(57)【要約】      （修正有）【課題】高周波数動作が可能で、ゲートリーク電流や電流コラプスを抑制できる窒化物半導体装置を提供する。【解決手段】ソース電極５とドレイン電極６との間の電子供給層４上に、電子供給層とショットキー接触する浮遊電極８を配置し、この浮遊電極上に絶縁膜９を介してゲート電極７を配置する。さらに、ソース電極とドレイン電極との間の電子供給層表面を珪素膜１１で被覆する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体層上に、該窒化物半導体層にショットキー接触する第１の電極と、前記窒化物半導体層にオーミック接触する第２の電極とを備えた窒化物半導体装置において、
前記第１の電極表面を被覆する絶縁膜を介して第３の電極を配置するとともに、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記窒化物半導体層表面に珪素膜を備えていることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
基板上に、バッファ層を介して、アンドープの第一の窒化物半導体からなる電子走行層と、該電子走行層とヘテロ接合を形成し、該ヘテロ接合によって二次元電子ガスが形成される、前記第一の窒化物半導体よりバンドギャップの大きいｎ型もしくはアンドープの第二の窒化物半導体からなる電子供給層とが積層し、前記電子供給層に電気的に接続するソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に流れる電流を制御するゲート電極とを備えた窒化物半導体装置において、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記電子供給層上に、該電子供給層とショットキー接触する浮遊電極と、該浮遊電極表面を被覆する絶縁膜を介して前記ゲート電極とを配置するとともに、前記ソース電極とドレイン電極との間の前記電子供給層表面に珪素膜を備えていることを特徴とする窒化物半導体装置。
【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し、特に、高周波数動作が可能で、ゲートリーク電流や電流コラプスを抑制し、さらにオン抵抗を低減できる高電子移動度トランジスタを構成する窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどの窒化物半導体は、絶縁破壊電界および電子飽和速度が高いという特長を有している。この特長により、窒化物半導体は高出力・高周波デバイスを実現できる半導体材料として有望であり、近年、窒化物半導体材料を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の実用化開発が進められている。
【０００３】
図７に、従来のＨＥＭＴ構造の窒化物半導体装置の断面図を示す。図７に示すように、従来の窒化物半導体装置は、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはシリコン（Ｓｉ）等の基板１上に、バッファ層２を介して形成されたアンドープＧａＮ等からなる電子走行層３と、ｎ型不純物がドープされた、あるいはアンドープのＡｌＧａＮ等からなる電子供給層４とが形成されている。そして電子供給層４上には、オーミック接触したソース電極５およびドレイン電極６と、ソース電極５とドレイン電極６間の電流を制御するゲート電極７が形成されている。
【０００４】
電子供給層４は、電子走行層３よりバンドギャップが大きく、かつ、格子定数の小さい材料で構成されている。図７に示すように電子走行層３と電子供給層４がヘテロ接合すると、引っ張り応力によるピエゾ分極および自発分極が生じ、ヘテロ接合近傍の電子走行層３側に電子移動度が極めて大きい二次元電子ガス１０が発生する。この二次元電子ガス１０は、ＨＥＭＴ構造の窒化物半導体装置のチャネルとなり、ゲート電極７に印加されるバイアス電圧を制御することで、ソース電極５とドレイン電極６間に流れる電流を制御することができる。
【０００５】
ところで、この種の窒化物半導体装置では、ｆT＝ｇm／２πＣgs＝ｖs／２πＬgによって表される電流利得遮断周波数ｆTが、相互コンダクタンスｇmに比例し、ゲート−ソース間容量Ｃgsに反比例する。また電流利得遮断周波数ｆTは、電子飽和速度ｖsに比例し、ゲート電極７のゲート長Ｌgに反比例することが知られている。図７に示すような従来の窒化物半導体装置の場合、ゲート電極７のゲート長Ｌgを短くすることにより電流利得遮断周波数ｆTを向上させることができる。
【０００６】
一般的にゲート長の短いゲート電極を形成する場合、ゲート長を短縮するだけではゲート抵抗が上昇してしまうため、図７に示すような断面形状がＴ型のゲート電極を形成する必要がある。たとえば、Ｔ型のゲート電極の形成方法は、特許文献１に開示されている。特許文献１によれば、半導体基板上に多層レジスト膜の形成した後、上部レジスト膜より下部レジスト膜の方が狭い幅をもつ形状となるように露光し、リフトオフ法によりＴ型ゲート電極７を形成している。
