JP2004023023A

JP2004023023A - 窒化物半導体素子

Info

Publication number: JP2004023023A
Application number: JP2002179474A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Hiroki; 廣木　正伸; Kazuhide Kumakura; 熊倉　一英; Yasuyuki Kobayashi; 小林　康之; Yoshiharu Yamauchi; 山内　喜晴; Yukihiko Maeda; 前田　就彦; Naoki Kobayashi; 小林　直樹
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】従来の酸化シリコン膜、窒化シリコン膜と同等の優れた絶縁性を持ち、その上に成長される窒化物半導体層の横方向の選択成長速度が速いという特性を持つアルミナ膜を用い、素子の作製工程が容易で、かつ高性能の窒化物半導体素子を実現する。
【解決手段】基板１上に作製した窒化物半導体層（例えばＧａＮ層２）と、窒化物半導体層上に形成したアルミナマスク（アルミナ膜）３ａと、窒化物半導体層およびアルミナマスク３ａ上に形成した窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子とする。基板１は、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、または窒化ガリウムのうちのいずれか１種を用い、窒化物半導体層は窒化ガリウム、窒化アルミニウム、または窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含む窒化物半導体層よりなる構成の窒化物半導体素子とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアルミナ膜を絶縁膜として導入した窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体素子は、近年急激な進歩を遂げている。青色発光ダイオード、青紫色レーザーはすでに量産化されており、電界効果トランジスタも実用化に間近なところまで研究・開発が進んでいる。しかし、窒化物半導体素子の特性は、現在のところ、材料特性に大きく依存したものであり、今後の素子特性の向上には、その加工等により、素子構造を工夫する必要がある。そのような素子構造の工夫として、レーザー素子での電流狭窄構造、電界効果トランジスタでの絶縁層の導入など、素子内の電流制御技術が挙げられる。
【０００３】
電流狭窄レーザーは、横方向においてもキャリアと光を閉じ込めることができ、また素子稼動に必要な電流を低減できるため、発振しきい電流密度の低下、低消費電力化などのレーザーの特性向上に繋がる。電界効果トランジスタにおいての絶縁層の導入は、基板近傍の高密度の欠陥領域をチャネル部から電気的に遮断させること、下地のＧａＮ層を通じた素子間の漏れ電流を防ぐことで、高速化、低消費電力化が期待できる。それらの素子構造の作製のため、以下のような試みがなされている。
【０００４】
（１）埋め込み電流狭窄構造
電流狭窄構造は通常、絶縁部を逆バイアスが掛かるようなドーピング制御により作製する。まず、結晶成長でレーザー構造を作製し、その後ウェットエッチング、あるいはドライエッチングにより活性層部を残した後、周囲を削り、その後、削られた領域を埋め込み再成長して絶縁部を形成するという製造法をとる。
【０００５】
（２）選択成長による電流狭窄構造
酸化シリコンまたは窒化シリコンにより絶縁膜を形成する手法も考えられる。製造法としては横方向の選択成長を用いる。すなわち、下地となるＧａＮ（窒化ガリウム）層上に、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜よりなる絶縁膜に、ストライプ状のマスク部と窓部のパターンを形成し、選択成長により、窓部からマスク上へ横方向に成長させることで、電流狭窄構造を形成する製造法である。
【０００６】
（３）ＨＦＥＴ（ヘテロ接合電界効果トランジスタ）構造への絶縁膜の形成
窒化物半導体であるＨＦＥＴへの絶縁層の形成には、従来では低圧ＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシー）成長によりＧａＮを形成するという手法がとられている。サファイアあるいはＳｉＣ（炭化ケイ素）基板上のＧａＮ層上に、７６Ｔｏｒｒ（≒１０１３２Ｐａ）程度の減圧にしてＧａＮ層を成長する。この層は結晶晶質が低く、高抵抗となるため絶縁層となる。その後、チャネルが形成されるＧａＮ層を成膜し、その上にＳｉをドープしたＡ１ＧａＮ層を形成するという製造法をとる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以下に述べる、従来のようなドーピング制御、低圧力でのＧａＮ層の成長という窒化物半導体層を用いた絶縁層の形成では、窒化物半導体層の結晶欠陥、高いバックグラウンドキャリア濃度のため、十分な絶縁層の形成が困難であるという課題がある。十分な絶縁性を得るためには絶縁膜を用いる必要がある。また、酸化シリコン膜、または窒化シリコン膜は十分な絶縁性を持つものの、横方向の選択成長速度が遅く、素子設計に課題がある。
