JPH10335637A - ヘテロ接合電界効果トランジスタ - Google Patents
ヘテロ接合電界効果トランジスタInfo
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- JPH10335637A JPH10335637A JP9142221A JP14222197A JPH10335637A JP H10335637 A JPH10335637 A JP H10335637A JP 9142221 A JP9142221 A JP 9142221A JP 14222197 A JP14222197 A JP 14222197A JP H10335637 A JPH10335637 A JP H10335637A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
- H01L29/7782—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET
- H01L29/7783—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET using III-V semiconductor material
-
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- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L29/2003—Nitride compounds
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【課題】 ゲート耐圧を十分に高く維持しながら、ソー
ス抵抗の大幅な低減により高性能化が可能なヘテロ接合
電界効果トランジスタを提供する。 【解決手段】 C面サファイア基板1上に、バッファ層
を介して、アンドープGaN層2、アンドープAl0.3
Ga0.7 N層3、アンドープGaNチャネル層4、アン
ドープAl0.15Ga0.85Nスペーサ層5、n型Al0.15
Ga0.85N電子供給層6、傾斜組成アンドープAlz G
a1-z N障壁層7およびn型Al0.06Ga0.94Nコンタ
クト層8を順次積層し、n型Al0.06Ga0.94Nコンタ
クト層8上にゲート電極9、ソース電極10およびドレ
イン電極11を設け、AlGaN/GaN HEMTを
構成する。傾斜組成アンドープAlz Ga1-z N障壁層
7のAl組成zはn型Al0.15Ga0.85N電子供給層6
からn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8に向かって
0.15から0.06まで連続的に減少させる。
ス抵抗の大幅な低減により高性能化が可能なヘテロ接合
電界効果トランジスタを提供する。 【解決手段】 C面サファイア基板1上に、バッファ層
を介して、アンドープGaN層2、アンドープAl0.3
Ga0.7 N層3、アンドープGaNチャネル層4、アン
ドープAl0.15Ga0.85Nスペーサ層5、n型Al0.15
Ga0.85N電子供給層6、傾斜組成アンドープAlz G
a1-z N障壁層7およびn型Al0.06Ga0.94Nコンタ
クト層8を順次積層し、n型Al0.06Ga0.94Nコンタ
クト層8上にゲート電極9、ソース電極10およびドレ
イン電極11を設け、AlGaN/GaN HEMTを
構成する。傾斜組成アンドープAlz Ga1-z N障壁層
7のAl組成zはn型Al0.15Ga0.85N電子供給層6
からn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8に向かって
0.15から0.06まで連続的に減少させる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、ヘテロ接合電界
効果トランジスタに関し、特に、GaNなどの窒化物系
III−V族化合物半導体を用いたヘテロ接合電界効果
トランジスタに適用して好適なものである。
効果トランジスタに関し、特に、GaNなどの窒化物系
III−V族化合物半導体を用いたヘテロ接合電界効果
トランジスタに適用して好適なものである。
【0002】
【従来の技術】GaNを主成分とする窒化物系III−
V族化合物半導体(以下「GaN系半導体」ともいう)
は直接遷移半導体であり、そのエネルギーギャップ(バ
ンドギャップ)Eg は1.9〜6.2eVに亘り、可視
領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な発光素子の実
現が理論上可能であるため、このGaN系半導体を用い
た半導体発光素子の開発が活発に進められている。この
GaN系半導体はまた、電子走行素子の材料としても大
きな可能性を持っている。すなわち、GaNの飽和電子
速度は約2×107 cm/sとSi、GaAsまたはS
iCに比べて大きく、また、破壊電界は5×106 V/
cmとダイヤモンドに次ぐ大きさを持っている。このよ
うな理由により、GaN系半導体は高周波、大電力用半
導体素子の材料として大きな可能性を持つことが予想さ
れてきた。
V族化合物半導体(以下「GaN系半導体」ともいう)
は直接遷移半導体であり、そのエネルギーギャップ(バ
ンドギャップ)Eg は1.9〜6.2eVに亘り、可視
領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な発光素子の実
現が理論上可能であるため、このGaN系半導体を用い
た半導体発光素子の開発が活発に進められている。この
GaN系半導体はまた、電子走行素子の材料としても大
きな可能性を持っている。すなわち、GaNの飽和電子
速度は約2×107 cm/sとSi、GaAsまたはS
iCに比べて大きく、また、破壊電界は5×106 V/
cmとダイヤモンドに次ぐ大きさを持っている。このよ
うな理由により、GaN系半導体は高周波、大電力用半
導体素子の材料として大きな可能性を持つことが予想さ
れてきた。
【0003】このGaN系半導体を用いた電子走行素子
としては、高キャリア濃度のp型層が容易には得られな
いことからバイポーラトランジスタは作製されておら
ず、現在はもっぱら電界効果トランジスタ(FET)が
試作されている。このGaN系半導体を用いたFETに
おいては、GaAs系半導体を用いたFETと異なり、
三つの大きなハンディキャップがある。すなわち、第1
に、不純物のイオン注入や拡散による伝導層の形成が困
難であること、第2に、金属との合金化が生じにくいこ
と、第3に、エッチングの手法が反応性イオンエッチン
グ(RIE)法またはその関連手段に限られており、高
精度なゲートリセス技術が開発されていないことであ
る。したがって、これまでは、これらの制約の下にGa
N系FETの開発が行われてきた。
としては、高キャリア濃度のp型層が容易には得られな
いことからバイポーラトランジスタは作製されておら
ず、現在はもっぱら電界効果トランジスタ(FET)が
試作されている。このGaN系半導体を用いたFETに
おいては、GaAs系半導体を用いたFETと異なり、
三つの大きなハンディキャップがある。すなわち、第1
に、不純物のイオン注入や拡散による伝導層の形成が困
難であること、第2に、金属との合金化が生じにくいこ
と、第3に、エッチングの手法が反応性イオンエッチン
グ(RIE)法またはその関連手段に限られており、高
精度なゲートリセス技術が開発されていないことであ
る。したがって、これまでは、これらの制約の下にGa
N系FETの開発が行われてきた。
【0004】図11に従来のAlGaN/GaNヘテロ
接合FETの一例を示す(Appl. Phys. Lett.65(9),112
1(1994))。図11に示すように、このAlGaN/Ga
Nヘテロ接合FETにおいては、サファイア基板101
上に電子走行層としてのn型GaN層チャネル102お
よびn型Al0.13Ga0.87N電子供給層103が順次積
層されている。n型GaNチャネル層102の厚さは
0.6μm、n型Al0.13Ga0.87N電子供給層103
の厚さは25nmである。n型Al0.13Ga0.87N電子
供給層103は所定形状にパターニングされている。こ
こで、このパターニングは、RIE法による無選択エッ
チングにより行われたものと考えられる。n型Al0.13
Ga0.87N電子供給層103上にゲート電極104が設
けられているとともに、このn型Al0.13Ga0.87N電
子供給層103の両側壁にそれぞれ接触するようにソー
ス電極105およびドレイン電極106がn型GaNチ
ャネル層102上に設けられている。ここで、ゲート電
極104はn型Al0.13Ga0.87N電子供給層103と
ショットキー接触しており、ソース電極105およびド
レイン電極106はn型GaNチャネル層102とオー
ミック接触している。このAlGaN/GaNヘテロ接
合FETは、いわゆる高電子移動度トランジスタ(High
Electron Mobility Transistor,HEMT)と類似の構
造を有するが、電子走行層として真性GaN層ではなく
n型GaNチャネル層102を用いていることが通常の
HEMTと異なる。
接合FETの一例を示す(Appl. Phys. Lett.65(9),112
1(1994))。図11に示すように、このAlGaN/Ga
Nヘテロ接合FETにおいては、サファイア基板101
上に電子走行層としてのn型GaN層チャネル102お
よびn型Al0.13Ga0.87N電子供給層103が順次積
層されている。n型GaNチャネル層102の厚さは
0.6μm、n型Al0.13Ga0.87N電子供給層103
の厚さは25nmである。n型Al0.13Ga0.87N電子
供給層103は所定形状にパターニングされている。こ
こで、このパターニングは、RIE法による無選択エッ
チングにより行われたものと考えられる。n型Al0.13
Ga0.87N電子供給層103上にゲート電極104が設
けられているとともに、このn型Al0.13Ga0.87N電
子供給層103の両側壁にそれぞれ接触するようにソー
ス電極105およびドレイン電極106がn型GaNチ
ャネル層102上に設けられている。ここで、ゲート電
極104はn型Al0.13Ga0.87N電子供給層103と
ショットキー接触しており、ソース電極105およびド
レイン電極106はn型GaNチャネル層102とオー
ミック接触している。このAlGaN/GaNヘテロ接
合FETは、いわゆる高電子移動度トランジスタ(High
Electron Mobility Transistor,HEMT)と類似の構
造を有するが、電子走行層として真性GaN層ではなく
n型GaNチャネル層102を用いていることが通常の
HEMTと異なる。
【0005】しかしながら、この図11に示す従来のA
lGaN/GaNヘテロ接合FETにおいては、比較的
オーミック接触性の良好なn型GaNチャネル層102
にソース電極105およびドレイン電極106を直接接
触させるためにn型Al0.13Ga0.87N電子供給層10
3を無選択エッチングによりパターニングする必要があ
るため、このn型GaNチャネル層103の厚さを0.
6μmもの厚さにしなければならず、これがFETその
ものの性能を落とす原因となっている。
lGaN/GaNヘテロ接合FETにおいては、比較的
オーミック接触性の良好なn型GaNチャネル層102
にソース電極105およびドレイン電極106を直接接
触させるためにn型Al0.13Ga0.87N電子供給層10
3を無選択エッチングによりパターニングする必要があ
るため、このn型GaNチャネル層103の厚さを0.
