JP2003234356A - 高電子移動度トランジスタ - Google Patents
高電子移動度トランジスタInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高い２次元電子ガス濃度および高い電子移動
度を得る。 【解決手段】 Ｇａ原子で終端したＧａＮ層２上にこれ
と同程度の面内格子定数をもつ歪んだＡｌｘＧａ１−ｘ
Ｎ層５を形成し、このＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５上にゲー
トメタル６を設けた高電子移動度トランジスタにおい
て、ＡｌｘＧａ１− ｘＮ層５のＡｌ組成比ｘが、ＧａＮ
層２との界面においてｘＩ、上記ゲートメタルとの界面
においてｘＦ（＞ｘＩ）であり、これらの界面の間では
ｘＩからｘＦまで徐々に大きくなる。例えば、ｘＩ＝
０．１，ｘＦ＝０．４である。
度を得る。 【解決手段】 Ｇａ原子で終端したＧａＮ層２上にこれ
と同程度の面内格子定数をもつ歪んだＡｌｘＧａ１−ｘ
Ｎ層５を形成し、このＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５上にゲー
トメタル６を設けた高電子移動度トランジスタにおい
て、ＡｌｘＧａ１− ｘＮ層５のＡｌ組成比ｘが、ＧａＮ
層２との界面においてｘＩ、上記ゲートメタルとの界面
においてｘＦ（＞ｘＩ）であり、これらの界面の間では
ｘＩからｘＦまで徐々に大きくなる。例えば、ｘＩ＝
０．１，ｘＦ＝０．４である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＧａＮ層とＡｌＧ
ａＮ層の半導体界面を備えた高電子移動度トランジスタ
（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）に
関するものである。
ａＮ層の半導体界面を備えた高電子移動度トランジスタ
（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のＨＥＭＴは、例えば、サファイア
あるいはＳｉＣ等からなる基板上にキャリア密度が多く
とも１０１６［／ｃｍ３］以下で厚さが数［μｍ］のＧ
ａ原子で終端した絶縁性ＧａＮ層を形成し、このＧａ原
子で終端したＧａＮ層上に厚さが数１０［ｎｍ］のＡｌ
ｘＧａ１−ｘＮ層を成長させ、上記ＧａＮ層上にソース
電極およびドレイン電極を設けるとともに、上記Ａｌｘ
Ｇａ１−ｘＮ層上にゲートメタルを設けた構造である。
上記従来のＨＥＭＴを構成するＡｌｘＧａ１−ｘＮ層
は、そのＡｌ組成比ｘが一様な半導体層であり、上記Ｇ
ａ原子で終端したＧａＮ層と同程度の面内格子定数をも
つ歪んだ半導体層である。このような構造のＨＥＭＴ
は、例えばElectronics Letters,Vol.33,No.14,p.1230-
1231,3rd July1997,「Piezoelectric charge densities
in AlGaN/GaN HFETs」（以下、文献１とする）に開示
されている。
あるいはＳｉＣ等からなる基板上にキャリア密度が多く
とも１０１６［／ｃｍ３］以下で厚さが数［μｍ］のＧ
ａ原子で終端した絶縁性ＧａＮ層を形成し、このＧａ原
子で終端したＧａＮ層上に厚さが数１０［ｎｍ］のＡｌ
ｘＧａ１−ｘＮ層を成長させ、上記ＧａＮ層上にソース
電極およびドレイン電極を設けるとともに、上記Ａｌｘ
Ｇａ１−ｘＮ層上にゲートメタルを設けた構造である。
上記従来のＨＥＭＴを構成するＡｌｘＧａ１−ｘＮ層
は、そのＡｌ組成比ｘが一様な半導体層であり、上記Ｇ
ａ原子で終端したＧａＮ層と同程度の面内格子定数をも
つ歪んだ半導体層である。このような構造のＨＥＭＴ
は、例えばElectronics Letters,Vol.33,No.14,p.1230-
1231,3rd July1997,「Piezoelectric charge densities
in AlGaN/GaN HFETs」（以下、文献１とする）に開示
されている。
【０００３】このようなＨＥＭＴにおいてのキャリア
は、上記歪んだＡｌＧａＮ層のピエゾ効果によってＧａ
Ｎ層とＡｌＧａＮ層の界面のＧａＮ側に生成された２次
元電子ガスである。この２次元電子ガスのキャリア濃度
ＮＳは、上記文献１のＦｉｇ．２に示されているよう
に、Ａｌ組成比ｘに対し、ＮＳ≒（Ａｌ組成比ｘ）×５
×１０１３［／ｃｍ２］のような依存性を示す。このた
め、Ａｌ組成比ｘを増やすことによって、２次元電子ガ
ス濃度ＮＳを増加させることが可能であった。
は、上記歪んだＡｌＧａＮ層のピエゾ効果によってＧａ
Ｎ層とＡｌＧａＮ層の界面のＧａＮ側に生成された２次
元電子ガスである。この２次元電子ガスのキャリア濃度
ＮＳは、上記文献１のＦｉｇ．２に示されているよう
に、Ａｌ組成比ｘに対し、ＮＳ≒（Ａｌ組成比ｘ）×５
×１０１３［／ｃｍ２］のような依存性を示す。このた
め、Ａｌ組成比ｘを増やすことによって、２次元電子ガ
ス濃度ＮＳを増加させることが可能であった。
【０００４】なお、Ｇａ原子で終端したＧａＮ層上の歪
