JP2000068498A - 絶縁性窒化物膜およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

絶縁性窒化物膜およびそれを用いた半導体装置

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compound semiconductor
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gan
layer
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Toshio Nishida
敏夫 西田
Naoki Kobayashi
小林　　直樹
Yukihiko Maeda
就彦 前田
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    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/2003—Nitride compounds

Abstract

(57)【要約】 【課題】窒化物III−Ｖ族化合物半導体装置の作製にお
いて、格子定数の不整合を抑制したまま、電気的に良好
な分離を行うことにより、半導体装置の特性を向上す
る。例えば、高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のチャ
ネル層の下層に、絶縁性窒化物膜を設けることにより、
容易に高速性に優れたＨＥＭＴ特性が得られる半導体装
置を提供する。 【解決手段】窒化物III−Ｖ族化合物半導体に、不純物
として炭素単独、もしくは炭素と、該炭素濃度の１０％
以下のII族原子を共ドープした窒化物III−Ｖ族化合物
半導体よりなる絶縁性窒化物膜とする。窒化物III−Ｖ
族化合物半導体は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮまたはＢ
Ｎ、もしくはこれらの混合結晶よりなり、これらの絶縁
性窒化物膜を少なくとも用いて、窒化物III−Ｖ族化合
物半導体装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は炭素をドープした絶
縁性の窒化物III−Ｖ族化合物半導体よりなる絶縁性窒
化物膜およびこれを用いた窒化物III−Ｖ族化合物半導
体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた
半導体装置では、電気的な分離を行うために、バンドギ
ャップのより大きい材料を用いていた。例えば、ＧａＮ
とＡｌＧａＮからなるＨＥＭＴ（高移動度トランジス
タ）素子においては、導電性のＳｉＣ基板上に作製する
際に、能動層とＳｉＣ基板の中間に電気伝導性のより低
いＡｌＮ層を厚く形成していた。しかしながら、ＡｌＮ
層の結晶格子定数がＧａＮやＡｌ組成の少ないＡｌＧａ
Ｎ混晶に比較して２％程小さいために、結晶欠陥が生じ
たり、またクラック（ひび割れ）が発生したりする問題
がある。例えば、図３に示すように、ＨＥＭＴを作製す
るために、ＳｉＣ基板１に、ＡｌＮ核形成層２を形成
し、その上に、抵抗の高いＡｌＮバッファ層３ｃを１.
５μｍ成長し、ＧａＮチャネル層４を５００Å、ｎ−Ａ
ｌＧａＮキャリア供給層５を３００Åを成長したとこ
ろ、多くのクラック９が発生し素子作製は不可能であ
る。また、図２に示すように、アンドープＧａＮバッフ
ァ層３ｂを１.５μｍ成長し、ＧａＮチャネル層４、ｎ
−ＡｌＧａＮキャリア供給層５を成長した場合には、当
然クラックは生じないが、アンドープＧａＮバッファ層
３ｂのシート抵抗は１００ｋ（キロ）オーム程度で絶縁
性は不十分である。また、ゲート長（ｄ）０.２μｍの
マッシュルーム型電極を用いたＨＥＭＴを作製したとこ
ろ、最大遮断周波数は１６ＧＨｚで、絶縁性の良いバッ
ファ層を用いれば、この値はさらに増大するものと考え
られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、窒化
物III−Ｖ族化合物半導体装置の作製において、格子定
数の不整合を抑制したまま、電気的に良好な素子分離を
行うことにより、半導体装置の特性を向上するものであ
り、例えば、ＨＥＭＴ素子のチャネル層の下層に絶縁性
に優れた窒化物膜を設けることにより、容易に高速性に
優れた素子特性が得られる窒化物III−Ｖ族化合物半導
体装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記本発明の課題を達成
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構
成とするものである。すなわち、請求項１に記載のよう
に、窒化物III−Ｖ族化合物半導体に、不純物として炭
素を高濃度にドープした絶縁性の窒化物III−Ｖ族化合
物半導体よりなる絶縁性窒化物膜とするものである。ま
た、請求項２に記載のように、窒化物III−Ｖ族化合物
半導体に、不純物として炭素と、該炭素濃度の１０％以
下のII族原子を共ドープした窒化物III−Ｖ族化合物半
導体よりなる絶縁性窒化物膜とするものである。また、
