(57)【要約】      （修正有）【課題】耐圧を確保しつつオン抵抗の増大を抑制することが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、第１の窒化物半導体層１２ａと、第２の窒化物半導体層１２ｂとが、交互に積層された第１の積層型窒化物半導体層１２と、第１の積層型窒化物半導体層１２の上に設けられ、窒化ガリウムで構成されている第３の窒化物半導体層１３と、第３の窒化物半導体層１３の上に設けられ、窒化アルミニウムガリウムで構成されている第４の窒化物半導体層１４と、第４の窒化物半導体層１４の上に設けられているドレイン電極１６と、ソース電極１７と、ゲート電極１８とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素が含まれた窒化ガリウムで構成された第１の窒化物半導体層と、窒化アルミニウムインジウムで構成された第２の窒化物半導体層とが、交互に積層された第１の積層型窒化物半導体層と、
前記第１の積層型窒化物半導体層の上に設けられ、窒化ガリウムで構成された第３の窒化物半導体層と、
前記第３の窒化物半導体層の上に設けられ、窒化アルミニウムガリウムで構成された第４の窒化物半導体層と、
前記第４の窒化物半導体層の上に設けられたドレイン電極およびソース電極と、
前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に挟まれたゲート電極と、
を備える半導体装置。
【請求項２】
前記第１の積層型窒化物半導体層の下に設けられ、窒化アルミニウムで構成された第１のバッファー層をさらに有する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１の積層型窒化物半導体層の下に設けられ、炭素が含まれた窒化ガリウムで構成された第５の窒化物半導体層と、窒化アルミニウムで構成された第６の窒化物半導体層とが、交互に積層された第２の積層型窒化物半導体層をさらに備える、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２の積層型窒化物半導体層の下に設けられ、窒化アルミニウムで構成された第２のバッファー層をさらに有する、請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２の窒化物半導体層を構成する窒化アルミニウムインジウムの組成式が、ＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０．６＜ｘ＜０．９）の関係を満たす、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とが交互に積層され、前記第１の窒化物半導体層の価電子帯が前記第２の窒化物半導体層の価電子帯と異なり、前記第１の窒化物半導体層の導電帯と前記第２の窒化物半導体層の導電帯との差が０．２ｅＶ以下である第１の積層型窒化物半導体層と、
前記第１の積層型窒化物半導体層の上に設けられた第３の窒化物半導体層と、
前記第３の窒化物半導体層の上に設けられ、前記第３の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第４の窒化物半導体層と、
前記第４の窒化物半導体層の上に設けられたドレイン電極およびソース電極と、
前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に挟まれたゲート電極と、
を備える半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の一例として、窒化物半導体層を備える電界効果トランジスタが知られている。この電界効果トランジスタは、例えば、基板と、バッファー層と、炭素がドーピングされた窒化ガリウム（ＧａＮ）層と、アンドープの窒化ガリウム層と、アンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層とを備える。アンドープの窒化ガリウム層と、アンドープの窒化アルミニウムガリウム層との界面には、二次元電子ガスと呼ばれる電流経路（チャネル）が形成されている。
【０００３】
