JP2004296636A - Nitride iii-v compound semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents

Nitride iii-v compound semiconductor device and method for manufacturing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device having small transfer density of the nitride III-V compound semiconductor on a buffer layer and excellent electrical characteristics, and to provide the nitride III-V compound semiconductor device. <P>SOLUTION: A buffer layer 42 made of an AlN is formed on an SiC substrate 41, and further a Ga layer 43 is deposited on the buffer layer 42 made of the AlN. Thereafter, the surface of the Ga layer 43 is irradiated with a nitrogen source to rebuild this Ga layer 43 on the lower layer 44 of the GaN layer having a little number of transfers and the upper layer 45 of the GaN layer having further less number of transfers than the lower layer 44. Finally, a GaN layer 46 is formed on the upper layer 45 of the GaN layer having small number of the transfers and excellent crystallinity. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法および窒化物系III−V族化合物半導体装置に関し、特に、窒化物系III−V族化合物半導体層を備えた半導体レーザ、発光ダイオードまたはHEMT(高電子移動度トランジスタ)等の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法および窒化物系III−V族化合物半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、窒化物系III−V族化合物半導体装置としては、基板材料としてサファイアを用いたもの(例えば、特許文献1参照)や、基板材料としてSiCを用いたもの(例えば、特許文献2参照)がある。これらの窒化物系III−V族化合物半導体装置は、夫々の基板の上方に、窒化物系III−V族化合物半導体を有するヘテロ構造を備えている。尚、サファイア基板上に窒化物系III−V族化合物半導体を成長させる場合、通常はC面が用いられるが、A面・R面・M面を用いた場合でも、その上の窒化物系III−V族化合物半導体はC面成長することが明らかとなっている。これは、窒化物系III−V族化合物半導体の結晶構造が六方晶系(ウルツ鉱構造)であることから、窒化物系III−V族化合物半導体がエネルギー的に安定なC軸配向(C面成長)する傾向が強いためである。
【0003】
また、他の窒化物系III−V族化合物半導体装置としては、基板材料としてSiを用いたものがあり、特に、Si基板と窒化物系III−V族化合物半導体の間にSiCを挿入する装置が一般的になっている(例えば、特許文献3参照)。また、基板材料としてSiを用いた別の装置としては、Si基板と窒化物系III−V族化合物半導体の間に多結晶のSiを挿入する装置もある(例えば、特許文献4参照)。
【0004】
窒化物系III−V族化合物半導体装置では、上記サファイア基板、SiC基板またはSi基板を用いた装置に限らず、どのような基板を用いた装置でも、基板と窒化物系III−V族化合物半導体の間の格子定数差、熱膨張係数差または結晶構造の違いを緩和するために、基板と窒化物系III−V族化合物半導体の間に、低温成長させたGaNやAlN(AlNの場合、高温成長も可能)等から成るバッファ層を形成している。
【0005】
また、更なる窒化物系III−V族化合物半導体装置としては、基板上に窒化物系III−V族化合物半導体を成長させた後、基板を除去して窒化物系III−V族化合物半導体を新たな基板材料にした装置がある(例えば、特許文献5参照)。
【0006】
【特許文献1】
米国特許5,296,395号明細書
【特許文献2】
特開2001−177189号公報
【特許文献3】
特開2001−17190号公報
【特許文献4】
特開2001−7396号公報
【特許文献5】
特開平10−70079号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献1〜4に示された窒化物系III−V族化合物半導体装置では、上記GaNやAlNから成るバッファ層に、一般的に転位が多数存在するため、この多数の転位が、バッファ層上の窒化物系III−V族化合物半導体の結晶構造に影響を及ぼして、窒化物系III−V族化合物半導体の結晶構造が悪くなり、窒化物系III−V族化合物半導体装置の移動度等の電気的特性が悪くなるという問題がある。
【0008】
例えば、MOCVD(有機金属気相成長法)またはGSMBE(ガスソース分子線エピタキシー法)を用いて、バッファ層の上に窒化物系III−V族化合物半導体を高温で成長させた場合、この窒化物系III−V族化合物半導体の成長モードが、グレイン成長モードになって、バッファ層の多数の転位の影響が、バッファ層上の窒化物系III−V族化合物半導体に及び易くなり、多数のグレインが、窒化物系III−V族化合物半導体に生じるという問題がある。そして、この多数のグレインの横方向の成長が進んで、異なるグレインの融合面がずれて、バッファ層上の窒化物系III−V族化合物半導体に多数の転位が生じ、窒化物系III−V族化合物半導体装置の移動度等の電気的特性がいっそう悪化するという問題がある。尚、詳細には、MOCVDを使用して、窒化物系III−V族化合物半導体を成長させると、この窒化物系III−V族化合物半導体の転位密度が、10cm−2から10cm−2程度の大きな値になることがわかっており、RF−MBE(高周波を用いる分子線エピタキシー法)またはECR−MBE(電子サイクロトロン共鳴を用いる分子線エピタキシー法)を使用して、窒化物系III−V族化合物半導体を成長させると、この窒化物系III−V族化合物半導体の転位密度が、10cm−2から1010cm−2程度の更に大きな値になることがわかっている。
【0009】
一方、特許文献5に示された装置の場合においても、除去される前の基板の性質および各層の成長方法で、窒化物系III−V族化合物半導体層の転位密度が決まっているために、バッファ層上の窒化物系III−V族化合物半導体の転位密度が、10cm−2から10cm−2程度になり、サファイア基板、SiC基板またはSi基板を用いた場合と同様に、窒化物系III−V族化合物半導体装置の移動度等の電気的特性が悪くなるという問題がある。
【0010】
そこで、本発明の目的は、バッファ層上の窒化物系III−V族化合物半導体の転位密度が小さくて優れた電気的特性を有する窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法および窒化物系III−V族化合物半導体装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第1の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法は、基板上に窒化物系III−V族化合物半導体からなるバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、上記バッファ層上にGa層を堆積させるGa堆積工程と、上記Ga堆積工程で堆積されたGa層の表面に、窒素源を照射してGaN層として結晶化する結晶化工程と、上記結晶化しているGaN層上に窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる化合物半導体成長工程とを有することを特徴としている。
【0012】
上記第1の発明によれば、上記バッファ層形成工程で基板上に形成した転位のあるバッファ層に、上記Ga堆積工程でGaを堆積して、更に、上記結晶化工程でGaの表面にN源を照射してGaN層として結晶化するので、このN源の照射によって結晶化されたGaN層の下層の転位(すなわち、ダングリングボンド(線欠陥))の数が、バッファ層からの転位情報の影響を大きく受ける結晶化を行う前のGa層の転位の数よりもはるかに少なくなり、上記GaN層の下層の結晶構造が、転位が少ない高品質な結晶構造になる。したがって、上記GaN層の下層の結晶構造が、ダングリングボンドが解消された高品質なものになるため、上記結晶化されたGaN層の上層の結晶構造に、下地のバッファ層のダングリングボンドの情報が到達して転位情報が及ぶことを防止でき、上記GaN層の上層に、下地のバッファ層の結晶構造における転位情報以外の情報のみを伝達することができる。このことから、上記GaNの上層の結晶構造が、転位部分のないバッファ層の結晶構造と略同一な構造となって、次の化合物半導体成長工程で、この転位が少ない良質のGaN層の上層の上に形成される窒化物系III−V族化合物半導体層の転位密度を低減することができる。したがって、移動度等の電気的特性が優れた窒化物系III−V族化合物半導体装置を提供できる。
【0013】
尚、上記第1の発明の方法の化合物半導体成長工程で形成された窒化物系III−V族化合物半導体層の転位密度は、GaAs半導体と同程度の10cm−2以下の小さな転位密度になった。
【0014】
また、第2の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法は、基板上に窒化物系III−V族化合物半導体からなるバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、上記バッファ層上にGa層を堆積させるGa堆積工程と、上記Ga層上に第1の窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる第1化合物半導体成長工程と、上記第1化合物半導体成長工程の後に、熱処理を行う熱処理工程と、上記熱処理工程の後に、第2の窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる第2化合物半導体成長工程とを有することを特徴としている。
【0015】
上記第2の発明において、バッファ層形成工程で基板上に形成した転位のあるバッファ層上に、Ga堆積工程でGaを堆積し、引き続いて、第1化合物半導体成長工程で、上記Ga層上にGaN等の第1の窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる。更に熱処理工程で、Ga堆積工程で堆積させたGaをGaN等の窒化物系III−V族化合物半導体層の転位を通じて表面から蒸発させて、この後、第2化合物半導体成長工程で、第2の窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる。
【0016】
上記第2の発明によれば、熱処理工程で熱処理を行うので、Ga層の余分なGaが転位部分を通って表面から蒸発するまで、Ga層中のGaを上方の第1の窒化物III−V族化合物半導体層の方に移動させることができて、Ga層の残りのGaを、Ga層上の第1の窒化物III−V族化合物半導体層の転位付近に移動させて留めることができる。したがって、この留まったGaによって、第1の窒化物III−V族化合物半導体層の転位を消滅させることができて、第1の窒化物III−V族化合物半導体層の結晶性を、転位の少ない良質なものにできる。このことから、第2化合物半導体成長工程で、この転位の少ない良質な第1の窒化物III−V族化合物半導体層の上に形成される第2の窒化物系III−V族化合物半導体層の転位の数が、第1の窒化物III−V族化合物半導体層の転位の数よりも更に少なくなり、第1の窒化物III−V族化合物半導体層の上に形成される第2の窒化物系III−V族化合物半導体層の結晶性が、第1の窒化物III−V族化合物半導体層の結晶性よりも良質なものになる。したがって、窒化物系III−V族化合物半導体装置の移動度等の電気的特性が優れたものになる。
【0017】
また、一実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法は、Ga堆積工程では、0.1nm以上かつ10nm以下の厚さを有するGa層を堆積させることを特徴としている。
【0018】
上記実施形態によれば、Ga堆積工程で、層の厚さが0.1nm以上かつ10nm以下のGaを堆積するので、Ga層上の窒化物系III−V族化合物半導体の転位を十分に消滅させることができて、Ga層上の窒化物系III−V族化合物半導体の結晶性も良質なものにすることができる。
【0019】
本発明者は、Ga層の厚さを変え、その上に窒化物系III−V族化合物半導体を成長し、窒化物系III−V族化合物半導体の結晶性と転位密度を透過型電子顕微鏡(TEM)によって評価した。
【0020】
このとき、上記Ga堆積工程で堆積されるGa層の厚さが0.1nmよりも薄いとGa堆積層上の窒化物系III−V族化合物半導体の転位を十分に消滅させることができず、また、Ga堆積工程で堆積されるGaの厚さが10nmよりも厚いと、Ga層上の窒化物系III−V族化合物半導体の結晶性が悪化した。一方、上記Ga堆積工程で堆積されるGaの厚さが0.1nm以上かつ10nm以下である場合、Ga層上の窒化物系III−V族化合物半導体の転位を十分に消滅させることができて、Ga層上の窒化物系III−V族化合物半導体の結晶性が良質なものになった。
【0021】
また、第3の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法は、基板上に窒化物系III−V族化合物半導体からなるバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、上記バッファ層上に窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる化合物半導体成長工程と、上記バッファ層と上記窒化物系III−V族化合物半導体層の界面近傍にイオンを打ち込んで、上記界面近傍をアモルファス化するイオン打ち込み工程と、上記イオン打ち込み工程の後に熱処理を行う熱処理工程とを有することを特徴としている。
【0022】
上記第3の発明によれば、上記バッファ層形成工程で、基板上に形成した窒化物系III−V族化合物半導体層からなるバッファ層と、上記化合物半導体成長工程でバッファ層上に成長させた窒化物系III−V族化合物半導体層との界面付近に、イオン打ち込み工程で、イオンを打ち込むので、このイオンの打ち込みによってバッファ層と窒化物系III−V族化合物半導体層の界面付近をアモルファス化することができて、バッファ層と窒化物系III−V族化合物半導体層を上記界面付近に存在するアモルファスの層によって切り離すことができる。また、次に行われる熱処理工程で、熱処理を行うことで、上記バッファ層と窒化物系III−V族化合物半導体層の界面付近に形成したアモルファスの層上の窒化物系III−V族化合物半導体層を再結晶化できて、この再結晶化を行った窒化物系III−V族化合物半導体層の部分の転位密度を、小さくすることができる。したがって、バッファ層よりも少ないものの多くの転位を内包しているバッファ層上の窒化物系III−V族化合物半導体層の転位を、効果的に消滅させることができて、窒化物系III−V族化合物半導体装置の電気的特性を優れたものにできる。
【0023】
また、一実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法は、上記打ち込まれるイオンが、C、N、Mg、Al、Zn、GaおよびInの内の少なくとも1つであることを特徴としている。
【0024】
上記実施形態によれば、打ち込むイオンを、窒化物系III−V族化合物半導体層を形成する元素であるAl,Ga,In,Nおよび窒化物系III−V族化合物半導体層に対してp型不純物となる元素であるC,Mg,Znの内の少なくとも1つに限定したので、例えば、窒化物系III−V族化合物半導体層に対してn型不純物となるSiイオンを注入したときのように、上記界面に高濃度のn型層ができることがない。このことから、例えば、上記実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法を用いて電界効果トランジスタを製造すれば、バッファ層と窒化物系III−V族化合物半導体層との界面に高濃度のn型層ができることがないので、n型層と電流が流れる通路であるチャネル層との間で生じるパラレル伝導がおこることがない。このことから、窒化物系III−V族化合物半導体装置の大電流化を実現できる。尚、上記パラレル伝導は、2次元電子ガスによるチャネル層およびバッファ層と窒化物系III−V族化合物半導体層との界面に存在する高濃度のn型層の2つの経路を電流が流れるという現象である。このパラレル伝導が発生すると、トランジスタのピンチオフが十分に起こらないという問題が発生する。
【0025】
また、一実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法は、上記熱処理工程の温度は、熱処理工程よりも前に形成された窒化物系III−V族化合物半導体層の成長温度よりも大きく、かつ、上記成長温度に200℃を加えた温度よりも小さいことを特徴としている。
【0026】
上記実施形態によれば、上記熱処理工程では、熱処理工程よりも前に形成された窒化物系III−V族化合物半導体層の成長温度よりも高く、かつ、熱処理工程よりも前の窒化物系III−V族化合物半導体層の成長温度に200℃を加えた温度よりも低い温度で、熱処理を行うので、窒化物系III−V族化合物半導体層の転位を減少させて転位密度を低減できる。
【0027】
本発明者は、熱処理工程の温度を成長温度と同じ、成長温度±100℃、±200℃、成長温度+250℃で行い、その転位密度と結晶性がどのように変化するかをTEMによって評価した。また、熱処理後の表面状態を走査型電子顕微鏡(SEM)により評価した。
【0028】
このとき、上記熱処理工程の熱処理温度が、熱処理工程よりも前に形成された窒化物系III−V族化合物半導体層の成長温度よりも低い温度になると、熱処理工程の前にGa層の堆積と窒化物系III−V族化合物半導体層の成長を行う場合には、この熱処理工程で、積層されたGa層のGaを窒化物系III−V族化合物半導体層に十分に拡散させて、窒化物系III−V族化合物半導体層の転位を消滅させることができず、また、熱処理工程の前にイオン打ち込み工程を行う場合には、イオンを打ち込むことによって、生成した上記アモルファス層上の窒化物系III−V族化合物半導体層の再結晶化を十分に行うことができず、この窒化物系III−V族化合物半導体層の転位を十分に減少させることができなかった。一方、熱処理工程の熱処理温度が、熱処理工程よりも前に形成された窒化物系III−V族化合物半導体層の成長温度に200℃を加えた温度よりも高い温度になると、窒化物系III−V族化合物半導体層の蒸発が発生した。
【0029】
また、第4の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置は、基板の上方に窒化物系III−V族化合物半導体層が形成された窒化物系III−V族化合物半導体装置であって、上記窒化物系III−V族化合物半導体層の一部は、III族元素と窒素元素の化学量論比(III族元素/窒素)が1以上かつ1.5以下であることを特徴としている。
【0030】
尚、上記化学量論比とは、化合物を構成している元素の数量的関係を示す値である。
【0031】
