高電子移動度トランジスタ
【課題】電子移動度を低下させることなく、電子密度を高くできる高電子移動度トランジスタを提供する。
【解決手段】Ｓi基板１００上に形成されたバッファ層１０と、バッファ層１０上に形成されたＧaＮ層１１と、ＧaＮ層１１上に形成されたＡlＧaＮ層１２と、ＡlＧaＮ層１２内に形成されると共に、互いに間隔をあけて形成されたソース電極１３とドレイン電極１４と、ＡlＧaＮ層１２上かつソース電極１３とドレイン電極１４との間に形成されたゲート電極１５と、ソース電極１３とドレイン電極１４およびゲート電極１５が形成されたＡlＧaＮ層１２の一部を覆うように形成された絶縁膜１６とを備える。上記絶縁膜１６中にＣsの原子が２×１０１３ｃｍ−２以上存在する。
【解決手段】Ｓi基板１００上に形成されたバッファ層１０と、バッファ層１０上に形成されたＧaＮ層１１と、ＧaＮ層１１上に形成されたＡlＧaＮ層１２と、ＡlＧaＮ層１２内に形成されると共に、互いに間隔をあけて形成されたソース電極１３とドレイン電極１４と、ＡlＧaＮ層１２上かつソース電極１３とドレイン電極１４との間に形成されたゲート電極１５と、ソース電極１３とドレイン電極１４およびゲート電極１５が形成されたＡlＧaＮ層１２の一部を覆うように形成された絶縁膜１６とを備える。上記絶縁膜１６中にＣsの原子が２×１０１３ｃｍ−２以上存在する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高電子移動度トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高電子移動度トランジスタとしては、ヘテロ界面を形成するＧaＮ層とＡlＧaＮ層とを備え、チャネル濃度すなわちチャネルにおける電子密度を増やすためにＡlＧaＮ層のＡl組成比を大きくしたものがある(例えば、非特許文献１参照)。
【０００３】
ところで、上記高電子移動度トランジスタでは、チャネルにおける電子密度を増やすためにＡlＧaＮ層のＡl組成比を大きくすると、ＧaＮ層との歪が大きくなってクラックが発生するため、チャネルにおける電子密度を高くすることができないという問題がある。
【０００４】
また、上記高電子移動度トランジスタでは、チャネルにおける電子密度を部分的に変化させるために、ＡlＧaＮ層にＳiをイオン注入していたが、Ｓiが導入されると電子移動度が下がるという問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ジェフリー・エス・フリン(Jeffrey S. Flynn)著他，「デルタドープＡlＧaＮとＡlＧaＮ／ＧaＮ ＨＥＭＴｓ：性能向上への途か？("Delta doped AlGaN and AlGaN/GaN HEMTs : Pathway to improved performance?")」，(米国)，フィジカ・ステイタス・ソリッディc(physica status solidi(c))，2006年12月，Volume0, No.7, p2327-2330
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、この発明の課題は、電子移動度を低下させることなく、電子密度を高くできる高電子移動度トランジスタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、この発明の高電子移動度トランジスタは、
ＧaＮ層と、
上記ＧaＮ層上に形成され、上記ＧaＮ層とヘテロ界面を形成するＡlＧaＮ層と、
上記ＡlＧaＮ層上に互いに間隔をあけて形成されるか、または、上記ＡlＧaＮ層内と上記ＧaＮ層の上部に少なくとも一部が埋め込まれるように互いに間隔をあけて形成されたソース電極とドレイン電極と、
上記ＡlＧaＮ層上かつ上記ソース電極と上記ドレイン電極との間に形成されたゲート電極と、
上記ＡlＧaＮ層上に形成された絶縁膜と
を備え、
上記絶縁膜中に、上記ＧaＮ層中に電子を供給するドナーとなるアルカリ金属の原子が１０１１ｃｍ−２以上存在することを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、自発分極とピエゾ効果によってＡlＧaＮ層とＧaＮ層との間のヘテロ界面近傍に１０１２ｃｍ−２程度の濃度の二次元電子ガスが誘起される。絶縁膜中にアルカリ金属(例えばＣs)の原子を１０１１ｃｍ−２以上導入すると、絶縁膜中のアルカリ金属(例えばＣs)の原子が１価の陽イオンとなって二次元電子ガスに電子が供給され、ＧaＮ層のヘテロ界面近傍の二次元電子ガスの濃度を増やすことができる。また、絶縁膜とＧaＮ層との間にＡlＧaＮ層があることにより絶縁膜とチャネルが離れているため、絶縁膜中にドープされたアルカリ金属に起因する移動度劣化が小さい。これに対して、絶縁膜中にアルカリ金属(例えばＣs)の原子が１０１１ｃｍ−２未満であると、二次元電子ガスの濃度を増やす効果はなくなる。
【０００９】
また、一実施形態の高電子移動度トランジスタでは、
上記アルカリ金属はＣsである。
【００１０】
上記実施形態によれば、アルカリ金属のうちでイオン化エネルギーが最も低いＣsを用いることによって、電子を放出しやすいドナーとして最適である。
【００１１】
また、一実施形態の高電子移動度トランジスタでは、
上記ＡlＧaＮ層は、ＡlとＧaのモル比率が０.３：０.７のときよりもＡlが少ない。
【００１２】
上記実施形態によれば、ＡlＧaＮ層のＡlとＧaのモル比率を０.３：０.７のときよりもＡlを少なくすることによって、ＧaＮ層とＡlＧaＮ層とのピエゾ効果が高まり、二次元電子ガスの濃度が高くなる。なお、ＡlＧaＮ層のＡlの組成比を高くすると、ＧaＮ層との応力が大きくなって転移やクラックが生じるので、転移やクラックが生じない範囲でＡlＧaＮ層のＡlの組成比を適宜設定すればよい。
【００１３】
また、一実施形態の高電子移動度トランジスタでは、
ノーマリーオフ型のトランジスタである。
【００１４】
上記実施形態によれば、ゲート電極のポテンシャルによりＧaＮ層のヘテロ界面近傍の二次元電子ガスが遮断されるノーマリーオフ型のトランジスタであることによって、例えば、ＡlＧaＮ層のＡl組成を少なくして二次元電子ガス濃度を低くしてノーマリーオフとしても、絶縁膜中にアルカリ金属(例えばＣs)の原子を１０１１ｃｍ−２以上導入することで、二次元電子ガス濃度が高くなり、チャネルを低抵抗にできる。これにより、低抵抗なノーマリーオフタイプの高電子移動度トランジスタを実現できる。