6μmもの厚さにしなければならず、これがFETその
ものの性能を落とす原因となっている。
【0006】図12は従来のAlGaN/GaNヘテロ
接合FETの他の例を示す(Appl.Phys. Lett.69(6),79
4(1996)) 。図12に示すように、このAlGaN/G
aNヘテロ接合FETにおいては、サファイア基板20
1上に真性GaN層202、電子走行層としてのn型G
aNチャネル層203、アンドープAl0.15Ga0.85N
スペーサ層204およびn型Al0.15Ga0.85N電子供
給層205が順次積層されている。各層の厚さは、真性
GaN層202は1μm、n型GaNチャネル層203
は0.1μm、アンドープAl0.15Ga0.85Nスペーサ
層204は3nm、n型Al0.15Ga0.85N電子供給層
205は30nmである。n型Al0.15Ga0.85N電子
供給層205上にゲート電極206、ソース電極207
およびドレイン電極208が設けられている。ここで、
ゲート電極206はn型Al0.15Ga0.85N電子供給層
205とショットキー接触しており、ソース電極207
およびドレイン電極208はn型Al0.15Ga0.85N電
子供給層205とオーミック接触している。
接合FETの他の例を示す(Appl.Phys. Lett.69(6),79
4(1996)) 。図12に示すように、このAlGaN/G
aNヘテロ接合FETにおいては、サファイア基板20
1上に真性GaN層202、電子走行層としてのn型G
aNチャネル層203、アンドープAl0.15Ga0.85N
スペーサ層204およびn型Al0.15Ga0.85N電子供
給層205が順次積層されている。各層の厚さは、真性
GaN層202は1μm、n型GaNチャネル層203
は0.1μm、アンドープAl0.15Ga0.85Nスペーサ
層204は3nm、n型Al0.15Ga0.85N電子供給層
205は30nmである。n型Al0.15Ga0.85N電子
供給層205上にゲート電極206、ソース電極207
およびドレイン電極208が設けられている。ここで、
ゲート電極206はn型Al0.15Ga0.85N電子供給層
205とショットキー接触しており、ソース電極207
およびドレイン電極208はn型Al0.15Ga0.85N電
子供給層205とオーミック接触している。
【0007】しかしながら、この図12に示す従来のA
lGaN/GaNヘテロ接合FETにおいても、n型G
aNチャネル層203の厚さを0.1μmもの厚さにし
ているため、これがFETそのものの性能を落とす原因
となっている。
lGaN/GaNヘテロ接合FETにおいても、n型G
aNチャネル層203の厚さを0.1μmもの厚さにし
ているため、これがFETそのものの性能を落とす原因
となっている。
【0008】図13は、電子走行層の厚さの低減により
高性能化を図った従来のAlGaN/GaN HEMT
の例を示す(Appl. Phys. Lett.68(20),2849(1996))。
図13に示すように、このAlGaN/GaN HEM
Tにおいては、サファイア基板301上にAlNバッフ
ァ層302、アンドープGaN層303、アンドープA
l0.16Ga0.84N層304、電子走行層としてのアンド
ープGaNチャネル層305、アンドープAl0.16Ga
0.84Nスペーサ層306、n型Al0.16Ga0.84N電子
供給層307、アンドープAl0.16Ga0.84N障壁層3
08およびn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層309
が順次積層されている。各層の厚さは、アンドープGa
N層303は3〜5μm、アンドープAl0.16Ga0.84
N層304は20nm、アンドープGaNチャネル層3
05は7.5nm、アンドープAl0.16Ga0.84Nスペ
ーサ層306は5nm、n型Al0.16Ga0.84N電子供
給層307は2nm、アンドープAl0.16Ga0.84N障
壁層308は13nm、n型Al0.06Ga0.94Nコンタ
クト層309は6nmである。n型0.06Ga0.94Nコン
タクト層309上にゲート電極310、ソース電極31
1およびドレイン電極312が設けられている。ここ
で、ゲート電極310はn型0.06Ga0.94Nコンタクト
層309とショットキー接触しており、ソース電極31
1およびドレイン電極312はn型Al0.06Ga0.94N
コンタクト層309とオーミック接触している。ゲート
電極310はTi/Pd/Au膜からなり、ソース電極
311およびドレイン電極312はNi/AuSi/A
g/Au膜からなる。
高性能化を図った従来のAlGaN/GaN HEMT
の例を示す(Appl. Phys. Lett.68(20),2849(1996))。
図13に示すように、このAlGaN/GaN HEM
Tにおいては、サファイア基板301上にAlNバッフ
ァ層302、アンドープGaN層303、アンドープA
l0.16Ga0.84N層304、電子走行層としてのアンド
ープGaNチャネル層305、アンドープAl0.16Ga
0.84Nスペーサ層306、n型Al0.16Ga0.84N電子
供給層307、アンドープAl0.16Ga0.84N障壁層3
08およびn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層309
が順次積層されている。各層の厚さは、アンドープGa
N層303は3〜5μm、アンドープAl0.16Ga0.84
N層304は20nm、アンドープGaNチャネル層3
05は7.5nm、アンドープAl0.16Ga0.84Nスペ
ーサ層306は5nm、n型Al0.16Ga0.84N電子供
給層307は2nm、アンドープAl0.16Ga0.84N障
壁層308は13nm、n型Al0.06Ga0.94Nコンタ
クト層309は6nmである。n型0.06Ga0.94Nコン
タクト層309上にゲート電極310、ソース電極31
1およびドレイン電極312が設けられている。ここ
で、ゲート電極310はn型0.06Ga0.94Nコンタクト
層309とショットキー接触しており、ソース電極31
1およびドレイン電極312はn型Al0.06Ga0.94N
コンタクト層309とオーミック接触している。ゲート
電極310はTi/Pd/Au膜からなり、ソース電極
311およびドレイン電極312はNi/AuSi/A
g/Au膜からなる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
図13に示す従来のAlGaN/GaN HEMTにお
いては、電子走行層としてのアンドープGaNチャネル
層305の厚さは7.5nmと小さいものの、ソース電
極311およびドレイン電極312はn型Al0.06Ga
0.94Nコンタクト層309上に設けられていることか
ら、良好なオーミック接触を得ることができない。この
ため、ソース抵抗が高く、AlGaN/GaN HEM
T本来の性能を引き出すことができなかった。すなわ
ち、一般に、FETの性能の指標の一つである相互コン
ダクタンスgm は、ソース抵抗をRs 、真性相互コンダ
クタンス(Rs =0のときの相互コンダクタンス)をg
miで表すと、gm =gmi/(1+Rs gmi)となるが、
この式より、Rs が大きいと本来のgmiに比べて小さな
gm しか得ることができず、大きな電流駆動能力を得る
ことができない。
図13に示す従来のAlGaN/GaN HEMTにお
いては、電子走行層としてのアンドープGaNチャネル
層305の厚さは7.5nmと小さいものの、ソース電
極311およびドレイン電極312はn型Al0.06Ga
0.94Nコンタクト層309上に設けられていることか
ら、良好なオーミック接触を得ることができない。この
ため、ソース抵抗が高く、AlGaN/GaN HEM
T本来の性能を引き出すことができなかった。すなわ
ち、一般に、FETの性能の指標の一つである相互コン
ダクタンスgm は、ソース抵抗をRs 、真性相互コンダ
クタンス(Rs =0のときの相互コンダクタンス)をg
miで表すと、gm =gmi/(1+Rs gmi)となるが、
この式より、Rs が大きいと本来のgmiに比べて小さな
gm しか得ることができず、大きな電流駆動能力を得る
ことができない。
【0010】ソース電極311およびドレイン電極31
2のオーミック接触性の向上のために、これらのソース
電極311およびドレイン電極312をn型Al0.06G
a0.94Nコンタクト層309と合金化することも考えら
れるが、AlGaNは非常に固く、融点が高いため(A
lNの融点は3000℃、GaNの融点は1700℃以
上である)、金属とほとんど固溶せず、したがって合金
化により低抵抗のオーミック接触を得ることは極めて困
難である。したがって、この発明の目的は、ゲート耐圧
を十分に高く維持しながら、ソース抵抗の大幅な低減に
より高性能化を図ることができるヘテロ接合電界効果ト
ランジスタを提供することにある。
2のオーミック接触性の向上のために、これらのソース
電極311およびドレイン電極312をn型Al0.06G
a0.94Nコンタクト層309と合金化することも考えら
れるが、AlGaNは非常に固く、融点が高いため(A
lNの融点は3000℃、GaNの融点は1700℃以
上である)、金属とほとんど固溶せず、したがって合金
化により低抵抗のオーミック接触を得ることは極めて困
難である。したがって、この発明の目的は、ゲート耐圧
を十分に高く維持しながら、ソース抵抗の大幅な低減に
より高性能化を図ることができるヘテロ接合電界効果ト
ランジスタを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明者は、従来技術が
有する上述の課題を解決すべく、鋭意検討を行った。以
下にその概要を説明する。
有する上述の課題を解決すべく、鋭意検討を行った。以
下にその概要を説明する。
【0012】金属/半導体接触理論によれば、半導体の
電子濃度が十分に高ければ、合金化しないでも、半導体
に電極を低接触抵抗でオーミック接触させることが可能
である。そこで、この観点から図13に示す従来のAl
GaN/GaN HEMTを検討すると、この場合、ソ
ース電極311およびドレイン電極312がコンタクト
しているn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層309
は、ゲート電極310がコンタクトしている層でもある
ため、その電子濃度はゲート電極310とこのn型Al
0.06Ga0.94Nコンタクト層309との間に有効なショ
ットキー障壁が形成される範囲に制限されており、した
がってオーミック接触を得るには不十分な電子濃度であ
り、接触抵抗が高くなっている。
電子濃度が十分に高ければ、合金化しないでも、半導体
に電極を低接触抵抗でオーミック接触させることが可能
である。そこで、この観点から図13に示す従来のAl
GaN/GaN HEMTを検討すると、この場合、ソ
ース電極311およびドレイン電極312がコンタクト
しているn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層309
は、ゲート電極310がコンタクトしている層でもある
ため、その電子濃度はゲート電極310とこのn型Al
0.06Ga0.94Nコンタクト層309との間に有効なショ
ットキー障壁が形成される範囲に制限されており、した
がってオーミック接触を得るには不十分な電子濃度であ
り、接触抵抗が高くなっている。
【0013】ここで、図12に示すAlGaN/GaN
ヘテロ接合FETおよび図13に示すAlGaN/Ga
N HEMTにおいて、ソース電極およびドレイン電極
のコンタクト層としてより高キャリア濃度のn++型Ga
N層が採用されない第1の理由は、このn++型GaN層
を成長させた後、ゲート電極形成領域におけるn++型G
aN層のみをその下のAlGaN層を残したまま精度良
く除去する技術がないからである。第2の理由は、ソー
ス電極およびドレイン電極の合金化によってソース電極
を構成する金属が電子走行層まで達することができない
ので、たとえソース電極の接触抵抗が小さくても、電子
走行層との間にはAlGaN障壁層が存在し、ソース抵
抗が大きくなってしまうからである。なお、図11に示
すAlGaN/GaNヘテロ接合FETにおいては、ソ