本発明者は、オージェ電子分光法(AES)を用いて、窒化物系III−V族化合物半導体層をArイオンでエッチングしながら化学量論比がどのように変化するかを調べる実験を行った。さらに、化学量論比と結晶性の関係もTEMによって評価した。
【0032】
その結果、Gaを堆積する工程と熱処理工程等のGaを拡散する工程とを用いて製造された窒化物系III−V族化合物半導体装置には、Gaを堆積する工程と熱処理工程等のGaを拡散する工程とを用いずに製造された窒化物系III−V族化合物半導体装置とは異なり、Ga原子が多い領域が存在し、このGa原子が多い領域では、Ga元素の数が、窒素元素の数以上になって、III族元素と窒素元素の化学量論比(III族/窒素)が、1以上かつ1.5以下の大きな値になることを確認した。
【0033】
上記第4の発明によれば、基板上の窒化物系III−V族化合物半導体層の一部で、III族元素と窒素元素の化学量論比(III族/窒素)が1以上かつ1.5以下となっている窒化物系III−V族化合物半導体装置は、Gaを堆積する工程と熱処理工程等のGaを拡散する工程とを用いて製造されたものである。したがって、上記第4の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置は、Gaを堆積する工程で堆積されたGa層を用いて、このGa層よりも上方の窒化物系III−V族化合物半導体層の転位を低減するGaの拡散が行われた窒化物系III−V族化合物半導体装置であるので、第4の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の結晶性および電気的特性が、優れたものになる。
【0034】
また、第5の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置は、基板の上方に窒化物系III−V族化合物半導体層が形成された窒化物系III−V族化合物半導体装置であって、上記窒化物系III−V族化合物半導体装置の一部はアモルファスであることを特徴としている。
【0035】
イオン打ち込み工程等の成長層の一部をアモルファス化する工程を用いて転位密度の低減を図った窒化物系III−V族化合物半導体装置では、アモルファス化しない窒化物系III−V族化合物半導体装置とは異なり、窒化物系III−V族化合物半導体装置の一部にアモルファスの部分が残留する。上記第5の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置は、基板上の窒化物系III−V族化合物半導体層の一部がアモルファスになっているので、イオン打ち込み工程等の成長層の一部をアモルファス化する工程を用いて製造されたものである。したがって、上記第5の窒化物系III−V族化合物半導体装置は、例えば、イオン打ち込み工程等のアモルファス化を行う工程の後、例えば、熱処理工程等で、アモルファスの層の上方の層が再結晶化された装置であり、この再結晶化された層の転位密度が小さい装置である。このことから、第5の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の結晶性および電気的特性が優れたものになる。
【0036】
また、一実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置は、C、MgおよびZnの内の少なくとも1つが上記アモルファスの部分に存在するか、または、III族元素と窒素の化学量論比(III族元素/窒素)が、1以上かつ1.5以下の部分が上記アモルファスの部分に存在するか、または、窒素とIII族元素の化学量論比(窒素/III族元素)が、1以上かつ1.5以下の部分が上記アモルファス部分に存在することを特徴としている。
【0037】
尚、上記化学量論比の計算を行うのに必要な上記III族元素としては、例えば、Al、GaまたはIn等を想定しているものとする。
【0038】
本発明者は、オージェ電子分光法(AES)を用いて、窒化物系III−V族化合物半導体層をArイオンでエッチングしながら化学量論比がどのように変化するかを調べる実験を行った。さらに、化学量論比と結晶性の関係もTEMによって評価した。
【0039】
その結果、C、MgおよびZnの内の少なくとも1つを打ち込んで成長層の一部をアモルファス化した場合には、その部分にC、MgおよびZnの内の少なくとも1つが存在し、窒素を打ち込んで成長層の一部をアモルファス化した場合には、III族元素と窒素の化学量論比が、窒素が多いほうに偏り、窒素とIII族元素の化学量論比(窒素/III族)が1以上かつ1.5以下の部分が存在した。また、Al、GaおよびInの内の少なくとも1つを打ち込んで成長層の一部をアモルファス化した場合には、Al、GaおよびInの内の少なくとも1つと窒素との化学量論比が、Al、GaおよびInの内の少なくとも1つが多いほうに偏り、III族元素と窒素の化学量論比(III族/窒素)が1以上かつ1.5以下の部分が存在した。
【0040】
上記実施形態によれば、C 、MgおよびZnの内の少なくとも1つが上記アモルファス部分に存在するか、または、III族元素と窒素の化学量論比(III族/窒素)が1以上かつ1.5以下の部分が、上記アモルファス部分に存在するか、または、窒素とIII族元素の化学量論比(窒素/III族)が1以上かつ1.5以下の部分が、上記アモルファス部分に存在する。したがって、上記実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置は、窒化物系III−V族化合物半導体層を形成する元素Al,Ga,In,Nの内の少なくとも1つ、あるいは、窒化物系III−V族化合物半導体層に対してp型不純物となるC,Mg,Znの内の少なくとも1つのイオンを打ち込んで成長層の一部をアモルファス化する工程を用いて製造されたものである。このことから、この実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置は、n型不純物となるSiイオンを注入した窒化物系III−V族化合物半導体装置のように、界面に高濃度のn型層ができることがなくて、パラレル伝導が生じることがないので、窒化物系III−V族化合物半導体装置に大きな電流を流すことができる。
【0041】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【0042】
先ず、図1〜図3を用いて本発明の三通り窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法の原理を簡単に説明する。
【0043】
図1は、第1の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法の原理を説明するための図であり、図2は第2の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法の原理を説明するための図であり、図3は第3の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法の原理を説明するための図である。図1〜図3では、転位を模式的に縦線で表す。尚、図1〜図3では、バッファ層以下の層の図示を省略している。また、図1〜図3と、以下に示す図4〜図8および図10は模式図であり、図1〜図8および図10に示される各層の膜厚は、実際の装置における各層の膜厚と異なっている。
【0044】
第1の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法は、図1(A)に示すように、基板(図示せず)の上方に形成した転位のあるバッファ層1上にGa層2を堆積し、その後、Ga層2の上方から窒素源(以下、N源という)を照射する。このとき、上記N源の照射によって、上記Ga層2が再構築され、図1(B)に示すGaN層3として再結晶化する。このとき、上記GaN層3は、ランダムに結晶化するのではなく下地のバッファ層1の影響を受けて下地と同じ構造で再結晶化するが、GaN層の下層部4ではGa原子が転位を終焉させるため、バッファ層1の転位情報がGaN層の上層部5に伝えられることがない。このことから、GaN層の上層部5の上に成長させる窒化物系III−V族化合物半導体層の転位密度を減少させることができて、上記窒化物系III−V族化合物半導体層の結晶構造を、移動度等の電気的特性に優れた良好なものにすることができる。
【0045】
また、第2の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法は、図2(A)に示すように、基板(図示せず)の上方に形成した転位のあるバッファ層21上にGa層22を堆積し、さらに引き続いてGa層22上に、例えばGaN等の窒化物系III−V族化合物半導体層23を成長させる。次に、熱処理を行って、Ga層22の余分なGaが転位部分を通って表面から蒸発するまで、Ga層22中のGaを上方の窒化物III−V族化合物半導体層23の方に移動させて、Ga層22中の蒸発しなかったGaを、窒化物III−V族化合物半導体層23の転位付近に留まらせる。そして、上記窒化物III−V族化合物半導体層23の転位付近に留まらせたGaで、GaN等の窒化物III−V族化合物半導体層23の転位を消滅させて、図2(B)に示すように、Ga層22および窒化物III−V族化合物半導体層23を、転位が少なくて電気的特性に優れた良質な窒化物III−V族化合物半導体層25にする。
【0046】
また、第3の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法は、図3(A)に示すように、基板(図示せず)の上方に形成した転位のあるバッファ層31上にバッファ層31よりも少ないものの多くの転位を内包しているGaN等の窒化物系III−V族化合物半導体層32を形成し、次に、上記バッファ層31と窒化物系III−V族化合物半導体層32との界面付近にイオンを注入して、図3(B)に示すように、上記界面付近にアモルファス層35を形成する。次に、熱処理を行って、アモルファス層35の一部およびアモルファス層35上の窒化物系III−V族化合物半導体層32とを再結晶化して、図3(C)に示すように、熱処理の後も残留しているアモルファス層35上の再結晶層37の転位を減少させて、この再結晶層37の結晶性を電気的特性に優れた良質なものにする。
【0047】
以下に、上記第1の発明を、第1実施形態で、上記第2の発明を、第2実施形態で、上記第3の発明を、第3実施形態で詳細に説明することにする。
【0048】
(第1実施形態)
図4に、本発明の第1実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法を示す。尚、図4においても図1〜図3と同様に、転位を縦線で模式的に示すものとする。
【0049】
先ず、基板酸化膜除去工程で、SiC基板41の基板温度を約1000℃まで上げて、SiC基板41の表面酸化膜を除去した後、バッファ層形成工程を行う。このバッファ層形成工程では、成長温度を800℃、Alビーム強度を2.0×10−7Torr、RF入力電力を200W、窒素流量を1.4sccmに夫々設定して、図4(A)に示すように、上記表面酸化膜が除去されたSiC基板41上に、膜厚が20nmのAlNのバッファ層42を形成する。
【0050】
次に、Ga堆積工程を行う。このGa堆積工程では、Gaビームの強度を6.0×10−7Torrに設定して、Gaビームを10秒間AlNのバッファ層42に照射することにより、図4(B)に示すように、AlNのバッファ層42上に膜厚が1nmのGa層43を形成する。尚、図4で、バッファ層42およびGa層43等に引かれた縦線は、バッファ層42およびGa層43等に存在する転位(ダングリングボンド(線欠陥))を模式的に表わしたものである。図4(B)において、Ga層43に引かれた縦線の数は、バッファ層42に引かれた縦線の数よりも少なくなっており、かつ、Ga層43に引かれた縦線は、バッファ層42に引かれた縦線につながっている。これは、Ga層43に生じる転位は、バッファ層42に生じる転位よりも少なく、かつ、バッファ層42の転位に引きずられて生成することを模式的に示すものである。
【0051】
引き続いて、RF入力電力を300W、窒素流量を2.0sccm、基板温度を略750℃に夫々設定して、結晶化工程を行う。この結晶化工程では、図4(B)に示すGa層43の上方から窒素をGa層43に照射してGa層43を結晶化する。
【0052】
このことにより、結晶化工程の前に、図4(B)で参照番号43で示されたGa層は、結晶化工程後に、図4(C)に示すように、GaN層の下層部44と、GaN層の上層部45に再構築される。結晶化工程でN源を照射して結晶化が行われたことにより、GaN層の下層部44の転位の数は、少なくなり(図4(B)でGa層43に4つ存在していた転位を、図4(C)に示すGaN層の下層部44では2つにし、このことを模式的に示している)、また、GaN層の上層部45は、転位の数がGaN層の下層部44の転位の数よりも更に少ない結晶構造が優れた層になる(図4(C)に示すGaN層の上層部45では、転位を0とし、このことを模式的に示している)。結晶化工程の後、GaN層の下層部44と、GaN層の上層部45のGa元素と窒素元素の化学量論比(Ga元素/窒素元素)は、1以上かつ1.5以下の値になっている。
【0053】
最後に、化合物半導体成長工程を行う。この化合物半導体成長工程では、基板温度を750℃、Gaビーム強度を6.0×10−7Torr、RF入力電力を450W、窒素流量を2.2sccmに夫々設定して、GaN層の上層部45に、Gaビームと窒素を照射して、図4(D)に示すように、GaN層の上層部45上に膜厚が2μmのGaN層46を形成して、本発明の第1実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の要部の製造を完了する。
【0054】
上記第1実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法を用いて、GaN層を備えた窒化物系III−V族化合物半導体装置を作製した場合と、通常のプラズマ励起窒素を用いた分子線エピタキシー法(RF−MBE法)を用いて、バッファ層上にGaN層を直接成長させた窒化物系III−V族化合物半導体装置を作成した場合の2通りについて、窒化物系III−V族化合物半導体装置のGaN層の電気的特性と転位密度を比較する実験を行った。
【0055】
その実験の結果、通常の方法でGaNを成長させた場合には、GaNの転位密度が2×1010cm−2前後の値になり、キャリア濃度が1×1019cm−3の場合に、移動度が98cm/Vsの前後の値になった。また、キャリア濃度が1×1016cm−3の場合に、移動度が30cm/Vsの前後の値になった。
【0056】
一方、上記第1実施形態の方法でGaN層を成長させた場合には、GaN層の転位密度が、3×10cm−2前後の値になって、通常の方法でGaNを成長させた場合の2×1010cm−2前後の値よりも大幅に小さくなり、GaN層の結晶構造が結晶性に優れたものになった。また、上記第1実施形態の方法でGaN層を成長させた場合には、キャリア濃度が1×1019cm−3の場合には、GaN層の移動度が100cm/Vsになって、GaN層が通常の方法で形成されたGaN層の電気的特性と同等の電気的特性を示す一方、キャリア濃度が1×1016cm−3の場合には、移動度が1500cm/Vsと非常に大きな値になって、上記第1実施形態の方法で形成されたGaN層の電気特性が、通常の方法で形成されたGaN層と比べてはるかに優れたものになった。
【0057】
上記第1実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法によれば、バッファ層形成工程でSiC基板41上に形成した転位のあるAlNのバッファ層42に、Ga堆積工程でGa層43を堆積して、更に、結晶化工程でGa層43の表面にN源を照射してGa層43の結晶化を行うので、N源の照射を行う結晶化工程の後、バッファ層42上に形成されるGaN層の下層部44の結晶構造が、転位(ダングリングボンド(線欠陥))が消滅した高品質な結晶構造になる。したがって、GaN層の下層部44のGaNの結晶構造が、ダングリングボンドが解消された高品質なものになるため、GaN層の上層部45まで、バッファ層42のダングリングボンドの情報が到達して転位情報が及ぶことを防止でき、GaN層の上層部45に、下地のバッファ層42の転位情報以外の情報のみを伝達することができる。つまり、GaN層の上層部45の結晶構造を転位がないバッファ層42の結晶構造と略同一な構造にすることができる。したがって、化合物半導体成長工程で、この転位が少ない良質のGaN層の上層部45の上に、転位密度が低いGaN層46を形成することができて、上記第1実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法を用いて形成した窒化物系III−V族化合物半導体装置の移動度等の電気的特性を優れたものにすることができる。
【0058】
また、上記第1実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法によれば、Ga堆積工程で堆積されるGa層43の厚さを、1nmにしたので、Ga層43上のGaN層46の転位を十分に消滅させることができると共に、Ga層43上のGaN層46の結晶性を良質なものにすることができる。
【0059】
尚、上記第1実施形態では、SiC基板41を用いたが、SiC基板の代わりにサファイア基板やSi基板等のSiC基板以外の基板を用いても良い。
【0060】
また、上記第1実施形態では、SiC基板41にAlNのバッファ層42を成長させたが、AlNのバッファ層に限らず、基板上にGaNのバッファ層やInNのバッファ層等の窒化物系III−V族化合物半導体のバッファ層を成長させても良い。
【0061】
また、上記第1実施形態では、化合物半導体成長工程で、結晶化したGaN層の上層部45上にGaN層46を成長させたが、化合物半導体成長工程では、GaN層に限らず、結晶化したGaN層の上層部上にAlN層やInN層等の窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させても良い。
【0062】
また、上記第1実施形態では、Ga堆積工程で、AlNのバッファ層42上に膜厚が1nmのGa層43を形成したが、Ga堆積工程で、窒化物系III−V族化合物半導体のバッファ層上に、膜厚が0.1nm以上かつ10nm以下の厚さを有するGa層を形成しても良い。尚、窒化物系III−V族化合物半導体のバッファ層上に、膜厚が0.1nm以上かつ10nm以下の厚さを有するGa層を形成した場合においても、膜厚が1nmのGa層43を形成した場合と同様に、Ga層上の窒化物系III−V族化合物半導体の転位を十分に消滅させることができて、Ga層上の窒化物系III−V族化合物半導体の結晶性を良質なものにすることができる。
【0063】
(第2実施形態)
図5および図6に、本発明の第2実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法を示す。尚、図5および図6おいても図4と同様に、転位を縦線で模式的に示すものとする。
【0064】
先ず、基板酸化膜除去工程で、SiC基板51の基板温度を1000℃まで上げて、SiC基板51の表面酸化膜を除去した後、バッファ層形成工程を行う。このバッファ層形成工程では、成長温度を800℃、Alビーム強度を2.0×10−7Torr、RF入力電力を200W、窒素流量を1.4sccmに夫々設定して、図5(A)に示すように、上記表面酸化膜が除去されたSiC基板51上に、膜厚が20nmのAlNのバッファ層52を形成する。
【0065】
次に、Ga堆積工程を行う。このGa堆積工程では、Gaビームの強度を6.0×10−7Torrに設定して、このGaビームを10秒間AlNのバッファ層52に照射することにより、図5(B)に示すように、AlNのバッファ層52上に膜厚が1nmのGa層53を形成する。
【0066】
引き続いて、第1化合物半導体成長工程を行う。この第1化合物半導体成長工程では、基板温度を750℃、Gaビーム強度を6.0×10−7Torr、RF入力電力を450W、窒素流量を2.2sccmに夫々設定して、図5(C)に示すように、Ga層53上に厚さが20nmのGaN層54を形成する。
【0067】