んだＡｌＧａＮ層が、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ界面のＧａＮ
側に２次元電子ガスを誘起することは、例えば上記文献
１やJournal of Applied physics,Vol87,No7,1 April 2
000,p.3375-3380,「Two-dimensional electron gases i
n Ga-face and N-face AlGaN/GaN heterostructuresgro
wn by plasma-induced molecular beam epitaxy and me
talorganic chemicalvapor deposition on sapphire」
（以下、文献２とする）に示されている。
んだＡｌＧａＮ層が、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ界面のＧａＮ
側に２次元電子ガスを誘起することは、例えば上記文献
１やJournal of Applied physics,Vol87,No7,1 April 2
000,p.3375-3380,「Two-dimensional electron gases i
n Ga-face and N-face AlGaN/GaN heterostructuresgro
wn by plasma-induced molecular beam epitaxy and me
talorganic chemicalvapor deposition on sapphire」
（以下、文献２とする）に示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の高電子移動度トランジスタでは、Ａｌ組成比ｘを増
やして２次元電子ガス濃度を増加させようとすると、Ａ
ｌＧａＮ層とＧａＮ層の格子不整合が大きくなり、良質
なＡｌＧａＮ層の形成が困難になるとともに、界面散乱
が大きくなり、電子移動度が低下するという問題があっ
た。
来の高電子移動度トランジスタでは、Ａｌ組成比ｘを増
やして２次元電子ガス濃度を増加させようとすると、Ａ
ｌＧａＮ層とＧａＮ層の格子不整合が大きくなり、良質
なＡｌＧａＮ層の形成が困難になるとともに、界面散乱
が大きくなり、電子移動度が低下するという問題があっ
た。
【０００６】本発明は、このような従来の問題を解決す
るためになされたものであり、高い２次元電子ガス濃度
および高い電子移動度を実現できる高電子移動度トラン
ジスタを提供することを目的とするものである。
るためになされたものであり、高い２次元電子ガス濃度
および高い電子移動度を実現できる高電子移動度トラン
ジスタを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の高移動度トラン
ジスタは、Ｇａ原子で終端したＧａＮ層上にこれと同程
度の面内格子定数をもつ歪んだＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を
形成し、このＡｌｘＧａ１−ｘＮ層上にゲートメタルを
設けた高電子移動度トランジスタにおいて、上記Ａｌｘ
Ｇａ１−ｘＮ層のＡｌ組成比ｘが、上記ＧａＮ層との界
面においてｘＩ、上記ゲートメタルとの界面においてｘ
Ｆ（＞ｘＩ）であり、これらの界面の間ではｘＩからｘ
Ｆまで徐々に大きくなることを特徴とするものである。
ジスタは、Ｇａ原子で終端したＧａＮ層上にこれと同程
度の面内格子定数をもつ歪んだＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を
形成し、このＡｌｘＧａ１−ｘＮ層上にゲートメタルを
設けた高電子移動度トランジスタにおいて、上記Ａｌｘ
Ｇａ１−ｘＮ層のＡｌ組成比ｘが、上記ＧａＮ層との界
面においてｘＩ、上記ゲートメタルとの界面においてｘ
Ｆ（＞ｘＩ）であり、これらの界面の間ではｘＩからｘ
Ｆまで徐々に大きくなることを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態のＨＥ
ＭＴの断面構造図である。図１において、１はサファイ
アあるいはＳｉＣ等からなる基板、２は基板１上に形成
されてＧａ原子で終端された絶縁性ＧａＮ層、３はＧａ
Ｎ層２上に形成されたソース電極、４はＧａＮ層２上に
形成されたドレイン電極、５はＧａＮ層２上に形成され
たＡｌ ｘＧａ１−ｘＮ層、６はＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５
上に形成されたゲートメタルである。
ＭＴの断面構造図である。図１において、１はサファイ
アあるいはＳｉＣ等からなる基板、２は基板１上に形成
されてＧａ原子で終端された絶縁性ＧａＮ層、３はＧａ
Ｎ層２上に形成されたソース電極、４はＧａＮ層２上に
形成されたドレイン電極、５はＧａＮ層２上に形成され
たＡｌ ｘＧａ１−ｘＮ層、６はＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５
上に形成されたゲートメタルである。
