(57)【要約】【課題】  電極のコンタクト層を選択成長により形成しない半導体電子デバイスについて、電極のコンタクト抵抗の小さいものを提供することを目的とする。【解決手段】少なくとも窒化物系化合物半導体層と電極を有する半導体電子デバイスにおいて、前記窒化物系半導体層の少なくとも表面の一部を含む領域は不純物が添加されバンドギャップエネルギーが前記領域以外の該窒化物系半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなっており、かつ前記電極は該領域に接する状態であることを特徴とする半導体電子デバイス。また、窒化物系化合物半導体層はＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）、不純物はＩｎ，Ａｓ，Ｐ，Ｓｂのうち少なくとも一種類を含むことを特徴とする。【選択図】  図１
2005116858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも窒化物系化合物半導体層と電極を有する半導体電子デバイスにおいて、前記窒化物系半導体層の少なくとも表面の一部を含む領域は不純物が添加されバンドギャップエネルギーが前記領域以外の該窒化物系半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなっており、かつ前記電極は該領域に接する状態であることを特徴とする半導体電子デバイス。
【請求項２】
少なくとも窒化物系化合物半導体層と電極を有する窒化物系化合物半導体を用いた半導体電子デバイスの製造方法において、窒化物系化合物半導体層を成長した後、前記電極が形成される領域の部分の窒化物系化合物半導体層にイオンのインプランテーションを行なって、該領域の部分の窒化物系化合物半導体層を混晶化させることにより、該領域の部分の窒化物系化合物半導体層のバンドギャップエネルギーを前記電極が形成される領域以外の部分の窒化物系化合物半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さくし、該領域に電極を形成することを特徴とする半導体電子デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記電極が形成される領域の窒化物系化合物半導体層はＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）、前記イオンはＩｎ，Ａｓ，Ｐ，Ｓｂのうち少なくとも一種類を含むことを特徴とする請求項２記載の半導体電子デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物系化合物半導体を用いた半導体電子デバイスとその製造方法に関し、特に電極のコンタクト抵抗が低い窒化物系化合物半導体を用いた半導体電子デバイス及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮなどの窒化物系化合物半導体材料は、例えばＧａＡｓ系の材料に比べてそのバンドギャップエネルギーが大きく、しかも耐熱温度が高く高温動作に優れているので、これらの材料、とくにＧａＮを用いて高移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＥＭＴ）のような電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｏｔｏｒ：ＦＥＴ）といった窒化物系化合物半導体を用いた半導体電子デバイスの開発研究が進められている。
【０００３】
ここで、窒化物系化合物半導体を用いたＨＥＭＴ構造の一例を図４に示す。このＨＥＭＴ構造においては、例えばサファイア基板のような半絶縁性基板１の上に、例えばＧａＮから成るバッファ層２、アンドープＧａＮ層３、および前記アンドープＧａＮ層３に比べればはるかに薄い例えばアンドープＡｌＧａＮ層４を順次積層して成る層構造（ヘテロ接合構造）が形成されている。そして、アンドープＡｌＧａＮ層４の上には、ソース電極Ｓ、ゲート電極Ｇ、ドレイン電極Ｄが平面配置されている。
【０００４】
その場合、ゲート電極Ｇは、アンドープＡｌＧａＮ層４の上に直接形成されるが、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄは、一般に、アンドープＡｌＧａＮ層４の表面のうち、これらの電極を形成する領域に、一旦、例えばｎ型不純物であるＳｉが高濃度でドーピングされてなるｎ−ＡｌＧａＮのコンタクト層５を形成し、このコンタクト層５の上に配置される。その理由は、これら電極とアンドープＡｌＧａＮ層４の間のコンタクト抵抗を低くして動作時のオン抵抗を下げて大電流動作を実現させるためである。なお、このコンタクト抵抗は、コンタクト層５のバンドギャップエネルギーが小さいほど低くなるので、ｎ−ＡｌＧａＮのコンタクト層５とする代わりによりバンドギャップエネルギーの小さいｎ−ＩｎＧａＮのコンタクト層５とする場合もある。
【０００５】
図４で示したＨＥＭＴ構造の場合、アンドープＧａＮ層３のバンドギャップエネルギーはアンドープＡｌＧａＮ層４のバンドギャップエネルギーよりも小さい。そして、アンドープＧａＮ層３は２元結晶であるが、アンドープＡｌＧａＮ層４はＡｌＮとＧａＮの混晶になっている。そのため、両層のヘテロ接合界面においては、結晶歪みに基づくピエゾ圧電効果でピエゾ電界が発生し、両者の接合界面の直下に２次元電子ガス層６が形成される。
