JP2004296717A - 窒化物系半導体を含む積層体およびそれを用いた電子素子 - Google Patents
窒化物系半導体を含む積層体およびそれを用いた電子素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004296717A JP2004296717A JP2003086133A JP2003086133A JP2004296717A JP 2004296717 A JP2004296717 A JP 2004296717A JP 2003086133 A JP2003086133 A JP 2003086133A JP 2003086133 A JP2003086133 A JP 2003086133A JP 2004296717 A JP2004296717 A JP 2004296717A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- nitride
- layer
- based semiconductor
- semiconductor layer
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Abstract
【課題】基板上に、結晶欠陥がきわめて少なく、結晶性および平坦性にも優れた窒化物系半導体からなる積層体ならびにそれを用いた電子素子の提供。
【解決手段】基板と、前記基板上に形成されている多層膜バッファ層と、多層膜バッファ層上に形成された第1窒化物系半導体層とを含む積層体であって、多層膜バッファ層は、第1のIII族窒化物XNと、第2のIII族窒化物ZN(X≠Z)と、XαZ1−αN(0<α<1)からなる混晶層とを含み、多層膜バッファ層は、XN/XαZ1−αN/ZN/XαZ1−αNからなる1つまたは複数の積層構造を有することを特徴とする積層体。
【選択図】 図1
【解決手段】基板と、前記基板上に形成されている多層膜バッファ層と、多層膜バッファ層上に形成された第1窒化物系半導体層とを含む積層体であって、多層膜バッファ層は、第1のIII族窒化物XNと、第2のIII族窒化物ZN(X≠Z)と、XαZ1−αN(0<α<1)からなる混晶層とを含み、多層膜バッファ層は、XN/XαZ1−αN/ZN/XαZ1−αNからなる1つまたは複数の積層構造を有することを特徴とする積層体。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光デバイスや電子デバイスに使用される窒化物系化合物半導体を含む積層体およびそれを利用した電子素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から窒化物系半導体は、青色発光素子やパワー系および高周波電子素子用の材料として注目されてきた。特にサファイア基板上に形成された窒化物薄膜を用いた青色発光素子はすでに実用化されている。窒化物系薄膜の成長については、サファイア基板に限らず、シリコン基板など様々な基板上への成長も試みられている。しかしながら、窒化物系半導体結晶の格子定数と基板(サファイアまたはシリコン)の格子定数とが大きく異なるため、窒化物系半導体薄膜中に欠陥が導入され、その膜特性を低下させることが問題となっている。この問題に関して、基板と窒化物系薄膜との間にバッファ層を設けて、該薄膜中の欠陥を少なくすることが検討されてきており、特に、窒化物系薄膜の膜特性に大きな影響を与えるためにバッファ層が非常に重要となってきた。
【0003】
例えば、InGaN膜、AlGaN膜、あるいは組成の異なるAlaGa1−aN(0≦a≦1)の薄膜を積層した多層膜をバッファ層として用いることにより、その上に形成される窒化物系半導体薄膜の結晶欠陥を改善できることが開示されている(特許文献1参照)。
【0004】
さらに、基板上あるいはAlbGa1−bN(0≦b≦1)バッファ層上に、AlN層とGaN層とを交互に成長させた多層膜層を導入することにより、その上に成長する窒化物半導体の結晶性を向上できることが提案されている(特許文献2参照)。
【0005】
また、AlGaN層とInGaN層とを交互に複数回積層したバッファ層、またはAlN層とInGaN層とを交互に複数回積層したバッファ層を設けることにより、歪みの発生を防止し、その上にクラックのない良好なGaN系半導体層が形成できることが開示されている(特許文献3参照)。
【0006】
さらに、高温で成長させたGaN層中に、中間層として低温で成長させたAlNを挿入することにより、その上に形成するGaN系薄膜の結晶欠陥が改善できることが報告されている(非特許文献1参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開平11−220173号公報
【0008】
【特許文献2】
特開平5−110138号公報
【0009】
【特許文献3】
特開2001−274457号公報
【0010】
【非特許文献1】
2nd International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba, Japan, Tu−02, Sept.29−Oct.2, 1998.
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の方法においては、結晶欠陥の低減、結晶性および平坦性を同時に満足する窒化物系半導体薄膜が得られていないのが現状である。
【0012】
たとえば、前述した特許文献1に記載のInGaN層、AlGaN層、あるいは組成の異なるAlGaNの薄膜を積層した多層膜のバッファ層では、安定して結晶欠陥を低減化できず、また多層膜のバッファ層上にさらに数μm以上の薄膜の成長が必要であった。
【0013】
また、特許文献2に記載のAlN層とGaN層を交互に積層させた多層膜層では、その上に形成されたGaN系薄膜の結晶性や平坦性は、不十分という問題を抱えていた。
【0014】
さらに、特許文献3に記載のAlGaN層とInGaN層や、AlN層とInGaN層とを交互に複数回積層したバッファ層では、その上に形成されたGaN系薄膜の結晶性をさらに改善する必要がある。
【0015】
非特許文献1に示された中間層として低温で成長させたAlN層の挿入についても、その上に形成させるGaN系薄膜の結晶性の向上については不十分で、さらに結晶欠陥を低減化させる必要があった。
【0016】
よって本発明の目的は、上述の点を鑑み、基板上に結晶欠陥がきわめて少なく、結晶性および平坦性にも優れた窒化物系半導体からなる積層体ならびにそれを用いた電子素子を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明の第1の実施形態の積層体は、基板と、前記基板上に形成されている多層膜バッファ層と、前記多層膜バッファ層上に形成された第1窒化物系半導体層とを含む積層体であって、前記多層膜バッファ層は、第1のIII族窒化物XNと、第2のIII族窒化物ZN(X≠Z)と、XαZ1−αN(0<α<1)からなる混晶層とを含み、前記多層膜バッファ層は、XN/XαZ1−αN/ZN/XαZ1−αNからなる1つまたは複数の積層構造を有することを特徴とする。ここで、XおよびZが、Al、GaおよびInからなる群から選択されてもよい。
【0018】
本発明の第2の実施形態の積層体は、本発明の第1の実施形態の積層体において、第1窒化物系半導体層は、第1窒化物系半導体からなる複数の部分構成層と、1つまたは複数のAlN中間層との積層構造を有し、前記AlN中間層のそれぞれは、前記部分構成層の間に位置することを特徴とする。ここで、XおよびZが、Al、GaおよびInからなる群から選択されてもよい。
【0019】
本発明の第3の実施形態の電子素子は、本発明の第1または第2の実施形態の積層体と、該積層体の第1窒化物系半導体層の上に形成されている第2窒化物系半導体層と、該第2窒化物系半導体層上に形成されている2つのオーミック電極と、前記2つのオーミック電極の間に形成されているゲート電極とを含むことを特徴とする。ここで、前記第2窒化物系半導体層がAlβGa1−βN(0<β≦1)であってもよい。また、前記第2窒化物系半導体層にドナー不純物がドーピングされていてもよい。
【0020】
本発明の第4の実施形態の電子素子は、本発明の第3の実施形態の電子素子において、第1窒化物系半導体層と第2窒化物系半導体層との間に形成されている第3窒化物系半導体層をさらに含むことを特徴とする。ここで、前記第3窒化物系半導体層は、InγGa1−γN(0<γ<1)であってもよい。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【0022】
