JP2004289005A - エピタキシャル基板、半導体素子および高電子移動度トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】半絶縁層の抵抗率が低く、半導体素子として有効に利用できるエピタキシャル基板を提供する。
【解決手段】エピタキシャル基板は、基板１と、基板１上にエピタキシャル成長された第一の窒化物半導体からなる下地層２と、下地層２上にエピタキシャル成長された第二の窒化物半導体からなる半絶縁層３とを備えている。第一の窒化物半導体において、ＩＩＩ属元素の含有量の合計に対するＡｌ含有量が５０原子％以上であり、転位密度が１０^１１／ｃｍ^２以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が２００秒以下である。第二の窒化物半導体が、Ｇａを含み、比抵抗が１０^４Ω・ｃｍ以上である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エピタキシャル基板、半導体素子および高電子移動度トランジスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、携帯電話や光通信などが発展する中で、高周波特性に優れ、低消費電力型で高出力の電子デバイスに対する需要が急速に増大している。このような用途としては、従来、ＳｉデバイスやＧａＡｓデバイスが用いられてきた。しかし、携帯電話の高性能化や光通信の高速化に伴い、より良い高周波特性で高出力の電子デバイスが望まれている。
【０００３】このため、ＧａＡｓ系のＨＥＭＴやシュードモルフイックＨＥＭＴ、ＧａＡｓ系のＨＢＴ などが実用化されている。また、さらに高性能な電子デバイスとして、ＩｎＰ 系のＨＥＭＴやＨＢＴ などの電子デバイスが盛んに研究開発されている。
【０００４】ＧａＮを用いた電子デバイスが最近注目されている。ＧａＮ はバンドギャップが３．３９ｅＶと大きいため、Ｓｉ、ＧａＡｓに比べて絶縁破壊電圧が約一桁大きく、電子飽和ドリフト速度が大きいため、Ｓｉ、ＧａＡｓに比べて電子デバイスとしての性能指数が優れており、高温動作デバイス、高出力デバイス、高周波デバイスとして、エンジン制御、電力変換、移動体通信などの分野で有望視されている。
【０００５】特に、非特許文献１がＡｌＧａＮ ／ＧａＮ 系のＨＥＭＴ構造の電子デバイスを実現して以来、世界中で開発が進められている。これらのＧａＮ 系の電子デバイスは従来、サファイア基板の上に所定の半導体層をエピタキシャル成長させて作製していた。
【非特許文献１】
Ｋｈａｎら（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．， ６３（１９９３），１２１４）
【０００６】本出願人は、特許文献１において、基板と、基板上の高結晶性ＡｌＮからなる下地層と、下地層上のＧａＮからなる導電層とを備えている半導体素子を開示している。また、この半導体素子を高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ素子）に使用することを開示している。
【特許文献１】
特開２００３−４５８９９号公報
【０００７】また、本発明者は、非特許文献２においては、サファイア基板／ＡｌＮ下地層／ＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層を備える高電子移動度トランジスタにおいて、直流特性が改善されたことを報告している。
【非特許文献２】
’’ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ’’ Ｖｏｌｕｍｅ ８１， ｎｕｍｂｅｒ ６， Ａｕｇ． ２００２ ’’Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｄｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ｈｉｇｈ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｏｎ ＡｌＮ／ｓａｐｐｈｉｒｅ ｔｅｍｐｌａｔｅｓ’’
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】高電子移動度トランジスタにおいては、キャリア移動層の抵抗値が高いことが必要である。しかし、特許文献１、非特許文献２においては、ＧａＮ膜の具体的な抵抗率は記載されていない。このため、実用に適した高効率の高電子移動度トランジスタを提供する上で問題があった。
【０００９】本発明の課題は、半導体素子として有効に利用できるエピタキシャル基板を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板と、基板上にエピタキシャル成長された第一の窒化物半導体からなる下地層と、下地層上にエピタキシャル成長された第二の窒化物半導体からなる半絶縁層とを備えており、第一の窒化物半導体において、ＩＩＩ属元素の含有量の合計に対するＡｌ含有量が５０原子％以上であり、転位密度が１０^１１／ｃｍ^２以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が２００秒以下であり、第二の窒化物半導体が、Ｇａを含み、比抵抗が１０^４Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする、エピタキシャル基板に係るものである。
【００１１】また、本発明は、前記エピタキシャル基板を備えていることを特徴とする、半導体素子に係るものである。