【０００６】
このＨＥＭＴ構造において、アンドープＡｌＧａＮ層４は電子の供給層として機能し、アンドープＧａＮ層３に電子を供給する。そして、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄを作動すると、供給された電子は２次元電子ガス層６の働きで高速移動してドレイン電極Ｄへと走行していく。このとき、ゲート電極Ｇに電圧印加を行って、当該ゲート電極Ｇの直下に所望厚みの空乏層を発生させることにより、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ間を走行する電子の制御を行なう。
【０００７】
ここで、コンタクト層５は、アンドープＡｌＧａＮ層４を形成した後、通常、選択成長によって形成されているが、仮にこの選択成長を行うことなく、動作時のオン抵抗が低下するＨＥＭＴ構造を製造することができれば、その工業的なメリットは大きくなる。
【０００８】
そこで、図１において（符号１〜７は図４の符号と同一なので説明を省略）、アンドープＡｌＧａＮ層４を形成した後、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄが形成される領域の窒化物系化合物半導体層（ここでは符号８で示したコンタクト領域の半導体層）にＳｉ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｇｅ等のｎ型不純物のイオンのインプランテーションを行なう方法が採用されている。電極が形成される領域の窒化物系化合物半導体層にイオンインプランテーションを行うことにより、コンタクト層を再成長させることなく、その領域に電極を形成することができる。
【０００９】
しかし、イオンインプランテーションにより、窒化物系化合物半導体層のｎ型化を行う方法では、ｎ型不純物の多くが窒化物系化合物半導体層のＮの空孔といった結晶欠陥に取り込まれてしまい、ｎ型化に寄与するｎ型不純物が少なくなってしまうという問題がある。そのため、非特許文献１に記載されているように、ｎ型不純物のイオンインプランテーションを行なう際に、Ｎのイオンを同時に打ち込み、Ｎの空孔に取り込まれるｎ型不純物を少なくする方法も提案されている。
【００１０】
【非特許文献１】Ｙｏｓｈｉｔａｋａ  Ｎａｋａｎｏ，Ｔａｋａｈａｓｈｉ  Ｊｉｍｂｏ  ｅｔ  ａｌ．”Ｃｏ−ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉ＋Ｎ  ｉｎｔｏ  ＧａＮ  ｆｏｒ  ｎ−ｔｙｐｅ  ｄｏｐｉｎｇ”  : Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．９２，Ｎｏ．７，ｐｐ．３８１５−３８１９（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、Ｓｉ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｇｅ等のｎ型不純物イオンのみのイオンインプランテーションを行なう方法、及び、非特許文献１に記載されたような方法では、コンタクト領域８の半導体材料のバンドギャップエネルギーが大きい場合は、電極のコンタクト抵抗が大きくなってしまうという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、電極のコンタクト層を選択成長により形成しない半導体電子デバイス及び半導体電子デバイスの製造方法において、電極のコンタクト抵抗が小さいもの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】
【００１３】
本発明は、請求項１〜請求項３の発明からなる。
請求項１に係る半導体電子デバイスは、少なくとも窒化物系化合物半導体層と電極を有する半導体電子デバイスにおいて、前記窒化物系半導体層の少なくとも表面の一部を含む領域は不純物が添加されバンドギャップエネルギーが前記領域以外の該窒化物系半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなっており、かつ前記電極は該領域に接する状態であることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る半導体電子デバイスの製造方法は、少なくとも窒化物系化合物半導体層と電極を有する窒化物系化合物半導体を用いた半導体電子デバイスの製造方法において、窒化物系化合物半導体層を成長した後、前記電極が形成される領域の部分の窒化物系化合物半導体層にイオンのインプランテーションを行なって、該領域の部分の窒化物系化合物半導体層を混晶化させることにより、該領域の部分の窒化物系化合物半導体層のバンドギャップエネルギーを前記電極が形成される領域以外の部分の窒化物系化合物半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さくし、該領域に電極を形成することを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る半導体電子デバイスの製造方法は、請求項２記載の半導体電子デバイスの製造方法において、前記電極が形成される領域の窒化物系化合物半導体層はＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）、前記イオンはＩｎ，Ａｓ，Ｐ，Ｓｂのうち少なくとも一種類を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る窒化物系化合物半導体を用いた半導体電子デバイス、及び半導体電子デバイスの製造方法によれば、半導体電子デバイスを構成する半導体層の表面上に電極を直接形成することができる。