(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム（ＧａＮ）チャネル層と、
該チャネル層上の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）障壁層と、
前記障壁層上に設けられ、ソース電極を提供する第１のオーム接触と、
前記障壁層上の前記ソース電極から間隔を空けて設けられ、ドレイン電極を提供する第２のオーム接触と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記障壁層上のＧａＮキャップセグメントであって、アルミニウムの濃度が前記障壁層よりも低く、前記ソース電極の隣にかつ前記ソース電極から間隔を空けて設けられた第１の側壁を有し、前記ドレイン電極の隣にかつ前記ドレイン電極から間隔を空けて設けられた第２の側壁を有するＧａＮキャップセグメントと、
ゲートコンタクトを提供する前記ＧａＮキャップセグメント上の非オーム接触であって、前記ゲートコンタクトは、前記ＧａＮキャップセグメントの第１の側壁と一直線に並ぶ第１の側壁を有し、前記ゲートコンタクトは、前記ＧａＮキャップセグメントの第１の側壁と前記ＧａＮキャップセグメントの第２の側壁との間の一部にのみ拡張されている非オーム接触と、
前記非オーム接触上に設けられたＴ字形のゲート電極と
を備えたことを特徴とする高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）。
【請求項２】
前記ＧａＮキャップセグメントは、ＧａＮのみからなるキャップセグメントを含むことを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項３】
前記非オーム接触は、前記ＧａＮキャップセグメントの前記第１の側壁まで拡張されるが、前記ＧａＮキャップセグメントの前記第１の側壁を越えないことを特徴とする請求項２に記載のＨＥＭＴ。
【請求項４】
前記ＧａＮキャップセグメントは、厚さ１０Åから６０Åであることを特徴とする請求項２に記載のＨＥＭＴ。
【請求項５】
前記ＧａＮキャップセグメントは、非ドープ型のＧａＮのみからなることを特徴とする請求項４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項６】
前記ソース電極と前記ドレイン電極は、２μｍから４μｍの距離だけ間隔を空けて設けられていることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項７】
前記ＧａＮキャップセグメントの前記第１の側壁は、前記ソース電極から２μｍ未満にあることを特徴とする請求項２に記載のＨＥＭＴ。
【請求項８】
前記ＧａＮキャップセグメントの前記第１の側壁は、前記ソース電極から０．３μｍから１．５μｍにあることを特徴とする請求項７に記載のＨＥＭＴ。
【請求項９】
前記ＧａＮキャップセグメントの前記第２の側壁は、前記ゲート電極から０．５μｍから１μｍにあることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１０】
前記ＡｌＧａＮ障壁層は、アルミニウムを１５％から６０％含むことを特徴とする請求項２に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１１】
前記ＡｌＧａＮ障壁層は、全体のシート濃度が５×１０１２ｃｍ−２になるように、ケイ素がドープされていることを特徴とする請求項１０に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１２】
前記ＡｌＧａＮ障壁層は、厚さ１５ｎｍから４０ｎｍであることを特徴とする請求項１０に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１３】
前記ＡｌＧａＮ障壁層は、厚さ２５ｎｍであることを特徴とする請求項１２に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１４】
基板をさらに含み、前記ＧａＮチャネル層が前記基板上にあることを特徴とする請求項２に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１５】
前記基板は、炭化ケイ素を含むことを特徴とする請求項１４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１６】
前記基板は、サファイアを含むことを特徴とする請求項１４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１７】
前記基板は、４Ｈ炭化ケイ素および６Ｈ炭化ケイ素の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１８】
前記ＧａＮチャネル層と前記基板との間に配置されたＧａＮバッファ層をさらに備えたことを特徴とする請求項１４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１９】
基板上に第１の窒化ガリウム（ＧａＮ）チャネル層を形成すること、
該第１のＧａＮチャネル層上に窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）障壁層を形成すること、