図1は、本発明の第1の実施形態の積層体を示した断面図である。図1中、符号1は基板、2はバッファ層、3は第1窒化物系半導体層を示している。
【0023】
本発明に用いられる基板1は、Si基板、GaAs基板、サファイア基板、SiC基板、ZnO基板、MgO基板等が通常用いられる。中でもSi基板は、低コストで、大口径化も可能であり、最も好ましく用いられる。
【0024】
本発明のバッファ層2および第1窒化物系半導体層3は、一般に、有機金属気相エピタキシャル(MOCVD)法、分子線エピタキシャル(MBE)法、ハライド気相エピタキシャル(HDCVD)法などの気相成長法を用いて成長される。
【0025】
本発明のバッファ層2は、第1のIII族窒化物(XN)層2aおよび第2のIII族窒化物(ZN)層2cが交互に成長している多層膜において、XN/ZNおよびZN/XNのそれぞれの界面に、XαZ1−αN(0<α<1、好ましくは0.3≦α≦0.7、より好ましくは0.4≦α≦0.6)からなる混晶層2bが挿入された積層体からなっている。すなわち、本発明のバッファ層2は、XN/XαZ1−αN/ZN/XαZ1−αNの4層構造を1周期として構成される。バッファ層2は、該4層構造を1つまたは複数有して構成されていてもよく、図1には、2つの該4層構造を有するバッファ層2を示した。
【0026】
XおよびZは、XとZとが異なる元素であることを条件として、Al、GaおよびInからなる群から選択される。すなわち、(X,Z)の組合せは、(Al,Ga)、(Al,In)、(In,Ga)のいずれかである。例えば、X=AlおよびZ=Gaの場合には、AlN/GaNおよびGaN/AlNのそれぞれの界面にAlGaN混晶層を挿入して、AlN/AlGaN/GaN/AlGaNなる積層構造をとる。この際に、AlGaN結晶の格子定数は、AlN結晶の格子定数とGaN結晶の格子定数との中間の値を採る。したがって、AlN/AlGaN界面およびGaN/AlGaN界面における格子定数の差は、AlN/GaN界面における格子定数の差よりも小さくなり、これによって各界面における原子配列の乱れが抑制され、平坦でかつ結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層が得られる。(X,Z)の他の組合せについても同様である。
【0027】
本発明のバッファ層を構成するXN層2a、ZN層2cおよびXαZ1−αN層2bのそれぞれの膜厚は、1〜300nmの範囲内であり、より好ましくは3〜100nmの範囲内であり、さらに好ましくは5〜80nmの範囲内である。
【0028】
本発明のバッファ層をMOCVD法で成長させる場合、バッファ層は750〜900℃、好ましくは770〜850℃の基板温度にて形成される。また、第1の窒化物または第2の窒化物としてAlNを用いる場合、まず低温条件(500〜750℃、好ましくは650〜730℃の基板温度)においてAlN層を成長させることが好ましく行われる。低温条件にてAlN層を成長させた後、基板温度をバッファ層形成に最適な温度まで昇温し、AlGaN/GaN/AlGaN/AlN/……の順に混晶層を含む本発明のバッファ層を形成させることが好ましく行われる。
【0029】
本発明の第1窒化物系半導体層3は、GaNから形成される。第1窒化物系半導体層3は、50〜3000nm、好ましくは100〜2000nm、より好ましくは200〜1000nmの膜厚を有する。前述の範囲内の膜厚とすることにより、優れた平坦性および結晶性を有する窒化物系半導体の表面を提供することが可能となる。MOCVD法で成長させる場合、第1窒化物系半導体層は、950〜1100℃、好ましくは1000〜1050℃の基板温度にて形成される。
【0030】
本発明の第2の実施形態は、第1の実施形態の積層体において、第1窒化物系半導体層が窒化物系半導体からなる部分構成層とAlN中間層とから構成される積層体である。基板1およびバッファ層2は、第1の実施形態のものと同様である。本実施形態の第1窒化物系半導体層は、2つ以上の部分構成層3aと、1つまたは複数のAlN中間層4を有する。2つの部分構成層3a,3bと、3aと3bとの間に配置される1つのAlN中間層4を用いた例を、図2に示した。
【0031】
窒化物系半導体で構成される部分構成層は、第1の実施形態と同様の方法によってGaNから形成される。それぞれの部分構成層は、25〜1500nm、好ましくは50〜1000nm、より好ましくは100〜500nmの膜厚を有する。
【0032】
AlN中間層4の膜厚は、1〜100nmであり、より好ましくは3〜50nmである。AlN中間層4は、部分構成層の形成時よりも低温で成長させることが好ましい。MOCVD法で成長させる場合には、500〜750℃、好ましくは650〜730℃の基板温度における気相成長法により形成される。
【0033】
本実施形態の積層体においては、基板/バッファ層界面またはバッファ層内において格子不整合による結晶欠陥が発生および成長したとしても、第1窒化物系半導体層3の中に設けられたAlN中間層4によってその欠陥成長を停止することが可能となる。したがって、AlN中間層4の上に位置する部分構成層3bの優れた平面性および結晶性を維持することが可能となる。
【0034】
図3は、本実施形態の変形例であり、2つのAlN中間層4a,4bと、3つの部分構成層3a〜3cとを有する第1窒化物系半導体層3を示した。本実施形態において、AlN中間層のそれぞれは、2つの部分構成層の間に配置される。部分構成層およびAlN中間層の膜厚および形成条件は前述と同様である。本変形例においては、AlN中間層4aにおいてその成長を止められなかった欠陥が最上層に向かって成長したとしても、第2のAlN中間層4bによってその欠陥成長を止めることが可能である。したがって、第1窒化物系半導体層3の最上層を形成する部分構成層3cは、優れた平面性および結晶性を有することができる。
【0035】
本実施形態において、第1窒化物系半導体層3は、50〜3000nm、好ましくは100〜2000nm、より好ましくは200〜1000nmの総膜厚を有する。この範囲内の膜厚とすることにより、最上部に形成される部分構成層の優れた平坦性および結晶性を維持することが可能となり、優れた特性を有する窒化物系半導体の表面を提供することが可能となる。
【0036】
本発明の第3の実施形態は、第1または第2の実施形態の積層体(基板1、バッファ層2および第1窒化物系半導体層3)と、第2窒化物系半導体層5とを含み、第2窒化物系半導体層5の上に2つのオーミック電極8a,8bと、2つのオーミック電極の間に位置するゲート電極7とが設けられている電子素子である。図4に第1の実施形態の積層体を用いた構造例を、図5に第2の実施形態の積層体を用いた構造例を示す。基板1、バッファ層2および第1窒化物系半導体層3は、前述の第1または第2の実施形態のものを用いることができる。本実施形態の電子素子は、電界効果トランジスタ(FET)として機能する。
【0037】
第1窒化物系半導体層3の上部部分(または、最上層として形成された部分構成層)は、電子走行層として機能する。前述のように、第1窒化物系半導体層3は優れた平坦性および結晶性を有し、結晶欠陥が存在しないので、電子走行層として好適である。
【0038】
第1窒化物系半導体層3の上に形成される第2窒化物系半導体層5は、第1窒化物系半導体層3の第2窒化物系半導体層5との界面付近に、2次元電子ガスを形成するような組成が選択される。第2窒化物系半導体層としては、AlβGa1−βN(0<β≦1)層が好ましく用いられる。ここで、Al組成比βは、好ましくは0.1〜0.5の範囲内であり、より好ましくは0.2〜0.4の範囲内である。第2窒化物系半導体層5は、2〜100nmの範囲であり、より好ましくは5〜50nmの範囲内の膜厚を有する。高周波特性をより向上させるためには、第2窒化物系半導体層5がより薄いことが好ましく、5〜30nmが最も好ましい膜厚範囲である。
【0039】
第2窒化物系半導体層5は、有機金属気相エピタキシャル(MOCVD)法、分子線エピタキシャル(MBE)法、ハライド気相エピタキシャル(HDCVD)法などの気相成長法により形成される。第2窒化物系半導体層5をMOCVD法で形成する際には、950〜1100℃、好ましくは1000〜1050℃の基板温度が用いられる。
【0040】
