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JP4682541B2 - Semiconductor crystal growth method - Google Patents

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JP4682541B2 JP2004176675A JP2004176675A JP4682541B2 JP 4682541 B2 JP4682541 B2 JP 4682541B2 JP 2004176675 A JP2004176675 A JP 2004176675A JP 2004176675 A JP2004176675 A JP 2004176675A JP 4682541 B2 JP4682541 B2 JP 4682541B2
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Description

本発明は、高い絶縁性を示す半導体の結晶成長方法に関する。
本発明は、例えば電界効果トランジスタの製造などに大いに有用なものである。
The present invention relates to crystal growth how the semiconductor exhibiting high insulating properties.
The present invention is very useful for manufacturing, for example, field effect transistors.

従来の電界効果トランジスタとしては、例えば、ノンドープのGaN層をチャネル層として導入したHEMTなどの半導体デバイスが開発されているが、これらの従来のデバイスでは、核形成層(即ち、格子定数差緩和層)の上側の界面近傍に短絡経路の一部を構成する、望ましくない導電層が形成されてしまうという問題があった。この様な導電層が素子内に生じると、素子の耐圧性が劣化するので望ましくない。   As conventional field effect transistors, for example, semiconductor devices such as HEMTs in which a non-doped GaN layer is introduced as a channel layer have been developed. In these conventional devices, a nucleation layer (that is, a lattice constant difference relaxation layer) is developed. There is a problem in that an undesired conductive layer forming a part of the short-circuit path is formed in the vicinity of the upper interface. If such a conductive layer is generated in the element, the pressure resistance of the element deteriorates, which is not desirable.

そこで、この問題を解決するために、例えば下記の特許文献1に記載されている電界効果トランジスタなどが考案されている。この電界効果トランジスタは、核形成層の次に積層されるバッファ層に対して例えばZnなどのIIB族の不純物を添加することにより、チャネル層に不純物が拡散し難い高抵抗率の半導体層からバッファ層を形成する点に特徴があり、これにより、この電界効果トランジスタでは、電気的な素子分離と絶縁耐圧の向上を図っている。   In order to solve this problem, for example, a field effect transistor described in Patent Document 1 below has been devised. In this field effect transistor, by adding an IIB group impurity such as Zn to the buffer layer stacked next to the nucleation layer, the buffer layer is buffered from a high resistivity semiconductor layer in which the impurity hardly diffuses into the channel layer. This is characterized in that the layer is formed. With this field effect transistor, electrical element isolation and insulation withstand voltage are improved.

また、パワーHFETに使用されたシート抵抗の高い半導体層としては、例えば下記の非特許文献1に記載されているノンドープのGaN層などが公知である。ここで用いられたノンドープのGaN層は、1050℃の結晶成長温度で2μmの膜厚に積層されたもので、このGaN層ではシート抵抗を100MΩ/cm2 (抵抗率:2×104 Ωcm)より大きくすることができるとの報告がされている。
特開2002−57158 吉田清輝、「AlGaN/GaNパワーFET」古河電工時報、第109号、平成14年1月
Moreover, as a semiconductor layer with high sheet resistance used for power HFET, the non-doped GaN layer etc. which are described in the following nonpatent literature 1, etc. are known, for example. The non-doped GaN layer used here was laminated to a film thickness of 2 μm at a crystal growth temperature of 1050 ° C. The sheet resistance of this GaN layer was 100 MΩ / cm 2 (resistivity: 2 × 10 4 Ωcm). It has been reported that it can be made larger.
JP 2002-57158 A Yoshida Kiyoteru, “AlGaN / GaN Power FET” Furukawa Electric Time Report, No. 109, January 2002

しかしながら、不純物を高濃度に添加した半導体層を形成した場合、その後に不純物濃度が十分に低いノンドープ層を積層することは、必ずしも容易ではない。これは、結晶成長炉に不純物が残留してしまうことや、或いは積層後の各半導体層間で、依然としてその不純物が拡散してしまう等の事情による。
チャネルを形成すべき半導体中にこの様な不純物が混入すると、高い移動度を有するチャネルを形成することは難しくなる。これは、チャネルを形成する半導体層に含まれる不純物によって、キャリアが移動中に散乱されてしまうためである。
However, when a semiconductor layer to which an impurity is added at a high concentration is formed, it is not always easy to stack a non-doped layer having a sufficiently low impurity concentration after that. This is due to circumstances such as impurities remaining in the crystal growth furnace, or impurities still diffusing between the stacked semiconductor layers.
When such an impurity is mixed in a semiconductor in which a channel is to be formed, it becomes difficult to form a channel having high mobility. This is because carriers are scattered during movement by impurities contained in a semiconductor layer forming a channel.

一方、耐圧性の高い半導体デバイスを製造しようとする場合に、100MΩ/cm2 程度のシート抵抗では必ずしも十分とは言い難く、よって、上記の非特許文献1に記載されている技術では、近年の更に高い要求性能に見合う程十分に高い絶縁性を有する半導体を結晶成長させることは難しい。また、それらの具体的な対策について、上記の非特許文献1からは、上記の他に何も知ることができない。 On the other hand, when trying to manufacture a semiconductor device with high pressure resistance, a sheet resistance of about 100 MΩ / cm 2 is not necessarily sufficient. Therefore, in the technique described in Non-Patent Document 1 described above, In addition, it is difficult to grow a semiconductor having a sufficiently high insulating property to meet the required performance. In addition to the above, nothing can be known about the specific countermeasures from Non-Patent Document 1 described above.

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、絶縁性に優れたノンドープの半導体層を実現することである。
また、本発明の更なる目的は、チャネル中を移動するキャリアの移動度と素子の耐圧性とがそれぞれ共に高い半導体デバイスを実現することである。
ただし、上記の個々の目的は、本発明の個々の手段の内の少なくとも何れか1つによって、個々に達成されれば十分であって、本願の個々の発明(下記の個々の手段)は、上記の全ての課題を同時に解決する具体的実施形態が存在することを必ずしも保証するものではない。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to realize a non-doped semiconductor layer having excellent insulating properties.
A further object of the present invention is to realize a semiconductor device in which both the mobility of carriers moving in the channel and the breakdown voltage of the element are both high.
However, it is sufficient that the above individual objects are achieved individually by at least one of the individual means of the present invention, and the individual invention of the present application (the individual means described below) It does not necessarily guarantee that there is a specific embodiment that solves all of the above problems at the same time.

