JP2007250721A - Nitride semiconductor field effect transistor structure - Google Patents

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Tetsuzo Ueda
哲三 上田
Hisayoshi Matsuo
尚慶 松尾
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a heterojunction field effect transistor employing a nitride compound semiconductor in which high mobility is exhibited on an Si substrate. <P>SOLUTION: An AlN buffer layer of 80 nm, an Al<SB>0.26</SB>Ga<SB>0.74</SB>N intermediate layer of 40 nm, an AlN/GaN periodic structure undoped GaN layer of 0.9 μm, a thin film AlN spacer layer of 1.5 nm, and an undoped AlGaN electron supply layer of 25 nm are grown epitaxially on an Si (111) substrate. Film thickness of AlN and GaN in the AlN/GaN multilayer structure is set, respectively, at 5 nm and 20 nm and the number of pairs is set in the range of 21-70. When the Al composition of the AlGaN electron supply layer is set at 24% or less, mobility of maximum 1610 cm<SP>2</SP>/Vsec can be achieved. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、ミリ波無線アクセス用伝送システム等で用いられる高周波トランジスタに適用できる窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ構造に関するものである。   The present invention relates to a field effect transistor structure using a nitride semiconductor that can be applied to a high frequency transistor used in a transmission system for millimeter wave radio access and the like.

GaNに代表される窒化物半導体はGaN及びAlNの禁制帯幅がそれぞれ室温で3.4eV、6.2eVと大きく絶縁破壊電界が大きい、また電子の飽和ドリフト速度がGaAsなどの化合物半導体あるいはSi半導体などに比べて大きいという特長を有しており、高周波高出力トランジスタ応用に向け有望である。一般に用いられる(0001)面上のAlGaN/GaNへテロ構造においては面に垂直方向に生じる自発分極及びピエゾ分極により、アンドープ時においてもヘテロ界面に1x1013cm-2以上のシートキャリア濃度を有する２次元電子ガスが生じることが大きな特長であり、大電流・高耐圧の電界効果トランジスタが実現可能である。チャネル移動度としても1000cm2/Vsec程度のものが容易に実現されている。これまでにサファイアあるいはSiC基板上にて高周波特性に優れた電界効果トランジスタが作製され、最大発振周波数fmaxとして140GHz, 173GHzといった高い値が報告されている(非特許文献１，２参照)。 Nitride semiconductors typified by GaN have a large forbidden band width of 3.4 eV and 6.2 eV at room temperature, such as GaN and AlN, respectively, and a large breakdown electric field. It has a feature that it is larger than that, and is promising for high-frequency, high-power transistor applications. The AlGaN / GaN heterostructure on the (0001) plane that is generally used has a sheet carrier concentration of 1 × 10 13 cm −2 or more at the heterointerface even when undoped due to spontaneous polarization and piezo polarization that occur in the direction perpendicular to the plane 2 The generation of a three-dimensional electron gas is a great feature, and it is possible to realize a field effect transistor with a large current and a high breakdown voltage. A channel mobility of about 1000 cm 2 / Vsec is easily realized. So far, field effect transistors having excellent high frequency characteristics have been fabricated on sapphire or SiC substrates, and high values such as 140 GHz and 173 GHz have been reported as maximum oscillation frequencies f max (see Non-Patent Documents 1 and 2).

高周波トランジスタとして広く普及するためには低コスト化も重要な要素である。前述の通り、これまでに用いられてきたサファイアやSiC基板はエピタキシャル成長に使用できる品質の基板を大口径で得ることが、現状では困難であり、基板の低コスト化が困難であった。さらなる低コスト化を目指して検討されているのがSi基板上へのエピタキシャル成長である。Siは例えば４インチあるいは６インチといった大口径基板が安価で入手可能であり、その上に特性の優れたGaN系電界効果トランジスタ構造を実現できれば、さらなる低コスト化が実現できると期待される。このような背景の下、Si基板上でのGaN系デバイスのエピタキシャル成長が盛んに試みられ始めている。   Cost reduction is also an important factor for widespread use as a high-frequency transistor. As described above, sapphire and SiC substrates that have been used so far have been difficult to obtain a large-diameter substrate that can be used for epitaxial growth, and it has been difficult to reduce the cost of the substrate. Epitaxial growth on a Si substrate is being studied for further cost reduction. For Si, for example, a large-diameter substrate of 4 inches or 6 inches can be obtained at a low price, and if a GaN-based field effect transistor structure with excellent characteristics can be realized on it, further cost reduction is expected. Against this background, the epitaxial growth of GaN-based devices on Si substrates has been actively attempted.

