JP2006013277A - 窒化物系化合物半導体結晶、その製造方法、および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子電流の広がりを抑止し、高電界における電子速度を高めることができる窒化物系化合物半導体結晶、その製造方法、および半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体装置２０は、ＳｉＣ基板２１と、このＳｉＣ基板２１上に順次形成されたアンドープＧａＮ層２２と、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層２３と、このＳｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層上にそれぞれ形成されたＴｉＡｌソース電極２４と、ＴｉＡｌドレイン電極２５と、ＮｉＡｕゲート電極２６とを備える。Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層２３は、結晶方位の［０００１］方向の電気伝導度が大きく、［０００１］方向に直交する方向が小さくなるように形成されるとともに、電気伝導度の最大値と最小値の比が１０以上になるように形成される。また、各電極は、［０００１］方向と直交する方向に設けられる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、窒化物系化合物半導体結晶、その製造方法、および半導体装置に関し、特に、電気伝導度において大きな異方性を有する窒化物系化合物半導体結晶、その製造方法、および半導体装置に関する。

ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどの窒化物系化合物半導体は、高耐圧、高出力の高周波電子素子や赤色から紫外線の発光が可能な発光素子材料として、注目を集めている。窒化物系化合物半導体を用いて電子素子を構成する場合、漏れ電流を抑制して耐電圧を向上させたり、電子速度を高めて高周波特性を向上させたりすることが重要である。

従来、電子素子用のエピタキシャル結晶成長には、有機金属化学気相成長(ＭＯＣＶＤ)法や分子線エピタキシャル結晶成長（ＭＢＥ）法などを用いて、（０００１）面のサファイア基板やＳｉＣ基板上にＡｌＧａＮやＧａＮ層より成るヘテロ構造を形成していた（例えば、特許文献１参照。）。この場合、ヘテロ界面に形成される電子による伝導度は、面上のどの方向においても、ほぼ同一である。また、（０００１）面以外の方位の面上にＧａＮ結晶を成長した例もあるが、電気伝導の面内異方性に関する記述や考察はなされていない（例えば、非特許文献１。）。
特開平８−７０１３９号公報（［００１２］〜［００１７］、図１） 「Ｐｈｙｓｉｃａ Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ」誌第１８０巻（２０００年）２１３頁

しかし、従来の窒化物系化合物半導体結晶の製造方法によると、（０００１）面の基板上にＡｌＧａＮやＧａＮ層より成るヘテロ構造を形成した場合、伝導電子がバッファ層や基板との界面に広がり易く、漏れ電流の発生や耐電圧の低下の原因となっていた。また、電子は、等方的な散乱を受けるため、飽和電子速度で律速される速度以上に加速されることができないので、遮断周波数などの高周波特性を改善することが困難であった。

従って、本発明の目的は、電子電流の広がりを抑止し、高電界における電子速度を高めることができる窒化物系化合物半導体結晶、その製造方法、および半導体装置を提供することにある。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、エピタキシャル成長により生成された窒化物半導体結晶の電気伝導度が、面内の結晶方位によって異なるとともに、前記電気伝導度の最大値と最小値の比が１０以上であることを特徴とする窒化物系化合物半導体結晶を提供する。

第２の発明は、特定の結晶方位とこの結晶方位に直交する方向の電気伝導度の最大値と最小値の比が１０以上になるように、エピタキシャル結晶成長によりスレート構造の窒化物半導体結晶を基板上に形成することを特徴とする窒化物系化合物半導体結晶の製造方法を提供する。

第３の発明は、基板と、エピタキシャル結晶成長により、特定の結晶方位とこの結晶方位に直交する方向の電気伝導度の最大値と最小値の比が１０以上になるようにして前記基板上に形成された窒化物系半導体結晶層と、前記電気伝導度が最大値となる方向に対して直交するように前記窒化物系半導体結晶層上に形成されたゲート電極とを備えることを特徴とする半導体装置を提供する。

本発明の窒化物系化合物半導体結晶によれば、柱状結晶に１次元的に電子を閉じ込めることができるため、電子電流の広がりを抑止し、高電界における電子速度を高めることができる。従って、結晶高耐圧および高出力の高周波電子素子、赤色から紫外線の発光等の用途に適した発光素子材料を得ることができる。

本発明の窒化物系化合物半導体結晶の製造方法によれば、柱状結晶に１次元的に電子を閉じ込められる窒化物系化合物半導体結晶が得られる結果、電子電流の広がりを抑止し、高電界における電子速度を高めることのできる窒化物系化合物半導体結晶の製造が可能になる。