上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第1の手段は、Alx Ga1-x N(0≦x≦1)から成る半導体の結晶成長基板上に III族窒化物系化合物半導体より成るバッファ層とバリア層とを有し、バッファ層のバリア層に対する界面側にチャネルが形成された電界効果トランジスタの製造方法において、バッファ層の少なくとも一部分を、ノンドープのAlx Ga1-x N(0≦x≦1)から成る高抵抗半導体層Aにより形成し、高抵抗半導体層Aの少なくとも結晶成長初期段階において、高抵抗半導体層Aの結晶成長温度は、1120℃以上、1160℃以下であり、高抵抗半導体層Aの結晶成長速度は、65nm/min以上、100nm/min以下であり、高抵抗半導体層Aの結晶成長工程において、反応室内に供給する結晶材料ガスのV/III 比は、1400以上、1550以下とすることである。
ただし、上記の初期段階とは、高抵抗半導体層Aの結晶成長を開始してから最初のおよそ1分間程度のことを言う。
In order to solve the above problems, the following means are effective.
That is, the first means of the present invention is to provide a buffer layer made of a group III nitride compound semiconductor and a barrier layer on a semiconductor crystal growth substrate made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1). In the method of manufacturing a field effect transistor having a channel formed on the interface side of the buffer layer with respect to the barrier layer, at least a part of the buffer layer is made of non-doped Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1). The crystal growth temperature of the high-resistance semiconductor layer A is 1120 ° C. or higher and 1160 ° C. or lower at least in the initial stage of crystal growth of the high-resistance semiconductor layer A. The growth rate is 65 nm / min or more and 100 nm / min or less. In the crystal growth process of the high resistance semiconductor layer A, the V / III ratio of the crystal material gas supplied into the reaction chamber is 1400 or more. , Is that it 1550 or less.
However, the above-mentioned initial stage means the first approximately one minute after the crystal growth of the high-resistance semiconductor layer A is started.

また、本発明の第2の手段は、上記の第1の手段において、上記の高抵抗半導体層AをノンドープのGaN結晶から形成することである。 A second means of the present invention is to form the high-resistance semiconductor layer A from a non-doped GaN crystal in the first means.

また、本発明の第3の手段は、上記の第1又は第2の手段において、少なくともこの高抵抗半導体層Aの結晶成長初期段階における結晶成長速度を70nm/min以上、90nm/min以下にすることである。 According to a third means of the present invention, in the first or second means described above, at least the crystal growth rate in the initial stage of crystal growth of the high-resistance semiconductor layer A is 70 nm / min or more and 90 nm / min or less. That is.

また、本発明の第4の手段は、上記の第1乃至第3の何れか1つの手段において、この高抵抗半導体層Aの少なくとも結晶成長初期段階における結晶成長温度を1130℃以上、1150℃以下にすることである。更に望ましくは、その結晶成長温度を1130℃以上、1140℃以下にすることである。 According to a fourth means of the present invention, in any one of the first to third means described above, the crystal growth temperature of the high resistance semiconductor layer A at least in the initial stage of crystal growth is 1130 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower. Is to do. More preferably, the crystal growth temperature is 1130 ° C. or higher and 1140 ° C. or lower.

また、本発明では、高抵抗半導体層Aの少なくとも結晶成長初期段階において、反応室内に供給する結晶材料ガスのV/III 比を1400以上、1550以下にしている。
ただし、ここで言う結晶材料ガスのV/III 比とは、結晶成長させるべき半導体層を構成するV族元素の結晶材料ガスの単位体積当たりのモル数の、同 III族元素の結晶材料ガスの単位体積当たりのモル数に対する比のことである。
In the present invention, at least in the initial stage of crystal growth of the high-resistance semiconductor layer A, the V / III ratio of the crystal material gas supplied into the reaction chamber is set to 1400 or more and 1550 or less .
However, the V / III ratio of the crystal material gas referred to here is the number of moles per unit volume of the crystal material gas of the group V element constituting the semiconductor layer to be crystal-grown, of the crystal material gas of the group III element. It is the ratio to the number of moles per unit volume.

以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。   By the above means of the present invention, the above-mentioned problem can be effectively or rationally solved.

以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明によれば、高い抵抗率を有する半導体層が結晶成長するので、この半導体層(高抵抗半導体層A)の絶縁性を従来よりも高くすることができる。したがって、本発明の第1の手段によれば、上側の界面の良好な平坦性と良好な結晶性とを兼ね備えた理想的なノンドープの高抵抗層を形成することができる。
The effects obtained by the above-described means of the present invention are as follows.
That is, according to the present onset bright, the semiconductor layer having a high resistivity is grown, an insulating the semiconductor layer (high-resistance semiconductor layer A) can be higher than conventional. Therefore, according to the first means of the present invention, an ideal non-doped high resistance layer having both good flatness and good crystallinity of the upper interface can be formed.

この様な結晶成長条件下において、絶縁性の高い半導体層が形成できる作用原理に付いては、未だ今のところ十分には解明されていないが、核形成層とその上に結晶成長される半導体層との間の界面に従来形成されていた界面準位が、上記の結晶成長条件下においては形成され難くなり、その結果、その界面近傍に形成されていた前述の従来の導電層が消滅するために、上記の効果が得られるものと思われる。この界面準位の形成に、特に深く係わる結晶成長工程上の期間は、上記の高抵抗半導体層Aの結晶成長工程の初期段階であり、その期間は、最初の数分以内と思われる。   Under such conditions of crystal growth, the principle of operation that can form a highly insulating semiconductor layer has not yet been fully elucidated, but a nucleation layer and a semiconductor on which crystal is grown. The interface state conventionally formed at the interface with the layer becomes difficult to be formed under the above-mentioned crystal growth conditions, and as a result, the above-described conventional conductive layer formed in the vicinity of the interface disappears. Therefore, it is considered that the above effect can be obtained. The period on the crystal growth process that is particularly deeply related to the formation of the interface states is the initial stage of the crystal growth process of the high-resistance semiconductor layer A, and the period seems to be within the first few minutes.

また、上記の高抵抗半導体層Aの結晶成長速度(成長レート)は、65nm/min以上である。即ち、少なくとも、高抵抗半導体層Aの結晶成長工程の初期段階において、この様に比較的高い成長レートで高抵抗半導体層Aを結晶成長させることにより、より確実に上記の作用・効果を得ることができる。 Further, crystal growth rate of the high-resistance semiconductor layer A (growth rate) is 65 nm / min or more. That is, at least in the initial stage of the crystal growth process of the high-resistance semiconductor layer A, the high-resistance semiconductor layer A is crystal-grown at such a relatively high growth rate, so that the above-described operations and effects can be obtained more reliably. Can do.

また、本発明の第2の手段によれば、上記の高抵抗半導体層AをノンドープのGaNから成る半導体層で形成することができる。ノンドープのGaNから成る半導体層は、あらゆる半導体デバイスの下地基板や下地層などとして非常に有用である。また、例えば後述の実施例でも例示する様に、電界効果トランジスタのバッファ層などにも非常に有用である。したがって、本発明の第2の手段によれば、GaNから成る産業上極めて有用な高抵抗の半導体層を製造することができる。 According to the second means of the present invention, the high-resistance semiconductor layer A can be formed of a semiconductor layer made of non-doped GaN. A semiconductor layer made of non-doped GaN is very useful as a base substrate or base layer of any semiconductor device. Further, for example, as illustrated in examples described later, it is very useful for a buffer layer of a field effect transistor. Therefore, according to the second means of the present invention, it is possible to manufacture a highly resistive semiconductor layer made of GaN which is extremely useful in industry.

また、以下に示す結晶成長条件は、上記の高抵抗半導体層Aに関する任意のアルミニウム組成比xに対して十分に有効であるが、特にGaN結晶(x=0)に対して最適となる様に設定したものである。 The crystal growth conditions shown below are sufficiently effective for an arbitrary aluminum composition ratio x related to the above-described high-resistance semiconductor layer A, but are particularly optimized for a GaN crystal (x = 0). It is set.

