩｎＧａＮチャネルとＡｌＧａＮ又はＡｌＮのバリヤとの間で、第四のＩｎＡｌＧａＮ層が、原子の相互拡散により典型的に形成される。この層は、合金散乱を増加させ、電子移動度及びデバイス性能を少なくする。本発明において、アルミニウム除去成長プロセス（ｒｅｍｏｖａｌ  ｇｒｏｗｔｈ  ｐｒｏｃｅｓｓ）は、原子の相互拡散を防ぎ、且つ鋭敏なＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＮのインターフェースを維持するために、加えられる。この成長プロセスの改善は、電気的なチャネル移動度の改善を促進する。
【００１８】
デバイス（２００）のＩｎＧａＮチャネル特性のパラメータは、デバイスのパラメータ及び用途に依存して、高い自由度で選択され得る。好ましい実施形態において、ＩｎＧａＮチャネル（２５０）のインジウムの割合は、１％から３０％までおよび、及びＩｎＧａＮチャネルの厚みは、１から５０ｎｍまで変わり得る。ＡｌＧａＮ後部バリヤ（２３０）におけるアルミニウムの割合は、２０％から１００％までにおよび、ＡｌＧａＮ後部バリヤの厚みは、２ｎｍと５０ｎｍの間で変わり得る。ＩｎＧａＮチャネルＨＥＭＴ（２００）の電子移動度は、１６００ｃｍ２／Ｖｓより高い場合がある。
【００１９】
Ｎ極のＨＥＭＴについて、ＩｎＧａＮチャネルは、物質の品質を改善するだけでなく、チャネル成長層の近くの成長中止を回避する、同じレベルでのＧａＮチャネルよりもはるかに高い温度で成長することができる。Ｎ極のＨＥＭＴの逆構造のため、高温のＡｌＧａＮ後部バリヤは、ＩｎＧａＮチャネルの前に成長し、故に、ＩｎＧａＮチャネルの全体的なサーマルバジェットを少なくし、高品質のＩｎＧａＮチャネルの形成に通じる。
【００２０】
図２Ｂは、図２Ａの構造を通じる帯域ダイアグラムを示し、デバイスの各層を通じて、フェルミ準位ＥＦ、伝導帯エネルギーＥＣ、及び価電子帯エネルギーＥＶをプロットする。２ＤＥＧは、分極及び大きなバンドオフセットのため、ＩｎＧａＮ及びＡｌＮのインターフェースにて形成され、２ＤＥＧの密度は、ＡｌＧａＮ後部バリヤにおけるアルミニウム組成、及び、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、並びにＩｎＧａＮの層の厚みによって決定される。
【００２１】
第２実施形態が図３Ａに示される。この実施形態において、Ｎ極のＨＥＭＴデバイス（３００）は、基板層（３１０）、ＧａＮバッファ層（３２０）、ＡｌＧａＮバリヤ層（３３０）、ＡｌＮバリヤ中間層（３４０）、チャネル層（３５０）、及び、図２Ａのデバイス（２００）に類似の２ＤＥＧ（３６０）を含む。デバイス（３００）はまた、ＧａＮキャップ層（３７０）を含む。この実施形態は、２ＤＥＧに二重の閉じ込め（ｄｏｕｂｌｅ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）を提供する。
【００２２】
図２Ａのデバイス（２００）に類似する、デバイス（３００）は、ＧａＮバッファ層（３２０）を含む。代案として、バッファ層（３２０）はＡｌＧａＮで作られ、又は完全に排除され得る。デバイス（３００）はまた、ＡｌＧａＮ後部バリヤ層（３３０）を含む。ＡｌＮバリヤ層（３４０）は、デバイスの用途に随意に依存している。ＩｎＧａＮで作られるチャネル層は、（３５０）で示され、それは、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）（３６０）を形成する。
【００２３】
図３Ｂは、図３Ａの構造を通じる帯域ダイアグラムを示し、デバイス（３００）の各層を通じて、フェルミ準位ＥＦ、伝導帯エネルギーＥＣ、及び価電子帯エネルギーＥＶをプロットする。２ＤＥＧ（３６０）は、ＩｎＧａＮ及びＡｌＮのインターフェースにて形成される。ＧａＮチャネル特性と比較して、ＩｎＧａＮ特性のバンドオフセットは大きく、それ故、優れたデバイスの品質に通じる、より優れた電子閉じ込めを提供する。２ＤＥＧ（３６０）の密度は、ＡｌＧａＮ後部バリヤ（３３０）におけるアルミニウム組成、ＩｎＧａＮチャネルのインジウム組成、及び、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、並びにＩｎＧａＮのチャネルの厚みによって決定される。
【００２４】
