JP2000299325A - 窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハ - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電子移動度が高く、ピンチオフ特性に優れた
窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効果トランジ
スタ用エピタキシャルウェハを提供する。 【解決手段】 サファイア基板１２の格子定数がＧａＮ
の格子定数より大きいため、ＧａＮ層１０、１１、１４
が引張り応力を受けるが、ｕｎ−ＧａＮ層１４上に格子
定数の小さいｕｎ−ＡｌＧａＮ層１３を形成することに
より、ＧａＮ層１０、１１、１４は逆に圧縮応力を受
け、応力歪みの影響を緩和することができる。応力歪み
の影響が減少したことにより、電子移動度が大きくな
る。また、ｕｎ−ＡｌＧａＮ層１３上部に生じる正のピ
エゾ電荷によってピンチオフ特性が向上する。
窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効果トランジ
スタ用エピタキシャルウェハを提供する。 【解決手段】 サファイア基板１２の格子定数がＧａＮ
の格子定数より大きいため、ＧａＮ層１０、１１、１４
が引張り応力を受けるが、ｕｎ−ＧａＮ層１４上に格子
定数の小さいｕｎ−ＡｌＧａＮ層１３を形成することに
より、ＧａＮ層１０、１１、１４は逆に圧縮応力を受
け、応力歪みの影響を緩和することができる。応力歪み
の影響が減少したことにより、電子移動度が大きくな
る。また、ｕｎ−ＡｌＧａＮ層１３上部に生じる正のピ
エゾ電荷によってピンチオフ特性が向上する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化ガリウム系化
合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシ
ャルウェハに関する。
合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシ
ャルウェハに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、窒化ガリウム（ＧａＮ）の成長
は、サファイア（α−Ａｌ2 Ｏ3 ）やシリコンカーバイ
ド（ＳｉＣ）基板上に、ＶＰＥ法（気相成長法、ＭＯＶ
ＰＥ法を含む）及びＭＢＥ法（分子線エピタキシャル
法、各種原料によるＭＢＥもこれに含む）を施すことに
より行われる。ＧａＮ系化合物半導体を用いた電界効果
型トランジスタの成長も同様の方法により成長が行われ
る。その形成方法の詳細を以下に示す。
は、サファイア（α−Ａｌ2 Ｏ3 ）やシリコンカーバイ
ド（ＳｉＣ）基板上に、ＶＰＥ法（気相成長法、ＭＯＶ
ＰＥ法を含む）及びＭＢＥ法（分子線エピタキシャル
法、各種原料によるＭＢＥもこれに含む）を施すことに
より行われる。ＧａＮ系化合物半導体を用いた電界効果
型トランジスタの成長も同様の方法により成長が行われ
る。その形成方法の詳細を以下に示す。
【０００３】無処理あるいは何らかの溶液処理が施され
たサファイア（あるいはＳｉＣ）基板を成長炉の中に導
入する。最初にこの基板上に数十ｎｍ程度のＧａＮ、Ａ
ｌＧａＮ、ＡｌＮの内いずれかの薄膜を形成する。つい
でＧａＮの厚いバッファ層を成長させ、そのバッファ層
の上にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）構造を形成す
る。
たサファイア（あるいはＳｉＣ）基板を成長炉の中に導
入する。最初にこの基板上に数十ｎｍ程度のＧａＮ、Ａ
ｌＧａＮ、ＡｌＮの内いずれかの薄膜を形成する。つい
でＧａＮの厚いバッファ層を成長させ、そのバッファ層
の上にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）構造を形成す
る。
【０００４】代表的なＦＥＴ構造には、ｎ−ＡｌＧａＮ
／ＧａＮの選択ドープ構造（図１２参照）、ｎ−ＧａＮ
／ＧａＮのＭＥＳＦＥＴ（金属半導体型電界効果トラン
ジスタ）構造（図１３参照）等がある。
／ＧａＮの選択ドープ構造（図１２参照）、ｎ−ＧａＮ
／ＧａＮのＭＥＳＦＥＴ（金属半導体型電界効果トラン
ジスタ）構造（図１３参照）等がある。
【０００５】なお図１２及び図１３は従来の電界効果ト
ランジスタ用エピタキシャルウェハの構造図であり、図
中に示した番号は表１に記載の番号に対応するエピタキ
シャル成長層を示す（以下、他の構造図においても同
様。）。
ランジスタ用エピタキシャルウェハの構造図であり、図
中に示した番号は表１に記載の番号に対応するエピタキ
シャル成長層を示す（以下、他の構造図においても同
様。）。
【０００６】
【表１】
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図１２及び
図１３に示したエピタキシャルウェハの材料系におい
て、基板とエピタキシャル層（以下「エピ層」とい
う。）との界面の状態は明らかになってないが、その界
面にキャリヤを発生させるような準位が存在することが
ある。図１２及び図１３に示すようなＧａＮのみのバッ
ファ層構造を有するＦＥＴにおいて、前述の界面準位の
影響によりチャネル層以外の部分で電流が流れ、良好な
ピンチオフ特性が得られないという問題があった。
図１３に示したエピタキシャルウェハの材料系におい
て、基板とエピタキシャル層（以下「エピ層」とい
う。）との界面の状態は明らかになってないが、その界
面にキャリヤを発生させるような準位が存在することが
ある。図１２及び図１３に示すようなＧａＮのみのバッ
ファ層構造を有するＦＥＴにおいて、前述の界面準位の
影響によりチャネル層以外の部分で電流が流れ、良好な
