特表 2024-544787 ＡｌＮチャネルヘテロ構造電界効果トランジスタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-12-04

(54)【発明の名称】ＡｌＮチャネルヘテロ構造電界効果トランジスタ

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20241127BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 H

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024537397

(86)(22)【出願日】2022-11-16

(85)【翻訳文提出日】2024-06-20

(86)【国際出願番号】 US2022050025

(87)【国際公開番号】W WO2023129293

(87)【国際公開日】2023-07-06

(31)【優先権主張番号】17/646,178

(32)【優先日】2021-12-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】524059674

【氏名又は名称】レイセオン カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100229448

【弁理士】

【氏名又は名称】中槇 利明

(72)【発明者】

【氏名】チュンベス，エドゥアルド，エム．

【テーマコード（参考）】

5F102

【Ｆターム（参考）】

5F102GB01

5F102GC01

5F102GD01

5F102GJ02

5F102GJ03

5F102GJ04

5F102GJ10

5F102GK04

5F102GL04

5F102GM01

5F102GQ01

5F102HC01

(57)【要約】

半導体デバイスは、基板と、基板の上に配置されたＡｌＮを含むウルツ鉱単結晶ＩＩＩ族窒化物層の上にエピタキシャル的に及び異質に統合された斜方晶系極性結晶質酸化物к－Ａｌ_２Ｏ_３層とを有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体デバイスであって、
ＡｌＮを含むウルツ鉱単結晶ＩＩＩ族窒化物層の上にエピタキシャル的に及び異質に統合された斜方晶系極性結晶質酸化物к－Ａｌ_２Ｏ_３層と、
前記極性к－Ａｌ_２Ｏ_３層内の伝導領域及び前記ＡｌＮの中への経路にわたって配置されたソース電極と、
前記極性к－Ａｌ_２Ｏ_３層内の伝導領域及び前記ＡｌＮの中への経路にわたって配置されたドレーン電極と、
極性к－Ａｌ_２Ｏ_３層の最上部で前記ソース電極と前記ドレーン電極との間に配置されたゲート電極と、
を備えた、前記半導体デバイス。

【請求項2】

前記斜方晶系極性結晶質酸化物к－Ａｌ_２Ｏ_３層は、к－Ａｌ_２Ｏ_３及びк－Ｂ_２Ｏ_３の合金を含む、請求項１に記載の半導体デバイス。

【請求項3】

前記斜方晶系極性結晶質酸化物к－Ａｌ_２Ｏ_３層は、к－Ｂ_２Ｏ_３と置き換えられる、請求項１に記載の半導体デバイス。

【請求項4】

前記斜方晶系極性結晶質酸化物к－Ａｌ_２Ｏ_３層は、к－（Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}）_２Ｏ_３のバンドギャップがＡｌＮよりも大きいと仮定して、к－（Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}）_２Ｏ_３と置き換えられる、請求項１に記載の半導体デバイス。

【請求項5】

前記斜方晶系極性結晶質酸化物к－Ａｌ_２Ｏ_３層は、３～１５ｎｍの厚みを有する、請求項１に記載の半導体デバイス。

【請求項6】

前記半導体デバイスは、デプレッションモード電界効果トランジスタである、請求項１に記載の半導体デバイス。

【請求項7】

半導体デバイスであって、
基板と、
前記基板の上に配置されたＡｌＮを含むウルツ鉱単結晶ＩＩＩ族窒化物層の上にエピタキシャル的に及び異質に統合された斜方晶系極性結晶質酸化物к－Ａｌ_２Ｏ_３層と、
を備えた、前記半導体デバイス。

【請求項8】

前記斜方晶系極性結晶質酸化物к－Ａｌ_２Ｏ_３層内の伝導領域及びＡｌＮ層の中への経路にわたって配置されたソース電極と、
前記斜方晶系極性結晶質酸化物к－Ａｌ_２Ｏ_３層内の前記伝導領域及び前記ＡｌＮ層の中への経路にわたって配置されたドレーン電極と、
デプレッションモード電界効果トランジスタを設けるための前記ソース電極と前記ドレーン電極との間に配置されたゲート電極と、
を備えた、請求項７に記載の半導体デバイス。

【請求項9】

前記斜方晶系極性結晶質酸化物к－Ａｌ_２Ｏ_３層は、３～１５ｎｍの範囲の厚みを有する、請求項７に記載の半導体デバイス。

【請求項10】

前記ソース電極及び前記ドレーン電極は、前記ＡｌＮ層をオーミック接合する、請求項８に記載の半導体デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は概して、デプレッションモード高電子モバイル電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ）半導体デバイスに関し、特に、ショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接合層を有するデプレッションモードＨＥＭＴ半導体デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

