(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された(0001)面を主面とするIII族窒化物半導体よりなり、かつゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果トランジスタを複数個有し、
そのうち前記ゲート電極の長手方向が前記III族窒化物半導体の[11-20]方向、[2-1-10]方向または[-12-10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、
前記ゲート電極の長手方向が前記III族窒化物半導体の[01-10]方向、[10-10]方向または[1-100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタとが含まれることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ゲート電極は前記III族窒化物半導体上に形成され、前記III族窒化物半導体と前記オーミック電極との間には第２のIII族窒化物半導体層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話に代表される高周波通信機器に使用される半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の携帯電話に代表される移動体通信機器においては、GaAs系電界効果型トランジスタあるいはヘテロ接合バイポーラトランジスタが使用されており、揺るぎ無い地位を占めるに至っている。しかしながら、新材料による高性能化開発も精力的に推進されている。その中で、GaNに代表される窒化物系III-Ｖ族化合物半導体すなわち一般式がＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表されるIII族窒化物半導体は、GaAs系に比較して10倍のシートキャリア濃度を実現でき、かつ、高い絶縁破壊電圧を有するため、次世代の化合物半導体材料として極めて注目されている。
【０００３】
III族窒化物半導体装置で特に注目されるのは、AlGaN/GaNヘテロ接合を用いたMODFET（Modulation Doped Field Effect Transistor）である。GaAs系MODFETとの最大の違いは、ショットキー層であるAlGaN層に不純物をドーピングすることなくGaAs系MODFETの10倍ものシートキャリア濃度を実現できる点である。AlGaN/GaN間のストレスによってAlGaNにピエゾ効果による分極が発生し、その結果、AlGaN/GaN界面に二次元電子が蓄積されることが、キャリア発生の機構である。
【０００４】
そのためストレスは非常に重要なパラメータであり、AlGaN/GaN間のストレスと誘起されるシートキャリア濃度は精力的に研究されている。例えば、非特許文献１において、二次元電子ガスのシートキャリア濃度をストレスから定量的に計算している。図９に従来のAlGaN/GaN  MODFETの実施例を示す。この図面には、上面からの見取り図とMODFETの断面図が示されている。101はInGaN層、102はAlGaN層であって、InGaN/AlGaN間に２次元電子ガスが蓄積する。103はゲート電極、104はオーミック電極である。
【０００５】
【非特許文献１】
O.Ambacher et. al.;Journal of Applied Physics, Vol 85, No.(1999)p.3222-p.3233.
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物系電界効果型トランジスタのキャリア蓄積の機構を鑑みると、ゲート電極周辺のストレスは非常に重要である。にもかかわらず、従来技術においては、InGaN/AlGaN間のストレスについて検討がなされているのみで、ゲート電極およびオーミック電極周辺に発生するストレスに関しては全く注意を払われてこなかった。そのため、MODFETの特性予測には誤差が発生しており、さらに、特性がばらつくといった課題があった。
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明は、ゲート電極およびオーミック電極のストレスを考慮して、その電界効果型トランジスタの閾値特性を正確に制御できる構造を提供することを目的とするものである。
【０００８】
なお、本発明者らは、窒化物系電界効果型トランジスタにおいて、本発明で議論されるゲート電極の方位に関する優位性をはじめて明らかにした。それにより本発明に至ったものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、基板上に形成されたIII族窒化物半導体層よりなり、かつゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果トランジスタであって、前記ゲート電極の長手方向が特定の方向に形成されているものである。
【００１０】
この構成により、ゲート電極の長手方向が特定の方向に形成されているので、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生を制御することができる。
【００１１】
本発明の半導体装置は、さらに前記特定の方向が、[11-20]方向、[2-1-10]方向または[-12-10]方向のいずれかであることが好ましい。この好ましい構成によれば、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が少ないことから温度特性を鈍感にすることができる。
【００１２】
なお、ここで例えば[11-20]について-2の“マイナス”は、“バー”の意味である。これについては他の方向についても同様である。
【００１３】
本発明の半導体装置は、さらに前記特定の方向が、[01-10]方向、[10-10]方向または[1-100]方向のいずれかであることが好ましい。この好ましい構成によれば、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いことから閾値電圧が温度に敏感にすることができる。
【００１４】
