JP5117031B2 - ノーマリオフで動作するｈｅｍｔ - Google Patents

Description

本発明は、ノーマリオフで動作するHEMT(High Electron Mobility Transistor)に関する。

バンドギャップの幅が異なる半導体層を積層したヘテロ構造を有するHEMTが知られている。通常のHEMTは、一対の主電極（例えば、ドレイン電極とソース電極）の間に電流のオン・オフを制御するためのゲート構造を備えている。ゲート構造は、第１半導体層と、その第１半導体層上に形成されているとともに第１半導体層よりもバンドギャップの幅が広い第２半導体層と、その第２半導体層上に形成されているゲート絶縁膜と、そのゲート絶縁膜上に形成されているゲート電極を備えている。第１半導体層と第２半導体層がヘテロ界面を構成しており、ヘテロ界面は一対の主電極間に亘って伸びている。

例えば、第１半導体層及び第２半導体層の材料に窒化物半導体を利用したHEMTが開発されている。窒化物半導体の絶縁破壊電界および飽和電子密度等が大きいので、窒化物半導体を利用したHEMTは高耐圧で大電流を制御できるものと期待されている。特許文献１には、窒化物半導体を利用したHEMTが開示されている。

特開平１０−２９４４５２号公報

通常、窒化物半導体を利用したHEMTでは、ゲート電極に電圧を印加していないときに、第１半導体層と第２半導体層のヘテロ界面に２次元電子ガス層が発生している。ゲート電極に負の電圧を印加すると、空乏層がヘテロ界面にまで伸び、２次元電子ガス層が消失する。したがって、窒化物半導体を利用したHEMTは、ノーマリオンで動作する。

安全で使い易いノーマリオフで動作するHEMTの開発も進められている。例えば、第１半導体層と第２半導体層の間に発生するピエゾ効果を低減することによってノーマリオフを実現する技術や、ｐｎ接合のビルトイン電圧によって第１半導体層と第２半導体層のヘテロ界面に空乏層を形成してノーマリオフを実現する技術や、第２半導体層に正の電荷を導入してノーマリオフを実現する技術などが知られている。ノーマリオフで動作するHEMTでは、ゲート電極に電圧を印加していないときには第１半導体層と第２半導体層のヘテロ界面に２次元電子ガス層が発生しておらず、ゲート電極に正の電圧を印加したときには第１半導体層と第２半導体層のヘテロ界面に２次元電子ガス層が発生する。

しかしながら、これらの技術で得られたノーマリオフで動作するHEMTを詳細に検討してみると、以下のような現象が生じていることが分かってきた。従来のノーマリオフで動作するHEMTでは、ゲート電極に印加する電圧を０Vから増加していくと、第１半導体層と第２半導体層のヘテロ界面に２次元電子ガス層が発生するのに先立って、第２半導体層とゲート絶縁膜の界面に反転層が発生することが分かってきた。第２半導体層とゲート絶縁膜の界面に反転層が先に発生してしまうと、第１半導体層と第２半導体層のヘテロ界面にゲート電圧の作用を及ぼすことが困難になってしまう。このため、第２半導体層とゲート絶縁膜の界面に反転層が発生した後は、ゲート電圧を増加させても２次元電子ガス層のキャリア密度を濃くすることができず、HEMTの長所であるオン抵抗が小さいという特性を実際には得ることができなかった。

本発明は、上記現象を初めて見出したことから創作された。上記現象を回避するように構成されたHEMTは、HEMTの本来の特性である低いオン抵抗を得ることができ、極めて有用な結果を提供することができる。

即ち、本明細書で開示されるHEMTは、第１半導体層と、その第１半導体層上の少なくとも一部に形成されているとともに第１半導体層よりもバンドギャップの幅が広い第２半導体層と、その第２半導体層上の少なくとも一部に形成されているゲート絶縁膜と、そのゲート絶縁膜上の少なくとも一部に形成されているゲート電極を備えている。本明細書で開示されるHEMTでは、ゲート電極に電圧を印加していないときは、第１半導体層と第２半導体層の界面に２次元電子ガス層が発生していない。本明細書で開示されるHEMTでは、ゲート電極に印加する正の電圧を増加していくと、第２半導体層とゲート絶縁膜の界面に反転層が発生するのに先立って、第１半導体層と第２半導体層の界面に２次元電子ガス層が発生することを特徴としている。
反転層が発生するのに先立って２次元電子ガス層を発生させるためには、例えば第２半導体層の厚みを薄く調整することで実現させることができる。本発明は、本発明者らによって初めて見出された現象を利用することを特徴としており、この現象に係る知見が得られれば、本発明を具現化するHEMTは様々な形態であり得る。
上記のHEMTによると、ゲート電極に正の電圧を印加したときに、ゲート電圧の作用を第１半導体層と第２半導体層のヘテロ界面に十分に及ぼすことができる。このため、第１半導体層と第２半導体層のヘテロ界面のキャリア密度を濃くすることができる。上記のHEMTは、オン抵抗が小さいという特性を得ることができる。

