JP2006114654A - Semiconductor epitaxial wafer and field-effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体エピタキシャルウェハ、特に、高電子移動度トランジスタ(HEMT)などを含む電界効果トランジスタ(FET)の作製の際に好適に用いられる半導体エピタキシャルウェハ及びそれから得られたFETに関するものである。 The present invention relates to a semiconductor epitaxial wafer, and more particularly to a semiconductor epitaxial wafer suitably used in the production of a field effect transistor (FET) including a high electron mobility transistor (HEMT) and the like and an FET obtained therefrom.
HEMTを含むFETでは、ソース電極とドレイン電極との間に流れる電流を、ゲート電極からの空乏層の広がりによって制御する。 In an FET including a HEMT, the current flowing between the source electrode and the drain electrode is controlled by the spread of the depletion layer from the gate electrode.
しかし、窒化ガリウム(GaN)からなるエピタキシャル層を成長させたエピタキシャルウェハを製造する際には、エピタキシャル層と基板との界面を清浄するための技術が十分に確立されていないことや、原料ガスの一つであるアンモニア(NH3)ガスとして高純度のものが得られないことなどにより、エピタキシャル層への導電性不純物の混入が起こり易い。 However, when manufacturing an epitaxial wafer on which an epitaxial layer made of gallium nitride (GaN) is grown, the technology for cleaning the interface between the epitaxial layer and the substrate is not well established, Due to the fact that one of the ammonia (NH 3 ) gas, which is high purity, cannot be obtained, conductive impurities are easily mixed into the epitaxial layer.
そして、その結果、バッファ層においては他の層と比較してより高い絶縁性が求められているのにもかかわらず、バッファ層に導電性不純物が混入した結果、チャネル層の導電性に近い程度に高い導電性を帯びてしまうという問題があり、この傾向は、特に、バッファ層の基板に近い部分において顕著である。 As a result, although the buffer layer is required to have higher insulation than other layers, the conductive impurities are mixed in the buffer layer, resulting in a degree close to the conductivity of the channel layer. However, this tendency is particularly remarkable in a portion near the substrate of the buffer layer.
このような問題は、ゲート電極から空乏層を広がりにくくする原因となる。 Such a problem causes the depletion layer to hardly spread from the gate electrode.
また、バッファ層に導電性不純物が混入した結果、バッファ層の基板に近い部分に高い導電性を有する部分(導電層)が形成され、そこに電流が流れることにより、良好な特性を有する電子デバイスを得ることを難しくしていた。 In addition, as a result of mixing conductive impurities in the buffer layer, a portion having high conductivity (conductive layer) is formed in a portion close to the substrate of the buffer layer, and a current flows therethrough, so that an electronic device having good characteristics It was difficult to get.
例えば、特許文献1や特許文献2には、サファイア基板又は炭化珪素(SiC)基板の上にGaNからなるバッファ層を形成した電子デバイス(HEMT、FET)が記載されているが、上記のような理由により十分な特性が得られていないと考えられる。
本発明は上記のような特性の低下を招くような欠陥、より具体的には、エピタキシャル層の中に導電性不純物が混入することによって、バッファ層の中に高い導電性を有する部分(導電層)が形成されるのを防止し、その結果、高い特性を実現した電界効果トランジスタ(FET、HEMTなど)を作製する際に好適に用いられる半導体エピタキシャルウェハを提供することにある。 In the present invention, a defect that causes the deterioration of the characteristics as described above, more specifically, a portion having high conductivity in the buffer layer (conductive layer) by mixing conductive impurities into the epitaxial layer. ) Is formed, and as a result, a semiconductor epitaxial wafer that can be suitably used in manufacturing a field effect transistor (FET, HEMT, etc.) that realizes high characteristics is provided.
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
請求項1の発明に係る半導体エピタキシャルウェハは、基板の上にバッファ層を有する半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記バッファ層がInXAl1-XNバッファ層、GaNバッファ層を順に形成した構造からなり、且つ前記InXAl1-XNバッファ層のIn混晶組成比Xが0.05以上0.30以下であることを特徴とするものである。
The semiconductor epitaxial wafer according to the invention of
請求項2の発明に係る半導体エピタキシャルウェハは、請求項1に記載の半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記InXAl1-XNバッファ層の厚さが0.2μm以上であることを特徴とするものである。 A semiconductor epitaxial wafer according to a second aspect of the present invention is the semiconductor epitaxial wafer according to the first aspect, wherein the thickness of the In x Al 1-x N buffer layer is 0.2 μm or more. is there.
