JP2005285869A - Epitaxial substrate and semiconductor device using the same - Google Patents

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Michinobu Tsuda
道信 津田
Motoaki Iwatani
素顕 岩谷
Satoshi Kamiyama
智 上山
Hiroshi Amano
浩 天野
Isamu Akasaki
勇 赤崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an epitaxial substrate for manufacturing FET which is superior in smoothness, by optimizing the combination of the off-angle of the main face of a sapphire substrate and the growth condition of a semiconductor laminate structural part. <P>SOLUTION: In the epitaxial substrate for manufacturing field effect transistor, the laminate structure formed of a nitride semiconductor is laminated on the main face of the sapphire substrate and the laminate structure has a heterostructure, where an electronic run layer consisting of gallium nitride or gallium nitride indium and a barrier layer consisting of aluminum nitride gallium are laminated sequentially. In the main face of the sapphire substrate, the off-angle α from a (01-12) face to a (0001) face satisfies 0°<x≤5°. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、窒化物系半導体を成長させたエピタキシャル基板及びそれを用いた半導体装置に関するものである。   The present invention relates to an epitaxial substrate on which a nitride semiconductor is grown and a semiconductor device using the same.

窒化アルミニウム(以下、AlNという。)、窒化ガリウム(以下、GaNという。)、窒化インジウム(以下、InNという。)、あるいは、それらの混晶である窒化アルミニウムガリウムインジウム(以下、AlGa1−x−yInN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)という。)などの窒化物系半導体は受発光素子や電子走行素子に用いることができるため、近年、その結晶成長や半導体装置への応用について、幅広く研究がなされている。 Aluminum nitride (hereinafter referred to as AlN), gallium nitride (hereinafter referred to as GaN), indium nitride (hereinafter referred to as InN), or a mixed crystal of them, aluminum gallium indium nitride (hereinafter referred to as Al x Ga 1−). Since nitride-based semiconductors such as xy In y N (referred to as 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) can be used for light emitting / receiving elements and electron transit elements, A wide range of research has been conducted on crystal growth and application to semiconductor devices.

窒化物系半導体は大型のバルク単結晶が成長できないため、一般的にはサファイアなどの異種基板を半導体成長用基板に用いてヘテロエピタキシャル成長させている。   Since nitride-based semiconductors cannot grow large bulk single crystals, they are generally heteroepitaxially grown using a heterogeneous substrate such as sapphire as a substrate for semiconductor growth.

エピタキシャル成長の方法としては、有機金属気相成長(MOVPE) 法、分子線エピタキシー(MBE)法、ハライド気相成長(HVPE)法などがあるが、実用化の面で最も一般的なのはMOVPE法である。   Epitaxial growth methods include metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE), molecular beam epitaxy (MBE), and halide vapor phase epitaxy (HVPE). The most common method for practical use is MOVPE. .

また、上記のような半導体素子を用いた半導体装置は、窒化物系半導体層を積層してなる構造をサファイア基板の全面にエピタキシャル成長させ、所望のデバイス形状に加工した後、電極を形成している。   Further, in the semiconductor device using the semiconductor element as described above, a structure in which a nitride semiconductor layer is stacked is epitaxially grown on the entire surface of the sapphire substrate, processed into a desired device shape, and then an electrode is formed. .

禁制帯幅の広い窒化物系半導体材料は、絶縁破壊電圧が高いという特性を有し、高電界下でも破壊することなく動作できることから、高出力通信用の半導体装置への応用が期待されている。   Nitride-based semiconductor materials with a wide forbidden band have characteristics such as a high breakdown voltage, and can operate without breaking even under a high electric field, and are expected to be applied to semiconductor devices for high-power communication. .

例えば、特許文献1では、図4のような積層構造部42を用い、高密度の2次元電子ガスを誘起するヘテロ接合によって、電界効果トランジスタ(以下、FETという)を提供している。   For example, in Patent Document 1, a field effect transistor (hereinafter referred to as an FET) is provided by a heterojunction that induces a high-density two-dimensional electron gas using a stacked structure portion 42 as shown in FIG.