該ＡｌＧａＮ障壁層上にＧａＮキャップセグメントを形成し、前記ＧａＮキャップセグメントは、アルミニウム濃度が前記ＡｌＧａＮ障壁層よりも低いこと、
前記ＧａＮキャップセグメントの隣にかつ前記ＧａＮキャップセグメントから間隔を空けて、前記ＡｌＧａＮ障壁層への第１のオーム接触を形成し、ソース電極を提供すること、
前記ＧａＮキャップセグメントの隣にかつ前記ＧａＮキャップセグメントから間隔を空けて、前記第１のオーム接触の反対側に、前記ＡｌＧａＮ障壁層への第２のオーム接触を形成し、前記ＧａＮキャップセグメントは、前記第１のオーム接触と前記第２のオーム接触の間に配置され、ドレイン電極を提供すること、
前記ＧａＮキャップセグメント上に非オーム接触を形成してゲートコンタクトを提供し、前記ゲートコンタクトは、前記ソース電極の隣に前記ＧａＮキャップセグメントの第１の側壁と一直線に並んだ第１の側壁を有し、かつ前記第１の側壁と前記第２のオーム接触により提供されたドレイン電極の隣の前記ＧａＮキャップセグメントの第２の側壁との間の一部にのみ拡張されていること、および、
前記非オーム接触上に金属層を形成してＴ字形のゲート電極を設けること
を備えたことを特徴とする高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を製作する方法。
【請求項２０】
前記ＧａＮキャップセグメントを形成することは、前記ＡｌＧａＮ障壁層上にＧａＮキャップセグメントを形成することを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ＧａＮキャップセグメントを形成し非オーム接触を形成することは、
前記ＡｌＧａＮ障壁層上に第２のＧａＮ層を形成すること、
該第２のＧａＮ層上に非オーム接触を形成すること、および、
前記非オーム接触および前記第２のＧａＮ層をパターニングして、前記ＧａＮキャップセグメントおよび前記ゲートコンタクトを提供すること
を含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記非オーム接触および前記第２のＧａＮ層をパターニングすることは、
前記非オーム接触および前記第２のＧａＮ層上にマスクを形成し、前記ソース電極の隣に前記非オーム接触および前記ＧａＮキャップセグメントの側壁を画定し、かつ前記ドレイン電極の隣に前記ＧａＮキャップセグメントの側壁を画定するように、前記マスクは、前記非オーム接触および前記第２のＧａＮ層の一部を覆うこと、および、
前記非オーム接触および前記第２のＧａＮ層を、前記マスクに従って同時にエッチングして、前記ＡｌＧａＮ障壁層の一部を露出させること
を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ＧａＮキャップセグメントは、１０Åから６０Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記ＧａＮキャップセグメントは、非ドープ型のＧａＮのみからなることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１のオーム接触を形成しおよび前記第２のオーム接触を形成することは、２μｍから４μｍの距離だけ間隔を空けた第１のオーム接触および第２のオーム接触を形成することを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１のオーム接触は、前記ＧａＮキャップセグメントから２μｍ未満の距離で形成されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１のオーム接触は、前記ＧａＮキャップセグメントから０．３μｍから１．５μｍの距離で形成されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記非オーム接触は、前記非オーム接触の側壁が前記ＧａＮキャップセグメントの前記第２の側壁から０．５μｍから１μｍになるように、パターニングされることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記ＡｌＧａＮ障壁層を形成することは、アルミニウムが１５％から６０％の間であるＡｌＧａＮ障壁層を形成することを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
前記ＡｌＧａＮ障壁層を形成することは、全体のシート濃度が５×１０１２ｃｍ−２になるようにケイ素がドープされたＡｌＧａＮ障壁層を形成することを含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記ＡｌＧａＮ障壁層を形成することは、ＡｌＧａＮ障壁層を１５ｎｍから４０ｎｍの厚さに形成することをさらに含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記ＡｌＧａＮ障壁層を形成することは、ＡｌＧａＮ障壁層を２５ｎｍの厚さに形成することを含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記基板は、炭化ケイ素を含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項３４】