次に、基板温度800℃まで上げて熱処理工程を行う。この熱処理工程では、Ga堆積工程で堆積させたGaを、図5(C)に示すGaN層54の転位を介してGaN層54の転位部分に移動させ、余分なGaをこの転位部分を通じてGaN層54の表面から蒸発させる。このとき、Ga堆積工程で堆積させたGaのうちで、表面から蒸発しなかったGaは、図5(C)に示すGaN層54の転位部分付近に留まる。そして、この図5(C)に示すGaN層54の転位部分付近に留まったGaは、図5(C)に示すGaN層54の転位を消滅させ、図5(C)に示すGaN層54を、図6(A)に示す転位が少ない良質なGaN層55にかえる。尚、上記熱処理工程では、Ga堆積工程で堆積させたGaを、GaN層54に移動させるので、熱処理工程の後、Ga層53は、消滅することになる。上記熱処理工程の後、上記転位が少なく良質なGaN層55のGa元素と窒素元素の化学量論比(Ga元素/窒素元素)は、1以上かつ1.5以下の値になっている。
【0068】
最後に、第2化合物半導体成長工程を行う。この第2化合物半導体成長工程では、基板温度を750℃、Gaビーム強度を6.0×10−7Torr、RF入力電力を450W、窒素流量を2.2sccmに夫々設定して、図6(B)に示すように、上記転位が少ない良質なGaN層55上に厚さが2μmのGaN層56を成長させて、第2実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の要部の製造を終了する。
【0069】
上記第2実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法を用いて作成した窒化物系III−V族化合物半導体装置の要部のGaN層56の電気的特性および転位密度と、通常のプラズマ励起窒素を用いた分子線エピタキシー法(RF−MBE法)を用いてバッファ層上に直接成長させたGaN層の電気的特性および転位密度とを比較する実験を行った。
【0070】
上記実験の結果、上記第2実施形態の方法でGaN層56を成長させた場合には、GaN56の転位密度が、2×10cm−2前後の値になって、通常の方法でGaNを成長させた場合の転位密度の値である2×1010cm−2前後の値よりも大幅に小さくなった。
【0071】
また、上記第2実施形態の方法でGaN層56を成長させた場合には、GaN層56のキャリア濃度が1×1019cm−3のときに、GaN層56の移動度が95cm/Vsになって、GaN層56の電気的特性が通常の方法で形成されたGaN層の電気的特性と略同等の電気的特性を示す一方、GaN層56のキャリア濃度が1×1016cm−3のときに、GaN層56の移動度が1450cm/Vsと非常に大きな値になって、GaN層56の電気的特性が、通常の方法で形成されたGaN層の電気的特性と比較してはるかに優れたものになった。
【0072】
上記第2実施形態によれば、熱処理工程で熱処理を行うので、Ga堆積層のGaの一部を、図5(C)に示すGaN層54の転位部分を通って表面から蒸発させることができると共に、Ga層のGaの残りを、図5(C)に示すGaN層54の転位付近に移動させて、図5(C)に示すGaN層54の転位を消滅させることができる。すなわち、図5(C)に示す転位が多いGaN層54を、図6(A)に示す転位の少ない良質なGaN層55に再構築できるので、第2化合物半導体成長工程で、この転位の少ない良質なGaN層55上に形成するGaN層56の結晶性を、転位が少ない良質なものにできる。したがって、窒化物系III−V族化合物半導体装置の移動度等の電気的特性を優れたものにできる。
【0073】
また、上記第2実施形態によれば、Ga堆積工程で堆積されるGa層53の厚さを1nmにしたので、Ga層53の上方のGaN層56の転位を十分に消滅させることができると共に、Ga層53の上方のGaN層56の結晶性を良質なものにすることができる。
【0074】
また、上記第2実施形態によれば、熱処理工程では、第1化合物半導体成長工程の基板温度である750℃よりも高く、かつ、第1化合物半導体成長工程の基板温度である750℃に200℃を加えた温度である950℃よりも低い800℃で熱処理を行うので、GaN層54の蒸発が起きない状態で、Gaの拡散を十分に行うことができて、GaN層54の再結晶化を十分に行うことができる。したがって、熱処理を行ったGaN層54の転位を十分に減少させてGaN層54の転位密度を大幅に低減できる。
【0075】
尚、上記第2実施形態では、SiC基板51を用いたが、SiC基板51の代わりにサファイア基板やSi基板等のSiC基板以外の基板を用いても良い。
【0076】
また、上記第2実施形態では、SiC基板51上にAlNのバッファ層52を成長させたが、AlNのバッファ層に限らず、基板上にGaNのバッファ層やInNのバッファ層等の窒化物系III−V族化合物半導体のバッファ層を成長させても良い。
【0077】
また、上記第2実施形態では、熱処理工程の後に、GaN層56を成長させたが、GaN層に限らず、熱処理工程の後に、AlN層やInN層等の窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させても良い。
【0078】
また、上記第2実施形態では、Ga堆積工程で、AlNのバッファ層52上に膜厚が1nmのGa層53を形成したが、Ga堆積工程で、窒化物系III−V族化合物半導体のバッファ層上に、膜厚が0.1nm以上かつ10nm以下の厚さを有するGa層を形成しても良い。そして、窒化物系III−V族化合物半導体のバッファ層上に、膜厚が0.1nm以上かつ10nm以下の厚さを有するGa層を形成した場合においても、膜厚が1nmのGa層53を形成した場合と同様に、Ga層上の窒化物系III−V族化合物半導体の転位を十分に消滅させることができると共に、Ga層上の窒化物系III−V族化合物半導体の結晶性を良質なものにすることができる。
【0079】
また、上記第2実施形態では、基板温度を800℃まで上げて熱処理工程を行ったが、第1化合物半導体成長工程の基板温度である750℃よりも大きくて、かつ、第1化合物半導体成長工程の基板温度である750℃に200℃を加えた950℃よりも小さい温度に基板温度を設定して熱処理工程を行っても、基板温度を800℃まで上げて熱処理工程を行った場合と同様の作用効果を奏することが確認されている。尚、950℃以上の温度に基板温度を設定して熱処理工程を行うと、GaN層54の蒸発が起こって、窒化物系III−V族化合物半導体装置の品質が低下することになり、750℃以下の温度に基板温度を設定して熱処理工程を行うと、Gaの拡散を十分に行うことができなくなる。
【0080】
(第3実施形態)
図7および図8に、本発明の第3実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法を示す。尚、図7および図8においても図4、図5および図6と同様に、転位を縦線で模式的に示すものとする。
【0081】
先ず、基板酸化膜除去工程で、SiC基板71の基板温度を1000℃まで上げて、SiC基板71の表面酸化膜を除去した後、バッファ層形成工程を行う。このバッファ層形成工程では、成長温度を800℃、Alビーム強度を2.0×10−7Torr、RF入力電力を200W、窒素流量を1.4sccmに夫々設定して、図7(A)に示すように、SiC基板71上に、膜厚が20nmのAlNのバッファ層72を形成する。
【0082】
次に、化合物半導体成長工程を行う。この化合物半導体成長工程では、基板温度を750℃、Gaビーム強度を6.0×10−7Torr、RF入力電力を450W、窒素流量を2.2sccmに夫々設定して、図7(B)に示すようように、AlNのバッファ層72上に厚さが20nmのGaN層73を成長させる。
【0083】
引き続いて、イオン打ち込み工程を行う。このイオン打ち込み工程では、イオン注入原子としてGaを用い、このGaイオンの加速電圧20keV、このGaイオンの注入量を1×1018cm−3に設定して、AlNのバッファ層72とGaN層73の界面近傍に、Gaイオンを打ち込んで、図7(C)に示すように、AlNのバッファ層72とGaN層73の界面付近にアモルファスの層74を形成して、アモルファスの層74によりAlNのバッファ層72とGaN層73とを切り離す。
【0084】
次に、熱処理工程を行う。この熱処理工程では、基板温度を800℃まで上げて熱処理を行うことにより、図7(C)に示すアモルファスの層74の上のGaN層73を再結晶化して、図8(A)に示すように、転位が少ないGaN層75層を形成する。この熱処理工程を行った後、Gaイオンが打ち込まれて形成されたアモルファスの層74の膜厚は、図8(A)に示すように、小さくはなるが一部は残留する。図8(A)に示すこの残留したアモルファスの層74では、Ga元素と窒素の化学量論比(Ga元素/窒素)が1以上かつ1.5以下の値になっている。
【0085】
最後に、第2化合物成長工程を行う。この第2化合物成長工程では、基板温度を750℃、Gaビーム強度を6.0×10−7Torr、RF入力電力を450W、窒素流量を2.2sccmに夫々設定して、図8(B)に示すように、転位が少ないGaN層75層上に厚さが2μmのGaN層76を成長させる。このようにして、第3実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の要部の製造を終了する。
【0086】
上記第3実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法を用いて作成した窒化物系III−V族化合物半導体装置の要部のGaN層76の電気的特性および転位密度と、通常のプラズマ励起窒素を用いた分子線エピタキシー法(RF−MBE法)を用いてバッファ層上に直接成長させたGaN層の電気的特性および転位密度とを比較する実験を行った。
【0087】
上記実験の結果、上記第3実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法でGaNを成長させた場合には、GaNの転位密度が、4×10cm−2前後の値になって、通常の方法でGaNを成長させた場合の2×1010cm−2前後の値よりも大幅に小さくなった。
【0088】
また、上記第3実施形態の方法でGaN層76を成長させた場合には、GaN層76のキャリア濃度が1×1019cm−3のときに、GaN層76の移動度が10cm/Vsになって、GaN層76の電気的特性が通常の方法で形成されたGaN層の電気的特性と略同等の電気的特性を示す一方、GaN層76のキャリア濃度が1×1016cm−3のときに、GaN層76の移動度が1480cm/Vsと非常に大きな値になって、GaN層76の電気的特性が、通常の方法で形成されたGaN層の電気的特性と比べてはるかに優れたものになった。
【0089】
上記第3実施形態によれば、上記バッファ層形成工程で、SiC基板71上に形成したAlNからなるバッファ層72と、上記化合物半導体成長工程でAlNのバッファ層72上に成長させたGaN層73との界面付近に、イオン打ち込み工程で、Gaイオンを打ち込むので、AlNのバッファ層72とGaN層73の界面付近にアモルファスの層74を形成できて、AlNのバッファ層72とGaN層73とを切り離して、AlNのバッファ層72の転位情報が、GaN層73に伝わらないようにすることができる。また、次に行われる熱処理工程で、熱処理を行うことで、アモルファスの層74上のGaN層73を再結晶化して、図7(C)に示す転位が多いGaN層73を図8(A)に示す転位が少ないGaN層75に作りかえることができる。したがって、この転位が少ないGaN層75上に結晶性が良いGaN層76を形成できて、第3実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の要部を用いて作成された窒化物系III−V族化合物半導体装置の電気的特性を優れたものにできる。
【0090】
また、上記第3実施形態によれば、上記イオン打ち込み工程で、AlNのバッファ層72とGaN層73との界面付近にGaイオンを打ち込んだので、AlNのバッファ層とGaN層との界面付近にSiイオンを注入した場合のように、界面付近に高濃度のn型層ができることがない。したがって、例えば、上記第3実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法を用いて電界効果トランジスタを製造しても、AlNのバッファ層72とGaN層73との界面に高濃度のn型層ができることがなくて、このn型層が、電流が流れる通路であるチャネル層とパラレル伝導を引き起こすことがない。このことから、上記第3実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法を用いて製造された窒化物系III−V族化合物半導体装置の大電流化を実現できる。
【0091】
また、上記第3実施形態によれば、熱処理工程では、第1化合物半導体成長工程の基板温度である750℃より高く、かつ、第1化合物半導体成長工程の基板温度である750℃に200℃を加えた950℃よりも低い800℃で熱処理を行うので、GaN層73の再蒸発が起きない状態で、アモルファスの層74上のGaN層73の再結晶化を十分に行うことができて、再結晶化を行って形成したGaN層75の転位密度を低減できる。したがって、GaN層75上に形成したGaN層76の結晶性を更に優れたものにできる。
【0092】
尚、上記第3実施形態では、SiC基板71を用いたが、SiC基板71の代わりにサファイア基板やSi基板等のSiC基板以外の基板を用いても良い。
【0093】
また、上記第3実施形態では、SiC基板71上にAlNのバッファ層72を成長させたが、AlNのバッファ層に限らず、基板上にGaNのバッファ層やInNのバッファ層等の窒化物系III−V族化合物半導体のバッファ層を成長させても良い。
【0094】
また、上記第3実施形態では、化合物半導体成長工程で、AlNのバッファ層72上にGaN層73を成長させたが、GaN層に限らず、化合物半導体成長工程で、AlN等の窒化物系III−V族化合物半導のバッファ層上にAlN層やInN層等の窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させても良い。
【0095】
また、上記第3実施形態では、イオン打ち込み工程で、AlNのバッファ層72とGaN層73の界面近傍に、Gaイオンを注入して、アモルファスの層74を形成したが、Gaイオンの代わりに、Cイオン、Nイオン、Mgイオン、Alイオン、ZnイオンおよびInイオンの内の1つを打ち込んでも、Gaイオンを打ち込んだときと同様の作用効果を奏する。また、Cイオン、Nイオン、Mgイオン、Alイオン、Znイオン、GaイオンおよびInイオンの内の任意の2つ以上のイオンを打ち込んでもGaイオンを打ち込んだときと同様の作用効果を奏する。
【0096】
また、上記第3実施形態では、基板温度を800℃まで上げて熱処理工程を行ったが、熱処理工程で使用される基板温度は、800℃に限定されるものではなくて、熱処理工程で使用される基板温度は、AlNの成長温度である750℃よりも高く、かつ、AlNの成長温度である750℃に200℃を加えた温度である950℃よりも低い温度であれば、どのような温度であっても良い。そして、この範囲の基板温度で、熱処理工程を行えば、基板温度を800℃まで上げて熱処理工程を行った場合と同様の作用効果を奏することが確認されている。尚、950℃以上の温度に基板温度を設定して熱処理工程を行うと、GaN層73の蒸発が起こって、窒化物系III−V族化合物半導体装置の品質が低下することになり、750℃以下の温度に基板温度を設定して熱処理工程を行うと、GaN層73の再結晶化を十分に行うことができなくなる。
【0097】
表1に、通常の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法と、第1、第2および第3実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法で作製された4通りの窒化物系III−V族化合物半導体装置の要部における最上層のGaN層の転位密度と、キャリア濃度が1×1019cm−3のときの上記GaN層の移動度と、キャリア濃度が1×1016cm−3のときの上記GaN層の移動度を示す。
【0098】
【表1】

Figure 2004296636
【0099】
表1に示すように、1×1019cm−3の高キャリア濃度の場合、どの方法で窒化物系III−V族化合物半導体装置を形成しても、GaN層の移動度は、略100cm/Vs前後の値になり、4つの方法でGaN層の電気的特性に違いが見られない。一方、1×1016cm−3の低キャリア濃度の場合、通常の方法で製作されたGaN層の移動度と、他の3つの方法(すなわち、本発明の第1、第2および第3実施形態の方法)で製作されたGaN層の移動度との間に、顕著な違いが見られる。
【0100】
図9に、通常の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法と、第1、第2および第3実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法で作製された4通りの窒化物系III−V族化合物半導体装置のGaN層のキャリア濃度と移動度との関係を示す。
【0101】
図9に示す丸印は、通常の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法を用いた場合の計測点であり、表1の結果をプロットしたものである。一方、図9に示す四角印は、第1、第2および第3実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法を用いた場合の計測点であり、表1の結果をプロットしたものである(図9の縮尺の尺度では、第1、第2および第3実施形態の違いを示せず、3つの実施形態は図上で同じ点をさす)。
【0102】
図9に示すように、キャリア濃度が1×1017.3cm−3以上の領域においては、同じキャリア濃度に対する移動度が、4つの方法で同等になっており、キャリア濃度が下がるにつれて、移動度が増加していることがわかる。
【0103】
一方、キャリア濃度が下がって1×1017.3cm−3に達すると、図9に示すように、通常の方法の移動度と、本発明の3つの実施形態の方法の移動度とが分岐することがわかる。詳細には、キャリア濃度が1×1015cm−3以上で1×1017.3cm−3未満の領域においては、通常の方法では、キャリア濃度が下がるにつれて、移動度も減少するのに対し、本発明の3つの方法では、キャリア濃度が下がるにつれて、移動度が増加していることがわかる。つまり、通常の方法と本発明の3つの方法で、移動度の振る舞いに大きな違いが生じていることがわかる。
【0104】
これは、GaN層の移動度μが、以下の式(1)に示すように、キャリア濃度nの1.5乗と転位密度Ndisl.により決定されるからである。
【0105】
【数1】
Figure 2004296636
【0106】
詳細には、キャリア濃度が大きい場合には、キャリア濃度nの1.5乗の値が大きくなるので、GaNの移動度μは、上記式(1)により、主にキャリア濃度nの1.5乗の因子によって決定される。これは、キャリア濃度が大きくなるとキャリア同士の衝突が頻繁に起こって、キャリア‐キャリア散乱で移動度μが決定されることを意味している。つまり、キャリア濃度が1×1019cm−3等の大きな領域では、移動度μは、nの1.5乗の値だけで略決定され、転位密度Ndislの影響を受けにくくなる。これが、キャリア濃度が1×1019cm−3で、移動度μが、いずれの方法でも100cm/Vs前後の値になることの理由である。
【0107】
一方、キャリア濃度が1×1016cm−3等の小さい領域では、式(1)の分子の値が小さくなり、移動度μは転位密度Ndislの影響を大きく受けることになる。これが、キャリア濃度が1×1016cm−3では、転位が多い通常の成長法では移動度が30cm/Vs程度にしかならない一方、転位が少ない本発明の方法では移動度が1500cm/Vs程度の大きな値になることの理由である。つまり、本発明の方法で作成したGaN層では、通常の成長法とは異なり、キャリア濃度が1012cm−3程度以下にならないと転位が支配的な領域には入らないのである。すなわち、本発明の方法を用いれば、転位が少ないGaN層を形成できるので、キャリア濃度が小さい領域においても、大きな移動度μを得ることができるのである。
【0108】
図10に、窒化物系III−V族化合物半導体装置の一例としてのHEMT(高電子移動度トランジスタ)の構造を示す。
【0109】
