ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ及びその製造方法
【課題】新規なIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタを提供する。
【解決手段】ｎ型Ｓｉ基板３１上に、Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ多重金属層３２、ＡｕＳｎはんだ層３３、Ａｕ／Ｎｉ／Ａｌ／Ｔｉ多重金属層１５、ｎ+コンタクト層（ｎ+−ＧａＮ）１４、ドリフト部（ｎ−ＧａＮ）１３が形成されている。ドリフト部１３は、厚さ約０．５μｍの電流狭窄部１３ｂｎを有しており、その左右には、ＡｌＮ層２１とｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２が形成されている。ドリフト部１３（電流狭窄部１３ｂｎ）の最上部と、ｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２の最上部は同一平面となっている。それらの上には、チャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２、電子供与層（ＡｌＧａＮ）１１が形成されている。ＨＥＭＴ１００は、サファイア基板にエピタキシャル成長させた後、シリコン基板を貼り付けてレーザーリフトオフ法でサファイア基板を除去すると得られる。
【解決手段】ｎ型Ｓｉ基板３１上に、Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ多重金属層３２、ＡｕＳｎはんだ層３３、Ａｕ／Ｎｉ／Ａｌ／Ｔｉ多重金属層１５、ｎ+コンタクト層（ｎ+−ＧａＮ）１４、ドリフト部（ｎ−ＧａＮ）１３が形成されている。ドリフト部１３は、厚さ約０．５μｍの電流狭窄部１３ｂｎを有しており、その左右には、ＡｌＮ層２１とｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２が形成されている。ドリフト部１３（電流狭窄部１３ｂｎ）の最上部と、ｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２の最上部は同一平面となっている。それらの上には、チャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２、電子供与層（ＡｌＧａＮ）１１が形成されている。ＨＥＭＴ１００は、サファイア基板にエピタキシャル成長させた後、シリコン基板を貼り付けてレーザーリフトオフ法でサファイア基板を除去すると得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主としてIII族窒化物系化合物半導体から成る新規な縦型トランジスタ及びその製造方法に関する。本発明は、特に、二次元電子ガスを利用する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）として作用するIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタに関する。本明細書においてIII族窒化物系化合物半導体とは、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮで表される２元系又は３元系又は４元系の半導体と、それらに伝導型の制御等のために任意の元素を添加したものを包括して言うものとし、更には、III族元素の一部組成をＢ、Ｔｌで、Ｖ族元素の一部組成をＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。また、縦型トランジスタの縦型とは、基板主面の法線方向に電流が流れるものを言うものとする。
【背景技術】
【０００２】
高温下での動作や、高耐圧の素子として、III族窒化物系化合物半導体素子が種々検討されている。例えばIII族窒化物系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）としては、横方向に、即ち素子表面に並んでソース電極、ゲート電極、ドレイン電極を有するものが報告されている。これは高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）として作用するIII族窒化物系化合物半導体トランジスタも同様である。
【特許文献１】特開２００４−２６０１４０号公報
【特許文献２】特開２００５−１５９２０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明者らは、ＨＥＭＴとして作用する新規な構成のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタを検討した。縦型トランジスタを、例えば下層からドレイン部、ドレイン部の電流狭窄部（と領域制限のための絶縁領域等）、チャネル層、電子供与層をこの順にエピタキシャル成長により積層して形成することも考えられる。しかしこの順によった場合、電流狭窄部上部のチャネル層及び電子供与層の界面を平坦に形成することが困難であり、二次元電子ガスを利用した素子特性の良いＨＥＭＴの形成は困難であった。
【０００４】
また、ドレイン電極を形成するためにはドレイン部を露出させるか、導電性の基板にＨＥＭＴを形成する必要があった。サファイア等の絶縁性基板にＨＥＭＴを形成してドレイン部を露出させる場合は、素子の占有面積に対して、実質的に素子として働く有効面積が小さいものとなる。また、現時点でIII族窒化物系化合物半導体を結晶性良くエピタキシャル成長可能な導電性の基板として、ＧａＮ自立基板やＳｉＣ基板等は非常に高価であり、しかも基板の大面積化が困難であるという問題がある。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、全く新規なIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタの構成と、その製造方法を着想して完成されたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、本発明者らが着想した新規な縦型トランジスタである。
その構成は、III族窒化物系化合物半導体を用いた縦型トランジスタであって、導電性の支持基板と、支持基板上に設けられ、III族窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る層を少なくとも１層有する導電層と、導電層の上に直接、又はIII族窒化物系化合物半導体層を介して形成されたIII族窒化物系化合物半導体から成るドリフト部と、ドリフト部上に設けられ、組成の異なる２種のIII族窒化物系化合物半導体からそれぞれ形成されたチャネル層及び電子供与層とを有し、ドリフト部は、絶縁領域、又はより低いキャリア濃度のIII族窒化物系化合物半導体領域若しくは伝導型の異なるIII族窒化物系化合物半導体領域により、横方向に領域制限された電流狭窄部を有し、ドリフト部の電流狭窄部上方の電子供与層表面に、絶縁体を介した、又はショットキー接続によるゲート電極を有し、チャネル層に電流を供給可能なソース電極を当該ゲート電極の横方向に有し、支持基板裏面にドレイン電極を有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタである。
【０００７】
ここで、III族窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る層とは、例えば単層の金属層又は合金層、金属多重層、その他の導電性の材料から成る層であって、III族窒化物系化合物半導体ではないものを言うものとする。チャネル層に電流を供給可能なソース電極とは、例えばチャネル層に直接接触して設けても良く、或いは電子供与層を介している状態であっても、チャネル層に電流を供給可能であれば良いものとする。これらは、以下でも同様である。
【０００８】
請求項２に係る発明は、ゲート電極により、チャネル層と電子供与層との界面近傍における、ドリフト部の電流狭窄部上方への横方向の二次元電子ガスの拡散を許容又は阻止することにより、ソース電極からドレイン電極へのキャリアの伝達を許容又は阻止する、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であることを特徴とする。また請求項３に係る発明は、ドリフト部の電流狭窄部は、伝導型の異なるIII族窒化物系化合物半導体領域により横方向に領域制限されており、ソース電極の電位が、当該伝導型の異なるIII族窒化物系化合物半導体領域にも印加されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３の、本発明者らが着想した新規な縦型トランジスタを製造するための方法である。