ピンチオフ特性が得られないという問題があった。
【０００８】また、ＧａＮの格子定数と基板の格子定数
との間には差があるため、ＧａＮ膜は引張り応力（サフ
ァイアの場合）を受ける。その歪みによる散乱の影響が
チャネル層の電子移動度を低下させ、デバイス特性の向
上を妨げていると考えられる。
との間には差があるため、ＧａＮ膜は引張り応力（サフ
ァイアの場合）を受ける。その歪みによる散乱の影響が
チャネル層の電子移動度を低下させ、デバイス特性の向
上を妨げていると考えられる。
【０００９】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、電子移動度が高く、ピンチオフ特性に優れた窒化ガ
リウム系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用
エピタキシャルウェハを提供することにある。
し、電子移動度が高く、ピンチオフ特性に優れた窒化ガ
リウム系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用
エピタキシャルウェハを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効
果トランジスタ用エピタキシャルウェハは、窒化ガリウ
ムを含む窒化物混晶をチャネル層とする窒化ガリウム系
化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキ
シャルウェハにおいて、ＧａＮバッファ層とチャネル層
との間に、ＧａＮよりも格子定数の小さい層を一層以上
挿入したものである。
に本発明の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効
果トランジスタ用エピタキシャルウェハは、窒化ガリウ
ムを含む窒化物混晶をチャネル層とする窒化ガリウム系
化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキ
シャルウェハにおいて、ＧａＮバッファ層とチャネル層
との間に、ＧａＮよりも格子定数の小さい層を一層以上
挿入したものである。
【００１１】上記構成に加え本発明の窒化ガリウム系化
合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシ
ャルウェハは、ＧａＮよりも格子定数の小さい層はＡｌ
ＧａＮ層であるのが好ましい。
合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシ
ャルウェハは、ＧａＮよりも格子定数の小さい層はＡｌ
ＧａＮ層であるのが好ましい。
【００１２】上記構成に加え本発明の窒化ガリウム系化
合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシ
ャルウェハは、ＡｌX Ｇａ1-X Ｎ層の一層の膜厚は、Ａ
ｌの組成をＸとするとき、１５Ｘ-1.2ｎｍ以下であるの
が好ましい。
合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシ
ャルウェハは、ＡｌX Ｇａ1-X Ｎ層の一層の膜厚は、Ａ
ｌの組成をＸとするとき、１５Ｘ-1.2ｎｍ以下であるの
が好ましい。
【００１３】上記構成に加え本発明の窒化ガリウム系化
合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシ
ャルウェハは、ＡｌＧａＮ層の一層の膜厚は２５ｎｍ以
上であるのが好ましい。
合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシ
ャルウェハは、ＡｌＧａＮ層の一層の膜厚は２５ｎｍ以
上であるのが好ましい。
【００１４】上記構成に加え本発明の窒化ガリウム系化
合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシ
ャルウェハは、ＡｌX Ｇａ1-X Ｎ層のＡｌ組成Ｘは、
０．１５＜Ｘ＜０．３であるのが好ましい。
合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシ
ャルウェハは、ＡｌX Ｇａ1-X Ｎ層のＡｌ組成Ｘは、
０．１５＜Ｘ＜０．３であるのが好ましい。
【００１５】上記構成に加え本発明の窒化ガリウム系化
合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシ
ャルウェハは、成長用基板にサファイアを用い、サファ
イア基板上へのエピタキシャルの第一層目を、基板温度
５００℃で成長したＧａＮ層とするのが好ましい。
合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシ
ャルウェハは、成長用基板にサファイアを用い、サファ
イア基板上へのエピタキシャルの第一層目を、基板温度
５００℃で成長したＧａＮ層とするのが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。
て説明する。
【００１７】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体を用
いた電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハは、
ＧａＮ系ＦＥＴのＧａＮバッファ層とチャネル層との間
に、一層以上のＡｌX Ｇａ1-X Ｎ層を挿入したものであ
る。
いた電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハは、
ＧａＮ系ＦＥＴのＧａＮバッファ層とチャネル層との間
に、一層以上のＡｌX Ｇａ1-X Ｎ層を挿入したものであ
る。
【００１８】ＡｌX Ｇａ1-X Ｎ層の膜厚ｄは、Ａｌ組成