図10において、101はサファイア基板の(0001)面、102は低温成長させた膜厚20nmのGaNバッファ層、103はGaN層(バックグラウンドキャリア濃度1016cm−3以下、膜厚3μm)、104はAl0.25Ga0.75N層(膜厚30nm)、105はHf(ハフニウム)ソース/ドレイン電極、106はPd(パラジウム)ゲート電極である。
【0110】
次に、図10に示す層構造を有するHEMT(高電子移動度トランジスタ)を、MOCVD法を用いた通常の方法およびMOCVD法を用いた第1、第2および第3実施形態の方法で作成し、4つのHEMTのヘテロ構造特性およびHEMT特性を比較した。
【0111】
以下に、4つのHEMTの作製法について要点のみ簡単に述べる。
【0112】
初めに、通常の場合には、先ず、水素雰囲気中でサファイア基板の基板温度を1100℃にして、サファイア基板の酸化膜を除去するクリーニングを10分間行った後、サファイア基板の基板温度を500℃、Ga原料流量(トリメチルガリウムTMG)の流量を10sccm、HNの流量を5slmに夫々設定してGaNバッファ層を成長させる。
【0113】
次に、基板温度を1000℃、Ga原料(トリメチルガリウムTMG)の流量を40sccmに設定して、GaN層を成長させた後、基板温度を1000℃、トリメチルアルミニウム(TMA)流量を5sccm、TMGの流量を25sccm、NHの流量を6slmに夫々設定してAl0.25Ga0.75N層を成長させる。
【0114】
最後に、Al0.25Ga0.75N層にHf(ハフニウム)ソース/ドレイン電極、Pd(パラジウム)ゲート電極を形成してHEMTが作製される。
【0115】
次に、本発明の第1実施形態の方法では、GaNバッファ層成長後にTMGのみを流してGaを堆積して温度を上げながら窒素源としてのNHを流してGaを結晶化する。
【0116】
また、本発明の第2実施形態の方法では、バッファ層成長後にTEGのみを流してGaを堆積した後、引き続いて成長温度を500℃にして20nm程度のGaN層を形成する。その後、基板温度を上げてGaNを成長させて、成長中断後に基板温度を1050℃に上げて1分間熱処理し、引き続いて1000℃でへテロ構造を成長させる。
【0117】
最後に、本発明の第3実施形態の方法では、低温バッファ層成長後にGaN層を成長させた後、イオン注入を行う。その後、1050℃で1分間の熱処理を行い、この熱処理に引き続いて1000℃でヘテロ構造を形成する。
【0118】
尚、上記4つの方法では、ゲート長Lgが0.1μm、ゲート幅Wgが200μmのHEMTを製造した。
【0119】
表2に、従来の方法と、第1、第2および第3実施形態の方法で製造した4つのHEMTの特性比較結果を示す。
【0120】
【表2】
Figure 2004296636
【0121】
尚、表2において、DC/RF分散率は、直流印加時の特性と高周波印加時の特性の変化率であり、この値が小さいと、HEMT特性は、高周波応用に優れたものになる。
【0122】
表2に示すように、通常の方法と本発明の方法(第1,第2および第3実施形態の方法)では、転位密度が2桁程度異なっているが、ヘテロ構造の電気的特性を示す移動度、HEMT特性である相互コンダクタンスgおよび最大発信周波数fmaxに大きな違いは見られない。しかしながら、トラップとして働いていた転位密度が小さくなるため、本発明の方法(第1,第2および第3実施形態の方法)では、通常の方法と比較して、DC/RF分散率が30%から10%以下に大きく減少し、HEMT特性が大きく改善されている。
【0123】
尚、上記HEMTを形成するにあたって、各層をMOCVD法を用いて成長させたが、RF−MBE法以外の分子線エキタピシー装置を用いた結晶成長法でもMOCVD法と同様の改善が見られることが確認されている(RF−MBE法を用いた成長方法では、転位が多いために移動度が極端に小さくて、十分なHEMT特性が出ないことが確認されている)。
【0124】
【発明の効果】
以上より明らかなように、第1、第2および第3の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法によれば、窒化物系III−V族化合物半導体からなるバッファ層の上方の窒化物系III−V族化合物半導体層の転位を小さくできて、このバッファ層の上方の窒化物系III−V族化合物半導体層の移動度等の電気的特性を優れたものにすることができる。したがって、この転位が小さくて電気的特性に優れた窒化物系III−V族化合物半導体層を有するHFET等の窒化物系III−V族化合物半導体装置の移動度や高周波特性等の電気的特性を優れたものにすることができる。
【0125】
また、第4の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置は、Gaを堆積する工程で堆積されたGa層を用いてGaの拡散を行い、このGa層よりも上方に形成された窒化物系III−V族化合物半導体層の転位を低減した窒化物系III−V族化合物半導体装置であるので、結晶性および電気的特性が優れたものになる。
【0126】
また、第5の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置は、例えば、イオン打ち込み工程等のアモルファス化を行う工程の後、例えば、熱処理工程等で、アモルファスの層の上方の層が再結晶化された装置であるので、第5の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の再結晶化された層の転位密度が小さくなり、電気的特性が優れたものになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法の製造工程の原理を説明する模式図である。
【図2】第2の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法の製造工程の原理を説明する模式図である。
【図3】第3の発明の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法の製造工程の原理を説明する模式図である。
【図4】本発明の第1実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法の製造工程を示す図である。
【図5】本発明の第2実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法の製造工程の一部を示す図である。
【図6】図5に続く窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法の製造工程の一部を示す図である。
【図7】本発明の第3実施形態の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法の製造工程の一部を示す図である。
【図8】図7に続く窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法の製造工程の一部を示す図である。
【図9】窒化物系III−V族化合物半導体装置のキャリア濃度と移動度との関係を示す図である。
【図10】窒化物系III−V族化合物半導体装置の一例としてのHEMT(高電子移動度トランジスタ)の構造を示す図である。
【符号の説明】
1,21,31 バッファ層
2,22,43,53 Ga層
3,46,54,55,56,73,75,76,103 GaN層
4,44 GaN層の下層部
5,55 GaN層の上層部
23,25,32 窒化物系III−V族化合物半導体層
35,74 アモルファスの層
41,51,71 SiC基板
42,52,72 AlNのバッファ層
101 サファイア基板
102 GaNバッファ層
104 AlGaN層
105 ソース/ドレイン電極
106 ゲート電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device and a nitride-based III-V compound semiconductor device, and more particularly to a semiconductor laser and a light-emitting diode having a nitride-based III-V compound semiconductor layer. Also, the present invention relates to a method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device such as a HEMT (High Electron Mobility Transistor) and a nitride III-V compound semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a nitride III-V compound semiconductor device, a device using sapphire as a substrate material (for example, see Patent Document 1) and a device using SiC as a substrate material (for example, see Patent Document 2) is there. These nitride III-V compound semiconductor devices have a heterostructure having a nitride III-V compound semiconductor above each substrate. When a nitride-based III-V compound semiconductor is grown on a sapphire substrate, a C-plane is usually used. However, even when an A-plane, an R-plane, or an M-plane is used, the nitride-based III-V It has been clarified that a -V group compound semiconductor grows on the C-plane. This is because the nitride III-V compound semiconductor has a hexagonal crystal structure (wurtzite structure), so that the nitride III-V compound semiconductor has an energetically stable C-axis orientation (C-plane). Growth).
[0003]
As another nitride-based III-V compound semiconductor device, there is a device using Si as a substrate material. In particular, a device that inserts SiC between a Si substrate and a nitride-based III-V compound semiconductor is used. (For example, see Patent Document 3). As another apparatus using Si as a substrate material, there is an apparatus for inserting polycrystalline Si between a Si substrate and a nitride III-V compound semiconductor (for example, see Patent Document 4).
[0004]
The nitride-based III-V compound semiconductor device is not limited to the device using the sapphire substrate, the SiC substrate, or the Si substrate, but may be any device using any substrate. In order to alleviate the difference in lattice constant, the difference in thermal expansion coefficient or the difference in crystal structure between GaN and AlN (a high temperature in the case of AlN, (A growth is also possible).
[0005]
Further, as a further nitride-based III-V compound semiconductor device, after growing a nitride-based III-V compound semiconductor on a substrate, the substrate is removed to remove the nitride-based III-V compound semiconductor. There is an apparatus using a new substrate material (for example, see Patent Document 5).
[0006]
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 5,296,395
[Patent Document 2]
JP 2001-177189 A
[Patent Document 3]
JP 2001-17190 A
[Patent Document 4]
JP 2001-7396 A
[Patent Document 5]
JP-A-10-70079
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the nitride-based III-V compound semiconductor devices disclosed in Patent Documents 1 to 4, generally, a large number of dislocations are present in the buffer layer made of GaN or AlN. The crystal structure of the nitride III-V compound semiconductor on the buffer layer is affected, the crystal structure of the nitride III-V compound semiconductor is deteriorated, and the movement of the nitride III-V compound semiconductor device is caused. There is a problem that electrical characteristics such as the degree are deteriorated.
[0008]
For example, when a nitride-based III-V compound semiconductor is grown at a high temperature on a buffer layer using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) or GSMBE (gas source molecular beam epitaxy), the nitride The growth mode of the group III-V compound semiconductor becomes the grain growth mode, and the influence of many dislocations in the buffer layer is likely to affect the nitride group III-V compound semiconductor on the buffer layer. However, there is a problem that this occurs in the nitride III-V compound semiconductor. Then, as the large number of grains grow in the lateral direction, the fusion plane of the different grains shifts, and a large number of dislocations occur in the nitride III-V compound semiconductor on the buffer layer, and the nitride III-V There is a problem that electrical characteristics such as mobility of the group III compound semiconductor device are further deteriorated. More specifically, when a nitride III-V compound semiconductor is grown using MOCVD, the dislocation density of the nitride III-V compound semiconductor becomes 10%. 8 cm -2 From 10 9 cm -2 It has been found that the value of the nitride III-V is high using RF-MBE (molecular beam epitaxy using high frequency) or ECR-MBE (molecular beam epitaxy using electron cyclotron resonance). When a group III compound semiconductor is grown, the dislocation density of the nitride III-V compound semiconductor becomes 10%. 9 cm -2 From 10 10 cm -2 It has been found that the value is much larger.
[0009]
On the other hand, even in the case of the device disclosed in Patent Document 5, since the dislocation density of the nitride-based III-V compound semiconductor layer is determined by the properties of the substrate before being removed and the growth method of each layer, The dislocation density of the nitride III-V compound semiconductor on the buffer layer is 10 8 cm -2 From 10 9 cm -2 As in the case of using a sapphire substrate, a SiC substrate, or a Si substrate, there is a problem that electrical characteristics such as mobility of the nitride-based III-V compound semiconductor device deteriorate.