即ち、エピタキシャル成長基板に、少なくとも犠牲層と、少なくともアルミニウムを含むIII族窒化物系化合物半導体から成る第１の層と、III族窒化物系化合物半導体から成りチャネル層を構成する第２の層と、アクセプタ不純物が添加されたIII族窒化物系化合物半導体から成る第３の層とをエピタキシャル形成したのち、第３の層を一部エッチングして第２の層を一部露出させ、当該露出した第２の層上にIII族窒化物系化合物半導体から成りドリフト部を形成する第４の層をエピタキシャル成長したのち、ドリフト部に直接、又は更に他のIII族窒化物系化合物半導体層又は導電性の層を介して、表面に導電層の形成された導電性の支持基板の導電層側を接続し、エピタキシャル成長基板と、犠牲層とを少なくとも除去して第１の層を露出させ、当該露出した第１の層の、ドリフト部の電流狭窄部の上方にゲート電極をショットキー接続により、又は絶縁層を介して形成し、当該ゲート電極の横方向において、第２の層に電流供給可能なソース電極をオーミック接続により形成することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタの製造方法である。
また、請求項５に係る発明は、ソース電極が、アクセプタ不純物が添加されたIII族窒化物系化合物半導体領域にも接するように形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１乃至３に係る縦型トランジスタは新規な構成を有し当該新規な縦型トランジスタは、請求項４又は５に記載の製造方法によって容易に製造可能である。
当該製造方法によれば、エピタキシャル成長基板に、犠牲層となるIII族窒化物系化合物半導体層を介して、まず電子供与層次にチャネル層の順に形成されるので、電子供与層とチャネル層の平坦性は高く、特にそれらの界面は極めて平坦に形成することが可能となる。これにより、例えばその界面のチャネル層側に、二次元電子ガスが効率的に形成され得る。界面が平坦な電子供与層とチャネル層を形成した後の、電流狭窄部やドリフト部を構成する工程は全く任意に設計でき、且つドリフト部を層膜厚１０μｍ以上と大きくして、大電流に耐えうるパワートランジスタとすることも容易となる。
また、導電性の支持基板裏面をドレイン電極とできるので、素子の水平方向の面積全体をトランジスタとして有効利用することが可能となる。
【００１１】
異なる伝導型の層でドリフト部の電流狭窄部を挟み、ソース電位を当該異なる伝導型の層に印加することで、電流を縦方向に流すアパーチャ構造を形成することができる。例えばドリフト部（の電流狭窄部）がｎ型であれば、２つのｐ型領域で当該電流狭窄部を挟む。すると、ソース電位が当該２つのｐ型領域に印加されることで、空乏層が当該電流狭窄部を完全に閉じる事ができる。これにより、オフ時の高耐圧特性を付与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
エピタキシャル成長基板をエピタキシャル膜から除去する場合には、レーザリフトオフ法と呼ばれる技術を用いることができる。これは当該エピタキシャル成長基板で吸収されず、例えばＧａＮで吸収される波長のレーザを当該ＧａＮ層とエピタキシャル成長基板との界面に焦点を併せて照射し、ＧａＮ層のエピタキシャル成長基板界面側のごく薄い一部（厚さで０．１μｍ以下）を溶融させる。当該レーザを走査して当該溶融部がエピタキシャル成長基板の全面となるようにすれば、エピタキシャル成長基板はエピタキシャル膜から容易に除去できる。レーザリフトオフに先立って、エピタキシャル膜のエピタキシャル成長基板とは逆側に支持基板を貼り付けておく。当該支持基板は、最終的に素子の基板となりうるよう、導電性の支持基板とすることが好適である。導電性の支持基板としては例えばｎ型シリコン基板が安価で好適に用いられる。
【００１３】
電流狭窄部を形成するため、例えばｐ型層に孔又は空隙を設けてチャネル層を露出させる際は、フォトレジスト又は酸化ケイ素などの絶縁膜をマスクとしたドライエッチングを用いると良い。
【実施例１】
【００１４】
図１．Ａは本発明の具体的な第１の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の構成を示す断面図である。図１．ＡのIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の構成は次の通りである。
【００１５】
ｎ型Ｓｉ基板３１上に、アルミニウム（Ａｌ）層／チタン（Ｔｉ）層／白金（Ｐｔ）層／金（Ａｕ）層が順に積層された多重金属層３２が、その上に金スズ（ＡｕＳｎ）はんだ層３３が、その上に金（Ａｕ）層／ニッケル（Ｎｉ）層／アルミニウム（Ａｌ）層／チタン（Ｔｉ）層が順に積層された多重金属層１５が形成されている。尚、後に示す通り、多重金属層１５の内部構成はｎ+コンタクト層（ｎ+−ＧａＮ）１４に積層した順に記載するため、図１．Ａでは、多重金属層１５の表示はＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕとした。
【００１６】
多重金属層１５の上には、膜厚０．１μｍ、電子濃度１×１０18／ｃｍ3のシリコン（Ｓｉ）が添加されたＧａＮから成るｎ+コンタクト層（ｎ+−ＧａＮ）１４が、その上には膜厚２０μｍ、キャリア濃度２×１０16／ｃｍ3のシリコン（Ｓｉ）が添加されたＧａＮから成るドリフト部（ｎ−ＧａＮ）１３が形成されている。ドリフト部１３は、厚さ約０．５μｍの電流狭窄部１３ｂｎを有しており、当該電流狭窄部１３ｂｎの図１向って左右には、厚さ０．０１μｍのＡｌＮ層２１とその上に厚さ０．５μｍの正孔濃度２×１０18／ｃｍ3のマグネシウム（Ｍｇ）が添加されたＧａＮから成るｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２が形成されている。ドリフト部１３（電流狭窄部１３ｂｎ）の最上部と、ｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２の最上部は同一平面となっている。
【００１７】
ドリフト部１３（電流狭窄部１３ｂｎ）とｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２の上には、膜厚０．１μｍ、電子濃度１×１０16／ｃｍ3のシリコン（Ｓｉ）が添加されたＧａＮから成るチャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２が、チャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２の上には膜厚０．０３μｍの不純物無添加のＡｌＧａＮから成る電子供与層（ＡｌＧａＮ）１１及び厚さ０．０５μｍのＳｉＯ2から成る絶縁膜１０が形成されている。
【００１８】
また、図１．Ａに示す通り、ＳｉＯ2から成る絶縁膜１０の上に、電流狭窄部１３ｂｎの水平占有領域を含み且つそれよりも左右に広がってｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２上部に達するように、多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）から成るゲート電極４１Ｇが形成されている。ゲート電極４１Ｇから見て左右には、水平方向に間隔を置いて２つのソース電極４０Ｓが形成されている。ソース電極４０ＳはＳｉＯ2から成る絶縁膜１０及び電子供与層（ＡｌＧａＮ）１１を一部除去して露出したチャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２に接する様に形成されている。また、ｎ型Ｓｉ基板３１裏面には、ドレイン電極４２Ｄが形成されている。ソース電極４０Ｓの構成は、下側（チャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２に接する側）からチタン（Ｔｉ）層／アルミニウム層（Ａｌ）／ニッケル（Ｎｉ）層／金（Ａｕ）層の順に積層されたものであり、ドレイン電極４０Ｄの構成は、上側（ｎ型Ｓｉ基板３１に接する側）からアルミニウム層（Ａｌ）／チタン（Ｔｉ）層／白金（Ｐｔ）層／金（Ａｕ）層の順に積層されたものである。
【００１９】
図１のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の各構成要素を、請求項１に係る発明の記載と対応させると次の通りである。
ｎ型シリコン基板３１が導電性の支持基板に当たる。
多重金属層３２、はんだ層３３及び多重金属層１５の積層構造が、III族窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る層を少なくとも１層有する導電層に当たる。
