JP7037801B2

JP7037801B2 - 電界効果トランジスタ及びその製造方法

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Publication number: JP7037801B2
Application number: JP2017209449A
Authority: JP
Inventors: 成仁岡田; 一行只友
Original assignee: Yamaguchi University NUC
Current assignee: Yamaguchi University NUC
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2022-03-17
Anticipated expiration: 2037-10-30
Also published as: JP2019083255A

Description

本発明は、電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。

高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）は、半導体ヘテロ接合に誘起された二次元電子ガスをチャネルとした電界効果トランジスタである。かかる電界効果トランジスタとして、例えば、特許文献１には、ＡｌＩｎＧａＮのバリア層とｎ型ＧａＮのチャネル層とのヘテロ接合構造を有するものが開示されている。

米国特許第７７２８３５５号明細書

本発明の課題は、高濃度の二次元電子ガスの層を有する電界効果トランジスタを提供することである。

本発明は、Ｎ極性半導体層とＮ極性ＧａＮ層とのヘテロ接合構造を含み、前記Ｎ極性ＧａＮ層に二次元電子ガスの層を有する電界効果トランジスタであって、前記Ｎ極性半導体層を構成するＮ極性半導体がＮ極性ＡｌＮであり、且つ前記Ｎ極性半導体層の表面が、－ｃ面からａ軸又はｍ軸を中心として２°傾斜した面である。

Ｎ極性半導体層上にＮ極性ＧａＮの結晶をエピタキシャル成長させてＮ極性ＧａＮ層を形成するステップを含む電界効果トランジスタの製造方法であって、前記Ｎ極性半導体層を構成するＮ極性半導体がＮ極性ＡｌＮであり、且つ前記Ｎ極性ＧａＮが結晶成長する前記Ｎ極性半導体層の表面が、－ｃ面からａ軸又はｍ軸を中心として２°傾斜した面である。

本発明によれば、Ｎ極性半導体層とＮ極性ＧａＮ層とのヘテロ接合構造を有することにより、それらの接合面において大きなバンドオフセットが生じ、その結果、チャネル層を構成するＮ極性ＧａＮ層に高濃度の二次元電子ガスの層を形成させることができる。

実施形態１に係る電界効果トランジスタの断面図である。Ｎ極性半導体基板の変形例の断面図である。実施形態１に係る電界効果トランジスタの製造方法の基板準備ステップを示す図である。実施形態１に係る電界効果トランジスタの製造方法の半導体層形成ステップを示す図である。実施形態１に係る電界効果トランジスタの製造方法の電極形成ステップを示す図である。実施形態２に係る電界効果トランジスタの断面図である。

以下、実施形態について詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、実施形態に係る電界効果トランジスタ１０を示す。この実施形態に係る電界効果トランジスタ１０は、いわゆる高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）である。

実施形態１に係る電界効果トランジスタ１０は、Ｎ極性半導体基板１１と、そのＮ極性半導体基板１１上に設けられたＮ極性ＧａＮ層１２と、そのＮ極性ＧａＮ層１２上に設けられたゲート電極１３、ソース電極１４、及びドレイン電極１５とを備える。

ここで、本出願における「Ｎ極性」とは、各層の厚さ方向に直交する結晶成長する側の面が、Ｎ極性面（ＧａＮでは－ｃ面）、又は、Ｎ極性面から傾斜し且つＮ極性面を主体として含む半極性面であることをいう。

Ｎ極性半導体基板１１は、構成元素として窒素を含有するＮ極性半導体で形成されており、これがＮ極性半導体層を構成する。Ｎ極性半導体基板１１を形成するＮ極性半導体としては、例えば、Ｎ極性ＡｌＮ、Ｎ極性ＡｌＧａＮ等が挙げられる。耐圧性が高いことからバッファリークの低減を図れるとともに、高温動作適用性が高く、且つ優れた放熱性を有する観点から、これらのうちのＮ極性ＡｌＮが好ましい。Ｎ極性半導体基板１１の表面は、Ｎ極性面、又は、Ｎ極性面から傾斜し且つＮ極性面を主体として含む半極性面である。