【発明の効果】
【００１５】
以上より明らかなように、この発明の高電子移動度トランジスタによれば、電子移動度を低下させることなく、電子密度を高くできる高電子移動度トランジスタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態の高電子移動度トランジスタの断面図である。
【図２】図２は絶縁膜中にＣsをドープしない比較例としての高電子移動度トランジスタのエネルギーバンド図である。
【図３】図３は上記第１実施形態のＣsをドープした高電子移動度トランジスタのエネルギーバンド図である。
【図４】図４は上記高電子移動度トランジスタの製造方法を説明するための製造工程の断面図である。
【図５】図５は図４に続く製造工程の断面図である。
【図６】図６は図５に続く製造工程の断面図である。
【図７】図７は図６に続く製造工程の断面図である。
【図８】図８は図７に続く製造工程の断面図である。
【図９】図９は図８に続く製造工程の断面図である。
【図１０】図１０は図９に続く製造工程の断面図である。
【図１１】図１１は図１０に続く製造工程の断面図である。
【図１２】図１２はＣsドーズ量と２次元電子ガス濃度との関係を示す図である。
【図１３】図１３はこの発明の第２実施形態の高電子移動度トランジスタの断面図である。
【図１４】図１４はＣsドーズ量とシート抵抗との関係およびＣsドーズ量と閾値との関係を示す図である。
【図１５】図１５はこの発明の第３実施形態の高電子移動度トランジスタのオフ状態の断面図である。
【図１６】図１６は上記高電子移動度トランジスタのオン状態の断面図である。
【図１７】図１７は絶縁膜中にＣsをドープしない高電子移動度トランジスタのエネルギーバンド図である。
【図１８】図１８は絶縁膜中にＣsをドープした高電子移動度トランジスタのエネルギーバンド構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の高電子移動度トランジスタを図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００１８】
〔第１実施形態〕
図１はこの発明の第１実施形態の高電子移動度トランジスタの断面図を示している。
【００１９】
この第１実施形態の高電子移動度トランジスタは、図１に示すように、Ｓi基板１００と、Ｓi基板１００上に形成されたバッファ層１０と、バッファ層１０上に形成されたＧaＮ層１１と、ＧaＮ層１１上に形成されたＡlＧaＮ層１２と、ＡlＧaＮ層１２内に形成されると共に、互いに間隔をあけて形成されたソース電極１３とドレイン電極１４と、ＡlＧaＮ層１２上かつソース電極１３とドレイン電極１４との間に形成されたゲート電極１５と、ソース電極１３とドレイン電極１４およびゲート電極１５が形成されたＡlＧaＮ層１２の一部を覆うように形成されたＴa２Ｏ５からなる絶縁膜１６とを備えている。上記ＧaＮ層１１とＡlＧaＮ層１２でヘテロ界面を形成している。
【００２０】
上記絶縁膜１６中にアルカリ金属の一例としてのＣs原子が２×１０１３ｃｍ−２以上存在する。この絶縁膜１６にＣsを導入することで、Ｃsが半導体に対するドナーとして働き電子を半導体中に放出する。すなわち、Ｃsから放出された電子は、ＡlＧaＮ層１２を介してＧaＮ層１１とＡlＧaＮ層１２との界面に供給される。
【００２１】
例えば、Ａl０.２Ｇa０.８Ｎ層をＧaＮ層１１の上に堆積した構造では、ＧaＮ層１１とＡlＧaＮ層１２との界面にできる二次元電子ガス濃度は、０.５×１０１３ｃｍ−２である。二次元電子ガスの濃度は、ヘテロ界面に生じる自発分極とＧaＮ層１１とＡlＧaＮ層１２とのピエゾ効果によって決まる。したがって、二次元電子ガス濃度は、ＡlとＧaの組成比によって決まる。すなわち、Ａlの組成比を高くすると、二次元電子ガスの濃度が高くなる。しかし、Ａlの組成比を高くすると、ＧaＮ層１１との応力が大きくなり、転移やクラックの原因となるため、Ａlの組成比を大きくして、二次元電子ガス濃度を増やすには限界がある。
【００２２】
また、ＡlＧaＮ層１２との界面付近の絶縁膜１６中に２×１０１３ｃｍ−２のＣs原子を導入すると、ＧaＮ層１１とＡlＧaＮ層１２との界面二次元電子ガスにＣsから放出される電子が加えられ、二次元電子ガス濃度は１０１３ｃｍ−２以上になり、チャネルを低抵抗にすることができる。
【００２３】
図２は絶縁膜１６中にＣsをドープしない比較例としての高電子移動度トランジスタのエネルギーバンド図を示し、図３はこの第１実施形態のＣsをドープした高電子移動度トランジスタのエネルギーバンド図を示している。図２,図３において、左側は自発分極とピエゾ効果による二次元電子ガスの発生前の状態を示し、右側に二次元電子ガスが生じた状態を示している。
【００２４】
図３に示すように、絶縁膜１６中にＣsを導入すると、自発分極とピエゾ効果による電子にＣsから半導体中にドープされた電子が加わり、二次元電子ガス濃度が上昇する。
【００２５】
図４〜図１１にこの第１実施形態の高電子移動度トランジスタ(ＣsドープＧaＮ系ＨＥＭＴ)の製造方法を説明するための各製造工程における断面図を示している。
【００２６】
まず、図４に示すように、Ｓi基板１００上に、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)法を用いて、５００ÅのＡlＮ／ＧaＮを堆積してバッファ層１０を形成する。次に、バッファ層１０上にＧaＮを堆積して、膜厚５μｍのＧaＮ層１１を形成する。
【００２７】
次に、図５に示すように、ＧaＮ層１１上にＭＯＣＶＤ法を用いてＡl０．２Ｇa０．８Ｎを堆積して、ＡlＧaＮ層１２を形成する。
【００２８】
次に、図６に示すように、ＡlＧaＮ層１２上にフォトレジストパターンをマスクにしてＴi／Ａl／Ａuを堆積させて、ソース電極１３とドレイン電極１４を所定の間隔をあけて形成した後、フォトレジストパターンを除去する。なお、ソース電極１３とドレイン電極１４の材料としては、少なくともＴi/Ａlからなり、その上にＴiＮのキャップ層を積層してもよいし、Ａlの上にＡu,Ａg,Ｐtなどを積層してもよい。
【００２９】
次に、図７に示すように、アニールを行うことにより、ソース電極１３とドレイン電極１４がスパイクを起こしてＡlＧaＮ層１２を貫通し、ＧaＮ層１１の上側の一部に入る。この熱処理によって、２次元電子ガス(２ＤＥＧ)とソース電極１３との間および２次元電子ガス(２ＤＥＧ)とドレイン電極１４との間にオーミックコンタクトが得られる。