ドリフト部１３を領域制限して電流狭窄部１３ｂｎを形成するｐ−ＧａＮ層２２が伝導型の異なるIII族窒化物系化合物半導体領域に当たる。
ドリフト部、チャネル層、電気供与層及び各電極の対応は明確である。
【００２０】
次に、図１．ＡのIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法を図１．Ｂ乃至図１．Ｈの工程図として示す。尚、請求項４の記載との対応は個々に述べる。
【００２１】
まず、図１．Ｂの構成のウエハ１００ｓ１が次のように形成される。Ｃ面を主面とするサファイア基板（エピタキシャル成長基板）１を用意し、公知の方法で、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層を形成し、その上に、不純物無添加の窒化ガリウムから成る犠牲層（ｉ−ＧａＮ）２を４μｍエピタキシャル成長させる。この後、犠牲層（ｉ−ＧａＮ）２の上に、膜厚０．０３μｍの不純物無添加のＡｌＧａＮから成る電子供与層（ＡｌＧａＮ、第１の層）１１、膜厚０．１μｍ、シリコンが添加された電子濃度１×１０16／ｃｍ3のＧａＮから成るチャネル層（ｎ−ＧａＮ、第２の層）１２、厚さ０．５μｍ、マグネシウムが添加されたＧａＮから成るｐ層（ｐ−ＧａＮ、アクセプタ不純物が添加された第３の層）２２、厚さ０．０１μｍのＡｌＮ層２１を順にエピタキシャル成長させる。この後、窒素雰囲気下の加熱によりｐ層（ｐ−ＧａＮ、第３の層）２２を活性化させて正孔濃度を２×１０18／ｃｍ3とする。尚、図１．Ｂにおいては、サファイア基板（Ｓａｐｐｈ）１と犠牲層（ｉ−ＧａＮ）２との間に形成されるＡｌＮから成るバッファ層の記載を省略した。
【００２２】
次に、ｎ型のＧａＮから成るドリフト部１３の電流狭窄部１３ｂｎを形成するため、ＡｌＮ層２１とｐ層（ｐ−ＧａＮ、第３の層）２２の中央部をエッチングして、空隙Ｈを形成する。この際、アルカリ水溶液によるウエットエッチングによりＡｌＮ層２１をエッチングし、その後ドライエッチングによりｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２をエッチングすると良い。こうして空隙Ｈの底にチャネル層（ｎ−ＧａＮ、第２の層）１２が露出する（図１．Ｃ）。
【００２３】
次に、シリコンが添加された窒化ガリウム（ＧａＮ）をエピタキシャル成長させると、空隙Ｈにおいては、その底のチャネル層（ｎ−ＧａＮ、第２の層）１２表面から、また、ＡｌＮ層２１の表面からもエピタキシャル成長が生じて、空隙Ｈが埋められ、ウエハ全体として平坦なエピタキシャル成長が生じる。こうして、チャネル層（ｎ−ＧａＮ、第２の層）１２表面から２０μｍの厚さでキャリア濃度２×１０16／ｃｍ3のＧａＮから成るドリフト部（ｎ−ＧａＮ、第４の層）１３を形成する。この際、空隙Ｈはキャリア濃度２×１０16／ｃｍ3のＧａＮから成る電流狭窄部１３ｂｎとして埋められる（図１．Ｄ）。
【００２４】
この後、膜厚０．１μｍ、電子濃度１×１０18／ｃｍ3のシリコンが添加されたＧａＮから成るｎ+コンタクト層（ｎ+−ＧａＮ）１４をエピタキシャル成長により形成し、多重金属層１５を蒸着により形成する。多重金属層１５は、ｎ+コンタクト層（ｎ+−ＧａＮ）１４に近い側から、チタン（Ｔｉ）層、アルミニウム（Ａｌ）層、ニッケル（Ｎｉ）層、金（Ａｕ）層の順に形成される。こうしてウエハ１００ｓ２が得られる（図１．Ｅ）。
【００２５】
次に、ウエハ１００ｓ２（サファイア基板（Ｓａｐｐｈ）１）と同じ形状のｎ型シリコン基板（ｎ−Ｓｉ、導電性の支持基板）３１を用意し、表面に順にアルミニウム（Ａｌ）層、チタン（Ｔｉ）層、白金（Ｐｔ）層、金（Ａｕ）層を成膜して多重金属層３２を形成する。この後、金スズはんだ（ＡｕＳｎ）３３を用いて、ｎ型シリコン基板（ｎ−Ｓｉ）３１の多重金属層３２を形成した側（導電層側）と、ウエハ１００ｓ２の多重金属層１５側とを接合させてウエハ１００ｓｓを得る（図１．Ｆ）。接合は３５０℃５分間の加熱で良い。
【００２６】
この後、良く知られたレーザリフトオフ法により、ウエハ１００ｓｓの、犠牲層（ｉ−ＧａＮ）２のサファイア基板（Ｓａｐｐｈ）１側の界面のごく一部（厚さ０．１μｍ以下）を溶融させて、サファイア基板（Ｓａｐｐｈ）１を除去する（図１．Ｇ）。この後、犠牲層（ｉ−ＧａＮ）２をドライエッチングにより除去すれば、不純物無添加のＡｌＧａＮから成る電子供与層（ＡｌＧａＮ、第１の層）１１が露出したウエハ１００ｓが得られる（図１．Ｈ）。
【００２７】
この後、不純物無添加のＡｌＧａＮから成る電子供与層（ＡｌＧａＮ、第１の層）１１の表面に、電流狭窄部１３ｂｎの水平占有面を覆うように、絶縁膜１０とゲート電極４１Ｇを形成する。また、ゲート電極４１Ｇと距離を置いてソース電極４０Ｓを形成するため、絶縁膜１０と不純物無添加のＡｌＧａＮから成る電子供与層（ＡｌＧａＮ、第１の層）１１の一部をエッチングにより除去してＧａＮから成るチャネル層（ｎ−ＧａＮ、第２の層）１２を露出させる。ソース電極４０Ｓの構成は、上述した通りである。また、ｎ型シリコン基板（ｎ−Ｓｉ、導電性の支持基板）３１の裏面にはドレイン電極４２Ｄを形成する。ドレイン電極４２Ｄの構成も、上述した通りである。
【００２８】
図１．ＡのIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００においては、チャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２の電子供与層（ＡｌＧａＮ）１１との界面近傍に二次元電子ガス（２−ＤＥＧ）が形成される。これを図１．Ａで太い破線で示した。即ち、ソース４０Ｓ／ドレイン４２Ｄ間に電圧を印加し、ゲート電極４１Ｇに閾値電圧以上の電圧を印加すると、ソース４０Ｓから電流狭窄部１３ｂｎ上方まで二次元電子ガス（２−ＤＥＧ）が形成され、電流狭窄部１３ｂｎを通って、即ちドリフト部１３を通ってドレイン電極４２Ｄまで電子が伝導する。一方、ゲート電極４１Ｇに閾値電圧以下の電圧を印加すると、二次元電子ガス（２−ＤＥＧ）はソース４０Ｓから電流狭窄部１３ｂｎ上方まで達せず、電流狭窄部１３ｂｎ（ドリフト部１３）を通ってドレイン電極４２Ｄまで電子が伝導することができない。
【実施例２】
【００２９】
図２は本発明の具体的な第２の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）２００の構成を示す断面図である。
図２のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）２００の構成は、ｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２を１０μｍと厚く形成して（電流狭窄部１３ｂｎも厚さ１０μｍとなる）、ＡｌＮ層２１を形成せず、ｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２がｎ+コンタクト層（ｎ+−ＧａＮ）１４に接する点、ソース電極４０Ｓ２の電位をｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２にも印加したこと、各電極と多重金属層１５２、金属層３２２、はんだ３３２の構成金属が異なる他は、基本的には図１．ＡのIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の構成と同様であって、製造方法もほぼ同様である。
【００３０】
図２のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）２００のｎドレインの電流狭窄部１３ｂｎを２つのｐ層２２で挟んだ構成は、最小単位のスーパージャンクション構造である。即ち、２つのｐ層２２にはソース電位が印加されており、電流狭窄部１３ｂｎと２つのｐ層２２との界面は空乏層が広がり、電流狭窄部１３ｂｎを閉じるまで当該空乏層を形成することが可能である。これにより、高耐圧の縦型トランジスタとすることができる。
【００３１】
当該スーパージャンクション構造を形成するためには、深いトレンチエッチングが必要である。この際、ドライエッチングに、ＴＭＡＨを用いたウエットエッチングを組み合わせるとトレンチ側壁を垂直にすることが容易である。
【００３２】
〔変形例について〕
上記実施例においては、不純物無添加のＡｌＧａＮから成る電子供与層とｎ−ＧａＮから成るチャネル層の構成を示したが、本願発明はこれに限定されない。III族窒化物系化合物半導体により二次元電子ガスを生成する場合は、組成の異なる２つのIII族窒化物系化合物半導体層間の歪が重要であり、各々の伝導型は必ずしも重要ではない。即ち、電子供与層とチャネル層を異なる他の組成で構成し、界面に二次元電子ガスを生成するようにしても良い。この場合、いずれの層にドナー不純物を添加しても良く、或いはいずれの層にもドナー不純物を添加しなくても良い。