まず、(0001)面を主面とするサファイア基板41(以下、C面サファイア基板という。)上に、厚みが30nmのバッファ層421を介して厚みが2μmのアンドープGaN層422を成長させ、その後、30nmのアンドープAl0.3Ga0.7N層423、10nmのアンドープGaN層424、10nmのアンドープAl0.3Ga0.7Nのスペーサ層425、10nmのn型Al0.3Ga0.7Nの電子供給層426、15nmの傾斜組成アンドープAlxGa1-xNの障壁層427、6nmのn型Al0.06Ga0.94Nのコンタクト層428を順次積層して積層構造部42を形成し、エピタキシャル基板4を得ている。 First, an undoped GaN layer 422 having a thickness of 2 μm is grown on a sapphire substrate 41 (hereinafter referred to as a C-plane sapphire substrate) having a (0001) plane as a main surface through a buffer layer 421 having a thickness of 30 nm. , 30 nm undoped Al 0.3 Ga 0.7 undoped Al of the undoped GaN layer 424,10nm the n layer 423,10nm 0.3 Ga 0.7 n-type spacer layer 425,10nm of n Al 0.3 Ga 0 of .7 N electron supply layer 426, 15 nm graded undoped Al x Ga 1-x N barrier layer 427, 6 nm n-type Al 0.06 Ga 0.94 N contact layer 428 are sequentially laminated to form a laminated structure The portion 42 is formed to obtain the epitaxial substrate 4.

そして、エピタキシャル基板4上にソース電極431、ドレイン電極432、ゲート電極433をそれぞれ形成して、FETが得られている。   A source electrode 431, a drain electrode 432, and a gate electrode 433 are formed on the epitaxial substrate 4 to obtain an FET.

このように、サファイア基板の(0001)面、または、(0001)面からのオフアングルαが微少である面(以下、これらを合わせて、C面と呼ぶ。)を用いることが一般的である。   Thus, it is common to use the (0001) plane of the sapphire substrate or a plane with a small off-angle α from the (0001) plane (hereinafter, these are collectively referred to as the C plane). .

ここで、C面サファイア基板41を用いた窒化物系半導体からなるエピタキシャル基板4を製造した場合、C面を主面とする窒化物系半導体が成長し、その材料に特有なピエゾ電界の影響を受けて、ヘテロ接合の界面付近に反転層が形成されるので、それを用いて製造したFETは、ゲートバイアスがゼロの状態で既にドレイン電流が流れ得る、所謂デプレッション型のFETが製造される。   Here, when the epitaxial substrate 4 made of a nitride-based semiconductor using the C-plane sapphire substrate 41 is manufactured, a nitride-based semiconductor having the C-plane as a main surface grows, and the influence of the piezoelectric field peculiar to the material is increased. In response, an inversion layer is formed in the vicinity of the interface of the heterojunction, so that a FET manufactured using the inversion layer is a so-called depletion type FET in which a drain current can already flow with a gate bias being zero.

しかしながら、実際には、上記のデプレッション型FETだけでなく、ゲートバイアスがゼロの状態ではドレイン電流が流れ得ず、ゲートバイアスを印加することでドレイン電流が流れる所謂、エンハンスメント型FETも必要である。   However, in reality, not only the above-described depletion type FET but also a so-called enhancement type FET in which the drain current cannot flow when the gate bias is zero and the drain current flows by applying the gate bias is also necessary.

ところが、窒化物系半導体を用いたFETにはエンハンスメント型がなく、回路設計に制約が多く、その応用が限られていたため、窒化物系半導体を用いたエンハンスメント型のFETが強く望まれていた。   However, an FET using a nitride semiconductor does not have an enhancement type, and there are many restrictions on circuit design and its application is limited. Therefore, an enhancement type FET using a nitride semiconductor has been strongly desired.

エンハンスメント型のFETを製造するには、半導体積層構造における反転層形成の制御が必要である。   In order to manufacture the enhancement type FET, it is necessary to control the formation of the inversion layer in the semiconductor multilayer structure.

例えば、砒化ガリウム系半導体を用いたFETでは、砒化アルミニウムガリウムからなる障壁層の膜厚を数10nm程度の範囲で調節することで反転層の形成を制御することが可能で、デプレッション型とエンハンスメント型を区別して製造することができる。   For example, in an FET using a gallium arsenide-based semiconductor, the formation of an inversion layer can be controlled by adjusting the film thickness of a barrier layer made of aluminum gallium arsenide within a range of about several tens of nanometers. Depletion type and enhancement type Can be manufactured separately.

回路設計上、デプレッション型FETでなければならないこともあるが、その反面、動作させるためにはプラスとマイナスの2種類の電源が必要であり、消費電力が多いことや、それを用いる電子回路の部品点数が多くなる問題があった。   The circuit design may have to be a depletion type FET, but on the other hand, it requires two types of power sources, plus and minus, to operate it, which consumes a lot of power and the electronic circuit that uses it. There was a problem that the number of parts increased.