（Ｘ）に対して最大膜厚ｄmax ＝１５Ｘ-1.2ｎｍとする
のが好ましい。一層以上挿入する際は、クラックの発生
防止のため、各ＡｌＧａＮ層の間にＧａＮ層を形成する
のが好ましい。ＧａＮ層の膜厚はＡｌＧａＮ層の膜厚以
上とするのが好ましい。
（Ｘ）に対して最大膜厚ｄmax ＝１５Ｘ-1.2ｎｍとする
のが好ましい。一層以上挿入する際は、クラックの発生
防止のため、各ＡｌＧａＮ層の間にＧａＮ層を形成する
のが好ましい。ＧａＮ層の膜厚はＡｌＧａＮ層の膜厚以
上とするのが好ましい。
【００１９】本エピタキシャルウェハは、サファイア基
板の格子定数がＧａＮの格子定数より大きいため、Ｇａ
Ｎ層が引張り応力を受けるが、ＧａＮ層上に格子定数の
小さいＡｌＧａＮ層を形成することにより、ＧａＮ層は
逆に圧縮応力を受け、応力歪みの影響を緩和することが
できる。この結果、応力歪みの影響が減少したことによ
り、電子移動度が大きくなる。また、ＡｌＧａＮ層上部
に生じる正のピエゾ電荷によってピンチオフ特性が向上
する。
板の格子定数がＧａＮの格子定数より大きいため、Ｇａ
Ｎ層が引張り応力を受けるが、ＧａＮ層上に格子定数の
小さいＡｌＧａＮ層を形成することにより、ＧａＮ層は
逆に圧縮応力を受け、応力歪みの影響を緩和することが
できる。この結果、応力歪みの影響が減少したことによ
り、電子移動度が大きくなる。また、ＡｌＧａＮ層上部
に生じる正のピエゾ電荷によってピンチオフ特性が向上
する。
【００２０】
【実施例】（実施例１）図５は従来の窒化ガリウム系化
合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシ
ャルウェハを示す比較例の構造図であり、図１は本発明
の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効果トラン
ジスタ用エピタキシャルウェハの一実施例を示すサンプ
ル１の構造図である。
合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシ
ャルウェハを示す比較例の構造図であり、図１は本発明
の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効果トラン
ジスタ用エピタキシャルウェハの一実施例を示すサンプ
ル１の構造図である。
【００２１】図５に示すエピタキシャルウェハの比較例
は、厚さ３００μｍのサファイア基板１２の上に、厚さ
２５ｎｍのＧａＮ低温バッファ層（以下「ＬＴ−ＧａＮ
層」という。）１１、厚さ２μｍのアンドープＧａＮ層
（以下「ｕｎ−ＧａＮ層」という。）１０、厚さ２ｎｍ
のアンドープＡｌＧａＮ層（以下「ｕｎ−ＡｌＧａＮ
層」という。）９、厚さ２５ｎｍのｎ−ＡｌＧａＮ層８
及び厚さ３ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層７を順次積層した
ものである。
は、厚さ３００μｍのサファイア基板１２の上に、厚さ
２５ｎｍのＧａＮ低温バッファ層（以下「ＬＴ−ＧａＮ
層」という。）１１、厚さ２μｍのアンドープＧａＮ層
（以下「ｕｎ−ＧａＮ層」という。）１０、厚さ２ｎｍ
のアンドープＡｌＧａＮ層（以下「ｕｎ−ＡｌＧａＮ
層」という。）９、厚さ２５ｎｍのｎ−ＡｌＧａＮ層８
及び厚さ３ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層７を順次積層した
ものである。
【００２２】図１に示すエピタキシャルウェハのサンプ
ル１は、厚さ３００μｍのサファイア基板１２の上に、
厚さ２５ｎｍのＬＴ−ＧａＮ層１１、厚さ２５ｎｍのｕ
ｎ−ＧａＮ層１４、厚さ２５ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層
１３、厚さ２μｍのｕｎ−ＧａＮ層１０、厚さ２ｎｍの
ｕｎ−ＡｌＧａＮ層９、厚さ２５ｎｍのｎ−ＡｌＧａＮ
層８及び厚さ３ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層７を順次積層
したものである。
ル１は、厚さ３００μｍのサファイア基板１２の上に、
厚さ２５ｎｍのＬＴ−ＧａＮ層１１、厚さ２５ｎｍのｕ
ｎ−ＧａＮ層１４、厚さ２５ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層
１３、厚さ２μｍのｕｎ−ＧａＮ層１０、厚さ２ｎｍの
ｕｎ−ＡｌＧａＮ層９、厚さ２５ｎｍのｎ−ＡｌＧａＮ
層８及び厚さ３ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層７を順次積層
したものである。
【００２３】これらのエピタキシャルウェハの基板とし
てｃ面研磨サファイア基板を用い、Ｇａ原料としてトリ
メチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、Ａｌ原料としてトリ
メチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｎ原料としてア
ンモニア（ＮＨ3 ）を用い、Ｓｉ原料としてモノシラン
（ＳｉＨ4 ）を用いた。
てｃ面研磨サファイア基板を用い、Ｇａ原料としてトリ
メチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、Ａｌ原料としてトリ
メチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｎ原料としてア
ンモニア（ＮＨ3 ）を用い、Ｓｉ原料としてモノシラン
（ＳｉＨ4 ）を用いた。
【００２４】エピタキシャルウェハの構造はｎ−ＡｌＧ
ａＮ／ＧａＮの選択ドープ構造である。
ａＮ／ＧａＮの選択ドープ構造である。
【００２５】これらのエピタキシャルウェハは以下のよ
うにして形成した。
うにして形成した。
