JP2012049170A - 窒化物半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】歩留まり良く形成することができ、高い信頼性を保つことができる、高周波特性が優れた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。特に絶縁膜を強誘電体材料とすると好ましい。
【選択図】図１

Description

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な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。

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。

図４に、従来のＨＥＭＴ構造の窒化物半導体装置の断面図を示す。図４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の上に、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。

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４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。

ところで、この種の窒化物半導体装置では、ｆ_T＝ｇ_m／２πＣ_gs＝ｖ_s／２πＬ_gによって表される電流利得遮断周波数ｆ_Tが、相互コンダクタンスｇ_mに比例し、ゲート−ソース間容量Ｃ_gsに反比例する。また電流利得遮断周波数ｆ_Tは、電子飽和速度ｖ_sに比例し、ゲート電極７のゲート長Ｌ_gに反比例することが知られている。図４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Ｌ_gを短くすることにより電流利得遮断周波数ｆ_Tを向上させることができる。

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４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。

一方、ＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）型の窒化物半導体装置も知られている（図５）。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、ｇ_mおよびC_gsを低減することができる。C_gsの減少量がｇ_mの減少量より大きいときｆ_Tの向上につながる。

特開２００４−５５６７７号公報

上記のような従来の窒化物半導体装置では、ゲート長Ｌ_g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。本発明は、上記問題点を解消し、歩留まり良く形成することができ、高い信頼性を保つことができる窒化物半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１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したことを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１に記載の窒化物半導体装置において、前記絶縁膜は強誘電体材料であることを特徴とする。

本発明によれば、浮遊電極−ソース間容量Ｃ_fs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Ｃ_gsを大幅に低減することができ、高周波特性（ｆ_T）の向上が可能となる。

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。

本発明の窒化物半導体装置の断面図である。 本発明の窒化物半導体装置の高周波特性（｜ｈ₂₁｜²）の説明図である。 本発明の窒化物半導体装置の絶縁膜を高誘電体材料とした場合の伝達特性の説明図である。 従来の窒化物半導体装置の断面図である。 従来のＭＩＳ型構造の窒化物半導体装置の断面図である。

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。

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とドレイン電極６間の電子供給層４表面と浮遊電極８上に、絶縁膜９が全面に形成されている。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。

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。

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。

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、Ｉｎ_aＧａ_1-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。

電子供給層４は、厚さ２５ｎｍのｎ型あるいはアンドープのＡｌ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ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Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-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。

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。

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）Ｌ_fは６μｍである。

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、ｆ_T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、ｆ_Tを変えないで、任意のｇmを得ることが可能となる。

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Ｌ_gは２μｍである。本実施例におけるゲート長Ｌ_gと浮遊電極長Ｌ_fとの関係は、Ｌ_g＜Ｌ_fであるが、Ｌ_g≧Ｌ_fにすることもできる。

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２に示す。比較のため、図４および図５に示す従来の窒化物半導体装置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Ｌ_gは６μｍであり、本発明の窒化物半導体装置の浮遊電極長Ｌ_fは６μｍ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Ｃ_gsが、浮遊電極８−ソース電極５間容量Ｃ_fsと直列に付加されたこととなる。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Ｃ_gsを大幅に低減でき、ゲート電極７−ソース電極５間容量Ｃ_gsと反比例の関係にある電流利得遮断周波数ｆ_Tを向上させることが可能となる。

次に、絶縁膜９をＢａＴｉＯ₃やＰｂＴｉＯ₃などの強誘電体材料に変更した場合について説明する。Ｓｉ₃Ｎ₄膜は、バッファ層２の不完全さに起因するドレインリーク電流を抑制することが難しい。バッファ層２の不完全さに起因するドレインリーク電流が発生すると、ゲート電極７−ソース電極５間容量Ｃ_gsと並列に寄生容量Ｃ_pが付加され、高周波特性（ｆ_T）の悪化につながる。そこで、ゲート電極７−ソース電極５間の電子供給層４表面を強誘電体材料で被覆すると、強誘電体材料の分極の影響により、ソース電極５に注入された電子が、ドレインリークの原因となるバッファ層２に流れず、チャネルとなる二次元電子ガス１０に誘導される。これにより、ドレインリーク電流の抑制が可能となる。

図３は、同一構造の窒化物半導体装置において、絶縁膜９を高誘電体材料、あるいはＳｉ₃Ｎ₄膜としたときのＩ_d−Ｖ_g特性を示している。高誘電体材料を用いた場合、ピンチオフ電圧前（ゲート電圧が−２Ｖ以下）において、約二桁のドレインリーク電流改善が確認できる。これは、ゲート電極７直下の二次元電子ガス１０が消失している状態で、ドレインリーク電流が抑制されることを示している。

また、強誘電体材料は周波数変化によって誘電率が大きく変化するため、ゲート電極７−浮遊電極８間容量が変化する。つまり、周波数に対して可変容量として働くため、さらなる高周波特性（ｆ_T）の向上につながることが期待される。

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

Claims (2)

1. 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したことを特徴とする窒化物半導体装置。
2. 請求項１に記載の窒化物半導体装置において、
   前記絶縁膜は強誘電体材料であることを特徴とする窒化物半導体装置。

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