【００３０】
次に、図８に示すように、ＡlＧaＮ層１２上に、ソース電極１３とドレイン電極１４との間かつソース電極１３側に、ＷＮ／Ａuからなるゲート電極１５を形成する。このゲート電極１５は、ＡlＧaＮ層１２とショットキー接合される。ゲート電極１５には、ＡlＧaＮ層１２とショットキー接合する材料として例えばＷＮ/ＷやＴiＮ/Ｔiなどを用いてもよい。
【００３１】
次に、図９に示すように、ソース電極１３とドレイン電極１４とゲート電極１５が形成されたＡlＧaＮ層１２を覆うように、Ｔa２Ｏ５を堆積させて絶縁膜１６を形成する。
【００３２】
次に、図１０に示すように、絶縁膜１６中にＣsイオンを注入して、絶縁膜１６のＡlＧaＮ層１２近傍にＣs原子を配置する。ここで、Ｃsイオンが絶縁膜１６のＡlＧaＮ層１２近傍に配置されるように、イオン注入装置においてＣsイオンの注入エネルギーを操作する。
【００３３】
次に、図１１に示すように、活性化アニールを行うことにより、絶縁膜１６中のＣs原子が陽イオンとなる。
【００３４】
図１２は絶縁膜１６中にドーズしたＣsの量と二次元電子ガス濃度との関係およびＣsのドーズ量と抵抗との関係を示す。図１２において、横軸はＣsドーズ量[ｃｍ−２]を表し、縦軸は二次元電子ガス濃度[ｃｍ−２]を表している。なお、図１２では、横軸のＣsドーズ量および縦軸の二次元電子ガス濃度は、指数底１０を記号Ｅで表す浮動小数点形式の表現であり、例えば、１.Ｅ＋１２は１×１０１２を表す。
【００３５】
図１２から明らかなように、絶縁膜１６中へのＣsのドーズにより１０１３ｃｍ−２を超える高濃度の二次元電子ガスが得られる。ここでは、Ｃsドーズ前から自発分極とピエゾ効果によって、濃度が約０.５×１０１３ｃｍ−２の二次元電子ガスが存在している。
【００３６】
また、図１２では、１０１５ｃｍ−２以上で二次元電子ガス濃度が飽和しており、Ｃsドーズ量は、１０１６ｃｍ−２以下であればよく、１０１５ｃｍ−２以下がより好ましい。
【００３７】
上記構成の高電子移動度トランジスタによれば、絶縁膜１６中にアルカリ金属としてＣsを１０１１ｃｍ−２以上導入すると、自発分極とピエゾ効果によってＡlＧaＮ層１２とＧaＮ層１１との間のヘテロ界面近傍に誘起される二次元電子ガスに対して、絶縁膜１６中のアルカリ金属(例えばＣs)の原子が１価の陽イオンとなってＡlＧaＮ層１２を介してＧaＮ層１１中に電子が供給される。これによって、ＧaＮ層１１のヘテロ界面近傍の二次元電子ガスの濃度を増やすことができる。また、絶縁膜１６とＧaＮ層１１との間にＡlＧaＮ層１２があることにより絶縁膜１６とチャネルが離れているため、絶縁膜１６中にドープされたアルカリ金属に起因する移動度劣化を小さくできる。
【００３８】
また、上記アルカリ金属のうちのイオン化エネルギーが最も低いＣsを用いることによって、電子を放出しやすいドナーとして最適である。例えば、他のアルカリ金属は、イオン化エネルギーは次のとおりであり、これらよりもＣsは３.８９[ｋＪ/ｍｏｌ]と低い。
Ｌi：５.３９
Ｎa：５.１５
Ｋ ：４.３４
Ｒb：４.１８
【００３９】
また、上記ＡlＧaＮ層１２のＡlとＧaのモル比率を０.３：０.７のときよりもＡlを少なくすることによって、ＧaＮ層１１とＡlＧaＮ層１２とのピエゾ効果が高まり、二次元電子ガスの濃度が高くなる。なお、ＡlＧaＮ層１２のＡlの組成比を高くすると、ＧaＮ層１１との応力が大きくなって転移やクラックが生じるので、転移やクラックが生じない範囲でＡlＧaＮ層１２のＡlの組成比を適宜設定すればよい。
【００４０】
このように、ＡlＧaＮ層１２のＡlの比率が下がり、応力が下がるためにウェハの反りやクラックの発生を抑えることができる。また、低抵抗化のために二次元電子ガス濃度は１０１３ｃｍ−２以上が望ましく、ＡlＧaＮ層の膜厚によらずに１０１３ｃｍ−２以上の濃度を得るためにはＡl組成比が０.３以上必要である。しかしながら、絶縁膜１６中にＣsをドープすることにより、Ａl組成比が０.３以下であっても１０１３ｃｍ−２以上の濃度を実現することができ、ウェハの反りも少なくできる。ＡlＧaＮ層のＡl組成比が０.０５以下では二次元電子ガスがほとんど発生しないため、Ａl組成比は０.０５よりも大きいことが望ましい。
【００４１】
〔第２実施形態〕
図１３はこの発明の第２実施形態の高電子移動度トランジスタの断面図を示している。
【００４２】
この第２実施形態の高電子移動度トランジスタは、図１３に示すように、Ｓi基板２００と、Ｓi基板２００上に形成されたバッファ層２０と、バッファ層２０上に形成されたＧaＮ層２１と、ＧaＮ層２１上に形成されたＡlＧaＮ層２２と、ＡlＧaＮ層２２内に形成されると共に、互いに間隔をあけて形成されたソース電極２３とドレイン電極２４と、ＡlＧaＮ層２２上かつソース電極２３とドレイン電極２４との間に形成されたゲート電極２５と、ソース電極２３とドレイン電極２４およびゲート電極２５が形成されたＡlＧaＮ層２２の一部を覆うように形成された絶縁膜２６とを備えている。上記ＧaＮ層２１とＡlＧaＮ層２２でヘテロ界面を形成している。
【００４３】
上記絶縁膜２６中にアルカリ金属の一例としてのＣsが２×１０１３ｃｍ−２以上存在する。この絶縁膜２６にＣsを導入することで、Ｃsが半導体に対するドナーとして働き電子を半導体中に放出する。すなわち、Ｃsから放出された電子は、ＡlＧaＮ層２２を介してＧaＮ層２１とＡlＧaＮ層２２との界面に供給される。
【００４４】
例えば、Ａl０.１Ｇa０.９Ｎ層２２をＧaＮ層２１上に堆積した構造では、界面にできる二次元電子ガス濃度は低くなり、ゲート電極２５のポテンシャルによってノーマリーオフが可能である。しかし、ゲート電極２５−ドレイン電極２４の二次元電子ガス濃度も低くなり、抵抗が増大する。
【００４５】
ＡlＧaＮ層２２との界面付近の絶縁膜２６中に２×１０１３ｃｍ−２のＣs原子を導入すると、二次元電子ガス濃度は１０１３ｃｍ−２以上になり、チャネルを低抵抗にすることができる。これにより、低抵抗なノーマリーオフＧaＮ系ＨＥＭＴの製造が可能となる
図１４にＣsのドープ量とシート抵抗との関係およびＣsのドープ量と閾値電圧との関係を示している。図１４において、横軸はＣsドーズ量[ｃｍ−２]を表し、縦軸はシート抵抗[ｋΩ／ｓｑ]と閾値電圧[Ｖ]を表し、黒丸のグラフがシート抵抗であり、黒四角のグラフがＣsドーズ量である。なお、図１４では、横軸のＣsドーズ量は、指数底１０を記号Ｅで表す浮動小数点形式の表現であり、例えば、１.Ｅ＋１２は１×１０１２を表す。