【００２６】まず、５００℃の基板温度でＬＴ−ＧａＮ
層（ＧａＮ低温バッファ層）１１を成長させ、ついで１
１００℃にてｕｎ−ＧａＮ層１０、１４を成長させる。
図５に示した比較例では、このｕｎ−ＧａＮ層１０がバ
ッファ層及びチャネル層となる。
層（ＧａＮ低温バッファ層）１１を成長させ、ついで１
１００℃にてｕｎ−ＧａＮ層１０、１４を成長させる。
図５に示した比較例では、このｕｎ−ＧａＮ層１０がバ
ッファ層及びチャネル層となる。
【００２７】しかしながら、図１に示したサンプル１で
は、ＬＴ−ＧａＮ層１１上のｕｎ−ＧａＮ層１４はバッ
ファ層となり、このｕｎ−ＧａＮ層１４に次いで、ｕｎ
−ＡｌＧａＮ層１３と、チャネル層となるｕｎ−ＧａＮ
層１０を成長させる。さらにこの上にｕｎ−ＡｌＧａＮ
層９／ｎ−ＡｌＧａＮ層（ＳｉドープＡｌＧａＮ層）８
／ｕｎ−ＡｌＧａＮ層７をそれぞれ成長させる。この成
長により、チャネル層になるｕｎ−ＧａＮ層１０の上部
に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）と呼ばれる移動度の高い
電子が発生する。
は、ＬＴ−ＧａＮ層１１上のｕｎ−ＧａＮ層１４はバッ
ファ層となり、このｕｎ−ＧａＮ層１４に次いで、ｕｎ
−ＡｌＧａＮ層１３と、チャネル層となるｕｎ−ＧａＮ
層１０を成長させる。さらにこの上にｕｎ−ＡｌＧａＮ
層９／ｎ−ＡｌＧａＮ層（ＳｉドープＡｌＧａＮ層）８
／ｕｎ−ＡｌＧａＮ層７をそれぞれ成長させる。この成
長により、チャネル層になるｕｎ−ＧａＮ層１０の上部
に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）と呼ばれる移動度の高い
電子が発生する。
【００２８】これらのエピタキシャルウェハについて、
電気伝導に寄与するキャリアの電子移動度（μｅ）及び
シートキャリア濃度（Ｎｓ）を調べた。それぞれの結果
を表２に示す。
電気伝導に寄与するキャリアの電子移動度（μｅ）及び
シートキャリア濃度（Ｎｓ）を調べた。それぞれの結果
を表２に示す。
【００２９】
【表２】
【００３０】同表２から分るように、比較例では室温と
液体窒素温度のシートキャリア濃度に３倍もの違いが見
られるのに対して、サンプル１では両者に大きな差が見
られない。また、サンプル１の方が室温及び液体窒素温
度において電子移動度が大きい。
液体窒素温度のシートキャリア濃度に３倍もの違いが見
られるのに対して、サンプル１では両者に大きな差が見
られない。また、サンプル１の方が室温及び液体窒素温
度において電子移動度が大きい。
【００３１】図６はＮｓ（シートキャリア濃度）の温度
依存性を示す特性図であり、横軸が測定温度を示し、縦
軸がＮｓを示している。
依存性を示す特性図であり、横軸が測定温度を示し、縦
軸がＮｓを示している。
【００３２】同図より、比較例では低温になるに伴い、
シートキャリア濃度が大きく減少するのが分る。一方、
サンプル１ではシートキャリア濃度の変化は大きくない
ことが分る。これらのことから、サンプル１の電気伝導
特性は、チャネル層の２ＤＥＧそのものを観測したもの
であり、比較例の電気伝導特性は２ＤＥＧのみならず、
２ＤＥＧ以外の部分を観測したものであることが分る。
この２ＤＥＧ以外の部分とは、基板とエピ層との界面で
あり、その界面部分には低温で消えてしまうようなキャ
リアを発生させる準位がある。
シートキャリア濃度が大きく減少するのが分る。一方、
サンプル１ではシートキャリア濃度の変化は大きくない
ことが分る。これらのことから、サンプル１の電気伝導
特性は、チャネル層の２ＤＥＧそのものを観測したもの
であり、比較例の電気伝導特性は２ＤＥＧのみならず、
２ＤＥＧ以外の部分を観測したものであることが分る。
この２ＤＥＧ以外の部分とは、基板とエピ層との界面で
あり、その界面部分には低温で消えてしまうようなキャ
リアを発生させる準位がある。
【００３３】図７はμｅ（電子移動度）の温度依存性を
示す特性図であり、横軸が測定温度を示し、縦軸がμｅ
を示している。
示す特性図であり、横軸が測定温度を示し、縦軸がμｅ
を示している。
【００３４】同図より、低温になり、電気伝導特性が基
板とエピ層との界面に発生するキャリアの影響を受け難
くなっているにもかかわらず、電子移動度の差がなくな
らないことが分る。これは、比較例とサンプル１との応
力歪みの差によるものであると考えられる。この応力歪
みは、ＧａＮ層（ＬＴ−ＧａＮ層１１、ｕｎ−ＧａＮ層
１４、１０）が基板から引張り応力を受けることにより
生じる。バッファ層とチャネル層との間にｕｎ−ＡｌＧ
ａＮ層１３を挿入することによりこの引張り応力を緩和
させることができた。
板とエピ層との界面に発生するキャリアの影響を受け難
くなっているにもかかわらず、電子移動度の差がなくな
らないことが分る。これは、比較例とサンプル１との応
力歪みの差によるものであると考えられる。この応力歪
みは、ＧａＮ層（ＬＴ−ＧａＮ層１１、ｕｎ−ＧａＮ層
１４、１０）が基板から引張り応力を受けることにより
生じる。バッファ層とチャネル層との間にｕｎ−ＡｌＧ
ａＮ層１３を挿入することによりこの引張り応力を緩和
させることができた。
【００３５】（実施例２）図２は本発明の窒化ガリウム
系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタ
キシャルウェハの他の実施例を示すサンプル２の構造図
である。
系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタ
キシャルウェハの他の実施例を示すサンプル２の構造図
である。
【００３６】サンプル２は実施例１のサンプル１の構造
と同様に、バッファ層とチャネル層との間にｕｎ−Ａｌ
ＧａＮ層１３を挿入したものである。サンプル１ではｕ
ｎ−ＡｌＧａＮ層１３は一層であったが、サンプル２で