前記基板は、サファイアを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項３５】
前記基板は、４Ｈ炭化ケイ素と６Ｈ炭化ケイ素の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項３６】
前記第１のＧａＮチャネル層と前記基板との間に配置された第３のＧａＮバッファ層を形成することをさらに備えたことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に関し、より詳細には、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）／窒化ガリウム（ＧａＮ）ＨＥＭＴに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の分野では、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴデバイスが周知である。例えば、特許文献１および２には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造およびその製造方法が記載されている。また、同一出願人による米国特許出願第０９／０９６，９６７号明細書、1998年6月12日出願、発明の名称「NITRIDE BASED TRANSISTORS ON SEMI-INSULATING SILICON CARBIDE SUBSTRATES」には、改良型のＨＥＭＴ構造が開示されている。
【０００３】
図１に、典型的なＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造１１０を示す。ＧａＮチャネル層１１４は、基板１１２上のバッファ層１１３上に形成されている。ＡｌＧａＮ障壁層１１６は、ＧａＮチャネル層１１４上に形成されている。ソース電極１１８とドレイン電極１２０は、ＡｌＧａＮ層１１６の表面を通して、ＧａＮチャネル層１１４の最上部に存在する電子層へのオーム接触を形成する。従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴでは、ゲート電極１２２が、ＡｌＧａＮ層１１６の表面への非オーム接触を形成する。
【０００４】
結晶格子中にアルミニウムが存在するので、ＡｌＧａＮは、ＧａＮよりも広いバンドギャップを有する。従って、1ＧａＮチャネル層１１４とＡｌＧａＮ障壁層１１６との界面は、ヘテロ構造を形成する。図２は、図１の断面Ａ−Ａ’の一部に沿った、デバイスのエネルギーレベルを示すバンド図である。図２に示すように、ＡｌＧａＮ障壁層１１６の伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖは、分極効果が原因で歪んでいる。その結果、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）のシート状電荷領域１１５が、ＧａＮチャネル層１１４とＡｌＧａＮ障壁層１１６とのヘテロ接合部に誘起される。一方、ＡｌＧａＮ障壁層１１６は、伝導帯の形状が原因で移動キャリアが失われる。図２に示すように、伝導帯Ｅｃは、ＡｌＧａＮ障壁層１１６のすぐ隣に接するＧａＮチャネル層１１４の領域で、フェルミ準位（Ｅｆ）よりも下に沈む。
【０００５】
２ＤＥＧシート状電荷領域１１５内の電子は、キャリア移動度が高いことを示す。この領域の伝導度は、ゲート電極１２２に電圧を印加することによって変化する。逆電圧を印加すると、シート状電荷領域１１５付近の伝導帯がフェルミ準位よりも高くなり、シート状電荷領域１１５の一部からキャリアが失われ、それによって、ソース１１８からドレイン１２０への電流の流れが妨げられる。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，１９２，９８７号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２９６，３９５号明細書
【特許文献３】米国特許第６，０６４，０８２号明細書
【非特許文献１】E.T.Yu, et al “Shottky barrier engineering in III-V nitrides via the piezoelectric effect”, Appl. Phys. Lett. 73、1880（1998）
【非特許文献２】S.T.Sheppard, W.L.Pribble, D.T.Emerson, Z.Ring, R.P.Smith, S.T.Allen, J.W.Palmour, “High Power Demonstration at 10 GHz with GaN/AlGaN HEMT Hybrid Amplifiers”, 58th Device Research Conference, Denver, CO, June 2000
【非特許文献３】S.T.Sheppard, K.Doverspike, M.Leonard, W.L.Pribble, S.T.Allen, J.W.Palmour, “Improved 10-GHz Operation of GaN/AlGaN HEMTs on Silicon Carbide”, Mat. Sci. Forum, Vols.338-342（2000）, pp.1643-1646