【０００８】
（１）埋め込み電流狭窄構造
窒化物半導体での結晶成長は、コスト等の実用上の問題から、サファイア、ＳｉＣ基板が用いられる。そのため、これらの基板との格子不整合、熱膨張係数差から高密度の転位が発生する。高密度の転位は、窒化物半導体の特性の劣化を招く。ドーピング制御により絶縁層の形成を試みるとき、この高密度の転位により少なからずリーク電流が発生する。そのため、絶縁部にも若干電流が流れてしまうという問題がある。また、窒化物半導体のエッチングでは、適当なエッチャントが無く、ウェットエッチングが困難であるため、ドライエッチングが適用されるが、そのためのエッチングダメージによりレーザー素子の劣化を招くことも問題である。
【０００９】
（２）酸化シリコン（窒化シリコン）絶縁膜上の選択成長による電流狭窄構造この手法においては、酸化シリコン（または窒化シリコン）を絶縁マスク材料として用いた場合に、横方向の選択成長速度が遅いという課題がある。縦方向の選択成長速度との比で、最大１：５程度である。そのため、広い領域で絶縁領域を形成することが困難であり、素子設計上の課題が生じる。
【００１０】
（３）ＨＦＥＴ構造への絶縁膜の形成
従来の低圧力でのＧａＮ成長では、結晶晶質の劣化による低移動度化が期待できる。しかし、結晶の劣化はバックグラウンドキャリア濃度の増加を招くことになる。また、ＧａＮ膜では、酸化シリコン、窒化シリコン、アルミナ膜等と比較した場合に、十分に電流を遮断させることができないという課題がある。
【００１１】
以上、述べたように従来のドーピング制御、低圧力でのＧａＮ成長という窒化物半導体を用いた絶縁層の形成では、窒化物半導体の結晶欠陥、高いバックグラウンドキャリア濃度のため、十分な絶縁層の形成が困難であるという課題がある。十分な絶縁性を得るためには、絶縁膜を用いる必要がある。また、酸化シリコン、窒化シリコンは十分な絶縁性を持つものの、横方向の選択成長速度が遅く、素子設計に課題がある。
【００１２】
本発明の目的は、上記従来技術における問題点を解消し、従来の酸化シリコン膜、窒化シリコン膜と同等あるいはそれ以上の優れた絶縁性を持ち、その上に成長される窒化物半導体層の横方向の選択成長速度が速いという特性を有するアルミナ膜を用い、素子の作製工程が容易で、かつ高性能の窒化物半導体素子を実現することにある。
【００１３】
【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、基板上に作製した窒化物半導体層と、上記窒化物半導体層上に形成したアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）膜と、上記の窒化物半導体層およびアルミナ膜上に形成した窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子とするものである。
【００１４】
また、請求項２に記載のように、請求項１において、上記基板はサファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、または窒化ガリウム（ＧａＮ）のうちのいずれか１種よりなる窒化物半導体素子とするものである。
【００１５】
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、上記窒化物半導体層は窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、または窒化インジウム（ＩｎＮ）のうちより選択される１種以上を含む窒化物半導体素子とするものである。
【００１６】
また、請求項４に記載のように、請求項１または請求項２において、上記窒化物半導体層は窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、または窒化インジウム（ＩｎＮ）のうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくは４元混晶層よりなる窒化物半導体素子とするものである。
【００１７】
