JP2003017419A - 窒化物系iii−v族化合物半導体装置 - Google Patents
窒化物系iii−v族化合物半導体装置Info
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Abstract
II−V族化合物半導体装置を提供する。 【解決手段】 ヘテロ接合電界効果型トランジスタ1
は、表面がC面であるSiC基板2の上にAlNバッフ
ァ層3、第1のGaN層4、AlGaNバリア層5、お
よび第2のGaN層6をこの順番に積層して、GaN層
6の上にソース電極7、ドレイン電極8およびゲート電
極9形成する。このように、表面がC面であるSiC基
板にAlN、GaNおよびAlGaNなどの窒化物系I
II−V族化合物半導体材料を結晶成長させることによ
って、結晶性および周波数特性にすぐれたヘテロ接合電
界効果型トランジスタの作製が可能である。
Description
V族化合物半導体装置に関し、特にSiC基板上に窒化
物系III−V族化合物半導体を成長させる窒化物系I
II−V族化合物半導体装置に関する。
体装置に用いられる基板として、一般的にはサファイア
が用いられている。サファイア基板を用いた窒化物系I
II−V族化合物半導体装置は、たとえばUS Patent N
o.5296395に開示されている。しかしながら、サファイ
アは窒化物半導体との格子不整が13パーセント以上も
あるので、この上に成長される窒化物半導体の結晶は結
晶欠陥が非常に大きいといった問題を有する。
高出力電子デバイスとして応用する場合には、窒化物半
導体との格子不整が小さく熱伝導率の大きいSiC基板
を用いるほうが有利とされている。SiC基板上に窒化
物系III−V族化合物半導体材料を結晶成長させた窒
化物系III−V族化合物半導体装置は、たとえばIEEE
EDL20 (1999) P161に開示されている。
に窒化物半導体材料を結晶成長させる場合、窒化物半導
体の表面における極性をIII族極性とするために、表
面がSi面のSiC基板上に窒化物半導体の結晶成長が
行われる。たとえば、SiC基板上に窒化物半導体であ
るGaNの結晶を成長させる場合に、表面がSi面のS
iC基板上にGaNを結晶成長させると、GaN層の表
面がIII族のGa極性となる。このように表面がSi
面のSiC基板上に窒化物半導体材料を結晶成長させる
のは、III族極性を有するほうが、表面平坦性および
電気的特性に優れた結晶が得られると考えられているた
めである。
系III−V族化合物半導体装置の一例であるヘテロ接
合電界効果型トランジスタ(HFET:Hetero Field Effec
tTransistor)40の構造を示す図である。HFET4
0は表面がSi面であるSiC基板42の上に、AlN
バッファ層43、GaN層44、AlGaN層45をこ
の順次に積層して構成される。AlGaN層45の表面
には、ソース電極47、ドレイン電極48およびゲート
電極49が形成される。HFET40は、図5に示すよ
うにGaN層44とAlGaN層45との間に発生する
2次元電子ガス(2DEG)50を利用して動作する電
界効果型のトランジスタである。
窒化物系III−V族化合物半導体材料を成長させる場
合、結晶が成長する表面のマイグレーションを促進する
ために、表面が特定の結晶方向に対して傾斜した傾斜基
板を用いる窒化物系III−V族化合物半導体装置が特
開平11−233391号公報に開示されている。
によって傷が入りやすく、また表面酸化と化学エッチン
グによっても容易に傷を取ることができないので、基板
処理が難しいといった問題を有する。また、図4に示し
たHFET40では、2次元電子ガス50がAlGaN
層45の下のGaN層44に形成されるので、表面層は
AlGaN層45となっている。したがって、ソース電
極47およびドレイン電極48がAlGaN層45に対
して形成されるので、AlGaN層45のAl組成が大
きい場合には接触抵抗が大きくなるといった問題があ
る。また、バッファ層であるAlN層43へのパラレル
伝導による寄生容量の増加の問題が生じる。
1 (1999)には、GaN基板に窒化物系III−V族化合
物半導体材料を結晶成長させた窒化物系III−V族化
合物半導体装置が開示されている。MRS Fall Meting Sy
mposium W.6.3.1 (1999)では、ホモエピタキシャル成長
の場合ではあるがGaN基板の表面を特定の方向に傾斜
させることによって、V族極性を有するN極性の基板の
上でも表面平坦性に優れた結晶が得られることが開示さ
れている。
は難しい。したがって、SiC基板を用いて結晶性およ
び電気的特性に優れた窒化物系III−V族化合物半導
体装置が望まれている。