本発明の半導体装置は、基板上に形成されたIII族窒化物半導体よりなり、かつゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果トランジスタを複数個有し、そのうち前記ゲート電極の長手方向が[11-20]方向、[2-1-10]方向または[-12-10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向、[10-10]方向または[1-100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタとが含まれるものである。
【００１５】
この構成により、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いゲート方位と少ない方位が混在するので、温度特性の異なるトランジスタを組み合わせることにより、回路設計に大きな自由度を与えることができる。
【００１６】
本発明の半導体装置は、基板上に形成された第１および第２のIII族窒化物半導体層よりなり、ゲート電極が前記第１のIII族窒化物半導体層上に形成され、オーミック電極が前記第２のIII族窒化物半導体層上に形成された電界効果トランジスタであって、前記ゲート電極の長手方向が特定の方向に形成されているものである。
【００１７】
この構成により、ゲート電極の長手方向が特定の方向に形成されているので、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生を制御して温度特性を制御できるとともに、第２のIII族窒化物半導体層のストレスによりその制御性をより一層向上させることができる。
【００１８】
本発明の半導体装置は、さらに前記特定の方向が、[11-20]方向、[2-1-10]方向または[-12-10]方向のいずれかであることが好ましい。この好ましい構成によれば、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が少ないことから温度特性を鈍感にすることができる。
【００１９】
本発明の半導体装置は、さらに前記特定の方向が、[01-10]方向、[10-10]方向または[1-100]方向のいずれかであることが好ましい。この好ましい構成によれば、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いことから閾値電圧が温度に敏感にすることができる。
【００２０】
本発明の半導体装置は、基板上に形成された第１および第２のIII族窒化物半導体層よりなり、ゲート電極が前記第１のIII族窒化物半導体層上に形成され、オーミック電極が前記第２のIII族窒化物半導体層上に形成された電界効果トランジスタを複数個有し、そのうち前記ゲート電極の長手方向が[11-20]方向、[2-1-10]方向または[-12-10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向、[10-10]方向または[1-100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタとが含まれるものである。
【００２１】
この構成により、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いゲート方位と少ない方位が混在するので、温度特性の異なるトランジスタを組み合わせることにより、回路設計に大きな自由度を与えることができる。さらに、第２のIII族窒化物半導体層のストレスにより第２のIII族窒化物半導体層のストレスによりピエゾ電荷の制御性をより一層向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。
【００２３】
SiC基板の上にAlN層、GaN層およびAlGaN層が順次形成されてなる電界効果型トランジスタのゲート電極の長手方向を特定の方向に向ける構成にする。ゲート電極の長手方向と閾値電圧の関係を本発明者が初めて測定した結果、得られたグラフを図７に示す。閾値電圧はゲート方位依存性を示しており、[10-10]方向で最も深い閾値電圧となることがわかる。
【００２４】
さらに上記電界効果トランジスタについて閾値電圧の基板温度依存性を図８に示す。温度係数もまたゲート方向依存性を有することがわかる。これにより、ゲート電極あるいはオーミック電極周辺に発生するピエゾ電荷の電荷量を一定にすることにより、電界効果型トランジスタの閾値特性を揃えることが可能となる。
【００２５】
また、ゲート電極周辺およびオーミック電極周辺のストレスを可変させることによって、閾値電圧を制御することが可能となる。
【００２６】
なお、本実験について、基板として４H-SiCを用いて検討を行ったが、６H-SiC基板やサファイア基板等、他の基板についても同様な効果が得られる。
【００２７】
また、電界効果トランジスタを構成するIII族窒化物半導体層の組み合わせは、InGaN層／AlGaN層に限らず、他の組み合わせでも同様な効果が得られる。
【００２８】
上記特性を有する半導体装置について、以下の実施形態にて説明する。
【００２９】
以下の実施形態において、基板としては、４H-SiC基板、６H-SiC基板、サファイア基板等を用いることができる。
【００３０】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN（混晶比0％〜100％）とAlGaN（混晶比0％〜100％）が順次形成されており、ゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果型半導体装置であって、前記ゲート電極の長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[-12-10]方向のいずれかであるものであり、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が少ないことから温度特性を鈍感にすることができる。
【００３１】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図１に示す。図１において、101はInGaN層（混晶比0％〜100％）であり２次元電子ガスが走行する。102はAlGaN層でありショットキー層として機能する。103はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。104はオーミック電極であり例えばTi/Alが使用される。105はゲート電極であり、長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[-12-10]方向のいずれかである。