結晶成長の起点となるＮ極性半導体基板１１の表面は、その上に高濃度の二次元電子ガスの層を有するＮ極性ＧａＮ層１２を形成する観点から、－ｃ面であるＮ極性面であることが最も好ましい。それに加えて、結晶品質のよいＮ極性ＧａＮ層１２を形成する観点からは、Ｎ極性半導体基板１１の表面は、－ｃ面であるＮ極性面から微傾斜している面であることが好ましい。その傾斜角度は、ａ軸又はｍ軸を中心として、０°より大きい範囲内で微傾斜していることが良く、最も好ましくは２°である。これらのことから、Ｎ極性半導体基板１１は、Ｎ極性ＡｌＮ基板であることが好ましく、表面が－ｃ面であるＮ極性面又はそこから微傾斜したＮ極性ＡｌＮ基板であることがより好ましい。

なお、Ｎ極性半導体基板１１は、図２に示すように、単一材基板１１ａと、その単一材基板１１ａを被覆するように設けられたＮ極性半導体層を構成するＮ極性半導体膜１１ｂとを有するテンプレートであってもよい。単一材基板１１ａとしては、例えば、サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板等が挙げられる。Ｎ極性半導体膜１１ｂとしては、例えば、構成元素として窒素を含有するＮ極性半導体で形成されたＮ極性ＡｌＮ膜やＮ極性ＡｌＧａＮ膜等が挙げられる。耐圧性が高いことからバッファリークの低減を図れるとともに、高温動作適用性が高く、且つ優れた放熱性を有する観点から、これらのうちのＮ極性ＡｌＮ膜が好ましい。Ｎ極性半導体膜１１ｂは、最も好ましくは－ｃ面Ｎ極性ＡｌＮ膜である。Ｎ極性半導体膜１１ｂは、アンドープであってもよく、また、ドーパントがドープされていてもよい。

Ｎ極性ＧａＮ層１２は、Ｎ極性半導体基板１１の表面からＧａＮの結晶がエピタキシャル成長して形成されている。Ｎ極性半導体層１２を形成するＮ極性半導体としては、例えば、Ｎ極性ＧａＮ、Ｎ極性ＡｌＧａＮ、Ｎ極性ＡｌＧａＩｎＮ等が挙げられる。これらのうち最も好ましいのはＮ極性ＧａＮである。Ｎ極性ＧａＮ層１２は、極力不純物の低いアンドープであることが望ましいが、ドーパントがドープされていてもよい。Ｎ極性ＧａＮ層１２の表面も、Ｎ極性面、又は、Ｎ極性面から傾斜し且つＮ極性面を主体として含む半極性面であるが、高濃度の二次元電子ガスの層を有するとともに結晶品質のよいＮ極性ＧａＮ層１２を得る観点から、－ｃ面であるＮ極性面から微傾斜していることが好ましい。その傾斜角度は、ａ軸又はｍ軸を中心として、０°より大きい範囲内で微傾斜していることが良く、最も好ましくは０．８°である。なお、Ｎ極性半導体基板１１の表面がＮ極性ＡｌＮであり、その表面のＮ極性面に対するａ軸を中心とする傾斜角度が２°のとき、その上にＧａＮが結晶成長して形成されるＮ極性ＧａＮ層１２の表面のＮ極性面に対するａ軸を中心とする傾斜角度が０．８°となる。Ｎ極性ＧａＮ層１２の厚さは、例えば１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましいが、それ以上であってもよい。

実施形態１に係る電界効果トランジスタ１０は、これらのＮ極性半導体基板１１とＮ極性ＧａＮ層１２とのヘテロ接合構造を含み、Ｎ極性ＧａＮ層１２におけるＮ極性半導体基板１１との接合面近傍に、このヘテロ接合構造に誘起された二次元電子ガス（２ＤＥＧ）の層が形成される。したがって、Ｎ極性ＧａＮ層１２がチャネル層を構成する。実施形態１に係る電界効果トランジスタ１０によれば、このようにＮ極性半導体基板１１とＮ極性ＧａＮ層１２とのヘテロ接合構造を有することにより、それらの接合面において大きなバンドオフセットが生じ、その結果、チャネル層を構成するＮ極性ＧａＮ層１２に高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）の層を形成させることができる。そして、これにより、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）の層において、大電流及び高電子移動度を得ることができる。Ｎ極性半導体基板１１とＮ極性ＧａＮ層１２とのヘテロ接合構造の接合面におけるバンドオフセットは、０．５ｅＶよりも大きいことが好ましい。Ｎ極性ＧａＮ層１２における二次元電子ガス（２ＤＥＧ）の濃度は１．０×１０^１３／ｃｍ^２よりも高いことが好ましい。Ｎ極性ＧａＮ層１２における電子移動度は２０００ｃｍ^２／Ｖｓよりも大きいことが好ましい。

