高電子移動度トランジスタ
【課題】 ＨＥＭＴにおいて、２次元電子ガス層の電気抵抗の増加が抑制された正孔排出用電極を提供すること。
【解決手段】 ＨＥＭＴ１０は、ゲート電極３４とドレイン電極３２の間のヘテロ接合層２７に接触する正孔選択通過膜４３と、その正孔選択通過膜４３に接触する正孔排出用電極４６を備えている。正孔選択通過膜４３は、へテロ接合層２７に接触する第１部分領域４２と正孔排出用電極４６に接触する第２部分領域４４を有している。第２部分領域４２のｐ型不純物の濃度は、第１部分領域４４のｐ型不純物濃度よりも濃い。
【解決手段】 ＨＥＭＴ１０は、ゲート電極３４とドレイン電極３２の間のヘテロ接合層２７に接触する正孔選択通過膜４３と、その正孔選択通過膜４３に接触する正孔排出用電極４６を備えている。正孔選択通過膜４３は、へテロ接合層２７に接触する第１部分領域４２と正孔排出用電極４６に接触する第２部分領域４４を有している。第２部分領域４２のｐ型不純物の濃度は、第１部分領域４４のｐ型不純物濃度よりも濃い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電子移動度トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
バンドギャップ幅の異なる複数の半導体層で構成されたヘテロ接合層を有する半導体装置が知られている。この種の半導体装置では、ヘテロ接合層内のヘテロ接合近傍に形成される２次元電子ガス層を利用して、ドレイン電極とソース電極の間で電子を移動させる。ゲート電極がドレイン電極とソース電極の間に設けられており、ゲート電極に印加される電圧に基づいて、ゲート電極に対向する２次元電子ガス層の電子濃度が調整される。これにより、ドレイン電極とソース電極の間を流れる電流のオン・オフが制御される。一般的に、この種の半導体装置は、高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor:以下、ＨＥＭＴという）と称される。
【０００３】
ＨＥＭＴでは、様々な要因で素子内に過剰の電子・正孔が生成されることがある。例えば、ＨＥＭＴに接続される誘導性負荷に蓄積されたエネルギーが放出されると、素子内部に高電界が加わり、素子内部に電子・正孔が生成する。生成した電子は、格子原子に衝突を繰返し、さらに過剰の電子・正孔対が生成される（アバランシェ降伏）。生成した電子は、ドレイン電極を介して排出される。一方、生成した正孔は、素子内の結晶欠陥にトラップされ易いという特徴を有する。このため、例えば、ゲート電極下方の結晶欠陥に正孔がトラップされると、ＨＥＭＴの特性を大きく変動させるという問題が生じてしまう。このような問題に対策するために、生成した正孔を速やかに排出するための技術が望まれている。
【０００４】
特許文献１及び２には、ゲート電極とドレイン電極の間に正孔排出用電極を設ける技術が開示されている。正孔排出用電極は、ｐ型不純物を含む正孔選択通過膜を介してヘテロ接合層に対向している。正孔選択通過膜は、正孔のみを通過させ、電子の通過を阻害する。これにより、正孔排出用電極は、２次元電子ガス層の電子の流れ（電流の流れ）を妨げることなく、正孔のみを選択的に排出させることができる。
【０００５】
ゲート電極とドレイン電極の間のヘテロ接合層は、アバランシェ降伏が発生し易い箇所である。このため、特許文献１及び２に開示されるように、ゲート電極とドレイン電極の間に正孔排出用電極が配置されていると、アバランシェ降伏で発生した過剰の正孔を速やかに排出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２５２１１２号公報
【特許文献２】特開２００６−５１３５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ｐ型不純物を含む正孔選択通過膜を介してヘテロ接合層に対向する正孔排出用電極では、正孔の排出能を高めるために、正孔選択通過膜と正孔排出用電極との接触抵抗を小さくすることが肝要である。接触抵抗を小さくするためには、正孔選択通過膜のｐ型不純物の濃度を高濃度に調整するのが望ましい。しかしながら、ｐ型不純物が高濃度に調整されていると、正孔選択通過膜から伸びる空乏層によってヘテロ接合層が空乏化され、２次元電子ガス層の電子濃度が低下してしまう。このため、２次元電子ガス層の電気抵抗が増加するという問題がある。
【０００８】
本明細書で開示される技術は、２次元電子ガス層の電気抵抗の増加が抑制された正孔排出用電極を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書で開示される技術は、ヘテロ接合層と正孔排出用電極の間に設けられた正孔選択通過膜に関し、ヘテロ接合層と接触する部分ではｐ型不純物を低濃度（又はｐ型不純物を含まない）に含んでいることを特徴としている。これにより、正孔選択通過膜からヘテロ接合層に向けて伸びる空乏層によって２次元電子ガス層が空乏化されることが抑制される。本明細書で開示される技術はさらに、ヘテロ接合層と正孔排出用電極の間に設けられた正孔選択通過膜に関し、正孔排出用電極と接触する部分ではｐ型不純物を高濃度に含んでいることを特徴としている。これにより、正孔選択通過膜と正孔排出用電極との接触抵抗が小さく抑えられる。本明細書で開示される技術によると、２次元電子ガス層の電気抵抗の増加が抑制された正孔排出用電極を提供することができる。
【００１０】
本明細書で開示されるＨＥＭＴは、ヘテロ接合層と第１主電極と第２主電極とゲート電極と正孔選択通過膜と正孔排出用電極を備えている。ヘテロ接合層は、第１半導体層と第２半導体層で構成されている。第１主電極は、ヘテロ接合層の第２半導体層上に設けられている。第２主電極は、ヘテロ接合層の第２半導体層上に設けられているとともに、第１主電極から離反している。ゲート電極は、第１主電極と第２主電極の間に設けられており、ヘテロ接合層の第２半導体層の表面に対向する。ゲート電極は、ヘテロ接合層の第２半導体層に直接的に接するショットキー型でもよく、ゲート絶縁膜を介してヘテロ接合層の第２半導体層に接するＭＩＳ型でもよい。正孔選択通過膜は、ゲート電極と第１主電極の間のヘテロ接合層に接触する。正孔排出用電極は、ヘテロ接合層に接触する。正孔排出用電極は、ヘテロ接合層の第１半導体層の表面に正孔選択通過膜を介して接していてもよく、ヘテロ接合層の第２半導体層の表面に正孔選択通過膜を介して接していてもよい。正孔選択通過膜は、へテロ接合層に接触する第１部分領域と正孔排出用電極に接触する第２部分領域を有している。第２部分領域のｐ型不純物の濃度は、第１部分領域のｐ型不純物濃度よりも濃い。上記ＨＥＭＴでは、第１主電極と第２主電極の間のヘテロ接合層を電流が流れ、その電流はゲート電極によって制御される。正孔排出用電極は、ゲート電極と第１主電極の間のヘテロ接合層に正孔選択通過膜を介して接していることから、ゲート電極と第１主電極の間で生成した正孔を速やかに排出することができる。さらに、上記ＨＥＭＴでは、正孔選択通過膜が、第１部分領域と第２部分領域を有している。ヘテロ接合層に接触する第１部分領域は、ｐ型不純物が低濃度（又はｐ型不純物を含まない）である。このため、第１部分領域からヘテロ接合層に向けて伸びる空乏層によって２次元電子ガス層が空乏化されることが抑制され、２次元電子ガス層の電子濃度が高く維持される。また、正孔排出用電極に接触する第２部分領域は、ｐ型不純物が高濃度である。このため、第２部分領域と正孔排出用電極の接触抵抗は小さい。上記ＨＥＭＴは、２次元電子ガス層の電気抵抗の増加が抑制された正孔排出用電極を備えている。
【００１１】