また、請求項５に記載のように、請求項１または請求項２において、上記窒化物半導体層は窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、または窒化インジウム（ＩｎＮ）のうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくは４元混晶層を複数層堆積してなる窒化物半導体素子とするものである。
【００１８】
また、請求項６に記載のように、請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、上記窒化物半導体素子は、アルミナ膜を用いた電流狭窄構造を有する発光素子である窒化物半導体素子とするものである。
【００１９】
また、請求項７に記載のように、請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、上記窒化物半導体素子は、上記基板上の窒化物半導体層と、上記窒化物半導体素子間を、アルミナ膜を用いることにより電気的に遮断された構造を有する窒化物半導体素子とするものである。
【００２０】
本発明は、アルミナ膜が窒化物半導体以上の絶縁性を持つこと、およびアルミナ膜をマスクとし、その上に成長される窒化物半導体層の横方向の選択成長速度が、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜をマスクとした場合よりも数倍速いという特性を利用するものである。すなわち、アルミナ膜をマスク材として用いたときに、その上に成長される窒化物半導体層（例えばＧａＮ層等）の横方向の選択成長速度が、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜をマスク材として用いた場合の横方向の選択成長速度よりも数倍速いという特性を有するアルミナ膜を用いることにより、窒化物半導体素子を作製する場合において、その作製工程が容易となり、かつ高い絶縁性を有する高性能の窒化物半導体素子を実現することができる。その結果、例えば電流狭窄レーザー等の発光素子の発振しきい電流密度の低下、低消費電力化、電界効果トランジスタ等における高周波特性、低消費電力化などの素子特性を向上できる効果がある。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を挙げ、図面を用いてさらに詳細に説明する。
まず、アルミナ膜の絶縁破壊電界について述べる。アルミナ膜の成膜装置としてＡＦＴＥＸ−６０００を用い、種々の厚さのアルミナ膜を絶縁基板上に形成し、その絶縁破壊電界を調べた。絶縁破壊電界は、アルミナ膜の膜厚が３ｎｍで約１Ｖ、１０ｎｍで約１０Ｖ、４０ｎｍで約３０Ｖ程度である。
【００２２】
図１（ａ）、（ｂ）に、アルミナマスク（アルミナ膜）３ａと、酸化シリコン（または窒化シリコン）膜３ｂをマスクとして用いたときの、マスク上の窓５部に成長させたＧａＮ再成長層４の横方向成長速度の比較を示す。それぞれのマスク部の幅は３０μｍで、窓５部は１μｍのストライプ状のパターンを、基板１のＧａＮ層２上に形成し、その上にＧａＮを再成長させてＧａＮ再成長層４を形成し、その縦横比を測定した。
【００２３】
酸化シリコン（窒化シリコン）膜３ｂをマスクとして用いた場合には、最大でも縦方向の選択成長の厚さ１μｍに対し、横方向の選択成長の度合、すなわち、酸化シリコン（窒化シリコン）膜３ｂの絶縁膜上に広がった長さは５μｍ程度に留まったのに対し、アルミナマスク（アルミナ膜）３ａを用いた場合には１０μｍまで伸びており、アルミナ膜３ａでの横方向の選択成長速度の速さを確認することができた。
【００２４】
〈実施の形態１〉
（１）電流狭窄構造の作製
図２に、レーザー素子等の発光素子にアルミナ膜を用いた場合の電流狭窄構造を示す。図において、１０は基板（サファイアまたはＳｉＣ基板）、１１はｎ−ＡｌＧａＮ層、１２はｎ−ＧａＮ層、１３はアルミナマスク（ストライプパターン）、１４はｎ−ＧａＮ再成長層、１５は活性層、１６はｐ−ＧａＮ層、１７はｐ−ＡｌＧａＮ層、１８は電極、１９は窓を示す。
【００２５】
サファイアあるいはＳｉＣ基板１０上に、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型Ａ１ＧａＮ層１１、ｎ型ＧａＮ層１２を成膜し、一度、反応炉の外に取り出し、ストライプパターンを有するアルミナ膜１３を形成する。パターン形成はリフトオフ法で行った。その後、再び反応炉に挿入し、ｎ型ＧａＮを再成長させて、ｎ型ＧａＮ再成長膜１４を形成し、ストライプパターンのアルミナマスク１３を埋め込む。その後、活性層１５、ｐ型ＧａＮ層１６、ｐ型Ａ１ＧａＮ層１７を成長し、電極１８を形成して、図２に示すような電流狭窄構造を作製する。
【００２６】
〈実施の形態２〉
（２）絶縁膜中間層の作製