【００１２】また、本発明は、前記半導体素子、この半導体素子上のソース／ドレイン電極、及びゲート電極を備えていることを特徴とする、高電子移動度トランジスタに係るものである。
【００１３】本発明においては、転位密度が１０^１１／ｃｍ^２以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が２００秒以下であるような高品質の窒化物半導体からなる下地層を使用し、この上に、Ｇａ含有窒化物半導体からなる層を生成させる。ここで、この層が、製造条件によっては、１０^４Ω・ｃｍ以上の高い抵抗率を示し、例えば比較的高い抵抗率を必要とする高電子移動度トランジスタのキャリア移動層として好適であることを見いだし、本発明に到達した。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態に即して詳細に説明する。
【００１５】図１は、本発明の一実施形態に係る半導体素子を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）２０を模式的に示す断面図である。ＨＥＭＴ２０は、基板１、下地層２、キャリア移動層３、キャリア供給層４を備えている。キャリア供給層４上には、ソース電極７、ドレイン電極８、ゲート電極９が形成されている。キャリア移動層３を構成する第二の窒化物半導体の抵抗率を高くすることによって、シートキャリア密度を向上させることができる。
【００１６】本発明において、半絶縁層３を構成する窒化物半導体の比抵抗は１０^４Ω・ｃｍ以上であるが、好ましくは、１０^５Ω・ｃｍ以上、さらには１０^６Ω・ｃｍ以上が更に好ましい。
【００１７】基板１は、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ_２単結晶、ＬｉＧａＯ_２単結晶、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのＩＶ族あるいはＩＶ−ＩＶ族単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などのＩＩＩ−Ｖ族単結晶、ＺｒＢ２などのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。
【００１８】例えばサファイア単結晶基板を用いる場合は、下地層２を形成すべき主面に対して表面窒化処理を施すことが好ましい。表面窒化処理は、基板をアンモニアなどの窒素含有雰囲気中に配置し、所定時間加熱することによって実施する。そして、窒素濃度や窒化温度、窒化時間を適宜に制御することによって、基板主面に形成される窒化層の厚さを制御する。
【００１９】このようにして表面窒化層が形成された基板を用いれば、その主面上に直接的に形成される下地層２の結晶性をさらに向上させることができる。さらに、より厚く、例えば上述した好ましい厚さの上限値である３μｍまで、特別な成膜条件を設定することなく、クラックの発生や剥離を生じることなく厚くすることができる。
【００２０】下地層２における転移密度は１０^１１／ｃｍ^２以下であるが、転位密度は低いほど好ましい。特に好ましくは１０^１０／ｃｍ^２以下である。
【００２１】また、下地層２を構成する第一の窒化物半導体の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブにおける半値幅は２００秒以下であるが、１５０秒以下であることが好ましく、１００秒以下であることが更に好ましい。これによって、半絶縁層３の結晶性が一層良好となり、Ｘ線ロッキングカーブにおける半値幅で２００秒以下、好ましくは１５０秒以下の結晶性を示すようになる。
【００２２】したがって、半絶縁層３は低転位密度であるとともに、高い結晶性を有し、高品質な状態に形成することができるため、極めて高い移動度を有する。
【００２３】下地層において、ＩＩＩ族元素の全体に対するＡｌ含有量は５０原子％以上であるが、８０原子％以上であることが好ましく、さらには好ましくはＡｌＮである。
【００２４】結晶性向上の観点から、下地層２の膜厚は大きいほど好ましいが、膜厚が大きくなり過ぎるとクラックの発生や剥離などが生じる。したがって、下地層２の膜厚は基板１の材料により適宜選択されるが、０．３μｍ以上、好ましくは０．５μｍ以上であることが好ましく、さらには１μｍ〜３μｍであることが好ましい。
【００２５】下地層は、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びアンモニア（ＮＨ_３）を供給原料として用いることにより、ＭＯＣＶＤ法によって好ましくは１１００℃以上、さらに好ましくは１２００℃以上に加熱することによって形成することができる。
【００２６】また、下地層の形成温度は、上述したように１１００℃以上であることが好ましい。なお、本願発明における「形成温度」とは、前記下地層を形成する際の基板の温度である。
【００２７】また、下地層の形成温度の上限については特に限定されるものではないが、好ましくは１３００℃である。これによって、下地層を構成する窒化物半導体の材料組成などに依存した表面の荒れ、さらには下地層内における組成成分の拡散を効果的に抑制することができる。これによって、下地層の結晶性を良好な状態に保持することが可能となるとともに、表面の荒れに起因する半絶縁層の結晶性の劣化を効果的に防止できる。
【００２８】また、この場合において、下地層２を形成する際の温度を１２００℃以下、あるいは１１５０℃程度まで低減しても、その結晶性を十分に高く維持することができ、例えば、１０^１０／ｃｍ^２以下の転位密度を簡易に実現することができる。