に優れた窒化物系III−V族化合物半導体装置を提供
することである。
あるSiC基板上に窒化物系III−V族化合物半導体
材料を結晶成長させたことを特徴とする窒化物系III
−V族化合物半導体装置である。
面に比べてケミカルエッチングが容易であるので、研磨
傷のない表面平坦性にすぐれた基板表面を得ることがで
きる。したがって、表面がC面であるSiC基板に窒化
物系III−V族化合物半導体材料を結晶成長させるこ
とによって、表面の傷の影響を受けない良好な窒化物系
III−V族化合物半導体を結晶成長させることがで
き、結晶性および電気的特性に優れた窒化物系III−
V族化合物半導体装置を作製することができる。
〔11−20〕方向または〔1−100〕方向に傾斜し
ていることを特徴とする。
は〔1−100〕方向にSiC基板の表面を傾斜させる
ことによって、基板表面の窒化物系III−V族化合物
半導体材料がより拡散しやすいので、表面平坦性および
結晶性の優れた窒化物系III−V族化合物半導体の成
長が可能となる。
斜角が、0.5度以上8度以下であることを特徴とす
る。
させると結晶はステップ状に成長して、面内で均一な結
晶成長が可能となる。しかしながら、SiC基板の表面
の傾斜角が0.5度よりも小さい場合はSiC基板上に
形成されるステップの形成が明確ではない。一方、傾斜
角が8度よりも大きくなると、SiC基板上に形成され
るステップの間隔が著しく小さくなるのでステップの段
が並ぶ方向のポテンシャルの揺らぎが大きくなる。本発
明に従えば、SiC基板の表面の傾斜角を0.5度以上
とすることによって基板上にステップが明確に生じ、ま
た基板の傾斜角を8度以下とすることによってステップ
の間隔が適度に形成されるので、面内で均一な結晶成長
が可能となる。
化合物半導体装置は電界効果型トランジスタであること
を特徴とする。
よび電気的特性に優れた窒化物系III−V族化合物半
導体材料を成長させることができるので、高周波および
高速特性であり、雑音が非常に少ない電界効果型トラン
ジスタを作製することができる。
aNおよびAlGaNのヘテロ構造を形成してヘテロ接
合電界効果型トランジスタを作製する場合、従来の表面
がSi面であるSiC基板を用いて作製されるヘテロ接
合電界効果型トランジスタとは構造が異なり、GaN層
に対して電極を形成することができる。したがって、ソ
ース電極およびドレイン電極は、接触抵抗の小さなオー
ミック電極が形成可能である。
斜方向に対して直角となる方向にソース電極およびドレ
イン電極を並べて配置することを特徴とする。
化物系III−V族化合物半導体が基板の表面の傾斜方
向に沿ってステップ状に結晶成長する。SiC基板の表
面の傾斜方向と平行に電流を流す場合、結晶がステップ
状に形成されているのでポテンシャルの段差の影響を受
ける。したがって、たとえばヘテロ接合電界効果型トラ
ンジスタでは、2次元電子ガスの伝導特性が悪化する。
本発明に従えば、ソース電極およびドレイン電極をSi
C基板の表面の傾斜方向に対して直角となる方向に並べ
て配置する、つまりステップ状に形成される窒化物系I
II−V族化合物半導体のステップの延びる方向に対し
て平行な方向にソース電極およびドレイン電極が並んで
配置されるのでポテンシャルの段差の影響が少なく、揺
らぎを小さくすることができる。
V族化合物半導体装置は、表面がC面であるSiC基板
の上に、たとえば、AlN、GaN、InN、AlGa
N、InGaNなどの窒化物系III−V族化合物半導
体材料を結晶成長させることによって作製される。
物半導体装置の具体的な実施例を示す。
窒化物系III−V族化合物半導体装置であるHFET
(ヘテロ接合電界効果型トランジスタ)1を示す図であ
る。
板(以下、C面Si基板と記す)2の上にAlNバッフ
ァ層3、第1のGaN層4、AlGaNバリア層5およ
びGaN層6がこの順番で積層され、第2のGaN層6
の上にソース電極7、ドレイン電極8、およびゲート電
極9を備え構成される。
始めに、C面SiC基板2を熱酸化し、引き続いてフッ
酸溶液中で表面の酸化膜を除去する。この熱酸化と酸化
膜の除去を数回繰り返してSiC基板2の研磨傷を完全
に取り除く。そして、この上に有機金属気相成長法(M
OCVD法)を用いて、前記C面SiC基板2の上にA
lNバッファ層3を結晶成長させる。このとき、AlN
バッファ層3の成長温度は1100℃であり、層厚は1
00nmとなるように成長させる。本実施例では、有機
金属気相成長法を用いて結晶を成長させているが、結晶
成長法としては、ハイドライド気相成長法(HVPE
法)、プラズマ励起した窒素を用いた分子線エピタキシ
ー法であるRF−MBE(Radio frequency−Molecular
BeamEpitaxy)法またはECR−MBE(Electron Cy