上記ＨＥＭＴでは、第１半導体層の半導体材料がＩｎＸａＧａＹａＡｌ１−Ｘａ−ＹａＮ（０≦Ｘａ≦１、０≦Ｙａ≦１、０≦Ｘａ＋Ｙａ≦１）であり、第２半導体層の半導体材料がＩｎＸｂＧａＹｂＡｌ１−Ｘｂ−ＹｂＮ（０≦Ｘｂ≦１、０≦Ｙｂ≦１、０≦Ｘｂ＋Ｙｂ≦１）であり、（１−Ｘａ−Ｙａ）＜（１−Ｘｂ−Ｙｂ）であるのが望ましい。すなわち、第１半導体層と第２半導体層のアルミニウムの組成比が異なっており、第２半導体層のアルミニウムの組成比が第１半導体層のアルミニウムの組成比よりも高い。このため、第２半導体層のバンドギャップ幅が第１半導体層のバンドギャップ幅よりも広く、第１半導体層と第２半導体層の間のヘテロ接合近傍に２次元電子ガス層が形成される。
【００１２】
上記ＨＥＭＴでは、正孔排出用電極が、へテロ接合層の第２半導体層の表面に正孔選択通過膜を介して対向しているのが望ましい。すなわち、正孔排出用電極は、第１主電極と第２主電極とゲート電極が設けられているヘテロ接合層の表面と同じ側に設けられているのが望ましい。アバランシェ降伏は、ヘテロ接合層のうち、第１主電極と第２主電極とゲート電極が設けられている表面側で発生し易い。したがって、正孔排出用電極がこれら電極と同じ表面に設けられていると、アバランシェ降伏で発生した正孔を速やかに排出することができる。
【００１３】
正孔選択通過膜の第１部分領域の半導体材料が、ＩｎＸｂＧａＹｂＡｌ１−Ｘｂ−ＹｂＮ（０≦Ｘｂ≦１、０≦Ｙｂ≦１、０≦Ｘｂ＋Ｙｂ≦１）であるのが望ましい。すなわち、正孔選択通過膜の第１部分領域の半導体材料とヘテロ接合層の第２半導体層の半導体材料が同じ組成比であるのが望ましい。この場合、正孔選択通過膜の第１部分領域とヘテロ接合層の第２半導体層の間にエネルギー障壁が形成されない。このため、正孔選択通過膜の第１部分領域とヘテロ接合層の第２半導体層の間の正孔に対する移動度が低く抑えられ、正孔を正孔排出用電極から速やかに排出させることができる。
【００１４】
第２部分領域の半導体材料が、ＩｎＸｃＧａＹｃＡｌ１−Ｘｃ−ＹｃＮ（０≦Ｘｃ≦１、０≦Ｙｃ≦１、０≦Ｘｃ＋Ｙｃ≦１）であり、（１−Ｘｃ−Ｙｃ）＜（１−Ｘｂ−Ｙｂ）であるのが望ましい。すなわち、第２部分領域のアルミニウムの組成比が、第１部分領域のアルミニウムの組成比よりも小さい。アルミニウムの組成比が小さいと、ｐ型不純物を高濃度に含有することができる。したがって、第２部分領域は、ｐ型不純物の濃度を濃くすることができ、正孔排出用電極との接触抵抗を小さくすることができる。
【００１５】
第１部分領域と第２部分領域が接している場合、アルミニウムの組成比は、第１部分領域と第２部分領域において、へテロ接合層側から正孔排出用電極側に向けて連続的に減少するのが望ましい。この場合、正孔選択通過膜内にエネルギー障壁が形成されない。このため、正孔選択通過膜内の正孔に対する移動度が低く抑えられ、正孔を正孔排出用電極から速やかに排出させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本明細書で開示される技術によると、２次元電子ガス層の電気抵抗の増加が抑制された正孔排出用電極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施例のＨＥＭＴの要部平面図を模式的に示す。
【図２】図１のII-II線に対応した縦断面図を模式的に示す。
【図３】（Ａ）第１実施例の正孔選択通過膜のアルミニウムの組成比の分布の一例を示す。（Ｂ）第１実施例の正孔選択通過膜のマグネシウムの濃度の分布の一例を示す。
【図４】（Ａ）第１実施例の正孔選択通過膜のアルミニウムの組成比の分布の他の一例を示す。（Ｂ）第１実施例の正孔選択通過膜のマグネシウムの濃度の分布の他の一例を示す。
【図５】（Ａ）第１実施例の正孔選択通過膜のアルミニウムの組成比の分布の他の一例を示す。（Ｂ）第１実施例の正孔選択通過膜のマグネシウムの濃度の分布の他の一例を示す。
【図６】第２実施例のＨＥＭＴの要部平面図を模式的に示す。
【図７】図６のVII-VII線に対応した縦断面図を模式的に示す。
【図８】図６のVIII-VIII線に対応した縦断面図を模式的に示す。
【図９】（Ａ）第２１実施例の正孔選択通過膜のアルミニウムの組成比の分布の一例を示す。（Ｂ）第２実施例の正孔選択通過膜のマグネシウムの濃度の分布の一例を示す。
【図１０】第３実施例のＨＥＭＴの要部平面図を模式的に示す。
【図１１】図１０のXI-XI線に対応した縦断面図を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本願明細書で開示される技術を整理して記載する。
（第１特徴） 正孔選択通過膜の第１部分領域の半導体材料は、一般式がＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）であるのが望ましい。正孔選択通過膜の第２部分領域の半導体材料は、一般式がＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）であるのが望ましい。さらに、Ｘ＞Ｙであるのが望ましい。
（第２特徴） 正孔選択通過膜に含まれるｐ型不純物は、マグネシウムであるのが望ましい。
（第３特徴） 正孔選択通過膜は、正孔排出用電極と接触する部分において、窒化ガリウム（ＧａＮ）であるのが望ましい。
（第４特徴） 正孔選択通過膜の第１部分領域のｐ型不純物濃度は、１×１０17ｃｍ-3以下が望ましい。より好ましくは、正孔選択通過膜の第１部分領域は、ｐ型不純物を含まないのが望ましい。
（第５特徴） 正孔選択通過膜の第２部分領域のｐ型不純物濃度は、１×１０19ｃｍ-3以上であるのが望ましい。
【実施例１】
【００１９】
図１に、ＨＥＭＴ１０の要部平面図を模式的に示す。図２に、図１のII-II線に対応した縦断面図を模式的に示す。図２に示されるように、ＨＥＭＴ１０は、サファイア基板２２と、そのサファイア基板２２上に設けられているバッファ層２４と、そのバッファ層２４上に設けられている第１半導体層２６と、その第１半導体層２６上に設けられている第２半導体層２８を備えている。一例では、バッファ層２４は、窒化ガリウム（ＧａＮ）である。第１半導体層２６は、不純物を含まない真性の窒化ガリウム（ＧａＮ）であり、その厚みは約２μｍである。第２半導体層２８は、不純物を含まない真性のアルミニウム窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）であり、その厚みは約２０ｎｍである。第２半導体層２８のアルミニウムの組成比は、０．２５以下であるのが望ましい。第２半導体層２８はアルミニウムを含んでいることから、第２半導体層２８のバンドギャップ幅は第１半導体層２６のバンドギャップ幅よりも広い。このため、第１半導体層２６と第２半導体層２８は、ヘテロ接合層２７を構成しており、第１半導体層２６と第２半導体層２８の間のヘテロ接合近傍に２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）が形成される。バッファ層２４、第１半導体層２６及び第２半導体層２８は、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)技術を利用して、サファイア基板２２上に形成することができる。
【００２０】
第２半導体層２８の表面には、ドレイン電極３２（第１主電極の一例）と、正孔排出用電極４６と、ゲート電極３４と、ソース電極３６（第２主電極の一例）が設けられている。図１に示されるように、これらの電極はいずれも、ｙ軸方向に沿って伸びた平面矩形状であり、ｘ軸方向に間隔を置いてストライプ状に配置されている。
【００２１】