請求項３に記載のように、請求項１または請求項２にお
いて、窒化物III−Ｖ族化合物半導体は、ＧａＮ、Ａｌ
Ｎ、ＩｎＮまたはＢＮ、もしくはこれらの混合結晶より
なる絶縁性窒化物膜とするものである。また、請求項４
に記載のように、請求項１ないし請求項３のいずれか１
項において、不純物の添加量は１×１０17／ｃｍ3以上
である絶縁性窒化物膜とするものである。また、請求項
５に記載のように、請求項１ないし請求項４のいずれか
１項に記載の絶縁性窒化物膜を少なくとも用いて、窒化
物III−Ｖ族化合物半導体装置を構成するものである。
本発明の請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載
の絶縁性窒化物膜は、有機金属気相成長法を用いた窒化
物III−Ｖ族化合物半導体結晶成長において、炭素を不
純物として単独でドープするか、または炭素と、該炭素
濃度の１０％以下のII族原子（Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ等）を
共ドープして、１×１０17／ｃｍ3以上の不純物を添加
するものである。なお、不純物添加量の上限は、その不
純物の母材に対する飽和溶解濃度である。このように、
窒化物III−Ｖ族化合物半導体材料に、不純物として炭
素を単独ドープ、または炭素とII族原子との共ドープす
ることにより、不純物を高濃度に添加した絶縁性窒化物
膜を容易に得ることができ、抵抗率が極めて高い絶縁性
窒化物膜を簡易に形成できる効果がある。また、請求項
５に記載のように、請求項１ないし請求項４のいずれか
１項に記載の絶縁性窒化物膜を、窒化物III−Ｖ族化合
物半導体装置の素子分離等に適用することが可能であ
り、本発明の抵抗率が極めて高い絶縁性窒化物膜を、例
えば、ＨＥＭＴ素子のチャネル層の下部に設けることに
より、クラックを発生することなく、高速性に優れた特
性の高移動度トランジスタを簡易に実現できる効果があ
る。また、本発明の絶縁性窒化物膜を成長する基板とし
て、導電性のＳｉＣ基板を用いることが好ましいが、Ｓ
ｉＣ以外の導電性を有する基板を用いる場合においても
適用できることは言うまでもない。
【０００５】
【発明の実施の形態】〈実施の形態１〉薄膜成長用のＳ
ｉＣ基板には（０００１）Ｓｉ面正方位より、｛１１０
０｝方向に０.２°（度）に傾斜した基板を用いた。結
晶成長には縦型のＭＯＶＰＥ炉を用い、成長圧力は１５
０Torr（トル）、原料にはトリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリエチルアル
ミニウム（ＴＥＡ）、シラン（ＳｉＨ4）、アンモニア
（ＮＨ3）を使用し、Ｖ族／III族比は、約３０００〜３
００００で成長を行った。図１に、作製した高移動度ト
ランジスタ（ＨＥＭＴ）の構造を示す。厚さ１.５μｍ
の絶縁性ＧａＮバッファ層３ａのＧａＮ成長にはＴＭＧ
を用い、成長温度は９８０℃とした。上記ＴＭＧで成長
を行うことによりＧａＮに炭素がドープされる。なお、
ＧａＮとＳｉＣ基板の間にはＡｌＮ核形成層２を３００
ｎｍを設けている。 ＧａＮチャネル層４は３００Åの
厚みとし、ＧａＮ成長にはＴＥＧを用い、成長温度は１
０２０℃で行う。 また、ｎ−ＡｌＧａＮキャリア供給
層５の厚みは３００Åとする。絶縁性ＧａＮバッファ層
３ａおよびＧａＮチャネル層４の結晶性は、Ｘ線ロッキ
ングカーブで６０秒と大変優れており、バンド端のフォ
トルミネッセンス半値幅も４０ｍ（ミリ）ｅＶ以下と良
好な値を示した。したがって、結晶品質を損なうことな
く、高い抵抗値を有する絶縁層を容易に導入することが
可能である。ＴＭＧを用いた絶縁性ＧａＮバッファ層３
ａにおける炭素濃度は５×１０17／ｃｍ3で、シート抵
抗値は１Ｍ（メガ）オーム以上である。また、この抵抗
値は、成長圧力または成長温度を下げるほど高くなる傾
向を示した。ゲート電極８には、ゲート長（ｄ）０.２
μｍのマッシュルーム型電極を用いて変調を行ったとこ
ろ、最大遮断周波数４０Ｇ（ギガ）Ｈｚを得ることがで
き、絶縁性ＧａＮバッファ層３ａを用いた場合の１６Ｇ
Ｈｚに対して、大幅な特性向上が達成できた。
【０００６】〈実施の形態２〉薄膜成長用の基板には
（０００１）Ｓｉ面正方位より、｛１１００｝方向に
０.２°に傾斜した基板を用いた。結晶成長には縦型の
ＭＯＶＰＥ炉を用い、成長圧力は１５０Torr、原料には
トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム
（ＴＥＧ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、シラ
ン（ＳｉＨ4）、シクロペンタジエニルマグネシウム
（Ｃｐ2Ｍｇ）、アンモニア（ＮＨ3）を使用し、Ｖ族／
III族比は、約１００００〜３００００で成長を行い、
図１に示す構造の高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を
作製した。厚さ１.５μｍの絶縁性ＧａＮバッファ層３
ａのＧａＮ成長にはＴＭＧを用い、Ｃｐ2ＭｇによりII
族原子であるＭｇを２×１０16／ｃｍ3ドーピングし