例えば、高抵抗半導体層Aの結晶成長速度は、100nm/min以下にすると良い。この場合、高抵抗半導体層Aの良好な絶縁性を維持しつつ高抵抗半導体層Aの結晶性をも良好に確保することができる。また、更に、高抵抗半導体層Aの上側の界面或いは表面の平坦性若しくは平滑性を良好に確保することができる。
したがって、例えば電界効果トランジスタのバッファ層をこの様な高抵抗半導体層Aで形成すると、チャネル中を移動するキャリアの散乱が起り難くなるため、キャリアの移動度が高い素子を製造することができる。
For example, the crystal growth rate of the high resistance semiconductor layer A is preferably 100 nm / min or less . In this case, the crystallinity of the high resistance semiconductor layer A can be ensured well while maintaining the good insulation of the high resistance semiconductor layer A. Furthermore, the flatness or smoothness of the upper interface or surface of the high-resistance semiconductor layer A can be ensured satisfactorily.
Therefore, for example, when the buffer layer of the field effect transistor is formed of such a high-resistance semiconductor layer A, carriers that move in the channel are less likely to be scattered, and thus an element with high carrier mobility can be manufactured.

この高抵抗半導体層Aの結晶成長速度に関するより望ましい範囲は、70nm/min以上、90nm/min以下である。
また、この高抵抗半導体層Aの結晶成長速度に関するより望ましい範囲は、1130℃以上、1150℃以下である。
また、本発明の結晶成長条件を実際に容易に実現するためには、上記の結晶材料ガスのV/III 比を、1400以上、1550以下にする。
A more desirable range regarding the crystal growth rate of the high-resistance semiconductor layer A is 70 nm / min or more and 90 nm / min or less .
A more desirable range for the crystal growth rate of the high-resistance semiconductor layer A is 1130 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower .
In order to actually realize the crystal growth conditions of the present invention easily, the V / III ratio of the crystal material gas is set to 1400 or more and 1550 or less .

これらの結晶成長条件に従えば、上側の界面の良好な平坦性と良好な結晶性とを兼ね備えた理想的なノンドープの高抵抗層をより確実に形成することができる。即ち、これらの結晶成長条件は、半導体層の界面又は表面の平坦性の確保と、半導体デバイスの耐圧性の確保と言う相異なる2つの課題に対する解決策を非常に高い次元で両立させる上で極めて重要な条件となる。
また、これらの条件を満たすノンドープの高抵抗層を利用すれば、例えば電界効果トランジスタのバッファ層を極めて良好に形成することができ、素子の作動性能や耐圧性が、同時に向上する。
According to these crystal growth conditions, an ideal non-doped high resistance layer having both good flatness of the upper interface and good crystallinity can be formed more reliably. In other words, these crystal growth conditions are extremely important in achieving a very high level of solution for two different problems of ensuring the flatness of the interface or surface of the semiconductor layer and ensuring the pressure resistance of the semiconductor device. It becomes an important condition.
Further, if a non-doped high resistance layer satisfying these conditions is used, for example, a buffer layer of a field effect transistor can be formed extremely well, and the operating performance and pressure resistance of the device are simultaneously improved.

また、核形成層(即ち、格子定数差緩和層)の結晶成長温度を800℃未満に設定すれば、高抵抗半導体層Aに対して結晶成長面を提供する半導体(核形成層)の核密度や個々の核形状などが好適化若しくは最適化されて、この半導体と高抵抗半導体層Aとの界面付近における高抵抗半導体層Aの好適なELO成長若しくは上記のファセット成長が良好に促進される。この結果、高抵抗半導体層Aの結晶性と絶縁性とが双方共に良好に確保される。この方法は、サファイア基板を用いる時には特に有効であるが、その他の基板を用いる場合にも勿論有用である。   Further, if the crystal growth temperature of the nucleation layer (that is, the lattice constant difference relaxation layer) is set to less than 800 ° C., the nucleus density of the semiconductor (nucleation layer) that provides a crystal growth surface to the high-resistance semiconductor layer A As a result, the shape of each core and the shape of each nucleus are optimized or optimized, and favorable ELO growth or facet growth of the high resistance semiconductor layer A in the vicinity of the interface between the semiconductor and the high resistance semiconductor layer A is promoted well. As a result, both the crystallinity and the insulating properties of the high resistance semiconductor layer A are ensured satisfactorily. This method is particularly effective when a sapphire substrate is used, but it is also useful when using other substrates.

この時の上記の半導体(核形成層)の成長温度は、600℃以下がより望ましく、更に望ましくは約400℃程度が良い。これらの条件下においてより良い結果が得られるのは、上記の核形成層の核密度や個々の核形状などが、これらの条件下において最適化されるためだと考えられる。
なお、この様なファセット成長若しくはELO成長の作用としては、例えば次の参考文献1などに、関連する公知事例が記載されている。
(参考文献1):天野、赤崎、「サファイア基板上 III族窒化物」応用物理、第68巻、第7号(1999)、p.700〜772.
The growth temperature of the semiconductor (nucleation layer) at this time is more preferably 600 ° C. or less, and more preferably about 400 ° C. It is thought that better results are obtained under these conditions because the nucleation density and the individual nuclei shape of the nucleation layer are optimized under these conditions.
As for the effect of such facet growth or ELO growth, for example, the following Reference 1 describes related known cases.
(Reference 1): Amano, Akasaki, “Group III nitride on sapphire substrate” Applied Physics, Vol. 68, No. 7 (1999), p. 700-772.

また、以上の様な方法、即ち、本発明の第1乃至第7の何れか一つの手段によって製造された II族窒化物系化合物半導体(:上記の高抵抗半導体層A)は、上記の通り、1×108 Ωcm以上もの非常に高い抵抗率を示すので、これらの半導体は産業上極めて有用なものとなる。 The group II nitride compound semiconductor (: high resistance semiconductor layer A) manufactured by the above method, that is, any one of the first to seventh means of the present invention is as described above. Since these semiconductors exhibit a very high resistivity of 1 × 10 8 Ωcm or more, these semiconductors are extremely useful industrially .

た、電界効果トランジスタにおいて、上側の界面の良好な平坦性と良好な結晶性とを兼ね備えた理想的なノンドープのバッファ層を形成することができるので、高い移動度を備えた目的の高性能な電界効果トランジスタの耐圧性を従来よりも大幅に高く確保することができる。 Also, in a field effect transistor, it is possible to form an ideal undoped buffer layer having both excellent flatness of the upper surface and good crystallinity, the purpose of having a high mobility performance Therefore, it is possible to ensure the pressure resistance of the field effect transistor significantly higher than that of the conventional one.

た、上側の界面の良好な平坦性と良好な結晶性とを兼ね備えた理想的なノンドープの高抵抗層を形成することができる。このため、目的の半導体デバイスにおいて、少なくともその高抵抗層の結晶品質を良好に確保すると同時に、その半導体デバイスの耐圧性を従来よりも大幅に高く確保することができる。 Also, it is possible to form a high-resistance layer of an ideal undoped having both good flatness of the upper surface and good crystallinity. For this reason, in the target semiconductor device, at least the crystal quality of the high resistance layer can be ensured satisfactorily, and at the same time, the pressure resistance of the semiconductor device can be ensured significantly higher than before.

