特開 2024-138781 化合物半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024138781

(43)【公開日】2024-10-09

(54)【発明の名称】化合物半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20241002BHJP

   H01L 21/20 20060101ALI20241002BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 H

H01L21/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023049455

(22)【出願日】2023-03-27

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004026

【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ

(72)【発明者】

【氏名】秋山 和博

【テーマコード（参考）】

5F102

5F152

【Ｆターム（参考）】

5F102GJ02

5F102GJ03

5F102GJ10

5F102GK04

5F102GL04

5F102GM04

5F102GM08

5F102GQ01

5F102GR06

5F102GR09

5F102HC15

5F152LN10

5F152LN20

5F152MM05

5F152NN03

5F152NN05

5F152NN09

5F152NN13

5F152NN30

5F152NP09

5F152NQ09

(57)【要約】

【課題】貫通転位の形成密度を制御することによって性能を向上した化合物半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態は、第１凹凸部を有する第１面と前記第１面の反対側に位置する第２面とを有する半導体基板と、前記第１面上に設けられ、前記第１面に対向して配置された第３面と前記第３面の反対側に位置する第４面とを有し、前記第３面と前記第４面との間にヘテロ接合を有する半導体部と、前記第４面上に設けられた第１電極と、前記第４面上に設けられた第２電極と、前記第４面上で前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた制御電極と、を備える。前記半導体部は、前記第３面と前記第４面との間で、前記第１電極下の領域である第１領域と、前記第３面と前記第４面との間で、前記第２電極下の領域である第２領域と、を含む。前記第１凹凸部は、前記第１領域に対応する位置に設けられる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１凹凸部を有する第１面と前記第１面の反対側に位置する第２面とを有する半導体基板と、
前記第１面上に設けられ、前記第１面に対向して配置された第３面と前記第３面の反対側に位置する第４面とを有し、前記第３面と前記第４面との間にヘテロ接合を有する半導体部と、
前記第４面上に設けられた第１電極と、
前記第４面上に設けられた第２電極と、
を備え、
前記半導体部は、
前記第３面と前記第４面との間で、前記第１電極下の領域である第１領域と、
前記第３面と前記第４面との間で、前記第２電極下の領域である第２領域と、
を含み、
前記第１凹凸部は、前記第１領域に対応する位置に設けられた化合物半導体装置。

【請求項2】

前記第４面上で前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた制御電極をさらに備えた請求項１記載の化合物半導体装置。

【請求項3】

前記半導体基板は、第２凹凸部を有し、
前記第２凹凸部は、前記第２領域に対応する位置に設けられた請求項１記載の化合物半導体装置。

【請求項4】

前記半導体部は、前記ヘテロ接合よりも下方に設けられ、前記半導体層内の貫通転位の形成を阻害するマスク層を有し、
前記マスク層は、前記第１領域に対応する位置に第１開口を有し、
前記半導体層は、前記第１開口を介して連続して設けられた請求項１記載の化合物半導体装置。

【請求項5】

前記半導体基板は、第２凹凸部を有し、
前記第２凹凸部は、前記第２領域に対応する位置に設けられ、
前記マスク層は、前記第２領域に対応する位置に第２開口を有し、
前記半導体層は、前記第２開口を介して連続して設けられた請求項４記載の化合物半導体装置。

【請求項6】

前記第２面に設けられた導電層をさらに備えた請求項４記載の化合物半導体装置。

【請求項7】

前記第２電極と前記導電層との間に設けられた貫通電極をさらに備えた請求項６記載の化合物半導体装置。

【請求項8】

第１面と前記第１面の反対側に位置する第２面とを有する半導体基板と、
前記第１面上に設けられ、前記第１面に対向して配置された第３面と前記第３面の反対側に位置する第４面とを有し、前記第３面と前記第４面との間にヘテロ接合を有する半導体部と、
前記第４面上に設けられた第１電極と、
前記第４面上に設けられた第２電極と、
を備え、
前記半導体部は、
前記第３面と前記第４面との間で、前記第１電極下の領域である第１領域と、
前記第３面と前記第４面との間で、前記第２電極下の領域である第２領域と、
を含み、
前記半導体部は、前記ヘテロ接合よりも下方に設けられ、前記半導体層内の貫通転位の形成を阻害するマスク層を有し、
前記マスク層は、前記第１領域に対応する位置に第１開口を有し、
前記半導体層は、前記第１開口を介して連続して設けられた化合物半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施形態は、化合物半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ヘテロ界面を有する化合物半導体装置では、化合物半導体の積層構造を成膜する際に、構成元素や格子定数の相違によりヘテロ界面から化合物半導体の表面に到達する貫通転位が発生する。貫通転位が電流経路に存在すると、抵抗値の増大やリーク電流の増大等を生ずることが知られている。

【0003】

貫通転位をゼロにすることは困難なため、貫通転位の形成密度を制御して、化合物半導体装置の性能を向上させたいとの要求がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００－１６４９２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の実施形態の化合物半導体装置は、貫通転位の形成密度を制御することによって性能を向上した化合物半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態によれば、第１凹凸部を有する第１面と前記第１面の反対側に位置する第２面とを有する半導体基板と、前記第１面上に設けられ、前記第１面に対向して配置された第３面と前記第３面の反対側に位置する第４面とを有し、前記第３面と前記第４面との間にヘテロ接合を有する半導体部と、前記第４面上に設けられた第１電極と、前記第４面上に設けられた第２電極と、を備える。前記半導体部は、前記第３面と前記第４面との間で、前記第１電極下の領域である第１領域と、前記第３面と前記第４面との間で、前記第２電極下の領域である第２領域と、を含む。前記第１凹凸部は、前記第１領域に対応する位置に設けられる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１の実施形態に係る化合物半導体装置を例示する模式的な断面図である。