【０００９】本実施の形態のＨＥＭＴは、ＡｌｘＧａ
１−ｘＮ層５の構造に特徴がある。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ
層５のＡｌ組成比ｘは、従来のＨＥＭＴとは異なり、一
様ではない。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５のＧａＮ層２との
界面においてのＡｌ組成比ｘをｘＩ、同じく上記ゲート
メタル６との界面においてのＡｌ組成比ｘをｘＦとする
と、ｘＩ＜ｘＦであり、これらの界面の間では、Ａｌ組
成比ｘはｘＩからｘＦまで徐々に大きくなる。
１−ｘＮ層５の構造に特徴がある。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ
層５のＡｌ組成比ｘは、従来のＨＥＭＴとは異なり、一
様ではない。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５のＧａＮ層２との
界面においてのＡｌ組成比ｘをｘＩ、同じく上記ゲート
メタル６との界面においてのＡｌ組成比ｘをｘＦとする
と、ｘＩ＜ｘＦであり、これらの界面の間では、Ａｌ組
成比ｘはｘＩからｘＦまで徐々に大きくなる。
【００１０】ＧａＮ層２は、Ｇａ原子で終端されてい
る。つまり、ＧａＮ層２のＡｌＧａＮ層５との界面に配
置された最上層は、Ｇａ原子の層である。これにより、
ＡｌＧａＮ層５のＧａＮ層２との界面に配置された最下
層は、Ｎ原子の層である。また、ＡｌＧａＮ層５は、Ａ
ｌｘＧａ１−ｘ分子で終端されている。つまり、ＡｌＧ
ａＮ層５のゲートメタル６との界面に配置された最上層
は、ＡｌｘＧａ１−ｘ分子の層である。
る。つまり、ＧａＮ層２のＡｌＧａＮ層５との界面に配
置された最上層は、Ｇａ原子の層である。これにより、
ＡｌＧａＮ層５のＧａＮ層２との界面に配置された最下
層は、Ｎ原子の層である。また、ＡｌＧａＮ層５は、Ａ
ｌｘＧａ１−ｘ分子で終端されている。つまり、ＡｌＧ
ａＮ層５のゲートメタル６との界面に配置された最上層
は、ＡｌｘＧａ１−ｘ分子の層である。
【００１１】本実施の形態のＨＥＭＴの製法について以
下に説明する。まず、基板１上に、Ｇａ原子で終端され
る絶縁性ＧａＮ膜を数［μｍ］成膜する。このＧａＮ膜
は、ＧａＮ層２となる。なお、ＧａＮ層２の構造は、従
来のＨＥＭＴのＧａＮ層と同様である。
下に説明する。まず、基板１上に、Ｇａ原子で終端され
る絶縁性ＧａＮ膜を数［μｍ］成膜する。このＧａＮ膜
は、ＧａＮ層２となる。なお、ＧａＮ層２の構造は、従
来のＨＥＭＴのＧａＮ層と同様である。
【００１２】次に、ＧａＮ層２上に、Ａｌ組成比ｘを膜
厚とともに徐々に増加させながら、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ
膜を数１０［ｎｍ］成膜する。このＡｌｘＧａ１−ｘＮ
膜は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５となる。ＡｌｘＧａ
１−ｘＮ層５は、ＧａＮ層２と同程度の面内格子定数を
もつ歪んだ半導体層である。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５の
Ａｌ組成比ｘは、ＧａＮ層２との界面では例えばｘ＝ｘ
Ｉ＝０．１であり、ゲートメタル６に近づくとともに
（膜厚とともに）に徐々に増加し、ゲートメタル６との
界面では例えばｘ＝ｘＦ＝０．４である。なお、上記の
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ膜は、真空中において上記ＧａＮ膜
と連続して成膜することが望ましい。
厚とともに徐々に増加させながら、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ
膜を数１０［ｎｍ］成膜する。このＡｌｘＧａ１−ｘＮ
膜は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５となる。ＡｌｘＧａ
１−ｘＮ層５は、ＧａＮ層２と同程度の面内格子定数を
もつ歪んだ半導体層である。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５の
Ａｌ組成比ｘは、ＧａＮ層２との界面では例えばｘ＝ｘ
Ｉ＝０．１であり、ゲートメタル６に近づくとともに
（膜厚とともに）に徐々に増加し、ゲートメタル６との
界面では例えばｘ＝ｘＦ＝０．４である。なお、上記の
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ膜は、真空中において上記ＧａＮ膜
と連続して成膜することが望ましい。
【００１３】また、ＧａＮ層２上に、ソース電極３およ
びドレイン電極４を形成するとともに、ＡｌＧａＮ層５
上に、ゲートメタル６を形成する。なお、ソースおよび
ドレインの構造は、本実施の形態の特徴となるものでは
なく、例えばソース電極３およびドレイン電極４をＡｌ
ＧａＮ層５上に設けた構造なども可能である。
びドレイン電極４を形成するとともに、ＡｌＧａＮ層５