請求項3の発明に係る半導体エピタキシャルウェハは、請求項1乃至2のいずれかに記載の半導体エピタキシャルウェハにおいて、上記基板が、サファイア基板又はSiC基板からなることを特徴とするものである。 A semiconductor epitaxial wafer according to a third aspect of the present invention is the semiconductor epitaxial wafer according to the first or second aspect, wherein the substrate is a sapphire substrate or a SiC substrate.
請求項4の発明に係る電界効果トランジスタは、請求項1乃至8のいずれかに記載の半導体エピタキシャルウェハ上に、チャネル層、電子供給層、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極を形成し、切り分けることにより作製したことを特徴とするものである。 A field effect transistor according to a fourth aspect of the present invention is formed by forming a channel layer, an electron supply layer, a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode on the semiconductor epitaxial wafer according to any one of the first to eighth aspects, and separating them. It is characterized by having been produced.
本発明によれば、エピタキシャル層の中に導電性不純物が混入するピエゾ電荷形成によって、バッファ層の中に高い導電性を有する部分(導電層)が形成されるのを防止し、その結果、高い特性を実現した電界効果トランジスタ(FET、HEMTなど)を作製する際に好適に用いられる半導体エピタキシャルウェハを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent a portion having high conductivity (conductive layer) from being formed in the buffer layer by forming a piezoelectric charge in which conductive impurities are mixed in the epitaxial layer, and as a result, high It is possible to provide a semiconductor epitaxial wafer that is suitably used when manufacturing a field effect transistor (FET, HEMT, etc.) that realizes characteristics.
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<実施例1>
図1は、本発明の半導体エピタキシャルウェハの第1の実施の形態を示す断面図である。
<Example 1>
FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of a semiconductor epitaxial wafer of the present invention.
具体的には、図1に示す構造は、InAlNバッファ層22、GaNバッファ層21からなるバッファ層2の導電性を測定するために、本発明の半導体エピタキシャルウェハの第1の実施の形態を用いて作製した特性測定用素子であり、サファイアからなる基板1の上に、アンドープのInXAl1-XNからなるInAlNバッファ層22、厚さ2μmのアンドープのGaNからなるGaNバッファ層21、そして、その上に形成した測定用電極11、12からなる。そして、上記特性測定用素子構造において、InAlNバッファ層22の厚さ0.2μmであり、且つIn混晶組成比Xが0から0.4までの特性測定用素子を作製した。
Specifically, the structure shown in FIG. 1 uses the first embodiment of the semiconductor epitaxial wafer of the present invention to measure the conductivity of the
この特性測定用素子に用いられている半導体エピタキシャルウェハのエピタキシャル成長には、有機金属気相成長(MOVPE)法を用いた。ここで、ガリウム原料としてはトリメチルガリウム(TMG)を用い、インジウム原料としてはトリメチルインジウム(TMI)を用い、アルミニウム原料としてはトリメチルアルミニウム(TMA)を用い、窒素原料としてはアンモニアガスを用い、キャリアガスとしては水素を用いた。 A metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method was used for the epitaxial growth of the semiconductor epitaxial wafer used for the characteristic measuring element. Here, trimethylgallium (TMG) is used as the gallium source, trimethylindium (TMI) is used as the indium source, trimethylaluminum (TMA) is used as the aluminum source, ammonia gas is used as the nitrogen source, and carrier gas Hydrogen was used.
図2は、この場合における、InAlNバッファ層22のIn混晶組成比Xと、導電性(電流値で示し、単位はA/mmである)との関係を示した図である。なお、導電性の評価方法としては、図1に示した半導体エピタキシャルウェハに、10Vの電圧をかけて、そのときに流れる電流を測定し比較した。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the In mixed crystal composition ratio X of the
その結果、InAlNバッファ層22、GaNバッファ層21からなるバッファ層2を形成した場合、特に、InAlNバッファ層22のIn混晶組成比Xが0.05以上0.30以下の範囲においては、非常に小さな電流値(低い導電性)を得ることができた。具体的には、X=0においては3×10-7A/mmの電流値であったのに対し、X=0.1においては2×10-8A/mmの電流値が得られ、X=0.2においては5×10-9A/mmの電流値が得られた。
As a result, when the
なお、In混晶組成比に対するこのような振る舞いは、InAlNによる基板界面付近の不純物不活性効果とInAlNの格子定数がGaNに近くなることによるピエゾ電荷低減効果が相乗して発生していると考えられる。 Such behavior with respect to the In mixed crystal composition ratio is considered to be caused by the synergistic effect of the impurity deactivation effect near the substrate interface by InAlN and the piezoelectric charge reduction effect due to the fact that the lattice constant of InAlN is close to that of GaN. It is done.