【図2】第１の実施形態に係る化合物半導体装置の一部を例示する模式的な平面図である。

【図3】図２のＡ－Ａ線における模式的な断面図である。

【図4】図２のＢ－Ｂ線における模式的な断面図である。

【図5】第１の実施形態に係る化合物半導体装置の一部を例示する模式的な平面図である。

【図6】第１の実施形態に係る化合物半導体装置の一部を例示する模式的な平面図である。

【図7】図６のＣ－Ｃ線における模式的な断面図である。

【図8】図６のＤ－Ｄ線における模式的な断面図である。

【図9】第１の実施形態に係る化合物半導体装置の特性と比較例の化合物半導体装置の特性とを比較したグラフ図である。

【図10】第２の実施形態に係る化合物半導体装置を例示する模式的な断面図である。

【図11】第２の実施形態に係る化合物半導体装置の特性と比較例の化合物半導体装置の特性とを比較したグラフ図である。

【図12】第１の実施形態に係る化合物半導体装置の特性と第２の実施形態に係る化合物半導体装置の特性とを比較したグラフ図である。

【図13】第２の実施形態の変形例に係る化合物半導体装置を例示する模式的な断面図である。

【図14】第２の実施形態の他の変形例に係る化合物半導体装置を例示する模式的な断面図である。

【図15】第２の実施形態の他の変形例に係る化合物半導体装置を例示する模式的な断面図である。

【図16】貫通転位の転位密度に対するパラメータの依存性を測定するための試験用サンプルの模式的な断面図である。

【図17】図１６の試験用サンプルによる測定結果と対比するために作製した試験用サンプルの模式的な断面図である。

【図18】貫通転位の転位密度に対するパラメータの依存性を測定するための試験用サンプルの模式的な断面図である。

【図19】貫通転位の転位密度を変化させた場合のパラメータの依存性を示すグラフ図である。

【図20】貫通転位の転位密度を変化させた場合のパラメータの依存性を示すグラフ図である。

【図21】貫通転位の転位密度を変化させた場合のパラメータの依存性を示すグラフ図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

【0009】

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る化合物半導体装置を例示する模式的な断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る化合物半導体装置１は、半導体基板１０と、半導体部３０と、第１電極４０ａと、第２電極４０ｂと、制御電極５０と、を備える。半導体部３０は、半導体基板１０上に設けられる。第１電極４０ａ、第２電極４０ｂおよび制御電極５０は、半導体部３０上に設けられる。第２電極４０ｂは、第１電極４０ａから離れて設けられる。制御電極５０は、第１電極４０ａと第２電極４０ｂとの間に設けられる。

【0010】

半導体基板１０は、たとえば、ＳｉＣを含む。ＳｉやＡｌ_２Ｏ_３（サファイア）を含んでもよい。半導体部３０は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌよりなる群から少なくとも１つと、Ｎ、ＰおよびＡｓよりなる群から少なくとも１つ選択された少なくとも２つの元素を含む化合物半導体で形成される。

【0011】

半導体基板１０は、第１面１１ａと第２面１１ｂとを有する。第２面１１ｂは、第１面１１ａの反対側に位置する面である。第１面１１ａには、第１凹凸部１２ａと第２凹凸部１２ｂとを含む。第１凹凸部１２ａおよび第２凹凸部１２ｂは、たとえば、ナノインプリント技術により形成される。

【0012】

半導体部３０は、第３面３１ａと第４面３１ｂとを有する。第４面３１ｂは、第３面３１ａの反対側に位置する面である。第３面３１ａは、半導体基板１０の第１面１１ａに対向する位置に設けられている。第４面３１ｂ上には、第１電極４０ａ、第２電極４０ｂおよび制御電極５０が設けられている。なお、以下では、ＸＹＺの３次元座標系を用いて説明することがある。Ｘ軸およびＹ軸を含むＸＹ平面は、第４面３１ｂ平行であり、Ｚ軸は、ＸＹ平面に直交する。第３面３１ａのうち凹凸部を含まない平坦な面は、第４面３１ｂに平行であり、ＸＹ平面に平行である。Ｚ軸の正方向は、第３面３１ａから第４面３１ｂに向かう方向である。後述する第２の実施形態に係る化合物半導体装置およびその変形例では、ＸＹ平面は、第４面２３１ｂに平行である。

【0013】

第４面３１ｂ上には、絶縁膜６２が設けられている。絶縁膜６２は、第１電極４０ａおよび第２電極４０ｂの側面を覆っている。絶縁膜６２上には、さらに保護膜６４が設けられている。保護膜６４は、第１電極４０ａ、制御電極５０および第２電極４０ｂの側面を覆っている。絶縁膜６２は、各電極を相互の電気的に分離するために設けられている。保護膜６４は、パッシベーション膜である。絶縁膜６２および保護膜６４は、絶縁物で形成され、たとえばシリコン窒化物を含む。