clotron Resonance−MBE)法などを用いることができ
る。
00℃で第1のGaN層4、AlGaN層5、および第
2のGaN層6を順次成長させる。このとき、第1のG
aN層4の膜厚は2μm、AlGaN層5の膜厚は50
nm、および第2のGaN層6の膜厚は200nmとな
るようにそれぞれを成長させる。この後、Ti/Alか
ら成り、オーミック接合される電極であるソース電極7
およびドレイン電極8を形成し、ソース電極7およびド
レイン電極8との間にNi/Auから成りショットキー
接合される電極であるゲート電極9をそれぞれ形成す
る。
なる。したがって、SiC基板2に窒化物系III−V
族化合物半導体材料を結晶成長させるHFET1は、図
4に示す表面がSi面であるSiC基板42に窒化物系
III−V族化合物半導体材料を結晶成長させる従来の
HFET40場合とは構造が異なる。本発明のHFET
1では、図2に示すように、第2のGaN層6とAlG
aN層5との間に発生する2次元電子ガス10を利用し
て動作する。従来のHFET40では、接触抵抗の大き
なAlGaN層45の上にソース電極47およびドレイ
ン電極48が形成されるが、本発明のHFET1では、
GaN層6の上にソース電極47およびドレイン電極4
8を形成されるので、接触抵抗の小さいオーミック接合
によって電極を形成することができるので電気特性に優
れる。
度を測定すると、2000cm2/Vsであった。ま
た、比較のために同一の基板処理によって従来のHFE
T40と同じ構造である従来型のHFETの作製をおこ
なった。ここで比較する従来型のHFETは、表面がS
i面であるSiC基板に、図1に示すAlNバッファ層
3、第1のGaN層4、AlGaN層5、ソース電極
7、ドレイン電極8およびゲート電極9が図4のHFE
T40に示すAlNバッファ層43、GaN層44、A
lGaN層45、ソース電極47、ドレイン電極48に
それぞれ対応するように作製している。このように作製
した従来型のHFETの移動度は1500cm2/Vs
であった。
を用いて作製されたHFET1は、従来型のHFETに
比べて移動度が大きく、電気的特性に優れていることが
判った。HFET1と従来型のSi面を用いたHFET
との顕著な違いはI−V特性に現れていた。つまり、H
FET1では電流コラップスがまったく見られなかった
が、従来型のHFETでは電流コラップスが出たり出な
かったりとばらつきが生じた。これはSi面における研
磨傷がトラップの形成に関係していると考えられる。
類の表面がC面であるSiC基板の上にGaNおよびA
lGaNを成長させて窒化物系III−V族化合物半導
体装置であるHFETを作製した。 (1)基板の表面の傾斜がないSiC基板(以下、Ju
st基板と記す) (2)基板の表面が〔11−20〕方向に1度傾斜した
SiC基板(以下、〔11−20〕基板と記す) (3)基板の表面が〔1−100〕方向に1度傾斜した
SiC基板(以下、〔1−100〕基板と記す)
た。ただし、ソース電極およびドレイン電極は、基板の
表面の傾斜方向に垂直な方向に並んで配置されている。
たHFETの室温における移動度と最大発振周波数を表
1に示す。
場合の移動度は2000cm2/Vsであり、最大発振
周波数は150GHzであった。一方、SiC基板の表
面を〔11−20〕方向に傾斜させた〔11−20〕基
板を用いた場合の移動度は2800cm2/Vsであ
り、最大発振周波数は250GHzであった。また、S
iC基板の表面を〔1−100〕方向に傾斜させた〔1
−100〕基板を用いた場合の移動度は3000cm2
/Vsであり、最大発振周波数は280GHzであっ
た。このように、SiC基板の表面を〔11−20〕方
向または〔1−100〕方向に傾けることによって、移
動度および最大発振周波数ともに改善が見られ、高速特
性および高周波特性に優れたHFETを作製することが
できる。
20〕方向または〔1−100〕方向に傾斜させ、傾斜
角度を変えて実施例1と同じ構造のHFETを作製し
た。なお、ソース電極およびドレイン電極は、基板の表
面の傾斜方向に垂直な方向に並んで配置されている。図
3は、SiC基板の表面の傾斜角度を変化させて作製さ
れたHFETの移動度を測定した結果を示す図である。
図3では、表面を〔11−20〕方向に傾斜させたSi
C基板を〔11−20〕方向傾斜基板とし、表面を〔1
−100〕方向に傾斜させたSiC基板を〔1−10
0〕方向傾斜基板として表している。図3には、基板の
表面が傾斜していないJust基板を用いた場合の移動
度も示している。
が8度よりも大きくなると移動度が小さくなっている。
また、基板の表面の傾斜角度が0.5度よりも小さくに
なると、基板の表面の傾斜角度がほとんどなくなり、J