【非特許文献４】Eastman et al IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.48, No.3, March 2001, pp.479-485
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１に示すように、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴは、典型的には、同一平面の金属接触と共に製作されている。すなわち、ソース１１８電極およびドレイン１２０電極に対するオーム接触は、ゲート電極１２２と同じエピタキシャル層（すなわち、ＡｌＧａＮ層１１６）上にある。オーム接触が低抵抗の非整流接触を材料にもたらすものであり、ゲートコンタクトが、大きい逆電圧で電流を阻止する非オーム接触であるとすると、同じエピタキシャル層上に３個の接触全てを形成することにより、これら特性を妥協させたものが得られる。言い換えれば、従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴデバイスでは、ＡｌＧａＮ障壁層１１６のドーピングおよび組成を選択するにあたり、デバイスの設計に関して、一方ではソースとドレインのオーム接触の最適化、他方では非オーム・ゲートコンタクトの最適化という相反する事項がある。
【０００８】
さらに、ゲート電極１２２の下ではシート状電荷領域１１５にできる限り高い電流容量が得られるようにし、また一方ではゲートができる限り高い電圧で阻止できるように、考慮すべきである。従って、バンドの曲がりの量、すなわち電荷の量を変化させるために、ソースとゲートの間の領域、ゲートの下の領域、ゲートとドレインの間の領域には、差があることが有利と考えられる。バンドの曲がりを変化させることによって、シート状電荷領域１１５の電荷の量ならびにこのデバイス内に存在する電場が変化することになる。
【０００９】
従来のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）およびインジウムリン（ＩｎＰ）ベースのＨＥＭＴデバイスでは、追加のＧａＡｓまたはインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）層を、障壁層の表面に形成する。ソースおよびドレインコンタクトを、この追加の層に作製し、一方、ゲート電極を、障壁層の窪みに形成する。しかし、ＧａＮの最上面は一般に導電性ではなく、ゲートを障壁層の窪みに形成する利点がないので、この方法は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造に適していない。
非特許文献４には、マイクロ波電力増幅用の非ドープ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴが記載されている。特許文献３には、窒化ガリウムベースのヘテロ接合電界効果トランジスタが記載されている。
【００１０】
従って、当技術分野では、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造およびＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造の製作方法を改良することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の実施形態は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）およびＨＥＭＴを製作する方法を提供する。本発明の実施形態によるデバイスは、窒化ガリウム（ＧａＮ）チャネル層と、このチャネル層の上の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）障壁層を含む。第１のオーム接触を、障壁層の上に設けてソース電極を形成し、第２のオーム接触を、この障壁層に設け、ソース電極とは間隔を空けた状態でドレイン電極を形成する。キャップセグメントを、障壁層の上のソース電極とドレイン電極との間に設ける。キャップセグメントは、ソース電極の隣にかつソース電極から離した状態で、第１の側壁を有する。またキャップセグメントは、ドレイン電極の隣にかつドレイン電極から離した状態で、第２の側壁を有することができる。非オーム接触を、キャップセグメント上に設けてゲートコンタクトを形成する。ゲートコンタクトは、キャップセグメントの第１の側壁と実質的に一直線に並んだ第１の側壁を有する。ゲートコンタクトは、キャップセグメントの第１の側壁と第２の側壁との間の一部にのみ拡張する。特定の実施形態では、キャップセグメントはＧａＮキャップセグメントである。
【００１２】
本発明の別の実施形態では、非オーム接触がＧａＮキャップセグメントの第１の側壁まで、その第１の側壁を越えないように拡張する。ＧａＮキャップセグメントは、その厚さが約１０Åから約６０Åとすることかできる。ＧａＮキャップセグメントは、非ドープ型のＧａＮでもよい。
【００１３】
本発明の特定の実施形態では、ソース電極とドレイン電極とは、約２μｍから約４μｍの距離だけ間隔を空けて配置されている。さらに、ＧａＮキャップセグメントの第１の側壁は、ソース電極のできる限り近くにあることが好ましく、例えばソース電極から約０μｍから約２μｍとすることかできる。ＧａＮキャップセグメントの第２の側壁は、ゲート電極から約０．５μｍから約１μｍとすることかできる。