【００４６】
図１４に示すように、Ｃsドーズ量を増やすとシート抵抗が下がり、低抵抗になっている。また、Ｃsドーズ量を増やしても閾値電圧はほとんど変化せず、ノーマリーオフを維持していることがわかる。
【００４７】
上記第２実施形態の高電子移動度トランジスタは、第１実施形態の高電子移動度トランジスタと同様の効果を有する。
【００４８】
また、上記ゲート電極１５のポテンシャルによりＧaＮ層１１のヘテロ界面近傍の二次元電子ガスが遮断されるノーマリーオフ型のトランジスタであることによって、例えば、ＡlＧaＮ層１２のＡl組成を少なくして二次元電子ガス濃度を低くしてノーマリーオフとしても、絶縁膜１６中にアルカリ金属(例えばＣs)の原子を１０１１ｃｍ−２以上導入することで、二次元電子ガス濃度が高くなり、チャネルを低抵抗にできる。これにより、低抵抗なノーマリーオフタイプの高電子移動度トランジスタを実現できる。
【００４９】
〔第３実施形態〕
図１５はこの発明の第３実施形態の高電子移動度トランジスタのオフ状態の断面図を示し、図１６は高電子移動度トランジスタのオン状態の断面図を示している。図１５,図１６では、Ｓi基板とバッファ層を省略している。
【００５０】
この第３実施形態の高電子移動度トランジスタは、図１５に示すように、ＧaＮ層３１と、ＧaＮ層３１上に形成されたＡlＧaＮ層３２と、ＡlＧaＮ層３２内に形成されると共に、互いに間隔をあけて形成されたソース電極３３とドレイン電極３４と、ＡlＧaＮ層上かつソース電極３３とドレイン電極３４との間に形成されたゲート電極３５と、ソース電極２３とドレイン電極３４およびゲート電極３５が形成されたＡlＧaＮ層３２の一部を覆うように形成された絶縁膜３６とを備えている。上記ＧaＮ層３１とＡlＧaＮ層３２でヘテロ界面を形成している。
【００５１】
上記絶縁膜３６中にアルカリ金属の一例としてのＣsが２×１０１３ｃｍ−２以上存在する。
【００５２】
図１５に示すように、ソース電極３３とゲート電極３５を０Ｖとしたオフ状態で大きなドレイン電圧(ドレイン電極３４に５００Ｖ印加)がＧaＮ系ＨＥＭＴに印加されると、ゲート電極３５から電子が注入され、注入された電子が絶縁膜３６にトラップされる。
【００５３】
次に、図１６に示すように、ソース電極３３を０Ｖとし、ドレイン電極３４に３Ｖを印加すると共に、ゲート電極３５に１０Ｖを印加してオン状態になった直後は、絶縁膜３６にトラップされた電子によってチャネルに高抵抗部分ができる。このときの絶縁膜３６中にＣsをドープしない高電子移動度トランジスタのエネルギーバンド図を図１７に示す。このように、高電圧動作でのトランジスタのオン抵抗が、低電圧動作でのトランジスタのオン抵抗に比べて高くなってしまう現象を「コラプス」という。
【００５４】
これに対して、この第３実施形態の高電子移動度トランジスタでは、絶縁膜３６にトラップされる電荷以上のＣsを絶縁膜３６中に導入することによって、図１８のエネルギーバンド図に示すように、絶縁膜３６にトラップされた電子の影響が減少し、コラプスを抑制することができる。
【００５５】
上記第３実施形態の高電子移動度トランジスタは、第１実施形態の高電子移動度トランジスタと同様の効果を有する。
【００５６】
上記第１〜第３実施形態では、絶縁膜にＴa２Ｏ５からなる誘電体膜を用いたが、これに限らず、ＳiＮ、ＨfＯ、ＴaＯ、ＳiＯＮ、ＺrＯ、ＡlＯ、ＡlＮ、ＴＥＯＳ(テトラ・エトキシ・シラン)などからなる膜を用いてもよい。
【００５７】
なお、この発明の高電子移動度トランジスタは、ＡlＧaＮ層の上部にゲート電極の少なくとも一部が埋め込まれていてもよい。
【００５８】
この場合、ＡlＧaＮ層の上部にゲート電極の少なくとも一部が埋め込まれていることによって、ゲート電極下のヘテロ界面に形成される二次元電子ガス濃度を低下させるか、または、ゲート電極によりＧaＮ層とＡlＧaＮ層とのヘテロ界面が遮断されて２次元電子ガスが存在しないようにするので、閾値電圧が高くなってトランジスタのノーマリーオフ動作が可能になる。したがって、電子移動度を低下させることなく、電子密度を高くできるノーマリーオフ動作の高電子移動度トランジスタを実現できる
また、上記第１〜第３実施の形態では、Ｓi基板を用いた高電子移動度トランジスタについて説明したが、Ｓi基板に限らず、サファイヤ基板やＳiＣ基板を用いてもよく、サファイヤ基板やＳiＣ基板上にＧaＮ層,ＡlＧaＮ層を成長させてもよいし、ＧaＮ基板上にＧaＮ層,ＡlＧaＮ層を成長させてもよい。また、基板とＧaＮ層との間にバッファ層を形成しなくてもよいし、ＧaＮ層とＡlＧaＮ層との間にヘテロ改善層を形成してもよい。
【００５９】
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記第１〜第３実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１０,２０…バッファ層
１１,２１,３１…ＧaＮ層
１２,２２,３２…ＡlＧaＮ層
１３,２３,３３…ソース電極
１４,２４,３４…ドレイン電極
１５,２５,３５…ゲート電極
１６,２６,３６…絶縁膜
１００,２００…Ｓi基板
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高電子移動度トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高電子移動度トランジスタとしては、ヘテロ界面を形成するＧaＮ層とＡlＧaＮ層とを備え、チャネル濃度すなわちチャネルにおける電子密度を増やすためにＡlＧaＮ層のＡl組成比を大きくしたものがある(例えば、非特許文献１参照)。
【０００３】
ところで、上記高電子移動度トランジスタでは、チャネルにおける電子密度を増やすためにＡlＧaＮ層のＡl組成比を大きくすると、ＧaＮ層との歪が大きくなってクラックが発生するため、チャネルにおける電子密度を高くすることができないという問題がある。
【０００４】