本発明の半導体装置によれば、漏れ電流の発生や耐電圧の低下を防止できるとともに、高電界において高い電子速度が維持され、遮断周波数などの高周波特性の改善が可能になる。

［第１の実施の形態］
（窒化物系化合物半導体結晶の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体結晶を示す。この窒化物系化合物半導体結晶１は、図１に示すように、ＳｉＣ基板１１と、このＳｉＣ基板１１の（１−１００）面上にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長されたＧａＮ層１２と、このＧａＮ層１２面上に形成されたｎ型ＧａＮ層１４とを備えて構成されている。

（第１の実施の形態の動作）
ＧａＮ層１２は、成長条件により、［０００１］方向に伸びた数百ｎｍの太さの六角柱１３を並べた構造、即ち、一般にスレート構造と呼ばれる結晶構造に形成される。このＧａＮ層１２上にｎ型ＧａＮ層１４を形成すると、ｎ型ＧａＮ層１４における電子１５は、六角柱１３内に１次元的に閉じ込められる。このため、ｎ型ＧａＮ層１４に存在する電子１５は、［０００１］方向には高い電気伝導を示すが、これと垂直な方向には電子は移動できず、電気伝導度が小さくなる。このため、電子が隣接の層に漏れにくくなる。また、［０００１］方向に電子が量子化された量子細線の状態になっているため、走行電子が散乱されにくく、高電界においても高い電子速度が維持され、遮断周波数などの高周波特性が改善される。

このように、窒化物系化合物半導体結晶１は、面内における結晶方位によって電気伝導度に異方性があるため、電気伝導度の最大値と最小値の比が所定値、具体的には、１０以上あるようなエピタキシャル層を形成すれば、良好な特性の半導体装置を得ることができる。

（第１の実施の形態の効果）
この第１の実施の形態によれば、柱状結晶に１次元的に電子を閉じ込めた窒化物系化合物半導体を形成することができるため、漏れ電流の発生や耐電圧の低下を防止できるとともに、高電界においても高い電子速度を維持することが可能な窒化物系化合物半導体結晶を得ることができる。従って、高耐圧、高出力の高周波電子素子や、赤色から紫外線の発光等への用途が可能になる。

［第２の実施の形態］
（半導体装置の構成）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置を示す。この半導体装置２０は、（１−１００）面を有するＳｉＣ基板２１と、この半絶縁性ＳｉＣ基板２１上に周知のＭＯＣＶＤ等により形成されたアンドープＧａＮ層２２と、このアンドープＧａＮ層２２上に形成されたＳｉドープｎ型ＡｌＧａＮ２３と、このＳｉドープｎ型ＡｌＧａＮ２３上の所定の位置に形成されたＴｉＡｌソース電極２４と、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ２３上の所定の位置に形成されたＴｉＡｌドレイン電極２５と、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ２３上に所定の位置に形成されたＮｉＡｕゲート電極２６とを備える。ＴｉＡｌソース電極２４、ＴｉＡｌドレイン電極２５およびＮｉＡｕゲート電極２６は、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ２３上に［０００１］方向と直交する方向に形成される。

（第２の実施の形態の動作）
Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ２３は、成長条件により、［０００１］方向に伸びる六角柱を並べた構造の結晶構造になっており、その電子は、六角柱内に１次元的に閉じ込められ、［０００１］方向には高い電気伝導を示すが、これと垂直な方向には電子が移動できない。

従って、電気伝導度が最大値となる方向に直交するように各電極、特にＮｉＡｕゲート電極２６を配置すれば、電気伝導度が小さくなり、漏れ電流の発生や耐電圧の低下を防止できるようになる。また、［０００１］方向に電子が量子化された量子細線の状態になっているため、走行電子が散乱され難く、高電界においても高い電子速度が維持され、遮断周波数などの高周波特性が改善される。この場合、電気伝導度の最大値と最小値との比が、１０以上であれば、半導体装置２０として満足する特性を得ることができる。

（第２の実施の形態の効果）
この第２の実施の形態によれば、漏れ電流の発生や耐電圧の低下を防止できるとともに、高電界においても高い電子速度が維持され、遮断周波数などの高周波特性を改善した半導体装置を得ることができる。

［第３の実施の形態］
（半導体装置の製造方法）
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体結晶の製造方法を示す。
ここでは、図２に示した半導体装置２０を製造する場合について説明する。