ース電極105およびドレイン電極106はn型GaN
チャネル層102にコンタクトしているが、このn型G
aNチャネル層102は高キャリア濃度ではないので、
これらのソース電極105およびドレイン電極106と
n型GaNチャネル層102との間には電子に対する障
壁が形成されている。
ヘテロ接合FETおよび図13に示すAlGaN/Ga
N HEMTにおいて、ソース電極およびドレイン電極
のコンタクト層としてより高キャリア濃度のn++型Ga
N層が採用されない第1の理由は、このn++型GaN層
を成長させた後、ゲート電極形成領域におけるn++型G
aN層のみをその下のAlGaN層を残したまま精度良
く除去する技術がないからである。第2の理由は、ソー
ス電極およびドレイン電極の合金化によってソース電極
を構成する金属が電子走行層まで達することができない
ので、たとえソース電極の接触抵抗が小さくても、電子
走行層との間にはAlGaN障壁層が存在し、ソース抵
抗が大きくなってしまうからである。なお、図11に示
すAlGaN/GaNヘテロ接合FETにおいては、ソ
ース電極105およびドレイン電極106はn型GaN
チャネル層102にコンタクトしているが、このn型G
aNチャネル層102は高キャリア濃度ではないので、
これらのソース電極105およびドレイン電極106と
n型GaNチャネル層102との間には電子に対する障
壁が形成されている。
【0014】図14は、図13に示すAlGaN/Ga
N HEMTにおけるソース電極の直下のエネルギーバ
ンド図、特に伝導帯を示す。図14において、EF はフ
ェルミ準位、Ec は伝導帯の下端のエネルギーを示す
(以下同様)。図14に示すように、このAlGaN/
GaN HEMTにおいては、ソース電極311とアン
ドープGaNチャネル層305との間にはエネルギーギ
ャップEg の大きなアンドープAl0.16Ga0.84N障壁
層308が存在し、このアンドープAl0.16Ga0.84N
障壁層308とn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層3
09とのヘテロ界面に伝導帯のオフセットΔEc が生じ
ている。このオフセットΔEc による電子に対する障壁
の高さは0.15eV程度あり、室温における熱エネル
ギー0.025eVに対して大きく、ソース電極11か
らアンドープGaNチャネル層305への電子の移動、
したがってアンドープGaNチャネル層305からソー
ス電極311に流れる電流の阻害要因となる。したがっ
て、この電子に対する障壁を除去することが重要であ
る。
N HEMTにおけるソース電極の直下のエネルギーバ
ンド図、特に伝導帯を示す。図14において、EF はフ
ェルミ準位、Ec は伝導帯の下端のエネルギーを示す
(以下同様)。図14に示すように、このAlGaN/
GaN HEMTにおいては、ソース電極311とアン
ドープGaNチャネル層305との間にはエネルギーギ
ャップEg の大きなアンドープAl0.16Ga0.84N障壁
層308が存在し、このアンドープAl0.16Ga0.84N
障壁層308とn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層3
09とのヘテロ界面に伝導帯のオフセットΔEc が生じ
ている。このオフセットΔEc による電子に対する障壁
の高さは0.15eV程度あり、室温における熱エネル
ギー0.025eVに対して大きく、ソース電極11か
らアンドープGaNチャネル層305への電子の移動、
したがってアンドープGaNチャネル層305からソー
ス電極311に流れる電流の阻害要因となる。したがっ
て、この電子に対する障壁を除去することが重要であ
る。
【0015】本発明者は、鋭意検討を行った結果、n型
Al0.06Ga0.94Nコンタクト層309とアンドープA
l0.16Ga0.84N障壁層308とのヘテロ界面における
伝導帯のオフセットΔEc による電子に対する障壁をな
くすためには、アンドープAl0.16Ga0.84N障壁層3
08の代わりに、n型Al0.16Ga0.84N電子供給層3
07からn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層309に
向かってAl組成zを0.16から0.06に連続的に
減少させた傾斜組成アンドープAlz Ga1-zN層を用
いることが有効であることを見い出した。このときのソ
ース電極311の直下の伝導帯を図1に示す。図1に示
すように、この傾斜組成アンドープAlz Ga1-z N層
とn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層309とのヘテ
ロ界面における伝導帯のオフセットΔEc は0となって
いる。一方、このときのゲート電極310の直下の伝導
帯は図2に示すようになる。図2に示すように、ゲート
電極310を構成する金属の仕事関数が十分に大きく、
n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層309のキャリア
濃度および厚さが大きくなければ、十分な高さのショッ
トキー障壁eφB が得られ、ゲートショットキー障壁と
して機能することがわかる。
Al0.06Ga0.94Nコンタクト層309とアンドープA
l0.16Ga0.84N障壁層308とのヘテロ界面における
伝導帯のオフセットΔEc による電子に対する障壁をな
くすためには、アンドープAl0.16Ga0.84N障壁層3
08の代わりに、n型Al0.16Ga0.84N電子供給層3
07からn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層309に
向かってAl組成zを0.16から0.06に連続的に
減少させた傾斜組成アンドープAlz Ga1-zN層を用
いることが有効であることを見い出した。このときのソ
ース電極311の直下の伝導帯を図1に示す。図1に示
すように、この傾斜組成アンドープAlz Ga1-z N層
とn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層309とのヘテ
ロ界面における伝導帯のオフセットΔEc は0となって
いる。一方、このときのゲート電極310の直下の伝導
帯は図2に示すようになる。図2に示すように、ゲート
電極310を構成する金属の仕事関数が十分に大きく、
n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層309のキャリア
濃度および厚さが大きくなければ、十分な高さのショッ
トキー障壁eφB が得られ、ゲートショットキー障壁と
して機能することがわかる。
【0016】次に、n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト
層309上に第2のコンタクト層として十分に高キャリ
ア濃度のn++型GaN層を積層し、その上にソース電極
311をコンタクトさせるとすると、そのときの伝導帯
は図3に示すようになり、ソース電極311の直下にお
ける電子に対する障壁の高さはさらに減少する。
層309上に第2のコンタクト層として十分に高キャリ
ア濃度のn++型GaN層を積層し、その上にソース電極
311をコンタクトさせるとすると、そのときの伝導帯
は図3に示すようになり、ソース電極311の直下にお
ける電子に対する障壁の高さはさらに減少する。
【0017】ここで、ソース電極とソース電極直下の電
子走行層との間に電圧が印加された場合に、図13に示
すAlGaN/GaN HEMTと、このAlGaN/
GaN HEMTにおけるアンドープAl0.16Ga0.84
N障壁層308の代わりにアンドープ傾斜組成Alz G
a1-z N層を用いたAlGaN/GaN HEMTとの
間で、どのような作用上の相違があるか考察する。ま
ず、図13に示すAlGaN/GaN HEMTにおい
ては、図14に示すように、ソース電極311の電子に
対する障壁eφT は、EF とアンドープAl0.16Ga
0.84Nスペーサ層306の伝導帯の下端の頂上との間の
エネルギー差である。ここで、電圧Vf がソース電極と
電子走行層との間に印加されたとき、全体の障壁eφT
は減少せず、これはショットキー逆バイアスと同じ状況
であり、ソース抵抗は高いことが予想される。これに対
し、アンドープAl0.16Ga0.84N障壁層308の代わ
りにアンドープ傾斜組成Alz Ga1-z N層を用いた図
1に示すAlGaN/GaNHEMTにおいては、印加
電圧Vf の上昇とともに電子に対する障壁eφT は減少
し、最終的にはソース電極311とn型Al0.06Ga
0.94Nコンタクト層309との界面に存在する小さな障
壁だけとなる。この印加モードはあたかもショットキー
順方向バイアスと同じである。
子走行層との間に電圧が印加された場合に、図13に示
すAlGaN/GaN HEMTと、このAlGaN/
GaN HEMTにおけるアンドープAl0.16Ga0.84
N障壁層308の代わりにアンドープ傾斜組成Alz G
a1-z N層を用いたAlGaN/GaN HEMTとの
間で、どのような作用上の相違があるか考察する。ま
ず、図13に示すAlGaN/GaN HEMTにおい
ては、図14に示すように、ソース電極311の電子に
対する障壁eφT は、EF とアンドープAl0.16Ga
0.84Nスペーサ層306の伝導帯の下端の頂上との間の
エネルギー差である。ここで、電圧Vf がソース電極と
電子走行層との間に印加されたとき、全体の障壁eφT
は減少せず、これはショットキー逆バイアスと同じ状況
であり、ソース抵抗は高いことが予想される。これに対
し、アンドープAl0.16Ga0.84N障壁層308の代わ
りにアンドープ傾斜組成Alz Ga1-z N層を用いた図
1に示すAlGaN/GaNHEMTにおいては、印加
電圧Vf の上昇とともに電子に対する障壁eφT は減少
し、最終的にはソース電極311とn型Al0.06Ga
0.94Nコンタクト層309との界面に存在する小さな障
壁だけとなる。この印加モードはあたかもショットキー
順方向バイアスと同じである。
【0018】n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層30
9とソース電極311との間にさらにn++型GaN層が
介在していれば、ソース電極311とn型Al0.06Ga
0.94Nコンタクト層309との界面に存在していた障壁
も実質的になくなり、完全なショットキー順バイアスモ
ードとなることがわかる。
9とソース電極311との間にさらにn++型GaN層が
介在していれば、ソース電極311とn型Al0.06Ga
0.94Nコンタクト層309との界面に存在していた障壁
も実質的になくなり、完全なショットキー順バイアスモ
ードとなることがわかる。
【0019】なお、このように高キャリア濃度のn++型
GaN層をソース電極部のみに存在させるためには、ゲ
ート電極310の形成部のn++型GaN層のみを選択的
にエッチングすることが必要であるが、このエッチング
には、本出願人が特願平9−66536号において提案
したエッチング技術を用いることができる。このエッチ
ング技術によれば、HClとN2 との混合ガスをエッチ
ングとして用い、600〜800℃の高温で熱化学的に
エッチングすることにより、GaNのみエッチングし、
AlGaNはエッチングされないようにすることができ
る。
GaN層をソース電極部のみに存在させるためには、ゲ
ート電極310の形成部のn++型GaN層のみを選択的
にエッチングすることが必要であるが、このエッチング
には、本出願人が特願平9−66536号において提案
したエッチング技術を用いることができる。このエッチ
ング技術によれば、HClとN2 との混合ガスをエッチ
ングとして用い、600〜800℃の高温で熱化学的に
エッチングすることにより、GaNのみエッチングし、
AlGaNはエッチングされないようにすることができ
る。
【0020】次に、図13に示すAlGaN/GaN
HEMTにおいては、コンタクト層としてn型Al0.06
Ga0.94Nコンタクト層209を用いているが、このコ
ンタクト層としてのn型AlGaN層のAl組成はどの
程度の値とすることが可能か検討する。まず、AlGa
Nの電子親和力はそのAl組成の増加とともに小さくな