以下、従来のSi基板上でのGaN系半導体エピタキシャル成長技術について説明する。非特許文献３によれば、Si(111)基板上にAlN初期成長層、さらにAlN/GaN周期構造を80ペア形成している。ここでAlNは5nm、GaNは26nmとしている。さらにこの上にGaNを1μm、Al0.25Ga0.75Nを25nm形成している。結晶成長には有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)を用いている。この構造において、移動度1200cm2/Vsec及びシートキャリア濃度4.5 x 1012cm-2が実現されている。さらに非特許文献４によれば、前述の周期構造のGaN及びAlN層の膜厚をAlN/GaN=5nm/15nm、5nm/20nm、5nm/40nmの3種類検討し、5nm/20nmの組み合わせにおいてウエハの反りが最小になること、このインチSi(111)基板上にAlN/GaN=5nm/20nmにおいてペア数を20ペア、40ペア、80ペアと変化させ、Si基板上のトータル膜厚として2.8μmまでクラックフリーが実現できている例が示されている。ここではAlN初期層は10nmであると記述されている。非特許文献５によれば同様のエピタキシャル成長技術を用いて青色発光ダイオードが作製された例が記載されている。Si(111)基板上に順に、AlN 2.5nm、Al0.3Ga0.7N 30nm、AlN/GaN周期構造20ペア、その上に青色発光ダイオードを構成するｐn接合構造が形成されている。AlN/GaN周期構造におけるAlN、GaNはそれぞれ5nm、25nmである。 Hereinafter, a conventional GaN-based semiconductor epitaxial growth technique on a Si substrate will be described. According to Non-Patent Document 3, 80 pairs of AlN initial growth layers and further AlN / GaN periodic structures are formed on a Si (111) substrate. Here, AlN is 5 nm and GaN is 26 nm. Further, 1 μm of GaN and 25 nm of Al 0.25 Ga 0.75 N are formed thereon. For the crystal growth, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) is used. In this structure, a mobility of 1200 cm 2 / Vsec and a sheet carrier concentration of 4.5 × 10 12 cm −2 are realized. Furthermore, according to Non-Patent Document 4, three types of AlN / GaN = 5 nm / 15 nm, 5 nm / 20 nm, and 5 nm / 40 nm were examined for the film thickness of the above-described periodic structure GaN and AlN layers, and the wafer was combined in a combination of 5 nm / 20 nm. The number of pairs is changed to 20 pairs, 40 pairs, and 80 pairs at AlN / GaN = 5nm / 20nm on this inch Si (111) substrate, and the total film thickness on the Si substrate is 2.8μm An example in which crack-free is realized is shown. Here, it is described that the AlN initial layer is 10 nm. Non-Patent Document 5 describes an example in which a blue light emitting diode is manufactured using the same epitaxial growth technique. On the Si (111) substrate, AlN 2.5 nm, Al 0.3 Ga 0.7 N 30 nm, 20 pairs of AlN / GaN periodic structures, and a pn junction structure constituting a blue light emitting diode are formed thereon. AlN and GaN in the AlN / GaN periodic structure are 5 nm and 25 nm, respectively.

以上の通り、最近のMOCVD結晶成長技術の進展により、安価で大面積基板が入手可能なSi基板上に良好な特性を有するGaN系電子デバイス及び光デバイスが実現されるに至り、これらデバイスを低コストで実現できる見通しが開けつつある。
T.Murata et al., IEEE Trans Electron Devices, 52 (2005) 1042. M.Higashiwaki et al., Jpn.J.Appl.Phys. 44 (2005) L475. S.Iwakami et al., Jpn.J.Appl.Phys. 43 (2004) L831. T.Sugahara et al., Jpn.J.Appl.Phys. 43 (2004) L1595. B.Zhang et al., Jpn.J.Appl.Phys. 42 (2003) L226. As described above, recent advances in MOCVD crystal growth technology have led to the realization of GaN-based electronic devices and optical devices that have good characteristics on Si substrates that can be obtained at low cost and have large areas. Prospects that can be realized at a low cost are opening up.
T. Murata et al., IEEE Trans Electron Devices, 52 (2005) 1042. M.Higashiwaki et al., Jpn.J.Appl.Phys. 44 (2005) L475. S.Iwakami et al., Jpn.J.Appl.Phys. 43 (2004) L831. T. Sugahara et al., Jpn.J.Appl.Phys. 43 (2004) L1595. B. Zhang et al., Jpn.J.Appl.Phys. 42 (2003) L226.

しかしながら、従来のSi基板上GaN系電界効果トランジスタのエピタキシャル構造においては1500cm2/Vsecを超す大きな移動度を実現し得る構造は開示されていない。移動度を十分に大きくできない場合には電界効果トランジスタにおいて十分大きなキャリア速度と低い寄生抵抗を実現できないために、Si基板上GaN系トランジスタの高周波特性向上には限界があった。さらに層構造あるいはエピタキシャル成長法を検討し、移動度を従来例よりも向上させない限りは、現状のサファイアあるいはSiC基板上のGaN系高周波トランジスタの特性を上回ることができず、Si基板上GaN系トランジスタが広く普及することが困難であった。 However, in the conventional epitaxial structure of the GaN-based field effect transistor on the Si substrate, a structure capable of realizing a large mobility exceeding 1500 cm 2 / Vsec is not disclosed. When the mobility cannot be increased sufficiently, a sufficiently large carrier velocity and low parasitic resistance cannot be realized in the field-effect transistor, so there is a limit to improving the high-frequency characteristics of the GaN-based transistor on the Si substrate. Furthermore, unless the layer structure or epitaxial growth method is studied and the mobility is improved compared to the conventional example, the characteristics of the GaN-based high-frequency transistor on the current sapphire or SiC substrate cannot be exceeded, and the GaN-based transistor on the Si substrate It was difficult to spread widely.