図２に示されるように、ドレイン電極３２とソース電極３６は、ｘ軸方向に離反して設けられている。ドレイン電極３２とソース電極３６には、第２半導体層２８とオーミック接触する材料が採用されており、一例ではアルミニウム（Ａｌ）である。ドレイン電極３２は、図示しない電源の高圧側に接続されており、正電圧が印加されている。ソース電極３６は、図示しない電源の低圧側に接続されており、接地電位に固定されている。ゲート電極３４は、ドレイン電極３２とソース電極３６の間に設けられている。ゲート電極３４には、第２半導体層２８とショットキー接触する材料が採用されており、一例ではＮｉ／Ａｕ（下層：Ｎｉ、上層：Ａｕ）である。ゲート電極３４は、図示しないゲート制御回路に接続されており、ゲート制御電圧が入力する。なお、ゲート電極３４は、ゲート絶縁膜を介してヘテロ接合に対向するＭＩＳ型であってもよい。
【００２２】
正孔排出用電極４６は、ゲート電極３４とドレイン電極３２の間に設けられており、正孔選択通過膜４３を介して第２半導体層２８に対向している。正孔排出用電極４６には、正孔選択通過膜４３にオーミック接触する材料が採用されており、一例では、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）又はパラジウム（Ｐｂ）である。正孔排出用電極４６には、対向する第２半導体層２８の電位以下の電位となるような電圧が印加されている。一例では、正孔排出用電極４６には固定電位が印加されており、好ましくはドレイン電圧よりも小さい固定電位、より好ましくは接地電位が印加されるのが望ましい。また、正孔排出用電極４６には、ゲート制御電圧に同期する電圧が印加されてもよい。一例では、正孔排出用電極４６には、ゲート制御電圧が印加されてもよい。
【００２３】
正孔選択通過膜４３の半導体材料には、第２半導体層２８と同一組成比のアルミニウム窒化ガリウムが採用されている。正孔選択通過膜４３は、第２半導体層２８に接触する第１部分領域４２と正孔排出用電極４６に接触する第２部分領域４４を有する。一例では、第１部分領域４２の厚みが約３０ｎｍであり、第２部分領域４４の厚みも３０ｎｍである。正孔選択通過膜４３の第１部分領域４２と第２部分領域４４は、例えばＭＯＣＶＤ技術を利用してヘテロ接合層２７上に成膜した後に、エッチング技術を利用してパターニングすることで形成することができる。
【００２４】
図３（Ａ）に、正孔選択通過膜４３の第１部分領域４２と第２部分領域４４のアルミニウムの組成比の分布を示す。図３（Ｂ）に、正孔選択通過膜４３の第１部分領域４２と第２部分領域４４に含まれるマグネシウムの濃度の分布を示す。なお、図３の横軸は、図１及び図２のｚ軸方向に対応している。図３（Ａ）に示されるように、第１部分領域４２と第２部分領域４４のアルミニウムの組成比はいずれも約０．２５であり、第１部分領域４２と第２部分領域４４の半導体材料はいずれもアルミニウム窒化ガリウム（Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ）である。図３（Ｂ）に示されるように、第１部分領域４２にはマグネシウムはほとんど含まれておらず、第２部分領域４４にはマグネシウムが約１×１０18ｃｍ-3で含まれている。このため、第１部分領域４２は真性型（ｉ型）であり、第２部分領域４４はｐ＋型である。第２部分領域４４のマグネシウム濃度が高いので、第２部分領域４４と正孔排出用電極４６の接触抵抗が小さい。
【００２５】
なお、正孔選択通過膜４３の第１部分領域４２と第２部分領域４４は、図４に示される態様でもよい。この態様では、図４（Ａ）に示されるように、第１部分領域４２のアルミニウムの組成比が約０．２５であり、第２部分領域４４のアルミニウムの組成比は約０であることを特徴としている。すなわち、第１部分領域４２の半導体材料がアルミニウム窒化ガリウム（Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ）であり、第２部分領域４４の半導体材料が窒化ガリウム（ＧａＮ）である。第２部分領域４４の半導体材料が窒化ガリウムであると、図４（Ｂ）に示されるように、マグネシウムの濃度を１×１０19ｃｍ-3にまで濃くすることができる。このため、第２部分領域４４と正孔排出用電極４６の接触抵抗をさらに小さくすることができる。一方で、第１部分領域４２の半導体材料は、ヘテロ接合層２７の第２半導体層２８の半導体材料と同一である。このため、第１部分領域４２と第２半導体層２８の間にエネルギー障壁が形成されない。したがって、第１部分領域４２と第２半導体層２８の間の正孔に対する移動度が高くなる。
【００２６】
また、正孔選択通過膜４３の第１部分領域４２と第２部分領域４４は、図５に示される態様でもよい。この態様では、図５（Ａ）に示されるように、第１部分領域４２と第２部分領域４４のアルミニウムの組成比が傾斜していることを特徴としている。すなわち、アルミニウムの組成比は、第１部分領域４２と第２部分領域４４において、へテロ接合層２７側から正孔排出用電極４６側に向けて連続的に減少している。特に、第２部分領域４４が正孔排出用電極４６と接触する面では、アルミニウムの組成比が約０である。この態様によると、正孔選択通過膜４３内のアルミニウムの組成比が連続的に変化しているので、正孔選択通過膜４３内では明白に組成比が変化する部分が存在しない。このため、正孔選択通過膜４３内にエネルギー障壁が形成されない。正孔選択通過膜４３内における正孔に対する移動度が高くなる。
【００２７】
次に、ＨＥＭＴ１０の動作を説明する。第１半導体層２６と第２半導体層２８の間のヘテロ接合面近傍には、２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）が発生しており、ＨＥＭＴ１０はノーマリオンで動作する。ドレイン電極３２に正電圧が印加されているとともにソース電極３６に接地電圧が印加された状態で、ゲート電極３４に接地電圧が印加されると、ＨＥＭＴ１０がオンする。ＨＥＭＴ１０がオンすると、ソース電極３６から注入された電子は、２次元電子ガスを経由してドレイン電極３２に向けて流れる。正孔選択通過膜４３は、電子の通過を阻害するので、２次元電子ガス層を流れる電子は、正孔選択通過膜４３を通過して正孔排出用電極４６に流れ込むことがない。ゲート電極３４とドレイン電極３２の間に正孔排出用電極４６が設けられていたとしても、ＨＥＭＴ１０のオン動作を妨げることがない。
【００２８】
ゲート電極３４に印加されている接地電圧が負電圧に切換わると、ゲート電極３４が対向するヘテロ接合の２次元電子ガス層が消失し、ＨＥＭＴ１０がオフする。ＨＥＭＴ１０がオフすると、ＨＥＭＴ１０に接続される誘導性負荷に蓄積されたエネルギーが放出され、素子内部に高電界が加わり、素子内部に電子・正孔が生成する。生成した電子は、格子原子に衝突を繰返し、さらに過剰の電子・正孔対が生成される（アバランシェ降伏）。このようなアバランシェ降伏は、ゲート電極３４とドレイン電極３２の間のヘテロ接合近傍、又はゲート電極３４とドレイン電極３２の間で発生することが多い。
【００２９】
ＨＥＭＴ１０では、アバランシェ降伏が発生する箇所近傍に、正孔排出用電極４６が配置されている。このため、ゲート電極３４とドレイン電極３２の間で発生した正孔は、正孔選択通過膜４３を介して正孔排出用電極４６に速やかに排出される。この結果、ＨＥＭＴ１０の破壊が顕著に抑制される。
【００３０】
さらに、ＨＥＭＴ１０では、正孔選択通過膜４３がヘテロ接合層２７に接触する第１部分領域４２と正孔排出用電極４６に接触する第２部分領域４４を有していることを特徴としている。ヘテロ接合層２７に接触する第１部分領域４２は、ｐ型不純物をほとんど含んでいない。このため、正孔選択通過膜４３からヘテロ接合層２７に向けて伸びる空乏層によって２次元電子ガス層が空乏化されることが抑制されており、２次元電子ガス層の電子濃度が高く維持される。このため、正孔選択通過膜４３がヘテロ接合層２７に接触して設けられていても、２次元電子ガス層の電気抵抗が増加することが抑制されている。また、正孔排出用電極４６に接触する第２部分領域４４は、ｐ型不純物が高濃度である。このため、第２部分領域４４と正孔排出用電極４６の接触抵抗は小さい。正孔排出用電極４６の正孔排出能は高い。