また、上記高電子移動度トランジスタでは、チャネルにおける電子密度を部分的に変化させるために、ＡlＧaＮ層にＳiをイオン注入していたが、Ｓiが導入されると電子移動度が下がるという問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ジェフリー・エス・フリン(Jeffrey S. Flynn)著他，「デルタドープＡlＧaＮとＡlＧaＮ／ＧaＮ ＨＥＭＴｓ：性能向上への途か？("Delta doped AlGaN and AlGaN/GaN HEMTs : Pathway to improved performance?")」，(米国)，フィジカ・ステイタス・ソリッディc(physica status solidi(c))，2006年12月，Volume0, No.7, p2327-2330
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、この発明の課題は、電子移動度を低下させることなく、電子密度を高くできる高電子移動度トランジスタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、この発明の高電子移動度トランジスタは、
ＧaＮ層と、
上記ＧaＮ層上に形成され、上記ＧaＮ層とヘテロ界面を形成するＡlＧaＮ層と、
上記ＡlＧaＮ層上に互いに間隔をあけて形成されるか、または、上記ＡlＧaＮ層内と上記ＧaＮ層の上部に少なくとも一部が埋め込まれるように互いに間隔をあけて形成されたソース電極とドレイン電極と、
上記ＡlＧaＮ層上かつ上記ソース電極と上記ドレイン電極との間に形成されたゲート電極と、
上記ＡlＧaＮ層上に形成された絶縁膜と
を備え、
上記絶縁膜中に、上記ＧaＮ層中に電子を供給するドナーとなるアルカリ金属の原子が１０１１ｃｍ−２以上存在することを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、自発分極とピエゾ効果によってＡlＧaＮ層とＧaＮ層との間のヘテロ界面近傍に１０１２ｃｍ−２程度の濃度の二次元電子ガスが誘起される。絶縁膜中にアルカリ金属(例えばＣs)の原子を１０１１ｃｍ−２以上導入すると、絶縁膜中のアルカリ金属(例えばＣs)の原子が１価の陽イオンとなって二次元電子ガスに電子が供給され、ＧaＮ層のヘテロ界面近傍の二次元電子ガスの濃度を増やすことができる。また、絶縁膜とＧaＮ層との間にＡlＧaＮ層があることにより絶縁膜とチャネルが離れているため、絶縁膜中にドープされたアルカリ金属に起因する移動度劣化が小さい。これに対して、絶縁膜中にアルカリ金属(例えばＣs)の原子が１０１１ｃｍ−２未満であると、二次元電子ガスの濃度を増やす効果はなくなる。
【０００９】
また、一実施形態の高電子移動度トランジスタでは、
上記アルカリ金属はＣsである。
【００１０】
上記実施形態によれば、アルカリ金属のうちでイオン化エネルギーが最も低いＣsを用いることによって、電子を放出しやすいドナーとして最適である。
【００１１】
また、一実施形態の高電子移動度トランジスタでは、
上記ＡlＧaＮ層は、ＡlとＧaのモル比率が０.３：０.７のときよりもＡlが少ない。
【００１２】
上記実施形態によれば、ＡlＧaＮ層のＡlとＧaのモル比率を０.３：０.７のときよりもＡlを少なくすることによって、ＧaＮ層とＡlＧaＮ層とのピエゾ効果が高まり、二次元電子ガスの濃度が高くなる。なお、ＡlＧaＮ層のＡlの組成比を高くすると、ＧaＮ層との応力が大きくなって転移やクラックが生じるので、転移やクラックが生じない範囲でＡlＧaＮ層のＡlの組成比を適宜設定すればよい。
【００１３】
また、一実施形態の高電子移動度トランジスタでは、
ノーマリーオフ型のトランジスタである。
【００１４】
上記実施形態によれば、ゲート電極のポテンシャルによりＧaＮ層のヘテロ界面近傍の二次元電子ガスが遮断されるノーマリーオフ型のトランジスタであることによって、例えば、ＡlＧaＮ層のＡl組成を少なくして二次元電子ガス濃度を低くしてノーマリーオフとしても、絶縁膜中にアルカリ金属(例えばＣs)の原子を１０１１ｃｍ−２以上導入することで、二次元電子ガス濃度が高くなり、チャネルを低抵抗にできる。これにより、低抵抗なノーマリーオフタイプの高電子移動度トランジスタを実現できる。
【発明の効果】
【００１５】
以上より明らかなように、この発明の高電子移動度トランジスタによれば、電子移動度を低下させることなく、電子密度を高くできる高電子移動度トランジスタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態の高電子移動度トランジスタの断面図である。
【図２】図２は絶縁膜中にＣsをドープしない比較例としての高電子移動度トランジスタのエネルギーバンド図である。
【図３】図３は上記第１実施形態のＣsをドープした高電子移動度トランジスタのエネルギーバンド図である。
【図４】図４は上記高電子移動度トランジスタの製造方法を説明するための製造工程の断面図である。
【図５】図５は図４に続く製造工程の断面図である。
【図６】図６は図５に続く製造工程の断面図である。
【図７】図７は図６に続く製造工程の断面図である。
【図８】図８は図７に続く製造工程の断面図である。
【図９】図９は図８に続く製造工程の断面図である。
【図１０】図１０は図９に続く製造工程の断面図である。
【図１１】図１１は図１０に続く製造工程の断面図である。
【図１２】図１２はＣsドーズ量と２次元電子ガス濃度との関係を示す図である。
【図１３】図１３はこの発明の第２実施形態の高電子移動度トランジスタの断面図である。
【図１４】図１４はＣsドーズ量とシート抵抗との関係およびＣsドーズ量と閾値との関係を示す図である。
【図１５】図１５はこの発明の第３実施形態の高電子移動度トランジスタのオフ状態の断面図である。
【図１６】図１６は上記高電子移動度トランジスタのオン状態の断面図である。
【図１７】図１７は絶縁膜中にＣsをドープしない高電子移動度トランジスタのエネルギーバンド図である。
【図１８】図１８は絶縁膜中にＣsをドープした高電子移動度トランジスタのエネルギーバンド構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の高電子移動度トランジスタを図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００１８】
〔第１実施形態〕
図１はこの発明の第１実施形態の高電子移動度トランジスタの断面図を示している。
【００１９】