た。成長温度は９８０℃である。また、ＧａＮチャネル
層４のＧａＮ成長にはＴＥＧを用い、成長温度は１０２
０℃で行った。絶縁性ＧａＮバッファ層３ａおよびＧａ
Ｎチャネル層４の結晶性は、Ｘ線ロッキングカーブで８
０秒と優れた値を示し、キャリアが枯渇するためバンド
端のフォトルミネッセンスは著しく減少した。また、Ｔ
ＭＧとＣｐ2Ｍｇを用いた絶縁性ＧａＮバッファ層３ａ
における炭素濃度は２×１０18／ｃｍ3で、抵抗値は１
０Ｍオーム以上と、Ｍｇを共ドープすることにより、さ
らに抵抗値を上げることができた。また、この抵抗値は
成長圧力または成長温度を下げるほど高くなる傾向を示
した。ゲート電極８として、ゲート長（ｄ）０.２μｍ
のマッシュルーム型電極を用いて変調を行ったところ、
最大遮断周波数４５ＧＨｚが得られ、Ｍｇとの共ドープ
により、さらに高速性に優れた素子特性を得ることがで
きた。炭素と共ドープするII族原子として、Ｍｇの場合
を例示したが、その他、Ｂｅ、Ｚｎ等の場合につても同
等の効果が得られることを確認している。以上の実施の
形態では、窒化物III−Ｖ族化合物半導体として、Ｇａ
Ｎの場合を例示したが、その他、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ
またはこれらの混合結晶においても同様の効果があるこ
とを確認している。
【０００７】
【発明の効果】本発明は、不純物として炭素を単独ドー
プ、または炭素と、該炭素濃度の１０％以下のII族原子
との共ドープすることにより、不純物を高濃度に添加し
た絶縁性窒化物膜を作製することができ、抵抗率が極め
て高い絶縁性窒化物膜を形成することが可能となる。し
たがって、この絶縁性窒化物膜を、窒化物III−Ｖ族化
合物半導体装置の作製に適用することにより、格子定数
の不整合を抑制したまま、電気的に良好な素子分離等を
行うことができ、半導体装置の特性を向上させることが
できる。例えば、高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の
作製において、クラックを発生させることなく、チャネ
ル層の下部に本発明の絶縁性窒化物膜を設けるだけで、
簡易に高速性に優れた特性のトランジスタを実現できる
効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態で例示した絶縁性窒化物膜
を有するＨＥＭＴ素子の構造を示す模式図。
【図２】従来のＨＥＭＴ素子の構造を示す模式図。
【図３】従来の他のＨＥＭＴ素子の構造を示す模式図。
【符号の説明】
１…ＳｉＣ基板 ２…ＡｌＮ核形成層 ３ａ…絶縁性ＧａＮバッファ層 ３ｂ…アンドープＧａＮバッファ層 ３ｃ…ＡｌＮバッファ層 ４…ＧａＮチャネル層 ５…ｎ−ＡｌＧａＮキャリア供給層 ６…ソース電極 ７…ドレイン電極 ８…ゲート電極 ９…クラック ｄ…ゲート長（例えば０.２μｍ）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前田 就彦 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 5F045 AA04 AB14 AB17 AC01 AC08 AC09 AC12 AD13 AD14 AE25 AF02 CA06 CA07 CB02 DA53 DA59 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ02 GK04 GL04 GM04 GQ01 GR01 GR09 GS04 HC01

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】窒化物III−Ｖ族化合物半導体に、不純物
    として炭素を高濃度にドープした絶縁性の窒化物III−
    Ｖ族化合物半導体よりなることを特徴とする絶縁性窒化
    物膜。
  2. 【請求項２】窒化物III−Ｖ族化合物半導体に、不純物
    として炭素と、該炭素濃度の１０％以下のII族原子を共
    ドープした窒化物III−Ｖ族化合物半導体よりなること
    を特徴とする絶縁性窒化物膜。
  3. 【請求項３】請求項１または請求項２において、窒化物
    III−Ｖ族化合物半導体は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮま
    たはＢＮ、もしくはこれらの混合結晶よりなることを特
    徴とする絶縁性窒化物膜。
  4. 【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれか１項に
    おいて、不純物の添加量は、１×１０17／ｃｍ3以上で
    あることを特徴とする絶縁性窒化物膜。
  5. 【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれか１項に
    記載の絶縁性窒化物膜を少なくとも用いて、窒化物III
    −Ｖ族化合物半導体装置を構成してなることを特徴とす
    る半導体装置。
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