上記電界効果トランジスタを駆動する際、基板とソース電極とが接地され、正電圧がドレイン電極に印加される場合がある。この場合、基板とドレイン電極との間に発生した電界により、電子が基板から注入されるとともに、正孔がドレイン電極から注入される。電子および正孔は、炭素がドーピングされた窒化ガリウム層にトラップされやすい。このとき、電子のトラップ数が正孔のトラップ数よりも大きいと、この窒化ガリウム層は負に帯電する。この場合、結晶内で電荷中性を保つために、上述した二次元電子ガスの濃度が低下する。その結果、オン抵抗が増大する現象、いわゆる電流コラプス現象が発生する。
【０００４】
上記電流コラプス現象の発生を防ぐ方法として、炭素がドーピングされた窒化ガリウム層を形成しない方法が考えられる。しかし、この方法では、比抵抗の高い半導体層が無くなってしまうので耐圧の低下が懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−５６６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態は、耐圧を確保しつつオン抵抗の増大を抑制することが可能な半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態によれば、半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層とが、交互に積層された第１の積層型窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層と、第４の窒化物半導体層と、ドレイン電極と、ソース電極と、ゲート電極とを備える。前記第１の窒化物半導体層は、炭素が含まれた窒化ガリウムで構成されている。前記第２の窒化物半導体層は、窒化アルミニウムインジウムで構成されている。前記第３の窒化物半導体層は、前記第１の積層型窒化物半導体層の上に設けられ、窒化ガリウムで構成されている。前記第４の窒化物半導体層は、前記第３の窒化物半導体層の上に設けられ、窒化アルミニウムガリウムで構成されている。前記ドレイン電極と前記ソース電極は、前記第４の窒化物半導体層の上に設けられている。前記ゲート電極は、ドレイン電極と前記ソース電極との間に挟まれている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置の概略的な構造を示す断面図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ線に沿ったバンド構造を模式的に示す図である。
【図３】第２の実施形態に係る半導体装置の概略的な構造を示す断面図である。
【図４】図１に示すＢ−Ｂ線に沿ったバンド構造を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る半導体装置の概略的な構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、基板１０と、バッファー層１１と、第１の窒化物半導体層１２ａと第２の窒化物半導体層１２ｂとが交互に積層された第１の積層型窒化物半導体層１２と、第３の窒化物半導体層１３と、第４の窒化物半導体層１４と、絶縁膜１５と、ドレイン電極１６と、ソース電極１７と、ゲート電極１８と、を備える。
【００１１】
基板１０は、シリコン基板等で構成されている。基板１０の上には、バッファー層１１が設けられている。
【００１２】
本実施形態に係るバッファー層１１は、第１のバッファー層を構成する。このバッファー層１１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等で形成されている。バッファー層１１によって、基板１０と第１の積層型窒化物半導体層１２との間における格子定数の不整合が緩和される。バッファー層１１の上には、第１の積層型窒化物半導体層１２が設けられている。
【００１３】
第１の積層型窒化物半導体層１２は、炭素がドーピングされた窒化ガリウムで構成された第１の窒化物半導体層１２ａと、窒化アルミニウムインジウム（ＩｎＡｌＮ）で構成された第２の窒化物半導体層１２ｂとが、交互に複数回積層された超格子（ＳＬ）構造を有している。第１の積層型窒化物半導体層１２の上には第３の窒化物半導体層１３が設けられている。
【００１４】