る。したがって、AlGaNと金属との間のショットキ
ー障壁はそのAl組成の増加とともに大きくなる。ここ
で、十分な高さのゲートショットキー障壁を得る観点か
らは、AlGaNのAl組成は大きい方がよい。すなわ
ち、図12に示すAlGaN/GaNヘテロ接合FET
におけるようにAl組成が0.15と高いn型AlGa
N層上にゲート電極を形成する方がよい。しかしなが
ら、このようにすると、結果的にソース電極の直下にお
ける障壁が高くなるので、ソース抵抗の低減の観点から
は好ましくない。実際問題としては、ゲート電極310
の主要材料としてPtを用いれば、GaNにPtをコン
タクトさせたときのショットキー障壁が1.1eVある
ので、ゲートショットキー障壁の必要条件は十分に満た
していると考えられる。そこで、ここでは、ソース抵抗
の低減に主眼を置き、Al組成を小さくするのが望まし
い。理論上は、ソース電極の直下における障壁の高さを
0.15eV以下に抑えるためには、コンタクト層とし
てのn型AlGaN層のAl組成は0.1以下とするこ
とが望ましい。さらに、このn型AlGaN層のAl組
成が0、すなわちn型GaN層をコンタクト層として用
いることも、その厚さおよびキャリア濃度が大きくない
限り可能である。
HEMTにおいては、コンタクト層としてn型Al0.06
Ga0.94Nコンタクト層209を用いているが、このコ
ンタクト層としてのn型AlGaN層のAl組成はどの
程度の値とすることが可能か検討する。まず、AlGa
Nの電子親和力はそのAl組成の増加とともに小さくな
る。したがって、AlGaNと金属との間のショットキ
ー障壁はそのAl組成の増加とともに大きくなる。ここ
で、十分な高さのゲートショットキー障壁を得る観点か
らは、AlGaNのAl組成は大きい方がよい。すなわ
ち、図12に示すAlGaN/GaNヘテロ接合FET
におけるようにAl組成が0.15と高いn型AlGa
N層上にゲート電極を形成する方がよい。しかしなが
ら、このようにすると、結果的にソース電極の直下にお
ける障壁が高くなるので、ソース抵抗の低減の観点から
は好ましくない。実際問題としては、ゲート電極310
の主要材料としてPtを用いれば、GaNにPtをコン
タクトさせたときのショットキー障壁が1.1eVある
ので、ゲートショットキー障壁の必要条件は十分に満た
していると考えられる。そこで、ここでは、ソース抵抗
の低減に主眼を置き、Al組成を小さくするのが望まし
い。理論上は、ソース電極の直下における障壁の高さを
0.15eV以下に抑えるためには、コンタクト層とし
てのn型AlGaN層のAl組成は0.1以下とするこ
とが望ましい。さらに、このn型AlGaN層のAl組
成が0、すなわちn型GaN層をコンタクト層として用
いることも、その厚さおよびキャリア濃度が大きくない
限り可能である。
【0021】以上はAlGaN/GaN HEMTにつ
いてであるが、GaN系半導体と同様に、金属との合金
化が生じにくく、合金化により金属との良好なオーミッ
ク接触を得ることが困難な他の半導体を用いたHEMT
についても同様なことが成立し得る。この発明は、本発
明者による以上の検討に基づいて案出されたものであ
る。
いてであるが、GaN系半導体と同様に、金属との合金
化が生じにくく、合金化により金属との良好なオーミッ
ク接触を得ることが困難な他の半導体を用いたHEMT
についても同様なことが成立し得る。この発明は、本発
明者による以上の検討に基づいて案出されたものであ
る。
【0022】すなわち、上記目的を達成するために、こ
の発明によるヘテロ接合電界効果トランジスタは、電子
走行層と、電子走行層上の電子供給層と、電子供給層上
の障壁層と、障壁層上のコンタクト層とを有するヘテロ
接合電界効果トランジスタにおいて、ソース電極の直下
における障壁層の伝導帯の下端のエネルギーが電子供給
層からコンタクト層に向かって連続的に減少しているこ
とを特徴とするものである。
の発明によるヘテロ接合電界効果トランジスタは、電子
走行層と、電子走行層上の電子供給層と、電子供給層上
の障壁層と、障壁層上のコンタクト層とを有するヘテロ
接合電界効果トランジスタにおいて、ソース電極の直下
における障壁層の伝導帯の下端のエネルギーが電子供給
層からコンタクト層に向かって連続的に減少しているこ
とを特徴とするものである。
【0023】この発明において、ソース電極およびドレ
イン電極はコンタクト層上に設けられる。一方、ゲート
電極は本来コンタクト層上に設けられる必要はないが、
ソース電極およびドレイン電極とともにコンタクト層上
に設けてもよい。
イン電極はコンタクト層上に設けられる。一方、ゲート
電極は本来コンタクト層上に設けられる必要はないが、
ソース電極およびドレイン電極とともにコンタクト層上
に設けてもよい。
【0024】この発明においては、典型的には、障壁層
とコンタクト層との界面において障壁層の伝導帯の下端
のエネルギーがコンタクト層の伝導帯の下端のエネルギ
ーとほぼ同一である。このとき、ソース電極の直下にお
ける障壁層とコンタクト層との界面の伝導帯のオフセッ
トΔEc はほぼ0となる。ここで、障壁層の伝導帯の下
端のエネルギーを電子供給層からコンタクト層に向かっ
て連続的に減少させるためには、具体的には、障壁層の
組成を電子供給層からコンタクト層に向かって連続的に
変化させる。また、この発明においては、典型的には、
ソース電極の直下における障壁層のエネルギーギャップ
が電子供給層からコンタクト層に向かって連続的に減少
している。なお、電子供給層のエネルギーギャップは、
通常、電子走行層のエネルギーギャップより大きい。
とコンタクト層との界面において障壁層の伝導帯の下端
のエネルギーがコンタクト層の伝導帯の下端のエネルギ
ーとほぼ同一である。このとき、ソース電極の直下にお
ける障壁層とコンタクト層との界面の伝導帯のオフセッ
トΔEc はほぼ0となる。ここで、障壁層の伝導帯の下
端のエネルギーを電子供給層からコンタクト層に向かっ
て連続的に減少させるためには、具体的には、障壁層の
組成を電子供給層からコンタクト層に向かって連続的に
変化させる。また、この発明においては、典型的には、
ソース電極の直下における障壁層のエネルギーギャップ
が電子供給層からコンタクト層に向かって連続的に減少
している。なお、電子供給層のエネルギーギャップは、
通常、電子走行層のエネルギーギャップより大きい。
【0025】この発明において、典型的には、障壁層は
アンドープであり、コンタクト層はn型である。
アンドープであり、コンタクト層はn型である。
【0026】この発明において、電子走行層、電子供給
層、障壁層、コンタクト層などは、典型的には、窒化物
系III−V族化合物半導体からなる。この窒化物系I
II−V族化合物半導体は、少なくともGaおよびNを
含み、場合により、さらにAl、InおよびBからなる
群より選ばれた一種以上のIII族元素および/または
AsおよびPからなる群より選ばれた一種以上のV族元
素を含む。具体的には、例えば、電子走行層はGa1-x
Inx N(ただし、0≦x≦1)からなり、電子供給層
はAly Ga1-y N(ただし、0≦y≦1)からなり、
障壁層はAlzGa1-z Nからなり、コンタクト層はn
型Alu Ga1-u N(ただし、0≦u≦0.1)または
n型Ga1-v Inv N(ただし、0≦v≦1)からな
る。
層、障壁層、コンタクト層などは、典型的には、窒化物
系III−V族化合物半導体からなる。この窒化物系I
II−V族化合物半導体は、少なくともGaおよびNを
含み、場合により、さらにAl、InおよびBからなる
群より選ばれた一種以上のIII族元素および/または
AsおよびPからなる群より選ばれた一種以上のV族元
素を含む。具体的には、例えば、電子走行層はGa1-x
Inx N(ただし、0≦x≦1)からなり、電子供給層
はAly Ga1-y N(ただし、0≦y≦1)からなり、
障壁層はAlzGa1-z Nからなり、コンタクト層はn
型Alu Ga1-u N(ただし、0≦u≦0.1)または
n型Ga1-v Inv N(ただし、0≦v≦1)からな
る。
【0027】この場合、好適には、障壁層を構成するA
lz Ga1-z NのAl組成zは、電子供給層からコンタ
クト層に向かってyからuに連続的に減少させる。ま
た、障壁層を構成するAlz Ga1-z NのAl組成z
は、好適には、障壁層とコンタクト層との界面において
0.1以下とする。
lz Ga1-z NのAl組成zは、電子供給層からコンタ
クト層に向かってyからuに連続的に減少させる。ま
た、障壁層を構成するAlz Ga1-z NのAl組成z
は、好適には、障壁層とコンタクト層との界面において
0.1以下とする。
【0028】上述のように構成されたこの発明によれ
ば、ソース電極の直下における障壁層の伝導帯の下端の
エネルギーが電子供給層からコンタクト層に向かって連
続的に減少していることにより、障壁層とコンタクト層
との界面における伝導帯のオフセットΔEc を十分に小
さくすることができ、したがってこのオフセットΔEc
による電子に対する障壁を十分に小さくすることができ
る。
ば、ソース電極の直下における障壁層の伝導帯の下端の
エネルギーが電子供給層からコンタクト層に向かって連
続的に減少していることにより、障壁層とコンタクト層
との界面における伝導帯のオフセットΔEc を十分に小
さくすることができ、したがってこのオフセットΔEc
による電子に対する障壁を十分に小さくすることができ
る。
【0029】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図
において、同一または対応する部分には同一の符号を付
す。
て図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図
において、同一または対応する部分には同一の符号を付
す。
【0030】図4は、この発明の第1の実施形態による
AlGaN/GaN HEMTを示す。このAlGaN
/GaN HEMTにおけるソース電極直下の伝導帯お
よびゲート電極直下の伝導帯はそれぞれ図1および図2
に示すものと同様である。
AlGaN/GaN HEMTを示す。このAlGaN
/GaN HEMTにおけるソース電極直下の伝導帯お
よびゲート電極直下の伝導帯はそれぞれ図1および図2
に示すものと同様である。
【0031】図4に示すように、この第1の実施形態に
よるAlGaN/GaN HEMTにおいては、C面サ
ファイア基板1上に、AlNまたはGaNからなる低温
成長によるバッファ層(図示せず)を介して、アンドー
プGaN層2、アンドープAl0.3 Ga0.7 N層3、ア
ンドープGaNチャネル層4、アンドープAl0.15Ga
0.85Nスペーサ層5、n型不純物として例えばSiがド
ープされたn型Al0.15Ga0.85N電子供給層6、傾斜
組成アンドープAlz Ga1-z N障壁層7およびn型不
純物として例えばSiがドープされたn型Al0.06Ga
0.94Nコンタクト層8が順次積層されている。各層の厚
さの一例を挙げると、バッファ層は30nm、アンドー
プGaN層2は2μm、アンドープAl0.3 Ga0.7 N
層3は30nm、アンドープGaNチャネル層4は10
nm、アンドープAl0.15Ga0.85Nスペーサ層5は1
0nm、n型Al0.15Ga0.85N電子供給層6は10n
m、傾斜組成アンドープAlz Ga1-z N障壁層7は1
5nm、n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8は6n
mである。n型Al0.15Ga0.85N電子供給層6および
n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8のキャリア濃度
は例えば2×1019cm-3である。
よるAlGaN/GaN HEMTにおいては、C面サ
ファイア基板1上に、AlNまたはGaNからなる低温
成長によるバッファ層(図示せず)を介して、アンドー
プGaN層2、アンドープAl0.3 Ga0.7 N層3、ア
ンドープGaNチャネル層4、アンドープAl0.15Ga
0.85Nスペーサ層5、n型不純物として例えばSiがド
ープされたn型Al0.15Ga0.85N電子供給層6、傾斜
組成アンドープAlz Ga1-z N障壁層7およびn型不
純物として例えばSiがドープされたn型Al0.06Ga
0.94Nコンタクト層8が順次積層されている。各層の厚