【００３３】
また、実施例１では、図１．Ａのように、ｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２の下面にＡｌＮ層２１を設ける構成のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００を示したが、ＡｌＮ層をｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２の上下にそれぞれ設ける構成としても良い。この構成によれば、深さ方向に精度の高い、即ち壁面が垂直の空孔Ｈを形成することが可能である。これを図３．Ａ乃至図３．Ｃを用いて説明する。
【００３４】
図３．Ａは、図１．Ｂと同様に、Ｃ面を主面とするサファイア基板（エピタキシャル成長基板）１に、不純物無添加の窒化ガリウムから成る犠牲層（ｉ−ＧａＮ）２、不純物無添加のＡｌＧａＮから成る電子供与層（ＡｌＧａＮ）１１、シリコンが添加された電子濃度１×１０16／ｃｍ3のＧａＮから成るチャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２を形成した後、厚さ０．０１μｍのＡｌＮ層２３、厚さ０．５μｍ、マグネシウムが添加されたＧａＮから成るｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２、厚さ０．０１μｍのＡｌＮ層２１を順にエピタキシャル成長させたものである。この後、実施例１と同様にｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２を活性化させる。
次にｎ型のＧａＮから成るドリフト部１３の電流狭窄部１３ｂｎを形成するため、アルカリ水溶液によるウエットエッチングによりＡｌＮ層２１をエッチングし、その後ドライエッチングによりｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２をエッチングする。この時、ｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２の下に位置するＡｌＮ層２３がドライエッチングに対するストッパ層として働く（図３．Ｂ）。
この後、アルカリ水溶液によるウエットエッチングによりＡｌＮ層２３をエッチングすれば、ＡｌＮ層２３のみをエッチングすることができ、チャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２をエッチングすることはない（図３．Ｃ）。
このように、ＡｌＮ層２３を設けることにより、深さ方向に精度の高い空孔Ｈの形成が可能となる。
【００３５】
上記実施例においては、高抵抗のＡｌＧａＮから成る電子供与層に酸化ケイ素から成る絶縁層を介してゲート電極４０Ｇを設ける構成を示したが、例えば直接ゲート電極を形成してショットキーゲートとしても良い。
【００３６】
上記実施例においては二次元電子ガスを利用したＨＥＭＴを示したが、ＨＥＭＴでないＦＥＴを構成しても本願発明に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１．Ａ】本願の具体的な第１の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の構成を示す断面図。
【図１．Ｂ】III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法の１工程における断面図。
【図１．Ｃ】III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法の１工程における断面図。
【図１．Ｄ】III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法の１工程における断面図。
【図１．Ｅ】III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法の１工程における断面図。
【図１．Ｆ】III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法の１工程における断面図。
【図１．Ｇ】III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法の１工程における断面図。
【図１．Ｈ】III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法の１工程における断面図。
【図２】本願の具体的な第２の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）２００の構成を示す断面図。
【図３．Ａ】変形例の製造方法の１工程における断面図。
【図３．Ｂ】変形例の製造方法の１工程における断面図。
【図３．Ｃ】変形例の製造方法の１工程における断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１００、２００：III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）
１：サファイア基板（エピタキシャル成長基板）
２：ＧａＮからなる犠牲層（ｉ−ＧａＮ）
１１：ＡｌＧａＮから成る電子供与層（第１の層）
１２：ｎ−ＧａＮから成るチャネル層（第２の層）
１３：ｎ−ＧａＮから成るドリフト部（第４の層）
１３ｎｂ：ドリフト部１３の電流狭窄部
１４：ｎ−ＧａＮから成るコンタクト層
１５、１５２、３２：多重金属層
２１：ＡｌＮ層
２２：ｐ−ＧａＮ層（第３の層）
３１：ｎ型シリコン基板（導電性の支持基板）
３２２：金属層
３３、３３２：はんだ層
４０Ｓ、４０Ｓ２：ソース電極
４１Ｇ：ゲート電極
４２Ｄ、４２Ｄ２：ドレイン電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主としてIII族窒化物系化合物半導体から成る新規な縦型トランジスタ及びその製造方法に関する。本発明は、特に、二次元電子ガスを利用する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）として作用するIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタに関する。本明細書においてIII族窒化物系化合物半導体とは、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮで表される２元系又は３元系又は４元系の半導体と、それらに伝導型の制御等のために任意の元素を添加したものを包括して言うものとし、更には、III族元素の一部組成をＢ、Ｔｌで、Ｖ族元素の一部組成をＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。また、縦型トランジスタの縦型とは、基板主面の法線方向に電流が流れるものを言うものとする。
【背景技術】
【０００２】
高温下での動作や、高耐圧の素子として、III族窒化物系化合物半導体素子が種々検討されている。例えばIII族窒化物系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）としては、横方向に、即ち素子表面に並んでソース電極、ゲート電極、ドレイン電極を有するものが報告されている。これは高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）として作用するIII族窒化物系化合物半導体トランジスタも同様である。
【特許文献１】特開２００４−２６０１４０号公報
【特許文献２】特開２００５−１５９２０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明者らは、ＨＥＭＴとして作用する新規な構成のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタを検討した。縦型トランジスタを、例えば下層からドレイン部、ドレイン部の電流狭窄部（と領域制限のための絶縁領域等）、チャネル層、電子供与層をこの順にエピタキシャル成長により積層して形成することも考えられる。しかしこの順によった場合、電流狭窄部上部のチャネル層及び電子供与層の界面を平坦に形成することが困難であり、二次元電子ガスを利用した素子特性の良いＨＥＭＴの形成は困難であった。
【０００４】