また、本発明の第2窒化物系半導体層5に対して、ドナー不純物をドーピングしていてもよい。ドナー不純物としては、Si、Sn、Te、SまたはSeなどが好ましく用いられる。不純物濃度は、1×1017〜3×1019/cm3程度の範囲であり、より好ましくは、5×1017〜8×1018/cm3の範囲である。
【0041】
あるいはまた、第2窒化物系半導体層5を、ノンドープスペーサ層/n型ドープ層/キャップ層からなる3層構造としてもよい。ノンドープスペーサ層は、前述の方法によって形成される非ドープのAlβGa1−βN層であり、好ましくは1〜50nmの厚さを有する。n型ドープ層は、前述の方法によって形成されるSi、Sn、Te、SまたはSeなどをドープされたAlβGa1−βN層であり、好ましくは5〜100nmの厚さを有する。キャップ層とは、前述の方法によって形成されるAlβGa1−βN層であり、好ましくは1〜50nmの厚さを有する。
【0042】
第2窒化物系半導体層5の上に形成される2つのオーミック電極8a,8bは、FETのソースまたはドレインのいずれかとして機能する。オーミック電極8a,8bは、通常、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/AuまたはTi/Al/Mo/Auなどの4層電極、Au/Ti/AlまたはTi/Al/Tiなどの3層電極、あるいはTi/Alなどの2層電極が用いられ、EB(電子線)蒸着、スパッタ、イオンプレーティングなどの当該技術において知られている任意の方法によって形成される。
【0043】
オーミック電極の電子走行層に対するコンタクト抵抗を減少させるために、ラピッドサーマルアニールを行うことが好ましい。通常の場合、ゲート電極の形成前に、ラピッドサーマルアニールを行うことが望ましい。ラピッドサーマルアニールは、窒素雰囲気下650℃〜900℃程度の温度で15秒〜10分間にわたって行うことが望ましい。通常、アニール温度を高くするほど、アニール時間を短くする。より好ましくは、780〜880℃の温度で、30秒〜2分間にわたるアニールを行う。
【0044】
第2窒化物系半導体層5の上に形成されるゲート電極7は、2つのオーミック電極8aと8bとの間に配置され、通常、Pd/Ti/AuまたはPt/Ti/Auなどの3層電極、Ni/Au、Pt/AuまたはPd/Siなどの2層電極、あるいはNiまたはCuなどの単層電極が用いられる。ゲート電極7は、EB蒸着、スパッタ、イオンプレーティングなどの当該技術において知られている任意の方法によって形成される。
【0045】
本発明の第4の実施形態は、第3の実施形態における第1窒化物系半導体層3と第2窒化物系半導体層5との間に、第3窒化物系半導体層6をさらに設けた電子素子である。図6に例示的構造を示した。本実施形態は、第1窒化物系半導体層3に代えて、第3窒化物半導体層6を電子走行層として用いるものである。
【0046】
本発明の第3窒化物系半導体層6は、電子走行層として用いられるため、良好な結晶性と平坦性が求められる。第3窒化物系半導体層6は、好ましくはGaNまたはInγGa1−γN(0<γ<1)から構成される。InNはGaNに比べ、高電子移動度であるために、InGaNの3元混晶にすることによって、より高速な電子素子が実現できる。
【0047】
第3窒化物系半導体層6は、有機金属気相エピタキシャル(MOCVD)法、分子線エピタキシャル(MBE)法、ハライド気相エピタキシャル(HDCVD)法などの気相成長法により形成される。第3窒化物系半導体層6をMOCVD法によって形成する際には、950〜1100℃、好ましくは1000〜1050℃の基板温度が用いられる。
【0048】
第3窒化物系半導体層6は、50〜2000nm、好ましくは100〜1000nm、より好ましくは200〜500nmの膜厚を有する。この範囲内の膜厚とすることにより、第3窒化物半導体層6の優れた平坦性および結晶性を維持して、該層を高電子移動度の電子走行層として使用することが可能となる。
【0049】
【実施例】
本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。下記の実施例では、本発明の積層体を用いた電子素子への応用の例を述べているが、本発明の積層体は、窒化物系半導体を用いた発光素子または光センサへの応用にも有効な積層体である。
【0050】
[実施例1]
3インチSi基板1をMOCVD装置の成長室のサセプター上に設置し、水素ガスを流しながら15分間にわたって基板温度を1050℃に加熱クリーニングして、基板表面の酸化物を除去した。その後、基板温度を720℃とし、Al源としてTMA(トリメチルアルミニウム)ガス、N源としてアンモニアガス、キャリアガスとして水素ガスおよび窒素ガスを流しながら、AlN層を10nm成長させた。
【0051】
次に、基板温度を800℃に調整し、Ga源としてTMG(トリメチルガリウム)ガス、TMAガス、アンモニアガスを流しながら、Al0.5Ga0.5N層を10nm成長させた。続いて、TMGガスおよびアンモニアガスを流しながらGaN層を10nm成長させた。引き続いて基板温度を800℃に維持しながら、Al0.5Ga0.5N層(10nm)、AlN層(10nm)、Al0.5Ga0.5N層(10nm)、GaN層(10nm)、Al0.5Ga0.5N層(10nm)を順次成長させて、多層膜バッファ層2を形成した。
【0052】
次に、基板温度を1030℃に上昇させ、GaN層を400nm成長させ、第1窒化物系半導体層3を形成し、図1に示す積層体を得た。
【0053】
さらに、Al0.25Ga0.75Nノンドープスペーサ層を5nm、Siドープn型Al0.25Ga0.75N層を20nm、Al0.25Ga0.75Nキャップ層を5nm成長させて、第2窒化物系半導体層5を形成した。該Siドープn型Al0.25Ga0.75N層の不純物濃度は、5×1018/cm3であった。
【0054】
以上のように成長させた積層体の膜特性を評価した。AFMを用いて測定される表面ラフネスは、10μm角の領域においてRms=1.8nmと良好であった。また、TEMにより測定される単位面積当たりの結晶欠陥密度は7×104個/cm2であり、Si基板上に良好な窒化物系半導体薄膜が形成できたことを示した。ノマルスキー微分干渉顕微鏡による表面モフォロジー写真を図7に示した。
【0055】
さらに、本実施例で成長させた窒化物系半導体薄膜表面に、4端子のオーミック電極を形成し、ホール測定を行った。その結果、Al0.25Ga0.75N/GaN界面に形成される2次元電子ガスの電子移動度として、μ=1700cm2/Vsという高い電子移動度が得られた。
【0056】
そして、本実施例の積層体を用いて電界効果トランジスタを作製した。すなわち、第1フォトリソグラフィー工程にてイオン注入を行い、素子分離を行った。その後第2フォトリソグラフィー工程において、リフトオフ法により1対のオーミック電極8aおよび8bを形成した。本実施例においては8aをソース電極として用い、8bをドレイン電極として用いた。オーミック電極8aおよび8bは、Ti/Al/Ni/Auの4層電極とした。さらにオーミックコンタクトを形成させるため、窒素雰囲気下、30秒間にわたって850℃に加熱してラピッドサーマルアニールを行った。ソース−ドレイン電極のオーミックコンタクト抵抗は1×10−5Ωcm2であった。
【0057】
最後に、EB露光を用いてゲート長0.6μmのゲート電極7を形成し、図4に示す構造の電界効果トランジスタを得た。ゲート電極7は、Ni/Auを用いて形成した。トランジスタ特性を測定した結果、遮断周波数fT=18GHz、最大発振周波数fmax=41GHzという良好な高周波特性を示した。
【0058】
[実施例2]
実施例1と同様にして、Si基板1上に多層膜バッファ層2を形成した。次に、基板温度を1030℃に上昇させ、GaN層を200nm成長させた。次に、基板温度を720℃に低下させて、AlN中間層を15nm成長させた。基板温度を再び1030℃に上昇させ、GaN層を200nm成長させ、図2に示す積層体を得た。
【0059】
さらに引き続いて、Al0.25Ga0.75Nノンドープスペーサ層を5nm、Siドープn型Al0.25Ga0.75N層を20nm、Al0.25Ga0.75Nキャップ層を5nm成長させて、第2窒化物系半導体層5を形成した。該Siドープn型Al0.25Ga0.75N層の不純物濃度は、5×1018/cm3であった。
【0060】
以上のように成長させた積層体の膜特性を評価した。AFMを用いて測定される表面ラフネスは、10μm角の領域においてRms=1.5nmと良好であった。また、TEMにより測定される単位面積当たりの結晶欠陥密度は1×104個/cm2であり、Si基板上に良好な窒化物系半導体薄膜が形成できたことを示した。ノマルスキー微分干渉顕微鏡による表面モフォロジー写真を図8に示した。