【００３２】
ゲート電極がこの方向にある場合、ゲート電極直下のピエゾ電荷が少ないために、閾値電圧の温度変動が小さく、そのため安定な温度特性を実現することができる。
【００３３】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN（混晶比0％〜100％）とAlGaN（混晶比0％〜100％）が順次形成されており、ゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果トランジスタであって、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかであるものであり、これによりゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いことから閾値電圧が温度に敏感にすることができる。
【００３４】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図２に示す。図２において、101はInGaN層（混晶比0％〜100％）であり２次元電子ガスが走行する。102はAlGaN層でありショットキー層として機能する。103はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。104はオーミック電極であり例えばTi/Alが使用される。105はゲート電極であり、長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかである。
【００３５】
ゲート電極がこの方向にある場合、ゲート電極直下のピエゾ電荷が多いために、閾値電圧の温度変動が大きく、そのため温度に敏感な特性を実現することができる。
【００３６】
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN（混晶比0％〜100％）とAlGaN（混晶比0％〜100％）が順次形成されており、ゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果型半導体装置であって、前記ゲート電極の長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[-12-10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタが混在することを特徴とする半導体装置であり、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いゲート方位と少ない方位が混在するので、温度特性の異なるトランジスタを組み合わせることにより、回路設計に大きな自由度を与えるという作用を有する。
【００３７】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図３に示す。図３において、101はInGaN層（混晶比0％〜100％）であり２次元電子ガスが走行する。102はAlGaN層でありショットキー層として機能する。103はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。104はオーミック電極であり例えばTi/Alが使用される。105はゲート電極であり、長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[-12-10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタが混在している。
【００３８】
ゲート電極がこれらの方向にある場合、異なる特性を有するトランジスタを混在させることができるため、回路設計に大きな自由度が生まれる。つまり、これを積極的に利用した回路を実現することができる。
【００３９】
（第４の実施形態）
第４の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN（混晶比0％〜100％）と第１のAlGaN（混晶比0％〜100％）が順次形成されており、ゲート電極が前記第１のAlGaN上に形成されており、前記第１のAlGaN上の一部に第２のAlGaNとオーミック電極が形成されている電界効果型半導体装置であって、前記ゲート電極の長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[-12-10]方向のいずれかであることを特徴とする半導体装置であり、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が少ないことから温度特性を鈍感にする作用を有する。さらに、第２のAlGaNのストレスによりその作用をより一層大きくすることができる。
【００４０】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図４に示す。図４において、401はInGaN層（混晶比0％〜100％）であり２次元電子ガスが走行する。402は第１のAlGaN層でありショットキー層として機能する。403はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。406は第１のAlGaN層上の一部に形成された第２のAlGaN層であり、この上にオーミック電極404が形成される。オーミック電極404は例えばTi/Alが使用される。405はゲート電極であり、長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[-12-10]方向のいずれかである。
【００４１】
ゲート電極がこの方向にある場合、ゲート電極直下のピエゾ電荷が少ないために、閾値電圧の温度変動が小さく、そのため安定な温度特性を実現することができる。さらに、第２のAlGaN層によりストレスを制御することにより、その効果をより一層高めることができる。
【００４２】
（第５の実施形態）