本明細書で開示される１つのHEMTでは、ゲート電極に正の電圧を印加したときに、第２半導体層とゲート絶縁膜の界面に発生するキャリア密度が1×10¹⁸cm^-3以下であり、第１半導体層と第２半導体層の界面に発生する２次元電子ガス層のキャリア密度が1×10¹⁹cm^-3以上となる状態が存在する。
第２半導体層とゲート絶縁膜の界面に発生するキャリア密度が1×10¹⁸cm^-3以下であると、反転層が形成されていないと評価することができる。キャリア密度が1×10¹⁸cm^-3以下であると、ゲート電圧の作用が第２半導体層とゲート絶縁膜の界面で阻害されることなく、第１半導体層と第２半導体層のヘテロ界面にまで十分に及ぶことができる。
さらに、２次元電子ガス層のキャリア密度が1×10¹⁹cm^-3以上であると、従来のノーマリオンで動作するHEMTと遜色のないキャリア密度を達成していると評価できる。したがって、上記のHEMTによると、従来のノーマリオンで動作するHEMTと同程度のオン抵抗を達成しながら、ノーマリオフで動作することができ、実用上において極めて有用である。

本明細書で開示される他の１つのHEMTでは、ゲート電極に10Vの電圧を印加したときに、第２半導体層とゲート絶縁膜の界面に発生するキャリア密度が1×10¹⁸cm^-3以下である。
通常、ゲート電極に印加される制御電圧は、0Vと10Vの間で変動させることが多く、その制御電圧に基づいて半導体装置のオン・オフを制御することが多い。したがって、ゲート電極に10Vの電圧を印加したときに、第２半導体層とゲート絶縁膜の界面に発生するキャリア密度が1×10¹⁸cm^-3以下であれば、ゲート電圧の作用が第２半導体層とゲート絶縁膜の界面で阻害されることなく、第１半導体層と第２半導体層のヘテロ界面にまで十分に及ぶことができ、低いオン抵抗を得ることができる。

本明細書で開示されるHEMTでは、第１半導体層及び第２半導体層の材料が、窒化物半導体である。
窒化物半導体を利用すると、高耐圧で大電流を制御できるHEMTを得ることができる。

本明細書で開示されるHEMTは、少なくともゲート電極に対向している範囲の第１半導体層の裏面に接するとともにｐ型の不純物を含む第３半導体層をさらに備えていることが好ましい。さらに、第１半導体層が窒化ガリウムであり、第２半導体層が窒化ガリウム・アルミニウムであり、第３半導体層が窒化ガリウムであり、ゲート絶縁膜が酸化シリコン又は窒化シリコンであり、ゲート電極が多結晶シリコン、アルミニウム、ニッケル、チタン、タングステン、モリブテン、金、白金、又はそれらのシリサイトからなる一層もしくは二層以上の積層膜であることが好ましい。本明細書で開示されるHEMTはさらに、第２半導体層の厚みが20nm以下であることが好ましい。この形態のHEMTでは、第１半導体層と第２半導体層のヘテロ界面に発生する２次元電子ガス層のキャリア密度が1×10¹⁹cm^-3以上となる状態が存在することが確認されている。
さらに、第２半導体層の厚みが10nm以下であることが好ましい。この場合、第２半導体層とゲート絶縁膜の界面に発生するキャリア密度が1×10¹⁸cm^-3以下であり、第１半導体層と第２半導体層のヘテロ界面に発生する２次元電子ガス層のキャリア密度が1×10¹⁹cm^-3以上となる状態が存在することが確認されている。

本明細書で開示されるHEMTによると、ノーマリオフで動作するとともに低いオン抵抗の特性を得ることができる。

本発明の好ましい特徴を列記する。
（第１特徴） 窒化物半導体は、一般式がAl_XGa_YIn_1-X-YN（ただし、0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦1-X-Y≦1）で表される。
（第２特徴） HEMTは、第１半導体層と第２半導体層の界面に対向するｐ型の第３半導体層を備えていることが好ましい。第３半導体層は、第１半導体層と第２半導体層の界面に第１半導体層を介して対向しているのが好ましい。