ゲート電極１３は、Ｎ極性ＧａＮ層１２の表面上に設けられている。ゲート電極１３は、例えば、Ｎｉ膜及びＡｕ膜の積層膜で構成されている。Ｎ極性ＧａＮ層１２には、一対の凹部１２ａが、ゲート電極１３を挟むように配置されるとともに、それぞれが二次元電子ガス（２ＤＥＧ）の層まで達するように形成されている。ソース電極１４及びドレイン電極１５は、Ｎ極性ＧａＮ層１２に形成されたそれらの一対の凹部１２ａをそれぞれ埋めてＮ極性ＧａＮ層１２の表面から突出するように設けられている。ソース電極１４及びドレイン電極１５は、Ｎ極性ＧａＮ層１２の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）の層に接触するが、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が高濃度であり且つＮ極性ＧａＮ層１２に接触していることにより、それらの間における非常に低い接触抵抗を得ることができる。ソース電極１４及びドレイン電極１５は、例えばＴｉ膜及びＡｌ膜の積層膜で構成されている。

以上の構成の実施形態１に係る電界効果トランジスタ１０は、大電流及び高電子移動度を得ることができるので、電子デバイスの小型化及び大出力化が可能であり、そのため適用の幅は広範であり、例えば、スイッチングデバイスとして使用されるパワーデバイス、無線基地局などで使用される高周波デバイス等に好適に適用することができる。ここで、ヘテロ接合構造がＮ極性ＡｌＮとＮ極性ＧａＮとで構成される二元混晶の場合には、合金散乱の影響を小さく抑えることができるので、非常に高い電子移動度を得ることができる。また、Ｎ極性ＡｌＮにより、耐圧性が高いことによるバッファリークの低減、高い高温動作適用性、及び優れた放熱性を得ることができる。さらに、Ｎ極性ＡｌＮとＮ極性ＧａＮとで構成されるヘテロ接合構造に発生するのは圧縮歪みであるので、そのヘテロ接合構造を起点としたクラックの発生を抑制することができる。加えて、ソース電極１４及びドレイン電極１５と二次元電子ガス（２ＤＥＧ）との低接触抵抗を得ることができる。これらの特性は、いずれもパワーデバイスに要求されるものであることから、この場合、パワーデバイスに特に好適に適用することができる。

次に、実施形態１に係る電界効果トランジスタ１０の製造方法について説明する。実施形態１に係る電界効果トランジスタ１０の製造方法は、基板準備ステップ、半導体層形成ステップ、及び電極形成ステップ含む。

＜基板準備ステップ＞
基板準備ステップでは、図３Ａに示すように、Ｎ極性半導体で形成されたＮ極性半導体基板１１を準備する。

＜半導体層形成ステップ＞
半導体層形成ステップでは、まず、Ｎ極性半導体基板１１の表面に高温のガスを接触させてアニール処理を行うことが好ましい。ガスとしては、例えばＨ_２、Ｎ_２、ＮＨ_３等が挙げられる。アニール処理温度は、次のＮ極性ＧａＮ層１２の形成時における結晶成長温度と同一乃至その付近であることが好ましく、例えば１０００℃以上１５００℃以下である。アニール処理圧力は、例えば１０ｋＰａ以上１５０ｋＰａ以下である。アニール処理時間は、例えば５秒以上６００秒以下である。

その後、結晶成長条件を調整して、図３Ｂに示すように、Ｎ極性半導体基板１１上にＮ極性ＧａＮの結晶をエピタキシャル成長させてＮ極性ＧａＮ層１２を形成する。

Ｎ極性ＧａＮ層１２の形成方法としては、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、プラズマ気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ）、熱気相成長法などの化学的気相法（ＣＶＤ）；スパッタリグ法、蒸着法などの物理的気相法（ＰＶＤ）等が挙げられる。膜厚制御性が高く、不純物濃度の低いＮ極性ＧａＮ層１２を形成することができるという観点から、これらのうちの有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）が好ましい。

例えば、Ｎ極性ＧａＮ層１２を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）で形成する場合、Ｎ極性半導体基板１１の表面にＧａ源ガス及びＮ源ガスを接触させる。Ｇａ源としては、例えばＴＭＧ、ＴＥＧ等が挙げられる。Ｎ源としては、例えばＮＨ_３等が挙げられる。Ｇａ源ガス及びＮ源ガスは、Ｈ_２やＮ_２等のキャリアガスと混合してＮ極性半導体基板１１の表面に接触させることが好ましい。