本発明は前述の技術的課題に鑑み、発明者らがSi基板上のGaN系エピタキシャル成長を実験的に検討し見出した結果をもとに、AlN/GaN周期構造の膜厚比及びペア数を適切な範囲に設定し、さらに最上層のAlGaN電子供給層のAl組成を小さくすることで、1500cm2/Vsec以上の高い移動度を実現し得る電界効果トランジスタ構造を提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned technical problems, the present invention appropriately determines the film thickness ratio and the number of pairs of the AlN / GaN periodic structure based on the results obtained by the inventors experimentally examining the GaN-based epitaxial growth on the Si substrate. It is an object of the present invention to provide a field effect transistor structure capable of realizing a high mobility of 1500 cm 2 / Vsec or more by setting the Al range in such a range and further reducing the Al composition of the uppermost AlGaN electron supply layer.

前記の課題を解決するために、本発明の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造は以下に述べる構成となっている。   In order to solve the above-described problems, the nitride semiconductor field effect transistor structure of the present invention has the following structure.

請求項１記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、Si基板上にアンドープGaN及びAlxGa1-xN(0<x≦1)がこの順に形成されており、この２層の間に２次元電子ガスが形成されチャネルとなる構造において、前記AlxGa1-xNのAl組成xが24%以下である構成となっている。 In the nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 1, undoped GaN and Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) are formed in this order on the Si substrate, and 2 between the two layers. In the structure in which a dimensional electron gas is formed and becomes a channel, the Al composition x of the Al x Ga 1-x N is 24% or less.

このような構成とすることにより、AlxGa1-xNでのAl組成減少に伴いチャネル移動度が増加し、結果として例えば1500cm2/Vsec以上の高移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。 With such a configuration, channel mobility increases as Al composition decreases in AlxGa1-xN, and as a result, it is possible to realize a field effect transistor structure having a high mobility of, for example, 1500 cm 2 / Vsec or more. It becomes.

請求項２記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、Si基板上にアンドープGaN及びAlxGa1-xN(0<x≦1)がこの順に形成されており、この２層の間に２次元電子ガスが形成されチャネルとなる構造において、前記アンドープGaNとSi基板の間に組成の異なるAlxGa1-xN(0≦x≦1)2層が周期的に形成された周期構造が形成され、そのペア数が21以上70未満である構成となっている。 In the nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 2, undoped GaN and Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) are formed in this order on the Si substrate, and 2 between the two layers. In a structure in which a three-dimensional electron gas is formed and becomes a channel, a periodic structure in which Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) 2 layers having different compositions are periodically formed between the undoped GaN and the Si substrate. The number of pairs formed is 21 or more and less than 70.

このような構成とすることにより、前記周期構造により窒化物半導体中のストレスが抑制され結晶性及び平坦性が向上するとともに、前記ペア数の範囲内に設定することで移動度を向上させ、例えば1500cm2/Vsec以上の高移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。 With such a configuration, the periodic structure suppresses stress in the nitride semiconductor and improves crystallinity and flatness, and improves mobility by setting within the range of the number of pairs, for example, A field effect transistor structure having a high mobility of 1500 cm 2 / Vsec or higher can be realized.

請求項３記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項１又は２記載のトランジスタ構造において、前記チャネルの移動度が1500cm2/Vsec以上を供する構成となっている。 The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 3 is configured such that the mobility of the channel is 1500 cm 2 / Vsec or more in the transistor structure according to claim 1 or 2.

このような構成とすることにより、より良好な高周波特性を有する窒化物半導体電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。   By adopting such a configuration, it is possible to realize a nitride semiconductor field effect transistor structure having better high frequency characteristics.

請求項４記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項１〜３のいずれか１項に記載のトランジスタ構造において、前記２次元電子ガスのシートキャリア濃度が1.1x1013cm-2以下である構成となっている。 5. The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 4, wherein the sheet carrier concentration of the two-dimensional electron gas is 1.1 × 10 13 cm −2 or less in the transistor structure according to any one of claims 1 to 3. It has a configuration.

このような構成とすることにより、前記シートキャリア濃度の減少に伴いチャネルでの移動度が増加するため、より良好な高周波特性を有する窒化物半導体電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。   With such a configuration, the mobility in the channel increases as the sheet carrier concentration decreases, so that a nitride semiconductor field effect transistor structure having better high frequency characteristics can be realized.