また、ドレイン電極を形成するためにはドレイン部を露出させるか、導電性の基板にＨＥＭＴを形成する必要があった。サファイア等の絶縁性基板にＨＥＭＴを形成してドレイン部を露出させる場合は、素子の占有面積に対して、実質的に素子として働く有効面積が小さいものとなる。また、現時点でIII族窒化物系化合物半導体を結晶性良くエピタキシャル成長可能な導電性の基板として、ＧａＮ自立基板やＳｉＣ基板等は非常に高価であり、しかも基板の大面積化が困難であるという問題がある。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、全く新規なIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタの構成と、その製造方法を着想して完成されたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、本発明者らが着想した新規な縦型トランジスタである。
その構成は、III族窒化物系化合物半導体を用いた縦型トランジスタであって、導電性の支持基板と、支持基板上に設けられ、III族窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る層を少なくとも１層有する導電層と、導電層の上に直接、又はIII族窒化物系化合物半導体層を介して形成されたIII族窒化物系化合物半導体から成るドリフト部と、ドリフト部上に設けられ、組成の異なる２種のIII族窒化物系化合物半導体からそれぞれ形成されたチャネル層及び電子供与層とを有し、ドリフト部は、絶縁領域、又はより低いキャリア濃度のIII族窒化物系化合物半導体領域若しくは伝導型の異なるIII族窒化物系化合物半導体領域により、横方向に領域制限された電流狭窄部を有し、ドリフト部の電流狭窄部上方の電子供与層表面に、絶縁体を介した、又はショットキー接続によるゲート電極を有し、チャネル層に電流を供給可能なソース電極を当該ゲート電極の横方向に有し、支持基板裏面にドレイン電極を有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタである。
【０００７】
ここで、III族窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る層とは、例えば単層の金属層又は合金層、金属多重層、その他の導電性の材料から成る層であって、III族窒化物系化合物半導体ではないものを言うものとする。チャネル層に電流を供給可能なソース電極とは、例えばチャネル層に直接接触して設けても良く、或いは電子供与層を介している状態であっても、チャネル層に電流を供給可能であれば良いものとする。これらは、以下でも同様である。
【０００８】
請求項２に係る発明は、ゲート電極により、チャネル層と電子供与層との界面近傍における、ドリフト部の電流狭窄部上方への横方向の二次元電子ガスの拡散を許容又は阻止することにより、ソース電極からドレイン電極へのキャリアの伝達を許容又は阻止する、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であることを特徴とする。また請求項３に係る発明は、ドリフト部の電流狭窄部は、伝導型の異なるIII族窒化物系化合物半導体領域により横方向に領域制限されており、ソース電極の電位が、当該伝導型の異なるIII族窒化物系化合物半導体領域にも印加されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３の、本発明者らが着想した新規な縦型トランジスタを製造するための方法である。
即ち、エピタキシャル成長基板に、少なくとも犠牲層と、少なくともアルミニウムを含むIII族窒化物系化合物半導体から成る第１の層と、III族窒化物系化合物半導体から成りチャネル層を構成する第２の層と、アクセプタ不純物が添加されたIII族窒化物系化合物半導体から成る第３の層とをエピタキシャル形成したのち、第３の層を一部エッチングして第２の層を一部露出させ、当該露出した第２の層上にIII族窒化物系化合物半導体から成りドリフト部を形成する第４の層をエピタキシャル成長したのち、ドリフト部に直接、又は更に他のIII族窒化物系化合物半導体層又は導電性の層を介して、表面に導電層の形成された導電性の支持基板の導電層側を接続し、エピタキシャル成長基板と、犠牲層とを少なくとも除去して第１の層を露出させ、当該露出した第１の層の、ドリフト部の電流狭窄部の上方にゲート電極をショットキー接続により、又は絶縁層を介して形成し、当該ゲート電極の横方向において、第２の層に電流供給可能なソース電極をオーミック接続により形成することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタの製造方法である。
また、請求項５に係る発明は、ソース電極が、アクセプタ不純物が添加されたIII族窒化物系化合物半導体領域にも接するように形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１乃至３に係る縦型トランジスタは新規な構成を有し当該新規な縦型トランジスタは、請求項４又は５に記載の製造方法によって容易に製造可能である。
当該製造方法によれば、エピタキシャル成長基板に、犠牲層となるIII族窒化物系化合物半導体層を介して、まず電子供与層次にチャネル層の順に形成されるので、電子供与層とチャネル層の平坦性は高く、特にそれらの界面は極めて平坦に形成することが可能となる。これにより、例えばその界面のチャネル層側に、二次元電子ガスが効率的に形成され得る。界面が平坦な電子供与層とチャネル層を形成した後の、電流狭窄部やドリフト部を構成する工程は全く任意に設計でき、且つドリフト部を層膜厚１０μｍ以上と大きくして、大電流に耐えうるパワートランジスタとすることも容易となる。
また、導電性の支持基板裏面をドレイン電極とできるので、素子の水平方向の面積全体をトランジスタとして有効利用することが可能となる。
【００１１】
異なる伝導型の層でドリフト部の電流狭窄部を挟み、ソース電位を当該異なる伝導型の層に印加することで、電流を縦方向に流すアパーチャ構造を形成することができる。例えばドリフト部（の電流狭窄部）がｎ型であれば、２つのｐ型領域で当該電流狭窄部を挟む。すると、ソース電位が当該２つのｐ型領域に印加されることで、空乏層が当該電流狭窄部を完全に閉じる事ができる。これにより、オフ時の高耐圧特性を付与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
エピタキシャル成長基板をエピタキシャル膜から除去する場合には、レーザリフトオフ法と呼ばれる技術を用いることができる。これは当該エピタキシャル成長基板で吸収されず、例えばＧａＮで吸収される波長のレーザを当該ＧａＮ層とエピタキシャル成長基板との界面に焦点を併せて照射し、ＧａＮ層のエピタキシャル成長基板界面側のごく薄い一部（厚さで０．１μｍ以下）を溶融させる。当該レーザを走査して当該溶融部がエピタキシャル成長基板の全面となるようにすれば、エピタキシャル成長基板はエピタキシャル膜から容易に除去できる。レーザリフトオフに先立って、エピタキシャル膜のエピタキシャル成長基板とは逆側に支持基板を貼り付けておく。当該支持基板は、最終的に素子の基板となりうるよう、導電性の支持基板とすることが好適である。導電性の支持基板としては例えばｎ型シリコン基板が安価で好適に用いられる。
【００１３】
電流狭窄部を形成するため、例えばｐ型層に孔又は空隙を設けてチャネル層を露出させる際は、フォトレジスト又は酸化ケイ素などの絶縁膜をマスクとしたドライエッチングを用いると良い。
【実施例１】
【００１４】
図１．Ａは本発明の具体的な第１の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の構成を示す断面図である。図１．ＡのIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の構成は次の通りである。
【００１５】
ｎ型Ｓｉ基板３１上に、アルミニウム（Ａｌ）層／チタン（Ｔｉ）層／白金（Ｐｔ）層／金（Ａｕ）層が順に積層された多重金属層３２が、その上に金スズ（ＡｕＳｎ）はんだ層３３が、その上に金（Ａｕ）層／ニッケル（Ｎｉ）層／アルミニウム（Ａｌ）層／チタン（Ｔｉ）層が順に積層された多重金属層１５が形成されている。尚、後に示す通り、多重金属層１５の内部構成はｎ+コンタクト層（ｎ+−ＧａＮ）１４に積層した順に記載するため、図１．Ａでは、多重金属層１５の表示はＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕとした。
【００１６】