一方、C面の窒化物系半導体の場合はピエゾ電界が強いため、ヘテロ接合の界面に反転層を生じやすいという性質がある。   On the other hand, a nitride semiconductor on the C plane has a property that an inversion layer is easily generated at the interface of the heterojunction because the piezoelectric field is strong.

このため、ピエゾ電界の影響が出ないC面以外の面方位を主面とし、表面の平滑な窒化物系半導体の成長が必要であったにも関わらず、平滑な成長を行うことはできなかった。   For this reason, it is impossible to perform smooth growth even though it is necessary to grow a nitride-based semiconductor having a smooth surface with a surface orientation other than the C-plane that is not affected by the piezoelectric field. It was.

また、従来用いられているような低温バッファ層技術では、膜厚を数nmから数10nm程度の低温バッファ層を形成するが、半導体成長用基板11としてサファイアの代表的な面方位であるC面、あるいは、(11−20)面を用いた場合、その上に積層する下地層121はC軸配向し、積層構造部のC軸とサファイア基板表面の垂線は一致することとなり、ヘテロ構造を積層した場合にピエゾ電界を生じてしまうという問題があった。   Further, in the conventional low temperature buffer layer technology, a low temperature buffer layer having a film thickness of about several nanometers to several tens of nanometers is formed, but the C plane which is a typical plane orientation of sapphire as the substrate 11 for semiconductor growth. Alternatively, when the (11-20) plane is used, the underlying layer 121 laminated thereon is C-axis oriented, and the C-axis of the laminated structure and the perpendicular of the surface of the sapphire substrate coincide with each other, and the heterostructure is laminated. In this case, there is a problem that a piezo electric field is generated.

また、(01−12)面のサファイア基板上に、従来の低温バッファ層技術を用いて窒化物系半導体層を積層する場合、その膜厚が薄いことから、平滑な下地層を形成できないので、半導体装置を製造するには不向きであるという問題があった。   In addition, when a nitride-based semiconductor layer is stacked on a (01-12) -plane sapphire substrate using a conventional low-temperature buffer layer technology, since the film thickness is thin, a smooth base layer cannot be formed. There was a problem that it was unsuitable for manufacturing a semiconductor device.

上記の問題を解決すべく、例えば特許文献2などには、(01−12)面のサファイア基板を用いて積層構造部のC軸が半導体成長用基板と平行となるような結晶成長方法が既に提起されているが、いずれにおいても積層構造部表面の平滑性については全く述べられていない。   In order to solve the above problem, for example, Patent Literature 2 already discloses a crystal growth method using a (01-12) plane sapphire substrate so that the C-axis of the laminated structure is parallel to the semiconductor growth substrate. In any case, the smoothness of the surface of the laminated structure portion is not described at all.

また、その結晶成長方法を用いた場合のFETの動作についても議論されていない。
特開平10-335637号公報 特開2002−374003号公報
Further, there is no discussion about the operation of the FET when the crystal growth method is used.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-335637 JP 2002-374003 A

表面の平滑性はFETを製造する際に非常に重要な要素である。   Surface smoothness is a very important factor when manufacturing FETs.

しかしながら、実際に(01−12)面サのファイア基板を用いて積層構造部を形成しても、表面の平滑になることは希であり、それを用いてFETを得るのは困難であった。   However, even if the laminated structure is actually formed using a (01-12) plane fire substrate, it is rare that the surface becomes smooth, and it is difficult to obtain an FET using it. .

そこで、サファイア基板の主面のオフアングルと半導体積層構造部の成長条件の組み合わせを最適化することにより、平滑性の優れたFET製造用のエピタキシャル基板を提供する必要があった。   Therefore, it has been necessary to provide an epitaxial substrate for manufacturing an FET with excellent smoothness by optimizing the combination of the off-angle of the main surface of the sapphire substrate and the growth conditions of the semiconductor multilayer structure.

上記に鑑みて、本発明は、サファイア基板の主面上に窒化物系半導体からなる積層構造部が積層され、該積層構造部が少なくとも窒化ガリウムまたは窒化ガリウムインジウムからなる電子走行層、及び窒化アルミニウムガリウムからなる障壁層を順次積層してなるヘテロ構造を有する電界効果トランジスタ製造用のエピタキシャル基板において、上記サファイア基板の主面が、(01−12)面から(0001)面方向へのオフアングルαが0°<x≦5°を満たす面であることを特徴とする。   In view of the above, according to the present invention, a multilayer structure portion made of a nitride-based semiconductor is laminated on the main surface of a sapphire substrate, and the multilayer structure portion is made of at least gallium nitride or gallium indium nitride, and aluminum nitride. In an epitaxial substrate for manufacturing a field effect transistor having a heterostructure formed by sequentially stacking barrier layers made of gallium, the main surface of the sapphire substrate has an off-angle α from the (01-12) plane to the (0001) plane. Is a surface satisfying 0 ° <x ≦ 5 °.