請求項５記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項１又は２記載のトランジスタ構造において、前記アンドープGaN及びAlxGa1-xN(0<x≦1)の間にAlNスペーサ層が挿入される構成となっている。 The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 5, wherein an AlN spacer layer is provided between the undoped GaN and Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) in the transistor structure according to claim 1 or 2. It is configured to be inserted.

このような構成とすることにより、前記AlNスペーサ層の挿入によりチャネルは前記アンドープGaN層とAlNスペーサの界面に形成され、合金散乱の影響を受けずに、より高い移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。   With this configuration, a channel is formed at the interface between the undoped GaN layer and the AlN spacer by inserting the AlN spacer layer, and a field effect transistor structure having higher mobility without being affected by alloy scattering. Can be realized.

請求項６記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項５記載のトランジスタ構造において、前記AlNスペーサ層の膜厚が1.5nm以下である構成となっている。   The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 6 is the transistor structure according to claim 5, wherein the film thickness of the AlN spacer layer is 1.5 nm or less.

このような構成とすることにより、前記合金散乱の影響が十分に抑制され、より高い移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。   By adopting such a configuration, the influence of the alloy scattering is sufficiently suppressed, and a field effect transistor structure having higher mobility can be realized.

請求項７記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項２記載のトランジスタ構造において、前記周期構造がGaNとAlNの周期構造からなる構成となっている。   The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 7 is the transistor structure according to claim 2, wherein the periodic structure is composed of a periodic structure of GaN and AlN.

このような構成とすることにより、GaNには圧縮歪みがAlNには伸張歪みがかかる形で形成され、その結果Si基板上の窒化物半導体層中のストレスが十分抑制されるので、その上のアンドープGaN層の結晶性及び平坦性が改善され、より高い移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。   By adopting such a configuration, compressive strain is formed on GaN and tensile strain is applied on AlN. As a result, stress in the nitride semiconductor layer on the Si substrate is sufficiently suppressed. The crystallinity and flatness of the undoped GaN layer are improved, and a field effect transistor structure having higher mobility can be realized.

請求項８記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項１又は２記載のトランジスタ構造において、前記Si基板上に接する形でSiを含まない初期層が形成される構成となっている。   The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 8 is configured such that in the transistor structure according to claim 1 or 2, an initial layer not containing Si is formed in contact with the Si substrate.

このような構成とすることにより、Si基板と前記初期層は化学的に反応せず平坦で急峻な界面を維持しながら、前記初期層上に結晶性及び平坦性に優れた窒化物半導体層を形成でき、その結果、高い移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。   By adopting such a configuration, a nitride semiconductor layer excellent in crystallinity and flatness is formed on the initial layer while maintaining a flat and steep interface without chemically reacting with the Si substrate and the initial layer. As a result, a field effect transistor structure having high mobility can be realized.

請求項９記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項１又は２記載のトランジスタ構造において、前記Si基板上に接する形でAlN初期層が形成される構成となっている。   The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 9 is the transistor structure according to claim 1 or 2, wherein an AlN initial layer is formed in contact with the Si substrate.

このような構成とすることにより、Si基板と前記初期層上に形成する窒化物半導体層中に存在するGaとの反応を抑制し、平坦で急峻な界面を維持しながら、前記初期層上に結晶性及び平坦性に優れた窒化物半導体層を形成でき、その結果、高い移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。   With such a configuration, the reaction between the Si substrate and Ga existing in the nitride semiconductor layer formed on the initial layer is suppressed, and a flat and steep interface is maintained, while the initial layer is formed on the initial layer. A nitride semiconductor layer having excellent crystallinity and flatness can be formed. As a result, a field effect transistor structure having high mobility can be realized.

請求項１０記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項８記載のトランジスタ構造において、前記AlN初期層上に接する形でAlxGa1-xN(0≦x<1)中間層が形成される構成となっている。 11. The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 10, wherein in the transistor structure according to claim 8, an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) intermediate layer is formed in contact with the AlN initial layer. It becomes the composition which is done.

このような構成とすることにより、前記AlN初期層とこの上に形成するGaN層との格子不整合が緩和され、前記中間層上に結晶性及び平坦性に優れた窒化物半導体層を形成でき、その結果、高い移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。   With this configuration, the lattice mismatch between the AlN initial layer and the GaN layer formed thereon is relaxed, and a nitride semiconductor layer having excellent crystallinity and flatness can be formed on the intermediate layer. As a result, a field effect transistor structure having high mobility can be realized.

請求項１１記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項１，２記載のトランジスタ構造において、前記アンドープGaNの膜厚が1μm未満である構成となっている。
このような構成とすることにより、窒化物半導体層中にクラックを生じさせることなく、結晶性及び平坦性に優れた窒化物半導体層を形成でき、その結果、高い移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。 The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 11 is the transistor structure according to claims 1 and 2, wherein the film thickness of the undoped GaN is less than 1 μm.
By adopting such a structure, a nitride semiconductor layer having excellent crystallinity and flatness can be formed without causing cracks in the nitride semiconductor layer, and as a result, a field effect transistor structure having high mobility. Can be realized.