上に、ゲートメタル６を形成する。なお、ソースおよび
ドレインの構造は、本実施の形態の特徴となるものでは
なく、例えばソース電極３およびドレイン電極４をＡｌ
ＧａＮ層５上に設けた構造なども可能である。
【００１４】図２は本発明の実施の形態のＨＥＭＴの動
作を説明する図であり、（ａ）は厚さ方向の電荷分布
図、（ｂ）は導伝帯の厚さ方向のエネルギーバンド図で
ある。
作を説明する図であり、（ａ）は厚さ方向の電荷分布
図、（ｂ）は導伝帯の厚さ方向のエネルギーバンド図で
ある。
【００１５】図２（ａ）において、横軸は厚さ方向の座
標ｚ、縦軸は電荷（電荷密度）であり、ｘＩはＡｌＧａ
Ｎ／ＧａＮ界面でのＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５のＡｌ組成
比ｘ、ｘＦはゲート／ＡｌＧａＮ界面でのＡｌｘＧａ
１−ｘＮ層５のＡｌ組成比ｘ、Ｑ（ｚ）はピエゾ効果に
よるＡｌＧａＮ層５の内部電荷、−Ｐ（ｘＩ）はピエゾ
効果によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面でのＡｌＧａＮ層５
側の表面電荷、Ｐ（ｘＦ）はピエゾ効果によるゲート／
ＡｌＧａＮ界面でのＡｌＧａＮ層５側の表面電荷、ＰＭ
はゲート／ＡｌＧａＮ界面でのゲートメタル６側の表面
電荷、ｅは電子の電荷、ＮＳはピエゾ効果によってＡｌ
ＧａＮ／ＧａＮ界面のＧａＮ層２側に生成される２次元
電子ガスのキャリア濃度（２次元電子ガス濃度）であ
る。
標ｚ、縦軸は電荷（電荷密度）であり、ｘＩはＡｌＧａ
Ｎ／ＧａＮ界面でのＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５のＡｌ組成
比ｘ、ｘＦはゲート／ＡｌＧａＮ界面でのＡｌｘＧａ
１−ｘＮ層５のＡｌ組成比ｘ、Ｑ（ｚ）はピエゾ効果に
よるＡｌＧａＮ層５の内部電荷、−Ｐ（ｘＩ）はピエゾ
効果によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面でのＡｌＧａＮ層５
側の表面電荷、Ｐ（ｘＦ）はピエゾ効果によるゲート／
ＡｌＧａＮ界面でのＡｌＧａＮ層５側の表面電荷、ＰＭ
はゲート／ＡｌＧａＮ界面でのゲートメタル６側の表面
電荷、ｅは電子の電荷、ＮＳはピエゾ効果によってＡｌ
ＧａＮ／ＧａＮ界面のＧａＮ層２側に生成される２次元
電子ガスのキャリア濃度（２次元電子ガス濃度）であ
る。
【００１６】また、図２（ｂ）において、横軸は厚さ方
向の座標ｚ、縦軸はポテンシャルであり、ＥＦはフェル
ミレベル、ΔＥＣはＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面でのＡｌＧ
ａＮ層５とＧａＮ層２の伝導帯のバンドエネルギーの
差、ΔＥＦはＧａＮ層２の伝導帯の底から測ったフェル
ミエネルギー、｜ｅ｜は電子の電荷の絶対値、ΦＢはゲ
ート／ＡｌＧａＮ界面に形成されるショットキバリアの
高さである。
向の座標ｚ、縦軸はポテンシャルであり、ＥＦはフェル
ミレベル、ΔＥＣはＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面でのＡｌＧ
ａＮ層５とＧａＮ層２の伝導帯のバンドエネルギーの
差、ΔＥＦはＧａＮ層２の伝導帯の底から測ったフェル
ミエネルギー、｜ｅ｜は電子の電荷の絶対値、ΦＢはゲ
ート／ＡｌＧａＮ界面に形成されるショットキバリアの
高さである。
【００１７】まず、本実施の形態においての２次元電子
ガス濃度ＮＳについて、図２を用いて以下に説明する。
本実施の形態のように、ゲート／ＡｌＧａＮ界面でのＡ
ｌｘＧａ１−ｘＮ層５のＡｌ組成比ｘＦを、ＡｌＧａＮ
／ＧａＮ界面でのＡｌｘＧａ １−ｘＮ層５のＡｌ組成比
ｘＩよりも大きくした場合には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／
ＧａＮ界面のＧａＮ層２側に生成される２次元電子ガス
濃度ＮＳは、ｘの分布に依存し、ｘ＝ｘＩの一様なＡｌ
ＧａＮ層の場合の２次元電子ガス濃度と、ｘ＝ｘＦの一
様なＡｌＧａＮ層の場合の２次元電子ガス濃度との中間
値をとる。このことについて、以下に説明する。
ガス濃度ＮＳについて、図２を用いて以下に説明する。
本実施の形態のように、ゲート／ＡｌＧａＮ界面でのＡ
ｌｘＧａ１−ｘＮ層５のＡｌ組成比ｘＦを、ＡｌＧａＮ
／ＧａＮ界面でのＡｌｘＧａ １−ｘＮ層５のＡｌ組成比
ｘＩよりも大きくした場合には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／
ＧａＮ界面のＧａＮ層２側に生成される２次元電子ガス
濃度ＮＳは、ｘの分布に依存し、ｘ＝ｘＩの一様なＡｌ
ＧａＮ層の場合の２次元電子ガス濃度と、ｘ＝ｘＦの一
様なＡｌＧａＮ層の場合の２次元電子ガス濃度との中間
値をとる。このことについて、以下に説明する。
【００１８】歪んだＡｌｘＧａ１−ｘＮ層では、ピエゾ
効果によってＡｌ組成比ｘに依存する分極Ｐ（ｘ）を生
じる。この分極Ｐ（ｘ）を、上記文献２に従って次式の