多重金属層１５の上には、膜厚０．１μｍ、電子濃度１×１０18／ｃｍ3のシリコン（Ｓｉ）が添加されたＧａＮから成るｎ+コンタクト層（ｎ+−ＧａＮ）１４が、その上には膜厚２０μｍ、キャリア濃度２×１０16／ｃｍ3のシリコン（Ｓｉ）が添加されたＧａＮから成るドリフト部（ｎ−ＧａＮ）１３が形成されている。ドリフト部１３は、厚さ約０．５μｍの電流狭窄部１３ｂｎを有しており、当該電流狭窄部１３ｂｎの図１向って左右には、厚さ０．０１μｍのＡｌＮ層２１とその上に厚さ０．５μｍの正孔濃度２×１０18／ｃｍ3のマグネシウム（Ｍｇ）が添加されたＧａＮから成るｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２が形成されている。ドリフト部１３（電流狭窄部１３ｂｎ）の最上部と、ｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２の最上部は同一平面となっている。
【００１７】
ドリフト部１３（電流狭窄部１３ｂｎ）とｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２の上には、膜厚０．１μｍ、電子濃度１×１０16／ｃｍ3のシリコン（Ｓｉ）が添加されたＧａＮから成るチャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２が、チャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２の上には膜厚０．０３μｍの不純物無添加のＡｌＧａＮから成る電子供与層（ＡｌＧａＮ）１１及び厚さ０．０５μｍのＳｉＯ2から成る絶縁膜１０が形成されている。
【００１８】
また、図１．Ａに示す通り、ＳｉＯ2から成る絶縁膜１０の上に、電流狭窄部１３ｂｎの水平占有領域を含み且つそれよりも左右に広がってｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２上部に達するように、多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）から成るゲート電極４１Ｇが形成されている。ゲート電極４１Ｇから見て左右には、水平方向に間隔を置いて２つのソース電極４０Ｓが形成されている。ソース電極４０ＳはＳｉＯ2から成る絶縁膜１０及び電子供与層（ＡｌＧａＮ）１１を一部除去して露出したチャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２に接する様に形成されている。また、ｎ型Ｓｉ基板３１裏面には、ドレイン電極４２Ｄが形成されている。ソース電極４０Ｓの構成は、下側（チャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２に接する側）からチタン（Ｔｉ）層／アルミニウム層（Ａｌ）／ニッケル（Ｎｉ）層／金（Ａｕ）層の順に積層されたものであり、ドレイン電極４０Ｄの構成は、上側（ｎ型Ｓｉ基板３１に接する側）からアルミニウム層（Ａｌ）／チタン（Ｔｉ）層／白金（Ｐｔ）層／金（Ａｕ）層の順に積層されたものである。
【００１９】
図１のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の各構成要素を、請求項１に係る発明の記載と対応させると次の通りである。
ｎ型シリコン基板３１が導電性の支持基板に当たる。
多重金属層３２、はんだ層３３及び多重金属層１５の積層構造が、III族窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る層を少なくとも１層有する導電層に当たる。
ドリフト部１３を領域制限して電流狭窄部１３ｂｎを形成するｐ−ＧａＮ層２２が伝導型の異なるIII族窒化物系化合物半導体領域に当たる。
ドリフト部、チャネル層、電気供与層及び各電極の対応は明確である。
【００２０】
次に、図１．ＡのIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法を図１．Ｂ乃至図１．Ｈの工程図として示す。尚、請求項４の記載との対応は個々に述べる。
【００２１】
まず、図１．Ｂの構成のウエハ１００ｓ１が次のように形成される。Ｃ面を主面とするサファイア基板（エピタキシャル成長基板）１を用意し、公知の方法で、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層を形成し、その上に、不純物無添加の窒化ガリウムから成る犠牲層（ｉ−ＧａＮ）２を４μｍエピタキシャル成長させる。この後、犠牲層（ｉ−ＧａＮ）２の上に、膜厚０．０３μｍの不純物無添加のＡｌＧａＮから成る電子供与層（ＡｌＧａＮ、第１の層）１１、膜厚０．１μｍ、シリコンが添加された電子濃度１×１０16／ｃｍ3のＧａＮから成るチャネル層（ｎ−ＧａＮ、第２の層）１２、厚さ０．５μｍ、マグネシウムが添加されたＧａＮから成るｐ層（ｐ−ＧａＮ、アクセプタ不純物が添加された第３の層）２２、厚さ０．０１μｍのＡｌＮ層２１を順にエピタキシャル成長させる。この後、窒素雰囲気下の加熱によりｐ層（ｐ−ＧａＮ、第３の層）２２を活性化させて正孔濃度を２×１０18／ｃｍ3とする。尚、図１．Ｂにおいては、サファイア基板（Ｓａｐｐｈ）１と犠牲層（ｉ−ＧａＮ）２との間に形成されるＡｌＮから成るバッファ層の記載を省略した。
【００２２】
次に、ｎ型のＧａＮから成るドリフト部１３の電流狭窄部１３ｂｎを形成するため、ＡｌＮ層２１とｐ層（ｐ−ＧａＮ、第３の層）２２の中央部をエッチングして、空隙Ｈを形成する。この際、アルカリ水溶液によるウエットエッチングによりＡｌＮ層２１をエッチングし、その後ドライエッチングによりｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２をエッチングすると良い。こうして空隙Ｈの底にチャネル層（ｎ−ＧａＮ、第２の層）１２が露出する（図１．Ｃ）。
【００２３】
次に、シリコンが添加された窒化ガリウム（ＧａＮ）をエピタキシャル成長させると、空隙Ｈにおいては、その底のチャネル層（ｎ−ＧａＮ、第２の層）１２表面から、また、ＡｌＮ層２１の表面からもエピタキシャル成長が生じて、空隙Ｈが埋められ、ウエハ全体として平坦なエピタキシャル成長が生じる。こうして、チャネル層（ｎ−ＧａＮ、第２の層）１２表面から２０μｍの厚さでキャリア濃度２×１０16／ｃｍ3のＧａＮから成るドリフト部（ｎ−ＧａＮ、第４の層）１３を形成する。この際、空隙Ｈはキャリア濃度２×１０16／ｃｍ3のＧａＮから成る電流狭窄部１３ｂｎとして埋められる（図１．Ｄ）。
【００２４】
この後、膜厚０．１μｍ、電子濃度１×１０18／ｃｍ3のシリコンが添加されたＧａＮから成るｎ+コンタクト層（ｎ+−ＧａＮ）１４をエピタキシャル成長により形成し、多重金属層１５を蒸着により形成する。多重金属層１５は、ｎ+コンタクト層（ｎ+−ＧａＮ）１４に近い側から、チタン（Ｔｉ）層、アルミニウム（Ａｌ）層、ニッケル（Ｎｉ）層、金（Ａｕ）層の順に形成される。こうしてウエハ１００ｓ２が得られる（図１．Ｅ）。
【００２５】
次に、ウエハ１００ｓ２（サファイア基板（Ｓａｐｐｈ）１）と同じ形状のｎ型シリコン基板（ｎ−Ｓｉ、導電性の支持基板）３１を用意し、表面に順にアルミニウム（Ａｌ）層、チタン（Ｔｉ）層、白金（Ｐｔ）層、金（Ａｕ）層を成膜して多重金属層３２を形成する。この後、金スズはんだ（ＡｕＳｎ）３３を用いて、ｎ型シリコン基板（ｎ−Ｓｉ）３１の多重金属層３２を形成した側（導電層側）と、ウエハ１００ｓ２の多重金属層１５側とを接合させてウエハ１００ｓｓを得る（図１．Ｆ）。接合は３５０℃５分間の加熱で良い。
【００２６】
この後、良く知られたレーザリフトオフ法により、ウエハ１００ｓｓの、犠牲層（ｉ−ＧａＮ）２のサファイア基板（Ｓａｐｐｈ）１側の界面のごく一部（厚さ０．１μｍ以下）を溶融させて、サファイア基板（Ｓａｐｐｈ）１を除去する（図１．Ｇ）。この後、犠牲層（ｉ−ＧａＮ）２をドライエッチングにより除去すれば、不純物無添加のＡｌＧａＮから成る電子供与層（ＡｌＧａＮ、第１の層）１１が露出したウエハ１００ｓが得られる（図１．Ｈ）。
【００２７】
この後、不純物無添加のＡｌＧａＮから成る電子供与層（ＡｌＧａＮ、第１の層）１１の表面に、電流狭窄部１３ｂｎの水平占有面を覆うように、絶縁膜１０とゲート電極４１Ｇを形成する。また、ゲート電極４１Ｇと距離を置いてソース電極４０Ｓを形成するため、絶縁膜１０と不純物無添加のＡｌＧａＮから成る電子供与層（ＡｌＧａＮ、第１の層）１１の一部をエッチングにより除去してＧａＮから成るチャネル層（ｎ−ＧａＮ、第２の層）１２を露出させる。ソース電極４０Ｓの構成は、上述した通りである。また、ｎ型シリコン基板（ｎ−Ｓｉ、導電性の支持基板）３１の裏面にはドレイン電極４２Ｄを形成する。ドレイン電極４２Ｄの構成も、上述した通りである。
【００２８】