【0061】
さらに、本実施例で成長させた窒化物系半導体薄膜表面に、4端子のオーミック電極を形成し、ホール測定を行った。その結果、Al0.25Ga0.75N/GaN界面に形成される2次元電子ガスの電子移動度として、μ=2100cm2/Vsという高い電子移動度が得られた。
【0062】
最後に、実施例1と同様にして、1対のオーミック電極(ソースおよびドレイン電極)と、ゲート長0.6μmのゲート電極7を形成し、図5に示す電界効果トランジスタを得た。得られたトランジスタの特性を測定した結果、fT=22GHz、fmax=44GHzという非常に良好な高周波特性を示した。
【0063】
[比較例1]
3インチSi基板51をMOCVD装置の成長室のサセプター上に設置し、水素ガスを流しながら15分間にわたって基板温度を1050℃に加熱クリーニングして、基板表面の酸化物を除去した。その後、基板温度を720℃とし、TMAガス、アンモニアガス、キャリアガスとして水素ガスおよび窒素ガスを流しながら、AlN層52aを10nm成長させた。
【0064】
次に、基板温度を800℃に上昇させ、GaN層52b(10nm)/AlN層52a(10nm)の構造を4度繰り返した積層構造を成長させた。
【0065】
次に、基板温度を1030℃に上昇させ、GaN層53を400nm成長させた。さらに、Al0.25Ga0.75Nノンドープスペーサ層55aを5nm、Siドープn型Al0.25Ga0.75N層55bを20nm、Al0.25Ga0.75Nキャップ層55cを5nm成長させて、図9に示す積層体を得た。
【0066】
実施例1と同様にして、上記で得られた積層体の膜特性を評価したが、表面には多数のクラック(結晶欠陥に相当する)が見られ、トランジスタを作製するには値しない膜であった。ノマルスキー微分干渉顕微鏡による表面モフォロジー写真を図10に示した。
【0067】
[実施例3]
実施例1と同様にして、Si基板1上に多層膜バッファ層2を形成した。次に、基板温度を1030℃に上昇させ、GaN層を200nm成長させた。次に、基板温度を720℃に低下させて、AlN中間層を15nm成長させた。基板温度を再び1030℃に上昇させ、GaN層を200nm成長させ、図2に示す積層体を得た。
【0068】
引き続いて、トリメチルインジウムガス、TMGガス、アンモニアガスを用いて、In0.2Ga0.8N層を成長させ、第3窒化物系半導体層6を形成した。
【0069】
さらに引き続いて、Al0.25Ga0.75Nノンドープスペーサ層を5nm、Siドープn型Al0.25Ga0.75N層を20nm、Al0.25Ga0.75Nキャップ層を5nm成長させて、第2窒化物系半導体層5を形成した。該Siドープn型Al0.25Ga0.75N層の不純物濃度は、5×1018/cm3であった。表面のモフォロジーは、実施例2と同様であった。
【0070】
以上のように成長させた積層体の膜特性を評価した。AFMを用いて測定される表面ラフネスは、10μm角の領域においてRms=1.4nmと良好であった。また、TEMにより測定される単位面積当たりの結晶欠陥密度は1×104個/cm2であり、Si基板上に良好な窒化物系半導体薄膜が形成できたことを示した。
【0071】
さらに、本実施例で成長させた窒化物系半導体薄膜表面に、4端子のオーミック電極を形成し、ホール測定を行った。その結果、Al0.25Ga0.75N/In0.2Ga0.8N界面に形成される2次元電子ガスの電子移動度として、μ=2400cm2/Vsという高い電子移動度が得られた。
【0072】
最後に、実施例1と同様にして、1対のオーミック電極(ソースおよびドレイン電極)と、ゲート長0.6μmのゲート電極7を形成し、図5に示す電界効果トランジスタを得た。得られたトランジスタの特性を測定した結果、fT=25GHz、fmax=46GHzという非常に良好な高周波特性を示した。
【0073】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、Siなどの安価で大口径化が可能な基板上に、混晶層を含むバッファ層を挿入することにより、これまでにない平坦で結晶欠陥のきわめて少なく、結晶性にも優れた窒化物系積層体が実現できる。また、本発明によれば、該積層体を用いて、高周波特性やパワートランジスタ特性にも優れた窒化物系電子素子が実現可能となり、その産業上の有用性は計り知れない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の積層体の一例を示す断面図である。
【図2】本発明の第2の実施形態の積層体の一例を示す断面図である。
【図3】本発明の第2の実施形態の積層体の他の例を示す断面図である。
【図4】本発明の第3の実施形態の電子素子の一例を示す断面図である。
【図5】本発明の第3の実施形態の電子素子の他の例を示す断面図である。
【図6】本発明の第4の実施形態の電子素子の一例を示す断面図である。
【図7】実施例1で得られる積層体のノマルスキー表面写真である。
【図8】実施例2で得られる積層体のノマルスキー表面写真である。
【図9】比較例1の積層体を示す断面図である。
【図10】比較例1で得られる積層体のノマルスキー表面写真である。
【符号の説明】
1 基板
2 多層膜バッファ層
2a XN層
2b 混晶層(XαZ1−αN層)
2c ZN層
3 第1窒化物系半導体層
3(a,b,c) 部分構成層
4(a,b) AlN中間層
5 第2窒化物系半導体層
6 第3窒化物系半導体層
7 ゲート電極
8(a,b) オーミック電極
51 Si基板
52a AlN層
52b、53 GaN層
55a AlGaNノンドープスペーサ層
55b SiドープAlGaN層
55c AlGaNキャップ層
【発明の属する技術分野】
本発明は、光デバイスや電子デバイスに使用される窒化物系化合物半導体を含む積層体およびそれを利用した電子素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から窒化物系半導体は、青色発光素子やパワー系および高周波電子素子用の材料として注目されてきた。特にサファイア基板上に形成された窒化物薄膜を用いた青色発光素子はすでに実用化されている。窒化物系薄膜の成長については、サファイア基板に限らず、シリコン基板など様々な基板上への成長も試みられている。しかしながら、窒化物系半導体結晶の格子定数と基板(サファイアまたはシリコン)の格子定数とが大きく異なるため、窒化物系半導体薄膜中に欠陥が導入され、その膜特性を低下させることが問題となっている。この問題に関して、基板と窒化物系薄膜との間にバッファ層を設けて、該薄膜中の欠陥を少なくすることが検討されてきており、特に、窒化物系薄膜の膜特性に大きな影響を与えるためにバッファ層が非常に重要となってきた。
【0003】
例えば、InGaN膜、AlGaN膜、あるいは組成の異なるAlaGa1−aN(0≦a≦1)の薄膜を積層した多層膜をバッファ層として用いることにより、その上に形成される窒化物系半導体薄膜の結晶欠陥を改善できることが開示されている(特許文献1参照)。
【0004】
さらに、基板上あるいはAlbGa1−bN(0≦b≦1)バッファ層上に、AlN層とGaN層とを交互に成長させた多層膜層を導入することにより、その上に成長する窒化物半導体の結晶性を向上できることが提案されている(特許文献2参照)。
【0005】
また、AlGaN層とInGaN層とを交互に複数回積層したバッファ層、またはAlN層とInGaN層とを交互に複数回積層したバッファ層を設けることにより、歪みの発生を防止し、その上にクラックのない良好なGaN系半導体層が形成できることが開示されている(特許文献3参照)。
【0006】
さらに、高温で成長させたGaN層中に、中間層として低温で成長させたAlNを挿入することにより、その上に形成するGaN系薄膜の結晶欠陥が改善できることが報告されている(非特許文献1参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開平11−220173号公報
【0008】
【特許文献2】
特開平5−110138号公報
【0009】
【特許文献3】
特開2001−274457号公報
【0010】
【非特許文献1】
2nd International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba, Japan, Tu−02, Sept.29−Oct.2, 1998.