【0014】

半導体部３０は、第１領域７０ａと第２領域７０ｂとを含む。第１領域７０ａは、第３面３１ａと第４面３１ｂとの間で、第１電極４０ａ下の領域である。第２領域７０ｂは、第３面３１ａと第４面３１ｂとの間で、第２電極４０ｂ下の領域である。

【0015】

半導体基板１０の第１凹凸部１２ａは、第１領域７０ａ下に配置されている。半導体基板１０の第２凹凸部１２ｂは、第２領域７０ｂ下に配置されている。

【0016】

図１の具体例では、第１面１１ａと第３面３１ａとの間には、バッファ層２０が設けられている。バッファ層２０は、半導体基板１０上に、半導体部３０をエピタキシャル成長で成膜する際に半導体基板１０と半導体部３０との格子定数の相違を吸収し、半導体部３０の形成を促進するために設けられる。バッファ層２０は、たとえばＡｌＮを含む。

【0017】

半導体部３０は、第１半導体層３１と、第２半導体層３２と、を含む、第１半導体層３１および第２半導体層３２は、半導体基板１０上にこの順で積層されている。第１半導体層３２は、たとえば、ＧａＮを含む。第２半導体層３２は、たとえば、ＡｌＧａＮを含む。第１半導体層３１および第２半導体層３２は、ヘテロ接合を形成し、ＧａＮおよびＡｌＧａＮの格子定数の差による歪で、第１半導体層３１の第２半導体層３２との界面では、２次元電子ガス３６が形成される。

【0018】

２次元電子ガス３６は、多数キャリアである電子の走行層を形成し、電子は、第１電極４０ａと第２電極４０ｂとの間を走行する。制御電極５０は、第１電極４０ａと第２電極４０ｂとの間に設けられているので、制御電極５０による電界の制御により、電子の走行が制御される。化合物半導体装置１は、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）である。

【0019】

図１の半導体部３０における破線で示すように、第１凹凸部１２ａに対応する第１領域７０ａおよび第２凹凸部１２ｂに対応する第２領域７０ｂでは、他の領域の貫通転位Ｔｃの密度よりも、貫通転位Ｔａ、Ｔｂの密度が高い。図２～図８に関連して後述するように、貫通転位は、結晶の成長面に形成された凹凸に応じて形成される。そのため、半導体部３０において、第１領域７０ａおよび第２領域７０ｂでは、他の領域よりも貫通転位の形成密度が高い。

【0020】

貫通転位が生じている領域では、多数キャリアは、貫通転位の形成方向に沿って走行するので、貫通転位の形成方向に沿った方向における抵抗値は低下する。そのため、第１電極４０ａおよび第２電極４０ｂのそれぞれの下方に位置する第１領域７０ａおよび第２領域７０ｂでは、第１電極４０ａ下および第２電極４０ｂ下の抵抗値が低下する。より具体的には、第２半導体層３２では、貫通転位Ｔａ、Ｔｂが形成された方向に電子が走行するので、第１電極４０ａ下および第２電極４０ｂ下におけるコンタクト抵抗が貫通転位の密度に応じて低下する。

【0021】

第１凹凸部１２ａおよび第２凹凸部１２ｂの具体例について説明する。以下の具体例では、第１凹凸部１２ａについて説明するが、第１凹凸部１２ａおよび第２凹凸部１２ｂは、同一の構成を有しているので、第２凹凸部１２ｂの説明は省略する。
図２は、第１の実施形態に係る化合物半導体装置の一部を例示する模式的な平面図である。
図３は、図２のＡ－Ａ線における模式的な断面図である。
図４は、図２のＢ－Ｂ線における模式的な断面図である。
図２～図４に示すように、第１凹凸部１２ａは、複数の凸部１２ａ１を有する。複数の凸部１２ａ１は、六方格子状に配列されている。凸部１２ａ１は、円錐形状を有する。凸部１２ａ１の直径は、Ｘ１であり、平面視で、隣り合う凸部１２ａ１の中心間の距離であるピッチはＸ１である。
図２では、貫通転位Ｔａは、白色の丸印で表されており、図３および図４では、破線で表されている。

【0022】

図２～図４に示すように、貫通転位Ｔａは、凸部１２ａ１の頂部および谷部に形成される。凸部１２ａ１の頂部とは、凸部１２ａ１のうち、Ｚ軸方向の高さがもっとも高い部分であり、凸部１２ａ１の谷部とは、隣り合う２つの凸部１２ａ１の間のＺ軸方向の高さがもっとも低い部分である。貫通転位Ｔａは、半導体基板１０の第１面１１ａから傾斜した面上を成長する半導体部３０の結晶格子が不整合となることで、頂部および谷部に形成される。

【0023】

図５は、第１の実施形態に係る化合物半導体装置の一部を例示する模式的な平面図である。
図５には、図２～図４の例とは異なる形状の凸部１２ｃ１を有する第１凹凸部１２ｃの変形例が示されている。
図５に示すように、凸部１２ｃ１を六角錐台とすることによって、凸部１２ｃ１を六方格子状に配置することができる。また、凸部１２ｃ１を六角錐台とした場合にも、貫通転位Ｔａは、凸部１２ｃ１の頂部および谷部に形成される。