はｕｎ−ＡｌＧａＮ層１３がｕｎ−ＧａＮ層１４を挟ん
で二重になっている。
と同様に、バッファ層とチャネル層との間にｕｎ−Ａｌ
ＧａＮ層１３を挿入したものである。サンプル１ではｕ
ｎ−ＡｌＧａＮ層１３は一層であったが、サンプル２で
はｕｎ−ＡｌＧａＮ層１３がｕｎ−ＧａＮ層１４を挟ん
で二重になっている。
【００３７】すなわち、図２に示したサンプル２は、厚
さ３００μｍのサファイア基板１２の上に、厚さ２５ｎ
ｍのＬＴ−ＧａＮ層１１、厚さ２５ｎｍのｕｎ−ＧａＮ
層１４、厚さ２５ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層１３、厚さ
２５ｎｍのｕｎ−ＧａＮ層１４、厚さ２５ｎｍのｕｎ−
ＡｌＧａＮ層１３、厚さ２μｍのｕｎ−ＧａＮ層１０、
厚さ２ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層９、厚さ２５ｎｍのｎ
−ＡｌＧａＮ層８及び厚さ３ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層
７を順次積層したものである。
さ３００μｍのサファイア基板１２の上に、厚さ２５ｎ
ｍのＬＴ−ＧａＮ層１１、厚さ２５ｎｍのｕｎ−ＧａＮ
層１４、厚さ２５ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層１３、厚さ
２５ｎｍのｕｎ−ＧａＮ層１４、厚さ２５ｎｍのｕｎ−
ＡｌＧａＮ層１３、厚さ２μｍのｕｎ−ＧａＮ層１０、
厚さ２ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層９、厚さ２５ｎｍのｎ
−ＡｌＧａＮ層８及び厚さ３ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層
７を順次積層したものである。
【００３８】表２にサンプル１及びサンプル２の電気伝
導特性として、室温及び液体窒素温度におけるＮｓ、μ
ｅを示す。
導特性として、室温及び液体窒素温度におけるＮｓ、μ
ｅを示す。
【００３９】ｕｎ−ＡｌＧａＮ層１３の挿入により、室
温及び液体窒素温度におけるＮｓの差が見られないのは
サンプル１、サンプル２とも同様である。しかしなが
ら、バッファ層とチャネル層との間にあるｕｎ−ＡｌＧ
ａＮ層１３の総膜厚が大きいサンプル２の方が、応力歪
みがさらに小さく、電子移動度が向上している。
温及び液体窒素温度におけるＮｓの差が見られないのは
サンプル１、サンプル２とも同様である。しかしなが
ら、バッファ層とチャネル層との間にあるｕｎ−ＡｌＧ
ａＮ層１３の総膜厚が大きいサンプル２の方が、応力歪
みがさらに小さく、電子移動度が向上している。
【００４０】（実施例３）図３は本発明の窒化ガリウム
系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタ
キシャルウェハの他の実施例を示すサンプル３の構造図
である。
系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタ
キシャルウェハの他の実施例を示すサンプル３の構造図
である。
【００４１】同図に示すサンプル３は、バッファ層とチ
ャネル層との間にあるｕｎ−ＡｌＧａＮ層１５の厚さを
変化させたものである。
ャネル層との間にあるｕｎ−ＡｌＧａＮ層１５の厚さを
変化させたものである。
【００４２】すなわち、図３に示したサンプル３は、厚
さ３００μｍのサファイア基板１２の上に、厚さ２５ｎ
ｍのＬＴ−ＧａＮ層１１、厚さ１０（２５あるいは４
０）ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層１５、厚さ２５ｎｍのｕ
ｎ−ＡｌＧａＮ層１３、厚さ２μｍのｕｎ−ＧａＮ層１
０、厚さ２ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層９、厚さ２５ｎｍ
のｎ−ＡｌＧａＮ層８及び厚さ３ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａ
Ｎ層７を順次積層したものである。なお、Ａｌ組成Ｘは
０．１７とした。
さ３００μｍのサファイア基板１２の上に、厚さ２５ｎ
ｍのＬＴ−ＧａＮ層１１、厚さ１０（２５あるいは４
０）ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層１５、厚さ２５ｎｍのｕ
ｎ−ＡｌＧａＮ層１３、厚さ２μｍのｕｎ−ＧａＮ層１
０、厚さ２ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層９、厚さ２５ｎｍ
のｎ−ＡｌＧａＮ層８及び厚さ３ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａ
Ｎ層７を順次積層したものである。なお、Ａｌ組成Ｘは
０．１７とした。
【００４３】このサンプル３のμｅ及びＮｓのｕｎ−Ａ
ｌＧａＮ層１５の膜厚依存性を調べた（図８、図９）。
ｌＧａＮ層１５の膜厚依存性を調べた（図８、図９）。
【００４４】図８はμｅのｕｎ−ＡｌＧａＮ層１５の膜
厚依存性を示す特性図であり、横軸が膜厚を示し、縦軸
はμｅを示している。図９はＮｓのｕｎ−ＡｌＧａＮ層
１５の膜厚依存性を示す特性図であり、横軸が膜厚を示
し、縦軸がＮｓを示している。
厚依存性を示す特性図であり、横軸が膜厚を示し、縦軸
はμｅを示している。図９はＮｓのｕｎ−ＡｌＧａＮ層
１５の膜厚依存性を示す特性図であり、横軸が膜厚を示
し、縦軸がＮｓを示している。
【００４５】この結果、Ｎｓの大きな変化は見られなか
ったが、膜厚が２５ｎｍ以下になると、電子移動度の低
下が見られた。これは、膜厚が薄い場合には電子移動度
の向上に反映するほどの応力緩和の効果が得られないた
めである。