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の方法においては、結晶欠陥の低減、結晶性および平坦性を同時に満足する窒化物系半導体薄膜が得られていないのが現状である。
【0012】
たとえば、前述した特許文献1に記載のInGaN層、AlGaN層、あるいは組成の異なるAlGaNの薄膜を積層した多層膜のバッファ層では、安定して結晶欠陥を低減化できず、また多層膜のバッファ層上にさらに数μm以上の薄膜の成長が必要であった。
【0013】
また、特許文献2に記載のAlN層とGaN層を交互に積層させた多層膜層では、その上に形成されたGaN系薄膜の結晶性や平坦性は、不十分という問題を抱えていた。
【0014】
さらに、特許文献3に記載のAlGaN層とInGaN層や、AlN層とInGaN層とを交互に複数回積層したバッファ層では、その上に形成されたGaN系薄膜の結晶性をさらに改善する必要がある。
【0015】
非特許文献1に示された中間層として低温で成長させたAlN層の挿入についても、その上に形成させるGaN系薄膜の結晶性の向上については不十分で、さらに結晶欠陥を低減化させる必要があった。
【0016】
よって本発明の目的は、上述の点を鑑み、基板上に結晶欠陥がきわめて少なく、結晶性および平坦性にも優れた窒化物系半導体からなる積層体ならびにそれを用いた電子素子を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明の第1の実施形態の積層体は、基板と、前記基板上に形成されている多層膜バッファ層と、前記多層膜バッファ層上に形成された第1窒化物系半導体層とを含む積層体であって、前記多層膜バッファ層は、第1のIII族窒化物XNと、第2のIII族窒化物ZN(X≠Z)と、XαZ1−αN(0<α<1)からなる混晶層とを含み、前記多層膜バッファ層は、XN/XαZ1−αN/ZN/XαZ1−αNからなる1つまたは複数の積層構造を有することを特徴とする。ここで、XおよびZが、Al、GaおよびInからなる群から選択されてもよい。
【0018】
本発明の第2の実施形態の積層体は、本発明の第1の実施形態の積層体において、第1窒化物系半導体層は、第1窒化物系半導体からなる複数の部分構成層と、1つまたは複数のAlN中間層との積層構造を有し、前記AlN中間層のそれぞれは、前記部分構成層の間に位置することを特徴とする。ここで、XおよびZが、Al、GaおよびInからなる群から選択されてもよい。
【0019】
本発明の第3の実施形態の電子素子は、本発明の第1または第2の実施形態の積層体と、該積層体の第1窒化物系半導体層の上に形成されている第2窒化物系半導体層と、該第2窒化物系半導体層上に形成されている2つのオーミック電極と、前記2つのオーミック電極の間に形成されているゲート電極とを含むことを特徴とする。ここで、前記第2窒化物系半導体層がAlβGa1−βN(0<β≦1)であってもよい。また、前記第2窒化物系半導体層にドナー不純物がドーピングされていてもよい。
【0020】
本発明の第4の実施形態の電子素子は、本発明の第3の実施形態の電子素子において、第1窒化物系半導体層と第2窒化物系半導体層との間に形成されている第3窒化物系半導体層をさらに含むことを特徴とする。ここで、前記第3窒化物系半導体層は、InγGa1−γN(0<γ<1)であってもよい。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【0022】
図1は、本発明の第1の実施形態の積層体を示した断面図である。図1中、符号1は基板、2はバッファ層、3は第1窒化物系半導体層を示している。
【0023】
本発明に用いられる基板1は、Si基板、GaAs基板、サファイア基板、SiC基板、ZnO基板、MgO基板等が通常用いられる。中でもSi基板は、低コストで、大口径化も可能であり、最も好ましく用いられる。
【0024】
本発明のバッファ層2および第1窒化物系半導体層3は、一般に、有機金属気相エピタキシャル(MOCVD)法、分子線エピタキシャル(MBE)法、ハライド気相エピタキシャル(HDCVD)法などの気相成長法を用いて成長される。
【0025】
本発明のバッファ層2は、第1のIII族窒化物(XN)層2aおよび第2のIII族窒化物(ZN)層2cが交互に成長している多層膜において、XN/ZNおよびZN/XNのそれぞれの界面に、XαZ1−αN(0<α<1、好ましくは0.3≦α≦0.7、より好ましくは0.4≦α≦0.6)からなる混晶層2bが挿入された積層体からなっている。すなわち、本発明のバッファ層2は、XN/XαZ1−αN/ZN/XαZ1−αNの4層構造を1周期として構成される。バッファ層2は、該4層構造を1つまたは複数有して構成されていてもよく、図1には、2つの該4層構造を有するバッファ層2を示した。
【0026】
XおよびZは、XとZとが異なる元素であることを条件として、Al、GaおよびInからなる群から選択される。すなわち、(X,Z)の組合せは、(Al,Ga)、(Al,In)、(In,Ga)のいずれかである。例えば、X=AlおよびZ=Gaの場合には、AlN/GaNおよびGaN/AlNのそれぞれの界面にAlGaN混晶層を挿入して、AlN/AlGaN/GaN/AlGaNなる積層構造をとる。この際に、AlGaN結晶の格子定数は、AlN結晶の格子定数とGaN結晶の格子定数との中間の値を採る。したがって、AlN/AlGaN界面およびGaN/AlGaN界面における格子定数の差は、AlN/GaN界面における格子定数の差よりも小さくなり、これによって各界面における原子配列の乱れが抑制され、平坦でかつ結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層が得られる。(X,Z)の他の組合せについても同様である。
【0027】
本発明のバッファ層を構成するXN層2a、ZN層2cおよびXαZ1−αN層2bのそれぞれの膜厚は、1〜300nmの範囲内であり、より好ましくは3〜100nmの範囲内であり、さらに好ましくは5〜80nmの範囲内である。
【0028】
本発明のバッファ層をMOCVD法で成長させる場合、バッファ層は750〜900℃、好ましくは770〜850℃の基板温度にて形成される。また、第1の窒化物または第2の窒化物としてAlNを用いる場合、まず低温条件(500〜750℃、好ましくは650〜730℃の基板温度)においてAlN層を成長させることが好ましく行われる。低温条件にてAlN層を成長させた後、基板温度をバッファ層形成に最適な温度まで昇温し、AlGaN/GaN/AlGaN/AlN/……の順に混晶層を含む本発明のバッファ層を形成させることが好ましく行われる。
【0029】
本発明の第1窒化物系半導体層3は、GaNから形成される。第1窒化物系半導体層3は、50〜3000nm、好ましくは100〜2000nm、より好ましくは200〜1000nmの膜厚を有する。前述の範囲内の膜厚とすることにより、優れた平坦性および結晶性を有する窒化物系半導体の表面を提供することが可能となる。MOCVD法で成長させる場合、第1窒化物系半導体層は、950〜1100℃、好ましくは1000〜1050℃の基板温度にて形成される。
【0030】
本発明の第2の実施形態は、第1の実施形態の積層体において、第1窒化物系半導体層が窒化物系半導体からなる部分構成層とAlN中間層とから構成される積層体である。基板1およびバッファ層2は、第1の実施形態のものと同様である。本実施形態の第1窒化物系半導体層は、2つ以上の部分構成層3aと、1つまたは複数のAlN中間層4を有する。2つの部分構成層3a,3bと、3aと3bとの間に配置される1つのAlN中間層4を用いた例を、図2に示した。
【0031】
窒化物系半導体で構成される部分構成層は、第1の実施形態と同様の方法によってGaNから形成される。それぞれの部分構成層は、25〜1500nm、好ましくは50〜1000nm、より好ましくは100〜500nmの膜厚を有する。
【0032】
AlN中間層4の膜厚は、1〜100nmであり、より好ましくは3〜50nmである。AlN中間層4は、部分構成層の形成時よりも低温で成長させることが好ましい。MOCVD法で成長させる場合には、500〜750℃、好ましくは650〜730℃の基板温度における気相成長法により形成される。
【0033】
本実施形態の積層体においては、基板/バッファ層界面またはバッファ層内において格子不整合による結晶欠陥が発生および成長したとしても、第1窒化物系半導体層3の中に設けられたAlN中間層4によってその欠陥成長を停止することが可能となる。したがって、AlN中間層4の上に位置する部分構成層3bの優れた平面性および結晶性を維持することが可能となる。
【0034】
図3は、本実施形態の変形例であり、2つのAlN中間層4a,4bと、3つの部分構成層3a〜3cとを有する第1窒化物系半導体層3を示した。本実施形態において、AlN中間層のそれぞれは、2つの部分構成層の間に配置される。部分構成層およびAlN中間層の膜厚および形成条件は前述と同様である。本変形例においては、AlN中間層4aにおいてその成長を止められなかった欠陥が最上層に向かって成長したとしても、第2のAlN中間層4bによってその欠陥成長を止めることが可能である。したがって、第1窒化物系半導体層3の最上層を形成する部分構成層3cは、優れた平面性および結晶性を有することができる。
【0035】
本実施形態において、第1窒化物系半導体層3は、50〜3000nm、好ましくは100〜2000nm、より好ましくは200〜1000nmの総膜厚を有する。この範囲内の膜厚とすることにより、最上部に形成される部分構成層の優れた平坦性および結晶性を維持することが可能となり、優れた特性を有する窒化物系半導体の表面を提供することが可能となる。
【0036】
本発明の第3の実施形態は、第1または第2の実施形態の積層体(基板1、バッファ層2および第1窒化物系半導体層3)と、第2窒化物系半導体層5とを含み、第2窒化物系半導体層5の上に2つのオーミック電極8a,8bと、2つのオーミック電極の間に位置するゲート電極7とが設けられている電子素子である。図4に第1の実施形態の積層体を用いた構造例を、図5に第2の実施形態の積層体を用いた構造例を示す。基板1、バッファ層2および第1窒化物系半導体層3は、前述の第1または第2の実施形態のものを用いることができる。本実施形態の電子素子は、電界効果トランジスタ(FET)として機能する。
【0037】
第1窒化物系半導体層3の上部部分(または、最上層として形成された部分構成層)は、電子走行層として機能する。前述のように、第1窒化物系半導体層3は優れた平坦性および結晶性を有し、結晶欠陥が存在しないので、電子走行層として好適である。
【0038】
第1窒化物系半導体層3の上に形成される第2窒化物系半導体層5は、第1窒化物系半導体層3の第2窒化物系半導体層5との界面付近に、2次元電子ガスを形成するような組成が選択される。第2窒化物系半導体層としては、AlβGa1−βN(0<β≦1)層が好ましく用いられる。ここで、Al組成比βは、好ましくは0.1〜0.5の範囲内であり、より好ましくは0.2〜0.4の範囲内である。第2窒化物系半導体層5は、2〜100nmの範囲であり、より好ましくは5〜50nmの範囲内の膜厚を有する。高周波特性をより向上させるためには、第2窒化物系半導体層5がより薄いことが好ましく、5〜30nmが最も好ましい膜厚範囲である。
