半導体装置
【課題】電流コラプスが抑制され、耐圧の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】基板１１０と、基板１１０の上方に形成された窒化物系化合物半導体からなるバッファ層１２０と、バッファ層１２０上に形成された窒化物系化合物半導体からなるチャネル層１３０と、チャネル層１３０の上方に形成された窒化物系化合物半導体からなる電子供給層１３２と、電子供給層１３２の上方に形成された第１の電極１３６と、電子供給層１３２の上方に形成された第２の電極１３８と、を備え、第２の電極１３８の電位に対して、基板１１０の電位および第１の電極１３６の電位が同じ側であり、第２の電極１３８の下の領域のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が、第１の電極１３６の下の領域のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計より、大きい半導体装置。
【解決手段】基板１１０と、基板１１０の上方に形成された窒化物系化合物半導体からなるバッファ層１２０と、バッファ層１２０上に形成された窒化物系化合物半導体からなるチャネル層１３０と、チャネル層１３０の上方に形成された窒化物系化合物半導体からなる電子供給層１３２と、電子供給層１３２の上方に形成された第１の電極１３６と、電子供給層１３２の上方に形成された第２の電極１３８と、を備え、第２の電極１３８の電位に対して、基板１１０の電位および第１の電極１３６の電位が同じ側であり、第２の電極１３８の下の領域のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が、第１の電極１３６の下の領域のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計より、大きい半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板に窒化ガリウム層、窒化アルミニウムガリウム層、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を設けて、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を利用するＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が知られている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２００８−２３５７３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
窒化物系化合物半導体のＨＥＭＴでは、ゲート電極とドレイン電極の間に電圧が印加されると、オン抵抗が上昇する。このオン抵抗が上昇する現象は、電流コラプス、または、コラプスと呼ばれる。ゲート電極とドレイン電極の間に電圧が印加されると、ゲート電極のドレイン電極側端に発生する高い電界によって、ゲート電極から半導体に高いエネルギーを有する電子が注入されて、半導体の深い準位に捕捉される。捕捉された電子による負電荷によって２ＤＥＧの濃度が減少するので、オン抵抗が上昇する。
【０００４】
電流コラプスを抑制するために、バッファ層の一部または全部を、ソース電極と同電位の導電性の半導体層として、電界の集中を緩和することが知られている（例えば、特許文献１参照）。一方、バッファ層の一部または全部をソース電極と同電位とすると、導電性のバッファ層とドレイン電極との間のリーク電流および耐圧が問題になる。導電性のバッファ層とドレイン電極との間の半導体層および絶縁層の厚さの合計が大きい方が、導電性のバッファ層とドレイン電極との間のリーク電流が小さく、耐圧が大きい。しかし、導電性のバッファ層とゲート電極との間の半導体層および絶縁層の厚さの合計が大きいと、電界を緩和する効果が小さいので電流コラプスの抑制効果が小さい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様においては、基板と、基板の上方に形成された窒化物系化合物半導体からなるバッファ層と、バッファ層上に形成された窒化物系化合物半導体からなるチャネル層と、チャネル層の上方に形成された窒化物系化合物半導体からなる電子供給層と、電子供給層の上方に形成された第１の電極と、電子供給層の上方に形成された第２の電極と、を備え、第２の電極の電位に対して、基板の電位および第１の電極の電位が同じ側であり、第２の電極の下の領域のバッファ層の厚さおよびチャネル層の厚さの合計が、第１の電極の下の領域のバッファ層の厚さおよびチャネル層の厚さの合計より、大きい半導体装置を提供する。
【０００６】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＨＥＭＴの模式的な断面図である。
【図２】第１の実施形態に係るＨＥＭＴの、バッファ層のマスクの形成工程を説明する模式的な断面図である。
【図３】第１の実施形態に係るＨＥＭＴの、バッファ層の形成工程を説明する模式的な断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るＨＥＭＴの模式的な断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るＨＥＭＴの模式的な断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係るＨＥＭＴの模式的な断面図である。
【図７】第４の実施形態に係るＨＥＭＴの、基板のマスクの形成工程を説明する模式的な断面図である。
【図８】第４の実施形態に係るＨＥＭＴの、バッファ層の形成工程を説明する模式的な断面図である。
【図９】本発明の第５の実施形態に係るＨＥＭＴの模式的な断面図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態に係るＨＥＭＴの模式的な断面図である。
【図１１】本発明の第７の実施形態に係るＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００の模式的な断面図である。ＨＥＭＴ１００は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、電子供給層１３２、絶縁層１３４、ソース電極１３６、ドレイン電極１３８、ゲート電極１４０、フィールドプレート電極１４１および裏面電極１４２を備える。
【００１０】
基板１１０は導電性を有する導電性基板であってよい。基板１１０の電位およびゲート電極１４０の電位は、ドレイン電極１３８の電位に対して同じ側であってよい。ここで、基板１１０の電位をＶｗ、ゲート電極１４０の電位をＶｇ、および、ドレイン電極１３８の電位をＶｄとする。（Ｖｗ−Ｖｄ）の符号と、（Ｖｇ−Ｖｄ）の符号とが同じであるときに、基板１１０の電位（Ｖｗ）およびゲート電極１４０の電位（Ｖｇ）が、ドレイン電極１３８の電位（Ｖｄ）に対して同じ側であるとする。基板１１０とゲート電極１４０とが、電気的に接続されて、同じ電位であってよい。また、基板１１０とソース電極１３６とが、電気的に接続されて、同じ電位であってよい。
【００１１】
キャリアが電子で、ドレイン電極１３８に正の電圧が印加され、ソース電極１３６が接地される場合を、例として説明する。この場合、ゲート電極１４０およびフィールドプレート電極１４１が接地されているか、または、負の電圧が印加されているときにオフ状態となる。当該オフ状態で、裏面電極１４２および基板１１０に、ドレイン電極１３８の電位より低い電圧が印可されてよい。また、裏面電極１４２および基板１１０が接地されてもよい。これにより、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間の電位差によって発生する電界が、ゲート電極１４０のドレイン電極１３８側の端部に集中することを防げる。
【００１２】
バッファ層１２０は、基板１１０の上方に、窒化物系化合物半導体で形成される。バッファ層１２０は、ゲート電極１４０の下の領域の領域より、ドレイン電極１３８の下の領域が厚くてよい。一例として、バッファ層１２０の下面が平坦で基板１１０の上面と平行であるのに対して、バッファ層１２０の上面が、ゲート電極１４０が電子供給層１３２に接する部分と、ドレイン電極１３８との間の少なくとも一部に、傾斜している領域を有してよい。
【００１３】
基板１１０の上面は、バッファ層１２０が形成される面であってよい。また、バッファ層１２０、その他の各層の下面は、基板１１０の上面と平行な２つの面のうち、基板１１０に近い方の面をいう。バッファ層１２０、その他の各層の上面は、基板１１０の上面と平行な２つの面のうち、基板１１０から遠い方の面をいう。
【００１４】
チャネル層１３０は、バッファ層１２０の上方に、窒化物系化合物半導体で形成される。チャネル層１３０は、均一の厚さで形成されてよい。したがって、ゲート電極１４０の下の領域のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が、ドレイン電極１３８の下の領域のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計より小さくてよい。
【００１５】
ドレイン電極１３８と基板１１０との間では、バッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が、ゲート電極１４０と基板１１０との間より大きい。これによって、ドレイン電極１３８と基板１１０との間の距離が遠いので、リーク電流が抑えられ、かつ、耐圧が高くなる。
【００１６】
ここで、ゲート電極１４０と基板１１０との間のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が小さい方が、電界集中が緩和される効果が大きい。図１に示したＨＥＭＴ１００において、ゲート電極１４０と基板１１０との間では、バッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が、ドレイン電極１３８と基板１１０との間より小さいので、電界集中が緩和されて電流コラプスが抑制される。
【００１７】
バッファ層１２０の上面は、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間で、バッファ層１２０の下面に対して、傾斜してよい。バッファ層１２０の上面が有する傾斜は、バッファ層１２０の下面に対して、一定の角度を有してよい。また、バッファ層１２０の上面は、当該傾斜の途中に、バッファ層１２０の下面と平行な部分を有してよい。つまり、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間のバッファ層１２０の上面が、２段階以上の階段状の形状を有してよい。
【００１８】
バッファ層１２０が、異なる材料からなる複数の層を階段状に積層して形成されてよい。このとき、バッファ層１２０が有する上側の層がエッチングされるときに、バッファ層１２０が有する下側の層のエッチング速度が上側の層より遅く、エッチングストップ層になるような材料の組み合わせを選んで、バッファ層１２０が形成されてよい。バッファ層１２０の上面の傾斜は、上に凸な曲面、または、下に凸な曲面であってもよい。
【００１９】
バッファ層１２０の上面は、ソース電極１３６とゲート電極１４０との間で、基板１１０の上面と平行でよい。これにより、ソース電極１３６の下の領域のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が、ゲート電極１４０の下の領域のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計と同じでよい。
【００２０】
基板１１０は、不純物がドープされたシリコン基板であってよい。また、基板１１０に、不純物がドープされて導電性を有する、ＧａＮ（窒化ガリウム）基板、ＳｉＣ（炭化ケイ素）基板、および、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）基板のいずれかを用いてもよい。
【００２１】