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device having a small dislocation density of a nitride-based III-V compound semiconductor on a buffer layer and having excellent electrical characteristics, and a nitride. It is an object of the present invention to provide a system III-V compound semiconductor device.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device according to a first aspect of the present invention provides a buffer layer forming step of forming a buffer layer made of a nitride III-V compound semiconductor on a substrate. A Ga deposition step of depositing a Ga layer on the buffer layer; a crystallization step of irradiating a surface of the Ga layer deposited in the Ga deposition step with a nitrogen source to crystallize as a GaN layer; And a compound semiconductor growing step of growing a nitride-based III-V compound semiconductor layer on the GaN layer.
[0012]
According to the first aspect, Ga is deposited in the Ga deposition step on the buffer layer having dislocations formed on the substrate in the buffer layer formation step, and N is further deposited on the surface of Ga in the crystallization step. Since the source is irradiated and crystallized as a GaN layer, the number of dislocations (ie, dangling bonds (line defects)) in the lower layer of the GaN layer crystallized by the irradiation of the N source is determined by the dislocation information from the buffer layer. The number of dislocations in the Ga layer before the crystallization is greatly affected by the influence of the above, and the crystal structure of the lower layer of the GaN layer becomes a high-quality crystal structure with few dislocations. Therefore, the crystal structure of the lower layer of the GaN layer has a high quality with dangling bonds eliminated, and the crystal structure of the upper layer of the crystallized GaN layer has the same structure as that of the dangling bond of the underlying buffer layer. It is possible to prevent dislocation information from reaching the information and to transmit only information other than dislocation information in the crystal structure of the underlying buffer layer to the upper layer of the GaN layer. From this, the crystal structure of the upper layer of the GaN becomes substantially the same as the crystal structure of the buffer layer having no dislocation, and in the next compound semiconductor growth step, the upper layer of the high-quality GaN layer having few dislocations is formed. The dislocation density of the nitride III-V compound semiconductor layer formed thereon can be reduced. Therefore, a nitride III-V compound semiconductor device having excellent electrical characteristics such as mobility can be provided.
[0013]
Incidentally, the dislocation density of the nitride III-V compound semiconductor layer formed in the compound semiconductor growth step of the method of the first invention is about 10%, which is almost the same as that of the GaAs semiconductor. 5 cm -2 The following small dislocation density was obtained.
[0014]
Further, according to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device, comprising the steps of: forming a buffer layer made of a nitride-based III-V compound semiconductor on a substrate; After a Ga deposition step of depositing a Ga layer thereon, a first compound semiconductor growth step of growing a first nitride III-V compound semiconductor layer on the Ga layer, and after the first compound semiconductor growth step A heat treatment step of performing a heat treatment, and a second compound semiconductor growth step of growing a second nitride III-V compound semiconductor layer after the heat treatment step.
[0015]
In the second invention, Ga is deposited in a Ga deposition step on the buffer layer having dislocations formed on the substrate in the buffer layer formation step, and subsequently, Ga is deposited on the Ga layer in a first compound semiconductor growth step. A first nitride III-V compound semiconductor layer such as GaN is grown. Further, in the heat treatment step, Ga deposited in the Ga deposition step is evaporated from the surface through the dislocation of the nitride-based III-V compound semiconductor layer such as GaN, and thereafter, in the second compound semiconductor growth step, the second A nitride III-V compound semiconductor layer is grown.
[0016]
According to the second aspect, since the heat treatment is performed in the heat treatment step, the Ga in the Ga layer is removed from the first nitride III- until the excess Ga in the Ga layer evaporates from the surface through the dislocation portion. The Ga can be moved toward the group V compound semiconductor layer, and the remaining Ga in the Ga layer can be moved to and stay near the dislocation of the first nitride III-V compound semiconductor layer on the Ga layer. . Therefore, the dislocations in the first nitride III-V compound semiconductor layer can be eliminated by the retained Ga, and the crystallinity of the first nitride III-V compound semiconductor layer is reduced. It can be of good quality. From this, in the second compound semiconductor growth step, the second nitride III-V compound semiconductor layer formed on the high quality first nitride III-V compound semiconductor layer with less dislocations is formed. The number of dislocations is even smaller than the number of dislocations in the first nitride III-V compound semiconductor layer, and the second nitride formed on the first nitride III-V compound semiconductor layer The crystallinity of the system III-V compound semiconductor layer becomes higher than that of the first nitride III-V compound semiconductor layer. Therefore, the electrical characteristics such as the mobility of the nitride III-V compound semiconductor device are improved.
[0017]
In one embodiment, the method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device is characterized in that, in the Ga deposition step, a Ga layer having a thickness of 0.1 nm or more and 10 nm or less is deposited.
[0018]
According to the above embodiment, Ga having a thickness of 0.1 nm or more and 10 nm or less is deposited in the Ga deposition step, so that dislocations of the nitride III-V compound semiconductor on the Ga layer are sufficiently eliminated. As a result, the crystallinity of the nitride III-V compound semiconductor on the Ga layer can be improved.
[0019]
The present inventors changed the thickness of the Ga layer, grew a nitride III-V compound semiconductor thereon, and measured the crystallinity and dislocation density of the nitride III-V compound semiconductor with a transmission electron microscope ( (TEM).
[0020]
At this time, if the thickness of the Ga layer deposited in the Ga deposition step is smaller than 0.1 nm, dislocations of the nitride III-V compound semiconductor on the Ga deposited layer cannot be sufficiently eliminated, Also, when the thickness of Ga deposited in the Ga deposition step is greater than 10 nm, the crystallinity of the nitride III-V compound semiconductor on the Ga layer deteriorated. On the other hand, when the thickness of Ga deposited in the Ga deposition step is 0.1 nm or more and 10 nm or less, dislocation of the nitride III-V compound semiconductor on the Ga layer can be sufficiently eliminated. In addition, the crystallinity of the nitride III-V compound semiconductor on the Ga layer was improved.
[0021]
In a third aspect of the invention, there is provided a method of manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device, comprising the steps of: forming a buffer layer made of a nitride III-V compound semiconductor on a substrate; A compound semiconductor growing step of growing a nitride-based III-V compound semiconductor layer thereon; and implanting ions near the interface between the buffer layer and the nitride-based III-V compound semiconductor layer so that the vicinity of the interface is amorphous. And a heat treatment step of performing a heat treatment after the ion implantation step.
[0022]
According to the third aspect, the buffer layer is formed on the substrate in the buffer layer forming step, and the buffer layer is formed of the nitride III-V compound semiconductor layer, and is grown on the buffer layer in the compound semiconductor growing step. Since ions are implanted in the vicinity of the interface with the nitride-based III-V compound semiconductor layer in the ion implantation step, the vicinity of the interface between the buffer layer and the nitride-based III-V compound semiconductor layer is made amorphous by the ion implantation. Thus, the buffer layer and the nitride III-V compound semiconductor layer can be separated by the amorphous layer existing near the interface. In a heat treatment step to be performed next, heat treatment is performed, so that the nitride III-V compound semiconductor on the amorphous layer formed near the interface between the buffer layer and the nitride III-V compound semiconductor layer is formed. The layer can be recrystallized, and the dislocation density of the recrystallized nitride III-V compound semiconductor layer can be reduced. Therefore, the dislocations of the nitride-based III-V compound semiconductor layer on the buffer layer, which contain many dislocations less than the buffer layer, can be effectively eliminated, and the nitride-based III-V The electrical characteristics of the group III compound semiconductor device can be improved.
[0023]
In one embodiment, the method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device is characterized in that the implanted ions are at least one of C, N, Mg, Al, Zn, Ga and In. Features.
[0024]
According to the above embodiment, the ions to be implanted are p-type with respect to Al, Ga, In, N and the nitride III-V compound semiconductor layers, which are the elements forming the nitride III-V compound semiconductor layer. Since it is limited to at least one of C, Mg, and Zn which are elements serving as impurities, for example, when Si ions serving as n-type impurities are implanted into a nitride-based III-V compound semiconductor layer. In addition, a high-concentration n-type layer is not formed at the interface. For this reason, for example, if a field-effect transistor is manufactured using the method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device of the above-described embodiment, the interface between the buffer layer and the nitride III-V compound semiconductor layer can be improved. Since a high-concentration n-type layer cannot be formed, parallel conduction does not occur between the n-type layer and a channel layer, which is a path through which current flows. From this, it is possible to realize a large current of the nitride III-V compound semiconductor device. The parallel conduction is a phenomenon in which a current flows through two paths of a high-concentration n-type layer existing at an interface between a channel layer and a buffer layer and a nitride III-V compound semiconductor layer due to a two-dimensional electron gas. It is. When this parallel conduction occurs, there arises a problem that the pinch-off of the transistor does not occur sufficiently.
[0025]
In one embodiment, in the method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device, the temperature of the heat treatment step is set to a growth temperature of a nitride-based III-V compound semiconductor layer formed before the heat treatment step. And a temperature lower than a temperature obtained by adding 200 ° C. to the growth temperature.
[0026]
According to the above embodiment, in the heat treatment step, the growth temperature of the nitride-based III-V compound semiconductor layer formed before the heat treatment step is higher than that of the nitride-based III-V compound semiconductor layer before the heat treatment step. Since the heat treatment is performed at a temperature lower than the temperature obtained by adding 200 ° C. to the growth temperature of the −V group compound semiconductor layer, dislocations in the nitride III-V compound semiconductor layer can be reduced and the dislocation density can be reduced.
[0027]
The inventor performed the heat treatment at the same growth temperature as the growth temperature of ± 100 ° C., ± 200 ° C., and + 250 ° C., and evaluated by TEM how the dislocation density and crystallinity changed. . The surface state after the heat treatment was evaluated by a scanning electron microscope (SEM).
[0028]
At this time, when the heat treatment temperature of the heat treatment step is lower than the growth temperature of the nitride III-V compound semiconductor layer formed before the heat treatment step, the deposition of the Ga layer and the heat treatment step In the case where a nitride-based III-V compound semiconductor layer is grown, in this heat treatment step, Ga of the stacked Ga layer is sufficiently diffused into the nitride-based III-V compound semiconductor layer to form a nitride. In the case where dislocations in the system III-V compound semiconductor layer cannot be eliminated and an ion implantation step is performed before the heat treatment step, the nitride-based nitride layer on the generated amorphous layer is formed by implanting ions. The recrystallization of the III-V compound semiconductor layer could not be sufficiently performed, and the dislocations in the nitride III-V compound semiconductor layer could not be sufficiently reduced. On the other hand, when the heat treatment temperature in the heat treatment step becomes higher than the temperature obtained by adding 200 ° C. to the growth temperature of the nitride III-V compound semiconductor layer formed before the heat treatment step, the nitride III-V Evaporation of the group V compound semiconductor layer occurred.
[0029]
A fourth aspect of the present invention is a nitride-based III-V compound semiconductor device in which a nitride-based III-V compound semiconductor layer is formed above a substrate. A part of the nitride-based III-V compound semiconductor layer is characterized in that a stoichiometric ratio of a group III element and a nitrogen element (group III element / nitrogen) is 1 or more and 1.5 or less. .
[0030]
Note that the stoichiometric ratio is a value indicating a quantitative relationship between elements constituting the compound.
[0031]
The present inventor conducted an experiment using Auger electron spectroscopy (AES) to examine how the stoichiometric ratio changes while etching a nitride-based III-V compound semiconductor layer with Ar ions. . Further, the relationship between the stoichiometric ratio and the crystallinity was also evaluated by TEM.
[0032]
As a result, the nitride-based III-V compound semiconductor device manufactured by using the step of depositing Ga and the step of diffusing Ga such as the heat treatment step includes the steps of depositing Ga and performing the heat treatment step. Unlike the nitride-based III-V compound semiconductor device manufactured without using the step of diffusing, a region having a large number of Ga atoms is present, and in the region having a large number of Ga atoms, the number of Ga elements is reduced by a nitrogen element. It was confirmed that the stoichiometric ratio of the group III element to the nitrogen element (group III / nitrogen) became a large value of 1 or more and 1.5 or less.
[0033]
According to the fourth aspect, in a part of the nitride-based III-V compound semiconductor layer on the substrate, the stoichiometric ratio of the group III element to the nitrogen element (group III / nitrogen) is 1 or more and 1. The nitride-based III-V compound semiconductor device having the number of 5 or less is manufactured by using a step of depositing Ga and a step of diffusing Ga such as a heat treatment step. Therefore, the nitride III-V compound semiconductor device according to the fourth aspect of the present invention uses the Ga layer deposited in the step of depositing Ga to form a nitride III-V compound above the Ga layer. Since it is a nitride III-V compound semiconductor device in which Ga is diffused to reduce dislocations in the semiconductor layer, the crystallinity and electrical characteristics of the nitride III-V compound semiconductor device of the fourth invention But it will be excellent.
[0034]
Further, according to a fifth aspect of the present invention, there is provided a nitride-based III-V compound semiconductor device having a nitride-based III-V compound semiconductor layer formed above a substrate. A part of the nitride III-V compound semiconductor device is amorphous.
[0035]
In a nitride-based III-V compound semiconductor device in which dislocation density is reduced by using a process of making a part of a grown layer amorphous, such as an ion implantation process, a nitride-based III-V compound semiconductor device that does not become amorphous Unlike this, an amorphous portion remains in a part of the nitride III-V compound semiconductor device. In the nitride-based III-V compound semiconductor device according to the fifth aspect of the present invention, since a part of the nitride-based III-V compound semiconductor layer on the substrate is amorphous, a growth layer such as an ion implantation step is formed. It is manufactured using a process of partially amorphizing. Therefore, in the fifth nitride III-V compound semiconductor device, for example, after a step of performing amorphization such as an ion implantation step, a layer above the amorphous layer is recrystallized by a heat treatment step or the like. The recrystallized layer has a low dislocation density. From this, the crystallinity and electrical characteristics of the nitride III-V compound semiconductor device of the fifth invention are improved.
[0036]
In one embodiment, at least one of C, Mg, and Zn exists in the amorphous portion, or a stoichiometric ratio of a group III element to nitrogen. (Group III element / nitrogen) has a portion of 1 or more and 1.5 or less in the amorphous portion, or the stoichiometric ratio of nitrogen to the group III element (nitrogen / Group III element) is 1 It is characterized in that a portion not less than 1.5 and not more than 1.5 exists in the amorphous portion.
[0037]
The group III element required for calculating the stoichiometric ratio is assumed to be, for example, Al, Ga, or In.
[0038]
The present inventor conducted an experiment using Auger electron spectroscopy (AES) to examine how the stoichiometric ratio changes while etching a nitride-based III-V compound semiconductor layer with Ar ions. . Further, the relationship between the stoichiometric ratio and the crystallinity was also evaluated by TEM.
[0039]
As a result, when at least one of C, Mg, and Zn is implanted to partially amorphize the growth layer, at least one of C, Mg, and Zn exists in that portion, and nitrogen is implanted. When a part of the growth layer is made amorphous by the above, the stoichiometric ratio of the group III element and nitrogen is biased toward the one having more nitrogen, and the stoichiometric ratio of nitrogen and the group III element (nitrogen / group III) is increased. One or more and 1.5 or less parts were present. When at least one of Al, Ga and In is implanted to partially amorphize the growth layer, the stoichiometric ratio between at least one of Al, Ga and In and nitrogen is changed to Al. , Ga, and In are biased toward the larger one, and a stoichiometric ratio of group III element to nitrogen (group III / nitrogen) is 1 or more and 1.5 or less.