この第１実施形態の高電子移動度トランジスタは、図１に示すように、Ｓi基板１００と、Ｓi基板１００上に形成されたバッファ層１０と、バッファ層１０上に形成されたＧaＮ層１１と、ＧaＮ層１１上に形成されたＡlＧaＮ層１２と、ＡlＧaＮ層１２内に形成されると共に、互いに間隔をあけて形成されたソース電極１３とドレイン電極１４と、ＡlＧaＮ層１２上かつソース電極１３とドレイン電極１４との間に形成されたゲート電極１５と、ソース電極１３とドレイン電極１４およびゲート電極１５が形成されたＡlＧaＮ層１２の一部を覆うように形成されたＴa２Ｏ５からなる絶縁膜１６とを備えている。上記ＧaＮ層１１とＡlＧaＮ層１２でヘテロ界面を形成している。
【００２０】
上記絶縁膜１６中にアルカリ金属の一例としてのＣs原子が２×１０１３ｃｍ−２以上存在する。この絶縁膜１６にＣsを導入することで、Ｃsが半導体に対するドナーとして働き電子を半導体中に放出する。すなわち、Ｃsから放出された電子は、ＡlＧaＮ層１２を介してＧaＮ層１１とＡlＧaＮ層１２との界面に供給される。
【００２１】
例えば、Ａl０.２Ｇa０.８Ｎ層をＧaＮ層１１の上に堆積した構造では、ＧaＮ層１１とＡlＧaＮ層１２との界面にできる二次元電子ガス濃度は、０.５×１０１３ｃｍ−２である。二次元電子ガスの濃度は、ヘテロ界面に生じる自発分極とＧaＮ層１１とＡlＧaＮ層１２とのピエゾ効果によって決まる。したがって、二次元電子ガス濃度は、ＡlとＧaの組成比によって決まる。すなわち、Ａlの組成比を高くすると、二次元電子ガスの濃度が高くなる。しかし、Ａlの組成比を高くすると、ＧaＮ層１１との応力が大きくなり、転移やクラックの原因となるため、Ａlの組成比を大きくして、二次元電子ガス濃度を増やすには限界がある。
【００２２】
また、ＡlＧaＮ層１２との界面付近の絶縁膜１６中に２×１０１３ｃｍ−２のＣs原子を導入すると、ＧaＮ層１１とＡlＧaＮ層１２との界面二次元電子ガスにＣsから放出される電子が加えられ、二次元電子ガス濃度は１０１３ｃｍ−２以上になり、チャネルを低抵抗にすることができる。
【００２３】
図２は絶縁膜１６中にＣsをドープしない比較例としての高電子移動度トランジスタのエネルギーバンド図を示し、図３はこの第１実施形態のＣsをドープした高電子移動度トランジスタのエネルギーバンド図を示している。図２,図３において、左側は自発分極とピエゾ効果による二次元電子ガスの発生前の状態を示し、右側に二次元電子ガスが生じた状態を示している。
【００２４】
図３に示すように、絶縁膜１６中にＣsを導入すると、自発分極とピエゾ効果による電子にＣsから半導体中にドープされた電子が加わり、二次元電子ガス濃度が上昇する。
【００２５】
図４〜図１１にこの第１実施形態の高電子移動度トランジスタ(ＣsドープＧaＮ系ＨＥＭＴ)の製造方法を説明するための各製造工程における断面図を示している。
【００２６】
まず、図４に示すように、Ｓi基板１００上に、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)法を用いて、５００ÅのＡlＮ／ＧaＮを堆積してバッファ層１０を形成する。次に、バッファ層１０上にＧaＮを堆積して、膜厚５μｍのＧaＮ層１１を形成する。
【００２７】
次に、図５に示すように、ＧaＮ層１１上にＭＯＣＶＤ法を用いてＡl０．２Ｇa０．８Ｎを堆積して、ＡlＧaＮ層１２を形成する。
【００２８】
次に、図６に示すように、ＡlＧaＮ層１２上にフォトレジストパターンをマスクにしてＴi／Ａl／Ａuを堆積させて、ソース電極１３とドレイン電極１４を所定の間隔をあけて形成した後、フォトレジストパターンを除去する。なお、ソース電極１３とドレイン電極１４の材料としては、少なくともＴi/Ａlからなり、その上にＴiＮのキャップ層を積層してもよいし、Ａlの上にＡu,Ａg,Ｐtなどを積層してもよい。
【００２９】
次に、図７に示すように、アニールを行うことにより、ソース電極１３とドレイン電極１４がスパイクを起こしてＡlＧaＮ層１２を貫通し、ＧaＮ層１１の上側の一部に入る。この熱処理によって、２次元電子ガス(２ＤＥＧ)とソース電極１３との間および２次元電子ガス(２ＤＥＧ)とドレイン電極１４との間にオーミックコンタクトが得られる。
【００３０】
次に、図８に示すように、ＡlＧaＮ層１２上に、ソース電極１３とドレイン電極１４との間かつソース電極１３側に、ＷＮ／Ａuからなるゲート電極１５を形成する。このゲート電極１５は、ＡlＧaＮ層１２とショットキー接合される。ゲート電極１５には、ＡlＧaＮ層１２とショットキー接合する材料として例えばＷＮ/ＷやＴiＮ/Ｔiなどを用いてもよい。
【００３１】
次に、図９に示すように、ソース電極１３とドレイン電極１４とゲート電極１５が形成されたＡlＧaＮ層１２を覆うように、Ｔa２Ｏ５を堆積させて絶縁膜１６を形成する。
【００３２】
次に、図１０に示すように、絶縁膜１６中にＣsイオンを注入して、絶縁膜１６のＡlＧaＮ層１２近傍にＣs原子を配置する。ここで、Ｃsイオンが絶縁膜１６のＡlＧaＮ層１２近傍に配置されるように、イオン注入装置においてＣsイオンの注入エネルギーを操作する。
【００３３】
次に、図１１に示すように、活性化アニールを行うことにより、絶縁膜１６中のＣs原子が陽イオンとなる。
【００３４】
図１２は絶縁膜１６中にドーズしたＣsの量と二次元電子ガス濃度との関係およびＣsのドーズ量と抵抗との関係を示す。図１２において、横軸はＣsドーズ量[ｃｍ−２]を表し、縦軸は二次元電子ガス濃度[ｃｍ−２]を表している。なお、図１２では、横軸のＣsドーズ量および縦軸の二次元電子ガス濃度は、指数底１０を記号Ｅで表す浮動小数点形式の表現であり、例えば、１.Ｅ＋１２は１×１０１２を表す。
【００３５】
図１２から明らかなように、絶縁膜１６中へのＣsのドーズにより１０１３ｃｍ−２を超える高濃度の二次元電子ガスが得られる。ここでは、Ｃsドーズ前から自発分極とピエゾ効果によって、濃度が約０.５×１０１３ｃｍ−２の二次元電子ガスが存在している。
【００３６】
また、図１２では、１０１５ｃｍ−２以上で二次元電子ガス濃度が飽和しており、Ｃsドーズ量は、１０１６ｃｍ−２以下であればよく、１０１５ｃｍ−２以下がより好ましい。
【００３７】
上記構成の高電子移動度トランジスタによれば、絶縁膜１６中にアルカリ金属としてＣsを１０１１ｃｍ−２以上導入すると、自発分極とピエゾ効果によってＡlＧaＮ層１２とＧaＮ層１１との間のヘテロ界面近傍に誘起される二次元電子ガスに対して、絶縁膜１６中のアルカリ金属(例えばＣs)の原子が１価の陽イオンとなってＡlＧaＮ層１２を介してＧaＮ層１１中に電子が供給される。これによって、ＧaＮ層１１のヘテロ界面近傍の二次元電子ガスの濃度を増やすことができる。また、絶縁膜１６とＧaＮ層１１との間にＡlＧaＮ層１２があることにより絶縁膜１６とチャネルが離れているため、絶縁膜１６中にドープされたアルカリ金属に起因する移動度劣化を小さくできる。