また、上記サファイア基板上に窒化アルミニウムのモル分率xが0.5≦x≦1.0を満たす窒化アルミニウムガリウムAlGa1−xNからなる下地層を直接成長させたことを特徴とする。 In addition, an underlying layer made of aluminum gallium nitride Al x Ga 1-x N satisfying a molar fraction x of aluminum nitride satisfying 0.5 ≦ x ≦ 1.0 is directly grown on the sapphire substrate. .

また、上記下地層の膜厚が、0.05〜2.0μmの範囲であることを特徴とする。   The underlayer has a thickness in the range of 0.05 to 2.0 μm.

また、上記エピタキシャル基板を用いたことを特徴とする。   In addition, the epitaxial substrate is used.

窒化物系半導体によるエピタキシャル基板を提供することにより、エンハンスメント型FETの製造を可能にする。   By providing an epitaxial substrate made of a nitride-based semiconductor, enhancement-type FETs can be manufactured.

以下に、本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

図1は、本発明のエピタキシャル基板1を示す模式図である。   FIG. 1 is a schematic view showing an epitaxial substrate 1 of the present invention.

サファイア基板からなる半導体成長用基板11の一方の主面上に、AlNのモル分率xが、0.5≦x≦1.0である窒化アルミニウムガリウムAlGa1−xNからなる下地層121、GaNまたはGaInNからなる電子走行層122、AlGaNからなる障壁層123を順次積層してなる。 On one main surface of the semiconductor growth substrate 11 made of a sapphire substrate, an underlayer made of aluminum nitride gallium Al x Ga 1-x N with an AlN molar fraction x of 0.5 ≦ x ≦ 1.0. 121, an electron transit layer 122 made of GaN or GaInN, and a barrier layer 123 made of AlGaN are sequentially stacked.

そして、窒化物系半導体の積層構造部12の[0001]軸(図中d。以下、C軸という。)が、上記半導体成長用基板11の主面と平行となるようにする。   Then, the [0001] axis (d in the figure, hereinafter referred to as “C axis”) of the nitride-based semiconductor laminated structure 12 is set to be parallel to the main surface of the semiconductor growth substrate 11.

図2のように、半導体成長用基板11の一主面とサファイア(01−12)面(図中b)のなす角が、半導体成長用基板11の主面のオフアングルαであり、半導体成長用基板11のc軸(図中c)は、主面に対して斜めになっている。特に、0<α≦5°となるような面を主面とするサファイア基板(以下、(01−12)サファイア基板という。)の場合、(01−12)サファイア基板上に成長させる下地層121、電子走行層122、障壁層123からなる積層構造部12のC軸(図中d)が主面と平行になるように成長しやすく好ましい。   As shown in FIG. 2, the angle formed by one main surface of the semiconductor growth substrate 11 and the sapphire (01-12) surface (b in the figure) is the off-angle α of the main surface of the semiconductor growth substrate 11, and the semiconductor growth The c-axis (c in the figure) of the working substrate 11 is inclined with respect to the main surface. In particular, in the case of a sapphire substrate whose main surface is such that 0 <α ≦ 5 ° (hereinafter referred to as (01-12) sapphire substrate), a base layer 121 grown on a (01-12) sapphire substrate. It is preferable that the C-axis (d in the figure) of the laminated structure portion 12 composed of the electron transit layer 122 and the barrier layer 123 is easy to grow so as to be parallel to the main surface.

これを行うには、下地層121を構成するAlGaNのAlNモル分率は0.5〜1.0、その膜厚は0.05〜2.0μmとするのが好ましい。   For this purpose, the AlN molar fraction of AlGaN constituting the underlayer 121 is preferably 0.5 to 1.0, and the film thickness is preferably 0.05 to 2.0 μm.

オフアングルαが0°の場合、または、5°より大きい場合では、主面に対して積層構造部12のC軸が平行にならなかったり、平滑な表面となるような成長が不可能であると言う問題があった。   When the off-angle α is 0 ° or larger than 5 °, the C-axis of the laminated structure portion 12 is not parallel to the main surface or cannot grow so as to have a smooth surface. There was a problem.

また、主面を(11−20)面の方向へオフアングルさせた場合も同様の問題があった。   The same problem occurs when the main surface is off-angled in the direction of the (11-20) plane.