ったが、膜厚が２５ｎｍ以下になると、電子移動度の低
下が見られた。これは、膜厚が薄い場合には電子移動度
の向上に反映するほどの応力緩和の効果が得られないた
めである。
【００４６】（実施例４）図４は本発明の窒化ガリウム
系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタ
キシャルウェハの他の実施例を示すサンプル４の構造図
である。
系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタ
キシャルウェハの他の実施例を示すサンプル４の構造図
である。
【００４７】サンプル４は、バッファ層とチャネル層と
の間にあるｕｎ−ＡｌＧａＮ層１６のＡｌ組成を変化さ
せたものである。
の間にあるｕｎ−ＡｌＧａＮ層１６のＡｌ組成を変化さ
せたものである。
【００４８】すなわち、図４に示したサンプル４は、厚
さ３００μｍのサファイア基板１２の上に、厚さ２５ｎ
ｍのＬＴ−ＧａＮ層１１、厚さ２５ｎｍのｕｎ−ＡｌＧ
ａＮ層１６、厚さ２５ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層１３、
厚さ２μｍのｕｎ−ＧａＮ層１０、厚さ２ｎｍのｕｎ−
ＡｌＧａＮ層９、厚さ２５ｎｍのｎ−ＡｌＧａＮ層８及
び厚さ３ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層７を順次積層したも
のである。
さ３００μｍのサファイア基板１２の上に、厚さ２５ｎ
ｍのＬＴ−ＧａＮ層１１、厚さ２５ｎｍのｕｎ−ＡｌＧ
ａＮ層１６、厚さ２５ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層１３、
厚さ２μｍのｕｎ−ＧａＮ層１０、厚さ２ｎｍのｕｎ−
ＡｌＧａＮ層９、厚さ２５ｎｍのｎ−ＡｌＧａＮ層８及
び厚さ３ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＮ層７を順次積層したも
のである。
【００４９】このサンプル４のμｅ及びＮｓのｕｎ−Ａ
ｌＧａＮ層１６のＡｌの組成依存性を調べた（図１０、
図１１参照）。
ｌＧａＮ層１６のＡｌの組成依存性を調べた（図１０、
図１１参照）。
【００５０】図１０はμｅのｕｎ−ＡｌＧａＮ層１６の
Ａｌ組成依存性の特性図であり、横軸がＡｌ組成を示
し、縦軸がμｅを示している。図１１はＮｓのｕｎ−Ａ
ｌＧａＮ層１６のＡｌ組成依存性の特性図であり、横軸
がＡｌ組成を示し、縦軸がＮｓを示している。
Ａｌ組成依存性の特性図であり、横軸がＡｌ組成を示
し、縦軸がμｅを示している。図１１はＮｓのｕｎ−Ａ
ｌＧａＮ層１６のＡｌ組成依存性の特性図であり、横軸
がＡｌ組成を示し、縦軸がＮｓを示している。
【００５１】この結果、Ｎｓの大きな変化は見られなか
ったが、Ａｌ組成Ｘが０．１以下か０．３以上になると
電子移動度が低下していることが分る。これは、Ａｌ組
成が小さい場合は応力緩和の効果が小さかったためであ
り、Ａｌ組成が大きい場合はｕｎ−ＡｌＧａＮ層１６の
膜厚が臨界膜厚を超えて結晶性が低下したためである。
ったが、Ａｌ組成Ｘが０．１以下か０．３以上になると
電子移動度が低下していることが分る。これは、Ａｌ組
成が小さい場合は応力緩和の効果が小さかったためであ
り、Ａｌ組成が大きい場合はｕｎ−ＡｌＧａＮ層１６の
膜厚が臨界膜厚を超えて結晶性が低下したためである。
【００５２】ここで、本発明者らが定義するところのＡ
ｌ組成とは、ＡｌＧａＮ結晶をＸ線回折法により測定し
た際に、ＧａＮ（０００２）回折のピーク位置θとＡｌ
ＧａＮ（０００２）回折のピークθ＋Δθとの差、Δθ
を数１式に代入することにより求めたものである。
ｌ組成とは、ＡｌＧａＮ結晶をＸ線回折法により測定し
た際に、ＧａＮ（０００２）回折のピーク位置θとＡｌ
ＧａＮ（０００２）回折のピークθ＋Δθとの差、Δθ
を数１式に代入することにより求めたものである。
【００５３】
【数１】０．２９７／｛０．２９７ｃｏｓ（Δθ）＋
０．９５４ｓｉｎ（Δθ）｝＝１−０．３９２Ｘ 以上述べた実施例において、バッファ層とチャネル層と
の間に挿入したＡｌＧａＮ層１３、１５、１６の各膜厚
ｄは、Ａｌ組成Ｘに対して、ｄ＝１５Ｘ-1.2ｎｍを超え
ないことが好ましい。実施例に示したサンプル１〜４の
ＡｌＧａＮ層１３、１５の場合、Ｘ＝０．１７であるの
でｄは１２６ｎｍとなる。ＡｌＧａＮ層１３、１５、１
６の最大膜厚ｄmax は、ＧａＮ層上に厚いＡｌＧａＮ層
１３、１５、１６を成長させると、格子定数の違いか
ら、クラックが入ってしまうため、クラックの入らない
膜厚を実験とシミュレーションとにより求め、決定した
ものである。
０．９５４ｓｉｎ（Δθ）｝＝１−０．３９２Ｘ 以上述べた実施例において、バッファ層とチャネル層と
の間に挿入したＡｌＧａＮ層１３、１５、１６の各膜厚
ｄは、Ａｌ組成Ｘに対して、ｄ＝１５Ｘ-1.2ｎｍを超え
ないことが好ましい。実施例に示したサンプル１〜４の
ＡｌＧａＮ層１３、１５の場合、Ｘ＝０．１７であるの
でｄは１２６ｎｍとなる。ＡｌＧａＮ層１３、１５、１
６の最大膜厚ｄmax は、ＧａＮ層上に厚いＡｌＧａＮ層
１３、１５、１６を成長させると、格子定数の違いか
ら、クラックが入ってしまうため、クラックの入らない
膜厚を実験とシミュレーションとにより求め、決定した
ものである。
【００５４】以上において本発明によれば、ＧａＮ系Ｆ
ＥＴの電子移動度の向上とピンチオフの安定に寄与する
ため、デバイス特性の向上に大きく貢献することが期待
される。
ＥＴの電子移動度の向上とピンチオフの安定に寄与する
ため、デバイス特性の向上に大きく貢献することが期待
される。
【００５５】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。
な優れた効果を発揮する。