図１．ＡのIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００においては、チャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２の電子供与層（ＡｌＧａＮ）１１との界面近傍に二次元電子ガス（２−ＤＥＧ）が形成される。これを図１．Ａで太い破線で示した。即ち、ソース４０Ｓ／ドレイン４２Ｄ間に電圧を印加し、ゲート電極４１Ｇに閾値電圧以上の電圧を印加すると、ソース４０Ｓから電流狭窄部１３ｂｎ上方まで二次元電子ガス（２−ＤＥＧ）が形成され、電流狭窄部１３ｂｎを通って、即ちドリフト部１３を通ってドレイン電極４２Ｄまで電子が伝導する。一方、ゲート電極４１Ｇに閾値電圧以下の電圧を印加すると、二次元電子ガス（２−ＤＥＧ）はソース４０Ｓから電流狭窄部１３ｂｎ上方まで達せず、電流狭窄部１３ｂｎ（ドリフト部１３）を通ってドレイン電極４２Ｄまで電子が伝導することができない。
【実施例２】
【００２９】
図２は本発明の具体的な第２の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）２００の構成を示す断面図である。
図２のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）２００の構成は、ｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２を１０μｍと厚く形成して（電流狭窄部１３ｂｎも厚さ１０μｍとなる）、ＡｌＮ層２１を形成せず、ｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２がｎ+コンタクト層（ｎ+−ＧａＮ）１４に接する点、ソース電極４０Ｓ２の電位をｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２にも印加したこと、各電極と多重金属層１５２、金属層３２２、はんだ３３２の構成金属が異なる他は、基本的には図１．ＡのIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の構成と同様であって、製造方法もほぼ同様である。
【００３０】
図２のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）２００のｎドレインの電流狭窄部１３ｂｎを２つのｐ層２２で挟んだ構成は、最小単位のスーパージャンクション構造である。即ち、２つのｐ層２２にはソース電位が印加されており、電流狭窄部１３ｂｎと２つのｐ層２２との界面は空乏層が広がり、電流狭窄部１３ｂｎを閉じるまで当該空乏層を形成することが可能である。これにより、高耐圧の縦型トランジスタとすることができる。
【００３１】
当該スーパージャンクション構造を形成するためには、深いトレンチエッチングが必要である。この際、ドライエッチングに、ＴＭＡＨを用いたウエットエッチングを組み合わせるとトレンチ側壁を垂直にすることが容易である。
【００３２】
〔変形例について〕
上記実施例においては、不純物無添加のＡｌＧａＮから成る電子供与層とｎ−ＧａＮから成るチャネル層の構成を示したが、本願発明はこれに限定されない。III族窒化物系化合物半導体により二次元電子ガスを生成する場合は、組成の異なる２つのIII族窒化物系化合物半導体層間の歪が重要であり、各々の伝導型は必ずしも重要ではない。即ち、電子供与層とチャネル層を異なる他の組成で構成し、界面に二次元電子ガスを生成するようにしても良い。この場合、いずれの層にドナー不純物を添加しても良く、或いはいずれの層にもドナー不純物を添加しなくても良い。
【００３３】
また、実施例１では、図１．Ａのように、ｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２の下面にＡｌＮ層２１を設ける構成のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００を示したが、ＡｌＮ層をｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２の上下にそれぞれ設ける構成としても良い。この構成によれば、深さ方向に精度の高い、即ち壁面が垂直の空孔Ｈを形成することが可能である。これを図３．Ａ乃至図３．Ｃを用いて説明する。
【００３４】
図３．Ａは、図１．Ｂと同様に、Ｃ面を主面とするサファイア基板（エピタキシャル成長基板）１に、不純物無添加の窒化ガリウムから成る犠牲層（ｉ−ＧａＮ）２、不純物無添加のＡｌＧａＮから成る電子供与層（ＡｌＧａＮ）１１、シリコンが添加された電子濃度１×１０16／ｃｍ3のＧａＮから成るチャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２を形成した後、厚さ０．０１μｍのＡｌＮ層２３、厚さ０．５μｍ、マグネシウムが添加されたＧａＮから成るｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２、厚さ０．０１μｍのＡｌＮ層２１を順にエピタキシャル成長させたものである。この後、実施例１と同様にｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２を活性化させる。
次にｎ型のＧａＮから成るドリフト部１３の電流狭窄部１３ｂｎを形成するため、アルカリ水溶液によるウエットエッチングによりＡｌＮ層２１をエッチングし、その後ドライエッチングによりｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２をエッチングする。この時、ｐ層（ｐ−ＧａＮ）２２の下に位置するＡｌＮ層２３がドライエッチングに対するストッパ層として働く（図３．Ｂ）。
この後、アルカリ水溶液によるウエットエッチングによりＡｌＮ層２３をエッチングすれば、ＡｌＮ層２３のみをエッチングすることができ、チャネル層（ｎ−ＧａＮ）１２をエッチングすることはない（図３．Ｃ）。
このように、ＡｌＮ層２３を設けることにより、深さ方向に精度の高い空孔Ｈの形成が可能となる。
【００３５】
上記実施例においては、高抵抗のＡｌＧａＮから成る電子供与層に酸化ケイ素から成る絶縁層を介してゲート電極４０Ｇを設ける構成を示したが、例えば直接ゲート電極を形成してショットキーゲートとしても良い。
【００３６】
上記実施例においては二次元電子ガスを利用したＨＥＭＴを示したが、ＨＥＭＴでないＦＥＴを構成しても本願発明に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１．Ａ】本願の具体的な第１の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の構成を示す断面図。
【図１．Ｂ】III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法の１工程における断面図。
【図１．Ｃ】III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法の１工程における断面図。
【図１．Ｄ】III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法の１工程における断面図。
【図１．Ｅ】III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法の１工程における断面図。
【図１．Ｆ】III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法の１工程における断面図。
【図１．Ｇ】III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法の１工程における断面図。
【図１．Ｈ】III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００の製造方法の１工程における断面図。
【図２】本願の具体的な第２の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）２００の構成を示す断面図。
【図３．Ａ】変形例の製造方法の１工程における断面図。
【図３．Ｂ】変形例の製造方法の１工程における断面図。
【図３．Ｃ】変形例の製造方法の１工程における断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１００、２００：III族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ（ＨＥＭＴ）
１：サファイア基板（エピタキシャル成長基板）
２：ＧａＮからなる犠牲層（ｉ−ＧａＮ）
１１：ＡｌＧａＮから成る電子供与層（第１の層）
１２：ｎ−ＧａＮから成るチャネル層（第２の層）
１３：ｎ−ＧａＮから成るドリフト部（第４の層）