図３に、レーザー素子等の窒化物半導体素子に、アルミナ膜を絶縁膜中間層として用いた場合の電流狭窄構造を示す。図において、２０はサファイア（またはＳｉＣ）基板、２１はｉ−ＧａＮ層、２２はｉ−ＧａＮ再成長層、２３は２次元電子ガス、２４はｎ−ＡｌＧａＮ層、２５はアルミナマスク、２６はゲート電極、２７はソース電極、２８はドレイン電極を示す。
【００２７】
サファイアあるいはＳｉＣ基板２０上に、ＭＯＶＰＥ法によりＧａＮを成長させｉ−ＧａＮ層２１を形成した後、上記実施の形態１の電流狭窄構造の場合と同様にして、リフトオフ法により、ストライプパターンのアルミナマスク２５を形成する。下地のｉ−ＧａＮ層２１との絶縁効果を高めるため、ストライプパターンの窓の幅を１μｍ、アルミナマスク２５の幅を２０μｍとする。
【００２８】
再び、反応炉に試料を挿入し、ＧａＮを再成長させ、ｉ−ＧａＮ再成長層２２を形成し、横方向の選択成長でアルミナマスク２５上を埋め込む。ｉ−ＧａＮ再成長層２２は、厚さが１μｍ堆積時点でアルミナマスク２５は埋め込まれる。その上に、Ａｌ組成１５％のＳｉドープｎ−ＡｌＧａＮ層２４を３０ｎｍ堆積する。次いで、ソース電極２７、ゲート電極２６、ドレイン電極２８を形成して、ＨＦＥＴ等の窒化物半導体素子を作製する。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は、窒化物半導体素子における絶縁膜形成において、絶縁性が高いアルミナ膜をマスク材として用いたときに、ＧａＮ等の窒化物半導体層の横方向の選択成長速度が速いというアルミナ膜の特徴を利用することで、従来技術より高い絶縁性を持つ絶縁膜を、より容易に作製することができる。その結果、電流狭窄レーザー等の発光素子の発振しきい電流密度の低下、低消費電力化、電界効果トランジスタ等の窒化物半導体素子における高周波特性、低消費電力化などの素子の特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態で例示したアルミナ膜〔図１（ａ）〕と、酸化シリコン膜（窒化シリコン膜）〔図１（ｂ）〕とを、マスクとして用いた場合の各々マスク上に成長される窒化物半導体層の横方向の選択成長速度を比較して示す図。
【図２】本発明の実施の形態で例示し窒化物半導体素子にアルミナ膜を用いた場合の電流狭窄構造を示す模式図。
【図３】本発明の実施の形態で例示した窒化物半導体素子にアルミナ膜を絶縁膜中間層として用いた場合の電流狭窄構造を示す模式図。
【符号の説明】
１…基板
２…ＧａＮ層（窒化物半導体層）
３ａ…アルミナマスク（アルミナ膜）
３ｂ…酸化シリコン膜（または窒化シリコン膜）
４…ＧａＮ再成長層
５…窓
１０…基板（サファイアまたはＳｉＣ基板）
１１…ｎ−ＡｌＧａＮ層
１２…ｎ−ＧａＮ層
１３…アルミナマスク（ストライプパターン）
１４…ｎ−ＧａＮ再成長層
１５…活性層
１６…ｐ−ＧａＮ層
１７…ｐ−ＡｌＧａＮ層
１８…電極
１９…窓
２０…サファイア（またはＳｉＣ）基板
２１…ｉ−ＧａＮ層
２２…ｉ−ＧａＮ再成長層
２３…２次元電子ガス
２４…ｎ−ＡｌＧａＮ層
２５…アルミナマスク
２６…ゲート電極
２７…ソース電極
２８…ドレイン電極

Claims

基板上に作製した窒化物半導体層と、上記窒化物半導体層上に形成したアルミナ膜と、上記の窒化物半導体層およびアルミナ膜上に形成した窒化物半導体層を有することを特徴とする窒化物半導体素子。
請求項１において、上記基板はサファイア、炭化ケイ素、シリコン、または窒化ガリウムのうちのいずれか１種よりなることを特徴とする窒化物半導体素子。
請求項１または請求項２において、上記窒化物半導体層は窒化ガリウム、窒化アルミニウム、または窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含むことを特徴とする窒化物半導体素子。
請求項１または請求項２において、上記窒化物半導体層は窒化ガリウム、窒化アルミニウム、または窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくは４元混晶層よりなることを特徴とする窒化物半導体素子。
請求項１または請求項２において、上記窒化物半導体層は窒化ガリウム、窒化アルミニウム、または窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくは４元混晶層を複数層堆積してなることを特徴とする窒化物半導体素子。
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、上記窒化物半導体素子は、アルミナ膜を用いた電流狭窄構造を有する発光素子であることを特徴とする窒化物半導体素子。
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、上記窒化物半導体素子は、上記基板上の窒化物半導体層と、上記窒化物半導体素子間を、アルミナ膜を用いることにより電気的に遮断された構造を有することを特徴とする窒化物半導体素子。