図面を参照して以下に実施例を詳細に説明する。
図１に、窒化物半導体を用いたHEMT１０の要部断面図を模式的に示す。図１に示すHEMT１０は、本発明の技術を説明するために必要とされる基本的な構成要素を基本的な形態で具現化したものである。本発明の技術は、この他の様々な形態のHEMTにも適用することが可能であり、例えば本出願人が既に出願済みの特開２００４−２６０１４０号公報などのHEMTに適用することが可能である。
HEMT１０は、窒化ガリウムの第１半導体層２４と、その第１半導体層２４上に形成されている窒化ガリウム・アルミニウムの第２半導体層２６と、その第２半導体層２６上の一部に形成されているゲート絶縁膜３４と、そのゲート絶縁膜３４上に形成されているゲート電極３６を備えている。第２半導体層３６上にはドレイン電極３２とソース電極３８も形成されており、ドレイン電極３２とソース電極３８はゲート絶縁膜３４及びゲート電極３６によって隔てられている。HEMT１０はさらに、第１半導体層２４の裏面に接している窒化ガリウムの第３半導体層２２を備えている。

第１半導体層２４は、不純物を実質的に含まない真性のi型であり、その不純物濃度は1×10¹³cm^-3である。第１半導体層２４の厚みは、約2μmである。第１半導体層２４は、図示しないサファイア等の半導体基板の表面から結晶成長技術を利用して得ることができる。
第２半導体層２６は、不純物を実質的に含んでいなくてもよく、ｎ型の不純物を含んでいてもよい。第２半導体層２６のバンドギャップの幅は、第１半導体層２４のバンドギャップの幅よりも広い。後述するが、第２半導体層２６の厚み２６Ｔは極めて薄く調整されている。第２半導体層２６は、第１半導体層２４の表面から結晶成長技術を利用して得ることができる。
ゲート絶縁膜３４の材料には、酸化シリコンが用いられている。これに代えて、窒化シリコンを用いてもよい。ゲート絶縁膜の厚みは、約0.1μmである。
ゲート電極３６の材料には、多結晶シリコンが用いられている。これに代えて、アルミニウム、ニッケル、チタン、タングステン、モリブテン、金、白金、又はそれらのシリサイトからなる単層膜を用いてもよい。あるいは、多結晶シリコン、アルミニウム、ニッケル、チタン、タングステン、モリブテン、金、白金、又はそれらのシリサイトからなる二層以上の積層膜を用いてもよい。
ドレイン電極３２とソース電極３８の材料には、チタンとアルミニウムの積層膜が用いられており、第２半導体層２６とオーミック接触している。
第３半導体層２２は、不純物としてマグネシウムを含んでおり、ｐ型の導電型を有している。第３半導体層２２の不純物濃度は、約1×10¹⁹cm^-3である。第３半導体層２２の厚みは、約3μmである。第３半導体層２２は、図示しないサファイア等の半導体基板の表面から結晶成長技術を利用して得ることができる。あるいは、第３半導体層２２は、第１半導体層２４の裏面にマグネシウムをイオン導入することによって形成してもよい。

次に、HEMT１０の動作を説明する。HEMT１０では、第１半導体層２４の裏面に第３半導体層２２が接しているので、第１半導体層２４と第３半導体層２２の接合面のビルトイン電圧に基づいて第１半導体層２４内に空乏層が形成される。空乏層は、第１半導体層２４の表面にまで伸展している。このため、HEMT１０では、ゲート電極３６に電圧を印加していないときは、第１半導体層２４と第２半導体層２６のヘテロ界面２５のうちの第２半導体層２６側が空乏化しており、２次元電子ガス層（2DEG）が発生していない。したがって、HEMT１０では、ゲート電極３６に電圧を印加していないときは、ドレイン電極３２とソース電極３８の間の２次元電子ガス層（2DEG）の一部が遮断されるので、ドレイン電極３２とソース電極３８の間に電流が流れることができない。HEMT１０は、ノーマリオフで動作することができる。

次に、ゲート電極３６に正のゲート電圧を印加すると、第１半導体層２４と第２半導体層２６のヘテロ界面２５のうちの第２半導体層２６側に２次元電子ガス層（2DEG）が発生する。これにより、ドレイン電極３２とソース電極３８の間の２次元電子ガス層（2DEG）が連続するので、ドレイン電極３２とソース電極３８の間に電流が流れることができる。