【００１４】
本発明の追加の実施形態で、ＡｌＧａＮ障壁層は、アルミニウムが約１５％から約４０％の間である。ＡｌＧａＮ障壁層は、最高約４×１０18ｃｍ-3またはそれ以上の濃度でケイ素をドープしてもよく、全体のシート濃度が最高約５×１０12ｃｍ-2であることが好ましく、厚さは約１５ｎｍから約４０ｎｍとし、好ましくは約２５ｎｍである。
【００１５】
本発明のさらに別の実施形態では、ＧａＮチャネル層を基板上に設ける。基板は、炭化ケイ素やサファイアなどでよい。特定の実施形態では、基板は４Ｈ炭化ケイ素または６Ｈ炭化ケイ素である。さらに、ＧａＮバッファ層を、ＧａＮチャネル層と基板との間に配置することができる。
【００１６】
本発明のさらに別の実施形態では、ゲート電極は、Ｔ字形のゲート電極である。
【００１７】
本発明の方法の実施形態において、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を製作する方法は、基板上に第１の窒化ガリウム（ＧａＮ）層を形成し、第１のＧａＮ層上に窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層を形成することによって提供される。第２のＧａＮ層を、ＡｌＧａＮ層上にパターニングして、ＡｌＧａＮ層上にＧａＮセグメントを設け、ＡｌＧａＮ層の一部を露出させる。第１のオーム接触を、ＧａＮセグメントの隣にＧａＮセグメントから離した状態で、ＡｌＧａＮ層に形成して、ソース電極を設ける。第２のオーム接触を、ＧａＮセグメントの隣にＧａＮセグメントから離した状態で、かつ第１のオーム接触の反対側の、ＡｌＧａＮ層に形成する。このようにして、ＧａＮセグメントが第１のオーム接触と第２のオーム接触の間に配置されて、ドレイン電極が設けられるようにする。非オーム接触を、ＧａＮセグメント上にパターニングして、ゲートコンタクトを設ける。ゲートコンタクトは、ソースコンタクトに隣接するＧａＮセグメントの第１の側壁と実質的に一直線に並んだ第１の側壁を有する。ゲートコンタクトは、ＧａＮセグメントの第１の側壁と、ドレインコンタクトに隣接する側のＧａＮセグメントの第２の側壁との間の一部にのみ拡張する。
【００１８】
本発明の別の実施形態で、第２のＧａＮ層のパターニングおよび非オーム接触のパターニングは、第２のＧａＮ層をＡｌＧａＮ層上に形成し、非オーム接触を第２のＧａＮ層上に形成し、非オーム接触と第２のＧａＮ層をパターニングしてＧａＮセグメントおよびゲートコンタクトを設けることにより提供される。このようなパターニングは、ソースコンタクトに隣接する側の非オーム接触およびＧａＮセグメントの側壁と、ドレインコンタクトに隣接する側のＧａＮセグメントの側壁とが画定されるように、非オーム接触および第２のＧａＮ層の一部を覆うマスクを形成し、非オーム接触および第２のＧａＮ層をエッチングしてＡｌＧａＮ層の一部を露出させることにより、提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に本発明について、本発明の好ましい実施形態が示されている添付図面を参照しながら、より十分に以下に述べる。しかしながら本発明は、多くの種々の形に具体化することができ、本明細書に示す実施形態に限定されると解釈すべきではない。むしろこれらの実施形態は、この開示が徹底して完全になるように、また本発明の範囲が当業者に十分伝えられるように、提供される。図に示すように、層または領域のサイズは例示を目的として誇張されており、従って一般的な構造または本発明を例示するために提供される。全体を通して同様の符号は同様の要素を指す。層や領域、基板などの要素が別の要素の「上」にあると言う場合、層や領域、基板などの要素は他の要素の直上にあるかまたは他の要素との間に介在する要素を存在させてもよいことが理解されよう。逆に、要素が別の要素の「直上」にあると言う場合は、その間に介在する要素が存在しない。
【００２０】
上述のように、平衡条件下では、高い電子濃度が、埋め込まれたＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に現れることが周知である。このように高い電子濃度は、高キャリア移動度の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を形成することができ、これをＨＥＭＴデバイス構造で有利に活用することができる。さらに、このような構造のＡｌＧａＮ障壁層上にＧａＮキャップを付加すると、この構造の最上面へのまたは最上面からの電子伝導に対する障壁のサイズを増大させることができる。しかし、表面電位が両方の場合（すなわちキャップがある場合とない場合）で同じであると考えると、ＧａＮキャップの存在は、２ＤＥＧ伝導層中の電子濃度を低下させる可能性がある。
【００２１】
ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造上にＨＥＭＴを製作できることがＹｕ他によって提示されているが、そのような構造のゲート性能に関する改善点は、ＧａＮキャップの下にある伝導層の低キャリア濃度に起因したチャネル抵抗の増加によって、相殺されると考えられる（例えば、非特許文献１参照）。
【００２２】