以上説明したように、本発明の窒化物半導体へテロ接合トランジスタ構造によれば、Si基板上にて1500cm2/Vsec以上の大きな移動度を容易に実現できるので、より低コストにて高周波特性に優れた窒化物半導体電界効果トランジスタを実現することが可能となる。 As described above, according to the nitride semiconductor heterojunction transistor structure of the present invention, high mobility of 1500 cm 2 / Vsec or more can be easily realized on the Si substrate, so that high frequency characteristics can be achieved at a lower cost. An excellent nitride semiconductor field effect transistor can be realized.

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係るSi基板上のAlGaN/GaNへテロ接合トランジスタを構成するエピタキシャル構造の断面図である。同図において、101はSi(111)基板、102はAlNバッファ層、103はAlGaN中間層、104はAlN/GaN周期構造、105はアンドープGaN層、106はAlNスペーサ層、107はアンドープAlGaN電子供給層である。図２は図１に示す構造において得られたX線回折パターンGaN(0002)ピークの半値幅と原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope: AFM)で測定した表面荒さRMSをAlN/GaN周期構造のペア数に対してプロットした図、図３は得られた移動度とシートキャリア濃度をAlN/GaN周期構造のペア数に対してプロットした図、図４はAlGaN電子供給層のAl組成を変化させた場合に移動度とシートキャリア濃度の関係をプロットした図、図５は４インチSi基板上で得られた移動度とシートキャリア濃度の面内分布を示す図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view of an epitaxial structure constituting an AlGaN / GaN heterojunction transistor on a Si substrate according to an embodiment of the present invention. In the figure, 101 is a Si (111) substrate, 102 is an AlN buffer layer, 103 is an AlGaN intermediate layer, 104 is an AlN / GaN periodic structure, 105 is an undoped GaN layer, 106 is an AlN spacer layer, 107 is an undoped AlGaN electron supply Is a layer. 2 shows the half width of the X-ray diffraction pattern GaN (0002) peak obtained in the structure shown in FIG. FIG. 3 is a graph plotting the obtained mobility and sheet carrier concentration against the number of pairs of AlN / GaN periodic structures, and FIG. 4 is a diagram in which the Al composition of the AlGaN electron supply layer is changed. FIG. 5 is a diagram showing the in-plane distribution of mobility and sheet carrier concentration obtained on a 4-inch Si substrate.

Si(111)基板上に初期成長層としてAlNバッファ層を80nm、さらに中間層Al0.26Ga0.74Nを40nmエピタキシャル成長する。その上にAlN/GaN周期構造、アンドープGaN層0.9μm、薄膜AlNスペーサ層1.5nm、アンドープAlGaN電子供給層25nmをエピタキシャル成長する。ここでは結晶成長方法として有機金属気相成長法(Metal organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)を用いた。AlN/GaN周期構造におけるAlNは5nm、GaN厚は20nmとし、ペア数は20から70の範囲で変化させている。MOCVDはTMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)をそれぞれGa、Alソースとして用い、NH3を窒素ソースとして用い成長した。ここでは初期層をAlN層はSi基板とGaの反応を抑制するために挿入され、Al0.26Ga0.74N中間層は、その上に形成するGaN層の結晶性改善のために挿入されている。AlN/GaN多層構造はGaNとSiの格子不整合及び熱膨張係数の差によって生じるストレスを緩和する目的で挿入されている。AlN層に伸張歪みを、GaN層に圧縮歪みを生じさせ、これらのバランスをとることで全体のストレスを緩和しGaN中にクラックを生じにくくさせている。この結果、この上に形成されるGaN及びAlGaN/GaNへテロ接合の結晶性及び平坦性が大幅に向上する。アンドープAlGaN/GaNのヘテロ界面に挿入された薄膜AlNスペーサ層はヘテロ界面での合金散乱を抑制し、移動度をより向上させるために挿入されている。このAlN/GaNへテロ界面には２次元電子ガスが生じ、ヘテロ接合トランジスタを作製した場合のチャネル層となる。 On the Si (111) substrate, an AlN buffer layer is grown as an initial growth layer by 80 nm, and an intermediate layer Al 0.26 Ga 0.74 N is grown by 40 nm. An AlN / GaN periodic structure, 0.9 μm undoped GaN layer, 1.5 nm thin AlN spacer layer, and 25 nm undoped AlGaN electron supply layer are epitaxially grown thereon. Here, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) was used as the crystal growth method. In the AlN / GaN periodic structure, AlN is 5 nm, GaN thickness is 20 nm, and the number of pairs is changed in the range of 20 to 70. MOCVD uses TMG (trimethylgallium), TMA (the trimethylaluminum) Ga respectively, as Al source was grown using NH 3 as the nitrogen source. Here, the AlN layer is inserted as an initial layer to suppress the reaction between the Si substrate and Ga, and the Al 0.26 Ga 0.74 N intermediate layer is inserted to improve the crystallinity of the GaN layer formed thereon. The AlN / GaN multilayer structure is inserted for the purpose of relieving the stress caused by the lattice mismatch of GaN and Si and the difference of thermal expansion coefficient. Stretching strain is generated in the AlN layer and compressive strain is generated in the GaN layer. By balancing these, the overall stress is alleviated and cracks are hardly generated in the GaN. As a result, the crystallinity and flatness of GaN and AlGaN / GaN heterojunction formed thereon are greatly improved. A thin-film AlN spacer layer inserted at the undoped AlGaN / GaN heterointerface is inserted to suppress alloy scattering at the heterointerface and further improve mobility. Two-dimensional electron gas is generated at the AlN / GaN hetero interface, which becomes a channel layer when a heterojunction transistor is manufactured.