ここで、HEMT１０の特徴を説明する。HEMT１０では、ゲート電極３６に印加する電圧を0Vから増加していくと、第２半導体層２６とゲート絶縁膜３４の界面２７に反転層が発生するのに先立って、第１半導体層２４と第２半導体層２６のヘテロ界面２５に２次元電子ガス層（2DEG）が発生することを特徴としている。この現象は、第２半導体層２６の厚み２６Ｔを薄く形成することによって実現されている。

図２に、第２半導体層２６の厚み２６Ｔを5nm〜50nmの範囲で変えたときのゲート電圧と２次元電子ガス層（2DEG）のピークキャリア密度の関係を示す。図３に、ゲート電圧が30Vのときの第２半導体層２６の厚み２６Ｔと２次元電子ガス層（2DEG）のピークキャリア密度の関係を示す。なお、これらの結果は、TCAD(シノプシス社MEDICI)のシミュレーション用ソフトを利用して得られた結果である。
図２及び図３に示すように、第２半導体層２６の厚み２６Ｔが薄くなるほど、２次元電子ガス層（2DEG）のピークキャリア密度が濃くなることが分かる。特に、図２に示すように、第２半導体層２６の厚み２６Ｔが20nm以下であると、２次元電子ガス層（2DEG）のピークキャリア密度が1×10¹⁹cm^-3以上となる状態が存在していることが確認された。ここで、２次元電子ガス層（2DEG）のピークキャリア密度が1×10¹⁹cm^-3以上という数値は、従来のノーマリオンで動作するHEMTと遜色のないキャリア密度を達成していることを意味する。従来のノーマリオンで動作するHEMTでは、シートキャリア密度が1×10¹³cm^-2を実現したとする報告がある（信学技報ED2003-149参照）。２次元電子ガス層（2DEG）の厚みは一般的に約10nmであるとされているので、従来のノーマリオンで動作するHEMTのキャリア密度は約1×10¹⁹cm^-3であると評価できる。即ち、本実施例のHEMT１０は、従来のノーマリオンで動作するHEMTと遜色のないキャリア密度を達成しながら、ノーマリオフで動作することができる。

図２及び図３に示すように、第２半導体層２６の厚み２６Ｔが薄くなるほど、２次元電子ガス層（2DEG）のピークキャリア密度が濃くなる現象は、第２半導体層２６とゲート絶縁膜３４の界面２７に誘起されるキャリア密度が軽減されていることが理由である。このことは、図４の結果から説明することができる。図４に、第２半導体層２６の厚み２６Ｔを5nm〜50nmの範囲で変えたときのゲート電圧と界面２７に誘起されるキャリア密度の関係を示す。
図４に示すように、第２半導体層２６の厚み２６Ｔが薄くなるほど、界面２７に誘起されるキャリア密度が薄くなることが分かる。なお、第２半導体層２６の厚み２６Ｔが5nmの場合は、界面２７に誘起されるキャリア密度が1×10¹⁶cm^-3以下であり、図面上に表れていない。ここで、図４に示すａ〜ｅの変局点は、図２に示すａ〜ｅの変局点に対応している。図４に示すａ〜ｅの変局点は、キャリア密度が1×10¹⁸〜0.5×10¹⁹cm^-3の範囲に存在している。即ち、界面２７に誘起されるキャリア密度が1×10¹⁸〜0.5×10¹⁹cm^-3の範囲に達すると、図２に示すように２次元電子ガス層（2DEG）のピークキャリア密度の増加が抑制されることが分かる。

これは、第２半導体層２６とゲート絶縁膜３４の界面２７に誘起されるキャリア密度が1×10¹⁸〜0.5×10¹⁹cm^-3の範囲に達すると、ゲート電圧の作用が界面２７に誘起されるキャリアによって妨げられ、第１半導体層２４と第２半導体層２６のヘテロ界面２５にまで及ばなくなるからである。換言すると、第２半導体層２６とゲート絶縁膜３４の界面２７に誘起されるキャリア密度が1×10¹⁸以下であれば、ゲート電圧の作用が第２半導体層２６とゲート絶縁膜３４の界面２７で阻害されることなく、第１半導体層２４と第２半導体層２６のヘテロ界面２５にまで十分に及ぶことができ、２次元電子ガス層（2DEG）のピークキャリア密度を増加させることができる。