【0024】

図６は、第１の実施形態に係る化合物半導体装置の一部を例示する模式的な平面図である。
図７は、図６のＣ－Ｃ線における模式的な断面図である。
図８は、図６のＤ－Ｄ線における模式的な断面図である。
図６～図８には、図２～図４の例とは異なる形状の凸部１２ｄ１を有する第１凹凸部１２ｄの変形例が示されている。第１凹凸部１２ｄでは、凸部１２ｄ１の形状は、円錐台である。図示しないが、この例でも、図２～図５の例と同様に、貫通転位は、頂部および谷部に形成される。

【0025】

図２～図８に示すように、凸部は、Ｘ軸方向にＸ１だけ離れており、Ｙ軸方向にＸ×３^１／２だけ離れている。貫通転位Ｔａは、頂部および谷部に形成され、凸部のＸ軸方向およびＹ軸方向の離間距離を用いることによって、第１凹凸部の貫通転位密度を設定することができる。つまり、凸部の形状および大きさを適切に設定することによって、貫通転位Ｔａが形成される密度を調整することが可能である。

【0026】

本実施形態に係る化合物半導体装置１の効果について説明する。
本実施形態に係る化合物半導体装置１は、半導体部３０においては、第１電極４０ａ下の第１領域７０ａは、半導体基板１０の第１面１１ａに形成された第１凹凸部１２ａ上に設けられている。第１領域７０ａは、第１凹凸部１２ａ上に形成されているので、凸部１２ａ１の形状および大きさに応じた密度の貫通転位Ｔａを有する。第１領域７０ａでは、多数キャリアである電子は、貫通転位Ｔａに沿って走行するので、電子の抵抗が低減される。そのため第１電極４０ａ下のコンタクト抵抗が低減され、化合物半導体装置１の特性が向上する。

【0027】

本実施形態に係る化合物半導体装置１では、第２電極４０ｂ下についても第１電極４０ａ下と同様である。すなわち、半導体部３０においては、第２電極４０ｂ下の第２領域７０ｂは、半導体基板１０の第１面１１ａに形成された第２凹凸部１２ｂ上に設けられている。第２領域７０ｂは、第２凹凸部１２ｂ上に設けられているので、凸部１２ａ１の形状および大きさに応じた密度の貫通転位Ｔｂを有する。第２領域７０ｂでは、電子は、貫通転位Ｔｂに沿って走行するので、電子の抵抗が低減される。そのため、第２電極４０ｂ下のコンタクト抵抗が低減され、化合物半導体装置１の特性が向上する。

【0028】

第１凹凸部１２ａおよび第２凹凸部１２ｂは、半導体基板１０の第１面１１ａ上で選択的に形成することができる。そのため、コンタクト抵抗を低減したい電極の位置に応じて第１凹凸部１２ａおよび第２凹凸部１２ｂを形成することによって、貫通転位の形成密度を制御し、化合物半導体装置１の性能を向上させることができる。

【0029】

図９は、第１の実施形態に係る化合物半導体装置の特性と比較例の化合物半導体装置の特性とを比較したグラフ図である。
図９において、比較例の半導体装置は、凹凸部を形成していない半導体基板上に形成された半導体部を有している。
図９では、縦軸および横軸ともフルスケールで正規化した目盛りとしている。縦軸はドレイン電流Ｉｄｓを表し、横軸はドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓを表している。また、グラフ図のうち、実線は本実施形態に係る化合物半導体装置１の特性例を示しており、破線は比較例の化合物半導体装置の特性例を示している。

【0030】

図９に示すように、飽和領域では、本実施形態に係る化合物半導体装置１は、比較例の化合物半導体装置よりも高い飽和電流を有する。また、線形領域では、本実施形態に係る化合物半導体装置１は、比較例の化合物半導体装置よりも急峻な傾きを有する。

【0031】

このように、本実施形態に係る化合物半導体装置１では、半導体基板１０上に第１凹凸部１２ａおよび第２凹凸部１２ｂを設けることによって、半導体部３０に形成される貫通転位Ｔａ、Ｔｂの形成密度を制御し、第１電極４０ａおよび第２電極４０ｂのコンタクト抵抗をそれぞれ低減することができる。本実施形態に係る化合物半導体装置１では、第１電極４０ａおよび第２電極４０ｂのコンタクト抵抗をそれぞれ低減することによって、化合物半導体装置１の出力特性を向上させることができる。

【0032】

なお、第１凹凸部１２ａおよび第２凹凸部１２ｂは、貫通転位を形成するために設けられ、十分な密度の貫通転位を形成できれば、ナノインプリントによる形成に限らず、他の技術を用いてもよい。たとえば、半導体基板１０の第１面１１ａ上に選択的にドライエッチングを施したり、ウェットエッチングを施して凹凸を形成するようにしてもよい。

【0033】

（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態に係る化合物半導体装置を例示する模式的な断面図である。
電極下における貫通転位の密度の制御は、半導体基板１０上の凹凸形状によらず、他の手段で行うことができる。
図１０に示すように、本実施形態に係る化合物半導体装置２０１では、半導体基板２１０と、半導体部２３０と、を備えており、これらの構成が図１に示した化合物半導体装置１の場合と相違する。その他の点では、化合物半導体装置２０１は、化合物半導体装置１の場合と同一の構成要素を備えており、同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