まず、（１−１００）面の半絶縁性ＳｉＣ基板２１上にＭＯＣＶＤによりアンドープＧａＮ層２２を厚さ２０００ｎｍに形成した（工程１０１）。さらに、アンドープＧａＮ層２２上にＳｉドープｎ型ＡｌＧａＮ２３を、例えば厚さ３０ｎｍに形成した（工程１０２）。ＭＯＣＶＤの原料ガスには、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、ジシラン等を用いた。また、成長時の温度と圧力は、それぞれ１１００℃および常圧にした。次に、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ２３上に［０００１］方向と直交する方向に、ＴｉＡｌソース電極２４、ＴｉＡｌドレイン電極２５およびＮｉＡｕゲート電極２６を形成した（工程１０３，１０４）。

以上の様にして製作した本発明に係る電界効果トランジスタと、従来の（１００）面の半絶縁性ＳｉＣ基板上に同じ成長条件と電極寸法で作製したトランジスタとを比較したところ、遮断周波数は２３倍になり、１０ボルトでのソース・ドレイン間リーク電流は１／１００に低減できた。さらに、このウェハの電気伝導度を計測したところ、［０００１］方向とこれに垂直な方向では１０００倍の差があった。電気伝導度の最大値と最小値との比は、１０以上であれば、半導体装置として満足する特性を得られるが、これを大幅に超える結果が得られた。
（第３の実施の形態の効果）

この第３の実施の形態によれば、電気伝導度の最大値と最小値の比を大きくとれるため、漏れ電流の発生や耐電圧の低下を防止できるとともに、高電界においても高い電子速度を維持可能な窒化物系化合物半導体結晶、および半導体装置を製造することができる。
［他の実施の形態］

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値は、あくまでも一例にすぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。

また、基板の面方位は、正確に（１−１００）面である必要はなく、電気伝導度の異方性が発現する範囲（概ね±５°以内）であればよい。

本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体結晶の層構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置を示す構成図である。 本発明の第３の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体結晶の製造方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 窒化物系化合物半導体結晶
１１ ＳｉＣ基板
１２ Ｇａｎ層
１３ 六角柱
１４ ｎ型ＧａＮ層
１５ 電子
２０ 半導体装置
２１ ＳｉＣ基板
２２ アンドープＧａＮ層
２３ Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層
２４ ＴｉＡｌソース電極
２５ ＴｉＡｌドレイン電極
２６ ＮｉＡｕゲート電極
１０１，１０２，１０３ 工程

Claims (7)

1. エピタキシャル成長により生成された窒化物半導体結晶の電気伝導度が、面内の結晶方位によって異なるとともに、前記電気伝導度の最大値と最小値の比が１０以上であることを特徴とする窒化物系化合物半導体結晶。
2. 前記基板の面指数は（１−１００）面であり、前記電気伝導度の高い方向が［０００１］方向であり、かつ電気伝導度の低い方向が前記［０００１］方向に直交することを特徴とする請求項１記載の窒化物系化合物半導体結晶。
3. 前記窒化物半導体結晶は、ＧａＮ層であることを特徴とする請求項１記載の窒化物系化合物半導体結晶。
4. 特定の結晶方位とこの結晶方位に直交する方向の電気伝導度の最大値と最小値の比が１０以上になるように、エピタキシャル結晶成長によりスレート構造の窒化物半導体結晶を基板上に形成することを特徴とする窒化物系化合物半導体結晶の製造方法。
5. 前記窒化物半導体結晶は、面指数が（１−１００）面であり、
   前記特定の結晶方位は、［０００１］方向であり、
   前記電気伝導度は、その値の高い方向が前記［０００１］方向で、これに直交する方向が電気伝導度の低い方向であることを特徴とする請求項４記載の窒化物系化合物半導体結晶の製造方法。
6. 基板と、
   エピタキシャル結晶成長により、特定の結晶方位とこの結晶方位に直交する方向の電気伝導度の最大値と最小値の比が１０以上になるようにして前記基板上に形成された窒化物系半導体結晶層と、
   前記電気伝導度が最大値となる方向に対して直交するように前記窒化物系半導体結晶層上に形成されたゲート電極とを備えることを特徴とする半導体装置。
7. 前記窒化物系半導体結晶層の面指数は、（１−１００）面であり、
   前記電気伝導度の最大方向が、［０００１］方向であることを特徴とする請求項６記載の半導体装置。

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