また、下地層121層の膜厚を2μmより大きくした場合にはクラックが生じてしまい、
また、0.05μm未満では平滑な表面となる成長を満足しなかった。
In addition, when the film thickness of the underlayer 121 is larger than 2 μm, a crack occurs,
On the other hand, when the thickness is less than 0.05 μm, the growth that gives a smooth surface was not satisfied.

ここで、エピタキシャル成長させた窒化物系半導体層12の算術平均表面粗さは、原子間力顕微鏡(AFM)で測定すれば良く、二乗根平均の表面粗さRrmsでは、10nm以下である必要がある。 Here, the arithmetic average surface roughness of the nitride-based semiconductor layer 12 epitaxially grown may be measured by an atomic force microscope (AFM), and the root-mean-average surface roughness R rms needs to be 10 nm or less. is there.

しかし、本発明によれば、(01−12)サファイア基板上に表面の平滑な成長が可能となり、かつ、積層構造部12のC軸を積層構造部12の面内に含まれるように配向し、積層構造部12の垂線の方向にピエゾ電界を生じないことにより、FET3をエンハンスメント型とすることができる。   However, according to the present invention, smooth growth of the surface is possible on the (01-12) sapphire substrate, and the C axis of the laminated structure portion 12 is oriented so as to be included in the plane of the laminated structure portion 12. The FET 3 can be made an enhancement type by not generating a piezo electric field in the direction of the perpendicular of the laminated structure portion 12.

表面の平滑な成長が可能となった場合でも、本発明のように下地層121の膜厚と組成を制御して成長させないと、積層構造部12にクラックを生じてしまう。   Even when smooth growth of the surface is possible, if the film thickness and composition of the underlayer 121 are not controlled and grown as in the present invention, cracks will occur in the laminated structure portion 12.

ここでGaN、または、GaInNからなる電子走行層122は、電子の移動度を保つため不純物ドーピングを行ってはならないが、膜厚は10〜200nmの範囲であれば良い。   Here, the electron transit layer 122 made of GaN or GaInN must not be doped with impurities in order to maintain electron mobility, but the film thickness may be in the range of 10 to 200 nm.

また、GaInNを電子走行層122に用いた場合、InNモル分率が高いと、積層構造部12の2次元電子ガス密度を増加させることができるが、合金散乱による移動度低下が起こるので、必要に応じて、0.1以下とするのが好ましい。   Further, when GaInN is used for the electron transit layer 122, if the InN molar fraction is high, the two-dimensional electron gas density of the laminated structure portion 12 can be increased, but it is necessary because the mobility is lowered due to alloy scattering. Depending on the above, it is preferably 0.1 or less.

その後、AlGaNからなる障壁層123を形成する。障壁層123の膜厚は5〜50nmとし、電子走行層122と障壁層123の界面に2次元電子ガスを形成する(反転層形成時)ようにする。   Thereafter, a barrier layer 123 made of AlGaN is formed. The thickness of the barrier layer 123 is 5 to 50 nm, and a two-dimensional electron gas is formed at the interface between the electron transit layer 122 and the barrier layer 123 (when forming the inversion layer).

また、障壁層123には変調ドーピングを施して、FETの電子移動度向上を目的にアンドープのスペーサ層(図示せず)、及び、電子供給を目的に、例えば、シリコンをドープする電子供給層(図示せず)で構成しても良い。   Further, the barrier layer 123 is subjected to modulation doping, an undoped spacer layer (not shown) for the purpose of improving the electron mobility of the FET, and an electron supply layer (for example, doped with silicon for the purpose of supplying electrons). (Not shown).

また、下地層121上に成長させる電子走行層122や障壁層123は、下地層121の主面に対して結晶がコヒーレントになるようにしなければならない。   In addition, the electron transit layer 122 and the barrier layer 123 grown on the base layer 121 must have a crystal coherent with respect to the main surface of the base layer 121.

また、必要に応じ、ソース電極31、ドレイン電極32のオーミック接触を容易に形成することを目的に、障壁層123の上にさらにシリコン密度の高いコンタクト層428を、3〜20nmの膜厚で成長させても良い(図示せず)。   Further, a contact layer 428 having a higher silicon density is grown on the barrier layer 123 with a film thickness of 3 to 20 nm for the purpose of easily forming an ohmic contact between the source electrode 31 and the drain electrode 32 as necessary. It may be allowed (not shown).

また、各層の成長温度は、それぞれの組成、結晶性、表面粗さや電気的特性など、エピタキシャル基板1の特性を損なわないようにして設定すればよい。   The growth temperature of each layer may be set so as not to impair the characteristics of the epitaxial substrate 1 such as the composition, crystallinity, surface roughness, and electrical characteristics.