[0040]
According to the above embodiment, at least one of C 2, Mg and Zn is present in the amorphous portion, or the stoichiometric ratio of group III element to nitrogen (group III / nitrogen) is 1 or more and 1. A portion of 5 or less is present in the amorphous portion, or a portion having a stoichiometric ratio of nitrogen to a group III element (nitrogen / group III) of 1 or more and 1.5 or less is present in the amorphous portion. . Therefore, the nitride-based III-V compound semiconductor device according to the above-described embodiment includes at least one of the elements Al, Ga, In, and N forming the nitride-based III-V compound semiconductor layer, or the nitride. It is manufactured using a process of implanting at least one of C, Mg, and Zn ions serving as p-type impurities into the system III-V compound semiconductor layer to make a part of the growth layer amorphous. . For this reason, the nitride III-V compound semiconductor device of this embodiment has a high concentration of n at the interface like a nitride III-V compound semiconductor device into which Si ions serving as n-type impurities are implanted. Since no mold layer is formed and parallel conduction does not occur, a large current can flow through the nitride III-V compound semiconductor device.
[0041]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
[0042]
First, the principle of a method for manufacturing a three-way nitride III-V compound semiconductor device of the present invention will be briefly described with reference to FIGS.
[0043]
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of a method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device according to the first invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating a nitride III-V compound semiconductor according to the second invention. FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of the method for manufacturing the device, and FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of the method for manufacturing the nitride-based III-V compound semiconductor device of the third invention. 1 to 3, dislocations are schematically represented by vertical lines. 1 to 3, illustration of layers below the buffer layer is omitted. FIGS. 1 to 3 and FIGS. 4 to 8 and 10 shown below are schematic views. The film thickness of each layer shown in FIGS. 1 to 8 and 10 is the film thickness of each layer in an actual device. Different from thickness.
[0044]
As shown in FIG. 1A, a method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device according to a first aspect of the present invention provides a method in which Ga is formed on a buffer layer 1 having dislocations formed above a substrate (not shown). After the layer 2 is deposited, a nitrogen source (hereinafter, referred to as an N source) is irradiated from above the Ga layer 2. At this time, the Ga layer 2 is reconstructed by the irradiation of the N source, and recrystallized as the GaN layer 3 shown in FIG. At this time, the GaN layer 3 does not crystallize randomly but recrystallizes in the same structure as the underlayer under the influence of the underlying buffer layer 1, but in the lower layer portion 4 of the GaN layer, Ga atoms undergo dislocation. Since the process ends, the dislocation information of the buffer layer 1 is not transmitted to the upper layer portion 5 of the GaN layer. Accordingly, the dislocation density of the nitride III-V compound semiconductor layer grown on the upper layer 5 of the GaN layer can be reduced, and the crystal structure of the nitride III-V compound semiconductor layer can be reduced. Is excellent in electrical characteristics such as mobility.
[0045]
As shown in FIG. 2A, the method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device according to the second aspect of the present invention includes a method of manufacturing a semiconductor device on a buffer layer 21 having dislocations formed above a substrate (not shown). Then, a nitride-based III-V compound semiconductor layer 23 such as GaN is grown on the Ga layer 22. Next, heat treatment is performed to move Ga in the Ga layer 22 toward the nitride III-V compound semiconductor layer 23 above until excess Ga in the Ga layer 22 evaporates from the surface through the dislocations. As a result, Ga that has not evaporated in the Ga layer 22 remains near dislocations in the nitride III-V compound semiconductor layer 23. Then, dislocations in the nitride III-V compound semiconductor layer 23 such as GaN are annihilated by Ga remaining near dislocations in the nitride III-V compound semiconductor layer 23, as shown in FIG. As described above, the Ga layer 22 and the nitride III-V compound semiconductor layer 23 are made into a high-quality nitride III-V compound semiconductor layer 25 having few dislocations and excellent electric characteristics.
[0046]
As shown in FIG. 3A, the method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device according to the third aspect of the present invention includes the step of forming a buffer layer 31 having dislocations formed above a substrate (not shown). Then, a nitride-based III-V compound semiconductor layer 32 such as GaN containing a smaller number of dislocations than the buffer layer 31 is formed, and then the buffer layer 31 and the nitride-based III-V compound are formed. Ions are implanted near the interface with the semiconductor layer 32 to form an amorphous layer 35 near the interface, as shown in FIG. Next, heat treatment is performed to recrystallize a part of the amorphous layer 35 and the nitride III-V compound semiconductor layer 32 on the amorphous layer 35, and as shown in FIG. The dislocation of the recrystallized layer 37 on the amorphous layer 35 remaining after that is reduced, and the crystallinity of the recrystallized layer 37 is made excellent in electrical characteristics and good.
[0047]
Hereinafter, the first invention will be described in detail in a first embodiment, the second invention will be described in a second embodiment, and the third invention will be described in a third embodiment.
[0048]
(1st Embodiment)
FIG. 4 shows a method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 4 as well, as in FIGS. 1 to 3, dislocations are schematically shown by vertical lines.
[0049]
First, in the substrate oxide film removing step, the substrate temperature of the SiC substrate 41 is raised to about 1000 ° C. to remove the surface oxide film of the SiC substrate 41, and then a buffer layer forming step is performed. In this buffer layer forming step, the growth temperature was 800 ° C., and the Al beam intensity was 2.0 × 10 -7 As shown in FIG. 4A, a 20 nm-thick AlN film was formed on the SiC substrate 41 from which the surface oxide film had been removed by setting the Torr and the RF input power to 200 W and the nitrogen flow rate to 1.4 sccm, respectively. Is formed.
[0050]
Next, a Ga deposition step is performed. In this Ga deposition step, the intensity of the Ga beam was set to 6.0 × 10 -7 By setting the pressure to Torr and irradiating the AlN buffer layer 42 with a Ga beam for 10 seconds, a Ga layer 43 having a thickness of 1 nm is formed on the AlN buffer layer 42 as shown in FIG. 4B. . In FIG. 4, vertical lines drawn in the buffer layer 42, the Ga layer 43, and the like schematically represent dislocations (dangling bonds (line defects)) existing in the buffer layer 42, the Ga layer 43, and the like. It is. In FIG. 4B, the number of vertical lines drawn on the Ga layer 43 is smaller than the number of vertical lines drawn on the buffer layer 42, and the number of vertical lines drawn on the Ga layer 43 is smaller. , A vertical line drawn on the buffer layer 42. This schematically shows that the dislocation generated in the Ga layer 43 is smaller than the dislocation generated in the buffer layer 42 and is generated by being dragged by the dislocation of the buffer layer 42.
[0051]
Subsequently, the crystallization step is performed by setting the RF input power to 300 W, the nitrogen flow rate to 2.0 sccm, and the substrate temperature to about 750 ° C., respectively. In this crystallization step, the Ga layer 43 is crystallized by irradiating the Ga layer 43 with nitrogen from above the Ga layer 43 shown in FIG.
[0052]
As a result, before the crystallization step, the Ga layer indicated by reference numeral 43 in FIG. 4B is replaced with the lower layer portion 44 of the GaN layer after the crystallization step, as shown in FIG. , The upper layer 45 of the GaN layer. Since the crystallization was performed by irradiating the N source in the crystallization step, the number of dislocations in the lower portion 44 of the GaN layer was reduced (four in the Ga layer 43 in FIG. 4B). The number of dislocations is reduced to two in the lower layer portion 44 of the GaN layer shown in FIG. 4C, which is schematically illustrated). The crystal structure having a smaller number of dislocations than the number of dislocations in the portion 44 becomes an excellent layer (dislocations are set to 0 in the upper layer portion 45 of the GaN layer shown in FIG. 4C, which is schematically shown). After the crystallization step, the stoichiometric ratio of Ga element and nitrogen element (Ga element / nitrogen element) in the lower layer portion 44 of the GaN layer and the upper layer portion 45 of the GaN layer is set to a value of 1 or more and 1.5 or less. Has become.
[0053]
Finally, a compound semiconductor growth step is performed. In this compound semiconductor growth step, the substrate temperature was 750 ° C., and the Ga beam intensity was 6.0 × 10 -7 Torr, the RF input power was set to 450 W, the nitrogen flow rate was set to 2.2 sccm, and the upper layer portion 45 of the GaN layer was irradiated with a Ga beam and nitrogen, as shown in FIG. The GaN layer 46 having a thickness of 2 μm is formed on the upper layer part 45, and the manufacture of the main part of the nitride III-V compound semiconductor device of the first embodiment of the present invention is completed.
[0054]
A nitride-based III-V compound semiconductor device having a GaN layer is manufactured using the method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device of the first embodiment. Using the molecular beam epitaxy method (RF-MBE method), a nitride-based III-V compound semiconductor device in which a GaN layer was directly grown on a buffer layer was prepared. An experiment was conducted to compare the electrical characteristics and dislocation density of the GaN layer of the -V compound semiconductor device.
[0055]
As a result of the experiment, when GaN was grown by a normal method, the dislocation density of GaN was 2 × 10 10 cm -2 Value before and after and the carrier concentration is 1 × 10 19 cm -3 The mobility is 98cm 2 / Vs. Further, the carrier concentration is 1 × 10 16 cm -3 The mobility is 30cm 2 / Vs.
[0056]
On the other hand, when the GaN layer is grown by the method of the first embodiment, the dislocation density of the GaN layer is 3 × 10 4 cm -2 The value is about 2 × 10 when GaN is grown by the usual method. 10 cm -2 The value was significantly smaller than the values before and after, and the crystal structure of the GaN layer was excellent in crystallinity. When a GaN layer is grown by the method of the first embodiment, the carrier concentration is 1 × 10 19 cm -3 The mobility of the GaN layer is 100 cm 2 / Vs, the GaN layer shows electrical characteristics equivalent to those of the GaN layer formed by the usual method, while the carrier concentration is 1 × 10 16 cm -3 In the case of, the mobility is 1500 cm 2 / Vs, which is a very large value, and the electrical characteristics of the GaN layer formed by the method of the first embodiment are far superior to those of the GaN layer formed by the normal method.
[0057]
According to the method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device of the first embodiment, the AlN buffer layer 42 having dislocations formed on the SiC substrate 41 in the buffer layer forming step has a Ga After the layer 43 is deposited and the surface of the Ga layer 43 is irradiated with an N source in the crystallization step to crystallize the Ga layer 43, the buffer layer 42 is irradiated after the crystallization step of irradiating the N source. The crystal structure of the lower layer portion 44 of the GaN layer formed thereon has a high-quality crystal structure in which dislocations (dangling bonds (line defects)) have disappeared. Therefore, since the GaN crystal structure of the lower layer portion 44 of the GaN layer has a high quality with dangling bonds eliminated, the information of the dangling bonds of the buffer layer 42 reaches the upper layer portion 45 of the GaN layer. Thus, it is possible to prevent the dislocation information from reaching, and to transmit only information other than the dislocation information of the underlying buffer layer 42 to the upper layer portion 45 of the GaN layer. That is, the crystal structure of the upper layer portion 45 of the GaN layer can be made substantially the same as the crystal structure of the buffer layer 42 having no dislocation. Therefore, in the compound semiconductor growing step, the GaN layer 46 having a low dislocation density can be formed on the upper layer portion 45 of the high-quality GaN layer having a small number of dislocations. The electrical characteristics such as mobility of the nitride-based III-V compound semiconductor device formed by using the method for manufacturing a group V compound semiconductor device can be improved.
[0058]
Further, according to the method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device of the first embodiment, the thickness of the Ga layer 43 deposited in the Ga deposition step is set to 1 nm. Dislocations in the GaN layer 46 can be sufficiently eliminated, and the crystallinity of the GaN layer 46 on the Ga layer 43 can be improved.
[0059]
In the first embodiment, the SiC substrate 41 is used, but a substrate other than the SiC substrate such as a sapphire substrate or a Si substrate may be used instead of the SiC substrate.
[0060]
In the first embodiment, the AlN buffer layer 42 is grown on the SiC substrate 41. However, the present invention is not limited to the AlN buffer layer. A buffer layer of a group V compound semiconductor may be grown.
[0061]
In the first embodiment, the GaN layer 46 is grown on the upper portion 45 of the crystallized GaN layer in the compound semiconductor growth step. However, in the compound semiconductor growth step, the GaN layer is not limited to the GaN layer. A nitride III-V compound semiconductor layer such as an AlN layer or an InN layer may be grown on the upper layer of the GaN layer.
[0062]
In the first embodiment, the Ga layer 43 having a thickness of 1 nm is formed on the AlN buffer layer 42 in the Ga deposition step. However, in the Ga deposition step, a buffer of a nitride III-V compound semiconductor is formed. A Ga layer having a thickness of 0.1 nm or more and 10 nm or less may be formed over the layer. Note that even when a Ga layer having a thickness of 0.1 nm or more and 10 nm or less is formed on a buffer layer of a nitride III-V compound semiconductor, the Ga layer 43 having a thickness of 1 nm is formed. As in the case of the formation, the dislocation of the nitride III-V compound semiconductor on the Ga layer can be sufficiently eliminated, and the crystallinity of the nitride III-V compound semiconductor on the Ga layer can be improved. It can be something.
[0063]
(2nd Embodiment)
FIGS. 5 and 6 show a method of manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. In FIGS. 5 and 6, similarly to FIG. 4, dislocations are schematically shown by vertical lines.
[0064]
First, in the substrate oxide film removing step, the substrate temperature of the SiC substrate 51 is raised to 1000 ° C. to remove the surface oxide film of the SiC substrate 51, and then a buffer layer forming step is performed. In this buffer layer forming step, the growth temperature was 800 ° C., and the Al beam intensity was 2.0 × 10 -7 As shown in FIG. 5A, a 20 nm thick AlN film was formed on the SiC substrate 51 from which the surface oxide film had been removed, by setting the Torr and the RF input power to 200 W and the nitrogen flow rate to 1.4 sccm, respectively. Of the buffer layer 52 is formed.
[0065]
Next, a Ga deposition step is performed. In this Ga deposition step, the intensity of the Ga beam was set to 6.0 × 10 -7 By setting the pressure to Torr and irradiating the AlN buffer layer 52 with this Ga beam for 10 seconds, a Ga layer 53 having a thickness of 1 nm is formed on the AlN buffer layer 52 as shown in FIG. I do.
[0066]
Subsequently, a first compound semiconductor growth step is performed. In the first compound semiconductor growth step, the substrate temperature was set to 750 ° C., and the Ga beam intensity was set to 6.0 × 10 -7 By setting the Torr and the RF input power to 450 W and the nitrogen flow rate to 2.2 sccm, a GaN layer 54 having a thickness of 20 nm is formed on the Ga layer 53 as shown in FIG.
[0067]
Next, a heat treatment step is performed by raising the substrate temperature to 800 ° C. In this heat treatment step, the Ga deposited in the Ga deposition step is moved to the dislocation portion of the GaN layer 54 via the dislocation of the GaN layer 54 shown in FIG. Evaporate from the surface of 54. At this time, of the Ga deposited in the Ga deposition step, Ga not evaporated from the surface remains near the dislocation portion of the GaN layer 54 shown in FIG. The Ga remaining near the dislocation portion of the GaN layer 54 shown in FIG. 5C eliminates the dislocation of the GaN layer 54 shown in FIG. 5C, and the GaN layer 54 shown in FIG. , A high quality GaN layer 55 having few dislocations as shown in FIG. In the above-described heat treatment step, Ga deposited in the Ga deposition step is moved to the GaN layer 54, so that the Ga layer 53 disappears after the heat treatment step. After the heat treatment step, the stoichiometric ratio (Ga element / nitrogen element) of the Ga element and the nitrogen element of the high-quality GaN layer 55 having a small number of dislocations is 1 or more and 1.5 or less.