バッファ層１２０は、チャネル層１３０と基板１１０との、格子定数および熱膨張率などの特性差による相互作用を緩衝し、両者の接合強度を向上する。バッファ層１２０は、例えば、基板１１０上にＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる層で形成される。また、当該ＡｌＮからなる層上にさらに、ＧａＮからなる層、および、ＡｌＮからなる層で構成される積層膜が、４回〜８０回繰り返されて、バッファ層１２０が形成されてもよい。
【００２２】
バッファ層１２０は、基板１１０上に形成されてよい。また、バッファ層１２０と基板１１０との間の、ゲート電極１４０の下に、導電性の半導体からなる層を形成してもよい。これにより、ゲート電極１４０の近傍の電界がさらに緩和されてよい。
【００２３】
チャネル層１３０は、不純物をドープしていないＧａＮで形成されてよい。ここで、不純物をドープしていないＧａＮとは、ＧａＮに導電性を与える不純物を意図的に添加しないで形成されたＧａＮをいう。ただし、チャネル層１３０が不純物をドープしていないＧａＮで形成されても、上下の層との関係から、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００では、チャネル層１３０がｎ型のＧａＮとして振る舞ってよい。
【００２４】
電子供給層１３２は、チャネル層１３０の上方に形成されてよい。電子供給層１３２は、チャネル層１３０を形成する窒化物系化合物半導体よりバンドギャップエネルギーが大きい窒化物系化合物半導体で形成されてよい。一例として、電子供給層１３２はＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）（窒化アルミニウムガリウム）からなる。ＡｌＹＧａ１−ＹＮはＡｌＮとＧａＮの混晶である。Ｙで表される構成比で、電子供給層１３２のバンドギャップ、自発分極およびピエゾ分極が変化する。構成比は例えばＹ＝０．２５である。電子供給層１３２の膜厚は、２０〜５０ｎｍとしてよい。
【００２５】
チャネル層１３０と電子供給層１３２のヘテロ接合によって、チャネル層１３０の電子供給層１３２との界面付近に２ＤＥＧが発生する。ＨＥＭＴ１００のオン状態で、２ＤＥＧがキャリアとなるので、ＨＥＭＴ１００のオン抵抗が低い。チャネル層１３０と電子供給層１３２との間に、キャリアの散乱を防ぐ他の層が形成されてもよい。キャリアの散乱を防ぐ層は例えば、ＡｌＮで形成してよい。
【００２６】
絶縁層１３４が、電子供給層１３２の上方であって、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間に、形成されてよい。絶縁層１３４は、ＳｉＯ２で形成されてよい。絶縁層１３４は、Ｓｉ３Ｎ４またはＡｌ２Ｏ３で形成されてよい。
【００２７】
ゲート電極１４０が、電子供給層１３２の上方に形成される。ゲート電極１４０の少なくとも一部が、絶縁層１３４が設けられていない部分で電子供給層１３２上に形成されてよい。ゲート電極１４０は、チャネル層１３０とショットキー接続する材料で形成されてよい。また、フィールドプレート電極１４１が、絶縁層１３４上に、ゲート電極１４０と電気的に接続されて形成されてよい。フィールドプレート電極１４１は、ゲート電極１４０と一体で形成されてよい。
【００２８】
フィールドプレート電極１４１によって、ゲート電極１４０のドレイン電極１３８側端部の近くに電界が集中することを抑制できる。これは、ゲート電極１４０のドレイン電極１３８側の端部近辺、および、フィールドプレート電極１４１のドレイン電極１３８側の端部近辺に、電界が分散されることによる。
【００２９】
ゲート電極１４０が、バッファ層１２０の膜厚が一定で、チャネル層１３０の上面が基板上面と平行な部分の上方で、電子供給層１３２に接してよい。さらに、ゲート電極１４０は、バッファ層１２０およびチャネル層１３０がソース電極１３６の下と同じ厚さの領域で、電子供給層１３２上に形成されてよい。フィールドプレート電極１４１の一部または全体が、バッファ層１２０の上面が斜面である部分の上方に形成されてよい。
【００３０】
ソース電極１３６およびドレイン電極１３８が、ゲート電極１４０を挟んで電子供給層１３２の上方に形成されてよい。ソース電極１３６およびドレイン電極１３８は、絶縁層１３４が設けられていない領域で、電子供給層１３２上に形成されよい。ソース電極１３６およびドレイン電極１３８は、チャネル層１３０とオーミック接続する材料で形成されてよい。
【００３１】
ＨＥＭＴ１００の電流コラプスを測定したところ、ゲート電極１４０と基板１１０との間のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が、３０００ｎｍ以下で、電流コラプスが抑制できた。ゲート電極１４０と基板１１０との間のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が３０００ｎｍを超えると、ゲート・ドレイン間に電圧を印可したあとに、電圧を印可する前にくらべて、オン抵抗が１．２５倍より大きくなり、電流コラプスが起きた。
【００３２】
ドレイン電極１３８と基板１１０との間の耐圧をＶｂ（Ｖ）として、ドレイン電極１３８と基板１１０との間のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計をｔ（ｎｍ）とすると、ｔ＝Ｖｂ×８となった。さらに、ゲート・ドレイン間の距離をＬｇｄ（ｎｍ）として、Ｌｇｄ＝ｔ×αとすると、１．５≦α≦３の範囲が好ましい。ここでゲート・ドレイン間の距離とは、ゲート電極１４０が電子供給層１３２に接する部分のドレイン電極１３８側の端部と、ドレイン電極１３８のゲート電極１４０側の端部との間の上面から見たときの距離をいう。αが１．５より小さいとゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間の耐圧が低く、αが３より大きいとオン抵抗が高い。
【００３３】
ここで、耐圧（Ｖｂ）を５５０Ｖとすると、上記の式よりｔ＝４４００（ｎｍ）となる。したがって、１．５≦α≦３であるためには、バッファ層１２０の厚さが一定である部分のバッファ層１２０の上面に対して、バッファ層１２０の上面の傾斜がなす角度をθとすると、θが６度以上であることが好ましい。また、ゲート電極１４０およびドレイン電極１３８の間でバッファ層１２０の上面が、バッファ層１２０の厚さが一定である部分に対して、一定の角度を有する傾斜を有するときには、θが１２度以下であることが好ましい。ただし、バッファ層１２０の上面が傾斜している領域が、ゲート電極１４０およびドレイン電極１３８の間よりも狭いときには、θは９０度以下が好ましい。
【００３４】
第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、および、電子供給層１３２を貫通する貫通孔に形成されたビアをさらに備えてもよい。当該ビアを介してソース電極１３６と、裏面電極１４２が電気的に接続されてよい。これにより、裏面電極１４２、基板１１０およびソース電極１３６が同電位になる。また、ソース電極１３６がチャネル層１３０に接するので、オン抵抗が小さくなる。
【００３５】
第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００の製造方法を以下に説明する。まず、バッファ層１２０を基板１１０上にエピタキシャル成長させてよい。例えば、基板１１０がＭＯＣＶＤ装置に設置されてから、トリメチルアルミ（ＴＭＡｌ）およびアンモニア（ＮＨ３）が、それぞれ、１７５μｍｏｌ／ｍｉｎおよび３５Ｌ／ｍｉｎの流量で、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバーに導入されて、厚さ４０ｎｍのＡｌＮがエピタキシャル成長される。成長温度は、例えば１０００℃である。
【００３６】
次にＧａＮからなる層とＡｌＮからなる層との積層が、４回〜２０回、繰り返されてよい。例えば、ＧａＮからなる層は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）およびＮＨ３が、それぞれ、５８μｍｏｌ／ｍｉｎおよび１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入されて、エピタキシャル成長されてよい。ＡｌＮからなる層は、ＴＭＡｌおよびＮＨ３が、それぞれ、１９５μｍｏｌ／ｍｉｎおよび１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入されて、エピタキシャル成長されてよい。成長温度は、例えば１０００℃である。
【００３７】
図２は、バッファ層１２０上にマスク１４４を形成した状態の模式的な断面図である。バッファ層１２０上にマスク１４４が形成される。マスク１４４は、ＳｉＯ２で形成されてよい。例えば、バッファ層１２０上にＳｉＯ２がＣＶＤで形成されて、フォトリソグラフィーでパターニングされる。
【００３８】
図３は、マスク１４４を用いて、バッファ層１２０をパターニングした状態の模式的な断面図である。例えば、異方性が小さい条件でバッファ層１２０およびマスク１４４がドライエッチングされることで、バッファ層１２０の上面の傾斜が形成される。エッチングレートを調節することで、バッファ層１２０の傾斜がその他の部分に対して有する角度を調節できる。他の例として、マスク１４４が、バッファ層１２０をパターニングするときの選択比率が異なる複数の材料で形成され、選択比率が異なることで傾斜の角度が調節される。選択比率の異なる材料は、例えば、フォトレジスト、ＳｉＯ２、または、Ｓｉ３Ｎ４である。このとき、フォトレジストは硬化温度で選択比率が調節できるので、傾斜の角度が調節される。エッチングは、例えば、ＩＣＰ−ＲＩＥで行う。
【００３９】
次に、残ったマスク１４４が剥離される。フッ酸系水溶液でマスク１４４が剥離されてよい。チャネル層１３０は、バッファ層１２０上に厚さ１００ｎｍの不純物をドープしていないＧａＮで形成されてよい。ＴＭＧａおよびＮＨ３が、それぞれ、１９μｍｏｌ／ｍｉｎおよび１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入されて、１０５０℃の成長温度、および、２００Ｔｏｒｒの圧力下で、チャネル層１３０がエピタキシャル成長されてよい。
【００４０】
電子供給層１３２が、例えば、チャネル層１３０上に厚さ３０ｎｍのＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）で形成される。一例として、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａおよびＮＨ３が、それぞれ、１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、および、１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入されて、１０５０℃の成長温度で、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなる電子供給層１３２がエピタキシャル成長される。
【００４１】
絶縁層１３４が電子供給層１３２上に、ＣＶＤおよびフォトリソグラフィーで形成されてよい。例えば、電子供給層１３２上の全面にＳｉＯ２がＣＶＤで形成された後、ゲート電極１４０が電子供給層１３２に接する部分とドレイン電極１３８が形成される部分との間の部分を残して、他の部分のＳｉＯ２がフォトリソグラフィーで除去される。
【００４２】
ソース電極１３６およびドレイン電極１３８が、Ｔｉからなる層で形成されてよい。ソース電極１３６およびドレイン電極１３８は、Ｔｉからなる層の上に、さらにＡｌからなる層を有してもよい。ソース電極１３６およびドレイン電極１３８が、リフトオフ法を用いて、スパッタまたは蒸着で形成されてよい。次に、ソース電極１３６およびドレイン電極１３８を熱処理してよい。熱処理により、オーミック特性が良くなる。熱処理は、７００℃、３０分間行ってよい。
【００４３】
ゲート電極１４０およびフィールドプレート電極１４１が、Ｎｉからなる層で形成されてよい。ゲート電極１４０およびフィールドプレート電極１４１は、Ｎｉからなる層の上に、さらにＡｕからなる層を有してよい。ゲート電極１４０およびフィールドプレート電極１４１が、リフトオフ法を用いて、スパッタまたは蒸着により一体で形成されてよい。
【００４４】
裏面電極１４２が基板１１０の裏面に形成されてよい。裏面電極１４２は、Ｔｉからなる層で形成されてよい。裏面電極１４２は、Ｔｉからなる層の上に、さらにＡｌからなる層を有してもよい。