【００３８】
また、上記アルカリ金属のうちのイオン化エネルギーが最も低いＣsを用いることによって、電子を放出しやすいドナーとして最適である。例えば、他のアルカリ金属は、イオン化エネルギーは次のとおりであり、これらよりもＣsは３.８９[ｋＪ/ｍｏｌ]と低い。
Ｌi：５.３９
Ｎa：５.１５
Ｋ ：４.３４
Ｒb：４.１８
【００３９】
また、上記ＡlＧaＮ層１２のＡlとＧaのモル比率を０.３：０.７のときよりもＡlを少なくすることによって、ＧaＮ層１１とＡlＧaＮ層１２とのピエゾ効果が高まり、二次元電子ガスの濃度が高くなる。なお、ＡlＧaＮ層１２のＡlの組成比を高くすると、ＧaＮ層１１との応力が大きくなって転移やクラックが生じるので、転移やクラックが生じない範囲でＡlＧaＮ層１２のＡlの組成比を適宜設定すればよい。
【００４０】
このように、ＡlＧaＮ層１２のＡlの比率が下がり、応力が下がるためにウェハの反りやクラックの発生を抑えることができる。また、低抵抗化のために二次元電子ガス濃度は１０１３ｃｍ−２以上が望ましく、ＡlＧaＮ層の膜厚によらずに１０１３ｃｍ−２以上の濃度を得るためにはＡl組成比が０.３以上必要である。しかしながら、絶縁膜１６中にＣsをドープすることにより、Ａl組成比が０.３以下であっても１０１３ｃｍ−２以上の濃度を実現することができ、ウェハの反りも少なくできる。ＡlＧaＮ層のＡl組成比が０.０５以下では二次元電子ガスがほとんど発生しないため、Ａl組成比は０.０５よりも大きいことが望ましい。
【００４１】
〔第２実施形態〕
図１３はこの発明の第２実施形態の高電子移動度トランジスタの断面図を示している。
【００４２】
この第２実施形態の高電子移動度トランジスタは、図１３に示すように、Ｓi基板２００と、Ｓi基板２００上に形成されたバッファ層２０と、バッファ層２０上に形成されたＧaＮ層２１と、ＧaＮ層２１上に形成されたＡlＧaＮ層２２と、ＡlＧaＮ層２２内に形成されると共に、互いに間隔をあけて形成されたソース電極２３とドレイン電極２４と、ＡlＧaＮ層２２上かつソース電極２３とドレイン電極２４との間に形成されたゲート電極２５と、ソース電極２３とドレイン電極２４およびゲート電極２５が形成されたＡlＧaＮ層２２の一部を覆うように形成された絶縁膜２６とを備えている。上記ＧaＮ層２１とＡlＧaＮ層２２でヘテロ界面を形成している。
【００４３】
上記絶縁膜２６中にアルカリ金属の一例としてのＣsが２×１０１３ｃｍ−２以上存在する。この絶縁膜２６にＣsを導入することで、Ｃsが半導体に対するドナーとして働き電子を半導体中に放出する。すなわち、Ｃsから放出された電子は、ＡlＧaＮ層２２を介してＧaＮ層２１とＡlＧaＮ層２２との界面に供給される。
【００４４】
例えば、Ａl０.１Ｇa０.９Ｎ層２２をＧaＮ層２１上に堆積した構造では、界面にできる二次元電子ガス濃度は低くなり、ゲート電極２５のポテンシャルによってノーマリーオフが可能である。しかし、ゲート電極２５−ドレイン電極２４の二次元電子ガス濃度も低くなり、抵抗が増大する。
【００４５】
ＡlＧaＮ層２２との界面付近の絶縁膜２６中に２×１０１３ｃｍ−２のＣs原子を導入すると、二次元電子ガス濃度は１０１３ｃｍ−２以上になり、チャネルを低抵抗にすることができる。これにより、低抵抗なノーマリーオフＧaＮ系ＨＥＭＴの製造が可能となる
図１４にＣsのドープ量とシート抵抗との関係およびＣsのドープ量と閾値電圧との関係を示している。図１４において、横軸はＣsドーズ量[ｃｍ−２]を表し、縦軸はシート抵抗[ｋΩ／ｓｑ]と閾値電圧[Ｖ]を表し、黒丸のグラフがシート抵抗であり、黒四角のグラフがＣsドーズ量である。なお、図１４では、横軸のＣsドーズ量は、指数底１０を記号Ｅで表す浮動小数点形式の表現であり、例えば、１.Ｅ＋１２は１×１０１２を表す。
【００４６】
図１４に示すように、Ｃsドーズ量を増やすとシート抵抗が下がり、低抵抗になっている。また、Ｃsドーズ量を増やしても閾値電圧はほとんど変化せず、ノーマリーオフを維持していることがわかる。
【００４７】
上記第２実施形態の高電子移動度トランジスタは、第１実施形態の高電子移動度トランジスタと同様の効果を有する。
【００４８】
また、上記ゲート電極１５のポテンシャルによりＧaＮ層１１のヘテロ界面近傍の二次元電子ガスが遮断されるノーマリーオフ型のトランジスタであることによって、例えば、ＡlＧaＮ層１２のＡl組成を少なくして二次元電子ガス濃度を低くしてノーマリーオフとしても、絶縁膜１６中にアルカリ金属(例えばＣs)の原子を１０１１ｃｍ−２以上導入することで、二次元電子ガス濃度が高くなり、チャネルを低抵抗にできる。これにより、低抵抗なノーマリーオフタイプの高電子移動度トランジスタを実現できる。
【００４９】
〔第３実施形態〕
図１５はこの発明の第３実施形態の高電子移動度トランジスタのオフ状態の断面図を示し、図１６は高電子移動度トランジスタのオン状態の断面図を示している。図１５,図１６では、Ｓi基板とバッファ層を省略している。
【００５０】
この第３実施形態の高電子移動度トランジスタは、図１５に示すように、ＧaＮ層３１と、ＧaＮ層３１上に形成されたＡlＧaＮ層３２と、ＡlＧaＮ層３２内に形成されると共に、互いに間隔をあけて形成されたソース電極３３とドレイン電極３４と、ＡlＧaＮ層上かつソース電極３３とドレイン電極３４との間に形成されたゲート電極３５と、ソース電極２３とドレイン電極３４およびゲート電極３５が形成されたＡlＧaＮ層３２の一部を覆うように形成された絶縁膜３６とを備えている。上記ＧaＮ層３１とＡlＧaＮ層３２でヘテロ界面を形成している。
【００５１】
上記絶縁膜３６中にアルカリ金属の一例としてのＣsが２×１０１３ｃｍ−２以上存在する。
【００５２】
図１５に示すように、ソース電極３３とゲート電極３５を０Ｖとしたオフ状態で大きなドレイン電圧(ドレイン電極３４に５００Ｖ印加)がＧaＮ系ＨＥＭＴに印加されると、ゲート電極３５から電子が注入され、注入された電子が絶縁膜３６にトラップされる。
【００５３】