【0034】

半導体基板２１０は、第１面２１１ａと第２面２１１ｂとを有する。第２面２１１ｂは、第１面２１１ａの反対側に位置する面である。第１面２１１ａには、凹凸部２１２ａが設けられている。凹凸部２１２ａは、たとえば、第１面２１１ａの全面に設けられている。半導体基板２１０は、図１に示した化合物半導体装置１の半導体基板１０と同様に、たとえば、ＳｉＣ、ＳｉまたはＡｌ_２Ｏ_３のいずれかを含む。

【0035】

半導体部２３０は、バッファ層２２０を介して半導体基板２１０上に設けられている。半導体部２３０は、第３面２３１ａと第４面２３１ｂとを有する。第４面２３１ｂは、第３面２３１ａの反対側に位置する面である。第３面２３１ａは、半導体基板２１０の第１面２１１ａに対向する位置に設けられている。第４面２３１ｂ上には、第１電極４０ａ、第２電極４０ｂおよび制御電極５０が設けられている。

【0036】

半導体部２３０は、第１半導体層３１と、第２半導体層３２と、第３半導体層２３３と、第４半導体層２３４と、マスク層２３８と、を有する。第３半導体層２３３は、半導体基板２１０上に設けられている。マスク層２３８は、第３半導体層２３３と第４半導体層２３４との間に設けられている。マスク層２３８は、複数の開口２３８ａ、２３８ｂを有しており、開口２３８ａ、２３８ｂ内には、第４半導体層２３４がそれぞれ設けられている。

【0037】

第４半導体層２３４は、第３半導体層２３３上に設けられている。第１半導体層３１は第４半導体層２３４上に設けられ、第２半導体層３２は第１半導体層３１上に設けられている。図１に関連して説明したように、たとえば、第１半導体層３１はＧａＮを含み、第２半導体層３２はＡｌＧａＮを含む。第１半導体層３１と第２半導体層３２との間の接合はヘテロ接合であり、第１半導体層３１の第２半導体層３２との界面には、２次元電子ガス３６が形成される。

【0038】

第３半導体層２３３および第２半導体層２３４は、たとえば、ＧａＮを含む。マスク層２３８は、絶縁物の層であり、たとえば、シリコン酸化物を含む。

【0039】

半導体部２３０は、第１領域２７０ａと第２領域２７０ｂとを含む。第１領域２７０ａは、第３面２３１ａと第４面２３１ｂとの間で、第１電極４０ａ下の領域である。第２領域７０ｂは、第３面２３１ａと第４面２３１ｂとの間で、第２電極４０ｂ下の領域である。マスク層２３８の開口２３８ａは、第１領域２７０ａに対応して設けられている。マスク層２３８の開口２３８ｂは、第２領域２７０ｂに対応して設けられている。

【0040】

半導体基板２１０の第１面２１１ａには、凹凸部２１２ａが設けられており、凹凸部２１２ａは、たとえば、図２等に示した凸部１２ａ１を有している。そのため、第３半導体層２３３では、凹凸部２１２ａに応じた貫通転位Ｔａ１が形成される。凹凸部２１２ａの凸部が図２等に示したように、第１面２１１ａ上にほぼ均一に形成された場合には、貫通転位Ｔａ１は、第３半導体層２３３の全面にわたってほぼ同一の密度で形成される。

【0041】

第４半導体層２３４では、マスク層２３８の開口２３８ａ、２３８ｂでは、貫通転位Ｔａ２は、第３半導体層２３３とほぼ等しい密度で、形成される。一方、第４半導体層２３４では、第１領域２７０ａ、２７０ｂ以外の領域では、マスク層２３８によって、貫通転位Ｔｃの形成が抑制される。図１０に示すように、マスク層２３８が存在するために、第４半導体層２３４の結晶成長方向が変更されるため、転位は、第４半導体層２３４の厚さ方向に交差する方向に形成される。いずれにしても、開口２３８ａ、２３８ｂ以外の領域の貫通密度は、開口２３８ａ、２３８ｂの貫通密度よりも低い。

【0042】

第１半導体層３１および第２半導体層３２では、開口２３８ａ、２３８ｂに対応する領域では、高い密度の貫通転位Ｔａ３、Ｔｂ３が形成される。第１半導体層３１および第２半導体層３２では、第１領域２７０ａおよび第２領域２７０ｂ以外の領域の貫通転位Ｔｃの密度は、第１領域２７０ａおよび第２領域２７０ｂの貫通転位Ｔａ３、Ｔｂ３よりも低い。

【0043】

第１領域２７０ａは第１電極４０ａ下に設けられ、第２領域２７０ｂは第２電極４０ｂ下に設けられている。そのため、第１電極４０ａおよび第２電極４０ｂのコンタクト抵抗は、高い貫通転位Ｔａ３、Ｔｂ３の密度により低下し、化合物半導体装置２０１の特性は向上する。

【0044】

本実施形態に係る化合物半導体装置２０１の効果について説明する。
半導体基板２１０上に第３半導体層２３３、第４半導体層２３４およびマスク層２３８を設け、マスク層２３８は、第１電極４０ａ下の第１領域２７０ａに対応する位置に開口２３８ａを設けている。第１領域２７０ａでは、開口２３８ａに対応して、半導体基板２１０上に形成された凹凸部２１２ａに応じて、高密度の貫通転位が形成される。そのため、第１電極４０ａにおけるコンタクト抵抗が低下する。第２電極４０ｂについても同様に、第２電極４０ｂ下の第２領域２７０ｂに対応する位置に開口２３８ｂを設けているので、第２電極４０ｂのコンタクト抵抗が低減される。これらによって、化合物半導体装置２０１の特性は向上する。