さの一例を挙げると、バッファ層は30nm、アンドー
プGaN層2は2μm、アンドープAl0.3 Ga0.7 N
層3は30nm、アンドープGaNチャネル層4は10
nm、アンドープAl0.15Ga0.85Nスペーサ層5は1
0nm、n型Al0.15Ga0.85N電子供給層6は10n
m、傾斜組成アンドープAlz Ga1-z N障壁層7は1
5nm、n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8は6n
mである。n型Al0.15Ga0.85N電子供給層6および
n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8のキャリア濃度
は例えば2×1019cm-3である。
【0032】n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8上
にゲート電極9、ソース電極10およびドレイン電極1
1が設けられている。ここで、ゲート電極9はn型Al
0.06Ga0.94Nコンタクト層8とショットキー接触して
おり、ソース電極10およびドレイン電極11はn型A
l0.06Ga0.94Nコンタクト層8とオーミック接触して
いる。
にゲート電極9、ソース電極10およびドレイン電極1
1が設けられている。ここで、ゲート電極9はn型Al
0.06Ga0.94Nコンタクト層8とショットキー接触して
おり、ソース電極10およびドレイン電極11はn型A
l0.06Ga0.94Nコンタクト層8とオーミック接触して
いる。
【0033】ここで、傾斜組成アンドープAlz Ga
1-z N障壁層7のAl組成zは、この傾斜組成アンドー
プAlz Ga1-z N障壁層7とn型Al0.15Ga0.85N
電子供給層6との界面における0.15から、この傾斜
組成アンドープAlz Ga1-zN層7とn型Al0.06G
a0.94Nコンタクト層8との界面における0.06まで
直線的に連続的に減少している。このとき、この傾斜組
成アンドープAlz Ga1-z N障壁層7の伝導帯の下端
のエネルギーEc は、n型Al0.15Ga0.85N電子供給
層6からn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8に向か
って直線的に連続的に減少しており、この傾斜組成アン
ドープAlz Ga1-z N障壁層7とn型Al0.06Ga
0.94Nコンタクト層8とのヘテロ界面においてはこのn
型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8の伝導帯の下端の
エネルギーEc と等しくなっている。このため、傾斜組
成アンドープAlz Ga1-z N障壁層7とn型Al0.06
Ga0.94Nコンタクト層8とのヘテロ界面においては伝
導帯のオフセットΔEc が存在せず、したがってこのオ
フセットΔEc による電子に対する障壁は存在しない。
そして、この場合には、ソース電極10の直下において
は、このソース電極10とn型Al0.06Ga0.94Nコン
タクト層8との界面に理論上存在する約0.1eV以下
の高さの小さなノッチ状の障壁しか現れない。このと
き、このソース電極10の直下においては、電子の流れ
はダイオードに順方向バイアスを印加した場合と等価で
あるので、約0.1eV以下の高さの小さな障壁による
抵抗を除けば抵抗は非常に低くなる。一方、図2に示す
ように、ゲート電極10の直下の伝導帯には、十分に高
いショットキー障壁eφB が形成されている。
1-z N障壁層7のAl組成zは、この傾斜組成アンドー
プAlz Ga1-z N障壁層7とn型Al0.15Ga0.85N
電子供給層6との界面における0.15から、この傾斜
組成アンドープAlz Ga1-zN層7とn型Al0.06G
a0.94Nコンタクト層8との界面における0.06まで
直線的に連続的に減少している。このとき、この傾斜組
成アンドープAlz Ga1-z N障壁層7の伝導帯の下端
のエネルギーEc は、n型Al0.15Ga0.85N電子供給
層6からn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8に向か
って直線的に連続的に減少しており、この傾斜組成アン
ドープAlz Ga1-z N障壁層7とn型Al0.06Ga
0.94Nコンタクト層8とのヘテロ界面においてはこのn
型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8の伝導帯の下端の
エネルギーEc と等しくなっている。このため、傾斜組
成アンドープAlz Ga1-z N障壁層7とn型Al0.06
Ga0.94Nコンタクト層8とのヘテロ界面においては伝
導帯のオフセットΔEc が存在せず、したがってこのオ
フセットΔEc による電子に対する障壁は存在しない。
そして、この場合には、ソース電極10の直下において
は、このソース電極10とn型Al0.06Ga0.94Nコン
タクト層8との界面に理論上存在する約0.1eV以下
の高さの小さなノッチ状の障壁しか現れない。このと
き、このソース電極10の直下においては、電子の流れ
はダイオードに順方向バイアスを印加した場合と等価で
あるので、約0.1eV以下の高さの小さな障壁による
抵抗を除けば抵抗は非常に低くなる。一方、図2に示す
ように、ゲート電極10の直下の伝導帯には、十分に高
いショットキー障壁eφB が形成されている。
【0034】次に、上述のように構成されたこの第1の
実施形態によるAlGaN/GaNHEMTの製造方法
について説明する。
実施形態によるAlGaN/GaNHEMTの製造方法
について説明する。
【0035】すなわち、図4に示すように、まず、例え
ば、有機金属化学気相成長(MOCVD)装置の反応管
内で、C面サファイア基板1を水素(H2 )雰囲気中に
おいて例えば1050℃に加熱することにより表面をク
リーニングした後、基板温度を例えば530℃に下げ、
この温度でAlNまたはGaNからなるバッファ層(図
示せず)を成長させる。次に、アンモニア(NH3 )ガ
スを流しながら基板温度を例えば1000℃に上昇させ
て保持し、バッファ層上に、アンドープGaN層2、ア
ンドープAl0.3 Ga0.7 N層3、アンドープGaNチ
ャネル層4、アンドープAl0.15Ga0.85Nスペーサ層
5、n型Al0.15Ga0.85N電子供給層6、傾斜組成ア
ンドープAlz Ga1-z N障壁層7およびn型Al0.06
Ga0.94Nコンタクト層8を順次成長させる。これらの
GaN系半導体層の成長の際の原料ガスとしては、例え
ば、Ga原料としてトリメチルガリウム(TMG)、A
l原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)、N原
料としてNH3 、n型不純物であるSiのドーパントと
してシラン(SiH4 )を用いる。キャリアガスとして
は例えばH2 を用いる。ここで、傾斜組成アンドープA
lz Ga1-z N障壁層7の成長の際には、Ga原料の供
給量に対するAl原料の供給量の比を徐々に減少させな
がら成長を行う。
ば、有機金属化学気相成長(MOCVD)装置の反応管
内で、C面サファイア基板1を水素(H2 )雰囲気中に
おいて例えば1050℃に加熱することにより表面をク
リーニングした後、基板温度を例えば530℃に下げ、
この温度でAlNまたはGaNからなるバッファ層(図
示せず)を成長させる。次に、アンモニア(NH3 )ガ
スを流しながら基板温度を例えば1000℃に上昇させ
て保持し、バッファ層上に、アンドープGaN層2、ア
ンドープAl0.3 Ga0.7 N層3、アンドープGaNチ
ャネル層4、アンドープAl0.15Ga0.85Nスペーサ層
5、n型Al0.15Ga0.85N電子供給層6、傾斜組成ア
ンドープAlz Ga1-z N障壁層7およびn型Al0.06
Ga0.94Nコンタクト層8を順次成長させる。これらの
GaN系半導体層の成長の際の原料ガスとしては、例え
ば、Ga原料としてトリメチルガリウム(TMG)、A
l原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)、N原
料としてNH3 、n型不純物であるSiのドーパントと
してシラン(SiH4 )を用いる。キャリアガスとして
は例えばH2 を用いる。ここで、傾斜組成アンドープA
lz Ga1-z N障壁層7の成長の際には、Ga原料の供
給量に対するAl原料の供給量の比を徐々に減少させな
がら成長を行う。
【0036】次に、リソグラフィーによりn型Al0.06
Ga0.94Nコンタクト層8上に所定形状のレジストパタ
ーン(図示せず)を形成した後、このレジストパターン
をマスクとして例えばRIE法によりアンドープGaN
層2の深さ方向の途中まで、例えば0.1μmの深さま
でエッチングすることにより、アンドープGaN層2の
上層部、アンドープAl0.3 Ga0.7 N層3、アンドー
プGaNチャネル層4、アンドープAl0.15Ga0.85N
スペーサ層5、n型Al0.15Ga0.85N電子供給層6、
アンドープ傾斜組成Alz Ga1-z N障壁層7およびn
型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8をメサ型にパター
ニングし、素子分離を行う。
Ga0.94Nコンタクト層8上に所定形状のレジストパタ
ーン(図示せず)を形成した後、このレジストパターン
をマスクとして例えばRIE法によりアンドープGaN
層2の深さ方向の途中まで、例えば0.1μmの深さま
でエッチングすることにより、アンドープGaN層2の
上層部、アンドープAl0.3 Ga0.7 N層3、アンドー
プGaNチャネル層4、アンドープAl0.15Ga0.85N
スペーサ層5、n型Al0.15Ga0.85N電子供給層6、
アンドープ傾斜組成Alz Ga1-z N障壁層7およびn
型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8をメサ型にパター
ニングし、素子分離を行う。
【0037】次に、リソグラフィーによりn型Al0.06
Ga0.94Nコンタクト層8上にソース電極およびドレイ
ン電極形成用の所定形状のレジストパターン(図示せ
ず)を形成した後、例えば真空蒸着法により全面に例え
ばTi/Al/Au膜(図示せず)を形成する。この
後、リフトオフ法により、レジストパターンをその上に
形成されたTi/Al/Au膜とともに除去する。これ
によって、n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8上に
ソース電極10およびドレイン電極11が形成される。
この後、ソース電極10およびドレイン電極11の接触
抵抗を低くするために、例えば、N2 雰囲気、850
℃、5分間の条件で熱処理を行う。
Ga0.94Nコンタクト層8上にソース電極およびドレイ
ン電極形成用の所定形状のレジストパターン(図示せ
ず)を形成した後、例えば真空蒸着法により全面に例え
ばTi/Al/Au膜(図示せず)を形成する。この
後、リフトオフ法により、レジストパターンをその上に
形成されたTi/Al/Au膜とともに除去する。これ
によって、n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8上に
ソース電極10およびドレイン電極11が形成される。
この後、ソース電極10およびドレイン電極11の接触
抵抗を低くするために、例えば、N2 雰囲気、850
℃、5分間の条件で熱処理を行う。
【0038】次に、リソグラフィーによりn型Al0.06
Ga0.94Nコンタクト層8上にゲート電極形成用の所定
形状のレジストパターン(図示せず)を形成した後、例
えば真空蒸着法により全面に例えばTi/Pt/Au膜
を形成する。次に、リフトオフ法により、レジストパタ
ーンをその上に形成されたTi/Pt/Au膜とともに
除去する。これによって、n型Al0.06Ga0.94Nコン
タクト層8上にこのn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト
層8とショットキー接触したゲート電極9が形成され
る。
Ga0.94Nコンタクト層8上にゲート電極形成用の所定
形状のレジストパターン(図示せず)を形成した後、例