【0039】
第2窒化物系半導体層5は、有機金属気相エピタキシャル(MOCVD)法、分子線エピタキシャル(MBE)法、ハライド気相エピタキシャル(HDCVD)法などの気相成長法により形成される。第2窒化物系半導体層5をMOCVD法で形成する際には、950〜1100℃、好ましくは1000〜1050℃の基板温度が用いられる。
【0040】
また、本発明の第2窒化物系半導体層5に対して、ドナー不純物をドーピングしていてもよい。ドナー不純物としては、Si、Sn、Te、SまたはSeなどが好ましく用いられる。不純物濃度は、1×1017〜3×1019/cm3程度の範囲であり、より好ましくは、5×1017〜8×1018/cm3の範囲である。
【0041】
あるいはまた、第2窒化物系半導体層5を、ノンドープスペーサ層/n型ドープ層/キャップ層からなる3層構造としてもよい。ノンドープスペーサ層は、前述の方法によって形成される非ドープのAlβGa1−βN層であり、好ましくは1〜50nmの厚さを有する。n型ドープ層は、前述の方法によって形成されるSi、Sn、Te、SまたはSeなどをドープされたAlβGa1−βN層であり、好ましくは5〜100nmの厚さを有する。キャップ層とは、前述の方法によって形成されるAlβGa1−βN層であり、好ましくは1〜50nmの厚さを有する。
【0042】
第2窒化物系半導体層5の上に形成される2つのオーミック電極8a,8bは、FETのソースまたはドレインのいずれかとして機能する。オーミック電極8a,8bは、通常、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/AuまたはTi/Al/Mo/Auなどの4層電極、Au/Ti/AlまたはTi/Al/Tiなどの3層電極、あるいはTi/Alなどの2層電極が用いられ、EB(電子線)蒸着、スパッタ、イオンプレーティングなどの当該技術において知られている任意の方法によって形成される。
【0043】
オーミック電極の電子走行層に対するコンタクト抵抗を減少させるために、ラピッドサーマルアニールを行うことが好ましい。通常の場合、ゲート電極の形成前に、ラピッドサーマルアニールを行うことが望ましい。ラピッドサーマルアニールは、窒素雰囲気下650℃〜900℃程度の温度で15秒〜10分間にわたって行うことが望ましい。通常、アニール温度を高くするほど、アニール時間を短くする。より好ましくは、780〜880℃の温度で、30秒〜2分間にわたるアニールを行う。
【0044】
第2窒化物系半導体層5の上に形成されるゲート電極7は、2つのオーミック電極8aと8bとの間に配置され、通常、Pd/Ti/AuまたはPt/Ti/Auなどの3層電極、Ni/Au、Pt/AuまたはPd/Siなどの2層電極、あるいはNiまたはCuなどの単層電極が用いられる。ゲート電極7は、EB蒸着、スパッタ、イオンプレーティングなどの当該技術において知られている任意の方法によって形成される。
【0045】
本発明の第4の実施形態は、第3の実施形態における第1窒化物系半導体層3と第2窒化物系半導体層5との間に、第3窒化物系半導体層6をさらに設けた電子素子である。図6に例示的構造を示した。本実施形態は、第1窒化物系半導体層3に代えて、第3窒化物半導体層6を電子走行層として用いるものである。
【0046】
本発明の第3窒化物系半導体層6は、電子走行層として用いられるため、良好な結晶性と平坦性が求められる。第3窒化物系半導体層6は、好ましくはGaNまたはInγGa1−γN(0<γ<1)から構成される。InNはGaNに比べ、高電子移動度であるために、InGaNの3元混晶にすることによって、より高速な電子素子が実現できる。
【0047】
第3窒化物系半導体層6は、有機金属気相エピタキシャル(MOCVD)法、分子線エピタキシャル(MBE)法、ハライド気相エピタキシャル(HDCVD)法などの気相成長法により形成される。第3窒化物系半導体層6をMOCVD法によって形成する際には、950〜1100℃、好ましくは1000〜1050℃の基板温度が用いられる。
【0048】
第3窒化物系半導体層6は、50〜2000nm、好ましくは100〜1000nm、より好ましくは200〜500nmの膜厚を有する。この範囲内の膜厚とすることにより、第3窒化物半導体層6の優れた平坦性および結晶性を維持して、該層を高電子移動度の電子走行層として使用することが可能となる。
【0049】
【実施例】
本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。下記の実施例では、本発明の積層体を用いた電子素子への応用の例を述べているが、本発明の積層体は、窒化物系半導体を用いた発光素子または光センサへの応用にも有効な積層体である。
【0050】
[実施例1]
3インチSi基板1をMOCVD装置の成長室のサセプター上に設置し、水素ガスを流しながら15分間にわたって基板温度を1050℃に加熱クリーニングして、基板表面の酸化物を除去した。その後、基板温度を720℃とし、Al源としてTMA(トリメチルアルミニウム)ガス、N源としてアンモニアガス、キャリアガスとして水素ガスおよび窒素ガスを流しながら、AlN層を10nm成長させた。
【0051】
次に、基板温度を800℃に調整し、Ga源としてTMG(トリメチルガリウム)ガス、TMAガス、アンモニアガスを流しながら、Al0.5Ga0.5N層を10nm成長させた。続いて、TMGガスおよびアンモニアガスを流しながらGaN層を10nm成長させた。引き続いて基板温度を800℃に維持しながら、Al0.5Ga0.5N層(10nm)、AlN層(10nm)、Al0.5Ga0.5N層(10nm)、GaN層(10nm)、Al0.5Ga0.5N層(10nm)を順次成長させて、多層膜バッファ層2を形成した。
【0052】
次に、基板温度を1030℃に上昇させ、GaN層を400nm成長させ、第1窒化物系半導体層3を形成し、図1に示す積層体を得た。
【0053】
さらに、Al0.25Ga0.75Nノンドープスペーサ層を5nm、Siドープn型Al0.25Ga0.75N層を20nm、Al0.25Ga0.75Nキャップ層を5nm成長させて、第2窒化物系半導体層5を形成した。該Siドープn型Al0.25Ga0.75N層の不純物濃度は、5×1018/cm3であった。
【0054】
以上のように成長させた積層体の膜特性を評価した。AFMを用いて測定される表面ラフネスは、10μm角の領域においてRms=1.8nmと良好であった。また、TEMにより測定される単位面積当たりの結晶欠陥密度は7×104個/cm2であり、Si基板上に良好な窒化物系半導体薄膜が形成できたことを示した。ノマルスキー微分干渉顕微鏡による表面モフォロジー写真を図7に示した。
【0055】
さらに、本実施例で成長させた窒化物系半導体薄膜表面に、4端子のオーミック電極を形成し、ホール測定を行った。その結果、Al0.25Ga0.75N/GaN界面に形成される2次元電子ガスの電子移動度として、μ=1700cm2/Vsという高い電子移動度が得られた。
【0056】
そして、本実施例の積層体を用いて電界効果トランジスタを作製した。すなわち、第1フォトリソグラフィー工程にてイオン注入を行い、素子分離を行った。その後第2フォトリソグラフィー工程において、リフトオフ法により1対のオーミック電極8aおよび8bを形成した。本実施例においては8aをソース電極として用い、8bをドレイン電極として用いた。オーミック電極8aおよび8bは、Ti/Al/Ni/Auの4層電極とした。さらにオーミックコンタクトを形成させるため、窒素雰囲気下、30秒間にわたって850℃に加熱してラピッドサーマルアニールを行った。ソース−ドレイン電極のオーミックコンタクト抵抗は1×10−5Ωcm2であった。
【0057】
最後に、EB露光を用いてゲート長0.6μmのゲート電極7を形成し、図4に示す構造の電界効果トランジスタを得た。ゲート電極7は、Ni/Auを用いて形成した。トランジスタ特性を測定した結果、遮断周波数fT=18GHz、最大発振周波数fmax=41GHzという良好な高周波特性を示した。
【0058】
[実施例2]
実施例1と同様にして、Si基板1上に多層膜バッファ層2を形成した。次に、基板温度を1030℃に上昇させ、GaN層を200nm成長させた。次に、基板温度を720℃に低下させて、AlN中間層を15nm成長させた。基板温度を再び1030℃に上昇させ、GaN層を200nm成長させ、図2に示す積層体を得た。
【0059】
さらに引き続いて、Al0.25Ga0.75Nノンドープスペーサ層を5nm、Siドープn型Al0.25Ga0.75N層を20nm、Al0.25Ga0.75Nキャップ層を5nm成長させて、第2窒化物系半導体層5を形成した。該Siドープn型Al0.25Ga0.75N層の不純物濃度は、5×1018/cm3であった。
【0060】
以上のように成長させた積層体の膜特性を評価した。AFMを用いて測定される表面ラフネスは、10μm角の領域においてRms=1.5nmと良好であった。また、TEMにより測定される単位面積当たりの結晶欠陥密度は1×104個/cm2であり、Si基板上に良好な窒化物系半導体薄膜が形成できたことを示した。ノマルスキー微分干渉顕微鏡による表面モフォロジー写真を図8に示した。
【0061】
さらに、本実施例で成長させた窒化物系半導体薄膜表面に、4端子のオーミック電極を形成し、ホール測定を行った。その結果、Al0.25Ga0.75N/GaN界面に形成される2次元電子ガスの電子移動度として、μ=2100cm2/Vsという高い電子移動度が得られた。
【0062】
最後に、実施例1と同様にして、1対のオーミック電極(ソースおよびドレイン電極)と、ゲート長0.6μmのゲート電極7を形成し、図5に示す電界効果トランジスタを得た。得られたトランジスタの特性を測定した結果、fT=22GHz、fmax=44GHzという非常に良好な高周波特性を示した。
【0063】
[比較例1]
3インチSi基板51をMOCVD装置の成長室のサセプター上に設置し、水素ガスを流しながら15分間にわたって基板温度を1050℃に加熱クリーニングして、基板表面の酸化物を除去した。その後、基板温度を720℃とし、TMAガス、アンモニアガス、キャリアガスとして水素ガスおよび窒素ガスを流しながら、AlN層52aを10nm成長させた。
【0064】
次に、基板温度を800℃に上昇させ、GaN層52b(10nm)/AlN層52a(10nm)の構造を4度繰り返した積層構造を成長させた。
【0065】
次に、基板温度を1030℃に上昇させ、GaN層53を400nm成長させた。さらに、Al0.25Ga0.75Nノンドープスペーサ層55aを5nm、Siドープn型Al0.25Ga0.75N層55bを20nm、Al0.25Ga0.75Nキャップ層55cを5nm成長させて、図9に示す積層体を得た。
【0066】
実施例1と同様にして、上記で得られた積層体の膜特性を評価したが、表面には多数のクラック(結晶欠陥に相当する)が見られ、トランジスタを作製するには値しない膜であった。ノマルスキー微分干渉顕微鏡による表面モフォロジー写真を図10に示した。
【0067】
[実施例3]