【０００７】
一方、ＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）型の窒化物半導体装置も知られている（図８）。このような構造の窒化物半導体装置では、ゲートリーク電流を大幅に低減でき、ｇmおよびCgsを低減することができる。Cgsの減少量がｇmの減少量より大きいときｆTの向上につながる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−５５６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のような従来の窒化物半導体装置では、ゲート長Ｌgの短縮により高周波数動作が可能となるが、形成工程数の増大やゲート電極の複雑化により、歩留りが低下したり、信頼性が低下するという問題があった。またゲート電極を窒化物半導体層上に直接形成するため、ゲートリーク電流が多いという問題があった。
【００１０】
また、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層や窒化ガリウム（ＧａＮ）層などのIII−Ｖ族窒化物半導体層上にゲート電極を形成した半導体装置では、窒化物半導体層の表面準位にトラップされた電子により、表面のポテンシャルが揺らぐことで、高いドレイン電圧印加時に準静的条件（パルス測定、高周波動作）でのドレイン電流が減少するコラプス現象（以下、電流コラプスという）が生じるという問題があった。本発明は、上記問題点を解消し、高周波数動作が可能で、ゲートリーク電流や電流コラプスを抑制できる窒化物半導体装置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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、窒化物半導体層上に、該窒化物半導体層にショットキー接触する第１の電極と、前記窒化物半導体層にオーミック接触する第２の電極とを備えた窒化物半導体装置において、前記第１の電極表面を被覆する絶縁膜を介して第３の電極を配置するとともに、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記窒化物半導体層表面に珪素膜を備えていることを特徴とする。
【００１２】
本願請求項２に係る発明は、基板上に、バッファ層を介して、アンドープの第一の窒化物半導体からなる電子走行層と、該電子走行層とヘテロ接合を形成し、該ヘテロ接合によって二次元電子ガスが形成される、前記第一の窒化物半導体よりバンドギャップの大きいｎ型もしくはアンドープの第二の窒化物半導体からなる電子供給層とが積層し、前記電子供給層に電気的に接続するソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に流れる電流を制御するゲート電極とを備えた窒化物半導体装置において、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記電子供給層上に、該電子供給層とショットキー接触する浮遊電極と、該浮遊電極表面を被覆する絶縁膜を介して前記ゲート電極とを配置するとともに、前記ソース電極とドレイン電極との間の前記電子供給層表面に珪素膜を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、浮遊電極−ソース間容量Ｃfsと直列に金属−絶縁膜−金属（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）容量が付加されるため、ゲート−ソース間容量Ｃgsを大幅に低減することができ、高周波特性（ｆT）の向上が可能となる。
【００１４】
さらに本発明によれば、ゲート長の短縮によらず高周波特性の向上が可能であるので、複雑な製造工程を不要となり、歩留りや信頼性の向上を図ることが可能となる。
【００１５】
さらにまた本発明によれば、電流コラプスの発生起因となるIII−Ｖ族窒化物半導体層表面を珪素膜で被覆することで、電流コラプスを抑制でき、高出力動作可能な窒化物半導体装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の窒化物半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の別の窒化物半導体装置の断面図である。
【図３】本発明の窒化物半導体装置の高周波特性の説明図である。
【図４】本発明の窒化物半導体装置のゲート電流−ゲート電圧特性の説明図である。
【図５】本発明の窒化物半導体装置のドレイン電流−ドレイン電圧特性の説明図である。
【図６】従来の窒化物半導体装置のドレイン電流−ドレイン電圧特性の説明図である。