なお、上記の半導体層を結晶成長させる方法としては、有機金属化合物気相成長法(MOVPE)の他にも、分子線気相成長法(MBE)や、ハライド気相成長法(HVPE)等が有効である。   As a method for crystal growth of the semiconductor layer, there are molecular beam vapor phase epitaxy (MBE), halide vapor phase epitaxy (HVPE) and the like in addition to metal organic compound vapor phase epitaxy (MOVPE). It is valid.

また、結晶成長の際に半導体層の結晶材料ガスを運ぶのに使用するキャリアガスとしては、水素(H2 )ガスの他にも不活性ガスを使用することができる。これらの不活性ガスとしては、希ガス(He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn)や、窒素(N2 )ガスや、或いはこれらの混合気体を用いることができる。また、不活性ガスとしてこれらの混合気体を用いる場合には、その混合比は任意で良い。また、主なキャリアガス(即ち、キャリアガスの主成分)としてこれらの不活性ガスを用いる場合、結晶成長させるべき半導体結晶中に、望ましくない原子や分子が残留する恐れがない限り、例えば水素(H2 )ガスなどのその他の気体が、そのキャリアガス中に微量若しくは若干量混合されていても、特段本発明の作用を妨げるものではない。 In addition to hydrogen (H 2 ) gas, an inert gas can be used as the carrier gas used to carry the crystal material gas of the semiconductor layer during crystal growth. As these inert gases, rare gases (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), nitrogen (N 2 ) gas, or a mixed gas thereof can be used. Moreover, when using these mixed gases as an inert gas, the mixing ratio may be arbitrary. In addition, when these inert gases are used as the main carrier gas (that is, the main component of the carrier gas), hydrogen (for example, hydrogen (unless there is a possibility that undesirable atoms and molecules remain in the semiconductor crystal to be crystal-grown), for example. Even if other gases such as H 2 ) gas are mixed in the carrier gas in a trace amount or a slight amount, the operation of the present invention is not particularly disturbed.

また、本発明の電界効果トランジスタを構成する結晶成長基板の材料としては、耐熱性や放熱性の点で炭化シリコン(SiC)が最も適しているが、比較的安価なサファイアやシリコン(Si)などを用いても良い。また、GaN基板を用いることは、価格や放熱性などの点で必ずしも有利とは言えないが、GaN基板の採用は、特に本発明の適用を妨げるものではない。
また、本発明の電界効果トランジスタを構成するオーミック電極やショットキー電極の形成形態としては、周知の任意の形態を採用することができる。例えば、ゲート電極は、バリア層の最上層の上に薄膜の絶縁膜を介して形成しても良い。
As a material for the crystal growth substrate constituting the field effect transistor of the present invention, silicon carbide (SiC) is most suitable in terms of heat resistance and heat dissipation, but relatively inexpensive sapphire, silicon (Si), etc. May be used. In addition, using a GaN substrate is not necessarily advantageous in terms of cost and heat dissipation, but adoption of the GaN substrate does not particularly impede application of the present invention.
In addition, as a form of forming the ohmic electrode or the Schottky electrode constituting the field effect transistor of the present invention, any known form can be adopted. For example, the gate electrode may be formed on the uppermost layer of the barrier layer via a thin insulating film.

また、本発明の電界効果トランジスタを構成するバリア層は、素子の種類や機能に応じて、ノンドープの半導体層から形成しても、不純物を添加した半導体層から形成しても良い。また、これらのバリア層は、互いに組成の異なる複数の半導体層から形成しても良い。これらの事情は、本発明の電界効果トランジスタを構成するバッファ層についても同様である。ただし、チャネルを構成する半導体層は、キャリアの散乱を防止してキャリアの移動度を向上させるために、ノンドープの半導体層から形成することが望ましい。したがって、バッファ層を構成する半導体層の内の少なくとも最上層は、ノンドープの半導体層から形成することが望ましい。   The barrier layer constituting the field effect transistor of the present invention may be formed from a non-doped semiconductor layer or an impurity-added semiconductor layer depending on the type and function of the element. These barrier layers may be formed from a plurality of semiconductor layers having different compositions. The same applies to the buffer layer constituting the field effect transistor of the present invention. However, the semiconductor layer constituting the channel is preferably formed from a non-doped semiconductor layer in order to prevent carrier scattering and improve carrier mobility. Therefore, it is desirable to form at least the uppermost layer of the semiconductor layers constituting the buffer layer from a non-doped semiconductor layer.

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples.
However, the embodiments of the present invention are not limited to the following examples.

図1は、ノンドープの高抵抗半導体層13を有する本実施例1のMOVPE法で作製した試料10の断面図である。基板11は、炭化シリコン(4H−SiC)から形成されており、その上には、成長温度1140℃にて結晶成長された膜厚約200nmのAlNから成る高温成長核形成層12が積層されている。高温成長核形成層12の上に積層されているノンドープのGaNから成る高抵抗半導体層13の膜厚は約2μmであり、その結晶成長条件は以下の通りとした。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a sample 10 manufactured by the MOVPE method of Example 1 having a non-doped high-resistance semiconductor layer 13. The substrate 11 is made of silicon carbide (4H—SiC), and a high-temperature growth nucleation layer 12 made of AlN having a thickness of about 200 nm grown at a growth temperature of 1140 ° C. is laminated thereon. Yes. The film thickness of the high-resistance semiconductor layer 13 made of non-doped GaN stacked on the high-temperature growth nucleation layer 12 was about 2 μm, and the crystal growth conditions were as follows.

(高抵抗半導体層13の結晶成長条件)
キャリアガス : 水素(H2 )ガス
成長炉内全圧 : 1013〔hPa〕
結晶成長速度 : 80〔nm/min〕
V/III 比 : 1473
結晶成長温度 :(a)1120〔℃〕,(b)1130〔℃〕,
(c)1140〔℃〕,(d)1150〔℃〕
(Crystal growth conditions for the high-resistance semiconductor layer 13)
Carrier gas: Hydrogen (H 2 ) gas Growing furnace total pressure: 1013 [hPa]
Crystal growth rate: 80 [nm / min]
V / III ratio: 1473
Crystal growth temperature: (a) 1120 [° C.], (b) 1130 [° C.],
(C) 1140 [° C], (d) 1150 [° C]

(耐圧性に対する評価)
上記の各結晶成長条件に従って上記のノンドープの高抵抗半導体層13を積層して、図1の試料10を各結晶成長温度(a)〜(d)毎に合計4種類作製した。その各高抵抗半導体層13の上側表面の左右両端付近にそれぞれ厚さ約15nmのバナジウム(V)層から成る電極を形成して、高抵抗半導体層13のリーク電流を測定した。
(Evaluation for pressure resistance)
The above-mentioned non-doped high-resistance semiconductor layer 13 is laminated according to the above crystal growth conditions, and a total of four types of samples 10 in FIG. 1 are produced for each crystal growth temperature (a) to (d). An electrode made of a vanadium (V) layer having a thickness of about 15 nm was formed near the left and right ends of the upper surface of each high resistance semiconductor layer 13, and the leakage current of the high resistance semiconductor layer 13 was measured.