【実施例２】
【００３１】
図６に、ＨＥＭＴ１００の要部平面図を模式的に示す。図７に、図６のVII-VII線に対応した縦断面図を模式的に示す。図８に、図６のVIII-VIII線に対応した縦断面図を模式的に示す。なお、第１実施例のＨＥＭＴ１０と実質的に共通する構成要素に関しては共通の符号を付し、その説明を省略する。
【００３２】
ＨＥＭＴ１００は、図７及び図８に示されるように、正孔選択通過膜１４３が、ヘテロ接合層２７の第１半導体層２６の裏面に設けられていることを特徴としている。正孔選択通過膜１４３は、第１部分領域１４２と第２部分領域１４４を有している。さらに、図６及び図８に示されるように、正孔選択通過膜１４３はｙ軸方向に沿って伸びており、正孔選択通過膜１４３の第２部分領域１４４がヘテロ接合層２７を超えて外部に露出している。正孔排出用電極１４６は、外部に露出する正孔選択通過膜１４３の第２部分領域１４４に接触していることを特徴としている。
【００３３】
正孔選択通過膜１４３の半導体材料には、第１半導体層２６と同一組成比の窒化ガリウムが採用されている。図９（Ａ）に、正孔選択通過膜１４３の第１部分領域１４２と第２部分領域１４４のアルミニウムの組成比の分布を示す。図９（Ｂ）に、正孔選択通過膜１４３の第１部分領域１４２と第２部分領域１４４に含まれるマグネシウムの濃度の分布を示す。図９（Ａ）に示されるように、第１部分領域１４２と第２部分領域１４４のアルミニウムの組成比はいずれも約０であり、第１部分領域１４２と第２部分領域１４４の半導体材料はいずれも窒化ガリウム（ＧａＮ）である。図９（Ｂ）に示されるように、第１部分領域１４２にはマグネシウムが約１×１０15ｃｍ-3で含まれており、第２部分領域１４４にはマグネシウムが約１×１０19ｃｍ-3で含まれている。このため、第１部分領域１４２はｐ−型であり、第２部分領域１４４はｐ＋型である。第２部分領域１４４のマグネシウム濃度が高いので、第２部分領域１４４と正孔排出用電極１４６の接触抵抗が小さい。
【００３４】
ＨＥＭＴ１００でも、アバランシェ降伏が発生する箇所近傍に、正孔排出用電極１４６が配置されている。このため、ゲート電極３４とドレイン電極３２の間で発生した正孔は、正孔選択通過膜１４３を介して正孔排出用電極１４６に速やかに排出される。この結果、ＨＥＭＴ１００の破壊が顕著に抑制される。
【００３５】
さらに、ＨＥＭＴ１００でも、正孔選択通過膜１４３がヘテロ接合層２７に接触する第１部分領域１４２と正孔排出用電極１４６に接触する第２部分領域１４４を有していることを特徴としている。ヘテロ接合層２７に接触する第１部分領域１４２は、ｐ型不純物を低濃度に含んでいる。このため、正孔選択通過膜１４３からヘテロ接合層２７に向けて伸びる空乏層によって２次元電子ガス層が空乏化されることが抑制されており、２次元電子ガス層の電子濃度が高く維持される。このため、正孔選択通過膜１４３がヘテロ接合層２７に接して設けられていても、２次元電子ガス層の電気抵抗が増加することが抑制されている。また、正孔排出用電極１４６に接触する第２部分領域１４４は、ｐ型不純物が高濃度である。このため、第２部分領域１４４と正孔排出用電極１４６の接触抵抗は小さい。正孔排出用電極１４６の正孔排出能は高い。
【実施例３】
【００３６】
図１０に、ＨＥＭＴ２００の要部平面図を模式的に示す。図１１に、図１０のXI-XI線に対応した縦断面図を模式的に示す。なお、第１実施例のＨＥＭＴ１０と実質的に共通する構成要素に関しては共通の符号を付し、その説明を省略する。
【００３７】
ＨＥＭＴ２００は、図１０及び図１１に示されるように、正孔選択通過膜２４３が、ヘテロ接合層２７の第１半導体層２６の裏面に設けられていることを特徴としている。正孔選択通過膜２４３は、第１部分領域２４２と第２部分領域２４４を有している。さらに、図１０及び図１１に示されるように、正孔選択通過膜２４３はｘ軸方向に沿って伸びており、ゲート電極３４及びソース電極３６の下方を通過して伸びているとともに、正孔選択通過膜２４３の第２部分領域２４４がヘテロ接合層２７を超えて外部に露出している。正孔排出用電極２４６は、外部に露出する正孔選択通過膜２４３の第２部分領域２４４に接触していることを特徴としている。
【００３８】
ＨＥＭＴ２００では、正孔選択通過膜２４３及び正孔排出用電極２４６の配置が、第２実施例のＨＥＭＴ１００と異なっていることを特徴としている。正孔選択通過膜２４３及び正孔排出用電極２４６の配置は、要求されるレイアウトに応じて変更することが可能である。
【００３９】
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。
【符号の説明】
【００４０】
２２：サファイア基板
２４：バッファ層
２６：第１半導体層
２７：ヘテロ接合層
２８：第２半導体層
３２：ドレイン電極
３４：ゲート電極
３６：ソース電極
４２，１４２，２４２：第１部分領域
４３，１４３，２４３：正孔選択通過膜
４４，１４４，２４４：第２部分領域
４６，１４６，２４６：正孔排出用電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電子移動度トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
バンドギャップ幅の異なる複数の半導体層で構成されたヘテロ接合層を有する半導体装置が知られている。この種の半導体装置では、ヘテロ接合層内のヘテロ接合近傍に形成される２次元電子ガス層を利用して、ドレイン電極とソース電極の間で電子を移動させる。ゲート電極がドレイン電極とソース電極の間に設けられており、ゲート電極に印加される電圧に基づいて、ゲート電極に対向する２次元電子ガス層の電子濃度が調整される。これにより、ドレイン電極とソース電極の間を流れる電流のオン・オフが制御される。一般的に、この種の半導体装置は、高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor:以下、ＨＥＭＴという）と称される。
【０００３】
ＨＥＭＴでは、様々な要因で素子内に過剰の電子・正孔が生成されることがある。例えば、ＨＥＭＴに接続される誘導性負荷に蓄積されたエネルギーが放出されると、素子内部に高電界が加わり、素子内部に電子・正孔が生成する。生成した電子は、格子原子に衝突を繰返し、さらに過剰の電子・正孔対が生成される（アバランシェ降伏）。生成した電子は、ドレイン電極を介して排出される。一方、生成した正孔は、素子内の結晶欠陥にトラップされ易いという特徴を有する。このため、例えば、ゲート電極下方の結晶欠陥に正孔がトラップされると、ＨＥＭＴの特性を大きく変動させるという問題が生じてしまう。このような問題に対策するために、生成した正孔を速やかに排出するための技術が望まれている。
【０００４】
特許文献１及び２には、ゲート電極とドレイン電極の間に正孔排出用電極を設ける技術が開示されている。正孔排出用電極は、ｐ型不純物を含む正孔選択通過膜を介してヘテロ接合層に対向している。正孔選択通過膜は、正孔のみを通過させ、電子の通過を阻害する。これにより、正孔排出用電極は、２次元電子ガス層の電子の流れ（電流の流れ）を妨げることなく、正孔のみを選択的に排出させることができる。
【０００５】