そのため、コンタクト層を別途選択成長する必要がなく、より簡易なイオンインプランテーションを行なった領域を電極が形成される領域とすることができる。また、イオンインプランテーションを行なった領域の半導体層は混晶化し、そのバンドギャップエネルギーはイオンインプランテーションを行なう前よりも小さくすることができるので、電極のコンタクト抵抗を下げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る半導体電子デバイスの一実施形態の断面図で、ＨＥＭＴ構造を示している。
すなわち、例えばサファイア基板のような半絶縁性基板１の上に、例えばＧａＮから成るバッファ層２、アンドープＧａＮ層３、および前記アンドープＧａＮ層３に比べればはるかに薄い例えばアンドープＡｌＧａＮ層４からなる窒化物系半導体層７を順次積層して成る層構造（ヘテロ接合構造）が形成されている。そして、アンドープＡｌＧａＮ層４の上には、ソース電極Ｓ、ゲート電極Ｇ、ドレイン電極Ｄが平面配置されている。
【００１８】
その場合、ゲート電極Ｇは、直接、アンドープＡｌＧａＮ層４の上に形成される。
また、ソース電極Ｓ及びドレイン電極Ｄが形成される領域に相当するアンドープＡｌＧａＮ層４には以下で説明するコンタクト領域８を形成する。そして、コンタクト領域８のアンドープＡｌＧａＮ層４の表面にソース電極Ｓ及びドレイン電極Ｄがオーミック接合により形成されている。
【００１９】
図１で示したＨＥＭＴ構造の場合、アンドープＧａＮ層３のバンドギャップエネルギーはアンドープＡｌＧａＮ層４のバンドギャップエネルギーよりも小さい。そして、アンドープＧａＮ層３は二元結晶であるが、アンドープＡｌＧａＮ層４はＡｌＮとＧａＮの混晶になっている。そのため、両層のヘテロ接合界面においては、結晶歪みに基づくピエゾ圧電効果でピエゾ電界が発生し、両者の接合界面の直下に２次元電子ガス層６が形成される。
【００２０】
この半導体電子デバイスであるＨＥＭＴ構造において、アンドープＡｌＧａＮ層４は電子の供給層として機能し、アンドープＧａＮ層３に電子を供給する。そして、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄを作動すると、供給された電子は２次元電子ガス層６の働きで高速移動してドレイン電極Ｄへと走行していく。このとき、ゲート電極Ｇに電圧印加を行って、当該ゲート電極Ｇの直下に所望厚みの空乏層を発生させることにより、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ間を走行する電子の制御を行なっている。
【００２１】
本発明の特徴は、コンタクト領域８は図１に示した、いずれかの窒化物系半導体層７（バッファ層２、アンドープＧａＮ層３及びアンドープＡｌＧａＮ層４）の結晶に不純物を添加して、不純物を添加する前の当該窒化物系半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなった部分により構成され、また、その領域には電極（ここでは、ソース電極Ｓ，ドレイン電極Ｄ）が接する状態に形成されていることである。より具体的に述べると、コンタクト領域８は、窒化物系化合物半導体成長層（ここでは、アンドープＧａＮ層３、及びアンドープＡｌＧａＮ層４）に不純物を構成するイオンのイオンインプランテーションを行ない、その領域を混晶化させることにより形成されている。
【００２２】
ここで、イオンインプランテーションに用いるイオンは、Ｉｎ，Ａｓ，Ｐ，Ｓｂのうち少なくとも一種類を含むようにする。このようにすることで、イオンインプランテーションが行なわれコンタクト領域８を構成するＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）を混晶化させることができる。
【００２３】
例えば、コンタクト領域８を構成する窒化物系化合物半導体層がＡｌxＧａ1-xＮからなっている場合は、イオンインプランテーションによりＡｌＩｎＧａＮＡｓＰＳｂからなる窒化物系化合物半導体層に混晶化する。ここで、ＡｌＩｎＧａＮＡｓＰＳｂのバンドギャップエネルギーはＡｌxＧａ1-xＮのバンドギャップエネルギーよりも小さい。これにより、この半導体層から構成されるコンタクト領域８と接する電極（ここではソース電極Ｓ、ドレイン電極Ｄ）のコンタクト抵抗を小さくすることができるようになる。なお、イオンインプランテーションを行なった後、９００〜１５００℃の温度で熱処理を行ない、結晶欠陥を回復させる。
【実施例１】
【００２４】
次のようにして、図１で示した窒化物系化合物半導体を用いたＨＥＭＴ（Ａ）を製造した。
まず、温度８００℃のサファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法によりアンモニアとＴＭＧａを用いてＧａＮバッファ層２を５０ｎｍ形成する。