ように仮定する。 Ｐ（ｘ）≒５×１０１３ｅｘ…（１） ここで、ｅは電子の電荷であり、Ｐ（ｘ）の単位は［Ｃ
／ｃｍ２］である。
効果によってＡｌ組成比ｘに依存する分極Ｐ（ｘ）を生
じる。この分極Ｐ（ｘ）を、上記文献２に従って次式の
ように仮定する。 Ｐ（ｘ）≒５×１０１３ｅｘ…（１） ここで、ｅは電子の電荷であり、Ｐ（ｘ）の単位は［Ｃ
／ｃｍ２］である。
【００１９】本実施の形態のように、ＡｌＧａＮ層のＡ
ｌ組成比ｘがＡｌＧａＮ層の厚さ方向（厚さｔ）の座標
ｚの関数ｘ（ｚ）（ｘ（０）＝ｘＩ，ｘ（ｔ）＝ｘＦと
する）である場合には、上記の分極Ｐ（ｘ）も上記の座
標ｚの関数Ｐ（ｘ（ｚ））となり、ＡｌＧａＮ層５で
は、次式で表される内部電荷Ｑ（ｚ）を生じる。
ｌ組成比ｘがＡｌＧａＮ層の厚さ方向（厚さｔ）の座標
ｚの関数ｘ（ｚ）（ｘ（０）＝ｘＩ，ｘ（ｔ）＝ｘＦと
する）である場合には、上記の分極Ｐ（ｘ）も上記の座
標ｚの関数Ｐ（ｘ（ｚ））となり、ＡｌＧａＮ層５で
は、次式で表される内部電荷Ｑ（ｚ）を生じる。
【数１】
この内部電荷Ｑ（ｚ）の式を用いてＡｌＧａＮ層５の電
位を計算し、実験的に求められているショットキバリア
の高さΦＢと比較することにより、本実施の形態の２次
元電子ガス濃度ＮＳを求める。
位を計算し、実験的に求められているショットキバリア
の高さΦＢと比較することにより、本実施の形態の２次
元電子ガス濃度ＮＳを求める。
【００２０】図２（ｂ）の破線の四角で囲まれている部
分にガウスの法則を適用することにより、厚さ方向の座
標ｚでの電場Ｅ（ｚ）が次式のように決まる。
分にガウスの法則を適用することにより、厚さ方向の座
標ｚでの電場Ｅ（ｚ）が次式のように決まる。
【数２】
なお、誘電率は位置（座標ｚ）に依存するが、ここで
は、簡単のために誘電率をその平均値εに置き換え、上
記（２）式を用いた。
は、簡単のために誘電率をその平均値εに置き換え、上
記（２）式を用いた。
【００２１】また、ＡｌＧａＮ層５を横切るポテンシャ
ルの差は、次式で表される。
ルの差は、次式で表される。
【数３】
【００２２】そして、図２（ｂ）より、上記（４）式の
値が（ΔＥＣ−ΔＥＦ）／｜ｅ｜−ΦＢに等しいことか
ら、次式を得る。
値が（ΔＥＣ−ΔＥＦ）／｜ｅ｜−ΦＢに等しいことか
ら、次式を得る。
【数４】
ここで、フェルミエネルギーΔＥＦは無視し得るので、
以下の説明では、上記（５）式においてΔＥＦを無視し
た次式を用いることとする。
以下の説明では、上記（５）式においてΔＥＦを無視し
た次式を用いることとする。
【数５】
【００２３】ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５のＡｌ組成比ｘ
（ｚ）がその厚さ方向の座標ｚに線形に比例する場合に
は、 ｘ（ｚ）＝ｘＩ＋ｚ（ｘＦ−ｘＩ）／ｔ…（７） である。上記（６）式にこの（７）式および上記（１）
式を適用することにより、ｘ（ｚ）がｚに線形に比例す
る場合の２次元電子ガス濃度ＮＳは次式で与えられる。
（ｚ）がその厚さ方向の座標ｚに線形に比例する場合に
は、 ｘ（ｚ）＝ｘＩ＋ｚ（ｘＦ−ｘＩ）／ｔ…（７） である。上記（６）式にこの（７）式および上記（１）
式を適用することにより、ｘ（ｚ）がｚに線形に比例す
る場合の２次元電子ガス濃度ＮＳは次式で与えられる。
【数６】
【００２４】また、上記のＡｌ組成比ｘ（ｚ）が上記の
座標ｚの平方根に比例する場合には、 ｘ（ｚ）＝ｘＩ＋ｚ１／２（ｘＦ−ｘＩ）／ｔ１／２…（９） である。上記（６）式にこの（９）式および上記（１）
式を適用することにより、ｘ（ｚ）がｚの平方根に比例
する場合の２次元電子ガス濃度ＮＳは次式で与えられ
る。
座標ｚの平方根に比例する場合には、 ｘ（ｚ）＝ｘＩ＋ｚ１／２（ｘＦ−ｘＩ）／ｔ１／２…（９） である。上記（６）式にこの（９）式および上記（１）
式を適用することにより、ｘ（ｚ）がｚの平方根に比例
する場合の２次元電子ガス濃度ＮＳは次式で与えられ
る。
【数７】
【００２５】このように、本実施の形態の２次元電子ガ
ス濃度ＮＳは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５においてのＡｌ
組成比ｘの分布に依存し、ｘ＝ｘＩの一様なＡｌＧａＮ
層の場合とｘ＝ｘＦの一様なＡｌＧａＮ層の場合との中
間値をとる。本実施の形態では、ＡｌＧａＮ層５のＡｌ
組成比ｘを、ＡｌＧａＮ層５の膜厚とともに徐々に大き
くしているので、ゲート／ＡｌＧａＮ界面のでＡｌＧａ
Ｎ層５のＡｌ組成比ｘ Ｆを大きくすることが可能であ
り、これにより２次元電子ガス濃度ＮＳを高くすること
ができる。
ス濃度ＮＳは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５においてのＡｌ
組成比ｘの分布に依存し、ｘ＝ｘＩの一様なＡｌＧａＮ
層の場合とｘ＝ｘＦの一様なＡｌＧａＮ層の場合との中
間値をとる。本実施の形態では、ＡｌＧａＮ層５のＡｌ
組成比ｘを、ＡｌＧａＮ層５の膜厚とともに徐々に大き
くしているので、ゲート／ＡｌＧａＮ界面のでＡｌＧａ
Ｎ層５のＡｌ組成比ｘ Ｆを大きくすることが可能であ
り、これにより２次元電子ガス濃度ＮＳを高くすること