ゲート電極とドレイン電極の間のヘテロ接合層は、アバランシェ降伏が発生し易い箇所である。このため、特許文献１及び２に開示されるように、ゲート電極とドレイン電極の間に正孔排出用電極が配置されていると、アバランシェ降伏で発生した過剰の正孔を速やかに排出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２５２１１２号公報
【特許文献２】特開２００６−５１３５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ｐ型不純物を含む正孔選択通過膜を介してヘテロ接合層に対向する正孔排出用電極では、正孔の排出能を高めるために、正孔選択通過膜と正孔排出用電極との接触抵抗を小さくすることが肝要である。接触抵抗を小さくするためには、正孔選択通過膜のｐ型不純物の濃度を高濃度に調整するのが望ましい。しかしながら、ｐ型不純物が高濃度に調整されていると、正孔選択通過膜から伸びる空乏層によってヘテロ接合層が空乏化され、２次元電子ガス層の電子濃度が低下してしまう。このため、２次元電子ガス層の電気抵抗が増加するという問題がある。
【０００８】
本明細書で開示される技術は、２次元電子ガス層の電気抵抗の増加が抑制された正孔排出用電極を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書で開示される技術は、ヘテロ接合層と正孔排出用電極の間に設けられた正孔選択通過膜に関し、ヘテロ接合層と接触する部分ではｐ型不純物を低濃度（又はｐ型不純物を含まない）に含んでいることを特徴としている。これにより、正孔選択通過膜からヘテロ接合層に向けて伸びる空乏層によって２次元電子ガス層が空乏化されることが抑制される。本明細書で開示される技術はさらに、ヘテロ接合層と正孔排出用電極の間に設けられた正孔選択通過膜に関し、正孔排出用電極と接触する部分ではｐ型不純物を高濃度に含んでいることを特徴としている。これにより、正孔選択通過膜と正孔排出用電極との接触抵抗が小さく抑えられる。本明細書で開示される技術によると、２次元電子ガス層の電気抵抗の増加が抑制された正孔排出用電極を提供することができる。
【００１０】
本明細書で開示されるＨＥＭＴは、ヘテロ接合層と第１主電極と第２主電極とゲート電極と正孔選択通過膜と正孔排出用電極を備えている。ヘテロ接合層は、第１半導体層と第２半導体層で構成されている。第１主電極は、ヘテロ接合層の第２半導体層上に設けられている。第２主電極は、ヘテロ接合層の第２半導体層上に設けられているとともに、第１主電極から離反している。ゲート電極は、第１主電極と第２主電極の間に設けられており、ヘテロ接合層の第２半導体層の表面に対向する。ゲート電極は、ヘテロ接合層の第２半導体層に直接的に接するショットキー型でもよく、ゲート絶縁膜を介してヘテロ接合層の第２半導体層に接するＭＩＳ型でもよい。正孔選択通過膜は、ゲート電極と第１主電極の間のヘテロ接合層に接触する。正孔排出用電極は、ヘテロ接合層に接触する。正孔排出用電極は、ヘテロ接合層の第１半導体層の表面に正孔選択通過膜を介して接していてもよく、ヘテロ接合層の第２半導体層の表面に正孔選択通過膜を介して接していてもよい。正孔選択通過膜は、へテロ接合層に接触する第１部分領域と正孔排出用電極に接触する第２部分領域を有している。第２部分領域のｐ型不純物の濃度は、第１部分領域のｐ型不純物濃度よりも濃い。上記ＨＥＭＴでは、第１主電極と第２主電極の間のヘテロ接合層を電流が流れ、その電流はゲート電極によって制御される。正孔排出用電極は、ゲート電極と第１主電極の間のヘテロ接合層に正孔選択通過膜を介して接していることから、ゲート電極と第１主電極の間で生成した正孔を速やかに排出することができる。さらに、上記ＨＥＭＴでは、正孔選択通過膜が、第１部分領域と第２部分領域を有している。ヘテロ接合層に接触する第１部分領域は、ｐ型不純物が低濃度（又はｐ型不純物を含まない）である。このため、第１部分領域からヘテロ接合層に向けて伸びる空乏層によって２次元電子ガス層が空乏化されることが抑制され、２次元電子ガス層の電子濃度が高く維持される。また、正孔排出用電極に接触する第２部分領域は、ｐ型不純物が高濃度である。このため、第２部分領域と正孔排出用電極の接触抵抗は小さい。上記ＨＥＭＴは、２次元電子ガス層の電気抵抗の増加が抑制された正孔排出用電極を備えている。
【００１１】
上記ＨＥＭＴでは、第１半導体層の半導体材料がＩｎＸａＧａＹａＡｌ１−Ｘａ−ＹａＮ（０≦Ｘａ≦１、０≦Ｙａ≦１、０≦Ｘａ＋Ｙａ≦１）であり、第２半導体層の半導体材料がＩｎＸｂＧａＹｂＡｌ１−Ｘｂ−ＹｂＮ（０≦Ｘｂ≦１、０≦Ｙｂ≦１、０≦Ｘｂ＋Ｙｂ≦１）であり、（１−Ｘａ−Ｙａ）＜（１−Ｘｂ−Ｙｂ）であるのが望ましい。すなわち、第１半導体層と第２半導体層のアルミニウムの組成比が異なっており、第２半導体層のアルミニウムの組成比が第１半導体層のアルミニウムの組成比よりも高い。このため、第２半導体層のバンドギャップ幅が第１半導体層のバンドギャップ幅よりも広く、第１半導体層と第２半導体層の間のヘテロ接合近傍に２次元電子ガス層が形成される。
【００１２】
上記ＨＥＭＴでは、正孔排出用電極が、へテロ接合層の第２半導体層の表面に正孔選択通過膜を介して対向しているのが望ましい。すなわち、正孔排出用電極は、第１主電極と第２主電極とゲート電極が設けられているヘテロ接合層の表面と同じ側に設けられているのが望ましい。アバランシェ降伏は、ヘテロ接合層のうち、第１主電極と第２主電極とゲート電極が設けられている表面側で発生し易い。したがって、正孔排出用電極がこれら電極と同じ表面に設けられていると、アバランシェ降伏で発生した正孔を速やかに排出することができる。
【００１３】
正孔選択通過膜の第１部分領域の半導体材料が、ＩｎＸｂＧａＹｂＡｌ１−Ｘｂ−ＹｂＮ（０≦Ｘｂ≦１、０≦Ｙｂ≦１、０≦Ｘｂ＋Ｙｂ≦１）であるのが望ましい。すなわち、正孔選択通過膜の第１部分領域の半導体材料とヘテロ接合層の第２半導体層の半導体材料が同じ組成比であるのが望ましい。この場合、正孔選択通過膜の第１部分領域とヘテロ接合層の第２半導体層の間にエネルギー障壁が形成されない。このため、正孔選択通過膜の第１部分領域とヘテロ接合層の第２半導体層の間の正孔に対する移動度が低く抑えられ、正孔を正孔排出用電極から速やかに排出させることができる。
【００１４】
第２部分領域の半導体材料が、ＩｎＸｃＧａＹｃＡｌ１−Ｘｃ−ＹｃＮ（０≦Ｘｃ≦１、０≦Ｙｃ≦１、０≦Ｘｃ＋Ｙｃ≦１）であり、（１−Ｘｃ−Ｙｃ）＜（１−Ｘｂ−Ｙｂ）であるのが望ましい。すなわち、第２部分領域のアルミニウムの組成比が、第１部分領域のアルミニウムの組成比よりも小さい。アルミニウムの組成比が小さいと、ｐ型不純物を高濃度に含有することができる。したがって、第２部分領域は、ｐ型不純物の濃度を濃くすることができ、正孔排出用電極との接触抵抗を小さくすることができる。
【００１５】
第１部分領域と第２部分領域が接している場合、アルミニウムの組成比は、第１部分領域と第２部分領域において、へテロ接合層側から正孔排出用電極側に向けて連続的に減少するのが望ましい。この場合、正孔選択通過膜内にエネルギー障壁が形成されない。このため、正孔選択通過膜内の正孔に対する移動度が低く抑えられ、正孔を正孔排出用電極から速やかに排出させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本明細書で開示される技術によると、２次元電子ガス層の電気抵抗の増加が抑制された正孔排出用電極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施例のＨＥＭＴの要部平面図を模式的に示す。
【図２】図１のII-II線に対応した縦断面図を模式的に示す。
【図３】（Ａ）第１実施例の正孔選択通過膜のアルミニウムの組成比の分布の一例を示す。（Ｂ）第１実施例の正孔選択通過膜のマグネシウムの濃度の分布の一例を示す。