【００４５】
図４は、本発明の第２の実施形態に係るＨＥＭＴ１５０の模式的な断面図である。図４において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。ＨＥＭＴ１５０は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、電子供給層１３２、絶縁層１３４、ソース電極１３６、ドレイン電極１３８、ゲート電極１４０、フィールドプレート電極１４１および裏面電極１４２を備える。
【００４６】
バッファ層１２０は、ドレイン電極１３８の下方に形成された第１バッファ層１２２と、ドレイン電極１３８およびゲート電極１４０の電極の下方に形成された第２バッファ層１２４を有してよい。第１バッファ層１２２は第２バッファ層１２４より耐電圧が大きい窒化物系化合物半導体からなってよい。第２バッファ層１２４は、チャネル層１３０を形成する窒化物系化合物半導体の格子間距離との差が、第１バッファ層１２２より小さい窒化物系化合物半導体からなる層を含んでよい。
【００４７】
第１バッファ層１２２により、基板１１０とドレイン電極１３８との間の耐圧が高い。第２バッファ層１２４により、基板１１０とチャネル層１３０との間のストレスが低減され、かつ、結晶欠陥が基板１１０とバッファ層１２０との界面からチャネル層１３０に伝わることが抑制される。
【００４８】
一例として、第１バッファ層１２２はＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）で形成される。Ｘで表されるＡｌの組成比を、例えば、０．５以上とすることで、耐圧が大きい第１バッファ層１２２が形成される。第１バッファ層１２２は、下側にいくほどＸの値が大きく、上側にいくほどＸの値が小さくてもよい。これにより、第１バッファ層１２２は、耐圧が高く、かつ、第２バッファ層１２４との格子整合がよい。
【００４９】
第２バッファ層１２４はＧａＮからなる層とＡｌＮからなる層とを積層して形成されてよい。ＧａＮからなる層は、チャネル層１３０がＧａＮからなるときには、チャネル層１３０との格子間距離の差がないので、チャネル層１３０とバッファ層１２０との間のヘテロ接合による歪みを緩和する。ＡｌＮからなる層の膜厚を臨界膜厚以下としてよい。これにより、さらに第２バッファ層１２４とチャネル層１３０との間の格子整合がよい。
【００５０】
第２バッファ層１２４は、Ａｌの組成比が第１バッファ層１２２より小さいＡｌＺＧａ１−ＺＮ（０＜Ｚ＜１）からなる層であってもよい。Ａｌの組成比が小さいと、ＧａＮとの格子整合がよいからである。
【００５１】
第１バッファ層１２２は、基板１１０上に、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）をＭＯＣＶＤで形成し、フォトリソグラフィーでマスクを形成してからエッチングして形成してよい。基板１１０のエッチング速度がＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）のエッチング速度より遅い条件を選択して、基板１１０をエッチングストップ層としてよい。エッチングにより露出される基板１１０の上面が平坦なので、ソース電極１３６とゲート電極１４０との間の第２バッファ層１２４、チャネル層１３０、および、電子供給層１３２の上面が平坦になり好ましい。
【００５２】
基板１１０および第１バッファ層１２２上に第２バッファ層１２４が形成されてよい。第１バッファ層１２２が設けられていない領域で第２バッファ層１２４が基板１１０上に形成されてよい。また、第１バッファ層１２２の上面が傾斜している領域および第１バッファ層１２２の厚さが一定の領域上に第２バッファ層１２４が形成されてよい。
【００５３】
第２バッファ層１２４は、ＧａＮからなる層およびＡｌＮからなる層の積層を、４回〜２０回、繰り返して形成されてよい。例えば、ＧａＮからなる層は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）およびＮＨ３が、それぞれ、５８μｍｏｌ／ｍｉｎおよび１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入されて、エピタキシャル成長されてよい。ＡｌＮからなる層は、ＴＭＡｌおよびＮＨ３が、それぞれ、１９５μｍｏｌ／ｍｉｎおよび１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入されて、エピタキシャル成長されてよい。成長温度は、例えば１０００℃である。チャネル層１３０の形成以降は、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００と同様に形成してよい。
【００５４】
図５は、本発明の第３の実施形態に係るＨＥＭＴ１６０の模式的な断面図である。図５において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。ＨＥＭＴ１５０は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、電子供給層１３２、絶縁層１３４、ソース電極１３６、ドレイン電極１３８、ゲート電極１４０、フィールドプレート電極１４１、および、コンタクトホール１６２を備える。
【００５５】
コンタクトホール１６２が、電子供給層１３２、チャネル層１３０およびバッファ層１２０を貫通し、基板１１０に到達して、設けられてよい。コンタクトホール１６２は、さらに基板１１０の一部が除去されて設けられてもよい。ソース電極１３６は、コンタクトホール１６２に設けられてよい。
【００５６】
基板１１０の電位がソース電極１３６の電位と同じなので、基板１１０の電位は、ドレイン電極１３８の電位にくらべて、ゲート電極１４０の電位と同じ側になる。例えば、キャリアが電子のとき、オフ状態で、ソース電極１３６およびゲート電極１４０が接地され、ドレイン電極１３８に正の電圧が印可される。したがって、電界がゲート電極１４０のドレイン電極１３８側の端部に集中するのを防ぐことができる。
【００５７】
コンタクトホール１６２は、基板１１０上にバッファ層１２０、チャネル層１３０および電子供給層１３２を順次形成してから、形成してよい。フォトリソグラフィーおよびドライエッチングにより、コンタクトホール１６２が形成されてよい。
【００５８】
図６は、本発明の第４の実施形態に係るＨＥＭＴ１７０の模式的な断面図である。図６において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。ＨＥＭＴ１７０は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、電子供給層１３２、絶縁層１３４、ソース電極１３６、ドレイン電極１３８、ゲート電極１４０、フィールドプレート電極１４１、および、裏面電極１４２を備える。
【００５９】
バッファ層１２０の上面は、ソース電極１３６とドレイン電極１３８の間で、傾斜せず、平坦であってよい。バッファ層１２０の下面は、ゲート電極１４０およびドレイン電極１３８の間の少なくとも一部に傾斜面を有してよい。また、ゲート電極１４０の下方の基板の厚さと、ゲート電極１４０の下方の基板の厚さが異なってよい。これにより、ドレイン電極１３８の下方のバッファ層１２０の厚さが、ゲート電極１４０の下方のバッファ層１２０の厚さより厚くてよい。
【００６０】
バッファ層１２０の下面および基板の上面は、ゲート電極１４０の下の領域のバッファ層１２０が薄い部分と、ドレイン電極１３８の下の領域のバッファ層１２０が厚い部分の間で、少なくとも一部に、バッファ層１２０の上面に対して、傾斜してよい。また、バッファ層１２０の下面および基板の上面の傾斜は、バッファ層１２０の上面に対して、一定の角度を有してよい。
【００６１】
バッファ層１２０の下面および基板１１０の上面の傾斜の途中に、バッファ層１２０の下面および基板１１０の上面が、バッファ層１２０の上面と平行な部分を有してよい。つまり、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間のバッファ層１２０の下面および基板の上面が、２段階以上の階段状の形状を有してよい。バッファ層１２０が異なる材料からなる複数の層を積層して形成されて、バッファ層１２０の下面が、異なる材料からなる層で階段状に形成されてよい。
【００６２】
バッファ層１２０が、基板１１０上に形成された下側のバッファ層、および、基板１１０および下側のバッファ層上に形成された上側のバッファ層を有してよい。下側のバッファ層が、基板１１０が薄くなっている領域および基板１１０の上面が傾斜している領域に形成されてよい。下側のバッファ層の上面と、基板１１０が厚い領域の基板１１０の上面が同一平面であってよい。上側のバッファ層は下側のバッファ層上、および、下側のバッファ層が設けられていない領域の基板１１０上に形成されてよい。
【００６３】
下側のバッファ層と、上側のバッファ層とは異なる材料で形成されてよい。下側のバッファ層は上側のバッファ層より耐電圧が大きい窒化物系化合物半導体からなってよい。上側のバッファ層は、チャネル層１３０を形成する窒化物系化合物半導体の格子間距離との差が、下側のバッファ層より小さい窒化物系化合物半導体からなる層を含んでよい。すなわち、第４の実施形態に係るＨＥＭＴ１７０の下側のバッファ層が、第２の実施形態に係るＨＥＭＴ１５０の第１バッファ層１２２と同一の機能および構成を有してよい。また、第４の実施形態に係るＨＥＭＴ１７０の上側のバッファ層が、第２の実施形態に係るＨＥＭＴ１５０の第２バッファ層１２４と同一の機能および構成を有してよい。
【００６４】
バッファ層１２０の下面および基板１１０の上面は、ソース電極１３６とゲート電極１４０との間で傾斜せず、基板１１０の厚さが一定である部分の上面と平行でよい。これにより、ソース電極１３６の下の領域の、バッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が、ゲート電極１４０の下の領域のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計と同じでよい。
【００６５】
第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００と同様に、耐圧を５５０Ｖとして、バッファ層１２０の厚さが一定である部分のバッファ層１２０の下面および基板１１０の上面に対して、バッファ層１２０の上面および基板１１０の下面の傾斜がなす角度をθとすると、θが６度以上であることが好ましい。また、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８と間でバッファ層１２０の下面および基板１１０の上面が、一定の角度の傾斜を有するときには、θが１２度以下であることが好ましい。ただし、斜面が、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間より狭いときには、θは９０度以下が好ましい。
【００６６】
第４の実施形態に係るＨＥＭＴ１００の製造方法を以下に説明する。図７は、基板１１０上にマスク１７２を形成した状態の模式的な断面図である。図７において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。基板１１０上にマスク１７２が形成される。マスク１７２は、ＳｉＯ２で形成されてよい。例えば、基板１１０上にＳｉＯ２がＣＶＤで形成されて、フォトリソグラフィーでパターニングされる。
【００６７】
次に、例えば、異方性が小さい条件で基板１１０およびマスク１４４がエッチングされることで、基板１１０の上面の傾斜が形成される。エッチングレートを調節することで、基板１１０の傾斜がその他の部分に対して有する角度を調節できる。他の例として、マスク１４４が、バッファ層１２０をパターニングするときの選択比率が異なる複数の材料で形成され、選択比率が異なることで傾斜の角度が調節される。選択比率の異なる材料は、例えば、フォトレジスト、ＳｉＯ２、または、Ｓｉ３Ｎ４である。このとき、フォトレジストは硬化温度で選択比率が調節できるので、傾斜の角度が調節される。エッチングは、例えば、ＩＣＰ−ＲＩＥで行う。
【００６８】