図2は、この時の高抵抗半導体層13の結晶成長温度((a)〜(d))と、印加電圧200Vでのリーク電流との関係を示している。この結果より、ノンドープのGaN層から高抵抗半導体層を形成する場合などでは、印加電圧200Vにおけるリーク電流を1×10-4〔A〕以下に抑えるためには、結晶成長温度を1120℃以上にする必要があることが判る。また、リーク電流を1×10-6〔A〕以下に抑えるためには、結晶成長温度を1130℃以上にすると良い。
なお、結晶成長温度(c)1140〔℃〕にて形成したノンドープのGaNから成る高抵抗半導体層13は、1×108 Ωcmもの非常に高い抵抗率を示した。
FIG. 2 shows the relationship between the crystal growth temperature ((a) to (d)) of the high-resistance semiconductor layer 13 at this time and the leakage current at an applied voltage of 200V. From this result, in the case of forming a high resistance semiconductor layer from a non-doped GaN layer, the crystal growth temperature is set to 1120 ° C. or higher in order to suppress the leakage current at an applied voltage of 200 V to 1 × 10 −4 [A] or lower. It turns out that it is necessary to do. In order to suppress the leakage current to 1 × 10 −6 [A] or lower, the crystal growth temperature is preferably set to 1130 ° C. or higher.
The high-resistance semiconductor layer 13 made of non-doped GaN formed at a crystal growth temperature (c) of 1140 [° C.] showed a very high resistivity of 1 × 10 8 Ωcm.

(結晶性に対する評価)
一方、上記と同一の試料10((a)〜(d))を用いて、各試料10の各高抵抗半導体層13のFWHM(:Full Width Half Maximum )を測定した結果、図3のグラフを得た。この図3はその各高抵抗半導体層13の結晶成長温度とFWHMとの関係を示している。このFWHMの値は、小さい時ほど結晶性は良質であり、逆にこの値が300(arcsec)を超えると、高抵抗半導体層13の結晶性は徐々に劣化し始め、更にこの値が400(arcsec)を超えると、キャリアの移動度等のデバイス特性に悪影響を及ぼす程度にまで、高抵抗半導体層13の表面の平坦性が劣悪となっている場合が多いことが経験的に分っている。
(Evaluation for crystallinity)
On the other hand, as a result of measuring the FWHM (: Full Width Half Maximum) of each high resistance semiconductor layer 13 of each sample 10 using the same sample 10 ((a) to (d)) as described above, the graph of FIG. Obtained. FIG. 3 shows the relationship between the crystal growth temperature of each high resistance semiconductor layer 13 and FWHM. The smaller the FWHM value, the better the crystallinity. Conversely, when this value exceeds 300 (arcsec), the crystallinity of the high-resistance semiconductor layer 13 begins to deteriorate gradually, and this value is 400 ( If it exceeds arcsec), it has been empirically found that the flatness of the surface of the high-resistance semiconductor layer 13 is often inferior to such an extent that it adversely affects device characteristics such as carrier mobility. .

したがって、この様なノンドープのGaNから成る高抵抗半導体層13を用いて、高性能な電界効果トランジスタを製造する場合には、結晶成長温度は1160℃以下とすべきである。これらの結晶性に係わる諸傾向は、光学顕微鏡を用いて視覚的にも確認することができたものである。   Therefore, when a high-performance field effect transistor is manufactured using such a high-resistance semiconductor layer 13 made of non-doped GaN, the crystal growth temperature should be 1160 ° C. or lower. These tendencies related to crystallinity could be confirmed visually using an optical microscope.

以上の実験結果より、少なくとも高性能な電界効果トランジスタを製造する場合には、高抵抗半導体層13の結晶成長温度は、1120℃〜1160℃の範囲内が望ましく、更に望ましくは、1130℃〜1150℃の範囲が最も適していると言うことができる。   From the above experimental results, when manufacturing at least a high-performance field effect transistor, the crystal growth temperature of the high-resistance semiconductor layer 13 is desirably in the range of 1120 ° C. to 1160 ° C., and more desirably 1130 ° C. to 1150 ° C. It can be said that the range of ° C is most suitable.

図4は、ノンドープの高抵抗半導体層23を有する本実施例2のMOVPE法で作製した試料20の断面図である。基板21は、c面を主面とするサファイアから形成されており、その上には、成長温度400℃にて結晶成長された膜厚約40nmのAlNから成る低温成長核形成層22が積層されている。高温成長核形成層22の上に積層されているノンドープの高抵抗半導体層23の膜厚は約2μmであり、その結晶成長条件は以下の通りとした。   FIG. 4 is a cross-sectional view of a sample 20 manufactured by the MOVPE method of Example 2 having a non-doped high-resistance semiconductor layer 23. The substrate 21 is made of sapphire having a c-plane as a main surface, and a low-temperature growth nucleation layer 22 made of AlN having a film thickness of about 40 nm grown at a growth temperature of 400 ° C. is laminated thereon. ing. The film thickness of the non-doped high-resistance semiconductor layer 23 laminated on the high-temperature growth nucleation layer 22 was about 2 μm, and the crystal growth conditions were as follows.

(高抵抗半導体層23の結晶成長条件)
キャリアガス : 水素(H2 )ガス
成長炉内全圧 : 1013〔hPa〕
結晶成長温度 : 1150〔℃〕
V/III 比 : 1473
結晶成長速度 :(e)659〔Å/min〕,(f)827〔Å/min〕,
(g)968〔Å/min〕
(Crystal growth conditions for the high-resistance semiconductor layer 23)
Carrier gas: Hydrogen (H 2 ) gas Growing furnace total pressure: 1013 [hPa]
Crystal growth temperature: 1150 [° C]
V / III ratio: 1473
Crystal growth rate: (e) 659 [Å / min], (f) 827 [Å / min],
(G) 968 [min / min]

(耐圧性に対する評価)
上記の各結晶成長条件に従って上記のノンドープの高抵抗半導体層23を積層して、図4の試料20を各結晶成長速度(e)〜(g)毎に合計3種類作製した。その各高抵抗半導体層23の上側表面の左右両端付近にそれぞれ厚さ約15nmのバナジウム(V)層から成る電極を形成して、高抵抗半導体層23のリーク電流を測定した。
(Evaluation for pressure resistance)
The above-mentioned non-doped high-resistance semiconductor layer 23 is laminated according to the above crystal growth conditions, and a total of three types of samples 20 shown in FIG. 4 are produced for each crystal growth rate (e) to (g). An electrode made of a vanadium (V) layer having a thickness of about 15 nm was formed near the left and right ends of the upper surface of each high resistance semiconductor layer 23, and the leakage current of the high resistance semiconductor layer 23 was measured.