【図４】（Ａ）第１実施例の正孔選択通過膜のアルミニウムの組成比の分布の他の一例を示す。（Ｂ）第１実施例の正孔選択通過膜のマグネシウムの濃度の分布の他の一例を示す。
【図５】（Ａ）第１実施例の正孔選択通過膜のアルミニウムの組成比の分布の他の一例を示す。（Ｂ）第１実施例の正孔選択通過膜のマグネシウムの濃度の分布の他の一例を示す。
【図６】第２実施例のＨＥＭＴの要部平面図を模式的に示す。
【図７】図６のVII-VII線に対応した縦断面図を模式的に示す。
【図８】図６のVIII-VIII線に対応した縦断面図を模式的に示す。
【図９】（Ａ）第２１実施例の正孔選択通過膜のアルミニウムの組成比の分布の一例を示す。（Ｂ）第２実施例の正孔選択通過膜のマグネシウムの濃度の分布の一例を示す。
【図１０】第３実施例のＨＥＭＴの要部平面図を模式的に示す。
【図１１】図１０のXI-XI線に対応した縦断面図を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本願明細書で開示される技術を整理して記載する。
（第１特徴） 正孔選択通過膜の第１部分領域の半導体材料は、一般式がＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）であるのが望ましい。正孔選択通過膜の第２部分領域の半導体材料は、一般式がＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）であるのが望ましい。さらに、Ｘ＞Ｙであるのが望ましい。
（第２特徴） 正孔選択通過膜に含まれるｐ型不純物は、マグネシウムであるのが望ましい。
（第３特徴） 正孔選択通過膜は、正孔排出用電極と接触する部分において、窒化ガリウム（ＧａＮ）であるのが望ましい。
（第４特徴） 正孔選択通過膜の第１部分領域のｐ型不純物濃度は、１×１０17ｃｍ-3以下が望ましい。より好ましくは、正孔選択通過膜の第１部分領域は、ｐ型不純物を含まないのが望ましい。
（第５特徴） 正孔選択通過膜の第２部分領域のｐ型不純物濃度は、１×１０19ｃｍ-3以上であるのが望ましい。
【実施例１】
【００１９】
図１に、ＨＥＭＴ１０の要部平面図を模式的に示す。図２に、図１のII-II線に対応した縦断面図を模式的に示す。図２に示されるように、ＨＥＭＴ１０は、サファイア基板２２と、そのサファイア基板２２上に設けられているバッファ層２４と、そのバッファ層２４上に設けられている第１半導体層２６と、その第１半導体層２６上に設けられている第２半導体層２８を備えている。一例では、バッファ層２４は、窒化ガリウム（ＧａＮ）である。第１半導体層２６は、不純物を含まない真性の窒化ガリウム（ＧａＮ）であり、その厚みは約２μｍである。第２半導体層２８は、不純物を含まない真性のアルミニウム窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）であり、その厚みは約２０ｎｍである。第２半導体層２８のアルミニウムの組成比は、０．２５以下であるのが望ましい。第２半導体層２８はアルミニウムを含んでいることから、第２半導体層２８のバンドギャップ幅は第１半導体層２６のバンドギャップ幅よりも広い。このため、第１半導体層２６と第２半導体層２８は、ヘテロ接合層２７を構成しており、第１半導体層２６と第２半導体層２８の間のヘテロ接合近傍に２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）が形成される。バッファ層２４、第１半導体層２６及び第２半導体層２８は、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)技術を利用して、サファイア基板２２上に形成することができる。
【００２０】
第２半導体層２８の表面には、ドレイン電極３２（第１主電極の一例）と、正孔排出用電極４６と、ゲート電極３４と、ソース電極３６（第２主電極の一例）が設けられている。図１に示されるように、これらの電極はいずれも、ｙ軸方向に沿って伸びた平面矩形状であり、ｘ軸方向に間隔を置いてストライプ状に配置されている。
【００２１】
図２に示されるように、ドレイン電極３２とソース電極３６は、ｘ軸方向に離反して設けられている。ドレイン電極３２とソース電極３６には、第２半導体層２８とオーミック接触する材料が採用されており、一例ではアルミニウム（Ａｌ）である。ドレイン電極３２は、図示しない電源の高圧側に接続されており、正電圧が印加されている。ソース電極３６は、図示しない電源の低圧側に接続されており、接地電位に固定されている。ゲート電極３４は、ドレイン電極３２とソース電極３６の間に設けられている。ゲート電極３４には、第２半導体層２８とショットキー接触する材料が採用されており、一例ではＮｉ／Ａｕ（下層：Ｎｉ、上層：Ａｕ）である。ゲート電極３４は、図示しないゲート制御回路に接続されており、ゲート制御電圧が入力する。なお、ゲート電極３４は、ゲート絶縁膜を介してヘテロ接合に対向するＭＩＳ型であってもよい。
【００２２】
正孔排出用電極４６は、ゲート電極３４とドレイン電極３２の間に設けられており、正孔選択通過膜４３を介して第２半導体層２８に対向している。正孔排出用電極４６には、正孔選択通過膜４３にオーミック接触する材料が採用されており、一例では、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）又はパラジウム（Ｐｂ）である。正孔排出用電極４６には、対向する第２半導体層２８の電位以下の電位となるような電圧が印加されている。一例では、正孔排出用電極４６には固定電位が印加されており、好ましくはドレイン電圧よりも小さい固定電位、より好ましくは接地電位が印加されるのが望ましい。また、正孔排出用電極４６には、ゲート制御電圧に同期する電圧が印加されてもよい。一例では、正孔排出用電極４６には、ゲート制御電圧が印加されてもよい。
【００２３】
正孔選択通過膜４３の半導体材料には、第２半導体層２８と同一組成比のアルミニウム窒化ガリウムが採用されている。正孔選択通過膜４３は、第２半導体層２８に接触する第１部分領域４２と正孔排出用電極４６に接触する第２部分領域４４を有する。一例では、第１部分領域４２の厚みが約３０ｎｍであり、第２部分領域４４の厚みも３０ｎｍである。正孔選択通過膜４３の第１部分領域４２と第２部分領域４４は、例えばＭＯＣＶＤ技術を利用してヘテロ接合層２７上に成膜した後に、エッチング技術を利用してパターニングすることで形成することができる。
【００２４】
図３（Ａ）に、正孔選択通過膜４３の第１部分領域４２と第２部分領域４４のアルミニウムの組成比の分布を示す。図３（Ｂ）に、正孔選択通過膜４３の第１部分領域４２と第２部分領域４４に含まれるマグネシウムの濃度の分布を示す。なお、図３の横軸は、図１及び図２のｚ軸方向に対応している。図３（Ａ）に示されるように、第１部分領域４２と第２部分領域４４のアルミニウムの組成比はいずれも約０．２５であり、第１部分領域４２と第２部分領域４４の半導体材料はいずれもアルミニウム窒化ガリウム（Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ）である。図３（Ｂ）に示されるように、第１部分領域４２にはマグネシウムはほとんど含まれておらず、第２部分領域４４にはマグネシウムが約１×１０18ｃｍ-3で含まれている。このため、第１部分領域４２は真性型（ｉ型）であり、第２部分領域４４はｐ＋型である。第２部分領域４４のマグネシウム濃度が高いので、第２部分領域４４と正孔排出用電極４６の接触抵抗が小さい。
【００２５】