残ったマスク１７２が剥離されて、バッファ層１２０が基板１１０上にエピタキシャル成長されてよい。バッファ層１２０は、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００と同様にＡｌＮからなる層、並びに、ＧａＮからなる層とＡｌＮからなる層との積層の繰り返しで形成され、上面がエッチングで平坦化されてよい。
【００６９】
バッファ層１２０が下側のバッファ層および上側のバッファ層を有し、下側のバッファ層が、基板１１０が薄い領域および基板１１０の上面が傾斜している領域に形成され、基板１１０およびバッファ層１２０の上面が平坦化されてから、均一な厚さの上側のバッファ層が形成されてもよい。平坦化はエッチングで行われてよい。
【００７０】
図８は、基板１１０上にバッファ層１２０が形成され、バッファ層１２０の上面が平坦化された状態の模式的な断面図である。図８において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。バッファ層１２０上にチャネル層１３０が形成されてよい。これ以降の製造方法は、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００と同様である。
【００７１】
図９は、本発明の第５の実施形態に係るＨＥＭＴ１８０の模式的な断面図である。図９において図１または図６と同一の符号を付した要素は、図１または図６において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。ＨＥＭＴ１８０は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、電子供給層１３２、絶縁層１３４、ソース電極１３６、ドレイン電極１３８、ゲート電極１４０、フィールドプレート電極１４１および裏面電極１４２を備える。
【００７２】
バッファ層１２０の上面および下面のいずも、ドレイン電極１３８およびゲート電極１４０の間で、少なくとも一部に傾斜面を有してよい。これにより、ドレイン電極１３８の下の領域のバッファ層１２０の厚さが、ゲート電極１４０の下の領域のバッファ層１２０の厚さより厚くてよい。
【００７３】
バッファ層１２０の上面が、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００と同様に傾斜を有してよい。また、バッファ層１２０の上面が階段状の形状を有してもよい。バッファ層１２０の下面および基板１１０の上面が、第４の実施形態に係るＨＥＭＴ１００と同様に傾斜を有してよい。また、バッファ層１２０の下面および基板１１０の上面が階段状の形状を有してもよい。
【００７４】
バッファ層１２０が、下側のバッファ層と上側のバッファ層を有してよい。当該下側のバッファ層が、基板１１０が薄い部分および基板１１０の上面が傾斜している部分に形成されてよい。下側のバッファ層の上面が、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間に傾斜面を有してよい。上側のバッファ層が、下側のバッファ層が形成されていない基板１１０上、および、下側のバッファ層上に、均一な厚さで形成されてよい。下側のバッファ層が、第２の実施形態に係るＨＥＭＴ１５０の第１バッファ層１２２と同一の機能および構成を有してよい。また、上側のバッファ層が、第２の実施形態に係るＨＥＭＴ１５０の第２バッファ層１２４と同一の機能および構成を有してよい。
【００７５】
バッファ層１２０の上面および下面に設けられた傾斜が、バッファ層１２０の厚さが一定である領域の上面および下面に対してなす角度をそれぞれ、θ１およびθ２とすると、θ１とθ２の合計が６度以上であることが好ましい。これにより、ＨＥＭＴ１８０の耐圧が５５０Ｖ以上である。
【００７６】
図１０は、本発明の第６の実施形態に係るＨＥＭＴ１９０の模式的な断面図である。図１０において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。ただし、バッファ層１２０の上面は、基板１１０の上面と平行である。ＨＥＭＴ１９０は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、電子供給層１３２、絶縁層１３４、ソース電極１３６、ドレイン電極１３８、ゲート電極１４０、フィールドプレート電極１４１および裏面電極１４２を備える。
【００７７】
基板１１０が、ゲート電極１４０の下に開口１９２を有してよい。開口１９２に、裏面電極１４２が形成され、開口１９２が形成されていない部分の裏面電極１４２に電気的に接続されてよい。開口１９２は、ゲート電極１４０の下の領域のバッファ層１２０の一部を除去して形成されて、バッファ層１２０がドレイン電極１３８の下より、ゲート電極１４０の下で薄くてよい。これにより、チャネル層１３０およびバッファ層１２０の厚さの合計が、ゲート電極１４０の下より、ドレイン電極１３８の下で大きいので、電界がゲート電極１４０のドレイン電極１３８側に集中することを防げる。
【００７８】
開口１９２は、フィールドプレート電極１４１の少なくとも一部の下に広がって形成されてもよい。開口１９２はソース電極１３６の少なくとも一部の下に広がって形成されてもよい。
【００７９】
ＨＥＭＴ１９０の製造法を以下に説明する。基板１１０上に、バッファ層１２０、チャネル層１３０および電子供給層１３２が順次、形成されてよい。次に、絶縁層１３４、ソース電極１３６、ドレイン電極１３８、ゲート電極１４０およびフィールドプレート電極１４１が形成されてよい。バッファ層１２０の上面が傾斜を有していないことを除き、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００と同様に形成されてよい。次に、開口１９２がフォトリソグラフィーおよびエッチングで形成されてよい。開口１９２および基板１１０の裏面を覆って、裏面電極１４２が形成されてよい。
【００８０】
図１１は、本発明の第７の実施形態に係るＳＢＤ２００（ショットキーバリアダイオード）の模式的な断面図である。図１１において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。ＳＢＤ２００は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、電子供給層１３２、絶縁層１３４、アノード２１０、フィールドプレート電極２１１、および、カソード２１２を備える。
【００８１】
第７の実施形態に係るＳＢＤ２００のアノード２１０、フィールドプレート電極２１１、および、カソード２１２は、それぞれ、第１の実施形態に係るゲート電極１４０、フィールドプレート電極１４１、および、ドレイン電極１３８に対応する。アノード２１０がチャネル層１３０にショットキー接続してよい。カソード２１２がチャネル層１３０にオーミック接続してよい。
【００８２】
例として、キャリアが電子の場合について説明する。逆バイアスの状態で、カソード２１２に正の電圧が印可され、アノード２１０が接地あるいは負の電圧が印可されてよい。カソード２１２の下の領域のバッファ層１２０が、アノード２１０の下の領域のバッファ層１２０がアノード２１０より厚いので、当該逆バイアスの状態で、カソード２１２と裏面電極１４２との間の耐圧が高い。また、アノード２１０の下の領域のバッファ層１２０がカソード２１２の下の領域のバッファ層１２０より薄いので、アノード２１０のカソード２１２側の端部に電界が集中することを防ぎ、電流コラプスが抑制される。
【００８３】
第７の実施形態では、バッファ層１２０の上面が、アノード２１０とカソード２１２との間に傾斜を有するＳＢＤ２００の例を示した。しかし、第２〜第６の実施形態に示したような、ＳＢＤの態様が実現できることが当業者に明らかである。
【００８４】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。例えば、本発明を窒化物化合物半導体系ＭＯＳ−ＨＥＭＴ、あるいは、窒化物化合物半導体系ＭＩＳ−ＨＥＭＴにも適用できることが当業者に明らかである。また、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００８５】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００８６】
１００ ＨＥＭＴ、１１０ 基板、１２０ バッファ層、１２２ 第１バッファ層、１２４ 第２バッファ層、１３０ チャネル層、１３２ 電子供給層、１３４ 絶縁層、１３６ ソース電極、１３８ ドレイン電極、１４０ ゲート電極、１４１ フィールドプレート電極、１４２ 裏面電極、１４４ マスク、１５０ ＨＥＭＴ、１６０ ＨＥＭＴ、１６２ コンタクトホール、１７０ ＨＥＭＴ、１７２ マスク、１８０ ＨＥＭＴ、１９０ ＨＥＭＴ、１９２ 開口、２００ ＳＢＤ、２１０ アノード、２１１ フィールドプレート電極、２１２ カソード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板に窒化ガリウム層、窒化アルミニウムガリウム層、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を設けて、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を利用するＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が知られている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２００８−２３５７３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
窒化物系化合物半導体のＨＥＭＴでは、ゲート電極とドレイン電極の間に電圧が印加されると、オン抵抗が上昇する。このオン抵抗が上昇する現象は、電流コラプス、または、コラプスと呼ばれる。ゲート電極とドレイン電極の間に電圧が印加されると、ゲート電極のドレイン電極側端に発生する高い電界によって、ゲート電極から半導体に高いエネルギーを有する電子が注入されて、半導体の深い準位に捕捉される。捕捉された電子による負電荷によって２ＤＥＧの濃度が減少するので、オン抵抗が上昇する。
【０００４】
電流コラプスを抑制するために、バッファ層の一部または全部を、ソース電極と同電位の導電性の半導体層として、電界の集中を緩和することが知られている（例えば、特許文献１参照）。一方、バッファ層の一部または全部をソース電極と同電位とすると、導電性のバッファ層とドレイン電極との間のリーク電流および耐圧が問題になる。導電性のバッファ層とドレイン電極との間の半導体層および絶縁層の厚さの合計が大きい方が、導電性のバッファ層とドレイン電極との間のリーク電流が小さく、耐圧が大きい。しかし、導電性のバッファ層とゲート電極との間の半導体層および絶縁層の厚さの合計が大きいと、電界を緩和する効果が小さいので電流コラプスの抑制効果が小さい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様においては、基板と、基板の上方に形成された窒化物系化合物半導体からなるバッファ層と、バッファ層上に形成された窒化物系化合物半導体からなるチャネル層と、チャネル層の上方に形成された窒化物系化合物半導体からなる電子供給層と、電子供給層の上方に形成された第１の電極と、電子供給層の上方に形成された第２の電極と、を備え、第２の電極の電位に対して、基板の電位および第１の電極の電位が同じ側であり、第２の電極の下の領域のバッファ層の厚さおよびチャネル層の厚さの合計が、第１の電極の下の領域のバッファ層の厚さおよびチャネル層の厚さの合計より、大きい半導体装置を提供する。
【０００６】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＨＥＭＴの模式的な断面図である。
【図２】第１の実施形態に係るＨＥＭＴの、バッファ層のマスクの形成工程を説明する模式的な断面図である。
【図３】第１の実施形態に係るＨＥＭＴの、バッファ層の形成工程を説明する模式的な断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るＨＥＭＴの模式的な断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るＨＥＭＴの模式的な断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係るＨＥＭＴの模式的な断面図である。