第１の窒化物半導体層１２ａと第２の窒化物半導体層１２ｂとは、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によってエピタキシャル成長することによって交互に形成される。このとき、第２の窒化物半導体層１２ｂの厚さは、エピタキシャル結晶の母体となる第１の窒化物半導体層１２ａに対して結晶として保持可能な臨界膜厚等を考慮して適宜設計される。本実施形態において、第１の窒化物半導体層１２ａの厚さは、約２０ｎｍであり、第２の窒化物半導体層１２ｂの厚さは、約５ｎｍである。また、第２の窒化物半導体層１２ｂにおいて、インジウムの含有率は、約７５％である。
【００１５】
第３の窒化物半導体層１３は、アンドープの窒化ガリウムで構成されている。第３の窒化物半導体層１３の上には、第４の窒化物半導体層１４が設けられている。第３の窒化物半導体層１３も、例えばＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長することによって形成される。本実施形態において、第３の窒化物半導体層１３の厚さは、約１μｍである。
【００１６】
第４の窒化物半導体層１４は、第３の窒化物半導体層１３よりもバンドギャップが大きいアンドープの窒化アルミニウムガリウムで構成されている。第４の窒化物半導体層１４の上には、絶縁膜１５と、ドレイン電極１６と、ソース電極１７と、が設けられている。第４の窒化物半導体層１４も、ＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長することによって形成される。本実施形態において、第４の窒化物半導体層１４の厚さは、約２０ｎｍである。また、第４の窒化物半導体層１４において、アルミニウムの含有率は約１２％である。
【００１７】
絶縁膜１５は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）や酸化シリコン（ＳｉＯ２）等で構成されている。絶縁膜１５の上には、ゲート電極１８が設けられている。絶縁膜１５は、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成される。
【００１８】
ゲート電極１８は、例えば、真空蒸着法またはスパッタにより成膜された後、リフトオフ法またはエッチングにより所望の形状に加工することによって形成される。ドレイン電極１６およびソース電極１７は、ゲート電極１８を挟んで互いに対向するように第４の窒化物半導体層１４の上に形成される。
【００１９】
上記のように構成された半導体装置１では、第３の窒化物半導体層１３と第４の窒化物半導体層１４とによって、ヘテロ構造が形成されている。このヘテロ構造により、高移動度の２次元電子ガス２０が、第３の窒化物半導体層１３と第４の窒化物半導体層１４との界面に発生する。この２次元電子ガス２０は、ドレイン電極１６とソース電極１７との間に電流経路(チャネル)を形成する。この電流経路を流れる電流は、ゲート電極１８の電圧を調整することにより制御される。つまり、半導体装置１は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）として駆動する。
【００２０】
以下、図２を参照して、本実施形態に係る半導体装置１のバンド構造について説明する。図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿ったバンド構造を模式的に示す図である。
【００２１】
上述したように、第１の窒化物半導体層１２ａは、炭素がドーピングされ窒化ガリウムで構成され、第２の窒化物半導体層１２ｂは、窒化アルミニウムインジウムで構成されている。そのため、図２に示すように、第１の積層型窒化物半導体層１２において、第１の窒化物半導体層１２ａの価電子帯（Ｅｖ）と、第２の窒化物半導体層１２ｂの価電子帯とは不連続である。一方、第１の窒化物半導体層１２ａの導電帯（Ｅｃ）と、第２の窒化物半導体層１２ｂの導電帯とは連続している。
【００２２】
半導体装置１が、上述した高電子移動度トランジスタとして駆動する際、基板１０とソース電極１７とが接地され、正電圧がドレイン電極１６に印加される場合がある。この場合、電子が基板１０から注入されるとともに、正孔がドレイン電極１６から注入される。このとき、仮に、第１の積層型窒化物半導体層１２が、第１の窒化物半導体層１２ａを有し、第２の窒化物半導体層１２ｂを有していない場合、耐圧は確保できるものの、第１の窒化物半導体層１２ａに多くの電子がトラップされて第１の積層型窒化物半導体層１２が負に帯電する可能性がある。そうすると、電流コラプス現象によりオン抵抗が増大するおそれがある。
【００２３】