なお、正孔選択通過膜４３の第１部分領域４２と第２部分領域４４は、図４に示される態様でもよい。この態様では、図４（Ａ）に示されるように、第１部分領域４２のアルミニウムの組成比が約０．２５であり、第２部分領域４４のアルミニウムの組成比は約０であることを特徴としている。すなわち、第１部分領域４２の半導体材料がアルミニウム窒化ガリウム（Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ）であり、第２部分領域４４の半導体材料が窒化ガリウム（ＧａＮ）である。第２部分領域４４の半導体材料が窒化ガリウムであると、図４（Ｂ）に示されるように、マグネシウムの濃度を１×１０19ｃｍ-3にまで濃くすることができる。このため、第２部分領域４４と正孔排出用電極４６の接触抵抗をさらに小さくすることができる。一方で、第１部分領域４２の半導体材料は、ヘテロ接合層２７の第２半導体層２８の半導体材料と同一である。このため、第１部分領域４２と第２半導体層２８の間にエネルギー障壁が形成されない。したがって、第１部分領域４２と第２半導体層２８の間の正孔に対する移動度が高くなる。
【００２６】
また、正孔選択通過膜４３の第１部分領域４２と第２部分領域４４は、図５に示される態様でもよい。この態様では、図５（Ａ）に示されるように、第１部分領域４２と第２部分領域４４のアルミニウムの組成比が傾斜していることを特徴としている。すなわち、アルミニウムの組成比は、第１部分領域４２と第２部分領域４４において、へテロ接合層２７側から正孔排出用電極４６側に向けて連続的に減少している。特に、第２部分領域４４が正孔排出用電極４６と接触する面では、アルミニウムの組成比が約０である。この態様によると、正孔選択通過膜４３内のアルミニウムの組成比が連続的に変化しているので、正孔選択通過膜４３内では明白に組成比が変化する部分が存在しない。このため、正孔選択通過膜４３内にエネルギー障壁が形成されない。正孔選択通過膜４３内における正孔に対する移動度が高くなる。
【００２７】
次に、ＨＥＭＴ１０の動作を説明する。第１半導体層２６と第２半導体層２８の間のヘテロ接合面近傍には、２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）が発生しており、ＨＥＭＴ１０はノーマリオンで動作する。ドレイン電極３２に正電圧が印加されているとともにソース電極３６に接地電圧が印加された状態で、ゲート電極３４に接地電圧が印加されると、ＨＥＭＴ１０がオンする。ＨＥＭＴ１０がオンすると、ソース電極３６から注入された電子は、２次元電子ガスを経由してドレイン電極３２に向けて流れる。正孔選択通過膜４３は、電子の通過を阻害するので、２次元電子ガス層を流れる電子は、正孔選択通過膜４３を通過して正孔排出用電極４６に流れ込むことがない。ゲート電極３４とドレイン電極３２の間に正孔排出用電極４６が設けられていたとしても、ＨＥＭＴ１０のオン動作を妨げることがない。
【００２８】
ゲート電極３４に印加されている接地電圧が負電圧に切換わると、ゲート電極３４が対向するヘテロ接合の２次元電子ガス層が消失し、ＨＥＭＴ１０がオフする。ＨＥＭＴ１０がオフすると、ＨＥＭＴ１０に接続される誘導性負荷に蓄積されたエネルギーが放出され、素子内部に高電界が加わり、素子内部に電子・正孔が生成する。生成した電子は、格子原子に衝突を繰返し、さらに過剰の電子・正孔対が生成される（アバランシェ降伏）。このようなアバランシェ降伏は、ゲート電極３４とドレイン電極３２の間のヘテロ接合近傍、又はゲート電極３４とドレイン電極３２の間で発生することが多い。
【００２９】
ＨＥＭＴ１０では、アバランシェ降伏が発生する箇所近傍に、正孔排出用電極４６が配置されている。このため、ゲート電極３４とドレイン電極３２の間で発生した正孔は、正孔選択通過膜４３を介して正孔排出用電極４６に速やかに排出される。この結果、ＨＥＭＴ１０の破壊が顕著に抑制される。
【００３０】
さらに、ＨＥＭＴ１０では、正孔選択通過膜４３がヘテロ接合層２７に接触する第１部分領域４２と正孔排出用電極４６に接触する第２部分領域４４を有していることを特徴としている。ヘテロ接合層２７に接触する第１部分領域４２は、ｐ型不純物をほとんど含んでいない。このため、正孔選択通過膜４３からヘテロ接合層２７に向けて伸びる空乏層によって２次元電子ガス層が空乏化されることが抑制されており、２次元電子ガス層の電子濃度が高く維持される。このため、正孔選択通過膜４３がヘテロ接合層２７に接触して設けられていても、２次元電子ガス層の電気抵抗が増加することが抑制されている。また、正孔排出用電極４６に接触する第２部分領域４４は、ｐ型不純物が高濃度である。このため、第２部分領域４４と正孔排出用電極４６の接触抵抗は小さい。正孔排出用電極４６の正孔排出能は高い。
【実施例２】
【００３１】
図６に、ＨＥＭＴ１００の要部平面図を模式的に示す。図７に、図６のVII-VII線に対応した縦断面図を模式的に示す。図８に、図６のVIII-VIII線に対応した縦断面図を模式的に示す。なお、第１実施例のＨＥＭＴ１０と実質的に共通する構成要素に関しては共通の符号を付し、その説明を省略する。
【００３２】
ＨＥＭＴ１００は、図７及び図８に示されるように、正孔選択通過膜１４３が、ヘテロ接合層２７の第１半導体層２６の裏面に設けられていることを特徴としている。正孔選択通過膜１４３は、第１部分領域１４２と第２部分領域１４４を有している。さらに、図６及び図８に示されるように、正孔選択通過膜１４３はｙ軸方向に沿って伸びており、正孔選択通過膜１４３の第２部分領域１４４がヘテロ接合層２７を超えて外部に露出している。正孔排出用電極１４６は、外部に露出する正孔選択通過膜１４３の第２部分領域１４４に接触していることを特徴としている。
【００３３】
正孔選択通過膜１４３の半導体材料には、第１半導体層２６と同一組成比の窒化ガリウムが採用されている。図９（Ａ）に、正孔選択通過膜１４３の第１部分領域１４２と第２部分領域１４４のアルミニウムの組成比の分布を示す。図９（Ｂ）に、正孔選択通過膜１４３の第１部分領域１４２と第２部分領域１４４に含まれるマグネシウムの濃度の分布を示す。図９（Ａ）に示されるように、第１部分領域１４２と第２部分領域１４４のアルミニウムの組成比はいずれも約０であり、第１部分領域１４２と第２部分領域１４４の半導体材料はいずれも窒化ガリウム（ＧａＮ）である。図９（Ｂ）に示されるように、第１部分領域１４２にはマグネシウムが約１×１０15ｃｍ-3で含まれており、第２部分領域１４４にはマグネシウムが約１×１０19ｃｍ-3で含まれている。このため、第１部分領域１４２はｐ−型であり、第２部分領域１４４はｐ＋型である。第２部分領域１４４のマグネシウム濃度が高いので、第２部分領域１４４と正孔排出用電極１４６の接触抵抗が小さい。
【００３４】
ＨＥＭＴ１００でも、アバランシェ降伏が発生する箇所近傍に、正孔排出用電極１４６が配置されている。このため、ゲート電極３４とドレイン電極３２の間で発生した正孔は、正孔選択通過膜１４３を介して正孔排出用電極１４６に速やかに排出される。この結果、ＨＥＭＴ１００の破壊が顕著に抑制される。
【００３５】
さらに、ＨＥＭＴ１００でも、正孔選択通過膜１４３がヘテロ接合層２７に接触する第１部分領域１４２と正孔排出用電極１４６に接触する第２部分領域１４４を有していることを特徴としている。ヘテロ接合層２７に接触する第１部分領域１４２は、ｐ型不純物を低濃度に含んでいる。このため、正孔選択通過膜１４３からヘテロ接合層２７に向けて伸びる空乏層によって２次元電子ガス層が空乏化されることが抑制されており、２次元電子ガス層の電子濃度が高く維持される。このため、正孔選択通過膜１４３がヘテロ接合層２７に接して設けられていても、２次元電子ガス層の電気抵抗が増加することが抑制されている。また、正孔排出用電極１４６に接触する第２部分領域１４４は、ｐ型不純物が高濃度である。このため、第２部分領域１４４と正孔排出用電極１４６の接触抵抗は小さい。正孔排出用電極１４６の正孔排出能は高い。