次に、図１６に示すように、ソース電極３３を０Ｖとし、ドレイン電極３４に３Ｖを印加すると共に、ゲート電極３５に１０Ｖを印加してオン状態になった直後は、絶縁膜３６にトラップされた電子によってチャネルに高抵抗部分ができる。このときの絶縁膜３６中にＣsをドープしない高電子移動度トランジスタのエネルギーバンド図を図１７に示す。このように、高電圧動作でのトランジスタのオン抵抗が、低電圧動作でのトランジスタのオン抵抗に比べて高くなってしまう現象を「コラプス」という。
【００５４】
これに対して、この第３実施形態の高電子移動度トランジスタでは、絶縁膜３６にトラップされる電荷以上のＣsを絶縁膜３６中に導入することによって、図１８のエネルギーバンド図に示すように、絶縁膜３６にトラップされた電子の影響が減少し、コラプスを抑制することができる。
【００５５】
上記第３実施形態の高電子移動度トランジスタは、第１実施形態の高電子移動度トランジスタと同様の効果を有する。
【００５６】
上記第１〜第３実施形態では、絶縁膜にＴa２Ｏ５からなる誘電体膜を用いたが、これに限らず、ＳiＮ、ＨfＯ、ＴaＯ、ＳiＯＮ、ＺrＯ、ＡlＯ、ＡlＮ、ＴＥＯＳ(テトラ・エトキシ・シラン)などからなる膜を用いてもよい。
【００５７】
なお、この発明の高電子移動度トランジスタは、ＡlＧaＮ層の上部にゲート電極の少なくとも一部が埋め込まれていてもよい。
【００５８】
この場合、ＡlＧaＮ層の上部にゲート電極の少なくとも一部が埋め込まれていることによって、ゲート電極下のヘテロ界面に形成される二次元電子ガス濃度を低下させるか、または、ゲート電極によりＧaＮ層とＡlＧaＮ層とのヘテロ界面が遮断されて２次元電子ガスが存在しないようにするので、閾値電圧が高くなってトランジスタのノーマリーオフ動作が可能になる。したがって、電子移動度を低下させることなく、電子密度を高くできるノーマリーオフ動作の高電子移動度トランジスタを実現できる
また、上記第１〜第３実施の形態では、Ｓi基板を用いた高電子移動度トランジスタについて説明したが、Ｓi基板に限らず、サファイヤ基板やＳiＣ基板を用いてもよく、サファイヤ基板やＳiＣ基板上にＧaＮ層,ＡlＧaＮ層を成長させてもよいし、ＧaＮ基板上にＧaＮ層,ＡlＧaＮ層を成長させてもよい。また、基板とＧaＮ層との間にバッファ層を形成しなくてもよいし、ＧaＮ層とＡlＧaＮ層との間にヘテロ改善層を形成してもよい。
【００５９】
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記第１〜第３実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１０,２０…バッファ層
１１,２１,３１…ＧaＮ層
１２,２２,３２…ＡlＧaＮ層
１３,２３,３３…ソース電極
１４,２４,３４…ドレイン電極
１５,２５,３５…ゲート電極
１６,２６,３６…絶縁膜
１００,２００…Ｓi基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧaＮ層と、
上記ＧaＮ層上に形成され、上記ＧaＮ層とヘテロ界面を形成するＡlＧaＮ層と、
上記ＡlＧaＮ層上に互いに間隔をあけて形成されるか、または、上記ＡlＧaＮ層内と上記ＧaＮ層の上部に少なくとも一部が埋め込まれるように互いに間隔をあけて形成されたソース電極とドレイン電極と、
上記ＡlＧaＮ層上かつ上記ソース電極と上記ドレイン電極との間に形成されたゲート電極と、
上記ＡlＧaＮ層上に形成された絶縁膜と
を備え、
上記絶縁膜中に、上記ＧaＮ層中に電子を供給するドナーとなるアルカリ金属の原子が１０１１ｃｍ−２以上存在することを特徴とする高電子移動度トランジスタ。
【請求項２】
請求項１に記載の高電子移動度トランジスタにおいて、
上記アルカリ金属はＣsであることを特徴とする高電子移動度トランジスタ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の高電子移動度トランジスタにおいて、
上記ＡlＧaＮ層は、ＡlとＧaのモル比率が０.３：０.７のときよりもＡlが少ないことを特徴とする高電子移動度トランジスタ。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１つに記載の高電子移動度トランジスタにおいて、
ノーマリーオフ型のトランジスタであることを特徴とする高電子移動度トランジスタ。
【請求項１】
ＧaＮ層と、
上記ＧaＮ層上に形成され、上記ＧaＮ層とヘテロ界面を形成するＡlＧaＮ層と、
上記ＡlＧaＮ層上に互いに間隔をあけて形成されるか、または、上記ＡlＧaＮ層内と上記ＧaＮ層の上部に少なくとも一部が埋め込まれるように互いに間隔をあけて形成されたソース電極とドレイン電極と、
上記ＡlＧaＮ層上かつ上記ソース電極と上記ドレイン電極との間に形成されたゲート電極と、
上記ＡlＧaＮ層上に形成された絶縁膜と
を備え、
上記絶縁膜中に、上記ＧaＮ層中に電子を供給するドナーとなるアルカリ金属の原子が１０１１ｃｍ−２以上存在することを特徴とする高電子移動度トランジスタ。
【請求項２】
請求項１に記載の高電子移動度トランジスタにおいて、
上記アルカリ金属はＣsであることを特徴とする高電子移動度トランジスタ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の高電子移動度トランジスタにおいて、
上記ＡlＧaＮ層は、ＡlとＧaのモル比率が０.３：０.７のときよりもＡlが少ないことを特徴とする高電子移動度トランジスタ。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１つに記載の高電子移動度トランジスタにおいて、
ノーマリーオフ型のトランジスタであることを特徴とする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１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１３−８０７９４（Ｐ２０１３−８０７９４Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１９５２４（Ｐ２０１１−２１９５２４）
【出願日】平成２３年１０月３日（２０１１．１０．３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３日（２０１１．１０．３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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