ここで、(01−12)サファイア基板11は価格が安いので、他の代表的な面方位であるC面や(11−20)面を主面とするサファイアを半導体成長用基板11として用いる場合に比べて、安価にエピタキシャル基板1を製造できると言う効果もある。   Here, since the price of the (01-12) sapphire substrate 11 is low, sapphire whose principal surface is the C-plane or (11-20) plane, which is another typical plane orientation, is used as the semiconductor growth substrate 11. Compared to the above, there is an effect that the epitaxial substrate 1 can be manufactured at low cost.

次に、上記のエピタキシャル基板1を用いて製造するFETについて説明する。   Next, an FET manufactured using the epitaxial substrate 1 will be described.

図3のように、FET3は、上記エピタキシャル基板1、及び、ソース電極31、ドレイン電極32、ゲート電極33から構成される。   As shown in FIG. 3, the FET 3 includes the epitaxial substrate 1, the source electrode 31, the drain electrode 32, and the gate electrode 33.

FET3の製造方法は、既存のフォトリソグラフィー技術、蒸着技術、エッチング技術を用いれば良い。   The manufacturing method of FET3 should just use the existing photolithography technique, a vapor deposition technique, and an etching technique.

素子分離は、例えば、ウエットエッチング、ドライエッチングなどを用いて、図3のようにメサ加工を行うことができるし、また、選択熱酸化や、イオン打ち込みによって、部分的に高抵抗化させても良い。   For element isolation, for example, wet etching, dry etching, or the like can be used to perform mesa processing as shown in FIG. 3, or partial resistance can be increased by selective thermal oxidation or ion implantation. good.

ソース電極31、及び、ドレイン電極32は、例えば、Ti/Al/Tiで構成し、その後、600〜1000℃の温度で熱処理すると良好なオーミック接合が形成できる。   When the source electrode 31 and the drain electrode 32 are made of, for example, Ti / Al / Ti and then heat-treated at a temperature of 600 to 1000 ° C., a good ohmic junction can be formed.

ゲート電極33は、例えば、Ni/Auを積層し、ショットキー接合を形成する。   The gate electrode 33 is formed by, for example, stacking Ni / Au to form a Schottky junction.

最後に、パッド電極として、Ti/Auをソース、ドレイン、ゲートの各電極に対して形成するとFET3を製造することができる。   Finally, if Ti / Au is formed on the source, drain, and gate electrodes as pad electrodes, the FET 3 can be manufactured.

以上のようにして製造したFET3は、ゲートバイアス印加時にドレイン電流が流れ得る、所謂エンハンスメント型となる。   The FET 3 manufactured as described above is a so-called enhancement type in which a drain current can flow when a gate bias is applied.

第1の実施例として、図1を用いて、本発明の実施例について説明する。   As a first embodiment, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

成長方法にはMOVPE法を用い、半導体成長用基板11として(01−12)サファイア基板を使用した。このときの(0001)面方向へのオフアングルαは、1.0°とした。   A MOVPE method was used as the growth method, and a (01-12) sapphire substrate was used as the semiconductor growth substrate 11. At this time, the off angle α in the (0001) plane direction was set to 1.0 °.

次に、1100℃でAlNからなる下地層121を200nm成長させ、1100℃でGaNからなる電子走行層122を50nm成長した。   Next, a base layer 121 made of AlN was grown at 200 nm at 1100 ° C., and an electron transit layer 122 made of GaN was grown at 50 nm at 1100 ° C.

次に、1000℃においてAlNモル分率が0.25のAlGaNからなる障壁層123を27nm成長した。   Next, a barrier layer 123 made of AlGaN having an AlN molar fraction of 0.25 at 1000 ° C. was grown to 27 nm.

障壁層123は変調ドーピングを施し、膜厚7nmのアンドープのスペーサ層425、及び、20nmのシリコンドープの電子供給層426から構成し(図示せず)、エピタキシャル基板1を得た。X線回折測定により、積層構造部12のC軸が積層構造部12の面内にあり、(01−12)サファイア基板11の主面と平行であることが確認された。   The barrier layer 123 was subjected to modulation doping and comprised of an undoped spacer layer 425 having a thickness of 7 nm and a silicon-doped electron supply layer 426 having a thickness of 20 nm (not shown), whereby the epitaxial substrate 1 was obtained. X-ray diffraction measurement confirmed that the C axis of the laminated structure portion 12 was in the plane of the laminated structure portion 12 and parallel to the main surface of the (01-12) sapphire substrate 11.