本発明の実施形態は、改善されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴデバイスおよびそのようなデバイスを製作する方法を提供する。本発明の特定の実施形態では、低抵抗のソースコンタクトおよびドレインコンタクト、デバイスを流れる電流、ゲートコンタクトの阻止能力のトレードオフを、ＡｌＧａＮ障壁層上にＧａＮキャップセグメントを設け、キャップセグメント上に非オーム接触を設けてゲートコンタクトを形成することにより、少なくすることができまたは回避することができる。別の実施形態では、ゲートコンタクトおよびキャップセグメントを、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造に低い内部電場が得られるように配置し、それによって、より高い動作電圧および電力レベルを得ることができる。従って本発明の実施形態は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造に関するゲート性能の改善点と共にＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造に見られる低い接触抵抗という利益をもたらすことができる。
【００２３】
図３は、本発明の実施形態にかかるデバイス１１を示す。デバイス１１は、基板１２と、基板１２上の任意選択のバッファ層１３を含む。基板１２は、炭化ケイ素、サファイア、シリコン、バルク窒化ガリウム、または窒化物ベースの電子デバイスを支持するのに適した任意のその他の基板でよい。好ましくは、基板は、半絶縁性の４Ｈ炭化ケイ素（０００１）または６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）である。バルクＧａＮ以外の基板では、任意選択のバッファ層１３は、高品質の窒化ガリウムを成長させることができる表面が得られる。バッファ層１３の組成および製作は、使用した基板の種類によって異なる。適切なバッファ層は、当技術分野で周知であり、さらに述べる必要はない。ＧａＮチャネル層１４を、バッファ層１３が存在する場合にはバッファ層１３上に設け、バッファ層１３が存在しない場合には基板１２上に設ける。チャネル層１４およびその後に設けられるＧａＮベース層は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、および／または任意のその他の適切な成長技法によって形成することができる。チャネル層１４は、非ドープ型であることが好ましいが、シート状電荷領域１５内の電子濃度、またはシート状電荷領域の下の領域における伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖの振舞いを変化させるために、様々な物質をドープしてもよい。
【００２４】
ＡｌＧａＮ障壁層１６を、ＧａＮチャネル層１４上に設け、それにより、チャネル層１４と障壁層１６との間にヘテロ接合１５を形成する。ＡｌＧａＮ障壁層１６は、好ましくはそのアルミニウム組成が１５％から６０％の間であり、最高約４×１０18ｃｍ-3のドーピング濃度でケイ素をドープして、全体のシート濃度を最高約５×１０12ｃｍ-2またはそれ以上にする。障壁層１６は、その厚さが約１５ｎｍから４０ｎｍの間でよく、好ましくは約２５ｎｍの厚さである。
【００２５】
上述のように、接合部１５はＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ障壁であるので、２次元電子ガスが接合部１５付近に形成される。オーム性のソース１８電極およびドレイン２０電極を、ＡｌＧａＮ障壁層１６の表面に設ける。ソース１８電極およびドレイン２０電極は、Ｔｉ／Ｓｉ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ、またはｎ型ＡｌＧａＮへのオーム接触を形成する任意のその他の適切な材料でよい。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴデバイスに適したオーム接触は、例えば、非特許文献２および３参照に記載されている。ソース電極１８とドレイン電極２０の間の距離は、典型的には、約２〜４μｍでよい。
【００２６】
図３にさらに示すように、薄いＧａＮベースのキャップセグメント３０好ましくはＧａＮを、ＡｌＧａＮ層１６の表面の、ソース電極１８とドレイン電極２０との間に設ける。キャップセグメント３０は、好ましくは、その厚さが約１０〜６０Åの間であり、非ドープ型であることが好ましい。キャップセグメント３０は、窒化ガリウムで形成することが好ましいが、その他の適切な材料を利用してもよい。例えば、チャネル層からの距離に伴ってアルミニウムのパーセンテージが減少するように、アルミニウムの含量が徐々に変化しまたは減少したＡｌＧａＮ層を利用してよい。このようなＡｌＧａＮ層は、キャップセグメント３０が得られるように、例えばエッチングによって形成することができる。本明細書で使用するＧａＮベースという用語は、ガリウムおよび窒素を有する材料を指し、ＧａＮまたはＡｌＧａＮが含まれる。
【００２７】
ゲート電極２２を、キャップセグメント３０上に設ける。ゲート電極２２は、白金、ニッケル、あるいはｎ型または「真性」ＧａＮへの非オーム接触を形成する任意のその他の適切な金属で形成することが好ましい。ゲート電極２２は、Ｔ字形のゲート構成に追加の金属層でキャップすることができ、または特定の実施形態では、Ｔ字形のゲートを１プロセスステップで形成することもできる。Ｔ字形のゲート構成は、ＲＦおよびマイクロ波デバイスに特に適している。