実施例1と同様にして、Si基板1上に多層膜バッファ層2を形成した。次に、基板温度を1030℃に上昇させ、GaN層を200nm成長させた。次に、基板温度を720℃に低下させて、AlN中間層を15nm成長させた。基板温度を再び1030℃に上昇させ、GaN層を200nm成長させ、図2に示す積層体を得た。
【0068】
引き続いて、トリメチルインジウムガス、TMGガス、アンモニアガスを用いて、In0.2Ga0.8N層を成長させ、第3窒化物系半導体層6を形成した。
【0069】
さらに引き続いて、Al0.25Ga0.75Nノンドープスペーサ層を5nm、Siドープn型Al0.25Ga0.75N層を20nm、Al0.25Ga0.75Nキャップ層を5nm成長させて、第2窒化物系半導体層5を形成した。該Siドープn型Al0.25Ga0.75N層の不純物濃度は、5×1018/cm3であった。表面のモフォロジーは、実施例2と同様であった。
【0070】
以上のように成長させた積層体の膜特性を評価した。AFMを用いて測定される表面ラフネスは、10μm角の領域においてRms=1.4nmと良好であった。また、TEMにより測定される単位面積当たりの結晶欠陥密度は1×104個/cm2であり、Si基板上に良好な窒化物系半導体薄膜が形成できたことを示した。
【0071】
さらに、本実施例で成長させた窒化物系半導体薄膜表面に、4端子のオーミック電極を形成し、ホール測定を行った。その結果、Al0.25Ga0.75N/In0.2Ga0.8N界面に形成される2次元電子ガスの電子移動度として、μ=2400cm2/Vsという高い電子移動度が得られた。
【0072】
最後に、実施例1と同様にして、1対のオーミック電極(ソースおよびドレイン電極)と、ゲート長0.6μmのゲート電極7を形成し、図5に示す電界効果トランジスタを得た。得られたトランジスタの特性を測定した結果、fT=25GHz、fmax=46GHzという非常に良好な高周波特性を示した。
【0073】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、Siなどの安価で大口径化が可能な基板上に、混晶層を含むバッファ層を挿入することにより、これまでにない平坦で結晶欠陥のきわめて少なく、結晶性にも優れた窒化物系積層体が実現できる。また、本発明によれば、該積層体を用いて、高周波特性やパワートランジスタ特性にも優れた窒化物系電子素子が実現可能となり、その産業上の有用性は計り知れない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の積層体の一例を示す断面図である。
【図2】本発明の第2の実施形態の積層体の一例を示す断面図である。
【図3】本発明の第2の実施形態の積層体の他の例を示す断面図である。
【図4】本発明の第3の実施形態の電子素子の一例を示す断面図である。
【図5】本発明の第3の実施形態の電子素子の他の例を示す断面図である。
【図6】本発明の第4の実施形態の電子素子の一例を示す断面図である。
【図7】実施例1で得られる積層体のノマルスキー表面写真である。
【図8】実施例2で得られる積層体のノマルスキー表面写真である。
【図9】比較例1の積層体を示す断面図である。
【図10】比較例1で得られる積層体のノマルスキー表面写真である。
【符号の説明】
1 基板
2 多層膜バッファ層
2a XN層
2b 混晶層(XαZ1−αN層)
2c ZN層
3 第1窒化物系半導体層
3(a,b,c) 部分構成層
4(a,b) AlN中間層
5 第2窒化物系半導体層
6 第3窒化物系半導体層
7 ゲート電極
8(a,b) オーミック電極
51 Si基板
52a AlN層
52b、53 GaN層
55a AlGaNノンドープスペーサ層
55b SiドープAlGaN層
55c AlGaNキャップ層
Claims (8)
- 基板と、前記基板上に形成されている多層膜バッファ層と、前記多層膜バッファ層上に形成された第1窒化物系半導体層とを含む積層体であって、
前記多層膜バッファ層は、第1のIII族窒化物XNと、第2のIII族窒化物ZN(X≠Z)と、XαZ1−αN(0<α<1)からなる混晶層とを含み、
前記多層膜バッファ層は、XN/XαZ1−αN/ZN/XαZ1−αNからなる1つまたは複数の積層構造を有することを特徴とする積層体。 - 前記第1窒化物系半導体層は、第1窒化物系半導体からなる複数の部分構成層と、1つまたは複数のAlN中間層との積層構造を有し、前記AlN中間層のそれぞれは、前記部分構成層の間に位置することを特徴とする請求項1に記載の積層体。
- XおよびZが、Al、GaおよびInからなる群から選択されることを特徴とする請求項1または2に記載の積層体。
- 請求項1から3のいずれかに記載の積層体と、該積層体の第1窒化物系半導体層の上に形成されている第2窒化物系半導体層と、該第2窒化物系半導体層上に形成されている2つのオーミック電極と、前記2つのオーミック電極の間に形成されているゲート電極とを含むことを特徴とする電子素子。
- 前記第2窒化物系半導体層がAlβGa1−βN(0<β≦1)であることを特徴とする請求項4に記載の電子素子。
- 前記第1窒化物系半導体層と第2窒化物系半導体層との間に形成されている第3窒化物系半導体層をさらに含むことを特徴とする請求項4または5に記載の電子素子。
- 前記第3窒化物系半導体層がInγGa1−γN(0<γ<1)であることを特徴とする請求項6に記載の電子素子。
- 前記第2窒化物系半導体層にドナー不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項4から7のいずれかに記載の電子素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003086133A JP2004296717A (ja) | 2003-03-26 | 2003-03-26 | 窒化物系半導体を含む積層体およびそれを用いた電子素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003086133A JP2004296717A (ja) | 2003-03-26 | 2003-03-26 | 窒化物系半導体を含む積層体およびそれを用いた電子素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004296717A true JP2004296717A (ja) | 2004-10-21 |
Family
ID=33400878
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003086133A Withdrawn JP2004296717A (ja) | 2003-03-26 | 2003-03-26 | 窒化物系半導体を含む積層体およびそれを用いた電子素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004296717A (ja) |
Cited By (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005158889A (ja) * | 2003-11-21 | 2005-06-16 | Sanken Electric Co Ltd | 半導体素子形成用板状基体及びこの製造方法及びこれを使用した半導体素子 |
JP2006179861A (ja) * | 2004-11-26 | 2006-07-06 | Hitachi Cable Ltd | 半導体エピタキシャルウェハ及び電界効果トランジスタ |
JP2006351870A (ja) * | 2005-06-16 | 2006-12-28 | Hitachi Cable Ltd | 半導体エピタキシャルウェハ |
JP2007088426A (ja) * | 2005-08-25 | 2007-04-05 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体電子デバイス |
JP2007221001A (ja) * | 2006-02-17 | 2007-08-30 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体素子 |
JP2007258230A (ja) * | 2006-03-20 | 2007-10-04 | Dowa Holdings Co Ltd | 半導体基板及び半導体装置 |
JP2007300120A (ja) * | 2006-04-27 | 2007-11-15 | Samsung Electro Mech Co Ltd | 窒化物膜の製造方法及び窒化物構造物 |
JP2008159621A (ja) * | 2006-12-20 | 2008-07-10 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体電子デバイス |
JP2008171842A (ja) * | 2007-01-05 | 2008-07-24 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体電子デバイス |
JP2010251738A (ja) * | 2009-03-27 | 2010-11-04 | Covalent Materials Corp | 窒化物半導体エピタキシャル基板 |
JP2012256833A (ja) * | 2011-05-16 | 2012-12-27 | Toshiba Corp | 窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の製造方法 |
JP2013070013A (ja) * | 2011-09-08 | 2013-04-18 | Toshiba Corp | 窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の製造方法 |
JP2013084820A (ja) * | 2011-10-11 | 2013-05-09 | Toshiba Corp | 半導体発光素子及び半導体ウェーハ |
JP2013084819A (ja) * | 2011-10-11 | 2013-05-09 | Toshiba Corp | 窒化物半導体ウェーハ、窒化物半導体装置及び窒化物半導体結晶の成長方法 |
JP2013187551A (ja) * | 2013-04-09 | 2013-09-19 | Toshiba Corp | 窒化物半導体層の製造方法 |
US9287369B2 (en) | 2012-03-08 | 2016-03-15 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Nitride semiconductor element and nitride semiconductor wafer |
WO2016039178A1 (ja) * | 2014-09-10 | 2016-03-17 | シャープ株式会社 | 窒化物半導体積層構造及びそれを用いた電子デバイス |