[0068]
Finally, a second compound semiconductor growth step is performed. In the second compound semiconductor growth step, the substrate temperature was set to 750 ° C., and the Ga beam intensity was set to 6.0 × 10 6 -7 As shown in FIG. 6B, the GaN layer 56 having a thickness of 2 μm was formed on the high-quality GaN layer 55 having a small number of dislocations by setting the Torr and the RF input power to 450 W and the nitrogen flow rate to 2.2 sccm. After the growth, the manufacture of the main part of the nitride III-V compound semiconductor device of the second embodiment is completed.
[0069]
Electrical characteristics and dislocation density of the GaN layer 56 of the main part of the nitride III-V compound semiconductor device manufactured by using the method of manufacturing the nitride III-V compound semiconductor device of the second embodiment; An experiment was performed to compare the electrical characteristics and dislocation density of a GaN layer directly grown on a buffer layer using a molecular beam epitaxy method (RF-MBE method) using ordinary plasma-excited nitrogen.
[0070]
As a result of the experiment, when the GaN layer 56 was grown by the method of the second embodiment, the dislocation density of the GaN 56 was 2 × 10 4 cm -2 2 × 10, which is the value of the dislocation density when GaN is grown by a normal method. 10 cm -2 Significantly smaller than before and after.
[0071]
When the GaN layer 56 is grown by the method of the second embodiment, the carrier concentration of the GaN layer 56 is 1 × 10 19 cm -3 The mobility of the GaN layer 56 is 95 cm 2 / Vs, the electrical characteristics of the GaN layer 56 are substantially the same as the electrical characteristics of the GaN layer formed by the usual method, while the carrier concentration of the GaN layer 56 is 1 × 10 16 cm -3 The mobility of the GaN layer 56 is 1450 cm 2 / Vs, which is a very large value, and the electrical characteristics of the GaN layer 56 are far superior to those of the GaN layer formed by the usual method.
[0072]
According to the second embodiment, since the heat treatment is performed in the heat treatment step, a part of Ga of the Ga deposition layer can be evaporated from the surface through the dislocation part of the GaN layer 54 shown in FIG. 5C. At the same time, the remaining Ga in the Ga layer is moved to the vicinity of the dislocation of the GaN layer 54 shown in FIG. 5C, so that the dislocation of the GaN layer 54 shown in FIG. 5C can be eliminated. In other words, the GaN layer 54 having many dislocations shown in FIG. 5C can be reconstructed into the high-quality GaN layer 55 having few dislocations shown in FIG. 6A. The crystallinity of the GaN layer 56 formed on the high-quality GaN layer 55 can be made high-quality with few dislocations. Therefore, the electrical characteristics such as the mobility of the nitride III-V compound semiconductor device can be improved.
[0073]
Further, according to the second embodiment, the thickness of the Ga layer 53 deposited in the Ga deposition step is set to 1 nm, so that the dislocation of the GaN layer 56 above the Ga layer 53 can be sufficiently eliminated. In addition, the crystal quality of the GaN layer 56 above the Ga layer 53 can be improved.
[0074]
According to the second embodiment, in the heat treatment step, the temperature is higher than 750 ° C., which is the substrate temperature in the first compound semiconductor growth step, and 200 ° C., which is 750 ° C., which is the substrate temperature in the first compound semiconductor growth step. Since the heat treatment is performed at 800 ° C., which is lower than 950 ° C., which is the temperature at which the GaN layer 54 is added, Ga can be sufficiently diffused without evaporating the GaN layer 54, and the GaN layer 54 can be Can do enough. Therefore, dislocations in the GaN layer 54 that have undergone the heat treatment can be sufficiently reduced, and the dislocation density in the GaN layer 54 can be significantly reduced.
[0075]
Although the SiC substrate 51 is used in the second embodiment, a substrate other than the SiC substrate such as a sapphire substrate or a Si substrate may be used instead of the SiC substrate 51.
[0076]
In the second embodiment, the AlN buffer layer 52 is grown on the SiC substrate 51. However, the present invention is not limited to the AlN buffer layer, and a nitride-based buffer layer such as a GaN buffer layer or an InN buffer layer may be formed on the substrate. A buffer layer of a III-V compound semiconductor may be grown.
[0077]
In the above-described second embodiment, the GaN layer 56 is grown after the heat treatment step. However, the present invention is not limited to the GaN layer. Layers may be grown.
[0078]
In the second embodiment, the Ga layer 53 having a thickness of 1 nm is formed on the AlN buffer layer 52 in the Ga deposition step. However, in the Ga deposition step, a buffer of a nitride III-V compound semiconductor is formed. A Ga layer having a thickness of 0.1 nm or more and 10 nm or less may be formed over the layer. Then, even when a Ga layer having a thickness of 0.1 nm or more and 10 nm or less is formed on the buffer layer of a nitride III-V compound semiconductor, the Ga layer 53 having a thickness of 1 nm is formed. As in the case of the formation, the dislocation of the nitride III-V compound semiconductor on the Ga layer can be sufficiently eliminated, and the crystallinity of the nitride III-V compound semiconductor on the Ga layer can be improved. It can be something.
[0079]
In the second embodiment, the heat treatment process is performed by increasing the substrate temperature to 800 ° C., but is higher than 750 ° C., which is the substrate temperature in the first compound semiconductor growth process, and the first compound semiconductor growth process is performed. Even if the heat treatment process is performed by setting the substrate temperature to a temperature smaller than 950 ° C. obtained by adding 200 ° C. to 750 ° C. which is the same as the case where the heat treatment process is performed by increasing the substrate temperature to 800 ° C. It has been confirmed that it has an effect. If the heat treatment step is performed with the substrate temperature set to 950 ° C. or higher, the GaN layer 54 evaporates, and the quality of the nitride III-V compound semiconductor device deteriorates. If the heat treatment step is performed while setting the substrate temperature to the following temperature, Ga cannot be sufficiently diffused.
[0080]
(Third embodiment)
7 and 8 show a method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. In FIGS. 7 and 8, dislocations are schematically shown by vertical lines as in FIGS. 4, 5 and 6. FIG.
[0081]
First, in the substrate oxide film removing step, the substrate temperature of the SiC substrate 71 is raised to 1000 ° C. to remove the surface oxide film of the SiC substrate 71, and then a buffer layer forming step is performed. In this buffer layer forming step, the growth temperature was 800 ° C., and the Al beam intensity was 2.0 × 10 -7 With the Torr and RF input power set to 200 W and the nitrogen flow rate set to 1.4 sccm, respectively, an AlN buffer layer 72 having a thickness of 20 nm is formed on the SiC substrate 71 as shown in FIG.
[0082]
Next, a compound semiconductor growth step is performed. In this compound semiconductor growth step, the substrate temperature was 750 ° C., and the Ga beam intensity was 6.0 × 10 -7 By setting the Torr and the RF input power to 450 W and the nitrogen flow rate to 2.2 sccm, a GaN layer 73 having a thickness of 20 nm is grown on the AlN buffer layer 72 as shown in FIG. 7B.
[0083]
Subsequently, an ion implantation step is performed. In this ion implantation step, Ga is used as ion implantation atoms, the acceleration voltage of the Ga ions is 20 keV, and the implantation amount of the Ga ions is 1 × 10 18 cm -3 In the vicinity of the interface between the AlN buffer layer 72 and the GaN layer 73, Ga ions are implanted near the interface between the AlN buffer layer 72 and the GaN layer 73, as shown in FIG. The layer 74 is formed, and the AlN buffer layer 72 and the GaN layer 73 are separated by the amorphous layer 74.
[0084]
Next, a heat treatment step is performed. In this heat treatment step, the GaN layer 73 on the amorphous layer 74 shown in FIG. 7 (C) is recrystallized by raising the substrate temperature to 800 ° C. and performing heat treatment as shown in FIG. 8 (A). Next, a GaN layer 75 having few dislocations is formed. After performing this heat treatment step, the thickness of the amorphous layer 74 formed by implanting Ga ions becomes small as shown in FIG. In the remaining amorphous layer 74 shown in FIG. 8A, the stoichiometric ratio of Ga element and nitrogen (Ga element / nitrogen) is 1 or more and 1.5 or less.
[0085]
Finally, a second compound growth step is performed. In this second compound growth step, the substrate temperature was set to 750 ° C., and the Ga beam intensity was set to 6.0 × 10 -7 By setting the Torr and the RF input power to 450 W and the nitrogen flow rate to 2.2 sccm, a GaN layer 76 having a thickness of 2 μm is grown on the GaN layer 75 having few dislocations as shown in FIG. 8B. . Thus, the manufacture of the main part of the nitride III-V compound semiconductor device of the third embodiment is completed.
[0086]
Electrical characteristics and dislocation density of the GaN layer 76 of the main part of the nitride III-V compound semiconductor device manufactured by using the method of manufacturing the nitride III-V compound semiconductor device of the third embodiment; An experiment was performed to compare the electrical characteristics and dislocation density of a GaN layer directly grown on a buffer layer using a molecular beam epitaxy method (RF-MBE method) using ordinary plasma-excited nitrogen.
[0087]
As a result of the above experiment, when GaN was grown by the method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device of the third embodiment, the dislocation density of GaN was 4 × 10 4 cm -2 The value is about 2 × 10 when GaN is grown by the usual method. 10 cm -2 Significantly smaller than before and after.
[0088]
When the GaN layer 76 is grown by the method of the third embodiment, the carrier concentration of the GaN layer 76 is 1 × 10 19 cm -3 The mobility of the GaN layer 76 is 10 3 cm 2 / Vs, the electrical characteristics of the GaN layer 76 show almost the same electrical characteristics as those of the GaN layer formed by the usual method, while the carrier concentration of the GaN layer 76 is 1 × 10 16 cm -3 The mobility of the GaN layer 76 is 1480 cm 2 / Vs, which is a very large value, and the electrical characteristics of the GaN layer 76 are far superior to those of the GaN layer formed by the usual method.
[0089]
According to the third embodiment, the buffer layer 72 made of AlN formed on the SiC substrate 71 in the buffer layer forming step and the GaN layer 73 grown on the AlN buffer layer 72 in the compound semiconductor growing step In the ion implantation step, Ga ions are implanted in the vicinity of the interface between the AlN buffer layer 72 and the GaN layer 73, so that an amorphous layer 74 can be formed near the interface between the AlN buffer layer 72 and the GaN layer 73. By separating, the dislocation information of the AlN buffer layer 72 can be prevented from being transmitted to the GaN layer 73. In a heat treatment performed next, the GaN layer 73 on the amorphous layer 74 is recrystallized by performing heat treatment, and the GaN layer 73 having a large number of dislocations shown in FIG. The GaN layer 75 having few dislocations shown in FIG. Therefore, the GaN layer 76 having good crystallinity can be formed on the GaN layer 75 having a small number of dislocations, and the nitride-based GaN layer 76 formed using the main part of the nitride-based III-V compound semiconductor device of the third embodiment can be formed. The electrical characteristics of the group III-V compound semiconductor device can be improved.
[0090]
According to the third embodiment, Ga ions are implanted near the interface between the AlN buffer layer 72 and the GaN layer 73 in the ion implantation step, so that the Ga ion is implanted near the interface between the AlN buffer layer and the GaN layer. As in the case where Si ions are implanted, a high-concentration n-type layer is not formed near the interface. Therefore, for example, even when a field-effect transistor is manufactured using the method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device of the third embodiment, a high-density impurity exists at the interface between the AlN buffer layer 72 and the GaN layer 73. No n-type layer is formed, and the n-type layer does not cause parallel conduction with the channel layer, which is a path through which current flows. From this, it is possible to realize a large current of the nitride III-V compound semiconductor device manufactured by using the method of manufacturing the nitride III-V compound semiconductor device of the third embodiment.
[0091]
According to the third embodiment, in the heat treatment step, 200 ° C. is set to be higher than 750 ° C., which is the substrate temperature in the first compound semiconductor growth step, and to 750 ° C., which is the substrate temperature in the first compound semiconductor growth step. Since the heat treatment is performed at 800 ° C. lower than the added 950 ° C., the GaN layer 73 on the amorphous layer 74 can be sufficiently recrystallized without re-evaporation of the GaN layer 73, and The dislocation density of the GaN layer 75 formed by crystallization can be reduced. Therefore, the crystallinity of the GaN layer 76 formed on the GaN layer 75 can be further improved.
[0092]
Although the SiC substrate 71 is used in the third embodiment, a substrate other than the SiC substrate such as a sapphire substrate or a Si substrate may be used instead of the SiC substrate 71.
[0093]
In the third embodiment, the AlN buffer layer 72 is grown on the SiC substrate 71. However, the present invention is not limited to the AlN buffer layer, and a nitride-based buffer layer such as a GaN buffer layer or an InN buffer layer may be formed on the substrate. A buffer layer of a III-V compound semiconductor may be grown.
[0094]
Further, in the third embodiment, the GaN layer 73 is grown on the AlN buffer layer 72 in the compound semiconductor growth step. However, the present invention is not limited to the GaN layer. A nitride III-V compound semiconductor layer such as an AlN layer or an InN layer may be grown on the buffer layer of the -V compound semiconductor.
[0095]
In the third embodiment, in the ion implantation step, Ga ions are implanted near the interface between the AlN buffer layer 72 and the GaN layer 73 to form the amorphous layer 74, but instead of Ga ions, Even if one of C ions, N ions, Mg ions, Al ions, Zn ions, and In ions is implanted, the same effect as when Ga ions are implanted can be obtained. In addition, even if any two or more of C ions, N ions, Mg ions, Al ions, Zn ions, Ga ions, and In ions are implanted, the same effect as when Ga ions are implanted can be obtained.
[0096]
Further, in the third embodiment, the heat treatment step is performed by raising the substrate temperature to 800 ° C., but the substrate temperature used in the heat treatment step is not limited to 800 ° C. The substrate temperature is higher than 750 ° C., which is the growth temperature of AlN, and lower than 950 ° C., which is the temperature obtained by adding 200 ° C. to 750 ° C., which is the growth temperature of AlN. It may be. It has been confirmed that when the heat treatment step is performed at a substrate temperature in this range, the same operation and effect as when the heat treatment step is performed with the substrate temperature raised to 800 ° C. are exhibited. If the heat treatment step is performed with the substrate temperature set to 950 ° C. or higher, the GaN layer 73 evaporates, and the quality of the nitride-based III-V compound semiconductor device deteriorates. If the heat treatment step is performed with the substrate temperature set to the following temperature, the GaN layer 73 cannot be sufficiently recrystallized.
[0097]
Table 1 shows a method for manufacturing a normal nitride-based III-V compound semiconductor device and a method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device according to the first, second, and third embodiments. The dislocation density of the uppermost GaN layer and the carrier concentration of 1 × 10 3 in the main part of the three nitride-based III-V compound semiconductor devices 19 cm -3 And the carrier concentration of the GaN layer is 1 × 10 16 cm -3 5 shows the mobility of the GaN layer at the time.
[0098]
[Table 1]
Figure 2004296636
[0099]
As shown in Table 1, 1 × 10 19 cm -3 High carrier concentration, the mobility of the GaN layer is approximately 100 cm regardless of the method of forming the nitride-based III-V compound semiconductor device. 2 / Vs, and there is no difference in the electrical characteristics of the GaN layer between the four methods. On the other hand, 1 × 10 16 cm -3 In the case of the low carrier concentration, the mobility of the GaN layer manufactured by the usual method and the GaN layer manufactured by the other three methods (that is, the methods of the first, second, and third embodiments of the present invention). There is a significant difference between the mobility of the layers.
[0100]
FIG. 9 shows a method of manufacturing a normal nitride-based III-V compound semiconductor device and a method of manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device according to the first, second, and third embodiments. The relationship between the carrier concentration and the mobility of the GaN layer of the nitride-based III-V compound semiconductor device is shown.