図１に示すエピタキシャル構造について、前記AlN/GaN周期構造のペア数を変化させた場合のX線回折パターンの半値幅とAFMにより測定した表面荒さRMSの値をプロットしたものが図２である。AlGaN電子供給層はAl0.26Ga0.74Nとし、X線回折パターンの半値幅はGaN(0002)ピークでの値である。今回20ペア及び50ペア及び70ペアで比較したが、70ペア以上ではクラックが発生してしまい、図２のプロットからは除外されている。この結果、AlN/GaN周期構造のペア数が増加するに伴い、結晶性及び平坦性が向上することが判明した。これらのAlN/GaN周期構造ペア数を変化させた試料について移動度及びシートキャリア濃度をホール測定により求めた結果をプロットしたものが図３である。ここでは前述の結晶性・平坦性の向上を反映して、周期構造ペア数の増加に伴い、移動度・キャリア濃度が増加することが判明した。周期構造を50ペアとすることで、最大1210cm2/Vsecの移動度が確認できている。クラックを抑制し大きな移動度を実現できる周期構造ペア数としては40ペアから70ペアの範囲が最適であると思われる。AlN/GaN周期構造のペア数を50ペアとしAlGaN電子供給層のAl組成を変化させエピタキシャル成長した試料についてホール測定により移動度及びシートキャリア濃度を評価した結果をプロットした結果が図４である。AlGaN電子供給層及びAlNスペーサ層の膜厚はそれぞれ25nm、1.5nmと固定し評価した。図４から明らかなようにAlGaN電子供給層のAl組成を26%から20%に減少させることで、移動度が大幅に向上していることが判る。シートキャリア濃度についてはAl組成の減少に伴いAlGaN中の歪みが減少しピエゾ分極が小さくなるために減少している。移動度が増加するAl組成は24%以下あるいはシートキャリア濃度として1.1x1013cm-2以下と考えてよい、Al組成が小さすぎる場合は前述のピエゾ分極に起因するシートキャリア濃度が減少してしまい、電界効果トランジスタを作製した場合のソース抵抗が大きくなってしまうため、20%前後の値に設定されていることが望ましい。 FIG. 2 is a plot of the half width of the X-ray diffraction pattern and the surface roughness RMS value measured by AFM when the number of pairs of the AlN / GaN periodic structure is changed for the epitaxial structure shown in FIG. The AlGaN electron supply layer is Al 0.26 Ga 0.74 N, and the half width of the X-ray diffraction pattern is a value at the GaN (0002) peak. Compared with 20 pairs, 50 pairs, and 70 pairs this time, cracks occurred at 70 pairs or more, and are excluded from the plot of FIG. As a result, it has been found that the crystallinity and flatness improve as the number of AlN / GaN periodic structure pairs increases. FIG. 3 is a plot of the results obtained by measuring the mobility and the sheet carrier concentration by hole measurement for the samples in which the number of AlN / GaN periodic structure pairs is changed. Here, it was found that the mobility and carrier concentration increase with the increase in the number of pairs of periodic structures, reflecting the above-described improvement in crystallinity and flatness. The mobility of up to 1210 cm 2 / Vsec has been confirmed by using 50 pairs of periodic structures. The range of 40 to 70 pairs seems to be optimal as the number of periodic structure pairs that can suppress cracks and achieve high mobility. FIG. 4 shows a result of plotting the results of evaluating the mobility and the sheet carrier concentration by hole measurement for a sample epitaxially grown by changing the Al composition of the AlGaN electron supply layer with 50 AlN / GaN periodic structure pairs. The thicknesses of the AlGaN electron supply layer and the AlN spacer layer were fixed at 25 nm and 1.5 nm, respectively. As is apparent from FIG. 4, it can be seen that the mobility is greatly improved by reducing the Al composition of the AlGaN electron supply layer from 26% to 20%. The sheet carrier concentration decreases because the strain in AlGaN decreases and the piezo polarization decreases as the Al composition decreases. The Al composition with increased mobility may be considered to be 24% or less, or 1.1 × 10 13 cm −2 or less as the sheet carrier concentration. If the Al composition is too small, the sheet carrier concentration due to the piezo polarization will decrease. Since the source resistance increases when a field effect transistor is manufactured, it is desirable that the value be set to around 20%.