ができる。
【００２６】次に、本実施の形態においての電子移動度
μについて以下に説明する。Jounalof Applied physic
s,Vol85,No1,1 January 1999,p.587-594,「Charge cont
roland mobility studies for an AlGaN/GaN high elec
tron mobility transistor」（以下、文献３とする）に
よれば、キャリア移動度は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面で
のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比に強く依存する。この文献
３中のＦＩＧ．１２において、ラフネスが０．５［ｎ
ｍ］程度で温度が３００［Ｋ］のとき、Ａｌ組成比が
０．１での電子移動度は２０００［ｃｍ２／Ｖｓ］、Ａ
ｌ組成比が０．３での電子移動度は８００［ｃｍ２／Ｖ
ｓ］と読みとれる。
μについて以下に説明する。Jounalof Applied physic
s,Vol85,No1,1 January 1999,p.587-594,「Charge cont
roland mobility studies for an AlGaN/GaN high elec
tron mobility transistor」（以下、文献３とする）に
よれば、キャリア移動度は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面で
のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比に強く依存する。この文献
３中のＦＩＧ．１２において、ラフネスが０．５［ｎ
ｍ］程度で温度が３００［Ｋ］のとき、Ａｌ組成比が
０．１での電子移動度は２０００［ｃｍ２／Ｖｓ］、Ａ
ｌ組成比が０．３での電子移動度は８００［ｃｍ２／Ｖ
ｓ］と読みとれる。
【００２７】電子移動度μがＡｌ組成比ｘに比例すると
仮定すると、上記文献３中のＦＩＧ．１２より、本電子
移動度μは次式で与えられる。 μ≒２６００−６０００ｘＩ…（１１） ここで、ｘＩはＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面でのＡｌｘＧａ
１−ｘＮ層５のＡｌ組成比ｘである。
仮定すると、上記文献３中のＦＩＧ．１２より、本電子
移動度μは次式で与えられる。 μ≒２６００−６０００ｘＩ…（１１） ここで、ｘＩはＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面でのＡｌｘＧａ
１−ｘＮ層５のＡｌ組成比ｘである。
【００２８】上記（１１）式に示すように、本実施の形
態の電子移動度μは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面でのＡｌ
ＧａＮ層５のＡｌ組成比ｘＩに依存する。本実施の形態
では、ＡｌＧａＮ層５のＡｌ組成比ｘを、ＡｌＧａＮ層
５の膜厚とともに徐々に大きくしているので、上記のＡ
ｌ組成比ｘＩを小さくすることが可能であり、これによ
り電子移動度μを高くすることができる。
態の電子移動度μは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面でのＡｌ
ＧａＮ層５のＡｌ組成比ｘＩに依存する。本実施の形態
では、ＡｌＧａＮ層５のＡｌ組成比ｘを、ＡｌＧａＮ層
５の膜厚とともに徐々に大きくしているので、上記のＡ
ｌ組成比ｘＩを小さくすることが可能であり、これによ
り電子移動度μを高くすることができる。
【００２９】トランジスタのオン抵抗は、（キャリア濃
度）×（キャリア移動度）に逆比例する。本実施の形態
では、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比ｘをＧａＮ層との界面
で小さくすることにより、大きな電子移動度μを得るこ
とができ、またＡｌＧａＮ層の膜厚とともにＡｌ組成比
ｘを徐々に大きくすることにより、大きな２次元電子ガ
ス濃度ＮＳを得ることができる。従って、大きなＮＳμ
を得ることができるので、トランジスタのオン抵抗を小
さくすることができる。
度）×（キャリア移動度）に逆比例する。本実施の形態
では、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比ｘをＧａＮ層との界面
で小さくすることにより、大きな電子移動度μを得るこ
とができ、またＡｌＧａＮ層の膜厚とともにＡｌ組成比
ｘを徐々に大きくすることにより、大きな２次元電子ガ
ス濃度ＮＳを得ることができる。従って、大きなＮＳμ
を得ることができるので、トランジスタのオン抵抗を小
さくすることができる。
【００３０】図３は本発明の効果を説明する図であっ
て、ゲート／ＡｌＧａＮ界面でのＡｌＧａＮ層５のＡｌ
組成比ｘＦを固定し、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面でのＡｌ