次に基板を１１００℃に上げ、同じくＭＯＣＶＤ法によりアンモニアとＴＭＧａを用いてアンドープＧａＮ層３を４００ｎｍ形成する。更にこの上にアンモニアとＴＭＧａとＴＭＡｌを用い，アンドープＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４を３０ｎｍ形成して図２で示した窒化物系半導体層７からなる層構造Ａ0のエピタキシャル成長をした。
【００２５】
次いで、層構造Ａ0の表面に、例えば熱ＣＶＤ法でＳｉＯ2膜９を成膜したのち、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄを形成すべき箇所のＳｉＯ2膜９をエッチング除去し開口部１０を形成し、図３（ａ）のような中間体Ａ1を形成した。そして、中間体Ａ1について、イオンインプランテーション装置を用いて、イオンインプランテーションを行なった。ここで、インプラネーションを行ったイオンはＩｎ（加速電圧１００ｋＶ，ドーズ量１×１０16／ｃｍ2）及び、ｎ型不純物となるＳｉ（加速電圧６０ｋＶ，ドーズ量６×１０14／ｃｍ2）であり、拡散深さは１００ｎｍである。
【００２６】
中間体Ａ1についてイオンインプランテーションを行うことにより、開口部１０からアンドープＧａＮ層３及びアンドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４にＩｎとＳｉのイオンが打ち込まれる。そしてイオンが打ち込まれた領域のアンドープＧａＮ層３はｎ−ＩｎＧａＮ層に混晶化し、また、アンドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層４はｎ−ＡｌＩｎＧａＮ層に混晶化するので図３（ｂ）のようにコンタクト領域８が形成される。イオンインプランテーション後、窒素雰囲気中で９００℃の温度で熱処理を行なった。
【００２７】
これにより、コンタクト領域８を構成するｎ−ＩｎＧａＮ層バンドギャップエネルギーはイオンインプランテーションを行なっていないアンドープＧａＮ層３のバンドギャップエネルギーよりも小さくなり、また、ｎ−ＡｌＩｎＧａＮ層バンドギャップエネルギーはイオンインプランテーションを行なっていないアンドープＡｌＧａＮ層４のバンドギャップエネルギーよりも小さくなる。また、コンタクト領域８を構成するｎ−ＩｎＧａＮ層，ｎ−ＡｌＩｎＧａＮ層の結晶欠陥も回復する。
【００２８】
イオンインプランテーションと熱処理が終了した中間体Ａ1のＳｉＯ2膜９を除去した後、その後、常法により、コンタクト領域８の表面にソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ（Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ，厚さは１００ｎｍ／１００ｎｍ／２００ｎｍ。ＴａＳｉ／Ａｕを用いることもでき、これにより一層コンタクト抵抗を下げることができる。）を形成し、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄの間にゲート電極Ｇ（Ｔｉ／Ａｕ，厚さは１００ｎｍ／２００ｎｍ）を形成することにより、図１で示したＨＥＭＴ（Ａ）が得られる。
【００２９】
完成したＨＥＭＴ（Ａ）のソース電極Ｓ、ドレイン電極Ｄのコンタクト抵抗の測定を行なった。その結果、イオンインプランテーションを行なわない図４に示した従来技術に係るＨＥＭＴではソース電極Ｓ、ドレイン電極Ｄのコンタクト抵抗が５Ωｍｍ-1であったのに対し、図１に示した本発明の実施例１に係るＨＥＭＴ（Ａ）のコンタクト抵抗は１Ωｍｍ-1と抵抗が１／５に減少した。これにより、電極が形成される領域の半導体層について、簡易なイオンインプランテーションを行なう本発明に係る半導体電子デバイスのコンタクト抵抗が低くなることが示された。
【００３０】
上記実施例では、半導体電子デバイスとしてＨＥＭＴを例に挙げているが、これに限られることはなく、本発明は駆動時に電流が流れる電極を有する窒化物系化合物半導体電子デバイスであれば何にでも適用することができる。すなわち、駆動時に電流が流れる電極に接する窒化物系化合物半導体層に本発明を適用することにより、電極のコンタクト抵抗を下げることが可能である。
【００３１】
ＨＥＭＴ以外の半導体電子デバイスとしては、ダイオード、ＨＥＭＴ以外のＦＥＴ、サイリスタ等を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る半導体電子デバイスの一形態（Ａ）を示す断面図である。
【図２】本発明に係る半導体電子デバイスを製造中の層構造Ａ0の断面図である。
【図３】本発明に係る半導体電子デバイスを製造中の層構造Ａ1の断面図である。（ａ）はイオンインプランテーション前、（ｂ）はイオンインプランテーション後である。
【図４】従来技術に係る半導体電子デバイスを示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  基板
２  バッファ層
３  アンドープＧａＮ層
４  アンドープＡｌＧａＮ層
５  コンタクト層
６  ２次元電子ガス層
７  窒化物系半導体層
８  コンタクト領域
９  ＳｉＯ2膜
１０  開口部
【図１】
2005116858.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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