Ｎ極のＨＥＭＴデバイスの別の実施形態が、図４Ａに示される。この実施形態において、Ｎ極のＨＥＭＴデバイス（４００）は、基板（４１０）、ＧａＮバッファ層（４２０）、ＡｌＧａＮバリヤ層（４３０）、ＡｌＮバリヤ中間層（４４０）、ＩｎＧａＮチャネル層（４５０）、及び、図３Ａのデバイス（３００）に類似のＧａＮキャップ層（４７０）を含む。デバイス（４００）はまた、ＧａＮスペーサ層（４８０）を含む。この実施形態は、ＧａＮを含む両方のインターフェースを備える２ＤＥＧ（４６０）に、二重の閉じ込めを提供する。
【００２５】
デバイス（２００）及び（３００）に類似する、デバイス（４００）はまた、ＧａＮバッファ層（４２０）を含む。代案として、バッファ層（４２０）はＡｌＧａＮで作られ、又は完全に排除され得る。デバイス（４００）はまた、ＡｌＧａＮバリヤ層（４３０）を含む。ＡｌＮバリヤ層（４４０）は、デバイスの用途に随意に依存している。ＩｎＧａＮで作られるチャネル層は、（４５０）で示され、それは、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）（４６０）を形成する。
【００２６】
Ｎ極のＩｎＧａＮチャネル層（４５０）のホトルミネセンススペクトルのプロットが、図４Ｂに示される。この図から、２０％までのインジウム組成を備えたＩｎＧａＮが、Ｇａ極に関して可能でないチャネル温度で成長し、エピタキシャル成長したＮ極のＩｎＧａＮ特性の固有の利点を示す。
【００２７】
Ｎ極のＨＥＭＴの具体的な実施形態が、図５に示される。この実施形態において、デバイス（５００）は、ＳｉＣ基板（５１０）、ＳｉでドープしたＧａＮで作られる５ｎｍの厚みのバッファ層（５２０）、Ａｌ０．４５ＧａＮバリヤ層（５３０）、ＡｌＮバリヤ中間層（４４０）、ＩｎＧａＮチャネル層（５５０）、２ＤＥＧ層（５６０）、及びＧａＮキャップ層（５７０）を含む。様々な代案が、図２−４について上に説明されるような、特定の層に使用され得る。デバイス（５００）は、ＧａＮキャップ層（５７０）の表面に位置付けられる、ソース端子（５８０）、ドレーン端子（５９０）、及びゲート端子（５８５）によって形成される。
【００２８】
様々な方法が、図２Ａ、３Ａ、４Ａ、及び５のデバイスを作成するために使用され得る。これら方法は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）プロセス、金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）プロセス、及び原子層堆積（ＡＬＤ）プロセス、或いは、窒化物ベースの半導体素子に適切な任意の蒸着プロセスを含む。
【００２９】
本発明の多数の代替的な実施形態が存在する。具体的な設計オプションは、電子密度及びデバイスパラメータを制御するために選択され得る。例えば、ｘが０から１００％まで変わる、形態ＩｎｘＧａ１−ｘＮの多数の異なるチャネル形成が、使用され得る。ＩｎＧａＮチャネルの厚みはまた、１ｎｍから５０ｎｍまでの範囲内で変わり得る。デバイスはまた、ＩｎＧａＮチャネル層の、頂部、底部、又は両側部にて、ＧａＮヘテロ接合クラッディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）を含み得る。更なる変形は、随意のＩｎＧａＡｌＮ後部バリヤ及び随意のＡｌＧａＮバッファを含む。
【００３０】
本明細書に記載される工程又は動作は、単なる例である。本発明の精神から逸脱することなく、これら工程又は動作に多くの変形が存在し得る。例えば、工程は、異なる順に行なわれてもよく、又は、追加、削除、或いは修正され得る。
【００３１】
本発明の実施形態が本明細書において詳細に描かれ且つ記載されてきたが、様々な修正、追加、置換などが、本発明の精神から逸脱することなく行われ、これらは故に、以下の請求項に定義されるような発明の範囲内にあると考慮されることは、当業者に明白であろう。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2015527749.tif 000008
【図４Ａ】
2015527749.tif 000009
【図４Ｂ】
2015527749.tif 000010
【図５】
2015527749.tif 000011
【国際調査報告】
2015527749.tif 000012
2015527749.tif 000013
2015527749.tif 000014