しかし、本実施形態に係る第１の積層型窒化物半導体層１２では、第１の窒化物半導体層１２ａの導電帯と、第２の窒化物半導体層１２ｂの導電帯とは連続している。換言すると、第１の窒化物半導体層１２ａの価電子帯と第２の窒化物半導体層１２ｂの価電子帯との差が０．２ｅＶ以下になっている。これにより、基板１０から第１の積層型窒化物半導体層１２に侵入した電子は、第１の積層型窒化物半導体層１２の外へスムーズに排出されやすくなる。
【００２４】
また、第１の窒化物半導体層１２ａの価電子帯と、第２の窒化物半導体層１２ｂの価電子帯とは不連続である。換言すると、第１の窒化物半導体層１２ａの価電子帯は、第２の窒化物半導体層１２ｂの価電子帯と異なっている。これにより、ドレイン電極１５から注入された正孔は、第１の積層型窒化物半導体層１２に侵入しにくくなる。さらに、炭素がドーピングされた第１の窒化物半導体層１２ａから排出された正孔は、第１の積層型窒化物半導体層１２の中に閉じ込められやすくなる。
【００２５】
以上説明した本実施形態に係る半導体装置１によれば、第１の積層型窒化物半導体層１２が、電子を排出しやすく、かつ正孔を閉じ込めやすい構造となっている。これにより、第１の積層型窒化物半導体層１２が正に帯電しやすくなるので、二次元電子ガス２０の濃度は低下しにくくなる。よって、電流コラプス現象が起こりにくくなってオン抵抗の増大を抑制することが可能となる。
【００２６】
なお、第２の窒化物半導体層１２ｂの膜厚が厚いほど、第１の積層型窒化物半導体層１２内における正孔の分布の偏りが大きくなるので、正孔を閉じ込める効果が小さくなる。そのため、第２の窒化物半導体層１２ｂの最大許容膜厚は、当該効果に基づいて設定され、この最大許容膜厚に基づいて、第１の窒化物半導体層１２ａと第２の窒化物半導体層１２ｂとの最少積層回数が設定されることが望ましい。例えば、第１の窒化物半導体層１２ａと第２の窒化物半導体層１２ｂとの積層回数は、少なくとも８０回以上であることが望ましい。
【００２７】
また、基板１０から第１の積層型窒化物半導体層１２に侵入した電子が、スムーズに排出されるようにするために、第１の窒化物半導体層１２ａの導電帯と第２の窒化物半導体層１２ｂの導電帯との差は、約０．２ｅＶ以下となっている。これを実現するためには、例えば、第２の窒化物半導体層１２ｂは、ＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０．６＜ｘ＜０．９）の関係を満たす窒化アルミニウムインジウムで構成されていることが望ましい。より好ましくは、第２の窒化物半導体層１２ｂは、インジウムの含有率が７５％（ｘ＝０．７５）の窒化アルミニウムインジウムで構成されていることが望ましい。この場合、第１の窒化物半導体層１２ａの導電帯と第２の窒化物半導体層１２ｂの導電帯との差が０．０１ｅＶ以下になり、両導電帯がほぼ同等になるからである。
【００２８】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。図３は、第２の実施形態に係る半導体装置の概略的な構造を示す断面図である。以下、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００２９】
図３に示すように、本実施形態に係る半導体装置２は、第２の積層型窒化物半導体層２２をさらに備える点で第１の実施形態に係る半導体装置１と異なる。第２の積層型窒化物半導体層２２は、バッファー層１１と第１の積層型窒化物半導体層１２との間に設けられている。なお、本実施形態に係るバッファー層１１は、第２のバッファー層を構成するが、その構造は、第１の実施形態と同様である。
【００３０】
第２の積層型窒化物半導体層２２は、炭素がドーピングされた窒化ガリウムで構成された第５の窒化物半導体層２２ａと、窒化アルミニウムで構成された第６の窒化物半導体層２２ｂとが、交互に複数回積層された超格子構造を有している。
【００３１】
第５の窒化物半導体層２２ａと第６の窒化物半導体層２２ｂとは、第１の積層型窒化物半導体層１２と同様に、ＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長することによって交互に形成される。このとき、第６の窒化物半導体層２２ｂの厚さは、主にエピタキシャル結晶の母体となる第５の窒化物半導体層２２ａに対して結晶として保持可能な臨界膜厚等を考慮して適宜設計される。本実施形態において、第５の窒化物半導体層２２ａの厚さは、約２０ｎｍであり、第６の窒化物半導体層２２ｂの厚さは、約５ｎｍである。