第５の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN（混晶比0％〜100％）と第１のAlGaN（混晶比0％〜100％）が順次形成されており、ゲート電極が前記第１のAlGaN上に形成されており、前記第１のAlGaN上の一部に第２のAlGaNとオーミック電極が形成されている電界効果型半導体装置であって、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかであることを特徴とする半導体装置であり、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いことから閾値電圧が温度に敏感にする作用を有する。さらに、第２のAlGaNのストレスによりその作用をより一層大きくすることができる。
【００４３】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図５に示す。図５において、401はInGaN層（混晶比0％〜100％）であり２次元電子ガスが走行する。402は第１のAlGaN層でありショットキー層として機能する。403はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。406は第１のAlGaN層上の一部に形成された第２のAlGaN層であり、この上にオーミック電極404が形成される。オーミック電極404は例えばTi/Alが使用される。405はゲート電極であり、長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかである。
【００４４】
ゲート電極がこの方向にある場合、ゲート電極直下のピエゾ電荷が多いために、閾値電圧の温度変動が大きく、そのため温度に敏感な特性を実現することができる。さらに、第２のAlGaN層によりストレスを制御することにより、その効果をより一層高めることができる。
【００４５】
（第６の実施形態）
第６の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN（混晶比0％〜100％）と第１のAlGaN（混晶比0％〜100％）が順次形成されており、ゲート電極が前記第１のAlGaN上に形成されており、前記第１のAlGaN上の一部に第２のAlGaNとオーミック電極が形成されている電界効果型半導体装置であって、前記ゲート電極の長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[-12-10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタが混在することを特徴とする半導体装置であり、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いゲート方位と少ない方位が混在できるというしていることから、温度特性の異なるトランジスタを組み合わせることにより、回路設計に大きな自由度を与えるという作用を有する。さらに、第２のAlGaNのストレスによりその作用をより一層大きくすることができる。
【００４６】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図６に示す。図６において、401はInGaN層（混晶比0％〜100％）であり２次元電子ガスが走行する。402は第１のAlGaN層でありショットキー層として機能する。403はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。406は第１のAlGaN層上の一部に形成された第２のAlGaN層であり、この上にオーミック電極404が形成される。オーミック電極404は例えばTi/Alが使用される。405はゲート電極であり長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[01-10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタが混在させる。
【００４７】
ゲート電極がこの方向にある場合、閾値電圧の温度変動が大きいトランジスタと小さいトランジスタを混在させることができる。そのため回路設計に大きな自由度が生まれる。つまり、これを積極的に利用した回路を実現することができる。さらに、第２のAlGaN層によりストレスを制御することにより、その効果をより一層高めることができる。
【００４８】
なお、上記実施形態において電界効果トランジスタを構成するIII族窒化物半導体層の組み合わせは、InGaN層／AlGaN層に限らず、ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）についてｘ、ｙの値を選んでなる複数のAlGaInN層の組み合わせであっても同様の効果が得られる。
【００４９】
なお、上記実施の形態については、ついては、電界効果トランジスタを例に説明したが、電界効果トランジスタに限らず、電界効果を利用した半導体装置すなわち電界効果型半導体装置に本発明を用いても同様な効果が得られる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればAlGaN/InGaN電界効果型トランジスタにおいて、ピエゾ効果を積極的に利用して、特性を揃える、あるいは温度特性が大きいあるいは小さいトランジスタを実現し、さらにはそれを混在させて回路設計の自由度を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す上面図および断面図
【図２】本発明の第２の実施形態を示す上面図および断面図
【図３】本発明の第３の実施形態を示す上面図および断面図
【図４】本発明の第４の実施形態を示す上面図および断面図
【図５】本発明の第５の実施形態を示す上面図および断面図
【図６】本発明の第６の実施形態を示す上面図および断面図
【図７】閾値電圧のゲート電極長手方向を示す図
【図８】閾値電圧の温度特性に関するゲート電極長手方向依存性を示す図
【図９】従来例を示す上面図および断面図
【符号の説明】
101  InGaN層
102  AlGaN層
103  ゲート電極
104  オーミック電極
105  ゲート電極
401  InGaN層
402  第１のAlGaN層
403  ゲート電極
404  オーミック電極
405  ゲート電極
406  第２のAlGaN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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004251006.tif 000009
【図９】
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