１３ｎｂ：ドリフト部１３の電流狭窄部
１４：ｎ−ＧａＮから成るコンタクト層
１５、１５２、３２：多重金属層
２１：ＡｌＮ層
２２：ｐ−ＧａＮ層（第３の層）
３１：ｎ型シリコン基板（導電性の支持基板）
３２２：金属層
３３、３３２：はんだ層
４０Ｓ、４０Ｓ２：ソース電極
４１Ｇ：ゲート電極
４２Ｄ、４２Ｄ２：ドレイン電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物系化合物半導体を用いた縦型トランジスタであって、
導電性の支持基板と、
前記支持基板上に設けられ、III族窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る層を少なくとも１層有する導電層と、
前記導電層の上に直接、又はIII族窒化物系化合物半導体層を介して形成されたIII族窒化物系化合物半導体から成るドリフト部と、
前記ドリフト部上に設けられ、組成の異なる２種のIII族窒化物系化合物半導体からそれぞれ形成されたチャネル層及び電子供与層とを有し、
前記ドリフト部は、絶縁領域、又はより低いキャリア濃度のIII族窒化物系化合物半導体領域若しくは伝導型の異なるIII族窒化物系化合物半導体領域により、横方向に領域制限された電流狭窄部を有し、
前記ドリフト部の前記電流狭窄部上方の前記電子供与層表面に、絶縁体を介した、又はショットキー接続によるゲート電極を有し、
前記チャネル層に電流を供給可能なソース電極を当該ゲート電極の横方向に有し、
前記支持基板裏面にドレイン電極を有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ。
【請求項２】
前記ゲート電極により、前記チャネル層と前記電子供与層との界面近傍における、前記ドリフト部の電流狭窄部上方への横方向の二次元電子ガスの拡散を許容又は阻止することにより、前記ソース電極から前記ドレイン電極へのキャリアの伝達を許容又は阻止する、高電子移動度トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ。
【請求項３】
前記ドリフト部の電流狭窄部は、伝導型の異なるIII族窒化物系化合物半導体領域により横方向に領域制限されており、
前記ソース電極の電位が、当該伝導型の異なるIII族窒化物系化合物半導体領域にも印加されていることを特徴とする請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ。
【請求項４】
エピタキシャル成長基板に、
少なくとも犠牲層と、
少なくともアルミニウムを含むIII族窒化物系化合物半導体から成る第１の層と、
III族窒化物系化合物半導体から成りチャネル層を構成する第２の層と、
アクセプタ不純物が添加されたIII族窒化物系化合物半導体から成る第３の層とをエピタキシャル形成したのち、
前記第３の層を一部エッチングして前記第２の層を一部露出させ、
当該露出した前記第２の層上にIII族窒化物系化合物半導体から成りドリフト部を形成する第４の層をエピタキシャル成長したのち、
前記ドリフト部に直接、又は更に他のIII族窒化物系化合物半導体層又は導電性の層を介して、表面に導電層の形成された導電性の支持基板の前記導電層側を接続し、
前記エピタキシャル成長基板と、前記犠牲層とを少なくとも除去して前記第１の層を露出させ、
当該露出した前記第１の層の、ドリフト部の前記電流狭窄部の上方にゲート電極をショットキー接続により、又は絶縁層を介して形成し、
当該ゲート電極の横方向において、前記第２の層に電流供給可能なソース電極をオーミック接続により形成することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタの製造方法。
【請求項５】
前記ソース電極が、前記アクセプタ不純物が添加されたIII族窒化物系化合物半導体領域にも接するように形成されることを特徴とする請求項４に記載のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタの製造方法。
【請求項１】
III族窒化物系化合物半導体を用いた縦型トランジスタであって、
導電性の支持基板と、
前記支持基板上に設けられ、III族窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る層を少なくとも１層有する導電層と、
前記導電層の上に直接、又はIII族窒化物系化合物半導体層を介して形成されたIII族窒化物系化合物半導体から成るドリフト部と、
前記ドリフト部上に設けられ、組成の異なる２種のIII族窒化物系化合物半導体からそれぞれ形成されたチャネル層及び電子供与層とを有し、
前記ドリフト部は、絶縁領域、又はより低いキャリア濃度のIII族窒化物系化合物半導体領域若しくは伝導型の異なるIII族窒化物系化合物半導体領域により、横方向に領域制限された電流狭窄部を有し、
前記ドリフト部の前記電流狭窄部上方の前記電子供与層表面に、絶縁体を介した、又はショットキー接続によるゲート電極を有し、
前記チャネル層に電流を供給可能なソース電極を当該ゲート電極の横方向に有し、
前記支持基板裏面にドレイン電極を有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ。
【請求項２】
前記ゲート電極により、前記チャネル層と前記電子供与層との界面近傍における、前記ドリフト部の電流狭窄部上方への横方向の二次元電子ガスの拡散を許容又は阻止することにより、前記ソース電極から前記ドレイン電極へのキャリアの伝達を許容又は阻止する、高電子移動度トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ。
【請求項３】
前記ドリフト部の電流狭窄部は、伝導型の異なるIII族窒化物系化合物半導体領域により横方向に領域制限されており、
前記ソース電極の電位が、当該伝導型の異なるIII族窒化物系化合物半導体領域にも印加されていることを特徴とする請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタ。
【請求項４】
エピタキシャル成長基板に、
少なくとも犠牲層と、
少なくともアルミニウムを含むIII族窒化物系化合物半導体から成る第１の層と、
III族窒化物系化合物半導体から成りチャネル層を構成する第２の層と、
アクセプタ不純物が添加されたIII族窒化物系化合物半導体から成る第３の層とをエピタキシャル形成したのち、
前記第３の層を一部エッチングして前記第２の層を一部露出させ、
当該露出した前記第２の層上にIII族窒化物系化合物半導体から成りドリフト部を形成する第４の層をエピタキシャル成長したのち、
前記ドリフト部に直接、又は更に他のIII族窒化物系化合物半導体層又は導電性の層を介して、表面に導電層の形成された導電性の支持基板の前記導電層側を接続し、
前記エピタキシャル成長基板と、前記犠牲層とを少なくとも除去して前記第１の層を露出させ、
当該露出した前記第１の層の、ドリフト部の前記電流狭窄部の上方にゲート電極をショットキー接続により、又は絶縁層を介して形成し、
当該ゲート電極の横方向において、前記第２の層に電流供給可能なソース電極をオーミック接続により形成することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタの製造方法。
【請求項５】
前記ソース電極が、前記アクセプタ不純物が添加されたIII族窒化物系化合物半導体領域にも接するように形成されることを特徴とする請求項４に記載のIII族窒化物系化合物半導体縦型トランジスタの製造方法。
【図１．Ａ】
【図１．Ｂ】
【図１．Ｃ】
【図１．Ｄ】
【図１．Ｅ】
【図１．Ｆ】
【図１．Ｇ】
【図１．Ｈ】
【図２】
【図３．Ａ】
【図３．Ｂ】
【図３．Ｃ】
【図１．Ｂ】
【図１．Ｃ】
【図１．Ｄ】
【図１．Ｅ】
【図１．Ｆ】
【図１．Ｇ】
【図１．Ｈ】
【図２】
【図３．Ａ】
【図３．Ｂ】
【図３．Ｃ】
【公開番号】特開２００８−２７０３１０（Ｐ２００８−２７０３１０Ａ）
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１０７７７４（Ｐ２００７−１０７７７４）
【出願日】平成１９年４月１７日（２００７．４．１７）
【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２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月１７日（２００７．４．１７）
【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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