【００２８】
ＡｌＧａＮまたはＧａＮのガリウムまたはアルミニウム面に成長させたＧａＮ／ＡｌＧａＮ構造での分極効果により、ゲート電極２２の下の伝導に対する障壁は、大幅に高められる。従って、ゲート漏れを低減させ、または最小限に抑えることができる。
【００２９】
好ましくは、キャップセグメント３０のソース側の側壁３１は、ゲート電極２２のソース側の側壁２７と実質的に一直線に並ぶ。キャップセグメント３０が存在すると、その下の２ＤＥＧ領域１５のキャリア濃度が低下するので、ソース電極１８とゲート電極２２の間に十分に拡張されたキャップセグメント３０を有することは望ましくないと考えられる。その結果として抵抗が増す可能性があるからである。従って、キャップセグメント３０は、製造上の制約に照らして妥当であるように短い距離だけソース電極１８から離して設けることが好ましい。従って、約０μｍから約２μｍの距離が適しており、従来のマスキングおよび製作技法では、例えば約０．３μｍから約１．５μｍの距離が可能である。逆に言えば、キャップセグメント３０のドレイン側の側壁３２は、ゲート電極２２のドレイン側の側壁２８から所定の距離だけ、好ましくは約０．５から約１μｍだけ延ばして設けることが有利と考えられる。従って、キャップセグメント３０のドレイン側の側壁３２は、ドレイン電極２０から約０μｍから約３μｍの距離まで拡張することができる。ドレイン側の側壁３２からドレイン電極２０までの距離が０μｍである場合、ドレイン側の側壁３２はないが、キャップセグメント３０は、ドレイン電極２０の下まで拡張させることができる。しかし、このような構造は好ましくないと考えられる。従って、本発明の好ましい実施形態では、ドレイン側壁３２からドレイン電極２０までの距離が約０．５μｍ以上である。
【００３０】
ゲート電極２２の下にキャップセグメント３０が存在する場合、ゲート下の２ＤＥＧ領域１５のキャリア濃度に対してキャップセグメント３０が及ぼす影響を埋め合わせるようにゲートバイアスを調節することができるので、デバイスの動作に悪影響を与えないですむ。動作中、電子は、ソース電極１８から２ＤＥＧ領域１５を通ってドレイン電極２０に流れる。特定のいかなる論理にも拘泥するものではないが、ゲート電極２２とドレイン電極２０の間の２ＤＥＧ領域上にキャップセグメント３０を存在させた場合、デバイスの伝導度は、ゲート電極２２とドレイン電極２０の間の２ＤＥＧ領域１５の一部の平衡電子濃度に支配されないので、デバイスの動作に悪影響を及ぼさないと考えられる。実際、ゲート電極２６のドレイン側の側壁２８から所定の距離だけ延ばしてキャップセグメント３０を設けると、デバイスの内部電場を低減させることによってデバイス性能を改善することができ、従って、より高い電圧および電力レベルでの動作が可能になる。ＦＥＴ内の降伏電圧は、通常、ゲートコンタクトのドレイン側に生じて電子なだれおよびその他の望ましくないゲートを通る電流を誘発する可能性のある最大内部電場によって制限される。キャップセグメントをドレイン方向に拡張することにより、分極効果から生ずるキャップ下の電荷の総量が減少する。このようなトランジスタに関するポアソン方程式を解くと、ゲートの下にありドレイン方向に向かう領域内の電荷が少ないトランジスタは、所与の想定される最大許容電場においてより高いバイアスで動作できることが示される。
【００３１】
図３は、本発明の実施形態を個別デバイスとして示すが、当業者に理解されるように、図３は、複数のセルを有するデバイスのユニットセルと考えることができる。従って、例えば図３に示すデバイスの周辺の垂直軸（図３に示すデバイスの垂直縁）を中心として鏡映させることによって、図３に示すデバイスに追加のユニットセルを組み込むことができる。従って、本発明の実施形態は、図３に示すようなデバイス、ならびに図３に示すキャップセグメントおよびゲートコンタクトを組み込んだ複数のユニットセルを有するデバイスを含む。
【００３２】
ＧａＮキャップセグメントを利用する本発明にかかるＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴの製造方法を図４Ａから４Ｃに示し、これらは任意選択で、基板１２上にバッファ層１３を形成することを含む。ＧａＮチャネル層１４を、バッファ層１３上に形成し、ＡｌＧａＮ障壁層１６を、このチャネル層に形成する。薄いＧａＮキャップ層３０’を、障壁層１６上に形成する。これらの層は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、および／または当業者に知られている任意のその他の適切な方法によって形成することができる。
【００３３】
ＧａＮキャップ層３０’をパターニングして、ゲート電極用のＧａＮキャップセグメント３０を設ける。例えば図４Ａに示すように、エッチングマスク４０をＧａＮキャップ層３０’上に形成し、例えば従来のエッチングプロセスを使用することによってＧａＮキャップ層３０’の一部を障壁層１６まで除去し、図４Ｂに示すようにＧａＮキャップセグメント３０を残す。また、選択エピタキシャル成長などのその他の技法を使用してもよい。
【００３４】