ust基板と同じ特性となる。したがって、基板の傾斜
角度を0.5度以上であって8度以下とすることによっ
て、移動度が優れたHFETを作製することができる。
1−20〕方向に1度傾斜したSiC基板(〔11−2
0〕基板)に、実施例1と同じ構造で、基板の表面の傾
斜方向に対して直角となる方向にソース電極およびドレ
イン電極を並べて配置した場合、および基板の傾斜方向
に対して平行となる方向にソース電極およびドレイン電
極を並べて配置した場合HFETを作製し、それぞれの
移動度と最大発振周波数とを測定した。この測定結果を
表2に示す。
に対して直角となる方向にソース電極およびドレイン電
極を形成した場合の移動度は3000cm2/Vsであ
り、最大発振周波数は280GHzであった。一方、基
板の表面の傾斜方向に対して水平となる方向にソース電
極およびドレイン電極を形成した場合の移動度は250
0cm2/Vsであり、最大発振周波数は230GHz
であった。このように、ソース電極およびドレイン電極
とを基板の傾斜方向と直角となる方向に並べて配置する
と、ヘテロ構造でのポテンシャルの揺らぎが少ないなる
ので、移動度および最大発振周波数の大きな値となる。
したがって、高速特性、高周波特性に優れたHFETを
作製することができる。
GaNおよびAlGaNを結晶成長させてヘテロ構造を
作製する方法としてMOCVD法を用いたが、ヘテロ構
造の部分はRF−MBE法などのMBE法によって成長
させてもよい。このように、ヘテロ構造の部分をMBE
によって結晶成長させることによって、界面の急峻性が
改善される。したがって、さらに特性を改善することが
可能となる。
晶のC面はSi面に比べてケミカルエッチングが容易で
あるので、研磨傷のない表面平坦性にすぐれた基板表面
を得ることができる。したがって、表面がC面であるS
iC基板に窒化物系III−V族化合物半導体材料を結
晶成長させることによって、表面の傷の影響を受けない
良好な窒化物系III−V族化合物半導体を結晶成長さ
せることができ、結晶性および電気的特性に優れた窒化
物系III−V族化合物半導体装置を作製することがで
きる。
または〔1−100〕方向にSiC基板の表面を傾斜さ
せることによって、基板表面の窒化物系III−V族化
合物半導体材料がより拡散しやすいので、表面平坦性お
よび結晶性の優れた窒化物系III−V族化合物半導体
の成長が可能となる。
傾斜角を0.5度以上とすることによって基板上にステ
ップが明確に生じ、また基板の傾斜角を8度以下とする
ことによってステップの間隔が適度に形成されるので、
面内で均一な結晶成長が可能となる。
性および電気的特性に優れた窒化物系III−V族化合
物半導体材料を成長させることができるので、高周波お
よび高速特性であり、雑音が非常に少ない電界効果型ト
ランジスタを作製することができる。
レイン電極をSiC基板の表面の傾斜方向に対して直角
となる方向に並べて配置する、つまりステップ状に形成
される窒化物系III−V族化合物半導体のステップの
延びる方向に対して平行な方向にソース電極およびドレ
イン電極が並んで配置されるのでポテンシャルの段差の
影響が少なく、揺らぎを小さくすることができる。
す図である。
状態を示す図である。
動度を示すグラフである。
生状態を示す図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 表面がC面であるSiC基板上に窒化物
系III−V族化合物半導体材料を結晶成長させたこと
を特徴とする窒化物系III−V族化合物半導体装置。 - 【請求項2】 前記SiC基板の表面が、〔11−2
0〕方向または〔1−100〕方向に傾斜していること
を特徴とする請求項1記載の窒化物系III−V族化合
物半導体装置。 - 【請求項3】 前記SiC基板の表面の傾斜角が、0.
5度以上8度以下であることを特徴とする請求項1また
は2記載の窒化物系III−V族化合物半導体装置。 - 【請求項4】 前記窒化物系III−V族化合物半導体
装置は電界効果型トランジスタであることを特徴とする
請求項2または3記載の窒化物系III−V族化合物半
導体装置。 - 【請求項5】 前記SiC基板の表面の傾斜方向に対し
て直角となる方向にソース電極およびドレイン電極を並
べて配置することを特徴とする請求項4記載の窒化物系
III−V族化合物半導体装置。
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JP2001203850A JP3848548B2 (ja) | 2001-07-04 | 2001-07-04 | 電界効果型トランジスタ |
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