【００２９】さらに、上述した表面窒化層上に下地層２を形成することにより、その厚さを大きくしても剥離やクラックが発生しにくくなる。このため、成膜条件などに依存することなく、例えば上述したような３μｍ程度まで簡易に厚く形成することができる。したがって、下地層２の、表面窒化層に起因した結晶性の向上と、厚さ増大による結晶性の向上との相乗効果によって、その結晶性はさらに向上し、転位密度をより低減させることができる。
【００３０】表面窒化層は、例えば、基板主面から１０オングストロームの深さにおける窒素含有量が２原子％以上となるようにすることが好ましい。
【００３１】下地層２内のクラックを抑制するために、下地層２の組成を、基板１側から半絶縁層３側に向かって連続的又はステップ状に変化させることが好ましい。これによって下地層のクラックを抑制することができる。また、半絶縁層へのキャリア閉じ込め効果を向上させ、シートキャリア密度を向上させることができる。たとえば、０．０５μｍ厚みごとにＡｌＮからＡｌ_０．５Ｇａ_０．５ＮまでＡｌ組成を０．０５きざみで変化させる。
【００３２】半絶縁層３を構成する第二の窒化物半導体は、Ｇａを含むことが必要であるが、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、及びＢなどの添加元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
好適な実施形態においては、第二の窒化物半導体の主成分がＧａＮである。ここでＧａＮは好ましくは第二の窒化物半導体中の８０原子％以上を占めており、一層好ましくは９０原子％以上を占めている。
【００３３】また、好適な実施形態においては、第二の窒化物半導体において、ＩＩＩ族元素の含有量の合計に対するＡｌ含有量が１原子％以下含ませる。これによって、残留キャリアがＡｌ原子近傍でトラップされ、半絶縁層３の抵抗を、より高抵抗化させることができる。この場合には、半絶縁層の全体に均一にＡｌを含有させる必要はない。
【００３４】第二の窒化物半導体は、例えば、ガリウム源および他の金属源およびおよびアンモニア（ＮＨ_３）を供給原料として用いることにより、ＭＯＣＶＤ法によって形成できる。この際の形成温度は、１０００℃以上で、１１００℃以下であることが好ましい。
【００３５】また、第二の窒化物半導体を形成する際の圧力を３００ｍｂａｒ以下とすることによって、第二の窒化物半導体の抵抗率を高くすることができる。この観点からは、前記圧力を２００ｍｂａｒ以下とすることが更に好ましい。
【００３６】以上、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、各層の厚さ、組成、及びキャリア濃度などについては、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００３７】例えば、図１に示すＨＥＭＴのキャリア移動層３とキャリア供給層４との間に、Ｓｉの拡散を防止するためのスペーサー層としてのｉ−ＡｌＧａＮ層を挿入することもできる。また、キャリア供給層４上に電極のコンタクト抵抗を低減するための、コンタクト層としてのｎ−ＧａＮ層などを積層することもできる。さらには、キャリア供給層４とコンタクト層との間にＳｉの拡散を防止すべくバリア層を挿入することもできる。
【００３８】また、本発明の半導体素子は、例えば携帯電話基地局や無線ＬＡＮ向けの増幅器などの、高速あるいは高出力で動作することが必要な、電子デバイスに利用可能である。
【００３９】
【実施例】（実施例１）
図１に示すような積層構造１、２、３を製造した。具体的には、２インチ径の厚さ６３０μｍのサファイア基板１をアセトン及びＩＰＡで超音波洗浄した後、水洗乾燥した後、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。ＭＯＣＶＤ装置には、ガス系としてＮＨ_３、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＳｉＨ_４が取り付けてある。圧力を５０ｍｂａｒに設定し、Ｈ_２を流速１ｍ／ｓｅｃで流しながら、基板１を１２００℃まで昇温した。その後、ＮＨ_３ガスを水素キャリアガスとともに５分間流し、基板１の主面を窒化させた。なお、ＥＳＣＡによる分析の結果、この表面窒化処理によって、基板主面には窒化層が形成されており、主面から深さ１ｎｍにおける窒素含有量が７原子％であることが判明した。
【００４０】次いで、ＴＭＡ及びＮＨ_３を合計して流速５ｍ／ｓｅｃで流して、下地層２（ＡｌＮ層）を厚さ１μｍまでエピタキシャル成長させた。このＡｌＮ層２の転位密度は２×１０^１０／ｃｍ^２であり、（００２）面におけるＸ線回折ロッキングカーブの半値幅は６０秒であり、良質のＡｌＮ層であることがわかった。さらに、ＡｌＮ層の表面平坦性を確認したところ、５μｍ範囲におけるＲａが１．５オングストロームであり、極めて平坦な表面を有することが判明した。
【００４１】次いで、圧力を２００ｍｂａｒに設定し、基板を１０８０℃まで昇温し、ＴＭＧ、ＮＨ_３、及びキャリアガスとしてのＨ_２、Ｎ_２を合計して流速１ｍ／ｓｅｃで流して、ＧａＮ層３を厚さ３μｍにエピタキシャル成長させた。このＧａＮ層３の転位密度は１×１０^８／ｃｍ^２であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は１００秒であった。