【実施例３】
【００３６】
図１０に、ＨＥＭＴ２００の要部平面図を模式的に示す。図１１に、図１０のXI-XI線に対応した縦断面図を模式的に示す。なお、第１実施例のＨＥＭＴ１０と実質的に共通する構成要素に関しては共通の符号を付し、その説明を省略する。
【００３７】
ＨＥＭＴ２００は、図１０及び図１１に示されるように、正孔選択通過膜２４３が、ヘテロ接合層２７の第１半導体層２６の裏面に設けられていることを特徴としている。正孔選択通過膜２４３は、第１部分領域２４２と第２部分領域２４４を有している。さらに、図１０及び図１１に示されるように、正孔選択通過膜２４３はｘ軸方向に沿って伸びており、ゲート電極３４及びソース電極３６の下方を通過して伸びているとともに、正孔選択通過膜２４３の第２部分領域２４４がヘテロ接合層２７を超えて外部に露出している。正孔排出用電極２４６は、外部に露出する正孔選択通過膜２４３の第２部分領域２４４に接触していることを特徴としている。
【００３８】
ＨＥＭＴ２００では、正孔選択通過膜２４３及び正孔排出用電極２４６の配置が、第２実施例のＨＥＭＴ１００と異なっていることを特徴としている。正孔選択通過膜２４３及び正孔排出用電極２４６の配置は、要求されるレイアウトに応じて変更することが可能である。
【００３９】
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。
【符号の説明】
【００４０】
２２：サファイア基板
２４：バッファ層
２６：第１半導体層
２７：ヘテロ接合層
２８：第２半導体層
３２：ドレイン電極
３４：ゲート電極
３６：ソース電極
４２，１４２，２４２：第１部分領域
４３，１４３，２４３：正孔選択通過膜
４４，１４４，２４４：第２部分領域
４６，１４６，２４６：正孔排出用電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１半導体層と第２半導体層でヘテロ接合を構成するヘテロ接合層と、
前記ヘテロ接合層の前記第２半導体層上に設けられている第１主電極と、
前記ヘテロ接合層の前記第２半導体層上に設けられているとともに、前記第１主電極から離反している第２主電極と、
前記第１主電極と前記第２主電極の間に設けられており、前記ヘテロ接合層の前記第２半導体層の表面に対向するゲート電極と、
前記ゲート電極と前記第１主電極の間の前記ヘテロ接合層に接触する正孔選択通過膜と、
前記正孔選択通過膜に接触する正孔排出用電極と、を備えており、
前記正孔選択通過膜は、前記へテロ接合層に接触する第１部分領域と前記正孔排出用電極に接触する第２部分領域を有しており、
前記第２部分領域のｐ型不純物の濃度は、前記第１部分領域のｐ型不純物濃度よりも濃い高電子移動度トランジスタ。
【請求項２】
前記第１半導体層の半導体材料は、ＩｎＸａＧａＹａＡｌ１−Ｘａ−ＹａＮ（０≦Ｘａ≦１、０≦Ｙａ≦１、０≦Ｘａ＋Ｙａ≦１）であり、
前記第２半導体層の半導体材料は、ＩｎＸｂＧａＹｂＡｌ１−Ｘｂ−ＹｂＮ（０≦Ｘｂ≦１、０≦Ｙｂ≦１、０≦Ｘｂ＋Ｙｂ≦１）であり、
（１−Ｘａ−Ｙａ）＜（１−Ｘｂ−Ｙｂ）である請求項１に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項３】
前記正孔排出電極が、前記へテロ接合層の前記第２半導体層の表面に前記正孔選択通過膜を介して対向している請求項１又は２に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項４】
前記第１部分領域の半導体材料は、ＩｎＸｂＧａＹｂＡｌ１−Ｘｂ−ＹｂＮ（０≦Ｘｂ≦１、０≦Ｙｂ≦１、０≦Ｘｂ＋Ｙｂ≦１）である請求項３に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項５】
前記第２部分領域の半導体材料は、ＩｎＸｃＧａＹｃＡｌ１−Ｘｃ−ＹｃＮ（０≦Ｘｃ≦１、０≦Ｙｃ≦１、０≦Ｘｃ＋Ｙｃ≦１）であり、
（１−Ｘｃ−Ｙｃ）＜（１−Ｘｂ−Ｙｂ）である請求項４に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項６】
前記第１部分領域と第２部分領域は接しており、
アルミニウムの組成比は、前記第１部分領域と前記第２部分領域において、前記へテロ接合層側から前記正孔排出用電極側に向けて連続的に減少する請求項５に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項１】
第１半導体層と第２半導体層でヘテロ接合を構成するヘテロ接合層と、
前記ヘテロ接合層の前記第２半導体層上に設けられている第１主電極と、
前記ヘテロ接合層の前記第２半導体層上に設けられているとともに、前記第１主電極から離反している第２主電極と、
前記第１主電極と前記第２主電極の間に設けられており、前記ヘテロ接合層の前記第２半導体層の表面に対向するゲート電極と、
前記ゲート電極と前記第１主電極の間の前記ヘテロ接合層に接触する正孔選択通過膜と、
前記正孔選択通過膜に接触する正孔排出用電極と、を備えており、
前記正孔選択通過膜は、前記へテロ接合層に接触する第１部分領域と前記正孔排出用電極に接触する第２部分領域を有しており、
前記第２部分領域のｐ型不純物の濃度は、前記第１部分領域のｐ型不純物濃度よりも濃い高電子移動度トランジスタ。
【請求項２】
前記第１半導体層の半導体材料は、ＩｎＸａＧａＹａＡｌ１−Ｘａ−ＹａＮ（０≦Ｘａ≦１、０≦Ｙａ≦１、０≦Ｘａ＋Ｙａ≦１）であり、
前記第２半導体層の半導体材料は、ＩｎＸｂＧａＹｂＡｌ１−Ｘｂ−ＹｂＮ（０≦Ｘｂ≦１、０≦Ｙｂ≦１、０≦Ｘｂ＋Ｙｂ≦１）であり、
（１−Ｘａ−Ｙａ）＜（１−Ｘｂ−Ｙｂ）である請求項１に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項３】
前記正孔排出電極が、前記へテロ接合層の前記第２半導体層の表面に前記正孔選択通過膜を介して対向している請求項１又は２に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項４】
前記第１部分領域の半導体材料は、ＩｎＸｂＧａＹｂＡｌ１−Ｘｂ−ＹｂＮ（０≦Ｘｂ≦１、０≦Ｙｂ≦１、０≦Ｘｂ＋Ｙｂ≦１）である請求項３に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項５】
前記第２部分領域の半導体材料は、ＩｎＸｃＧａＹｃＡｌ１−Ｘｃ−ＹｃＮ（０≦Ｘｃ≦１、０≦Ｙｃ≦１、０≦Ｘｃ＋Ｙｃ≦１）であり、
（１−Ｘｃ−Ｙｃ）＜（１−Ｘｂ−Ｙｂ）である請求項４に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項６】
前記第１部分領域と第２部分領域は接しており、
アルミニウムの組成比は、前記第１部分領域と前記第２部分領域において、前記へテロ接合層側から前記正孔排出用電極側に向けて連続的に減少する請求項５に記載の高電子移動度トランジスタ。
【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２０１１−１５１１７６（Ｐ２０１１−１５１１７６Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０７６９（Ｐ２０１０−１０７６９）
【出願日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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