【００５６】電子移動度が高く、ピンチオフ特性に優れ
た窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効果トラン
ジスタ用エピタキシャルウェハの提供を実現できる。
た窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効果トラン
ジスタ用エピタキシャルウェハの提供を実現できる。
【図１】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた
電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハの一実施
例を示すサンプル１の構造図である。
電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハの一実施
例を示すサンプル１の構造図である。
【図２】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた
電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハの他の実
施例を示すサンプル２の構造図である。
電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハの他の実
施例を示すサンプル２の構造図である。
【図３】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた
電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハの他の実
施例を示すサンプル３の構造図である。
電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハの他の実
施例を示すサンプル３の構造図である。
【図４】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた
電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハの他の実
施例を示すサンプル４の構造図である。
電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハの他の実
施例を示すサンプル４の構造図である。
【図５】従来の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電
界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハを示す比較
例の構造図である。
界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハを示す比較
例の構造図である。
【図６】Ｎｓ（シートキャリア濃度）の温度依存性を示
す特性図である。
す特性図である。
【図７】μｅ（電子移動度）の温度依存性を示す特性図
である。
である。
【図８】μｅのｕｎ−ＡｌＧａＮ層１５の膜厚依存性の
特性図である。
特性図である。
【図９】Ｎｓのｕｎ−ＡｌＧａＮ層１５の膜厚依存性の
特性図である。
特性図である。
【図１０】μｅのｕｎ−ＡｌＧａＮ層１６のＡｌ組成依
存性を示す特性図である。
存性を示す特性図である。
【図１１】Ｎｓのｕｎ−ＡｌＧａＮ層１６のＡｌ組成依
存性を示す特性図である。
存性を示す特性図である。
【図１２】従来の電界効果トランジスタ用エピタキシャ
ルウェハの構造図である。
ルウェハの構造図である。
【図１３】従来の電界効果トランジスタ用エピタキシャ
ルウェハの構造図である。
ルウェハの構造図である。
７ ｕｎ−ＡｌＧａＮ層 ８ ｎ−ＡｌＧａＮ層 ９ ｕｎ−ＡｌＧａＮ層 １０ ｕｎ−ＧａＮ層 １１ ＬＴ−ＧａＮ層 １２ サファイア基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土屋 忠厳 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社アドバンスリサーチセンタ内 (72)発明者 坂口 春典 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社アドバンスリサーチセンタ内 Ｆターム(参考） 5F045 AB14 AB17 AC01 AC08 AC12 AD09 AD14 AF09 AF13 DA53 DA62 DA69 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ10 GK04 GL04 HC01
Claims (6)
- 【請求項１】 窒化ガリウムを含む窒化物混晶をチャネ
ル層とする窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効
果トランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、Ｇａ
Ｎバッファ層とチャネル層との間に、ＧａＮよりも格子
定数の小さい層を一層以上挿入したことを特徴とする窒
化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効果トランジス
タ用エピタキシャルウェハ。 - 【請求項２】 上記ＧａＮよりも格子定数の小さい層は
ＡｌＧａＮ層である請求項１に記載の窒化ガリウム系化
合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシ
ャルウェハ。 - 【請求項３】 ＡｌX Ｇａ1-X Ｎ層の一層の膜厚は、Ａ
ｌの組成をＸとするとき、１５Ｘ-1.2ｎｍ以下である請
求項２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電