えば真空蒸着法により全面に例えばTi/Pt/Au膜
を形成する。次に、リフトオフ法により、レジストパタ
ーンをその上に形成されたTi/Pt/Au膜とともに
除去する。これによって、n型Al0.06Ga0.94Nコン
タクト層8上にこのn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト
層8とショットキー接触したゲート電極9が形成され
る。
【0039】以上により、図4に示すように、目的とす
るAlGaN/GaN HEMTが製造される。
るAlGaN/GaN HEMTが製造される。
【0040】以上のように、この第1の実施形態によれ
ば、n型Al0.15Ga0.85N電子供給層6とn型Al
0.06Ga0.94Nコンタクト層8との間に設けられる障壁
層が、n型Al0.06Ga0.94N電子供給層8からn型A
l0.06Ga0.94Nコンタクト層8に向かってAl組成z
が0.15から0.06まで連続的に減少している傾斜
組成アンドープAlz Ga1-z N障壁層7であるので、
この傾斜組成アンドープAlz Ga1-z N障壁層7の伝
導帯の下端のエネルギーはn型Al0.06Ga0.94N電子
供給層8からn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8に
向かって直線的に連続的に減少し、この傾斜組成アンド
ープAlz Ga1-z N障壁層7とn型Al 0.06Ga0.94
Nコンタクト層8とのヘテロ界面ではこのn型Al0.06
Ga0.94Nコンタクト層8の下端のエネルギーと一致し
ている。このため、この傾斜組成アンドープAlz Ga
1-z N障壁層7とn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層
8とのヘテロ界面には伝導帯のオフセットΔEc がな
く、したがってこのオフセットΔEc による電子に対す
る障壁は存在せず、わずかにソース電極10とn型Al
0.06Ga0.94Nコンタクト層8との界面に小さな障壁が
存在するのみである。このため、ソース電極10からア
ンドープGaNチャネル層4への電子の移動、したがっ
てアンドープGaNチャネル層4からソース電極10に
流れる電流の阻害要因がなくなり、ソース抵抗の大幅な
低減を図ることができる。これによって、AlGaN/
GaN HEMT本来の性能を引き出すことができ、従
来に比べて相互コンダクタンスgm を大幅に増加させ、
大きな電流駆動能力を得ることができる。また、このと
き、ゲート電極9とn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト
層8との間には十分な高さのショットキー障壁が形成さ
れていることにより、ゲート耐圧も十分に確保すること
ができる。
ば、n型Al0.15Ga0.85N電子供給層6とn型Al
0.06Ga0.94Nコンタクト層8との間に設けられる障壁
層が、n型Al0.06Ga0.94N電子供給層8からn型A
l0.06Ga0.94Nコンタクト層8に向かってAl組成z
が0.15から0.06まで連続的に減少している傾斜
組成アンドープAlz Ga1-z N障壁層7であるので、
この傾斜組成アンドープAlz Ga1-z N障壁層7の伝
導帯の下端のエネルギーはn型Al0.06Ga0.94N電子
供給層8からn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8に
向かって直線的に連続的に減少し、この傾斜組成アンド
ープAlz Ga1-z N障壁層7とn型Al 0.06Ga0.94
Nコンタクト層8とのヘテロ界面ではこのn型Al0.06
Ga0.94Nコンタクト層8の下端のエネルギーと一致し
ている。このため、この傾斜組成アンドープAlz Ga
1-z N障壁層7とn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層
8とのヘテロ界面には伝導帯のオフセットΔEc がな
く、したがってこのオフセットΔEc による電子に対す
る障壁は存在せず、わずかにソース電極10とn型Al
0.06Ga0.94Nコンタクト層8との界面に小さな障壁が
存在するのみである。このため、ソース電極10からア
ンドープGaNチャネル層4への電子の移動、したがっ
てアンドープGaNチャネル層4からソース電極10に
流れる電流の阻害要因がなくなり、ソース抵抗の大幅な
低減を図ることができる。これによって、AlGaN/
GaN HEMT本来の性能を引き出すことができ、従
来に比べて相互コンダクタンスgm を大幅に増加させ、
大きな電流駆動能力を得ることができる。また、このと
き、ゲート電極9とn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト
層8との間には十分な高さのショットキー障壁が形成さ
れていることにより、ゲート耐圧も十分に確保すること
ができる。
【0041】以上により、ゲート耐圧を十分に高く維持
しながら、ソース抵抗の大幅な低減を図ることができ、
さらにアンドープGaNチャネル層4の厚さを10nm
と十分に小さくしていることにより、高出力の高性能A
lGaN/GaN HEMTを実現することができる。
しながら、ソース抵抗の大幅な低減を図ることができ、
さらにアンドープGaNチャネル層4の厚さを10nm
と十分に小さくしていることにより、高出力の高性能A
lGaN/GaN HEMTを実現することができる。
【0042】また、このAlGaN/GaN HEMT
は、基本的には従来の技術を用いて容易に製造すること
ができ、低コストで製造することができる。
は、基本的には従来の技術を用いて容易に製造すること
ができ、低コストで製造することができる。
【0043】次に、この発明の第2の実施形態によるA
lGaN/GaN HEMTについて説明する。図5は
この第2の実施形態によるAlGaN/GaN HEM
Tを示す。
lGaN/GaN HEMTについて説明する。図5は
この第2の実施形態によるAlGaN/GaN HEM
Tを示す。
【0044】図5に示すように、この第2の実施形態に
よるAlGaN/GaN HEMTにおいては、ソース
電極およびドレイン電極部におけるn型Al0.06Ga
0.94Nコンタクト層8上にn++型GaNコンタクト層1
2が積層され、このn++型GaNコンタクト層12上に
ソース電極10およびドレイン電極11が設けられてい
る。このn++型GaNコンタクト層12の厚さは例えば
0.2μm、キャリア濃度は例えば2×1019cm-3で
ある。また、ゲート電極9とソース電極10およびドレ
イン電極11との間の部分の表面は例えばSiO2 膜1
3により覆われている。その他の構成は第1の実施形態
と同様であるので、説明を省略する。
よるAlGaN/GaN HEMTにおいては、ソース
電極およびドレイン電極部におけるn型Al0.06Ga
0.94Nコンタクト層8上にn++型GaNコンタクト層1
2が積層され、このn++型GaNコンタクト層12上に
ソース電極10およびドレイン電極11が設けられてい
る。このn++型GaNコンタクト層12の厚さは例えば
0.2μm、キャリア濃度は例えば2×1019cm-3で
ある。また、ゲート電極9とソース電極10およびドレ
イン電極11との間の部分の表面は例えばSiO2 膜1
3により覆われている。その他の構成は第1の実施形態
と同様であるので、説明を省略する。
【0045】次に、上述のように構成されたこの第2の
実施形態によるAlGaN/GaNHEMTの製造方法
について説明する。
実施形態によるAlGaN/GaNHEMTの製造方法
について説明する。
【0046】すなわち、まず、第1の実施形態と同様に
して、C面サファイア基板1上に、MOCVD法によ
り、AlNまたはGaNからなるバッファ層(図示せ
ず)、アンドープGaN層2、アンドープAl0.3 Ga
0.7 N層3、アンドープGaNチャネル層4、アンドー
プAl0.15Ga0.85Nスペーサ層5、n型Al0.15Ga
0.85N電子供給層6、傾斜組成アンドープAlz Ga
1-z N障壁層7、n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層
8およびn++型GaNコンタクト層12を順次成長させ
た後、これらの層をメサ型にパターニングして素子分離
を行う。
して、C面サファイア基板1上に、MOCVD法によ
り、AlNまたはGaNからなるバッファ層(図示せ
ず)、アンドープGaN層2、アンドープAl0.3 Ga
0.7 N層3、アンドープGaNチャネル層4、アンドー
プAl0.15Ga0.85Nスペーサ層5、n型Al0.15Ga
0.85N電子供給層6、傾斜組成アンドープAlz Ga
1-z N障壁層7、n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層
8およびn++型GaNコンタクト層12を順次成長させ
た後、これらの層をメサ型にパターニングして素子分離
を行う。
【0047】次に、ソース電極およびドレイン電極形成
部におけるn++型GaNコンタクト層12の表面を例え
ばSiO2 膜(図示せず)でマスクし、例えばHClと
N2との混合ガスからなり、HClを10%含むエッチ
ングガスを用いて、700℃で35分間、熱化学エッチ
ングを行う。この熱化学エッチングにおいては、n++型
GaNコンタクト層12は30分間のエッチングで約
0.3μmエッチングされるが、n型Al0.06Ga0.94
Nコンタクト層8はAl組成が0.06と少なくても全
くエッチングされない。したがって、この熱化学エッチ
ングにより、ゲート電極形成部におけるn++型GaNコ
ンタクト層12は完全に除去されるが、n型Al0.06G
a0.94Nコンタクト層8は全くエッチングされず完全に
残される。
部におけるn++型GaNコンタクト層12の表面を例え
ばSiO2 膜(図示せず)でマスクし、例えばHClと
N2との混合ガスからなり、HClを10%含むエッチ
ングガスを用いて、700℃で35分間、熱化学エッチ
ングを行う。この熱化学エッチングにおいては、n++型
GaNコンタクト層12は30分間のエッチングで約
0.3μmエッチングされるが、n型Al0.06Ga0.94
Nコンタクト層8はAl組成が0.06と少なくても全
くエッチングされない。したがって、この熱化学エッチ
ングにより、ゲート電極形成部におけるn++型GaNコ
ンタクト層12は完全に除去されるが、n型Al0.06G
a0.94Nコンタクト層8は全くエッチングされず完全に
残される。
【0048】次に、例えばCVD法により全面にSiO
2 膜13を形成した後、このSiO 2 膜13上にリソグ
ラフィーによりソース電極およびドレイン電極形成用の
所定形状のレジストパターン(図示せず)を形成し、こ
のレジストパターンをマスクとしてSiO2 膜13をエ
ッチングし、ソース電極およびドレイン電極形成部にお
けるn++型GaNコンタクト層12の表面を露出させ
る。次に、例えば真空蒸着法により全面に例えばTi/
Al/Au膜(図示せず)を形成する。この後、リフト
オフ法により、レジストパターンをその上に形成された
Ti/Al/Au膜とともに除去する。これによって、
n++型GaNコンタクト層12上にソース電極10およ
びドレイン電極11が形成される。この後、ソース電極
10およびドレイン電極11の接触抵抗を低くするため
に、例えば、N2 雰囲気、850℃、5分の条件で熱処
理を行う。
2 膜13を形成した後、このSiO 2 膜13上にリソグ
ラフィーによりソース電極およびドレイン電極形成用の
所定形状のレジストパターン(図示せず)を形成し、こ
のレジストパターンをマスクとしてSiO2 膜13をエ
ッチングし、ソース電極およびドレイン電極形成部にお
けるn++型GaNコンタクト層12の表面を露出させ
る。次に、例えば真空蒸着法により全面に例えばTi/
Al/Au膜(図示せず)を形成する。この後、リフト
オフ法により、レジストパターンをその上に形成された
Ti/Al/Au膜とともに除去する。これによって、
n++型GaNコンタクト層12上にソース電極10およ
びドレイン電極11が形成される。この後、ソース電極
10およびドレイン電極11の接触抵抗を低くするため
に、例えば、N2 雰囲気、850℃、5分の条件で熱処
理を行う。
【0049】次に、SiO2 膜13上にリソグラフィー