【0045】

図１１は、第２の実施形態に係る化合物半導体装置の特性と比較例の化合物半導体装置の特性とを比較したグラフ図である。
図１１は、第１の実施形態に係る化合物半導体装置の特性と第２の実施形態に係る化合物半導体装置の特性とを比較したグラフ図である。
図１１において、比較例の半導体装置は、凹凸部を形成していない半導体基板上に形成された半導体部を有している。グラフ図のうち、実線は本実施形態に係る化合物半導体装置１の特性例を示しており、破線は比較例の化合物半導体装置の特性例を示している。破線のプロットは、図９の破線で示したプロットと同じである。
図１２において、実線は、本実施形態に係る化合物半導体装置２０１の特性例を示している。破線は、図９の実線で示した第１の実施形態に係る化合物半導体装置１の特性例を表すプロットである。
図１１および図１２では、図９の場合と同様に、縦軸および横軸ともフルスケールで正規化した目盛りとしている。縦軸はドレイン電流Ｉｄｓを表し、横軸はドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓを表している。

【0046】

図１１に示すように、飽和領域では、本実施形態に係る化合物半導体装置１は、比較例の化合物半導体装置よりも高い飽和電流を有する。また、線形領域では、本実施形態に係る化合物半導体装置１は、比較例の化合物半導体装置よりも急峻な傾きを有する。

【0047】

図１２に示すように、飽和領域では、本実施形態に係る化合物半導体装置２０１は、図１に示した化合物半導体装置１よりも高い飽和電流を有する。これは、マスク層２３８を形成して、転位の方向をＸＹ平面に平行な方向へ変化させたことによって、マスク層２３８のより上層における貫通転位の密度を減少させ、２次元電子ガス３６での電子移動度を効果的に向上できたためと考えられる。

【0048】

（変形例１）
図１３は、第２の実施形態の変形例に係る化合物半導体装置を例示する模式的な断面図である。
図１３に示すように、本変形例に係る化合物半導体装置２０１ａは、導電層２６０を備える点で、図１０に示した化合物半導体装置２０１と相違する。化合物半導体装置２０１ａは、他の点では、化合物半導体装置２０１の場合と同様であり、同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

【0049】

導電層２６０は、半導体基板２１０の第２面２１１ｂに対向して設けられる。導電層２６０は、好ましくは、半導体基板２１０とオーミック接続される。導電層２６０は、十分に高い熱伝導率を有する。導電層２６０は、半導体基板２１０の電位を安定させるとともに、化合物半導体装置２０１で発生した熱を効果的に放熱する。

【0050】

半導体部２３０における抵抗値は、正の温度特性を有するので、導電層２６０によって半導体部２３０を効果的に放熱することによって、より低いコンタクト抵抗を実現し、高性能な化合物半導体装置２０１ａを実現することができる。

【0051】

（変形例２）
図１４は、第２の実施形態の他の変形例に係る化合物半導体装置を例示する模式的な断面図である。
図１４に示すように、本変形例に係る化合物半導体装置２０１ｂは、貫通電極２７０を備える点で、図１３に示した化合物半導体装置２０１ａと相違する。化合物半導体装置２０１ｂは、他の点では、化合物半導体装置２０１ａの場合と同様であり、同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

【0052】

貫通電極２７０は、半導体部２３０を貫通して設けられている。より具体的には、貫通電極２７０は、半導体部２３０の第３面２３１ａから第４面２３１ｂにわたって設けられている。貫通電極２７０は、第２電極４０ｂ下に設けられ、第２電極４０ｂと導電層２６０とを電気的に接続する。貫通電極２７０は、高い熱伝導率を有する金属等の導体で形成されるので、半導体部２３０で生成された熱を効果的に導電層２６０へ輸送する。そのため、化合物半導体装置２０１ａは、貫通電極２７０を備えることによって、放熱性が向上し、抵抗値の上昇を抑制することができる。

【0053】

これら２つの変形例は、第１の実施形態に係る化合物半導体装置にも適用することができ、同様の効果を得ることができる。

【0054】

（変形例３）
図１５は、第２の実施形態の他の変形例に係る化合物半導体装置を例示する模式的な断面図である。
図１５に示すように、本変形例に係る化合物半導体装置２０１ｃは、半導体基板２１０ａを備える点で、図１０に示した化合物半導体装置２０１と相違する。化合物半導体装置２０１ｃは、他の点では、化合物半導体装置２０１の場合と同様であり、同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

【0055】

図１２に関連して説明したように、転位の形成方向と、多数キャリアの走行方向が一致する場合には、その領域における抵抗値は減少する。転位の形成方向が多数キャリアの走行方向に交差する場合には、その領域における抵抗値は増大する。

【0056】

本変形例では、半導体部２３０がマスク層２３８を有することによって、マスク層２３８が存在する箇所、および、マスク層２３８の開口２３８ａ、２３８ｂが存在する箇所で、多数キャリアの走行方向に一致させる。つまり、開口２３８ａ、２３８ｂが存在する箇所では、半導体部２３０の厚さ方向に多数キャリアを走行させ、開口２３８ａ、２３８ｂのない箇所では、半導体部２３０の厚さに交差する方向に多数キャリアを走行させる。