以上の通り、AlGaN電子供給層のAl組成を20%程度と比較的小さくすることにより移動度を大幅に向上させることができる。図２、図３及び図４で得られた結果をもとに、図１に断面構造を示すヘテロ接合トランジスタ構造において、より大きな移動度を実現するために、AlN/GaN周期構造のペア数を50ペアとし、AlGaN電子供給層のAl組成を20%として4インチSi(111)基板上へのエピタキシャル成長を行った。この成長層に対し、ホール測定により移動度とシートキャリア濃度の面内分布を測定した結果が図５である。図から明らかなように最大で1610cm2/Vsecという大きな移動度が実現できている。この値は現状でSi基板上のAlGaN/GaNへテロ接合トランジスタ構造にて得られている最も大きな移動度である。面内の分布のシート抵抗の分布標準偏差σが3.1%と非常に小さい値が得られている。AlNスペーサ層下方のアンドープGaN層の膜厚については厚膜化する程、その結晶性は改善され移動度が向上するが、クラックが発生するため現状では0.9μmが最適である。 As described above, the mobility can be greatly improved by reducing the Al composition of the AlGaN electron supply layer to a relatively small value of about 20%. Based on the results obtained in FIGS. 2, 3, and 4, in order to achieve higher mobility in the heterojunction transistor structure whose cross-sectional structure is shown in FIG. Epitaxial growth was performed on a 4-inch Si (111) substrate with 50 pairs, with the Al composition of the AlGaN electron supply layer 20%. FIG. 5 shows the results of measuring the in-plane distribution of mobility and sheet carrier concentration by hole measurement for this growth layer. As is apparent from the figure, a maximum mobility of 1610 cm 2 / Vsec has been realized. This value is the highest mobility currently obtained in the AlGaN / GaN heterojunction transistor structure on the Si substrate. The distribution standard deviation σ of the sheet resistance of the in-plane distribution is 3.1%, which is a very small value. As the thickness of the undoped GaN layer below the AlN spacer layer is increased, its crystallinity is improved and the mobility is improved. However, since cracks are generated, 0.9 μm is optimal at present.

以上の通り、本発明におけるSi基板上のAlGaN/GaNへテロエピタキシャル構造においては、Si基板とAlGaN/GaNヘテロ接合の間にストレス緩和のために挿入するAlN/GaN周期構造のペア数を40ペアから70ペアの範囲とし、さらにAlGaN電子供給層のAl組成を24%以下とすることで、1500cm2/Vsec以上の大きな移動度を容易に実現することが可能となる。 As described above, in the AlGaN / GaN heteroepitaxial structure on the Si substrate in the present invention, the number of pairs of the AlN / GaN periodic structure inserted for stress relaxation between the Si substrate and the AlGaN / GaN heterojunction is 40 pairs. In addition, by setting the Al composition of the AlGaN electron supply layer to 24% or less, a large mobility of 1500 cm 2 / Vsec or more can be easily realized.

前記の図１〜図５に示す実施例で用いた基板はSi(111)の例を示したが、図１に示す構造を形成し、かつ良好な結晶性を有するエピタキシャル成長層が形成できる限りはいかなる基板でも良く、例えばサファイア(0001)基板やSiC(0001)基板、GaN(0001)基板などでも良い。デバイス構造としては電界効果トランジスタのみを示したが、図１に示すアンドープGaN上に例えばヘテロ接合バイポーラトランジスタや接合型電界効果トランジスタが形成されていても良い。結晶成長方法はMOCVDでなく、例えば、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)あるいはハイドライド気相成長法(Hydride Vapor Phase Epitaxy:HVPE)による層を含む形でも良い。エピタキシャル成長層は良好な結晶性、平坦性が実現できる限りはAs,PなどのV族元素あるいはBなどのIII族元素を構成元素として含んでいても良い。   The substrate used in the embodiment shown in FIGS. 1 to 5 is an example of Si (111). However, as long as the structure shown in FIG. 1 is formed and an epitaxially grown layer having good crystallinity can be formed. Any substrate may be used, for example, a sapphire (0001) substrate, a SiC (0001) substrate, a GaN (0001) substrate, or the like. Although only the field effect transistor is shown as the device structure, for example, a heterojunction bipolar transistor or a junction field effect transistor may be formed on the undoped GaN shown in FIG. The crystal growth method is not MOCVD, but may include a layer formed by, for example, molecular beam epitaxy (MBE) or hydride vapor phase epitaxy (HVPE). The epitaxial growth layer may contain a group V element such as As or P or a group III element such as B as a constituent element as long as good crystallinity and flatness can be realized.

本発明にかかる窒化物半導体電界効果トランジスタ構造は、例えばミリ波無線アクセス用伝送システム等で用いられる高周波トランジスタに適用でき有用である。   The nitride semiconductor field effect transistor structure according to the present invention is applicable to a high-frequency transistor used in, for example, a millimeter-wave wireless access transmission system, and is useful.