【図７】従来の窒化物半導体装置の断面図である。
【図８】従来のＭＩＳ型構造の窒化物半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、浮遊電極をゲート電極直下に絶縁膜を介して形成するとともに、ソース電極とドレイン電極との間の窒化物半導体層表面を珪素膜で被覆することを大きな特徴としている。以下、本発明の実施例について、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造の窒化物半導体装置を例にとり、詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の窒化物半導体装置の断面図である。図１に示すように、基板１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相エピタキシャル成長）法もしくはＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）法等により、バッファ層２を介して、第一の窒化物半導体からなる電子走行層３と、第二の窒化物半導体からなる電子供給層４が順に積層されている。電子供給層４上には、ソース電極５、ドレイン電極６および浮遊電極８が形成され、ソース電極５と浮遊電極８との間、ドレイン電極６とゲート電極との間の電子供給層４表面に、珪素膜１１が形成されている。そして珪素膜１１と浮遊電極８上に、絶縁膜９が全面に形成され、ゲート電極７は、浮遊電極８直上に、絶縁膜９を介して形成されている。
【００１９】
基板１は、半導体材料をエピタキシャル成長させるための成長基板として機能し、かつ機械的に支持するための支持基板として機能する。基板１は、一般にサファイア（Ａｌ2Ｏ3）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）あるいはシリコン（Ｓｉ）が用いられ、格子定数の整合性、熱伝導率、熱膨張係数等を考慮し、基板１上に成長させる窒化物半導体層に応じて選択することができる。本実施例では、後述する窒化物半導体層との格子定数の整合性等を考慮し、サファイアを使用した。
【００２０】
バッファ層２は、基板１とその上にエピタキシャル成長される第一の窒化物半導体との緩衝層として用いられる。本実施例では、基板１として用いるサファイアと窒化物半導体との格子不整合が大きいため、バッファ層２として、低温成長ＧａＮを厚く成長させた。なお、このバッファ層２は窒化物半導体装置の動作に直接的には関係しないので、バッファ層２の半導体材料をＡｌＮ、ＧａＮ以外の窒化物半導体またはIII−V族化合物半導体に置き換えたり、多層構造のバッファ層にすることもできる。
【００２１】
電子走行層３は、厚さ２．５μｍのアンドープＧａＮ層で構成する。この電子走行層３は、後述する電子供給層４で用いる窒化物半導体よりも小さいバンドギャップを有する窒化物半導体で構成され、電子供給層４とのヘテロ接合近傍にチャネルとなる二次元電子ガス１０を生成する。また、アンドープＧａＮ層とすることで、イオン不純物散乱による二次元電子ガス１０の移動度低下を防ぐことができる。なお、電子走行層３はＧａＮ以外に、例えば、ＩｎaＧａ1-aＮで構成することもできる。ここで、ａは０≦ａ＜１を満足する数値である。
【００２２】
電子供給層４は、厚さ２５ｎｍのｎ型あるいはアンドープのＡｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ層で構成する。また、電子供給層４は、ｎ型あるいはアンドープのＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮで構成することもできる。ここで、ｘは０＜ｘ≦１、ｙは０≦ｙ＜１、およびｘ＋ｙはｘ＋ｙ≦１を満足する数値であり、ｘの好ましい値は０．１〜０．４である。
【００２３】
ソース電極５およびドレイン電極６は、電子供給層４にオーミック接触している。なお、ソース電極５およびドレイン電極６は、図１に示すように電極を形成する部分の電子供給層４の一部もしくは全部をドライエッチング法などにより除去し、オーミックリセス構造とした後に、電極を形成することもできる。オーミックリセス構造とすることにより、チャネルとなる二次元電子ガス１０とソース電極５あるいはドレイン電極６との距離が近くなり、コンタクト抵抗の低いオーミック接触を形成することができる。
【００２４】
浮遊電極８は、電子供給層４にショットキー接触するような金属材料で構成する。本実施例では、Ｔｉ（３０ｎｍ）およびＡｌ（２００ｎｍ）を順に積層させ、熱処理せずに使用している。浮遊電極８の長さ（浮遊電極長）Ｌfは２μｍである。
【００２５】