ＧａＮ層５のＡｌ組成比ｘＩを変えたときの（２次元電
子ガス濃度ＮＳ）×（電子移動度μ）の計算結果の一例
を示す図である。ここで、２次元電子ガス濃度ＮＳとし
て上記（８）式を用い、電子移動度μとして上記（１
１）式を用いた。
て、ゲート／ＡｌＧａＮ界面でのＡｌＧａＮ層５のＡｌ
組成比ｘＦを固定し、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面でのＡｌ
ＧａＮ層５のＡｌ組成比ｘＩを変えたときの（２次元電
子ガス濃度ＮＳ）×（電子移動度μ）の計算結果の一例
を示す図である。ここで、２次元電子ガス濃度ＮＳとし
て上記（８）式を用い、電子移動度μとして上記（１
１）式を用いた。
【００３１】図３より、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比ｘが
一様な場合（ｘ＝ｘＩ＝ｘＦ）には、ｘ≒０．２でＮＳ
μ≒１×１０１６［／Ｖｓ］であるのに対し、ｘＩ＝
０．１，ｘＦ＝０．４とすると、ＮＳμ≒２×１０１６
［／Ｖｓ］となり、ｘが一様な従来のＨＥＭＴの２倍程
度にＮＳμを大きくできる。従って、トランジスタのオ
ン抵抗を上記従来のＨＥＭＴの半分程度に下げることが
できる。また、Ａｌ組成比ｘをＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面
から徐々に大きくすることにより、ゲート／ＡｌＧａＮ
界面でのＡｌ組成比ｘＦを大きくしてもＧａＮ膜との格
子整合が良く、良質なＡｌＧａＮ膜が得られる。
一様な場合（ｘ＝ｘＩ＝ｘＦ）には、ｘ≒０．２でＮＳ
μ≒１×１０１６［／Ｖｓ］であるのに対し、ｘＩ＝
０．１，ｘＦ＝０．４とすると、ＮＳμ≒２×１０１６
［／Ｖｓ］となり、ｘが一様な従来のＨＥＭＴの２倍程
度にＮＳμを大きくできる。従って、トランジスタのオ
ン抵抗を上記従来のＨＥＭＴの半分程度に下げることが
できる。また、Ａｌ組成比ｘをＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面
から徐々に大きくすることにより、ゲート／ＡｌＧａＮ
界面でのＡｌ組成比ｘＦを大きくしてもＧａＮ膜との格
子整合が良く、良質なＡｌＧａＮ膜が得られる。
【００３２】以上のように本実施の形態によれば、Ｇａ
原子で終端したＧａＮ層２との界面でのＡｌ組成比ｘＩ
よりもゲートメタル６との界面でのＡｌ組成比ｘＦが大
きく、これらの界面の間でのＡｌ組成比ｘがｘＩからｘ
Ｆまで徐々に大きくなるＡｌ ｘＧａ１−ｘＮ層５を設け
たことにより、高い電子移動度とピエゾ効果による高い
２次元電子ガス濃度を得ることができ、これによりオン
抵抗の低いトランジスタを実現できる。
原子で終端したＧａＮ層２との界面でのＡｌ組成比ｘＩ
よりもゲートメタル６との界面でのＡｌ組成比ｘＦが大
きく、これらの界面の間でのＡｌ組成比ｘがｘＩからｘ
Ｆまで徐々に大きくなるＡｌ ｘＧａ１−ｘＮ層５を設け
たことにより、高い電子移動度とピエゾ効果による高い
２次元電子ガス濃度を得ることができ、これによりオン
抵抗の低いトランジスタを実現できる。
【００３３】なお、上記実施の形態では、ＡｌＧａＮ層
に不純物をドープしない場合の例を説明したが、不純物
としてＳｉをドープし、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面の２次
元電子ガス濃度を上げた場合でも、ＡｌＧａＮ層のＡｌ
組成比をＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面で小さくし、ゲート／
ＡｌＧａＮ界面で大きくすることによって、高い電子移
動度とピエゾ効果による高い２次元電子ガス濃度を得る
ことができる。
に不純物をドープしない場合の例を説明したが、不純物
としてＳｉをドープし、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面の２次
元電子ガス濃度を上げた場合でも、ＡｌＧａＮ層のＡｌ
組成比をＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面で小さくし、ゲート／
ＡｌＧａＮ界面で大きくすることによって、高い電子移
動度とピエゾ効果による高い２次元電子ガス濃度を得る
ことができる。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高い電子移動度とピエゾ効果による高い２次元電子ガス
濃度を得ることができ、これによりオン抵抗の低いトラ
ンジスタを実現できるという効果がある。
高い電子移動度とピエゾ効果による高い２次元電子ガス
濃度を得ることができ、これによりオン抵抗の低いトラ
ンジスタを実現できるという効果がある。
【図１】本発明の実施の形態のＨＥＭＴの断面構造図で
ある。
ある。
【図２】本発明の実施の形態のＨＥＭＴの動作を説明す
る図である。
る図である。
【図３】本発明の実施の形態のＨＥＭＴの効果を説明す
る図である。
る図である。
１ 基板、 ２ ＧａＮ層、 ３ ソース電極、 ４