次に、このエピタキシャル基板1を用いて、FET3を製造した。   Next, FET3 was manufactured using this epitaxial substrate 1. FIG.

まず、フォトリソグラフィー技術によりマスクを形成した後、塩素系ガスを用いたドライエッチングにより素子分離を行い、エッチング深さは60nmとした。   First, after forming a mask by photolithography, element isolation was performed by dry etching using a chlorine-based gas, and the etching depth was set to 60 nm.

次に、電子線蒸着法により、Ti/Al/Tiをそれぞれ膜厚30/100/20nm堆積しソース電極31、及び、ドレイン電極32を形成し、その後、窒素雰囲気中で90秒間850°で熱処理した。   Next, Ti / Al / Ti are deposited to a thickness of 30/100/20 nm by electron beam evaporation to form a source electrode 31 and a drain electrode 32, and then heat-treated at 850 ° for 90 seconds in a nitrogen atmosphere. did.

次に、Ni/Auをそれぞれ膜厚20/80nm堆積してゲート電極33を形成した。   Next, Ni / Au was deposited to a thickness of 20/80 nm to form the gate electrode 33.

このようにして図3のFET3を得て、ゲートバイアスを印加したときにドレイン電流が流れるエンハンスメント型であった。   Thus, the FET 3 of FIG. 3 was obtained, and it was an enhancement type in which a drain current flows when a gate bias is applied.

また、上記と同様にして、エピタキシャル基板を製造した。   Further, an epitaxial substrate was manufactured in the same manner as described above.

この場合は、下地層121にはAlNモル分率が0.5で、膜厚が1μmのAlGaNを用い、成長温度は、1000°とした。   In this case, AlGaN having an AlN molar fraction of 0.5 and a film thickness of 1 μm was used for the underlayer 121, and the growth temperature was 1000 °.

その後、1100℃でGaNからなる電子走行層122を50nm成長した。   Thereafter, an electron transit layer 122 made of GaN was grown to 50 nm at 1100 ° C.

次に、1000℃においてAlNモル分率が0.25のAlGaNからなる障壁層123を27nm成長した。   Next, a barrier layer 123 made of AlGaN having an AlN molar fraction of 0.25 at 1000 ° C. was grown to 27 nm.

障壁層123は変調ドーピングを施し、7nmのアンドープのスペーサ層と20nmのシリコンドープの電子供給層426から構成し、エピタキシャル基板1を得た。X線回折測定により、積層構造部12のC軸dが半導体成長用基板11の主面に対して平行であることが確認された。   The barrier layer 123 was subjected to modulation doping, and was composed of a 7 nm undoped spacer layer and a 20 nm silicon doped electron supply layer 426 to obtain the epitaxial substrate 1. X-ray diffraction measurement confirmed that the C axis d of the laminated structure portion 12 was parallel to the main surface of the semiconductor growth substrate 11.

このエピタキシャル基板1を用い、上記と同様の方法により得られたFET3は図3のようになり、ゲートバイアスを印加したときにドレイン電流が流れるエンハンスメント型であった。   The FET 3 obtained by the same method as described above using this epitaxial substrate 1 is as shown in FIG. 3, and is an enhancement type in which a drain current flows when a gate bias is applied.

以下、上記と同様な評価を、条件を変化させて比較するために、表1に示すような条件で実施例1〜11、及び、比較例1を作成して評価した。

Figure 2005285869
Hereinafter, Examples 1 to 11 and Comparative Example 1 were prepared and evaluated under the conditions shown in Table 1 in order to compare the same evaluations as described above while changing the conditions.
Figure 2005285869

まず、比較例1,2にあるように、オフアングルαが0°、及び、6°の(01−12)サファイア基板11を用いたところ、表面粗さが大きくなった。   First, as in Comparative Examples 1 and 2, when a (01-12) sapphire substrate 11 having an off angle α of 0 ° and 6 ° was used, the surface roughness was increased.

一方、実施例1〜4より、(01−12)サファイア基板11のオフアングルαが0°<α≦5°以下において、表面粗さを小さくできた。   On the other hand, from Examples 1 to 4, the surface roughness was reduced when the off-angle α of the (01-12) sapphire substrate 11 was 0 ° <α ≦ 5 ° or less.

次に、実施例6、7のように下地層121の膜厚を0.05〜2μmとすれば、表面粗さは小さく保つことが出来たが、実施例5のように0.05μmより小さいと表面粗さが大きくなる傾向があった。   Next, if the film thickness of the underlayer 121 is 0.05 to 2 μm as in Examples 6 and 7, the surface roughness can be kept small, but is smaller than 0.05 μm as in Example 5. And the surface roughness tended to increase.