本分野において既知であるように、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、及びＳｃＡｌＮなどのＩＩＩ族窒化物材料に基づいたダイオード及びＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などの活性半導体デバイスは、材料、工程、デバイス、及び設計技術の最適化と共に達成される、優秀なＲＦ／マイクロ波性能を証明してきた。

【0003】

トランジスタ効率性は、ＲＦシステムレンジ、感度、電力消費、及び信頼性を決定し、より高い電力密度において動作することは、高電力散逸（Ｐ_ｄｉｓｓ）が伴う。トランジスタ電力及び効率性性能を改善することが望ましく、そうでなければ用途が熱管理に起因して潜在的に限定される。

【発明の概要】

【0004】

本開示によれば、ＡｌＮを含むウルツ鉱単結晶ＩＩＩ族窒化物層の上にエピタキシャル的に及び異質に統合された斜方晶系極性結晶質酸化物к－Ａｌ_２Ｏ_３層と、極性к－Ａｌ_２Ｏ_３層内の伝導領域及びＡｌＮの中への経路にわたって配置されたソース電極と、極性к－Ａｌ_２Ｏ_３層内の伝導領域及びＡｌＮの中への経路にわたって配置されたドレーン電極と、極性к－Ａｌ_２Ｏ_３層の最上部でソース電極とドレーン電極との間に配置されたゲート電極と、を含む半導体デバイスが提供される。

【0005】

１つの実施形態では、上位層は、к－Ｂ_２Ｏ_３またはк－Ａｌ_２Ｏ_３及びк－Ａｌ_２Ｏ_３及びк－Ｂ_２Ｏ_３（例えば、к－（Ａｌ_ｘＢ_１－ｘ２Ｏ_３）合金を含む。

【0006】

別の実施形態では、半導体構造が提供され、к－Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮとの間のヘテロ界面における分極不連続がヘテロ界面のＡｌＮ側で二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を誘導するために存在する。

【0007】

発明者は、ＡｌＮの大きなブレークダウン及び熱伝導性特性を利用して、超高電力密度無線周波数（ＲＦ）トランジスタをサポートするために、ＧａＮチャネル層の代わりにより高いバンドギャップショートキーバリア層と共にＡｌＮチャネル層を使用する利点を認識している。

【0008】

更に、発明者は、к－Ａｌ_２Ｏ_３バリア層と共にＡｌＮチャネル層の利点が、全体的により大きな分極不連続及びバンドギャップをもたらすことを認識している。

【0009】

開示の１つ以上の実施形態の詳細は、添付の図面及び以下の説明において示される。本開示の他の特長、目的、及び利点は、説明及び図面から、ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示に係る、半導体デバイスの断面の略図である。

【図2A】ＧａＮ及びＡｌＮを含む異なる材料の様々な特性を示すチャートである。

【図2B】図２Ａにおけるチャートからの様々な材料についてのブレークダウン電圧を示すプロットである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

様々な図面における同様の参照符号は、同様の要素を示す。

【0012】

発明の詳細な説明から始まる前に、ＧａＮチャネルをＡｌＮと置き換えることと、分極を介してＡｌＮに１０倍よりも大きいキャリア密度を供給するために、極性酸化物（カッパ相Ａｌ_２Ｏ_３またはк－Ａｌ_２Ｏ_３）をバリア層として使用することとの利点を発明者が認識していることに留意されるべきである。ＡｌＮをチャネル層として使用することは、４倍よりも大きい電界強度のＧａＮを有し、したがって、４倍だけ電圧をスケーリングすることができ、熱管理を改善するためのＧａＮよりも高い２．５倍よりも大きい導電性を有する。現在存在するＡｌＮ基板によるホモエピタキシが可能である。