界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハ。 - 【請求項４】 ＡｌＧａＮ層の一層の膜厚は２５ｎｍ以
上である請求項２又は３に記載の窒化ガリウム系化合物
半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシャル
ウェハ。 - 【請求項５】 ＡｌX Ｇａ1-X Ｎ層のＡｌ組成Ｘは、
０．１５＜Ｘ＜０．３である請求項２〜４のいずれかに
記載の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効果ト
ランジスタ用エピタキシャルウェハ。 - 【請求項６】 成長用基板にサファイアを用い、サファ
イア基板上へのエピタキシャルの第一層目を、基板温度
５００℃で成長したＧａＮ層とする請求項１〜５のいず
れかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界
効果トランジスタ用エピタキシャルウェハ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11109444A JP2000299325A (ja) | 1999-04-16 | 1999-04-16 | 窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11109444A JP2000299325A (ja) | 1999-04-16 | 1999-04-16 | 窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000299325A true JP2000299325A (ja) | 2000-10-24 |
Family
ID=14510407
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11109444A Pending JP2000299325A (ja) | 1999-04-16 | 1999-04-16 | 窒化ガリウム系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000299325A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001274376A (ja) * | 2000-03-24 | 2001-10-05 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 低抵抗ＧａＮ系緩衝層 |
| US6531718B2 (en) | 2000-01-13 | 2003-03-11 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor device |
| JP2007201093A (ja) * | 2006-01-25 | 2007-08-09 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 窒化物半導体装置 |
| JP2010021232A (ja) * | 2008-07-09 | 2010-01-28 | Chubu Electric Power Co Inc | 半導体装置およびその製造方法 |
| CN107946187A (zh) * | 2012-01-25 | 2018-04-20 | 住友化学株式会社 | 氮化物半导体外延晶片以及场效应型氮化物晶体管 |
-
1999
- 1999-04-16 JP JP11109444A patent/JP2000299325A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6531718B2 (en) | 2000-01-13 | 2003-03-11 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor device |
| JP2001274376A (ja) * | 2000-03-24 | 2001-10-05 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 低抵抗ＧａＮ系緩衝層 |
| JP2007201093A (ja) * | 2006-01-25 | 2007-08-09 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 窒化物半導体装置 |
| JP4705481B2 (ja) * | 2006-01-25 | 2011-06-22 | パナソニック株式会社 | 窒化物半導体装置 |
| JP2010021232A (ja) * | 2008-07-09 | 2010-01-28 | Chubu Electric Power Co Inc | 半導体装置およびその製造方法 |
| CN107946187A (zh) * | 2012-01-25 | 2018-04-20 | 住友化学株式会社 | 氮化物半导体外延晶片以及场效应型氮化物晶体管 |
| CN107946187B (zh) * | 2012-01-25 | 2022-01-11 | 住友化学株式会社 | 氮化物半导体外延晶片以及场效应型氮化物晶体管 |
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|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040817 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20050104 |