図5−A,−Bのグラフ及び表は何れも、高抵抗半導体層23の結晶成長速度((e)〜(g))と、印加電圧40Vでのリーク電流との関係を示している。この結果より、ノンドープのGaN層から高抵抗半導体層を形成する場合、印加電圧40Vにおけるリーク電流を1×10-8〔A〕以下に抑えるためには、結晶成長速度を約65〔nm/min〕以上にすると良いことが判る。
なお、結晶成長速度(g)968〔Å/min〕にて形成したノンドープのGaNから成る高抵抗半導体層23は、1×108 Ωcmもの非常に高い抵抗率を示した。
The graphs and tables in FIGS. 5A and 5B show the relationship between the crystal growth rate ((e) to (g)) of the high-resistance semiconductor layer 23 and the leakage current at an applied voltage of 40V. From this result, when forming a high resistance semiconductor layer from a non-doped GaN layer, in order to suppress the leakage current at an applied voltage of 40 V to 1 × 10 −8 [A] or less, the crystal growth rate is about 65 nm / min. It turns out that it is good to do it above.
Note that the high-resistance semiconductor layer 23 made of non-doped GaN formed at a crystal growth rate (g) of 968 [〕 / min] exhibited a very high resistivity of 1 × 10 8 Ωcm.

(結晶性に対する評価)
一方、結晶成長速度を約90〔nm/min〕以上にすると、高抵抗半導体層23の結晶性は徐々に劣化し始め、更に約100〔nm/min〕を超えると、キャリアの移動度等のデバイス特性に悪影響を及ぼす程度にまで、高抵抗半導体層23の表面の平坦性が劣悪となっている場合が多いことが経験的に分っている。したがって、この様なノンドープのGaNから成る高抵抗半導体層23を用いて、高性能な電界効果トランジスタを製造する場合には、結晶成長速度は100nm/min以下とすべきである。これらの結晶性に係わる諸傾向は、光学顕微鏡を用いて視覚的にも確認することができたものである。
(Evaluation for crystallinity)
On the other hand, when the crystal growth rate is about 90 [nm / min] or more, the crystallinity of the high-resistance semiconductor layer 23 begins to gradually deteriorate, and when it exceeds about 100 [nm / min], the mobility of carriers and the like Experience has shown that the flatness of the surface of the high-resistance semiconductor layer 23 is often inferior to the extent that it adversely affects device characteristics. Accordingly, when a high-performance field effect transistor is manufactured using such a high-resistance semiconductor layer 23 made of non-doped GaN, the crystal growth rate should be 100 nm / min or less. These tendencies related to crystallinity could be confirmed visually using an optical microscope.

以上の実験結果より、少なくとも高性能な電界効果トランジスタを製造する場合には、高抵抗半導体層23の結晶成長速度は、65nm/min〜100nm/minの範囲内が望ましく、更に望ましくは、70nm/min〜90nm/minの範囲が最も適していると言うことができる。   From the above experimental results, when manufacturing at least a high-performance field effect transistor, the crystal growth rate of the high-resistance semiconductor layer 23 is desirably in the range of 65 nm / min to 100 nm / min, and more desirably 70 nm / min. It can be said that the range of min to 90 nm / min is most suitable.

図6は、本実施例3の電界効果トランジスタ100の断面図である。この電界効果トランジスタ100は、結晶成長によって III族窒化物系化合物半導体を順次積層することにより形成した半導体素子であり、その結晶成長基板101は、厚さ約500μmの炭化シリコン(4H−SiC)から形成されている。この結晶成長基板101の上には、厚さ約200nmのAlNから形成された核形成層102(:格子定数差緩和層)が積層されている。   FIG. 6 is a cross-sectional view of the field effect transistor 100 of the third embodiment. This field effect transistor 100 is a semiconductor element formed by sequentially stacking group III nitride compound semiconductors by crystal growth, and the crystal growth substrate 101 is made of silicon carbide (4H—SiC) having a thickness of about 500 μm. Is formed. On this crystal growth substrate 101, a nucleation layer 102 (: lattice constant difference relaxation layer) made of AlN having a thickness of about 200 nm is laminated.

そして、この核形成層102の上には厚さ約2μmのノンドープのGaNから成る半導体層103が形成されている。そして、この半導体層103が本発明の高抵抗半導体層Aに相当する。また、この半導体層103(高抵抗半導体層A)の上には、厚さ約40nmのノンドープのAl0.25Ga0.75Nから成るバリア層104が積層されている。このバリア層104の膜厚は、半導体層103の上側の界面近傍に形成されるチャネルと下記の個々のオーミック電極(105,107)との間におけるキャリア(電子)のトンネル効果が、それぞれ確実かつ良好に発現する様に設定されている。 A semiconductor layer 103 made of non-doped GaN having a thickness of about 2 μm is formed on the nucleation layer 102. The semiconductor layer 103 corresponds to the high resistance semiconductor layer A of the present invention. A barrier layer 104 made of non-doped Al 0.25 Ga 0.75 N having a thickness of about 40 nm is stacked on the semiconductor layer 103 (high resistance semiconductor layer A). The thickness of the barrier layer 104 is such that the tunnel effect of carriers (electrons) between the channel formed in the vicinity of the upper interface of the semiconductor layer 103 and the following individual ohmic electrodes (105, 107) is reliable and It is set to express well.

また、符号105,106,107はそれぞれ、ソース電極(オーミック電極)、ゲート電極(ショットキー電極)、ドレイン電極(オーミック電極)を示している。各オーミック電極(ソース電極105とドレイン電極107)は、何れもチタン(Ti)から成る膜厚約100Åの薄い金属層を蒸着によって積層し、その上にアルミニウム(Al)から成る膜厚約3000Åの金属層を更に蒸着にて積層したものである。これらのオーミック電極は、1秒未満のフラッシュアニール処理による約700℃〜900℃の熱処理によって、良好に密着及び合金化されている。他方、ゲート電極106は、約100Åのニッケル(Ni)から成る金属層を蒸着によって積層し、その上に、金(Au)から成る金属層を更に約3000Å蒸着して形成したショットキー電極である。   Reference numerals 105, 106, and 107 denote a source electrode (ohmic electrode), a gate electrode (Schottky electrode), and a drain electrode (ohmic electrode), respectively. Each ohmic electrode (source electrode 105 and drain electrode 107) is formed by laminating a thin metal layer made of titanium (Ti) with a thickness of about 100 mm and depositing aluminum (Al) thereon with a thickness of about 3000 mm. A metal layer is further laminated by vapor deposition. These ohmic electrodes are well adhered and alloyed by heat treatment at about 700 ° C. to 900 ° C. by flash annealing for less than 1 second. On the other hand, the gate electrode 106 is a Schottky electrode formed by depositing a metal layer made of nickel (Ni) of about 100 Å by vapor deposition, and further depositing a metal layer made of gold (Au) on it about 3000 Å. .