【図７】第４の実施形態に係るＨＥＭＴの、基板のマスクの形成工程を説明する模式的な断面図である。
【図８】第４の実施形態に係るＨＥＭＴの、バッファ層の形成工程を説明する模式的な断面図である。
【図９】本発明の第５の実施形態に係るＨＥＭＴの模式的な断面図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態に係るＨＥＭＴの模式的な断面図である。
【図１１】本発明の第７の実施形態に係るＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００の模式的な断面図である。ＨＥＭＴ１００は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、電子供給層１３２、絶縁層１３４、ソース電極１３６、ドレイン電極１３８、ゲート電極１４０、フィールドプレート電極１４１および裏面電極１４２を備える。
【００１０】
基板１１０は導電性を有する導電性基板であってよい。基板１１０の電位およびゲート電極１４０の電位は、ドレイン電極１３８の電位に対して同じ側であってよい。ここで、基板１１０の電位をＶｗ、ゲート電極１４０の電位をＶｇ、および、ドレイン電極１３８の電位をＶｄとする。（Ｖｗ−Ｖｄ）の符号と、（Ｖｇ−Ｖｄ）の符号とが同じであるときに、基板１１０の電位（Ｖｗ）およびゲート電極１４０の電位（Ｖｇ）が、ドレイン電極１３８の電位（Ｖｄ）に対して同じ側であるとする。基板１１０とゲート電極１４０とが、電気的に接続されて、同じ電位であってよい。また、基板１１０とソース電極１３６とが、電気的に接続されて、同じ電位であってよい。
【００１１】
キャリアが電子で、ドレイン電極１３８に正の電圧が印加され、ソース電極１３６が接地される場合を、例として説明する。この場合、ゲート電極１４０およびフィールドプレート電極１４１が接地されているか、または、負の電圧が印加されているときにオフ状態となる。当該オフ状態で、裏面電極１４２および基板１１０に、ドレイン電極１３８の電位より低い電圧が印可されてよい。また、裏面電極１４２および基板１１０が接地されてもよい。これにより、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間の電位差によって発生する電界が、ゲート電極１４０のドレイン電極１３８側の端部に集中することを防げる。
【００１２】
バッファ層１２０は、基板１１０の上方に、窒化物系化合物半導体で形成される。バッファ層１２０は、ゲート電極１４０の下の領域の領域より、ドレイン電極１３８の下の領域が厚くてよい。一例として、バッファ層１２０の下面が平坦で基板１１０の上面と平行であるのに対して、バッファ層１２０の上面が、ゲート電極１４０が電子供給層１３２に接する部分と、ドレイン電極１３８との間の少なくとも一部に、傾斜している領域を有してよい。
【００１３】
基板１１０の上面は、バッファ層１２０が形成される面であってよい。また、バッファ層１２０、その他の各層の下面は、基板１１０の上面と平行な２つの面のうち、基板１１０に近い方の面をいう。バッファ層１２０、その他の各層の上面は、基板１１０の上面と平行な２つの面のうち、基板１１０から遠い方の面をいう。
【００１４】
チャネル層１３０は、バッファ層１２０の上方に、窒化物系化合物半導体で形成される。チャネル層１３０は、均一の厚さで形成されてよい。したがって、ゲート電極１４０の下の領域のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が、ドレイン電極１３８の下の領域のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計より小さくてよい。
【００１５】
ドレイン電極１３８と基板１１０との間では、バッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が、ゲート電極１４０と基板１１０との間より大きい。これによって、ドレイン電極１３８と基板１１０との間の距離が遠いので、リーク電流が抑えられ、かつ、耐圧が高くなる。
【００１６】
ここで、ゲート電極１４０と基板１１０との間のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が小さい方が、電界集中が緩和される効果が大きい。図１に示したＨＥＭＴ１００において、ゲート電極１４０と基板１１０との間では、バッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が、ドレイン電極１３８と基板１１０との間より小さいので、電界集中が緩和されて電流コラプスが抑制される。
【００１７】
バッファ層１２０の上面は、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間で、バッファ層１２０の下面に対して、傾斜してよい。バッファ層１２０の上面が有する傾斜は、バッファ層１２０の下面に対して、一定の角度を有してよい。また、バッファ層１２０の上面は、当該傾斜の途中に、バッファ層１２０の下面と平行な部分を有してよい。つまり、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間のバッファ層１２０の上面が、２段階以上の階段状の形状を有してよい。
【００１８】
バッファ層１２０が、異なる材料からなる複数の層を階段状に積層して形成されてよい。このとき、バッファ層１２０が有する上側の層がエッチングされるときに、バッファ層１２０が有する下側の層のエッチング速度が上側の層より遅く、エッチングストップ層になるような材料の組み合わせを選んで、バッファ層１２０が形成されてよい。バッファ層１２０の上面の傾斜は、上に凸な曲面、または、下に凸な曲面であってもよい。
【００１９】
バッファ層１２０の上面は、ソース電極１３６とゲート電極１４０との間で、基板１１０の上面と平行でよい。これにより、ソース電極１３６の下の領域のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が、ゲート電極１４０の下の領域のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計と同じでよい。
【００２０】
基板１１０は、不純物がドープされたシリコン基板であってよい。また、基板１１０に、不純物がドープされて導電性を有する、ＧａＮ（窒化ガリウム）基板、ＳｉＣ（炭化ケイ素）基板、および、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）基板のいずれかを用いてもよい。
【００２１】
バッファ層１２０は、チャネル層１３０と基板１１０との、格子定数および熱膨張率などの特性差による相互作用を緩衝し、両者の接合強度を向上する。バッファ層１２０は、例えば、基板１１０上にＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる層で形成される。また、当該ＡｌＮからなる層上にさらに、ＧａＮからなる層、および、ＡｌＮからなる層で構成される積層膜が、４回〜８０回繰り返されて、バッファ層１２０が形成されてもよい。
【００２２】
バッファ層１２０は、基板１１０上に形成されてよい。また、バッファ層１２０と基板１１０との間の、ゲート電極１４０の下に、導電性の半導体からなる層を形成してもよい。これにより、ゲート電極１４０の近傍の電界がさらに緩和されてよい。
【００２３】
チャネル層１３０は、不純物をドープしていないＧａＮで形成されてよい。ここで、不純物をドープしていないＧａＮとは、ＧａＮに導電性を与える不純物を意図的に添加しないで形成されたＧａＮをいう。ただし、チャネル層１３０が不純物をドープしていないＧａＮで形成されても、上下の層との関係から、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００では、チャネル層１３０がｎ型のＧａＮとして振る舞ってよい。
【００２４】
電子供給層１３２は、チャネル層１３０の上方に形成されてよい。電子供給層１３２は、チャネル層１３０を形成する窒化物系化合物半導体よりバンドギャップエネルギーが大きい窒化物系化合物半導体で形成されてよい。一例として、電子供給層１３２はＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）（窒化アルミニウムガリウム）からなる。ＡｌＹＧａ１−ＹＮはＡｌＮとＧａＮの混晶である。Ｙで表される構成比で、電子供給層１３２のバンドギャップ、自発分極およびピエゾ分極が変化する。構成比は例えばＹ＝０．２５である。電子供給層１３２の膜厚は、２０〜５０ｎｍとしてよい。
【００２５】
チャネル層１３０と電子供給層１３２のヘテロ接合によって、チャネル層１３０の電子供給層１３２との界面付近に２ＤＥＧが発生する。ＨＥＭＴ１００のオン状態で、２ＤＥＧがキャリアとなるので、ＨＥＭＴ１００のオン抵抗が低い。チャネル層１３０と電子供給層１３２との間に、キャリアの散乱を防ぐ他の層が形成されてもよい。キャリアの散乱を防ぐ層は例えば、ＡｌＮで形成してよい。
【００２６】
絶縁層１３４が、電子供給層１３２の上方であって、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間に、形成されてよい。絶縁層１３４は、ＳｉＯ２で形成されてよい。絶縁層１３４は、Ｓｉ３Ｎ４またはＡｌ２Ｏ３で形成されてよい。
【００２７】
ゲート電極１４０が、電子供給層１３２の上方に形成される。ゲート電極１４０の少なくとも一部が、絶縁層１３４が設けられていない部分で電子供給層１３２上に形成されてよい。ゲート電極１４０は、チャネル層１３０とショットキー接続する材料で形成されてよい。また、フィールドプレート電極１４１が、絶縁層１３４上に、ゲート電極１４０と電気的に接続されて形成されてよい。フィールドプレート電極１４１は、ゲート電極１４０と一体で形成されてよい。
【００２８】
フィールドプレート電極１４１によって、ゲート電極１４０のドレイン電極１３８側端部の近くに電界が集中することを抑制できる。これは、ゲート電極１４０のドレイン電極１３８側の端部近辺、および、フィールドプレート電極１４１のドレイン電極１３８側の端部近辺に、電界が分散されることによる。
【００２９】
ゲート電極１４０が、バッファ層１２０の膜厚が一定で、チャネル層１３０の上面が基板上面と平行な部分の上方で、電子供給層１３２に接してよい。さらに、ゲート電極１４０は、バッファ層１２０およびチャネル層１３０がソース電極１３６の下と同じ厚さの領域で、電子供給層１３２上に形成されてよい。フィールドプレート電極１４１の一部または全体が、バッファ層１２０の上面が斜面である部分の上方に形成されてよい。
【００３０】
ソース電極１３６およびドレイン電極１３８が、ゲート電極１４０を挟んで電子供給層１３２の上方に形成されてよい。ソース電極１３６およびドレイン電極１３８は、絶縁層１３４が設けられていない領域で、電子供給層１３２上に形成されよい。ソース電極１３６およびドレイン電極１３８は、チャネル層１３０とオーミック接続する材料で形成されてよい。
【００３１】
ＨＥＭＴ１００の電流コラプスを測定したところ、ゲート電極１４０と基板１１０との間のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が、３０００ｎｍ以下で、電流コラプスが抑制できた。ゲート電極１４０と基板１１０との間のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が３０００ｎｍを超えると、ゲート・ドレイン間に電圧を印可したあとに、電圧を印可する前にくらべて、オン抵抗が１．２５倍より大きくなり、電流コラプスが起きた。
【００３２】
ドレイン電極１３８と基板１１０との間の耐圧をＶｂ（Ｖ）として、ドレイン電極１３８と基板１１０との間のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計をｔ（ｎｍ）とすると、ｔ＝Ｖｂ×８となった。さらに、ゲート・ドレイン間の距離をＬｇｄ（ｎｍ）として、Ｌｇｄ＝ｔ×αとすると、１．５≦α≦３の範囲が好ましい。ここでゲート・ドレイン間の距離とは、ゲート電極１４０が電子供給層１３２に接する部分のドレイン電極１３８側の端部と、ドレイン電極１３８のゲート電極１４０側の端部との間の上面から見たときの距離をいう。αが１．５より小さいとゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間の耐圧が低く、αが３より大きいとオン抵抗が高い。