【0013】

本開示は、ＡｌＮチャネルへのバリア層としてカッパ相のヘテロ構造を伴う。ＡｌＮチャネル（２．５倍よりも大きい熱伝導性及び４倍よりも大きい電界強度のＧａＮ（Ｐ． Ｒａｎｇａ ｅｔ ａｌ．， “Ｈｉｇｈｌｙ ｔｕｎａｂｌｅ， ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｇａｓ ｉｎ ε－ＡｌＧａＯ３／ε－Ｇａ２Ｏ３ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｅｘｐ． １３ ０６１００９ （２０２０））を有するＡｌ_２Ｏ_３（ＧａＮのものよりも高い９倍大きい及び３倍よりも大きいＡＩＮ）の非常に強い分極は、ダイヤモンドに統合することに頼ることなく、他の技術が達成することができない、より高い熱散逸を扱うために、熱伝導性を改善すると共に、最新のＧａＮ構造の最大で４０倍の電力密度を伝達する問題を解決する。その上、ＡｌＮは、ダイヤモンドに整合した格子により近く、よって、ダイヤモンド上でカッパ－Ａｌ_２Ｏ_３／ＡｌＮを統合する工程がより単純である。ＡｌＮ基板が商業的に存在し、よって、ホモエピタキシが可能である。

【0014】

説明されるように、構造は、トランジスタへの統合を扱う電力散逸を改善すると共に、現在のＧａＮ構造の最大で４０倍高い電力密度を有効にする。後者は、短いデューティサイクルパルス用途のみに用途を限定することに対処する熱冷却ソリューションが現在制限されている、８Ｗ／ｍｍを超過する電力性能のために押し上げられる現在での超高電力トランジスタによる熱散逸問題に対処し軽減する。

【0015】

そのより高い熱伝導性、及び超高電力密度性能の潜在性があるにもかかわらずダイヤモンドは、現在の最新のＧａＮ構造よりもはるかに低い性能であるトランジスタを結果としてもたらす低キャリア密度及びモビリティからの影響をそれが受けるので、何十年間も有望でなかった。ＧａＮよりも超高電力密度性能が有望である他の半導体技術は、それらの半導体をダイヤモンドに統合する複雑な工程に頼る不良な熱伝導性から影響を受ける。それらの技術のいずれも、１つの半導体プラットフォームにおける組み合わされた高予測キャリア密度及び高熱伝導性と組み合わされたモビリティを有さない。

【0016】

説明されるように、斜方晶系к－Ａｌ_２Ｏ_３（ＡｌＮの３倍）の高分極特性であるが、７．７ｅＶの大きなバンドギャップ（ＡｌＮよりも高い１．５ｅＶよりも大きい）により、к－Ｂ_２Ｏ_３は、１１．３ｅＶの更に大きなバンドギャップを有し、バリア層としても使用されることができる（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． １１７， ０１２１０４ （２０２０）；ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｌ．ｏｒｇ／１０．１０６３／５．０００５８０８；Ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ： ２５ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０２０． Ａｃｃｅｐｔｅｄ ２８ Ｊｕｎｅ ２０２０． Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ Ｏｎｌｉｎｅ： ０９ Ｊｕｌｙ ２０２０を参照）。

【0017】

ここで、図１を参照して、デプレッションモード（Ｄ－モード）電界効果トランジスタ１２、ここではＤ－モードＨＥＭＴを有する半導体構造１０が示される。Ｄ－モードＨＥＭＴ１２は、示されるように、ソース電極２６、ドレーン電極２８、及びソース電極２６とドレーン電極２８との間に配置されたゲート電極２５を含む。

【0018】

より具体的には、半導体構造１０は、単結晶基板１８、ここでは、例えば、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ダイヤモンドまたは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及び核形成を成すエピタキシャル成長ＡｌＮ層２２、ＨＥＭＴ構造のバッファ及びチャネル領域、ならびに１つ以上のエピタキシャル成長極性酸化物バリア材料、ここでは、к－Ａｌ_２Ｏ_３または以下で説明されるように、代わりにк－Ｂ_２Ｏ_３であるバリア層２４を含む。酸化物窒化物ヘテロ層２２及び２４は、ＡｌＮ層２２内で２ＤＥＧチャネル（点線２３によって示される）を結果としてもたらすヘテロ接合を成す。極性酸化物層２４は、ソース電極２６のオーミック接合領域２７からドレーン電極２８のオーミック接合領域２９に延在することに留意されよう。ゲート電極２５は、極性酸化物層２４とショットキー接合する。ソース電極２６及びドレーン電極２８は、オーミック接合領域２７及び２９のそれぞれを介してＡｌＮチャネル層２２とオーミック接合することにも留意されよう。ショットキーバリアと直接接合した金属接点の熱アニールを伴う慣習的なオーミック接合形成は、電極とバリア材料との間のオーミック接合領域を形成するＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴ内でバリア層をレンダリングする熱アニールの間の窒素空孔の形成及び電極及びバリア材料の元素混合を伴う機構がк－Ａｌ_２Ｏ_３バリアを欠くので実現可能でない。この構造内でのオーミック接合領域２７及び２９の形成は、オーミックリセスまたは再成長構成のいずれかによって達成され、オーミック接合領域２７及び２９は、図１に示されるような側でのいずれかの材料が２ＤＥＧに接合するオーミック再成長のケースでは、例えば、エピタキシ技術（例えば、分子線、有機金属化学気相、物理蒸気）によって堆積されたオーミックリセスまたは導電ＡｌＮ層のケースにおいてｅ－ビーム蒸着によって堆積された同一のソース電極材料２６及びドレーン電極材料２８のいずれかである。いずれかのケースでは、ソース電極及びドレーン電極が堆積されることになる領域内でバリア材料及びＡｌＮチャネルの小さい部分を除去するために、エッチングが実行される。代わりに、領域２７及び２９は、オーミック接合形成を有効にする適切なイオン種（例えば、Ｓｉ）のイオン注入によってк－Ａｌ_２Ｏ_３及びＡｌＮのいずれかのエッチング又は除去なしにレンダリングされる。ソース電極２６及びドレーン電極２８を形成した後、示されるように、バリア層２４とショットキー接合してゲート電極２５が形成される。