によりゲート電極形成用の所定形状のレジストパターン
(図示せず)を形成し、このレジストパターンをマスク
としてSiO2 膜13をエッチングし、ゲート電極形成
部におけるn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8の表
面を露出させる。次に、例えば真空蒸着法により全面に
例えばTi/Pt/Au膜(図示せず)を形成する。こ
の後、リフトオフ法により、レジストパターンをその上
に形成されたTi/Pt/Au膜とともに除去する。こ
れによって、n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8上
にゲート電極9が形成される。
によりゲート電極形成用の所定形状のレジストパターン
(図示せず)を形成し、このレジストパターンをマスク
としてSiO2 膜13をエッチングし、ゲート電極形成
部におけるn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8の表
面を露出させる。次に、例えば真空蒸着法により全面に
例えばTi/Pt/Au膜(図示せず)を形成する。こ
の後、リフトオフ法により、レジストパターンをその上
に形成されたTi/Pt/Au膜とともに除去する。こ
れによって、n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8上
にゲート電極9が形成される。
【0050】以上により、図5に示すように、目的とす
るAlGaN/GaN HEMTが製造される。
るAlGaN/GaN HEMTが製造される。
【0051】以上のように、この第2の実施形態によれ
ば、ソース電極およびドレイン電極部におけるn型Al
0.06Ga0.94Nコンタクト層8上にのみn++型GaNコ
ンタクト層12が積層され、このn++型GaNコンタク
ト層12上にソース電極10およびドレイン電極11が
設けられていることにより、ソース電極10の直下にお
ける電子に対する障壁をより小さくすることができる。
これによって、ソース抵抗のさらなる低減を図ることが
でき、AlGaN/GaN HEMTの一層の高性能化
を図ることができる。
ば、ソース電極およびドレイン電極部におけるn型Al
0.06Ga0.94Nコンタクト層8上にのみn++型GaNコ
ンタクト層12が積層され、このn++型GaNコンタク
ト層12上にソース電極10およびドレイン電極11が
設けられていることにより、ソース電極10の直下にお
ける電子に対する障壁をより小さくすることができる。
これによって、ソース抵抗のさらなる低減を図ることが
でき、AlGaN/GaN HEMTの一層の高性能化
を図ることができる。
【0052】次に、この発明の第3の実施形態によるA
lGaN/GaN HEMTについて説明する。図6は
この第3の実施形態によるAlGaN/GaN HEM
Tを示す。
lGaN/GaN HEMTについて説明する。図6は
この第3の実施形態によるAlGaN/GaN HEM
Tを示す。
【0053】図6に示すように、この第3の実施形態に
よるAlGaN/GaN HEMTにおいては、第2の
実施形態によるAlGaN/GaN HEMTと同様
に、C面サファイア基板1上に、AlNまたはGaNか
らなる低温成長によるバッファ層(図示せず)を介し
て、アンドープGaN層2、アンドープAl0.3 Ga
0.7N層3、アンドープGaNチャネル層4、アンドー
プAl0.15Ga0.85Nスペーサ層5、n型Al0.15Ga
0.85N電子供給層6、傾斜組成アンドープAlz Ga
1-z N障壁層7およびn型Al0.06Ga0.94Nコンタク
ト層8が順次積層されているとともに、ソース電極およ
びドレイン電極部におけるn型Al0.06Ga0.94Nコン
タクト層8上にn++型GaNコンタクト層12が積層さ
れている。これらの層の厚さやキャリア濃度は、第1の
実施形態および第2の実施形態で述べたと同様である。
よるAlGaN/GaN HEMTにおいては、第2の
実施形態によるAlGaN/GaN HEMTと同様
に、C面サファイア基板1上に、AlNまたはGaNか
らなる低温成長によるバッファ層(図示せず)を介し
て、アンドープGaN層2、アンドープAl0.3 Ga
0.7N層3、アンドープGaNチャネル層4、アンドー
プAl0.15Ga0.85Nスペーサ層5、n型Al0.15Ga
0.85N電子供給層6、傾斜組成アンドープAlz Ga
1-z N障壁層7およびn型Al0.06Ga0.94Nコンタク
ト層8が順次積層されているとともに、ソース電極およ
びドレイン電極部におけるn型Al0.06Ga0.94Nコン
タクト層8上にn++型GaNコンタクト層12が積層さ
れている。これらの層の厚さやキャリア濃度は、第1の
実施形態および第2の実施形態で述べたと同様である。
【0054】n++型GaNコンタクト層12上にはSi
O2 膜14が設けられている。このSiO2 膜14の厚
さは例えば0.4μmである。このSiO2 膜14には
開口14a、14bが設けられ、これらの開口14a、
14bを通じてn++型GaNコンタクト層12上にソー
ス電極10およびドレイン電極11が設けられている。
また、n++型GaNコンタクト層12およびSiO2 膜
14の内側の側壁には例えばSiO2 からなるサイドウ
ォールスペーサ15が設けられている。このサイドウォ
ールスペーサ15はまた、メサ型にパターニングされ
た、アンドープGaN層2の上部、アンドープAl0.3
Ga0.7 N層3、アンドープGaNチャネル層4、アン
ドープAl0.15Ga0.85Nスペーサ層5、n型Al0.15
Ga0.85N電子供給層6、傾斜組成アンドープAlz G
a1-z N障壁層7、n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト
層8およびn++型GaNコンタクト層12の外側の側壁
にも設けられている。
O2 膜14が設けられている。このSiO2 膜14の厚
さは例えば0.4μmである。このSiO2 膜14には
開口14a、14bが設けられ、これらの開口14a、
14bを通じてn++型GaNコンタクト層12上にソー
ス電極10およびドレイン電極11が設けられている。
また、n++型GaNコンタクト層12およびSiO2 膜
14の内側の側壁には例えばSiO2 からなるサイドウ
ォールスペーサ15が設けられている。このサイドウォ
ールスペーサ15はまた、メサ型にパターニングされ
た、アンドープGaN層2の上部、アンドープAl0.3
Ga0.7 N層3、アンドープGaNチャネル層4、アン
ドープAl0.15Ga0.85Nスペーサ層5、n型Al0.15
Ga0.85N電子供給層6、傾斜組成アンドープAlz G
a1-z N障壁層7、n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト
層8およびn++型GaNコンタクト層12の外側の側壁
にも設けられている。
【0055】この場合、ゲート電極9は、n++型GaN
コンタクト層12およびSiO2 膜14の内側の側壁に
設けられたサイドウォールスペーサ15の間の部分にお
けるn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8上にこのサ
イドウォールスペーサ15に対して自己整合的に設けら
れている。
コンタクト層12およびSiO2 膜14の内側の側壁に
設けられたサイドウォールスペーサ15の間の部分にお
けるn型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8上にこのサ
イドウォールスペーサ15に対して自己整合的に設けら
れている。
【0056】次に、上述のように構成されたこの第3の
実施形態によるAlGaN/GaNHEMTの製造方法
について説明する。
実施形態によるAlGaN/GaNHEMTの製造方法
について説明する。
【0057】すなわち、まず、図7に示すように、第1
の実施形態と同様にして、C面サファイア基板1上に、
MOCVD法により、AlNまたはGaNからなるバッ
ファ層(図示せず)、アンドープGaN層2、アンドー
プAl0.3 Ga0.7 N層3、アンドープGaNチャネル
層4、アンドープAl0.15Ga0.85Nスペーサ層5、n
型Al0.15Ga0.85N電子供給層6、傾斜組成アンドー
プAlz Ga1-z N障壁層7、n型Al0.06Ga0.94N
コンタクト層8およびn++型GaNコンタクト層12を
順次成長させる。
の実施形態と同様にして、C面サファイア基板1上に、
MOCVD法により、AlNまたはGaNからなるバッ
ファ層(図示せず)、アンドープGaN層2、アンドー
プAl0.3 Ga0.7 N層3、アンドープGaNチャネル
層4、アンドープAl0.15Ga0.85Nスペーサ層5、n
型Al0.15Ga0.85N電子供給層6、傾斜組成アンドー
プAlz Ga1-z N障壁層7、n型Al0.06Ga0.94N
コンタクト層8およびn++型GaNコンタクト層12を
順次成長させる。
【0058】次に、図8に示すように、例えばCVD法
によりn++型GaNコンタクト層12の全面に例えば厚
さが0.4μmのSiO2 膜14を形成した後、このS
iO2 膜14をリソグラフィーおよびエッチングにより
所定形状にパターニングする。このSiO2 膜14のエ
ッチングには、例えば、フッ酸系エッチング液を用いた
ウエットエッチングまたはフッ素系エッチングガスを用
いたRIE法を用いる。
によりn++型GaNコンタクト層12の全面に例えば厚
さが0.4μmのSiO2 膜14を形成した後、このS
iO2 膜14をリソグラフィーおよびエッチングにより
所定形状にパターニングする。このSiO2 膜14のエ
ッチングには、例えば、フッ酸系エッチング液を用いた
ウエットエッチングまたはフッ素系エッチングガスを用
いたRIE法を用いる。
【0059】次に、SiO2 膜14をマスクとして、例
えばRIE法により、アンドープAl0.3 Ga0.7 N層
3に達するまでエッチングする。
えばRIE法により、アンドープAl0.3 Ga0.7 N層
3に達するまでエッチングする。
【0060】次に、図9に示すように、リソグラフィー
によりソース電極およびドレイン電極形成用の所定形状
のレジストパターン(図示せず)を形成した後、このレ
ジストパターンをマスクとしてSiO2 膜14をエッチ
ングすることにより開口14a、14bを形成する。次
に、例えば真空蒸着法により全面に例えばTi/Al/
Au膜(図示せず)を形成する。次に、リフトオフ法に
より、このレジストパターンをその上に形成されたTi
/Al/Au膜とともに除去する。これによって、開口
14a、14bの部分におけるn++型GaNコンタクト
層12上にそれぞれソース電極10およびドレイン電極
11が形成される。この後、ソース電極10およびドレ
イン電極11の接触抵抗を低くするために、例えば、N
2 雰囲気、850℃、5分間の条件で熱処理を行う。
によりソース電極およびドレイン電極形成用の所定形状
のレジストパターン(図示せず)を形成した後、このレ
ジストパターンをマスクとしてSiO2 膜14をエッチ
ングすることにより開口14a、14bを形成する。次
に、例えば真空蒸着法により全面に例えばTi/Al/
Au膜(図示せず)を形成する。次に、リフトオフ法に
より、このレジストパターンをその上に形成されたTi
/Al/Au膜とともに除去する。これによって、開口
14a、14bの部分におけるn++型GaNコンタクト
層12上にそれぞれソース電極10およびドレイン電極
11が形成される。この後、ソース電極10およびドレ
イン電極11の接触抵抗を低くするために、例えば、N
2 雰囲気、850℃、5分間の条件で熱処理を行う。
【0061】次に、図10に示すように、リソグラフィ
ーおよびエッチングにより、ゲート電極形成領域のSi
O2 膜14を除去した後、HClとN2 との混合ガスか
らなり、HCIを10%含むエッチングガスを用いて、
700℃で35分間、熱化学エッチングを行う。この熱
化学エッチングにより、ゲート電極形成部におけるn++
型GaNコンタクト層12は完全に除去されるが、n型
Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8は全くエッチングさ