通常、ゲート電極３６に印加されるゲート電圧は、0Vと10Vの間で変動させることが多く、そのゲート電圧に基づいてHEMTのオン・オフを制御することが多い。したがって、ゲート電極３６に10Vの電圧を印加したときに、第２半導体層２６とゲート絶縁膜３４の界面２７に発生するキャリア密度が1×10¹⁸cm^-3以下であれば、ヘテロ界面２５にゲート電圧の作用を十分に及ぼすことができ、低いオン抵抗を得ることができる。図４に示すように、第２半導体層２６の厚み２６Ｔが20nm以下であれば、ゲート電極３６に10Vの電圧を印加したときに、界面２７に発生するキャリア密度を1×10¹⁸cm^-3以下にすることができることが確認された。

さらに、図２と図４に示すように、第２半導体層２６の厚み２６Ｔが10nm以下であれば、第２半導体層２６とゲート絶縁膜３４の界面２７に発生するキャリア密度が1×10¹⁸cm^-3以下であり、第１半導体層２４と第２半導体層２６のヘテロ界面２５に発生する２次元電子ガス層（2DEG）のキャリア密度が1×10¹⁹cm^-3以上となる状態が存在していることが確認された。この状態で動作させると、HEMT１０は極めて低いオン抵抗を示すことができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

実施例のHEMTの要部断面図を模式的に示す。 第２半導体層２６の厚み２６Ｔを変えたときのゲート電圧と２次元電子ガス層（2DEG）のピークキャリア密度の関係を示す。 ゲート電圧が30Ｖのときの第２半導体層２６の厚み２６Ｔとヘテロ界面２５の２次元電子ガス層（2DEG）のピークキャリア密度の関係を示す。 第２半導体層２６の厚み２６Ｔを変えたときのゲート電圧と界面２７のキャリア密度の関係を示す。

符号の説明

２２：第３半導体層
２４：第１半導体層
２６：第２半導体層
３２：ドレイン電極
３４：ゲート絶縁膜
３６：ゲート電極
３８：ソース電極

Claims (4)

1. 窒化物半導体の第１半導体層と、
   その第１半導体層上の少なくとも一部に形成されているとともに第１半導体層よりもバンドギャップの幅が広い窒化物半導体の第２半導体層と、
   その第２半導体層上の少なくとも一部に形成されているゲート絶縁膜と、
   そのゲート絶縁膜上の少なくとも一部に形成されているゲート電極を備えており、
   ゲート電極に電圧を印加していないときは、第１半導体層と第２半導体層の界面に２次元電子ガス層が発生しておらず、
   ゲート電極に正の電圧を印加したときに、第２半導体層とゲート絶縁膜の界面に発生するキャリア密度が1×10 ¹⁸ cm ^-3 以下であり、第１半導体層と第２半導体層の界面に発生する２次元電子ガス層のキャリア密度が1×10 ¹⁹ cm ^-3 以上となる状態が存在することを特徴するHEMT。
2. 窒化物半導体の第１半導体層と、
   その第１半導体層上の少なくとも一部に形成されているとともに第１半導体層よりもバンドギャップの幅が広い窒化物半導体の第２半導体層と、
   その第２半導体層上の少なくとも一部に形成されているゲート絶縁膜と、
   そのゲート絶縁膜上の少なくとも一部に形成されているゲート電極を備えており、
   ゲート電極に電圧を印加していないときは、第１半導体層と第２半導体層の界面に２次元電子ガス層が発生しておらず、
   ゲート電極に10Vの電圧を印加したときに、第２半導体層とゲート絶縁膜の界面に発生するキャリア密度が1×10 ¹⁸ cm ^-3 以下であることを特徴とするHEMT。
3. 少なくともゲート電極に対向している範囲の第１半導体層の裏面に接するとともにｐ型の不純物を含む第３半導体層をさらに備えており、
   第１半導体層は、窒化ガリウムであり、
   第２半導体層は、窒化ガリウム・アルミニウムであり、
   第３半導体層は、窒化ガリウムであり、
   ゲート絶縁膜は、酸化シリコン又は窒化シリコンであり、
   ゲート電極は、多結晶シリコン、アルミニウム、ニッケル、チタン、タングステン、モリブテン、金、白金、又はそれらのシリサイトからなる一層もしくは二層以上の積層膜であり、
   第２半導体層の厚みが20nm以下であることを特徴とする請求項１又は２のHEMT。
4. 第２半導体層の厚みが10nm以下であることを特徴とする請求項３のHEMT。
   

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