ドレイン電極、 ５ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層、 ６ ゲー
トメタル。
ドレイン電極、 ５ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層、 ６ ゲー
トメタル。
Claims (2)
- 【請求項１】 Ｇａ原子で終端したＧａＮ層上にこれと
同程度の面内格子定数をもつ歪んだＡｌｘＧａ１−ｘＮ
層を形成し、このＡｌｘＧａ１−ｘＮ層上にゲートメタ
ルを設けた高電子移動度トランジスタにおいて、 上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層のＡｌ組成比ｘが、 上記ＧａＮ層との界面においてｘＩ、上記ゲートメタル
との界面においてｘＦ（＞ｘＩ）であり、 これらの界面の間ではｘＩからｘＦまで徐々に大きくな
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記載の高電子移動度トランジス
タにおいて、 ｘＩ＝０．１，ｘＦ＝０．４であることを特徴とする高
電子移動度トランジスタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002030553A JP2003234356A (ja) | 2002-02-07 | 2002-02-07 | 高電子移動度トランジスタ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002030553A JP2003234356A (ja) | 2002-02-07 | 2002-02-07 | 高電子移動度トランジスタ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003234356A true JP2003234356A (ja) | 2003-08-22 |
Family
ID=27774273
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002030553A Withdrawn JP2003234356A (ja) | 2002-02-07 | 2002-02-07 | 高電子移動度トランジスタ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003234356A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005203544A (ja) * | 2004-01-15 | 2005-07-28 | Mitsubishi Electric Corp | 窒化物半導体装置とその製造方法 |
| JP2006295126A (ja) * | 2005-03-15 | 2006-10-26 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Ｉｉｉ族窒化物半導体素子およびエピタキシャル基板 |
| JP2006339453A (ja) * | 2005-06-02 | 2006-12-14 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 電界効果トランジスタ、半導体素子、及びエピタキシャル基板 |
| CN111524958A (zh) * | 2019-02-01 | 2020-08-11 | 联华电子股份有限公司 | 一种高电子迁移率晶体管 |
-
2002
- 2002-02-07 JP JP2002030553A patent/JP2003234356A/ja not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005203544A (ja) * | 2004-01-15 | 2005-07-28 | Mitsubishi Electric Corp | 窒化物半導体装置とその製造方法 |
| JP2006295126A (ja) * | 2005-03-15 | 2006-10-26 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Ｉｉｉ族窒化物半導体素子およびエピタキシャル基板 |
| JP2006339453A (ja) * | 2005-06-02 | 2006-12-14 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 電界効果トランジスタ、半導体素子、及びエピタキシャル基板 |
| CN111524958A (zh) * | 2019-02-01 | 2020-08-11 | 联华电子股份有限公司 | 一种高电子迁移率晶体管 |
| CN111524958B (zh) * | 2019-02-01 | 2023-05-02 | 联华电子股份有限公司 | 一种高电子迁移率晶体管 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20050510 |