以下、上記の電界効果トランジスタ100の製造方法を、本発明の特徴部分(半導体層103:高抵抗半導体層A)を中心に説明する。
上記の電界効果トランジスタ100の各半導体層(半導体層102,103,104)は何れも、有機金属化合物気相成長法(MOVPE)による気相成長により結晶成長されたものである。ここで用いられたガスは、キャリアガス(H2 又はN2 )と、アンモニアガス(NH3 )と、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3) と、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3) などである。
Hereinafter, the manufacturing method of the above-described field effect transistor 100 will be described focusing on the characteristic part of the present invention (semiconductor layer 103: high-resistance semiconductor layer A).
Each of the semiconductor layers (semiconductor layers 102, 103, 104) of the field effect transistor 100 is grown by vapor phase growth using a metal organic compound vapor phase growth method (MOVPE). The gases used here are carrier gas (H 2 or N 2 ), ammonia gas (NH 3 ), trimethyl gallium (Ga (CH 3 ) 3 ), trimethyl aluminum (Al (CH 3 ) 3 ), etc. It is.

まず、この気相成長では、最初に1140℃にて結晶成長基板101をベーキングし、この結晶成長基板101の上に、AlNから成る核形成層102(:格子定数差緩和層)を同1140℃にて厚さ約200nmまで結晶成長させた。
次に、厚さ約2μmのノンドープのGaN結晶から成る上記の半導体層103の結晶成長は、次の結晶成長条件にしたがって実施した。
(半導体層103の結晶成長条件)
(1)結晶成長温度 : 1140〔℃〕
(2)結晶成長速度 : 80〔nm/min〕
次に、厚さ約40nmのノンドープのAl0.25Ga0.75N結晶から成る上記の半導体層104(バッファ層)を積層した。ただし、この時の結晶成長温度は、約1000℃にした。
First, in this vapor phase growth, the crystal growth substrate 101 is first baked at 1140 ° C., and a nucleation layer 102 (: lattice constant difference relaxation layer) made of AlN is formed on the crystal growth substrate 101 at 1140 ° C. The crystal was grown to a thickness of about 200 nm.
Next, crystal growth of the semiconductor layer 103 made of non-doped GaN crystal having a thickness of about 2 μm was performed according to the following crystal growth conditions.
(Crystal growth conditions of the semiconductor layer 103)
(1) Crystal growth temperature: 1140 [° C.]
(2) Crystal growth rate: 80 [nm / min]
Next, the semiconductor layer 104 (buffer layer) made of non-doped Al 0.25 Ga 0.75 N crystal having a thickness of about 40 nm was stacked. However, the crystal growth temperature at this time was about 1000 ° C.

これらの結晶成長工程を経て、図6の電界効果トランジスタ100を製造したところ、高い移動度を有する電気特性の極めて良好なリーク電流の少ない所望の電界効果トランジスタ(HFET)を実現することができた。この様な電界効果トランジスタ(HFET)は、従来のものに比べ、素子の高性能化や高信頼化などの観点の他にも、素子の小型化や高集積化などの点でも非常に有利である。   The field effect transistor 100 shown in FIG. 6 was manufactured through these crystal growth steps. As a result, a desired field effect transistor (HFET) having high mobility and extremely good electrical characteristics and a small leakage current could be realized. . Such field effect transistors (HFETs) are very advantageous compared to conventional ones in terms of device performance and reliability, as well as device miniaturization and high integration. is there.

図7は、本実施例4の電界効果トランジスタ200(MISFET)の断面図である。先の電界効果トランジスタ100に対するこの電界効果トランジスタ200の最も大きな違いは、窒化シリコン(SiN)から成る絶縁膜208が、ゲート電極206とバリア層204との間に設けられている点にあり、他の部位(201〜207)は、先に説明した電界効果トランジスタ100の対応する各部位(101〜107)と同様に形成されている。   FIG. 7 is a cross-sectional view of the field effect transistor 200 (MISFET) of the fourth embodiment. The greatest difference of the field effect transistor 200 with respect to the previous field effect transistor 100 is that an insulating film 208 made of silicon nitride (SiN) is provided between the gate electrode 206 and the barrier layer 204. These parts (201 to 207) are formed in the same manner as the corresponding parts (101 to 107) of the field effect transistor 100 described above.

この様な構成に従えば、MISFETを製造する際にも、本発明の手段に基づいて、実施例3と同様に本発明の作用・効果を得ることができる。また、この構成に従えば、ゲート耐圧の優れて高い電界効果トランジスタを製造することができる。   According to such a configuration, even when a MISFET is manufactured, the operation and effect of the present invention can be obtained in the same manner as in Example 3 based on the means of the present invention. Also, according to this configuration, a field effect transistor having an excellent gate breakdown voltage can be manufactured.

〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
[Other variations]
The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other modifications as exemplified below may be made. Even with such modifications and applications, the effects of the present invention can be obtained based on the functions of the present invention.

(変形例1)
例えば、上記の実施例3では、電界効果トランジスタの基板に炭化シリコン(SiC)を用いたが、結晶成長基板としてはサファイア基板なども有用である。先の実施例2で例示した低温成長核形成層22やノンドープの高抵抗半導体層23と同様の積層構成や結晶成長条件に従って、図6の電界効果トランジスタ100の半導体層102や、半導体層103を形成すれば、この様な場合にも、本発明の手段に基づいて、本発明の作用・効果を得ることができる。
(Modification 1)
For example, in Example 3 above, silicon carbide (SiC) is used for the substrate of the field effect transistor, but a sapphire substrate or the like is also useful as the crystal growth substrate. The semiconductor layer 102 and the semiconductor layer 103 of the field effect transistor 100 shown in FIG. If formed, even in such a case, the action and effect of the present invention can be obtained based on the means of the present invention.

この場合、先の実施例2などからも判る様に、核形成層(図6の半導体層102)としては、膜厚約40nmのAlNから成る半導体層を約400℃で低温成長させることが望ましい。またバッファ層を構成する高抵抗半導体層A(図6の半導体層103)としては、ノンドープのGaN結晶を成長温度1150℃、結晶成長速度90nm/minで2μm程度積層することが望ましい。   In this case, as can be seen from Example 2 and the like, as the nucleation layer (semiconductor layer 102 in FIG. 6), it is desirable to grow a semiconductor layer made of AlN having a thickness of about 40 nm at a low temperature at about 400 ° C. . Further, as the high resistance semiconductor layer A (semiconductor layer 103 in FIG. 6) constituting the buffer layer, it is desirable to stack a non-doped GaN crystal about 2 μm at a growth temperature of 1150 ° C. and a crystal growth rate of 90 nm / min.

(変形例2)
また、例えば半導体層104や半導体層204などの各種のバリア層は、InAlNや或いはInAlGaNなどから形成しても良い。これらのバリア層は、直下のバッファ層(例:半導体層103や半導体層203など)のバンドギャップエネルギーよりも必要かつ十分に大きなバンドギャップエネルギーを有する、一般の III族窒化物系化合物半導体から形成することができる。
(Modification 2)
For example, various barrier layers such as the semiconductor layer 104 and the semiconductor layer 204 may be formed of InAlN, InAlGaN, or the like. These barrier layers are formed of a general group III nitride compound semiconductor having a band gap energy which is necessary and sufficiently larger than the band gap energy of the buffer layer immediately below (for example, the semiconductor layer 103 and the semiconductor layer 203). can do.