【００４２】最後に、キャリア密度１×１０^{１ ８}／ｃｍ^３となるようにＳｉＨ_４を添加して、電極とのコンタクト層となるｎ−ＧａＮを１０ｎｍ成長した。成長終了後、ＧａＮ層３表面にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなる四端子測定用の電極を形成し、電極が被覆されていない部分のｎ−ＧａＮの部分をエッチングにより除去して、比抵抗測定をおこなったところ、ＧａＮ層３の比抵抗は、１×１０^６ 〜１×１０^７Ωｃｍであった。
【００４３】（比較例１）
ＧａＮ層３の成長時の圧力を２００ｍｂａｒから４００ｍｂａｒに変更する以外は、実施例１と同様にＧａＮ層３をＡｌＮ層２上に成長した。電極形成についても、実施例１と同様に行った。その結果、ＧａＮ層３の比抵抗は、１〜１０００Ωｃｍと低い比抵抗を示した。
【００４４】（比較例２）
基板１の前処理は、実施例１と同様に行った。この後、ＭＯＣＶＤ装置内に基板１を設置し、圧力を２００ｍｂａｒに設定し、Ｈ_２を流速１ｍ／ｓｅｃで流しながら、基板を５５０℃まで昇温した。その後、ＴＭＧ及びＮＨ_３を合計して流速５ｍ／ｓｅｃで流して、バッファ層としてのＧａＮ層２を厚さ２０ｎｍまで成長した。
【００４５】次いで、圧力を２００ｍｂａｒに設定し、基板を１０８０℃まで昇温し、ＴＭＧ、ＮＨ_３、及びキャリアガスとしてのＨ_２、Ｎ_２を合計して流速１ｍ／ｓｅｃで流して、ＧａＮ層３を厚さ３μｍにエピタキシャル成長させた。次いで、実施例１と同様にして電極を形成し、比抵抗を測定した。その結果、ＧａＮ層の比抵抗は、１〜１００Ωｃｍであった。
【００４６】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、基板と、基板上にエピタキシャル成長された第一の窒化物半導体からなる下地層と、下地層上にエピタキシャル成長された第二の窒化物半導体からなる半絶縁層とを備えているエピタキシャル基板であって、半絶縁層の抵抗率が低く、半導体素子として有効に利用できるエピタキシャル基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体素子２０を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】１ 基板 ２ 下地層 ３ 半絶縁層 ４ キャリア供給層 ２０ 半導体素子

Claims (12)

1. 基板と、この基板上にエピタキシャル成長された第一の窒化物半導体からなる下地層と、この下地層上にエピタキシャル成長された第二の窒化物半導体からなる半絶縁層とを備えており、前記第一の窒化物半導体において、ＩＩＩ族元素の含有量の合計に対するＡｌ含有量が５０原子％以上であり、転位密度が１０^１１／ｃｍ^２以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が２００秒以下であり、前記第二の窒化物半導体が、Ｇａを含み、比抵抗が１０^４Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする、エピタキシャル基板。
2. 前記第一の窒化物半導体において、ＩＩＩ族元素の含有量の合計に対するＡｌ含有量が８０原子％以上であることを特徴とする、請求項１記載のエピタキシャル基板。
3. 前記第一の窒化物半導体がＡｌＮであることを特徴とする、請求項２記載のエピタキシャル基板。
4. 前記第一の窒化物半導体が、化学的気相成長法によって１１００℃以上の温度で形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載のエピタキシャル基板。
5. 前記基板が前記下地層下に基板窒化層を備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載のエピタキシャル基板。
6. 前記第一の窒化物半導体の組成が、前記基板から前記半絶縁層へと向かって連続的またはステップ状に変化していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載のエピタキシャル基板。
7. 前記第二の窒化物半導体において、ＩＩＩ族元素の含有量の合計に対するＡｌ含有量が１原子％以上であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載のエピタキシャル基板。
8. 前記第二の窒化物半導体の主成分がＧａＮであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載のエピタキシャル基板。
9. 前記第二の窒化物半導体が、化学的気相成長法により３００ｍｂａｒ以下の圧力で形成されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載のエピタキシャル基板。
10. 請求項１〜９のいずれか一つの請求項に記載のエピタキシャル基板を備えていることを特徴とする、半導体素子。
11. 前記半絶縁層がキャリア移動層であり、このキャリア移動層上にエピタキシャル成長された、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む第三の窒化物半導体からなるキャリア供給層を備えていることを特徴とする、請求項１０記載の半導体素子。
12. 請求項１１記載の半導体素子、この半導体素子上のソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を備えていることを特徴とする、高電子移動度トランジスタ。

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