本発明の一実施形態におけるSi基板上のAlGaN/GaNへテロ接合トランジスタを構成するエピタキシャル構造の断面図である。It is sectional drawing of the epitaxial structure which comprises the AlGaN / GaN heterojunction transistor on Si substrate in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態において得られたX線回折パターンGaN(0002)ピークの半値幅と原子間力顕微鏡で測定した表面荒さRMSをAlN/GaN周期構造のペア数に対してプロットした図である。FIG. 5 is a diagram in which the half width of the X-ray diffraction pattern GaN (0002) peak obtained in an embodiment of the present invention and the surface roughness RMS measured with an atomic force microscope are plotted against the number of pairs of AlN / GaN periodic structures. . 本発明の一実施形態において得られた移動度とシートキャリア濃度をAlN/GaN周期構造のペア数に対してプロットした図である。FIG. 4 is a diagram in which mobility and sheet carrier concentration obtained in an embodiment of the present invention are plotted against the number of pairs of AlN / GaN periodic structures. 本発明の一実施形態においてAlGaN電子供給層のAl組成を変化させた場合に移動度とシートキャリア濃度の関係をプロットした図である。FIG. 6 is a diagram plotting the relationship between mobility and sheet carrier concentration when the Al composition of an AlGaN electron supply layer is changed in an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態において４インチSi基板上で得られた移動度とシートキャリア濃度の面内分布を示す図である。It is a figure which shows the in-plane distribution of the mobility and sheet carrier density | concentration which were obtained on 4 inch Si substrate in one Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101 Si(111)基板、
102 AlNバッファ層、
103 AlGaN中間層、
104 AlN/GaN周期構造、
105 アンドープGaN層、
106 AlNスペーサ層、
107 アンドープAlGaN電子供給層 101 Si (111) substrate,
102 AlN buffer layer,
103 AlGaN interlayer,
104 AlN / GaN periodic structure,
105 undoped GaN layer,
106 AlN spacer layer,
107 Undoped AlGaN electron supply layer

Claims (11)

Si基板上にアンドープGaN及びAlxGa1-xN(0<x≦1)がこの順に形成されており、この２層の間に２次元電子ガスが形成されチャネルとなる構造において、前記AlxGa1-xNのAl組成xが24%以下であることを特徴とする、窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。 In the structure in which undoped GaN and Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) are formed in this order on a Si substrate, and a two-dimensional electron gas is formed between the two layers to form a channel, the Al A nitride semiconductor field effect transistor structure, wherein the Al composition x of x Ga 1-x N is 24% or less. Si基板上にアンドープGaN及びAlxGa1-xN(0<x≦1)がこの順に形成されており、この２層の間に２次元電子ガスが形成されチャネルとなる構造において、前記アンドープGaNとSi基板の間に組成の異なるAlxGa1-xN(0≦x≦1)2層が周期的に形成された周期構造が形成され、そのペア数が21以上70未満であることを特徴とする、窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。 In the structure in which undoped GaN and Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) are formed in this order on a Si substrate, and a two-dimensional electron gas is formed between the two layers to form a channel, the undoped A periodic structure in which two Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layers with different compositions are periodically formed between the GaN and Si substrate is formed, and the number of pairs is 21 or more and less than 70 A nitride semiconductor field effect transistor structure. 前記チャネルの移動度が1500cm2/Vsec以上を供することを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。 3. The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 1, wherein the mobility of the channel provides 1500 cm 2 / Vsec or more. 前記２次元電子ガスのシートキャリア濃度が1.1x1013cm-2以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。 4. The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 1, wherein a sheet carrier concentration of the two-dimensional electron gas is 1.1 × 10 13 cm −2 or less. 前記アンドープGaN及びAlxGa1-xN(0<x≦1)の間にAlNスペーサ層が挿入されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。 The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 1, wherein an AlN spacer layer is inserted between the undoped GaN and Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1). . 前記AlNスペーサ層の膜厚が1.5nm以下であることを特徴とする、請求項５に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。   6. The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 5, wherein the thickness of the AlN spacer layer is 1.5 nm or less. 前記周期構造がGaNとAlNの周期構造からなることを特徴とする、請求項２に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。   The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 2, wherein the periodic structure is composed of a periodic structure of GaN and AlN. 前記Si基板上に接する形でSiを含まない初期層が形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。   The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 1, wherein an initial layer not containing Si is formed in contact with the Si substrate. 前記Si基板上に接する形でAlN初期層が形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。   The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 1, wherein an AlN initial layer is formed in contact with the Si substrate. 前記AlN初期層上に接する形でAlxGa1-xN(0≦x<1)中間層が形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。 The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 9, wherein an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) intermediate layer is formed in contact with the AlN initial layer. 前記アンドープGaNの膜厚が1μm未満であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。   The nitride semiconductor field effect transistor structure according to claim 1, wherein the undoped GaN has a thickness of less than 1 μm.
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