【0019】

ここで、図２Ａ及び２Ｂを参照して、ＧａＮをチャネル材料としてＡｌＮと置き換えることは、ＧａＮと比較して非常に大きな破壊強度に起因して（ＧａＮよりも３倍大きい）高度にスケーリングされたトランジスタにおける極端に高い電圧を有効にし、ＡｌＮ対ＧａＮによる強いキャリアコンファイメントを理由に高電圧における高ゲインを維持し、熱管理を改善するために高い熱伝導性（２倍よりも大きいＧａＮ）に起因したより高い効率性のトランジスタを提供し、ＡｌＮ基板を採用することは、熱管理を更に改善する。そのような構造は、高電力切り替え用途のための既存の（ＳｉＣ、ＧａＮ）技術及び出現する（β－Ｇａ_２Ｏ_３）と比較して１０倍良好なＲ_ＯＮ－Ｖ_ＢＲＫ性能を有する。図２Ａ及び２Ｂのそれぞれにおける表及びプロットは、Ｊ． Ｙ． Ｔｓａｏ， Ａｄｖ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｍａｔ．， ｖｏｌ． ０４， １６００５０１， ２０１８からである。斜方晶系к－Ａｌ_２Ｏ_３の高分極であるが（ＡｌＮの約３倍大きい）、７．７ｅＶの大きなバンドギャップにより（ＡｌＮよりも高い１．５ｅＶよりも大きい）、極端に高い電圧動作が得られ得る。к－Ｂ_２Ｏ_３は、１１．３ｅＶの更に大きなバンドギャップを有し、バリア層としても使用され得る。

【0020】

к－Ａｌ_２Ｏ_３バリア層２４の分極がＡｌＮチャネル層２２と同一の方向にあることを仮定して、高密度２ＤＥＧが可能であることに留意されるべきである。１つの実施形態では、к－Ａｌ_２Ｏ_３バリア層は、３～１５ｎｍ、ここでは、おおよそ４ｎｍの厚みの範囲にある。

【0021】

上記でк－Ａｌ_２Ｏ_３／ＡｌＮ ＨＥＭＴ構造を説明してきたが、後者のバンドギャップがＡｌＮよりも大きいことを仮定して、к－Ａｌ_２Ｏ_３バリア層２４がк－Ｂ_２Ｏ_３、к－（Ａｌ_ｘＢ_１－ｘ）_２Ｏ_３、または代わりに、к－（Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}））_２Ｏ_３層と置き換えられることができることに留意されるべきである。

【0022】

開示のいくつかの実施形態が説明されてきた。しかしながら、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な修正が行われ得ることを理解されよう。チャネル及びバリア層の組成物は、その全体を通じて同一である必要はなく、また、複数の層、ＩＩＩ族元素の複数の組み合わせ、またはＩＩＩ族元素組成物のグラジエントから成り得る。更に、基板１８の結晶構造に関して単一の良好に定義された結晶質配向によるＡｌＮの堆積を有効にする他の単結晶基板１８が使用され得ることを理解されたい。これは、別の結晶質材料上での１つ以上の結晶質材料の堆積を介して形成され、または結晶質であり、ＡｌＮの結晶質成長をサポートする表面領域を定義するように１つ以上の層を共に接着することによって形成されたヘテロ接合構造を含む。したがって、他の実施形態は、以下の特許請求の範囲内にある。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【国際調査報告】