【００３２】
以下、図４を参照して、本実施形態に係る半導体装置２のバンド構造について説明する。図４は、図３に示すＢ−Ｂ線に沿ったバンド構造を模式的に示す図である。
【００３３】
上述したように、第５の窒化物半導体層２２ａは、炭素がドーピングされた窒化ガリウムで構成され、第６の窒化物半導体層２２ｂは、窒化アルミニウムで構成されている。そのため、図４に示すように、第２の積層型窒化物半導体層１１において、第５の窒化物半導体層２２ａの価電子帯と、第６の窒化物半導体層２２ｂの価電子帯とは、不連続である。換言すると、第５の窒化物半導体層２２ａの価電子帯は、第６の窒化物半導体層２２ｂの価電子帯と異なっている。本実施形態では、第５の窒化物半導体層２２ａの価電子帯と第６の窒化物半導体層２２ｂの価電子帯との差は、約０．８ｅＶである。
【００３４】
さらに、第５の窒化物半導体層２２ａの導電帯と、第６の窒化物半導体層２２ｂの導電帯も不連続である。換言すると、第５の窒化物半導体層２２ａの導電帯も、第６の窒化物半導体層２２ｂの導電帯と異なっている。本実施形態では、第５の窒化物半導体層２２ａの導電帯と第６の窒化物半導体層２２ｂの導電帯との差は、約１．９ｅＶである。
【００３５】
以上説明した本実施形態に係る半導体装置２によれば、第１の実施形態に係る半導体装置１と同様に、第１の窒化物半導体層１２ａの価電子帯と、第２の窒化物半導体層１２ｂの価電子帯とが不連続であり、第１の窒化物半導体層１２ａの導電帯と、第２の窒化物半導体層１２ｂの導電帯とが連続している。つまり、第１の積層型窒化物半導体層１２が、正に帯電しやすい構造を有している。これにより、二次元電子ガス２０の濃度が低下しにくくなるので、電流コラプス現象が起こりにくくなってオン抵抗の増大を抑制することが可能となる。
【００３６】
さらに、本実施形態に係る半導体装置２には、第１の積層型窒化物半導体層１２とバッファー層１１との間に第２の積層型窒化物半導体層２２が設けられている。第２の積層型窒化物半導体層２２では、第５の窒化物半導体層２２ａの導電帯と第６の窒化物半導体層２２ｂの導電帯が不連続になっているので、基板１０から注入した電子は、バッファー層１１を通過できても、第２の積層型窒化物半導体層２２には侵入しにくくなる。そのため、第２の積層型窒化物半導体層２２の上に設けられた第１の積層型窒化物半導体層１２への電子注入が阻害されるので、第１の積層型窒化物半導体層１２は、さらに正に帯電しやすくなる。これにより、電流コラプス現象に起因するオン抵抗の増大をさらに抑制することが可能となる。
【００３７】
また、第２の積層型窒化物半導体層２２では、第５の窒化物半導体層２２ａの価電子帯と第６の窒化物半導体層２２ｂの価電子帯も不連続になっているので、炭素がドーピングされた第５の窒化物半導体層２２ａから排出された正孔は、第２の積層型窒化物半導体層２２の中に閉じ込めやすくなる。そのため、第２の積層型窒化物半導体層２２も正に帯電しやすくなる。よって、第２の積層型窒化物半導体層２２を形成しても、電流コラプス現象の発生を抑制することができる。
【００３８】
なお、第５の窒化物半導体層２２ａの膜厚が厚いほど、第２の積層型窒化物半導体層２２内における正孔の分布の偏りが大きくなるので、正孔を閉じ込める効果が小さくなる。そのため、第５の窒化物半導体層２２ａの最大許容膜厚は、当該効果に基づいて設定され、この最大許容膜厚に基づいて、第５の窒化物半導体層２２ａと第６の窒化物半導体層２２ｂとの最少積層回数が設定されることが望ましい。例えば、第５の窒化物半導体層２２ａと第６の窒化物半導体層２２ｂとの積層回数は、少なくとも４０回以上であることが望ましい。
【００３９】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１，２  半導体装置、１０  基板、１１  バッファー層、１２  第１の積層型窒化物半導体層、１２ａ  第１の窒化物半導体層、１２ｂ  第２の窒化物半導体層、１３  第３の窒化物半導体層、１４  第４の窒化物半導体層、１６  ドレイン電極、１７  ソース電極、１８  ゲート電極、２２  第２の積層型窒化物半導体層、２２ａ  第５の窒化物半導体層、２２ｂ  第６の窒化物半導体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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