珪素膜１１は、表面保護層となる。本実施例では、ＥＣＲスパッタリング法を用い、５ｎｍの厚さに形成する。ＥＣＲスパッタリング法は、圧力などの条件を変えることによって、試料表面に入射される粒子のエネルギーを変えることが可能である。たとえば、０．０１Ｐａ台の低圧力で安定な高密度プラズマを維持することが可能で、１０〜３０ｅＶ程度のエネルギーで試料表面に入射される。この程度のエネルギーでは試料表面に与えるダメージは小さく、成膜に適したエネルギーを試料表面に入射する粒子に与えることで、エネルギー制御された高密度の粒子が試料表面に入射した状態で薄膜形成が進行する。その結果、ＡｌＧａＮからなる電子供給層４表面からの窒素抜けを低減し、反応生成物などによる汚染を発生させず、化学的に安定した高い結合力を有する良質な薄膜を形成することができる。
【００２６】
絶縁膜９は、厚さ５０ｎｍのＳｉ3Ｎ4で構成され、ソース電極５、ドレイン電極６間の電子供給層４表面および浮遊電極８上を被覆するように形成される。この絶縁膜９はＳｉ3Ｎ4以外の絶縁膜材料、例えばＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2などを用いることもできる。また、絶縁膜の厚さは、絶縁膜材料固有の誘電率、あるいはターゲットとする周波数帯およびシステムなどによって変更することもできる。例えば、絶縁膜９の厚さを薄くすると、ｇmおよびＣgsは同じ割合で増加する。一方、ｆTは、ｇmに比例し、Ｃgsに反比例する。つまり、絶縁膜９の厚さを変えることで、ｆTを変えないで、任意のｇmを得ることが可能となる。
【００２７】
ゲート電極７は、浮遊電極８の直上に、絶縁膜９を介して形成される。本実施例のゲート長Ｌgは２μｍである。本実施例におけるゲート長Ｌgと浮遊電極長Ｌfとの関係は、Ｌg＝Ｌfであるが、Ｌg＜ＬfあるいはＬg＞Ｌfとすることもできる。Ｌg＞Ｌfの場合、図２に示すような構造とすることで簡単に形成することができる。
【００２８】
以上のように形成した窒化物半導体装置の高周波特性（｜ｈ21｜2）を図３に示す。比較のため、図８に示す窒化物半導体装置（従来例）の高周波特性も示してある。従来の窒化物半導体装置のゲート長Ｌgは２μｍ、絶縁膜の厚さは５０ｎｍであり、本発明の窒化物半導体装置の浮遊電極長Ｌfは２μｍである。本発明の窒化物半導体装置では、浮遊電極８上に絶縁膜９を介してゲート電極７を形成しているため、ゲート電極７−浮遊電極８間容量Ｃgsが、浮遊電極８−ソース電極５間容量Ｃfsと直列に付加されることとなる。これにより、従来の窒化物半導体装置と比較して、ゲート電極７−ソース電極５間容量Ｃgsを大幅に低減でき、ゲート電極７−ソース電極５間容量Ｃgsと反比例の関係にある電流利得遮断周波数ｆTを向上させることが可能となる。
【００２９】
次に、本実施例の窒化物半導体装置のゲート電流（Ｉｇ）−ゲート電圧（Ｖｇ）特性を図４に示す。比較のため、図８に示す従来の窒化物半導体装置のゲート電流−ゲート電圧特性を示す。図に示すように、本発明のゲート電流（ゲートリーク電流）は、１０-9Ａ台となり、従来例より二桁程度ゲートリーク電流が大きいが、十分に低いゲートリーク電流を実現している。
【００３０】
また、本実施例の半導体装置のＤＣ測定およびパルス測定によるドレイン電流（Ｉｄ）−ドレイン電圧（Ｖｄ）特性を図５に示す。比較のため、珪素膜１１を備えない構造の窒化物半導体装置（従来例）のドレイン電流−ドレイン電圧特性を図６に示す。ドレイン電圧のスイープ電圧は０〜２０Ｖで、ゲート電圧は０Ｖから−１Ｖステップで変化させている。また、ゲート電極にパルス電圧を印加する場合は、パルス終期１０ｍｓ、パルス幅１ｍｓとした。
【００３１】
図５に示す本願発明と図６に示す従来例を比較すると、本発明ではＤＣ測定とパルス測定とでドレイン電流はほぼ一致しており、特性変動が少ないことがわかる。これに対して従来例では、パルス測定におけるドレイン電流の低下が大きく、特性変動が著しいことがわかる。このように、珪素膜１１を備える構造の本発明の窒化物半導体装置では、絶縁膜９と窒化物半導体層との界面状態の不安定さが解消され、電流コラプスを抑制する効果が大きいことがわかる。
【００３２】
またオン抵抗について比較すると、本発明の窒化物半導体装置のオン抵抗の方が、従来例の窒化物半導体装置のオン抵抗より低いことがわかる。これは、珪素膜１１が、電子供給層４の表面ポテンシャルを下げ、その結果、二次元電子ガス濃度が高くなったためと考えられる。このようにオン抵抗が低減することで、ドレイン電流を大きくできるという効果もある。
【００３３】
なお、珪素膜１１は、ソース電極とゲート電極の間、ゲート電極とドレイン電極の間のみに形成されるため、ゲート電極の閾値電圧やゲートリーク電流に影響することはない。
【符号の説明】
【００３４】
１：基板、２：バッファ層、３：電子走行層、４：電子供給層、５：ソース電極、６：ドレイン電極、７：ゲート電極、８：浮遊電極、９：絶縁膜、１０：二次元電子ガス１１：珪素膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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