【0057】

このように、マスク層２３８の開口２３８ａ、２３８ｂの箇所を設定することによって、貫通転位の密度を調整することができ、多数キャリアの走行方向に応じて抵抗値を低減させることができる。

【0058】

本変形例では、半導体基板２１０の第１面２１１ａ上に凹凸部２１２ａを形成する必要がないので、製造工程を短縮することが可能になる。

【0059】

このようにして、貫通転位の発生密度を制御することによって性能を向上させた化合物半導体装置を実現することができる。

【0060】

上述の各実施形態および各変形例では、第１電極４０ａと第２電極４０との間に制御電極５０が設けられたＨＥＭＴの具体例について説明した。これに限らず、ノーマリオン形のＨＥＭＴにおいては、制御電極５０を設けなくてもよい。制御電極５０を設けない場合であっても、電極下における貫通転位の発生密度を制御することによって、電極のコンタクト抵抗を低減できるとの効果を有する。

【0061】

発明者は、凹凸加工による貫通転位の形成によって電極のコンタクト抵抗の低減の効果を確認するために、ＴＬＭ（Transmission Line Method）による評価を実施した。
図１６は、貫通転位の転位密度に対するパラメータの依存性を測定するための試験用サンプルの模式的な断面図である。
図１６に示すように、試験用サンプルＴＥ１では、半導体基板１０上にバッファ層２０を介して、半導体部３０が設けられる。半導体基板１０および半導体部３０は、図１に示した化合物半導体装置１の場合と同様に構成される。すなわち、半導体基板１０は、ＳｉＣを含む。バッファ層２０は、ＡｌＮを含む。半導体部３０は、第１半導体層３１と、第２半導体層３２と、を含む、第１半導体層３１および第２半導体層３２は、この順で、半導体基板１０上に積層されている。第１半導体層３２は、ＧａＮを含む。第２半導体層３２は、ＡｌＧａＮを含む。第１半導体層３１の第２半導体層３２との界面では、２次元電子ガス３６が形成される。

【0062】

半導体基板１０の第１面１１ａ上には、複数の凹凸部ＴＥ１２ａ～ＴＥ１２ｃが形成されている。複数の凹凸部ＴＥ１２ａ～ＴＥ１２ｃを構成する凸部は、図２～図４に示した円錐形状を有する。凹凸部ＴＥ１２ａ～ＴＥ１２ｃは、互いの間隔を変えて配置されている。図１６では、３つの凹凸部ＴＥ１２ａ～ＴＥ１２ｃが示されているが、評価に供した試験用サンプルでは、複数の凹凸部は、隣り合う凹凸部の間の間隔が、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、２５０μｍ、３００μｍとなるように配置されている。たとえば、図１６では、電極間隔Ｌａｂは、３００μｍであり、電極間隔Ｌｂｃは、２５０μｍである。なお、複数の電極は、すべて同一形状である。複数の電極は、平面視で矩形であり、矩形のサイズは、５０μｍ×１００μｍとした。

【0063】

半導体部３０の第２半導体層３２上には、複数の凹凸部ＴＥ１２ａ～ＴＥ１２ｃが形成位置に対応する位置に、複数の電極ＴＥ４０ａ～ＴＥ４０ｃがそれぞれ設けられている。複数の電極ＴＥ４０ａ～ＴＥ４０ｃ下の半導体部３０の複数の領域ＴＥ７０ａ～７０ｃは、複数の凹凸部ＴＥ１２ａ～ＴＥ１２ｃ上にそれぞれ形成されている。

【0064】

つまり、試験用サンプルＴＥ１は、複数の電極を有しており、隣り合う電極の間隔が５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、２５０μｍ、３００μｍとなるように配置されており、複数の電極下には、複数の凹凸部がそれぞれ配置されている。なお、試験用サンプルＴＥ１では、すべての凹凸部において、凸部の形状およびピッチは、同一である。

【0065】

図１７は、図１６の試験用サンプルによる測定結果と対比するために作製した試験用サンプルの模式的な断面図である。
図１７に示すように、試験用サンプルＴＥ２は、半導体基板１０の第１面１１ａ上にバッファ層２０を介して半導体部３０が設けられている。半導体基板１０の第１面１１ａは、平坦面である点で、図１６の試験用サンプルＴＥ１と相違する。つまり、試験用サンプルＴＥ２では、凹凸部が設けられていない。他の点では、試験用サンプルＴＥ２は、試験用サンプルＴＥ１の構成と同じである。すなわち、半導体部３０上の複数の電極は、隣り合う電極の間隔が、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、２５０μｍ、３００μｍとなるように配置されている。

【0066】

図１６および図１７に示した試験用サンプルＴＥ１、ＴＥ２を用いてＴＬＭ評価を実施した。
コンタクト抵抗の評価では各ＴＬＭ用の試験用サンプルＴＥ１、ＴＥ２のそれぞれについて、各電極間の抵抗を測定し各電極間の距離に対してプロットすることでコンタクト抵抗と電極間のシート抵抗を算出した。