【００３３】
ここで、耐圧（Ｖｂ）を５５０Ｖとすると、上記の式よりｔ＝４４００（ｎｍ）となる。したがって、１．５≦α≦３であるためには、バッファ層１２０の厚さが一定である部分のバッファ層１２０の上面に対して、バッファ層１２０の上面の傾斜がなす角度をθとすると、θが６度以上であることが好ましい。また、ゲート電極１４０およびドレイン電極１３８の間でバッファ層１２０の上面が、バッファ層１２０の厚さが一定である部分に対して、一定の角度を有する傾斜を有するときには、θが１２度以下であることが好ましい。ただし、バッファ層１２０の上面が傾斜している領域が、ゲート電極１４０およびドレイン電極１３８の間よりも狭いときには、θは９０度以下が好ましい。
【００３４】
第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、および、電子供給層１３２を貫通する貫通孔に形成されたビアをさらに備えてもよい。当該ビアを介してソース電極１３６と、裏面電極１４２が電気的に接続されてよい。これにより、裏面電極１４２、基板１１０およびソース電極１３６が同電位になる。また、ソース電極１３６がチャネル層１３０に接するので、オン抵抗が小さくなる。
【００３５】
第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００の製造方法を以下に説明する。まず、バッファ層１２０を基板１１０上にエピタキシャル成長させてよい。例えば、基板１１０がＭＯＣＶＤ装置に設置されてから、トリメチルアルミ（ＴＭＡｌ）およびアンモニア（ＮＨ３）が、それぞれ、１７５μｍｏｌ／ｍｉｎおよび３５Ｌ／ｍｉｎの流量で、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバーに導入されて、厚さ４０ｎｍのＡｌＮがエピタキシャル成長される。成長温度は、例えば１０００℃である。
【００３６】
次にＧａＮからなる層とＡｌＮからなる層との積層が、４回〜２０回、繰り返されてよい。例えば、ＧａＮからなる層は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）およびＮＨ３が、それぞれ、５８μｍｏｌ／ｍｉｎおよび１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入されて、エピタキシャル成長されてよい。ＡｌＮからなる層は、ＴＭＡｌおよびＮＨ３が、それぞれ、１９５μｍｏｌ／ｍｉｎおよび１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入されて、エピタキシャル成長されてよい。成長温度は、例えば１０００℃である。
【００３７】
図２は、バッファ層１２０上にマスク１４４を形成した状態の模式的な断面図である。バッファ層１２０上にマスク１４４が形成される。マスク１４４は、ＳｉＯ２で形成されてよい。例えば、バッファ層１２０上にＳｉＯ２がＣＶＤで形成されて、フォトリソグラフィーでパターニングされる。
【００３８】
図３は、マスク１４４を用いて、バッファ層１２０をパターニングした状態の模式的な断面図である。例えば、異方性が小さい条件でバッファ層１２０およびマスク１４４がドライエッチングされることで、バッファ層１２０の上面の傾斜が形成される。エッチングレートを調節することで、バッファ層１２０の傾斜がその他の部分に対して有する角度を調節できる。他の例として、マスク１４４が、バッファ層１２０をパターニングするときの選択比率が異なる複数の材料で形成され、選択比率が異なることで傾斜の角度が調節される。選択比率の異なる材料は、例えば、フォトレジスト、ＳｉＯ２、または、Ｓｉ３Ｎ４である。このとき、フォトレジストは硬化温度で選択比率が調節できるので、傾斜の角度が調節される。エッチングは、例えば、ＩＣＰ−ＲＩＥで行う。
【００３９】
次に、残ったマスク１４４が剥離される。フッ酸系水溶液でマスク１４４が剥離されてよい。チャネル層１３０は、バッファ層１２０上に厚さ１００ｎｍの不純物をドープしていないＧａＮで形成されてよい。ＴＭＧａおよびＮＨ３が、それぞれ、１９μｍｏｌ／ｍｉｎおよび１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入されて、１０５０℃の成長温度、および、２００Ｔｏｒｒの圧力下で、チャネル層１３０がエピタキシャル成長されてよい。
【００４０】
電子供給層１３２が、例えば、チャネル層１３０上に厚さ３０ｎｍのＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）で形成される。一例として、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａおよびＮＨ３が、それぞれ、１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、および、１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入されて、１０５０℃の成長温度で、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなる電子供給層１３２がエピタキシャル成長される。
【００４１】
絶縁層１３４が電子供給層１３２上に、ＣＶＤおよびフォトリソグラフィーで形成されてよい。例えば、電子供給層１３２上の全面にＳｉＯ２がＣＶＤで形成された後、ゲート電極１４０が電子供給層１３２に接する部分とドレイン電極１３８が形成される部分との間の部分を残して、他の部分のＳｉＯ２がフォトリソグラフィーで除去される。
【００４２】
ソース電極１３６およびドレイン電極１３８が、Ｔｉからなる層で形成されてよい。ソース電極１３６およびドレイン電極１３８は、Ｔｉからなる層の上に、さらにＡｌからなる層を有してもよい。ソース電極１３６およびドレイン電極１３８が、リフトオフ法を用いて、スパッタまたは蒸着で形成されてよい。次に、ソース電極１３６およびドレイン電極１３８を熱処理してよい。熱処理により、オーミック特性が良くなる。熱処理は、７００℃、３０分間行ってよい。
【００４３】
ゲート電極１４０およびフィールドプレート電極１４１が、Ｎｉからなる層で形成されてよい。ゲート電極１４０およびフィールドプレート電極１４１は、Ｎｉからなる層の上に、さらにＡｕからなる層を有してよい。ゲート電極１４０およびフィールドプレート電極１４１が、リフトオフ法を用いて、スパッタまたは蒸着により一体で形成されてよい。
【００４４】
裏面電極１４２が基板１１０の裏面に形成されてよい。裏面電極１４２は、Ｔｉからなる層で形成されてよい。裏面電極１４２は、Ｔｉからなる層の上に、さらにＡｌからなる層を有してもよい。
【００４５】
図４は、本発明の第２の実施形態に係るＨＥＭＴ１５０の模式的な断面図である。図４において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。ＨＥＭＴ１５０は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、電子供給層１３２、絶縁層１３４、ソース電極１３６、ドレイン電極１３８、ゲート電極１４０、フィールドプレート電極１４１および裏面電極１４２を備える。
【００４６】
バッファ層１２０は、ドレイン電極１３８の下方に形成された第１バッファ層１２２と、ドレイン電極１３８およびゲート電極１４０の電極の下方に形成された第２バッファ層１２４を有してよい。第１バッファ層１２２は第２バッファ層１２４より耐電圧が大きい窒化物系化合物半導体からなってよい。第２バッファ層１２４は、チャネル層１３０を形成する窒化物系化合物半導体の格子間距離との差が、第１バッファ層１２２より小さい窒化物系化合物半導体からなる層を含んでよい。
【００４７】
第１バッファ層１２２により、基板１１０とドレイン電極１３８との間の耐圧が高い。第２バッファ層１２４により、基板１１０とチャネル層１３０との間のストレスが低減され、かつ、結晶欠陥が基板１１０とバッファ層１２０との界面からチャネル層１３０に伝わることが抑制される。
【００４８】
一例として、第１バッファ層１２２はＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）で形成される。Ｘで表されるＡｌの組成比を、例えば、０．５以上とすることで、耐圧が大きい第１バッファ層１２２が形成される。第１バッファ層１２２は、下側にいくほどＸの値が大きく、上側にいくほどＸの値が小さくてもよい。これにより、第１バッファ層１２２は、耐圧が高く、かつ、第２バッファ層１２４との格子整合がよい。
【００４９】
第２バッファ層１２４はＧａＮからなる層とＡｌＮからなる層とを積層して形成されてよい。ＧａＮからなる層は、チャネル層１３０がＧａＮからなるときには、チャネル層１３０との格子間距離の差がないので、チャネル層１３０とバッファ層１２０との間のヘテロ接合による歪みを緩和する。ＡｌＮからなる層の膜厚を臨界膜厚以下としてよい。これにより、さらに第２バッファ層１２４とチャネル層１３０との間の格子整合がよい。
【００５０】
第２バッファ層１２４は、Ａｌの組成比が第１バッファ層１２２より小さいＡｌＺＧａ１−ＺＮ（０＜Ｚ＜１）からなる層であってもよい。Ａｌの組成比が小さいと、ＧａＮとの格子整合がよいからである。
【００５１】
第１バッファ層１２２は、基板１１０上に、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）をＭＯＣＶＤで形成し、フォトリソグラフィーでマスクを形成してからエッチングして形成してよい。基板１１０のエッチング速度がＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）のエッチング速度より遅い条件を選択して、基板１１０をエッチングストップ層としてよい。エッチングにより露出される基板１１０の上面が平坦なので、ソース電極１３６とゲート電極１４０との間の第２バッファ層１２４、チャネル層１３０、および、電子供給層１３２の上面が平坦になり好ましい。
【００５２】
基板１１０および第１バッファ層１２２上に第２バッファ層１２４が形成されてよい。第１バッファ層１２２が設けられていない領域で第２バッファ層１２４が基板１１０上に形成されてよい。また、第１バッファ層１２２の上面が傾斜している領域および第１バッファ層１２２の厚さが一定の領域上に第２バッファ層１２４が形成されてよい。
【００５３】
第２バッファ層１２４は、ＧａＮからなる層およびＡｌＮからなる層の積層を、４回〜２０回、繰り返して形成されてよい。例えば、ＧａＮからなる層は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）およびＮＨ３が、それぞれ、５８μｍｏｌ／ｍｉｎおよび１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入されて、エピタキシャル成長されてよい。ＡｌＮからなる層は、ＴＭＡｌおよびＮＨ３が、それぞれ、１９５μｍｏｌ／ｍｉｎおよび１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入されて、エピタキシャル成長されてよい。成長温度は、例えば１０００℃である。チャネル層１３０の形成以降は、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００と同様に形成してよい。
【００５４】
図５は、本発明の第３の実施形態に係るＨＥＭＴ１６０の模式的な断面図である。図５において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。ＨＥＭＴ１５０は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、電子供給層１３２、絶縁層１３４、ソース電極１３６、ドレイン電極１３８、ゲート電極１４０、フィールドプレート電極１４１、および、コンタクトホール１６２を備える。
【００５５】
コンタクトホール１６２が、電子供給層１３２、チャネル層１３０およびバッファ層１２０を貫通し、基板１１０に到達して、設けられてよい。コンタクトホール１６２は、さらに基板１１０の一部が除去されて設けられてもよい。ソース電極１３６は、コンタクトホール１６２に設けられてよい。