[0101]
The circles shown in FIG. 9 are measurement points when a normal method of manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device is used, and the results in Table 1 are plotted. On the other hand, square marks shown in FIG. 9 are measurement points when the method of manufacturing the nitride-based III-V compound semiconductor device of the first, second, and third embodiments is used, and the results in Table 1 are plotted. (The scale of FIG. 9 does not show the difference between the first, second, and third embodiments, and the three embodiments point to the same points on the drawing).
[0102]
As shown in FIG. 9, the carrier concentration is 1 × 10 17.3 cm -3 In the above regions, the mobility for the same carrier concentration is equal in the four methods, and it can be seen that the mobility increases as the carrier concentration decreases.
[0103]
On the other hand, the carrier concentration decreased to 1 × 10 17.3 cm -3 , It can be seen that the mobility of the normal method and the mobility of the methods of the three embodiments of the present invention diverge, as shown in FIG. Specifically, the carrier concentration is 1 × 10 Fifteen cm -3 1 x 10 17.3 cm -3 In the region below, the mobility decreases as the carrier concentration decreases in the usual method, whereas the mobility increases in the three methods of the present invention as the carrier concentration decreases. . That is, it can be seen that there is a great difference in the behavior of the mobility between the normal method and the three methods of the present invention.
[0104]
This is because, as shown in the following equation (1), the mobility μ of the GaN layer becomes 1.5 times the carrier concentration n and the dislocation density N. disl. Is determined by
[0105]
(Equation 1)
Figure 2004296636
[0106]
Specifically, when the carrier concentration is high, the value of the carrier concentration n to the 1.5th power is large. Therefore, the mobility μ of GaN is mainly 1.5% of the carrier concentration n according to the above equation (1). It is determined by a factor of the power. This means that if the carrier concentration increases, collisions between carriers frequently occur, and the mobility μ is determined by carrier-carrier scattering. That is, the carrier concentration is 1 × 10 19 cm -3 , The mobility μ is substantially determined only by the value of n to the 1.5th power, and the dislocation density N disl Less susceptible to This is because the carrier concentration is 1 × 10 19 cm -3 And the mobility μ is 100 cm in any method. 2 / Vs.
[0107]
On the other hand, when the carrier concentration is 1 × 10 16 cm -3 , The value of the numerator in equation (1) becomes small, and the mobility μ becomes smaller than the dislocation density N. disl Will be greatly affected. This is because the carrier concentration is 1 × 10 16 cm -3 In the normal growth method with many dislocations, the mobility is 30 cm. 2 / Vs while the method of the present invention having few dislocations has a mobility of 1500 cm. 2 The reason is that the value becomes as large as about / Vs. In other words, unlike the normal growth method, the GaN layer formed by the method of the present invention has a carrier concentration of 10%. 12 cm -3 The dislocations do not enter the region where the dislocations are dominant until they are below the level. That is, by using the method of the present invention, a GaN layer having few dislocations can be formed, and thus a large mobility μ can be obtained even in a region where the carrier concentration is low.
[0108]
FIG. 10 shows a structure of a HEMT (high electron mobility transistor) as an example of a nitride III-V compound semiconductor device.
[0109]
In FIG. 10, 101 is the (0001) plane of the sapphire substrate, 102 is a 20-nm-thick GaN buffer layer grown at a low temperature, and 103 is a GaN layer (background carrier concentration of 10 nm). 16 cm -3 Hereinafter, the film thickness is 3 μm), 104 is Al 0.25 Ga 0.75 An N layer (thickness: 30 nm), 105 is a Hf (hafnium) source / drain electrode, and 106 is a Pd (palladium) gate electrode.
[0110]
Next, a HEMT (High Electron Mobility Transistor) having the layer structure shown in FIG. 10 is formed by the usual method using the MOCVD method and the first, second and third embodiments using the MOCVD method. Heterostructure characteristics and HEMT characteristics of the four HEMTs were compared.
[0111]
Hereinafter, only the main points of the four HEMT manufacturing methods will be briefly described.
[0112]
First, in a normal case, first, the substrate temperature of the sapphire substrate is set to 1100 ° C. in a hydrogen atmosphere, and cleaning for removing an oxide film of the sapphire substrate is performed for 10 minutes. , Ga raw material flow rate (trimethylgallium TMG) flow rate is 10 sccm, HN 3 Is set to 5 slm, and the GaN buffer layer is grown.
[0113]
Next, the GaN layer was grown by setting the substrate temperature to 1000 ° C. and the flow rate of the Ga raw material (trimethylgallium TMG) to 40 sccm, and then setting the substrate temperature to 1000 ° C., the trimethylaluminum (TMA) flow rate to 5 sccm, and Flow rate 25 sccm, NH 3 The flow rate of each of them to 6 slm 0.25 Ga 0.75 Grow the N layer.
[0114]
Finally, Al 0.25 Ga 0.75 A HEMT is manufactured by forming an Hf (hafnium) source / drain electrode and a Pd (palladium) gate electrode on the N layer.
[0115]
Next, in the method of the first embodiment of the present invention, after growing the GaN buffer layer, only TMG is allowed to flow to deposit Ga, and NH is used as a nitrogen source while increasing the temperature. 3 To crystallize Ga.
[0116]
In the method according to the second embodiment of the present invention, after depositing Ga by flowing only TEG after the growth of the buffer layer, the growth temperature is subsequently set to 500 ° C. to form a GaN layer of about 20 nm. Thereafter, the substrate temperature is increased to grow GaN, and after the growth is interrupted, the substrate temperature is increased to 1050 ° C. and heat treatment is performed for 1 minute, and subsequently, a hetero structure is grown at 1000 ° C.
[0117]
Finally, in the method according to the third embodiment of the present invention, after growing the GaN layer after growing the low-temperature buffer layer, ion implantation is performed. Thereafter, a heat treatment is performed at 1050 ° C. for 1 minute, and a heterostructure is formed at 1000 ° C. following the heat treatment.
[0118]
In the above four methods, a HEMT having a gate length Lg of 0.1 μm and a gate width Wg of 200 μm was manufactured.
[0119]
Table 2 shows the characteristic comparison results of the conventional method and the four HEMTs manufactured by the methods of the first, second and third embodiments.
[0120]
[Table 2]
Figure 2004296636
[0121]
In Table 2, the DC / RF dispersion ratio is the rate of change between the characteristics when a direct current is applied and the characteristics when a high frequency is applied. If this value is small, the HEMT characteristics will be excellent for high frequency applications.
[0122]
As shown in Table 2, although the dislocation density differs between the ordinary method and the method of the present invention (methods of the first, second and third embodiments) by about two orders of magnitude, it shows the electrical characteristics of the heterostructure. Mobility, HEMT characteristics, transconductance g m And the maximum transmission frequency f max No big difference is seen. However, since the dislocation density acting as a trap becomes small, the DC / RF dispersion rate of the method of the present invention (the method of the first, second and third embodiments) is 30% lower than that of the ordinary method. From 10% to 10% or less, and the HEMT characteristics are greatly improved.
[0123]
In forming the above HEMT, each layer was grown by MOCVD. However, it was confirmed that the same improvement as in MOCVD was also observed in a crystal growth method using a molecular beam ectopic device other than the RF-MBE method. (In the growth method using the RF-MBE method, it has been confirmed that the mobility is extremely small due to the large number of dislocations and sufficient HEMT characteristics cannot be obtained.)
[0124]
【The invention's effect】
As is clear from the above, according to the method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device of the first, second, and third inventions, the upper part of the buffer layer made of the nitride-based III-V compound semiconductor is formed. Can reduce dislocations in the nitride-based III-V compound semiconductor layer and improve the electrical characteristics such as mobility of the nitride-based III-V compound semiconductor layer above the buffer layer. it can. Therefore, the electrical characteristics such as mobility and high frequency characteristics of a nitride III-V compound semiconductor device such as an HFET having a nitride III-V compound semiconductor layer having a small dislocation and excellent electrical characteristics are improved. It can be excellent.
[0125]
Further, in the nitride-based III-V compound semiconductor device of the fourth invention, Ga is diffused using the Ga layer deposited in the step of depositing Ga, and the nitride layer formed above the Ga layer is diffused. Since the nitride-based III-V compound semiconductor device has reduced dislocations in the compound-based III-V compound semiconductor layer, the crystallinity and electrical characteristics are excellent.
[0126]
In the nitride-based III-V compound semiconductor device according to the fifth aspect of the present invention, for example, after a step of performing amorphization such as an ion implantation step, a layer above the amorphous layer is regenerated by a heat treatment step or the like. Since the device is a crystallized device, the dislocation density of the recrystallized layer of the nitride-based III-V compound semiconductor device of the fifth invention is small, and the electrical characteristics are excellent.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the principle of the manufacturing process of the method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device according to the first invention.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the principle of the manufacturing process of the method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device according to the second invention.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the principle of the manufacturing process of the method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device according to the third invention.
FIG. 4 is a view showing a manufacturing process of a method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view illustrating a part of a manufacturing process of a method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a view illustrating a part of the manufacturing process of the method for manufacturing the nitride-based III-V compound semiconductor device continued from FIG. 5;
FIG. 7 is a view showing a part of a manufacturing process of a method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
8 is a view showing a part of the manufacturing process of the method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device following FIG. 7;
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between carrier concentration and mobility of a nitride III-V compound semiconductor device.
FIG. 10 is a diagram illustrating a structure of a HEMT (high electron mobility transistor) as an example of a nitride III-V compound semiconductor device.
[Explanation of symbols]
1,21,31 Buffer layer
2,22,43,53 Ga layer
3,46,54,55,56,73,75,76,103 GaN layer
Lower layer of 4,44 GaN layer
Upper layer of 5,55 GaN layer
23,25,32 Nitride III-V compound semiconductor layers
35,74 Amorphous layer
41, 51, 71 SiC substrate
42, 52, 72 AlN buffer layer
101 Sapphire substrate
102 GaN buffer layer
104 AlGaN layer
105 source / drain electrodes
106 Gate electrode

Claims (9)

基板上に窒化物系III−V族化合物半導体からなるバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
上記バッファ層上にGa層を堆積させるGa堆積工程と、
上記Ga堆積工程で堆積されたGa層の表面に、窒素源を照射してGaN層として結晶化する結晶化工程と、
上記結晶化しているGaN層上に窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる化合物半導体成長工程とを有することを特徴とする窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法。
A buffer layer forming step of forming a buffer layer made of a nitride III-V compound semiconductor on a substrate;
A Ga deposition step of depositing a Ga layer on the buffer layer;
A crystallization step of irradiating the surface of the Ga layer deposited in the Ga deposition step with a nitrogen source to crystallize it as a GaN layer;
A method for growing a nitride-based III-V compound semiconductor layer on the crystallized GaN layer. A method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device, comprising:
基板上に窒化物系III−V族化合物半導体からなるバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
上記バッファ層上にGa層を堆積させるGa堆積工程と、
上記Ga層上に第1の窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる第1化合物半導体成長工程と、
上記第1化合物半導体成長工程の後に、熱処理を行う熱処理工程と、
上記熱処理工程の後に、第2の窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる第2化合物半導体成長工程とを有することを特徴とする窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法。
A buffer layer forming step of forming a buffer layer made of a nitride III-V compound semiconductor on a substrate;
A Ga deposition step of depositing a Ga layer on the buffer layer;
A first compound semiconductor growing step of growing a first nitride III-V compound semiconductor layer on the Ga layer;
A heat treatment step of performing a heat treatment after the first compound semiconductor growth step;
A second compound semiconductor growing step of growing a second nitride III-V compound semiconductor layer after the heat treatment step. A method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device, comprising:
請求項1または2に記載の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法において、
上記Ga堆積工程では、0.1nm以上かつ10nm以下の厚さを有するGa層を堆積させることを特徴とする窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device according to claim 1 or 2,
The method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device, wherein a Ga layer having a thickness of 0.1 nm or more and 10 nm or less is deposited in the Ga deposition step.
基板上に窒化物系III−V族化合物半導体からなるバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
上記バッファ層上に窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる化合物半導体成長工程と、
上記バッファ層と上記窒化物系族化合物半導体層との界面近傍にイオンを打ち込んで、上記界面近傍をアモルファス化するイオン打ち込み工程と、
上記イオン打ち込み工程の後に熱処理を行う熱処理工程とを有することを特徴とする窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法。
A buffer layer forming step of forming a buffer layer made of a nitride III-V compound semiconductor on a substrate;
A compound semiconductor growing step of growing a nitride III-V compound semiconductor layer on the buffer layer;
Ion implantation step of implanting ions near the interface between the buffer layer and the nitride-based compound semiconductor layer to make the vicinity of the interface amorphous;
And a heat treatment step of performing a heat treatment after the ion implantation step. A method of manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device, comprising:
請求項4に記載の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法において、
上記イオン打ち込み工程で打ち込まれるイオンは、C、N、Mg、Al、Zn、GaおよびInの内の少なくとも1つであることを特徴とする窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device according to claim 4,
A method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device, wherein ions implanted in the ion implantation step are at least one of C, N, Mg, Al, Zn, Ga, and In.
請求項2または4に記載の窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法において、
上記熱処理工程の温度は、熱処理工程よりも前に形成された窒化物系III−V族化合物半導体層の成長温度よりも大きく、かつ、上記成長温度に200℃を加えた温度よりも小さいことを特徴とする窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a nitride III-V compound semiconductor device according to claim 2 or 4,
The temperature of the heat treatment step is higher than the growth temperature of the nitride-based III-V compound semiconductor layer formed before the heat treatment step, and lower than the temperature obtained by adding 200 ° C. to the growth temperature. A method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device.
基板の上方に窒化物系III−V族化合物半導体層が形成された窒化物系III−V族化合物半導体装置であって、
上記窒化物系III−V族化合物半導体層の一部は、III族元素と窒素の化学量論比(III族元素/窒素)が1以上かつ1.5以下であることを特徴とする窒化物系III−V族化合物半導体装置。
A nitride-based III-V compound semiconductor device in which a nitride-based III-V compound semiconductor layer is formed above a substrate,
A part of the nitride-based III-V compound semiconductor layer has a stoichiometric ratio of a group III element to nitrogen (group III element / nitrogen) of 1 or more and 1.5 or less. Group III-V compound semiconductor device.
基板の上方に窒化物系III−V族化合物半導体層が形成された窒化物系III−V族化合物半導体装置であって、
上記窒化物系III−V族化合物半導体層の一部はアモルファスであることを特徴とする窒化物系III−V族化合物半導体装置。
A nitride-based III-V compound semiconductor device in which a nitride-based III-V compound semiconductor layer is formed above a substrate,
A nitride-based III-V compound semiconductor device, wherein a part of the nitride-based III-V compound semiconductor layer is amorphous.
請求項8に記載の窒化物系III−V族化合物半導体装置において、C、MgおよびZnの内の少なくとも1つが上記アモルファスの部分に存在するか、または、III族元素と窒素の化学量論比(III族元素/窒素)が1以上かつ1.5以下の部分が上記アモルファスの部分に存在するか、または、窒素とIII族元素の化学量論比(窒素/III族元素)が1以上かつ1.5以下の部分が上記アモルファスの部分に存在することを特徴とする窒化物系III−V族化合物半導体装置。9. The nitride-based III-V compound semiconductor device according to claim 8, wherein at least one of C, Mg, and Zn exists in the amorphous portion, or a stoichiometric ratio of a group III element to nitrogen. A portion having (Group III element / nitrogen) of 1 or more and 1.5 or less is present in the amorphous portion, or a stoichiometric ratio of nitrogen to Group III element (Nitrogen / Group III element) is 1 or more and A nitride III-V compound semiconductor device, wherein 1.5 or less portions exist in the amorphous portion.
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