一方、実施例8のように、下地層121の膜厚が2μmより厚くなると、クラックが生じるという問題が生じ歩留まりを低下させた。   On the other hand, when the film thickness of the underlayer 121 is greater than 2 μm as in Example 8, there is a problem that cracks occur and the yield is lowered.

さらに、下地層中における最適なAlNモル分率を調べるため、実施例2、9、10、11を比較したところ、AlNモル分率が0.5より小さい場合には、実施例9のように表面粗さが悪化する傾向があった。   Further, in order to investigate the optimal AlN mole fraction in the underlayer, when Examples 2, 9, 10, and 11 were compared, when the AlN mole fraction was smaller than 0.5, as in Example 9, There was a tendency for the surface roughness to deteriorate.

本発明のエピタキシャル基板を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the epitaxial substrate of this invention. 本発明のエピタキシャル基板の、基板と積層構造部の結晶方位関係を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the crystal orientation relationship of a board | substrate and a laminated structure part of the epitaxial substrate of this invention. 本発明の半導体装置を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the semiconductor device of this invention. 従来の半導体装置を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the conventional semiconductor device.

符号の説明Explanation of symbols

1 エピタキシャル基板
3 FET
4 エピタキシャル基板
11 半導体成長用基板((01−12)サファイア基板)
41 半導体成長用基板
12、42 積層構造部(窒化物系半導体層)
31、431 ソース電極
32、432 ドレイン電極
33、433 ゲート電極
121 下地層
122 電子走行層
123 障壁層
421 バッファ層
425 スペーサ層
426 電子供給層
427 障壁層
428 コンタクト層
α オフアングル
a 半導体成長用基板11の主面の法線
b 半導体成長用基板11の(01−12)面
c 半導体成長用基板11のC軸
d 積層構造部12のC軸
1 Epitaxial substrate 3 FET
4 Epitaxial Substrate 11 Semiconductor Growth Substrate ((01-12) Sapphire Substrate)
41 Semiconductor Growth Substrates 12, 42 Multilayer Structure (Nitride Semiconductor Layer)
31, 431 Source electrode 32, 432 Drain electrode 33, 433 Gate electrode 121 Underlayer 122 Electron transit layer 123 Barrier layer 421 Buffer layer 425 Spacer layer 426 Electron supply layer 427 Barrier layer 428 Contact layer α Off-angle a Semiconductor growth substrate 11 Normal line b of the main surface of the substrate (01-12) plane c of the semiconductor growth substrate 11 C axis of the semiconductor growth substrate 11 d C axis of the stacked structure portion 12

Claims (4)

サファイア基板の主面上に窒化物系半導体からなる積層構造部が積層され、該積層構造部が少なくとも窒化ガリウムまたは窒化ガリウムインジウムからなる電子走行層、及び窒化アルミニウムガリウムからなる障壁層を順次積層してなるヘテロ構造を有する電界効果トランジスタ製造用のエピタキシャル基板において、上記サファイア基板の主面が、(01−12)面からの(0001)面方向へのオフアングルαが0°<x≦5°を満たす面であることを特徴とするエピタキシャル基板。 A laminated structure portion made of a nitride semiconductor is laminated on the main surface of the sapphire substrate, and the laminated structure portion is sequentially laminated with an electron transit layer made of at least gallium nitride or gallium indium nitride and a barrier layer made of aluminum gallium nitride. In the epitaxial substrate for manufacturing a field effect transistor having a heterostructure as described above, the main surface of the sapphire substrate has an off angle α from the (01-12) plane to the (0001) plane direction of 0 ° <x ≦ 5 °. An epitaxial substrate characterized by being a surface satisfying the above. 上記サファイア基板上に窒化アルミニウムのモル分率xが0.5≦x≦1.0を満たす窒化アルミニウムガリウムAlGa1−xNからなる下地層を直接成長させたことを特徴とする請求項1に記載のエピタキシャル基板。 An underlayer made of aluminum gallium nitride Al x Ga 1-x N satisfying a molar fraction x of aluminum nitride satisfying 0.5 ≦ x ≦ 1.0 is directly grown on the sapphire substrate. 2. The epitaxial substrate according to 1. 上記下地層の膜厚が、0.05〜2.0μmの範囲であることを特徴とする請求項2に記載のエピタキシャル基板。 The epitaxial substrate according to claim 2, wherein the film thickness of the underlayer is in the range of 0.05 to 2.0 μm. 請求項1〜3のいずれかに記載のエピタキシャル基板を用いたことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device using the epitaxial substrate according to claim 1.
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