(変形例3)
また、これらのバリア層の代わりに、そこにn型の半導体層を積層しても良い。例えば、図6の半導体層104の代わりに、そこにn型の半導体層を積層することにより、MESFETを製作することも可能である。
(Modification 3)
Further, instead of these barrier layers, an n-type semiconductor layer may be stacked there. For example, a MESFET can be manufactured by stacking an n-type semiconductor layer in place of the semiconductor layer 104 in FIG.

即ち、以上の各実施例や変形例に対して、これらの各種の諸変形を任意に施すことによっても、HFET,MISFET,MESFETなどの各種の電界効果トランジスタを製造することができる。   That is, various field effect transistors such as HFET, MISFET, and MESFET can be manufactured by arbitrarily applying these various modifications to the above-described embodiments and modifications.

本発明の高抵抗で絶縁性に優れたノンドープの半導体層(高抵抗半導体層A)は、不純物の悪影響を完全に払拭しつつ、極めて高い絶縁性を実現するものであるので、FETやHEMTなどの電界効果トランジスタなどに限らず、半導体レーザやLEDなどの半導体発光素子や半導体受光素子、或いは圧力センサなどのその他のあらゆる半導体デバイスに利用することができる。   The non-doped semiconductor layer (high-resistance semiconductor layer A) having high resistance and excellent insulation according to the present invention realizes extremely high insulation while completely wiping off the adverse effects of impurities, such as FETs and HEMTs. The present invention is not limited to the field effect transistor, and can be used for any other semiconductor device such as a semiconductor light emitting element such as a semiconductor laser or LED, a semiconductor light receiving element, or a pressure sensor.

ノンドープの高抵抗半導体層13を有する試料10の断面図(実施例1)Sectional view of sample 10 having non-doped high-resistance semiconductor layer 13 (Example 1) 高抵抗半導体層13の結晶成長温度とリーク電流との関係を示すグラフThe graph which shows the relationship between the crystal growth temperature of the high resistance semiconductor layer 13, and leakage current 高抵抗半導体層13の結晶成長温度とFWHMとの関係を示すグラフThe graph which shows the relationship between the crystal growth temperature of the high resistance semiconductor layer 13, and FWHM ノンドープの高抵抗半導体層23を有する試料20の断面図(実施例2)Sectional view of sample 20 having non-doped high-resistance semiconductor layer 23 (Example 2) 高抵抗半導体層23の成長速度とリーク電流との関係を示すグラフThe graph which shows the relationship between the growth rate of the high resistance semiconductor layer 23, and leakage current 高抵抗半導体層23の成長速度とリーク電流との関係を示す表Table showing relationship between growth rate of high-resistance semiconductor layer 23 and leakage current 実施例3の電界効果トランジスタ100の断面図Sectional drawing of the field effect transistor 100 of Example 3 実施例4の電界効果トランジスタ200の断面図Sectional drawing of the field effect transistor 200 of Example 4

10 : ノンドープの高抵抗半導体層を有する試料(実施例1)
11 : 炭化シリコン基板(4H−SiC)
12 : 高温成長核形成層(AlN)
13 : ノンドープの高抵抗半導体層
20 : ノンドープの高抵抗半導体層を有する試料(実施例2)
21 : サファイア基板
22 : 低温成長核形成層(AlN)
23 : ノンドープの高抵抗半導体層
100 : 電界効果トランジスタ(実施例3)
101 : 結晶成長基板(SiC)
102 : AlN層(バッファ層)
103 : GaNから成る半導体層(バッファ層)
104 : AlGaNから成る半導体層(バリア層)
105 : ソース電極(オーミック電極)
106 : ゲート電極(ショットキー電極)
107 : ドレイン電極(オーミック電極)
208 : 絶縁膜(SiN)
10: Sample having a non-doped high-resistance semiconductor layer (Example 1)
11: Silicon carbide substrate (4H-SiC)
12: High temperature growth nucleation layer (AlN)
13: Non-doped high-resistance semiconductor layer 20: Sample having a non-doped high-resistance semiconductor layer (Example 2)
21: Sapphire substrate 22: Low temperature growth nucleation layer (AlN)
23: Non-doped high-resistance semiconductor layer 100: Field effect transistor (Example 3)
101: Crystal growth substrate (SiC)
102: AlN layer (buffer layer)
103: Semiconductor layer (buffer layer) made of GaN
104: Semiconductor layer (barrier layer) made of AlGaN
105: Source electrode (ohmic electrode)
106: Gate electrode (Schottky electrode)
107: drain electrode (ohmic electrode)
208: Insulating film (SiN)

Claims (4)

Alx Ga1-x N(0≦x≦1)から成る半導体の結晶成長基板上に III族窒化物系化合物半導体より成るバッファ層とバリア層とを有し、前記バッファ層の前記バリア層に対する界面側にチャネルが形成された電界効果トランジスタの製造方法において、
前記バッファ層の少なくとも一部分を、ノンドープのAlx Ga1-x N(0≦x≦1)から成る高抵抗半導体層Aにより形成し、
前記高抵抗半導体層Aの少なくとも結晶成長初期段階において、
前記高抵抗半導体層Aの結晶成長温度は、1120℃以上、1160℃以下であり、
前記高抵抗半導体層Aの結晶成長速度は、65nm/min以上、100nm/min以下であり、
前記高抵抗半導体層Aの結晶成長工程において、反応室内に供給する結晶材料ガスのV/III 比は、1400以上、1550以下である
ことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
A buffer layer made of a group III nitride compound semiconductor and a barrier layer are provided on a semiconductor crystal growth substrate made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1), and the buffer layer with respect to the barrier layer In the method of manufacturing a field effect transistor in which a channel is formed on the interface side,
At least a part of the buffer layer is formed of a high-resistance semiconductor layer A made of non-doped Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1),
At least in the initial stage of crystal growth of the high-resistance semiconductor layer A,
The crystal growth temperature of the high resistance semiconductor layer A is 1120 ° C. or higher and 1160 ° C. or lower ,
The crystal growth rate of the high-resistance semiconductor layer A is 65 nm / min or more and 100 nm / min or less,
In the crystal growth process of the high-resistance semiconductor layer A, a V / III ratio of a crystal material gas supplied into a reaction chamber is 1400 or more and 1550 or less, and a method for manufacturing a field effect transistor.
前記高抵抗半導体層Aは、ノンドープのGaN結晶から成ることを特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタの製造方法。 2. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 1, wherein the high-resistance semiconductor layer A is made of a non-doped GaN crystal. 前記高抵抗半導体層Aの少なくとも結晶成長初期段階において、前記高抵抗半導体層Aの結晶成長速度は、70nm/min以上、90nm/min以下である
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
The crystal growth rate of the high-resistance semiconductor layer A is 70 nm / min or more and 90 nm / min or less at least in the initial stage of crystal growth of the high-resistance semiconductor layer A. 3. The manufacturing method of the field effect transistor of description.
前記高抵抗半導体層Aの少なくとも結晶成長初期段階において、前記高抵抗半導体層Aの結晶成長温度は、1130℃以上、1150℃以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。 In at least the crystal growth early stages of the high resistance semiconductor layer A, the crystal growth temperature of the high-resistance semiconductor layer A, 1130 ° C. or more, any one of claims 1 to 3, characterized in that at 1150 ° C. or less 2. A method for producing a field effect transistor according to item 1.
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