【００５６】
基板１１０の電位がソース電極１３６の電位と同じなので、基板１１０の電位は、ドレイン電極１３８の電位にくらべて、ゲート電極１４０の電位と同じ側になる。例えば、キャリアが電子のとき、オフ状態で、ソース電極１３６およびゲート電極１４０が接地され、ドレイン電極１３８に正の電圧が印可される。したがって、電界がゲート電極１４０のドレイン電極１３８側の端部に集中するのを防ぐことができる。
【００５７】
コンタクトホール１６２は、基板１１０上にバッファ層１２０、チャネル層１３０および電子供給層１３２を順次形成してから、形成してよい。フォトリソグラフィーおよびドライエッチングにより、コンタクトホール１６２が形成されてよい。
【００５８】
図６は、本発明の第４の実施形態に係るＨＥＭＴ１７０の模式的な断面図である。図６において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。ＨＥＭＴ１７０は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、電子供給層１３２、絶縁層１３４、ソース電極１３６、ドレイン電極１３８、ゲート電極１４０、フィールドプレート電極１４１、および、裏面電極１４２を備える。
【００５９】
バッファ層１２０の上面は、ソース電極１３６とドレイン電極１３８の間で、傾斜せず、平坦であってよい。バッファ層１２０の下面は、ゲート電極１４０およびドレイン電極１３８の間の少なくとも一部に傾斜面を有してよい。また、ゲート電極１４０の下方の基板の厚さと、ゲート電極１４０の下方の基板の厚さが異なってよい。これにより、ドレイン電極１３８の下方のバッファ層１２０の厚さが、ゲート電極１４０の下方のバッファ層１２０の厚さより厚くてよい。
【００６０】
バッファ層１２０の下面および基板の上面は、ゲート電極１４０の下の領域のバッファ層１２０が薄い部分と、ドレイン電極１３８の下の領域のバッファ層１２０が厚い部分の間で、少なくとも一部に、バッファ層１２０の上面に対して、傾斜してよい。また、バッファ層１２０の下面および基板の上面の傾斜は、バッファ層１２０の上面に対して、一定の角度を有してよい。
【００６１】
バッファ層１２０の下面および基板１１０の上面の傾斜の途中に、バッファ層１２０の下面および基板１１０の上面が、バッファ層１２０の上面と平行な部分を有してよい。つまり、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間のバッファ層１２０の下面および基板の上面が、２段階以上の階段状の形状を有してよい。バッファ層１２０が異なる材料からなる複数の層を積層して形成されて、バッファ層１２０の下面が、異なる材料からなる層で階段状に形成されてよい。
【００６２】
バッファ層１２０が、基板１１０上に形成された下側のバッファ層、および、基板１１０および下側のバッファ層上に形成された上側のバッファ層を有してよい。下側のバッファ層が、基板１１０が薄くなっている領域および基板１１０の上面が傾斜している領域に形成されてよい。下側のバッファ層の上面と、基板１１０が厚い領域の基板１１０の上面が同一平面であってよい。上側のバッファ層は下側のバッファ層上、および、下側のバッファ層が設けられていない領域の基板１１０上に形成されてよい。
【００６３】
下側のバッファ層と、上側のバッファ層とは異なる材料で形成されてよい。下側のバッファ層は上側のバッファ層より耐電圧が大きい窒化物系化合物半導体からなってよい。上側のバッファ層は、チャネル層１３０を形成する窒化物系化合物半導体の格子間距離との差が、下側のバッファ層より小さい窒化物系化合物半導体からなる層を含んでよい。すなわち、第４の実施形態に係るＨＥＭＴ１７０の下側のバッファ層が、第２の実施形態に係るＨＥＭＴ１５０の第１バッファ層１２２と同一の機能および構成を有してよい。また、第４の実施形態に係るＨＥＭＴ１７０の上側のバッファ層が、第２の実施形態に係るＨＥＭＴ１５０の第２バッファ層１２４と同一の機能および構成を有してよい。
【００６４】
バッファ層１２０の下面および基板１１０の上面は、ソース電極１３６とゲート電極１４０との間で傾斜せず、基板１１０の厚さが一定である部分の上面と平行でよい。これにより、ソース電極１３６の下の領域の、バッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計が、ゲート電極１４０の下の領域のバッファ層１２０の厚さおよびチャネル層１３０の厚さの合計と同じでよい。
【００６５】
第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００と同様に、耐圧を５５０Ｖとして、バッファ層１２０の厚さが一定である部分のバッファ層１２０の下面および基板１１０の上面に対して、バッファ層１２０の上面および基板１１０の下面の傾斜がなす角度をθとすると、θが６度以上であることが好ましい。また、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８と間でバッファ層１２０の下面および基板１１０の上面が、一定の角度の傾斜を有するときには、θが１２度以下であることが好ましい。ただし、斜面が、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間より狭いときには、θは９０度以下が好ましい。
【００６６】
第４の実施形態に係るＨＥＭＴ１００の製造方法を以下に説明する。図７は、基板１１０上にマスク１７２を形成した状態の模式的な断面図である。図７において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。基板１１０上にマスク１７２が形成される。マスク１７２は、ＳｉＯ２で形成されてよい。例えば、基板１１０上にＳｉＯ２がＣＶＤで形成されて、フォトリソグラフィーでパターニングされる。
【００６７】
次に、例えば、異方性が小さい条件で基板１１０およびマスク１４４がエッチングされることで、基板１１０の上面の傾斜が形成される。エッチングレートを調節することで、基板１１０の傾斜がその他の部分に対して有する角度を調節できる。他の例として、マスク１４４が、バッファ層１２０をパターニングするときの選択比率が異なる複数の材料で形成され、選択比率が異なることで傾斜の角度が調節される。選択比率の異なる材料は、例えば、フォトレジスト、ＳｉＯ２、または、Ｓｉ３Ｎ４である。このとき、フォトレジストは硬化温度で選択比率が調節できるので、傾斜の角度が調節される。エッチングは、例えば、ＩＣＰ−ＲＩＥで行う。
【００６８】
残ったマスク１７２が剥離されて、バッファ層１２０が基板１１０上にエピタキシャル成長されてよい。バッファ層１２０は、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００と同様にＡｌＮからなる層、並びに、ＧａＮからなる層とＡｌＮからなる層との積層の繰り返しで形成され、上面がエッチングで平坦化されてよい。
【００６９】
バッファ層１２０が下側のバッファ層および上側のバッファ層を有し、下側のバッファ層が、基板１１０が薄い領域および基板１１０の上面が傾斜している領域に形成され、基板１１０およびバッファ層１２０の上面が平坦化されてから、均一な厚さの上側のバッファ層が形成されてもよい。平坦化はエッチングで行われてよい。
【００７０】
図８は、基板１１０上にバッファ層１２０が形成され、バッファ層１２０の上面が平坦化された状態の模式的な断面図である。図８において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。バッファ層１２０上にチャネル層１３０が形成されてよい。これ以降の製造方法は、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００と同様である。
【００７１】
図９は、本発明の第５の実施形態に係るＨＥＭＴ１８０の模式的な断面図である。図９において図１または図６と同一の符号を付した要素は、図１または図６において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。ＨＥＭＴ１８０は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、電子供給層１３２、絶縁層１３４、ソース電極１３６、ドレイン電極１３８、ゲート電極１４０、フィールドプレート電極１４１および裏面電極１４２を備える。
【００７２】
バッファ層１２０の上面および下面のいずも、ドレイン電極１３８およびゲート電極１４０の間で、少なくとも一部に傾斜面を有してよい。これにより、ドレイン電極１３８の下の領域のバッファ層１２０の厚さが、ゲート電極１４０の下の領域のバッファ層１２０の厚さより厚くてよい。
【００７３】
バッファ層１２０の上面が、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００と同様に傾斜を有してよい。また、バッファ層１２０の上面が階段状の形状を有してもよい。バッファ層１２０の下面および基板１１０の上面が、第４の実施形態に係るＨＥＭＴ１００と同様に傾斜を有してよい。また、バッファ層１２０の下面および基板１１０の上面が階段状の形状を有してもよい。
【００７４】
バッファ層１２０が、下側のバッファ層と上側のバッファ層を有してよい。当該下側のバッファ層が、基板１１０が薄い部分および基板１１０の上面が傾斜している部分に形成されてよい。下側のバッファ層の上面が、ゲート電極１４０とドレイン電極１３８との間に傾斜面を有してよい。上側のバッファ層が、下側のバッファ層が形成されていない基板１１０上、および、下側のバッファ層上に、均一な厚さで形成されてよい。下側のバッファ層が、第２の実施形態に係るＨＥＭＴ１５０の第１バッファ層１２２と同一の機能および構成を有してよい。また、上側のバッファ層が、第２の実施形態に係るＨＥＭＴ１５０の第２バッファ層１２４と同一の機能および構成を有してよい。
【００７５】
バッファ層１２０の上面および下面に設けられた傾斜が、バッファ層１２０の厚さが一定である領域の上面および下面に対してなす角度をそれぞれ、θ１およびθ２とすると、θ１とθ２の合計が６度以上であることが好ましい。これにより、ＨＥＭＴ１８０の耐圧が５５０Ｖ以上である。
【００７６】
図１０は、本発明の第６の実施形態に係るＨＥＭＴ１９０の模式的な断面図である。図１０において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。ただし、バッファ層１２０の上面は、基板１１０の上面と平行である。ＨＥＭＴ１９０は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、電子供給層１３２、絶縁層１３４、ソース電極１３６、ドレイン電極１３８、ゲート電極１４０、フィールドプレート電極１４１および裏面電極１４２を備える。
【００７７】
基板１１０が、ゲート電極１４０の下に開口１９２を有してよい。開口１９２に、裏面電極１４２が形成され、開口１９２が形成されていない部分の裏面電極１４２に電気的に接続されてよい。開口１９２は、ゲート電極１４０の下の領域のバッファ層１２０の一部を除去して形成されて、バッファ層１２０がドレイン電極１３８の下より、ゲート電極１４０の下で薄くてよい。これにより、チャネル層１３０およびバッファ層１２０の厚さの合計が、ゲート電極１４０の下より、ドレイン電極１３８の下で大きいので、電界がゲート電極１４０のドレイン電極１３８側に集中することを防げる。
【００７８】
開口１９２は、フィールドプレート電極１４１の少なくとも一部の下に広がって形成されてもよい。開口１９２はソース電極１３６の少なくとも一部の下に広がって形成されてもよい。
【００７９】
ＨＥＭＴ１９０の製造法を以下に説明する。基板１１０上に、バッファ層１２０、チャネル層１３０および電子供給層１３２が順次、形成されてよい。次に、絶縁層１３４、ソース電極１３６、ドレイン電極１３８、ゲート電極１４０およびフィールドプレート電極１４１が形成されてよい。バッファ層１２０の上面が傾斜を有していないことを除き、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１００と同様に形成されてよい。次に、開口１９２がフォトリソグラフィーおよびエッチングで形成されてよい。開口１９２および基板１１０の裏面を覆って、裏面電極１４２が形成されてよい。