このとき、Ｎ極性ＧａＮ層１２の形成時におけるＧａ源ガス流量に対するＮ源ガス流量の比（Ｖ／III）は、例えば１００以上５００００以下である。Ｎ極性ＧａＮ層１２の形成時における結晶成長温度は、例えば９００℃以上１３００℃以下である。Ｎ極性ＧａＮ層１２の形成時における結晶成長圧力は、例えば１０ｋＰａ以上１５０ｋＰａ以下である。Ｎ極性ＧａＮ層１２の形成時における結晶成長時間は、例えば１０秒以上９００秒以下である。

＜電極形成ステップ＞
電極形成ステップでは、フォトリソグラフィ法を用い、図３Ｃに示すように、エッチングによりＮ極性ＧａＮ層１２に凹部１２ａを形成した後、ゲート電極１３、ソース電極１４、及びドレイン電極１５を成膜して形成する。

（実施形態２）
図４は、実施形態２に係る電界効果トランジスタ１０を示す。なお、実施形態１と同一名称の部分は、実施形態１と同一符号で示す。

実施形態２に係る電界効果トランジスタ１０は、Ｎ極性半導体基板１１と、そのＮ極性半導体基板１１上に設けられたＮ極性半導体層１６と、そのＮ極性半導体層１６上に設けられたＮ極性ＧａＮ層１２と、Ｎ極性ＧａＮ層１２上に設けられたゲート電極１３、ソース電極１４、及びドレイン電極１５とを備える。

つまり、実施形態２に係る電界効果トランジスタ１０では、Ｎ極性半導体層１６が、Ｎ極性半導体基板１１の表面から、構成元素として窒素を含有するＮ極性半導体の結晶がエピタキシャル成長して形成されているとともに、Ｎ極性ＧａＮ層１２が、Ｎ極性半導体層１６の表面からＧａＮの結晶がエピタキシャル成長して形成されており、Ｎ極性半導体基板１１とＮ極性ＧａＮ層１２との間に、Ｎ極性半導体層１６が介設されている。

Ｎ極性半導体層１６を形成するＮ極性半導体としては、例えば、Ｎ極性ＡｌＮ、Ｎ極性ＡｌＧａＮ等が挙げられる。耐圧性が高いことからバッファリークの低減を図れるとともに、高温動作適用性が高く、且つ優れた放熱性を有する観点から、これらのうちのＮ極性ＡｌＮが好ましい。Ｎ極性半導体層１６は、アンドープであってもよく、また、ドーパントがドープされていてもよい。Ｎ極性半導体層１６の表面は、Ｎ極性面、又は、Ｎ極性面から傾斜し且つＮ極性面を主体として含む半極性面であるが、この上に高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）の層を有するとともに結晶品質のよいＮ極性ＧａＮ層１２を形成する観点から、Ｎ極性面から傾斜した半極性面であることが好ましい。その傾斜角度は、ａ軸又はｍ軸を中心として、０°より大きい範囲内で微傾斜していることが良く、最も好ましくは２°である。Ｎ極性半導体層１６の厚さは、例えば２μｍ以下である。

実施形態２に係る電界効果トランジスタ１０の製造方法では、半導体形成ステップにおいて、まず、Ｎ極性半導体基板１１の表面に高温のガスを接触させてアニール処理を行うことが好ましい。ガスとしては、例えばＨ_２、Ｎ_２、ＮＨ_３等が挙げられる。アニール処理温度は、次のＮ極性半導体層１６の形成時における結晶成長温度と同一乃至その付近であることが好ましく、例えば１０００℃以上１５００℃以下である。アニール処理圧力は、例えば１０ｋＰａ以上１５０ｋＰａ以下である。アニール処理時間は、例えば５秒以上６００秒以下である。

その後、結晶成長条件を調整して、Ｎ極性半導体基板１１上にＮ極性半導体の結晶をエピタキシャル成長させてＮ極性半導体層１６を形成する。

Ｎ極性半導体層１６の形成方法としては、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、プラズマ気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ）、熱気相成長法などの化学的気相法（ＣＶＤ）；スパッタリグ法、蒸着法などの物理的気相法（ＰＶＤ）等が挙げられる。高い組成均一性、膜厚制御性、及び不純物濃度の低いＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０＜ｘ＋ｙ＜１）のＮ極性半導体層１６を形成することができるという観点から、これらのうちの有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）が好ましい。