れず完全に残される。
ーおよびエッチングにより、ゲート電極形成領域のSi
O2 膜14を除去した後、HClとN2 との混合ガスか
らなり、HCIを10%含むエッチングガスを用いて、
700℃で35分間、熱化学エッチングを行う。この熱
化学エッチングにより、ゲート電極形成部におけるn++
型GaNコンタクト層12は完全に除去されるが、n型
Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8は全くエッチングさ
れず完全に残される。
【0062】次に、例えばCVD法により全面に例えば
厚さが0.3μmのSiO2 膜を形成した後、RIE法
によりエッチバックする。これによって、ゲート電極形
成領域におけるn++型GaNコンタクト層12およびS
iO2 膜14の側壁にSiO2 からなるサイドウォール
スペーサ15が形成される。
厚さが0.3μmのSiO2 膜を形成した後、RIE法
によりエッチバックする。これによって、ゲート電極形
成領域におけるn++型GaNコンタクト層12およびS
iO2 膜14の側壁にSiO2 からなるサイドウォール
スペーサ15が形成される。
【0063】次に、リソグラフィーによりゲート電極形
成用の所定形状のレジストパターン(図示せず)を形成
した後、例えば真空蒸着法により全面に例えばTi/A
u膜を形成する。次に、リフトオフ法により、レジスト
パターンをその上に形成されたTi/Au膜とともに除
去する。これによって、図6に示すように、n型Al
0.06Ga0.94Nコンタクト層8とショットキー接触した
ゲート電極9が形成される。
成用の所定形状のレジストパターン(図示せず)を形成
した後、例えば真空蒸着法により全面に例えばTi/A
u膜を形成する。次に、リフトオフ法により、レジスト
パターンをその上に形成されたTi/Au膜とともに除
去する。これによって、図6に示すように、n型Al
0.06Ga0.94Nコンタクト層8とショットキー接触した
ゲート電極9が形成される。
【0064】以上により、図6に示すように、目的とす
るAlGaN/GaN HEMTが製造される。
るAlGaN/GaN HEMTが製造される。
【0065】この第3の実施形態によれば、第1の実施
形態および第2の実施形態と同様な利点を得ることがで
きほか、次のような利点を得ることもできる。すなわ
ち、n++型GaNコンタクト層12およびSiO2 膜1
4の内側の側壁に設けられたサイドウォールスペーサ1
5の間の部分におけるn型Al0.06Ga0.94Nコンタク
ト層8上にゲート電極9を形成しているので、ゲート電
極9とソース電極10との間の短縮を図ることができる
ことにより全ソース抵抗の低減を図ることができるとと
もに、エッチングによる加工限界よりもサイドウォール
スペーサ15の厚さの2倍小さい寸法にまでゲート長を
短縮することができる。一方、このゲート電極9の上部
の寸法は十分に大きくすることができるので、ゲート抵
抗の大幅な低減を図ることができる。これによって、極
めて高性能のリセスゲート構造のAlGaN/GaN
HEMTを実現することができる。
形態および第2の実施形態と同様な利点を得ることがで
きほか、次のような利点を得ることもできる。すなわ
ち、n++型GaNコンタクト層12およびSiO2 膜1
4の内側の側壁に設けられたサイドウォールスペーサ1
5の間の部分におけるn型Al0.06Ga0.94Nコンタク
ト層8上にゲート電極9を形成しているので、ゲート電
極9とソース電極10との間の短縮を図ることができる
ことにより全ソース抵抗の低減を図ることができるとと
もに、エッチングによる加工限界よりもサイドウォール
スペーサ15の厚さの2倍小さい寸法にまでゲート長を
短縮することができる。一方、このゲート電極9の上部
の寸法は十分に大きくすることができるので、ゲート抵
抗の大幅な低減を図ることができる。これによって、極
めて高性能のリセスゲート構造のAlGaN/GaN
HEMTを実現することができる。
【0066】以上、この発明の実施形態について具体的
に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定され
るものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の
変形が可能である。
に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定され
るものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の
変形が可能である。
【0067】例えば、上述の第1、第2および第3の実
施形態において挙げた数値、構造、材料、原料、成長法
などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異
なる数値、構造、材料、原料、成長法などを用いてもよ
い。
施形態において挙げた数値、構造、材料、原料、成長法
などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異
なる数値、構造、材料、原料、成長法などを用いてもよ
い。
【0068】すなわち、例えば、上述の第2の実施形態
においては、ソース電極10およびドレイン電極11は
十分に高キャリア濃度のn++型GaNコンタクト層12
上に設けられており、また、n型Al0.06Ga0.94Nコ
ンタクト層8はゲート電極9にとっては本来不要なもの
であるため、n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8を
省略してもよい。
においては、ソース電極10およびドレイン電極11は
十分に高キャリア濃度のn++型GaNコンタクト層12
上に設けられており、また、n型Al0.06Ga0.94Nコ
ンタクト層8はゲート電極9にとっては本来不要なもの
であるため、n型Al0.06Ga0.94Nコンタクト層8を
省略してもよい。
【0069】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によるヘ
テロ接合電界効果トランジスタによれば、ソース電極の
直下における障壁層の伝導帯の下端のエネルギーが電子
供給層からコンタクト層に向かって連続的に減少してい
ることにより、ゲート耐圧を十分に高く維持しながら、
ソース抵抗の大幅な低減により高性能化を図ることがで
きる。
テロ接合電界効果トランジスタによれば、ソース電極の
直下における障壁層の伝導帯の下端のエネルギーが電子
供給層からコンタクト層に向かって連続的に減少してい
ることにより、ゲート耐圧を十分に高く維持しながら、
ソース抵抗の大幅な低減により高性能化を図ることがで
きる。
【図1】この発明の原理を説明するためのエネルギーバ
ンド図である。
ンド図である。
【図2】この発明の原理を説明するためのエネルギーバ
ンド図である。
ンド図である。
【図3】この発明の原理を説明するためのエネルギーバ
ンド図である。
ンド図である。
【図4】この発明の第1の実施形態によるAlGaN/
GaN HEMTを示す断面図である。
GaN HEMTを示す断面図である。
【図5】この発明の第2の実施形態によるAlGaN/
GaN HEMTを示す断面図である。
GaN HEMTを示す断面図である。
【図6】この発明の第3の実施形態によるAlGaN/
GaN HEMTを示す断面図である。
GaN HEMTを示す断面図である。
【図7】この発明の第3の実施形態によるAlGaN/
GaN HEMTの製造方法を説明するための断面図で
ある。
GaN HEMTの製造方法を説明するための断面図で
ある。
【図8】この発明の第3の実施形態によるAlGaN/
GaN HEMTの製造方法を説明するための断面図で
ある。
GaN HEMTの製造方法を説明するための断面図で
ある。
【図9】この発明の第3の実施形態によるAlGaN/
GaN HEMTの製造方法を説明するための断面図で
ある。
GaN HEMTの製造方法を説明するための断面図で
ある。
【図10】この発明の第3の実施形態によるAlGaN
/GaN HEMTの製造方法を説明するための断面図
である。
/GaN HEMTの製造方法を説明するための断面図
である。
【図11】従来のAlGaN/GaNヘテロ接合FET
の一例を示す断面図である。
の一例を示す断面図である。
【図12】従来のAlGaN/GaNヘテロ接合FET
の他の例を示す断面図である。
の他の例を示す断面図である。
【図13】従来のAlGaN/GaN HEMTを示す
断面図である。
断面図である。
【図14】図13に示すAlGaN/GaN HEMT
におけるソース電極直下のエネルギーバンド図である。
におけるソース電極直下のエネルギーバンド図である。
1・・・C面サファイア基板、2・・・アンドープGa
N層、3・・・アンドープAl0.3 Ga0.7 N層、4・
・・アンドープGaNチャネル層、5・・・アンドープ
Al0.15Ga0.85Nスペーサ層、6・・・n型Al0.15
Ga0.85N電子供給層、7・・・傾斜組成アンドープA
lz Ga1-z N障壁層、8・・・n型Al0.06Ga0.94
Nコンタクト層、9・・・ゲート電極、10・・・ソー
ス電極、11・・・ドレイン電極、12・・・n++型G
aNコンタクト層
N層、3・・・アンドープAl0.3 Ga0.7 N層、4・
・・アンドープGaNチャネル層、5・・・アンドープ
Al0.15Ga0.85Nスペーサ層、6・・・n型Al0.15
Ga0.85N電子供給層、7・・・傾斜組成アンドープA
lz Ga1-z N障壁層、8・・・n型Al0.06Ga0.94
Nコンタクト層、9・・・ゲート電極、10・・・ソー
ス電極、11・・・ドレイン電極、12・・・n++型G
aNコンタクト層
Claims (9)
- 【請求項1】 電子走行層と、 上記電子走行層上の電子供給層と、 上記電子供給層上の障壁層と、 上記障壁層上のコンタクト層とを有するヘテロ接合電界
効果トランジスタにおいて、 ソース電極の直下における上記障壁層の伝導帯の下端の
エネルギーが上記電子供給層から上記コンタクト層に向
かって連続的に減少していることを特徴とするヘテロ接
合電界効果トランジスタ。 - 【請求項2】 上記障壁層と上記コンタクト層との界面
において上記障壁層の伝導帯の下端のエネルギーが上記
コンタクト層の伝導帯の下端のエネルギーとほぼ同一で
あることを特徴とする請求項1記載のヘテロ接合電界効
果トランジスタ。 - 【請求項3】 ソース電極の直下における上記障壁層の
エネルギーギャップが上記電子供給層から上記コンタク
ト層に向かって連続的に減少していることを特徴とする
請求項1記載のヘテロ接合電界効果トランジスタ。 - 【請求項4】 上記障壁層の組成が上記電子供給層から
上記コンタクト層に向かって連続的に変化していること
により上記障壁層の伝導帯の下端のエネルギーが上記電
子供給層から上記コンタクト層に向かって連続的に減少
していることを特徴とする請求項1記載のヘテロ接合電
界効果トランジスタ。 - 【請求項5】 上記障壁層はアンドープであることを特
徴とする請求項1記載のヘテロ接合電界効果トランジス
タ。 - 【請求項6】 上記コンタクト層はn型であることを特
徴とする請求項1記載のヘテロ接合電界効果トランジス
タ。 - 【請求項7】 上記電子走行層はGa1-x Inx N(た
だし、0≦x≦1)からなり、上記電子供給層はAly
Ga1-y N(ただし、0≦y≦1)からなり、上記障壁
層はAlz Ga1-z Nからなり、上記コンタクト層はn
型Alu Ga 1-u N(ただし、0≦u≦0.1)または
n型Ga1-v Inv N(ただし、0≦v≦1)からなる
ことを特徴とする請求項1記載のヘテロ接合電界効果ト
ランジスタ。 - 【請求項8】 上記障壁層を構成する上記Alz Ga
1-z NのAl組成zは上記電子供給層から上記コンタク
ト層に向かってyからuに連続的に減少していることを
特徴とする請求項7記載のヘテロ接合電界効果トランジ
スタ。 - 【請求項9】 上記障壁層を構成する上記Alz Ga
1-z NのAl組成zは上記障壁層と上記コンタクト層と
の界面において0.1以下であることを特徴とする請求
項7記載のヘテロ接合電界効果トランジスタ。
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