【００８０】
図１１は、本発明の第７の実施形態に係るＳＢＤ２００（ショットキーバリアダイオード）の模式的な断面図である。図１１において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。ＳＢＤ２００は、基板１１０、バッファ層１２０、チャネル層１３０、電子供給層１３２、絶縁層１３４、アノード２１０、フィールドプレート電極２１１、および、カソード２１２を備える。
【００８１】
第７の実施形態に係るＳＢＤ２００のアノード２１０、フィールドプレート電極２１１、および、カソード２１２は、それぞれ、第１の実施形態に係るゲート電極１４０、フィールドプレート電極１４１、および、ドレイン電極１３８に対応する。アノード２１０がチャネル層１３０にショットキー接続してよい。カソード２１２がチャネル層１３０にオーミック接続してよい。
【００８２】
例として、キャリアが電子の場合について説明する。逆バイアスの状態で、カソード２１２に正の電圧が印可され、アノード２１０が接地あるいは負の電圧が印可されてよい。カソード２１２の下の領域のバッファ層１２０が、アノード２１０の下の領域のバッファ層１２０がアノード２１０より厚いので、当該逆バイアスの状態で、カソード２１２と裏面電極１４２との間の耐圧が高い。また、アノード２１０の下の領域のバッファ層１２０がカソード２１２の下の領域のバッファ層１２０より薄いので、アノード２１０のカソード２１２側の端部に電界が集中することを防ぎ、電流コラプスが抑制される。
【００８３】
第７の実施形態では、バッファ層１２０の上面が、アノード２１０とカソード２１２との間に傾斜を有するＳＢＤ２００の例を示した。しかし、第２〜第６の実施形態に示したような、ＳＢＤの態様が実現できることが当業者に明らかである。
【００８４】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。例えば、本発明を窒化物化合物半導体系ＭＯＳ−ＨＥＭＴ、あるいは、窒化物化合物半導体系ＭＩＳ−ＨＥＭＴにも適用できることが当業者に明らかである。また、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００８５】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００８６】
１００ ＨＥＭＴ、１１０ 基板、１２０ バッファ層、１２２ 第１バッファ層、１２４ 第２バッファ層、１３０ チャネル層、１３２ 電子供給層、１３４ 絶縁層、１３６ ソース電極、１３８ ドレイン電極、１４０ ゲート電極、１４１ フィールドプレート電極、１４２ 裏面電極、１４４ マスク、１５０ ＨＥＭＴ、１６０ ＨＥＭＴ、１６２ コンタクトホール、１７０ ＨＥＭＴ、１７２ マスク、１８０ ＨＥＭＴ、１９０ ＨＥＭＴ、１９２ 開口、２００ ＳＢＤ、２１０ アノード、２１１ フィールドプレート電極、２１２ カソード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に形成された窒化物系化合物半導体からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された窒化物系化合物半導体からなるチャネル層と、
前記チャネル層の上方に形成された窒化物系化合物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層の上方に形成された第１の電極と、
前記電子供給層の上方に形成された第２の電極と、を備え、
前記第２の電極の電位に対して、前記基板の電位および前記第１の電極の電位が同じ側であり、
前記第２の電極の下の領域の前記バッファ層の厚さおよび前記チャネル層の厚さの合計が、前記第１の電極の下の領域の前記バッファ層の厚さおよび前記チャネル層の厚さの合計より、大きい半導体装置。
【請求項２】
前記基板の電位と、前記第１の電極の電位が同じである請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２の電極の下の領域の前記バッファ層の厚さが、前記第１の電極の下の領域の前記バッファ層の厚さより厚い請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の電極および前記第２の電極の間で、前記バッファ層の下面が平坦であり、前記バッファ層の上面の少なくとも一部に傾斜面を有する請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の電極および前記第２の電極の間で、前記バッファ層の上面が平坦であり、前記バッファ層の下面の少なくとも一部に傾斜面を有する請求項３に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１の電極の下の領域の前記基板の厚さと、前記第２の電極の下の領域の前記基板の厚さが異なる請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１の電極および前記第２の電極の間で、前記バッファ層の上面および下面のいずにも、少なくとも一部に傾斜面を有する請求項３に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記基板の下面に第３の電極を更に備える請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記基板が、前記第２の電極の下に開口を有し、
前記開口に形成され、前記第３の電極に電気的に接続された第４の電極をさらに備える請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第１の電極に対して前記第２の電極の反対側に、前記電子供給層の上方に形成された第５の電極を更に備え、
前記第５の電極の下の領域の前記バッファ層の厚さおよび前記チャネル層の厚さの合計が、前記第２の電極の下の領域の前記バッファ層の厚さおよび前記チャネル層の厚さの合計と同じである請求項８または９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記基板、前記バッファ層、前記チャネル層、および、前記電子供給層を貫通する貫通孔に形成されたビアをさらに備え、
前記第３の電極と、前記第５の電極が前記ビアを介して電気的に接続されている請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記バッファ層は、
前記第１の電極の下方に形成された第１のバッファ層と、
前記第１の電極および前記第２の電極の下方に形成され、前記チャネル層を形成する窒化物系化合物半導体の格子間距離との差が、前記第１のバッファ層より小さい窒化物系化合物半導体からなる層を含む第２のバッファ層と、
前記第１のバッファ層は、前記第２のバッファ層より耐電圧が大きい窒化物系化合物半導体からなる
請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記第１のバッファ層はＧａＮからなる層とＡｌＮからなる層とを積層して形成され、
前記第２のバッファ層はＡｌＧａＮからなる請求項１２に記載の半導体装置。
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に形成された窒化物系化合物半導体からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された窒化物系化合物半導体からなるチャネル層と、
前記チャネル層の上方に形成された窒化物系化合物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層の上方に形成された第１の電極と、
前記電子供給層の上方に形成された第２の電極と、を備え、
前記第２の電極の電位に対して、前記基板の電位および前記第１の電極の電位が同じ側であり、
前記第２の電極の下の領域の前記バッファ層の厚さおよび前記チャネル層の厚さの合計が、前記第１の電極の下の領域の前記バッファ層の厚さおよび前記チャネル層の厚さの合計より、大きい半導体装置。
【請求項２】
前記基板の電位と、前記第１の電極の電位が同じである請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２の電極の下の領域の前記バッファ層の厚さが、前記第１の電極の下の領域の前記バッファ層の厚さより厚い請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の電極および前記第２の電極の間で、前記バッファ層の下面が平坦であり、前記バッファ層の上面の少なくとも一部に傾斜面を有する請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の電極および前記第２の電極の間で、前記バッファ層の上面が平坦であり、前記バッファ層の下面の少なくとも一部に傾斜面を有する請求項３に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１の電極の下の領域の前記基板の厚さと、前記第２の電極の下の領域の前記基板の厚さが異なる請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１の電極および前記第２の電極の間で、前記バッファ層の上面および下面のいずにも、少なくとも一部に傾斜面を有する請求項３に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記基板の下面に第３の電極を更に備える請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記基板が、前記第２の電極の下に開口を有し、
前記開口に形成され、前記第３の電極に電気的に接続された第４の電極をさらに備える請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第１の電極に対して前記第２の電極の反対側に、前記電子供給層の上方に形成された第５の電極を更に備え、
前記第５の電極の下の領域の前記バッファ層の厚さおよび前記チャネル層の厚さの合計が、前記第２の電極の下の領域の前記バッファ層の厚さおよび前記チャネル層の厚さの合計と同じである請求項８または９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記基板、前記バッファ層、前記チャネル層、および、前記電子供給層を貫通する貫通孔に形成されたビアをさらに備え、
前記第３の電極と、前記第５の電極が前記ビアを介して電気的に接続されている請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記バッファ層は、
前記第１の電極の下方に形成された第１のバッファ層と、
前記第１の電極および前記第２の電極の下方に形成され、前記チャネル層を形成する窒化物系化合物半導体の格子間距離との差が、前記第１のバッファ層より小さい窒化物系化合物半導体からなる層を含む第２のバッファ層と、
前記第１のバッファ層は、前記第２のバッファ層より耐電圧が大きい窒化物系化合物半導体からなる
請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記第１のバッファ層はＧａＮからなる層とＡｌＮからなる層とを積層して形成され、
前記第２のバッファ層はＡｌＧａＮからなる請求項１２に記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２３０９９１（Ｐ２０１２−２３０９９１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９７８７５（Ｐ２０１１−９７８７５）
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【出願人】（５１００３５８４２）次世代パワーデバイス技術研究組合 (46)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【出願人】（５１００３５８４２）次世代パワーデバイス技術研究組合 (46)
【Ｆターム（参考）】
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