US9349590B2 (en) | 2012-03-08 | 2016-05-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Method for manufacturing nitride semiconductor layer |
-
2003
- 2003-03-26 JP JP2003086133A patent/JP2004296717A/ja not_active Withdrawn
Cited By (26)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4525894B2 (ja) * | 2003-11-21 | 2010-08-18 | サンケン電気株式会社 | 半導体素子形成用板状基体及びこの製造方法及びこれを使用した半導体素子 |
JP2005158889A (ja) * | 2003-11-21 | 2005-06-16 | Sanken Electric Co Ltd | 半導体素子形成用板状基体及びこの製造方法及びこれを使用した半導体素子 |
JP2006179861A (ja) * | 2004-11-26 | 2006-07-06 | Hitachi Cable Ltd | 半導体エピタキシャルウェハ及び電界効果トランジスタ |
JP2006351870A (ja) * | 2005-06-16 | 2006-12-28 | Hitachi Cable Ltd | 半導体エピタキシャルウェハ |
JP2007088426A (ja) * | 2005-08-25 | 2007-04-05 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体電子デバイス |
JP2007221001A (ja) * | 2006-02-17 | 2007-08-30 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体素子 |
JP2007258230A (ja) * | 2006-03-20 | 2007-10-04 | Dowa Holdings Co Ltd | 半導体基板及び半導体装置 |
JP4670055B2 (ja) * | 2006-03-20 | 2011-04-13 | Dowaエレクトロニクス株式会社 | 半導体基板及び半導体装置 |
JP4699420B2 (ja) * | 2006-04-27 | 2011-06-08 | サムソン エルイーディー カンパニーリミテッド. | 窒化物膜の製造方法 |
JP2007300120A (ja) * | 2006-04-27 | 2007-11-15 | Samsung Electro Mech Co Ltd | 窒化物膜の製造方法及び窒化物構造物 |
JP2008159621A (ja) * | 2006-12-20 | 2008-07-10 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体電子デバイス |
JP2008171842A (ja) * | 2007-01-05 | 2008-07-24 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体電子デバイス |
JP2010251738A (ja) * | 2009-03-27 | 2010-11-04 | Covalent Materials Corp | 窒化物半導体エピタキシャル基板 |
JP2012256833A (ja) * | 2011-05-16 | 2012-12-27 | Toshiba Corp | 窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の製造方法 |
US8785943B2 (en) | 2011-09-08 | 2014-07-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Nitride semiconductor device, nitride semiconductor wafer, and method for manufacturing nitride semiconductor layer |
JP2013070013A (ja) * | 2011-09-08 | 2013-04-18 | Toshiba Corp | 窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の製造方法 |
US9065003B2 (en) | 2011-10-11 | 2015-06-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor light emitting device and semiconductor wafer |
JP2013084819A (ja) * | 2011-10-11 | 2013-05-09 | Toshiba Corp | 窒化物半導体ウェーハ、窒化物半導体装置及び窒化物半導体結晶の成長方法 |
US8835983B2 (en) | 2011-10-11 | 2014-09-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Nitride semiconductor device including a doped nitride semiconductor between upper and lower nitride semiconductor layers |
US8928000B2 (en) | 2011-10-11 | 2015-01-06 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Nitride semiconductor wafer including different lattice constants |
JP2013084820A (ja) * | 2011-10-11 | 2013-05-09 | Toshiba Corp | 半導体発光素子及び半導体ウェーハ |
US9287369B2 (en) | 2012-03-08 | 2016-03-15 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Nitride semiconductor element and nitride semiconductor wafer |
US9349590B2 (en) | 2012-03-08 | 2016-05-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Method for manufacturing nitride semiconductor layer |
US9508804B2 (en) | 2012-03-08 | 2016-11-29 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Nitride semiconductor element and nitride semiconductor wafer |
JP2013187551A (ja) * | 2013-04-09 | 2013-09-19 | Toshiba Corp | 窒化物半導体層の製造方法 |
WO2016039178A1 (ja) * | 2014-09-10 | 2016-03-17 | シャープ株式会社 | 窒化物半導体積層構造及びそれを用いた電子デバイス |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3960957B2 (ja) | 半導体電子デバイス | |
US8476151B2 (en) | Method for manufacturing nitride semiconductor crystal layer | |
KR101854021B1 (ko) | 헤테로기판 상의 iii족-질화물 버퍼 층 구조의 p-도핑 | |
JP4530171B2 (ja) | 半導体装置 | |
JP5099008B2 (ja) | SiC基板を用いた化合物半導体装置とその製造方法 | |
US8247796B2 (en) | Semiconductor device | |
JP2004296717A (ja) | 窒化物系半導体を含む積層体およびそれを用いた電子素子 | |
US7982241B2 (en) | Epitaxial substrate, semiconductor device substrate, and HEMT device | |
WO2006080376A1 (ja) | 窒化物半導体素子および窒化物半導体結晶層の成長方法 | |
JP2007221001A (ja) | 半導体素子 | |
WO2009119357A1 (ja) | 半導体素子用エピタキシャル基板、半導体素子、および半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法 | |
JP6731584B2 (ja) | 窒化物半導体装置および窒化物半導体基板 | |
JPWO2009119356A1 (ja) | 半導体素子用エピタキシャル基板、半導体素子、および半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法 | |
JP3977659B2 (ja) | ヘテロ接合電界効果トランジスタ | |
JPWO2011118433A1 (ja) | 半導体素子用エピタキシャル基板および半導体素子 | |
US8633514B2 (en) | Group III nitride semiconductor wafer and group III nitride semiconductor device | |
EP2296172B1 (en) | Epitaxial substrate for semiconductor device, schottky junction structure, and leakage current suppression method for schottky junction structure | |
KR20170101932A (ko) | 전자 디바이스용 에피택셜 기판, 전자 디바이스, 전자 디바이스용 에피택셜 기판의 제조 방법, 그리고 전자 디바이스의 제조 방법 | |
JP5824814B2 (ja) | 半導体ウエーハ及び半導体素子及びその製造方法 | |
JP2004273630A (ja) | 電界効果トランジスタの製造方法 | |
JP5110762B2 (ja) | 半導体積層構造およびhemt素子 | |
JP2004289005A (ja) | エピタキシャル基板、半導体素子および高電子移動度トランジスタ | |
JP3470054B2 (ja) | 窒化物系iii−v族化合物半導体装置 | |
JP2005129856A (ja) | 半導体電子デバイス | |
JP3599592B2 (ja) | Iii−v族窒化物系化合物半導体への電極形成方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20060606 |