【0067】

コンタクト抵抗に関する評価結果は、以下のとおりである。すなわち、凹凸加工無しの試験用サンプルＴＥ２では、電極下のエリアのコンタクト抵抗は、０．４Ω・ｃｍ^２であった。これに対して、凹凸加工した試験用サンプルＴＥ１では、各電極下の領域のコンタクト抵抗は、０．２Ω・ｍｍ^２であった。つまり、転位密度の増加によってコンタクト抵抗が減少していることが確認できた。

【0068】

一方、シート抵抗に関する評価結果は以下のとおりである。すなわちＳｉＣ基板である半導体基板１０に凹凸加工無しの試験用サンプルＴＥ２では、隣り合う電極間におけるシート抵抗は、４００Ω/□程度であった。これに対して、半導体基板１０に凹凸加工した試験用サンプルＴＥ１では、隣り合う電極におけるシート抵抗は、４１０Ω/□程度となっており、同等の値であることを確認した。

【0069】

以上の評価結果から、ＳｉＣ基板である半導体基板１０の電極下の位置に凹凸加工を施すことによって、シート抵抗を増加させることなくコンタクト抵抗を低減することが可能であることが確認できた。

【0070】

次に、発明者は、コンタクト抵抗、シート抵抗およびゲートリーク電流の貫通転位の転位密度に対する依存性の評価を行った。貫通転位の転位密度を変化させた場合のコンタクト抵抗、シート抵抗、ゲートリーク電流依存性を評価するために、凹凸部の凸部のピッチを変えた評価用サンプルを作製して評価を行った。

【0071】

図１８は、貫通転位の転位密度に対するパラメータの依存性を測定するための試験用サンプルの模式的な断面図である。
図１８に示すように、評価用サンプルＴＥ３では、第１面１１ａの全面に凹凸部ＴＥ１２が形成されたＳｉＣ基板である半導体基板１０を用意し、凹凸部ＴＥ１２上に、半導体部３０および各電極４０ａ、４０ｂおよび制御電極５０を形成した。半導体部３０、電極４０ａ、４０ｂおよび制御電極５０は、図１に示した化合物半導体装置１の構成と同じである。

【0072】

評価用サンプルＴＥ３では、凹凸部ＴＥ１２の凸部のピッチを、２００ｎｍ、３００ｎｍ、６００ｎｍ、８００ｎｍと変化させたサンプルを作製し、これに加えて、凹凸加工無しのサンプルを作成した。これにより、凹凸加工無しのサンプルを含めて、５種類のサンプルでは、２×１０^１０／ｃｍ^２程度から６×１０^８／ｃｍ^２程度までの貫通転位密度を有するサンプルを作製することができた。

【0073】

図１９～図２１は、貫通転位の転位密度を変化させた場合のパラメータの依存性を示すグラフ図である。
図１９は、貫通転位の密度に対するコンタクト抵抗の変化を示すグラフ図である。
図２０は、貫通転位の密度に対するシート抵抗の変化を示すグラフ図である。
図２１は、貫通転位の密度に対するゲートリーク電流の変化を示すグラフ図である。
図１９～図２１においては、図１８に示した評価用サンプルＴＥ３ついてパラメータを測定して、測定結果に統計処理を施してグラフ化している。図１９～図２１は、すべて「箱ひげ図」で表されている。これらの箱ひげ図では、グラフ図の矩形の中央線が中央値を示し、上端が中央値の７５％の値を示し、下端が２５％の値を示している。矩形上部のひげ上端線が測定における最大値であり、矩形下部のひげ下端線が測定における最小値である。

【0074】

図１９に示すように、コンタクト抵抗は、転位密度を大きくするにしたがって、小さくなる。コンタクト抵抗が低下する原理は、上述したとおりである。たとえば、転位密度を１０倍にすることによって、コンタクト抵抗は、４５％以上低減されている。

【0075】

図２０に示すように、シート抵抗は、転位密度を大きくするにしたがって、増大する傾向が認められる。転位密度が１０倍でシート抵抗は２５％程度増大している。

【0076】

図１９および図２０の結果より、多数キャリアが走行する方向に沿って、貫通転位の密度を増大させ、多数キャリアの走行する方向に交差する方向の貫通転位の密度を低減させることによって、２つの電極間の抵抗値を低減させることができる。

【0077】

図２１に示すように、ゲートリーク電流は、転位密度を大きくするにしたがって、増大する。

【0078】

図１９～図２１の結果より、多数キャリアが走行する方向に沿って、貫通転位の密度を増大させ、多数キャリアの走行する方向に交差する方向の貫通転位の密度を低減させることによって、２つの電極間の抵抗値を低減させることができ、ゲートリーク電流を減少させることができることを確認した。

【0079】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0080】

１、２０１、２０１ａ～２０１ｃ…化合物半導体装置、１０、２１０、２１０ａ…半導体基板、１１ａ、２１１ａ…第１面、１１ｂ、２１１ｂ…第２面、１２ａ…第１凹凸部、１２ｂ…第２凹凸部、２０、２２０…バッファ層、３０、２３０…半導体部、３１…第１半導体部、３２…第２半導体部、３６…２次元電子ガス、４０ａ…第１電極、４０ｂ…第２電極、５０…制御電極、７０ａ、２７０ａ…第１領域、７０ｂ、２７０ｂ…第２領域、２３３…第３半導体層、２３４…第４半導体層、２３８…マスク層、２３８ａ、２３８ｂ…開口、２６０…導電層、２７０…貫通電極

【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19】

【図20】

【図21】