図４Ｃに示すように、従来の技法を使用して、ソース電極１８およびドレイン電極２０を、障壁層１６の露出部分に形成する。ゲート電極２２を、ＧａＮセグメント３０上に形成する。図４Ａから４Ｃに示す実施形態では、従来のフォトリソグラフィ技法およびマスクアライメントツールを使用して、ゲートコンタクトのソース側の側壁を、ＧａＮキャップセグメント３０のソース側の側壁と一直線に並べる。図４Ａから４Ｃに示す実施形態では、ゲート電極２２は、ＧａＮキャップセグメント３０のソース側の側壁に自己整合しない。従ってゲート電極２２は、図５Ａおよび５Ｂにそれぞれ示されるように、ソース側またはドレイン側がアライメント不良になる可能性がある。アライメント不良がわずかであればデバイスの動作に悪影響を及ぼさないが、アライメント不良が深刻なものであると、デバイスに害を及ぼす可能性がある。従って、ゲート電極２２のソース側の側壁は、図４Ｃに示すようにＧａＮキャップセグメント３０のソース側と一直線に並べることが好ましい。しかしながら、ゲート電極２２のソース側の側壁は、図５Ａおよび５Ｂに示すようにＧａＮキャップセグメント３０のソース側の側壁と実質的に一直線に並べてよく、それでも本発明の教示によって利益を得ることができる。従って、本明細書で使用する実質的なアライメントまたは実質的に一直線に並べるという文言は、アライメント不良を含んでよいアライメントの範囲を指す。
【００３５】
本発明の実施形態によるデバイスの別の製造方法を、図６Ａから６Ｃに示す。これらの実施形態では、ＧａＮキャップセグメント３０のソース側の側壁が、ゲート電極２２のソース側の側壁に自己整合する。
【００３６】
図６Ａを参照すると、バッファ層１３を、任意選択で基板１２上に形成する。ＧａＮチャネル層１４を、ＧａＮバッファ層１３または基板１２上に形成し、ＡｌＧａＮ障壁層１６を、ＧａＮチャネル層１４上に形成する。上述のように、薄いＧａＮキャップ層３０’を、ＡｌＧａＮ障壁層１６上に形成する。ゲート金属２２’を、ＧａＮキャップ層３０’上に形成し、ゲート金属２２’を、部分的にパターニングして、ゲート電極２２のドレイン側の側壁が得られるように、かつゲート電極２２のソース側の側壁を越えて拡張するゲート金属２２’の一部が得られるようにする。エッチングマスク４４を、ＧａＮキャップ層３０’上に配置し、このマスクは、ゲート電極２２およびＧａＮキャップセグメント３０のソース側の側壁とＧａＮキャップセグメント３０のドレイン側の側壁とが画定されるように、ゲート金属２２’に部分的に重なっている。
【００３７】
図６Ｂに示すように、ＧａＮキャップ層３０’の露出部分をエッチング除去し、ゲート電極２２の側壁に自己整合したＧａＮキャップセグメント３０の一方の側壁を残して、ＡｌＧａＮ障壁層１６の一部を露出させる。その後、マスク４４を除去する。図６Ｃに示すように、ソース電極１８およびドレイン電極２０を、ＡｌＧａＮ障壁層１６の露出部分に形成し、このデバイスの残りの部分を従来の手法で加工する。
【００３８】
本発明の実施形態について、特定の作業順序を参照しながら述べてきたが、当業者に理解されるように、本発明の教示による利益を依然として受けながら、この順序におけるある特定の操作を再度繰り返すことができる。さらに、本発明の教示による利益を依然として受けながら、ある特定の操作を単一の操作と組み合わせることができ、または複数の操作に分けることができる。従って、本発明は、本明細書で述べた作業順序そのものに厳密に限定するものと解釈すべきではない。
【００３９】
図面および明細書では、本発明の典型的な好ましい実施形態を開示しており、特定の用語を使用しているが、それらは一般的かつ記述的な意味合いでのみ使用しており、添付の特許請求の範囲で述べた本発明の範囲を限定することを目的とするものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴデバイスを示す断面図である。
【図２】従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴデバイス中に存在するバンドエネルギーを示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態にかかるＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴデバイスを示す断面図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態にかかるデバイスの製作方法の態様を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態にかかるデバイスの製作方法の態様を示す図である。
【図４Ｃ】本発明の実施形態にかかるデバイスの製作方法の態様を示す図である。
【図５Ａ】可能性あるゲート電極のアライメント不良を示す図である。
【図５Ｂ】可能性あるゲート電極のアライメント不良を示す図である。
【図６Ａ】本発明の追加の実施形態にかかるデバイスの製作方法の態様を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の追加の実施形態にかかるデバイスの製作方法の態様を示す図である。
【図６Ｃ】本発明の追加の実施形態にかかるデバイスの製作方法の態様を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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