例えば、Ｎ極性半導体層１６を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）で形成する場合、Ｎ極性半導体層１６がＡｌＮ層のとき、Ｎ極性半導体基板１１の表面にＡｌ源ガス及びＮ源ガスを接触させる。Ａｌ源としては、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）では、例えばＴＭＡ、ＴＥＡ等、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）では、例えばＡｌ原料及びＨＣｌの混合材料等がそれぞれ挙げられる。Ｎ源としては、例えばＮＨ_３等が挙げられる。Ａｌ源ガス及びＮ源ガスは、Ｈ_２やＮ_２等のキャリアガスと混合してＮ極性半導体基板１１の表面に接触させることが好ましい。

このとき、Ｎ極性半導体層１６の形成時におけるＡｌ源ガス流量に対するＮ源ガス流量の比（Ｖ／III）は、例えば５以上３００００以下である。Ｎ極性半導体層１６の形成時における結晶成長温度は、例えば１２００℃以上１６００℃以下である。Ｎ極性半導体層１６の形成時における結晶成長圧力は、例えば１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下である。Ｎ極性半導体層１６の形成時における結晶成長時間は、例えば０．５時間以上１．５時間以下である。

続いて、結晶成長条件を調整して、Ｎ極性半導体層１６上にＮ極性ＧａＮの結晶をエピタキシャル成長させてＮ極性ＧａＮ層１２を形成する。

Ｎ極性ＧａＮ層１２の形成方法としては、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、プラズマ気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ）、熱気相成長法などの化学的気相法（ＣＶＤ）；スパッタリグ法、蒸着法などの物理的気相法（ＰＶＤ）等が挙げられる。速い結晶成長速度で厚いＮ極性ＧａＮ層１２を形成することができるという観点から、これらのうちの有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）が好ましい。

例えば、Ｎ極性ＧａＮ層１２を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）で形成する場合、Ｎ極性半導体層１６の表面にＧａ源ガス及びＮ源ガスを接触させる。Ｇａ源としては、例えば、ＴＭＧ、ＴＥＧ等が挙げられる。Ｎ源としては、例えばＮＨ_３等が挙げられる。Ｇａ源ガス及びＮ源ガスは、Ｈ_２やＮ_２等のキャリアガスと混合してＮ極性半導体層１６の表面に接触させることが好ましい。

その他の構成及び作用効果は、実施形態１と同一である。

本発明は、電界効果トランジスタ及びその製造方法の技術分野について有用である。

１０電界効果トランジスタ
１１Ｎ極性半導体基板（Ｎ極性半導体層）
１１ａ単一材基板
１１ｂＮ極性半導体膜（Ｎ極性半導体層）
１２Ｎ極性ＧａＮ層
１２ａ凹部
１３ゲート電極
１４ソース電極
１５ドレイン電極
１６Ｎ極性半導体層

Claims

Ｎ極性半導体層とＮ極性ＧａＮ層とのヘテロ接合構造を含み、前記Ｎ極性ＧａＮ層に二次元電子ガスの層を有する電界効果トランジスタであって、
前記Ｎ極性半導体層を構成するＮ極性半導体がＮ極性ＡｌＮであり、且つ前記Ｎ極性半導体層の表面が、－ｃ面からａ軸又はｍ軸を中心として２°傾斜した面である電界効果トランジスタ。
請求項１に記載された電界効果トランジスタにおいて、
前記Ｎ極性半導体層がＮ極性半導体基板で構成されている電界効果トランジスタ。
請求項１又は２に記載された電界効果トランジスタにおいて、
前記Ｎ極性ＧａＮ層における電子移動度が２０００ｃｍ^２／Ｖｓよりも大きい電界効果トランジスタ。
Ｎ極性半導体層上にＮ極性ＧａＮの結晶をエピタキシャル成長させてＮ極性ＧａＮ層を形成するステップを含む電界効果トランジスタの製造方法であって、
前記Ｎ極性半導体層を構成するＮ極性半導体がＮ極性ＡｌＮであり、且つ前記Ｎ極性ＧａＮが結晶成長する前記Ｎ極性半導体層の表面が、－ｃ面からａ軸又はｍ軸を中心として２°傾斜した面である電界効果トランジスタの製造方法。