次に、In混晶組成比X=0.2に固定してInAlNバッファ層22の厚さに対するバッファ層2の導電性を図3に示す。厚さが0の場合、すなわち、InAlNバッファ層22がない場合はHEMTに応用した際にピンチオフ特性が望めない1×10-1A/mmの極めて高い導電性を示した。これに対し、厚さが0.2μm以上では5×10-9A/mm以下の電流値になり十分に低い導電性を示した。
Next, the conductivity of the
図4は、本発明の半導体エピタキシャルウェハの第1の実施の形態を用いて作製したHEMTを示す断面図である。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing a HEMT manufactured using the first embodiment of the semiconductor epitaxial wafer of the present invention.
図4に示すHEMTは、サファイアからなる基板1の上に、厚さ0.3μmのアンドープIn0.2Al0.8NからなるInAlNバッファ層22、厚さ2μmのアンドープGaNからなるGaNバッファ層21、厚さ0.1μmのアンドープGaNからなるチャネル層3、厚さ0.025μmのn型AlGaNからなるキャリア供給層4を順次形成し、その上に厚さ0.002μmのキャップ層5を形成した。そして、キャリア供給層4の上にはゲート電極7を形成し、キャップ層5の上にはソース電極6、ドレイン電極8を形成した。
The HEMT shown in FIG. 4 has an InAlN
このHEMTのエピタキシャル成長にはMOVPE法を用いた。また、成長の際に用いた原料は、ガリウム原料としてはTMGを用い、インジウム原料としてはTMIを用い、アルミニウム原料としてはTMAを用い、窒素原料としてはアンモニアガスを用い、キャリアガスとしては水素を用い、n型ドーパントとしてはモノシランを用いた。 The MOVPE method was used for the epitaxial growth of this HEMT. The raw materials used for the growth were TMG as the gallium raw material, TMI as the indium raw material, TMA as the aluminum raw material, ammonia gas as the nitrogen raw material, and hydrogen as the carrier gas. Used, monosilane was used as the n-type dopant.
このようにして作製したHEMTの特性を測定した結果、バッファ層の導電性が低下した結果、良好なピンチオフ特性(ピンチオフ電圧−4.0V)を有することが確認された。 As a result of measuring the characteristics of the HEMT fabricated as described above, it was confirmed that the buffer layer had a good pinch-off characteristic (pinch-off voltage −4.0 V) as a result of a decrease in the conductivity of the buffer layer.
<他の実施例、変形例>
上記実施例1においては、基板としてサファイア基板を用いたが、基板として炭化珪素(SiC)基板を用いてもよく、その場合においても、基板1としてサファイア基板を用いた場合と同様な効果を得ることができる。
<Other embodiments and modifications>
In the first embodiment, the sapphire substrate is used as the substrate. However, a silicon carbide (SiC) substrate may be used as the substrate, and in this case, the same effect as that obtained when the sapphire substrate is used as the
1 基板
2 バッファ層
21 GaNバッファ層
22 InAlNバッファ層
3 チャネル層
4 キャリア供給層
5 キャップ層
6 ソース電極
7 ゲート電極
8 ドレイン電極
11 測定用電極
12 測定用電極
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記バッファ層がInXAl1-XNバッファ層、GaNバッファ層を順に形成した構造からなり、且つ前記InXAl1-XNバッファ層のIn混晶組成比Xが0.05以上0.30以下であることを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ。 In a semiconductor epitaxial wafer having a buffer layer on a substrate,
The buffer layer has a structure in which an In X Al 1-X N buffer layer and a GaN buffer layer are formed in order, and the In X Al 1-X N buffer layer has an In mixed crystal composition ratio X of 0.05 or more and 0.00. A semiconductor epitaxial wafer characterized by being 30 or less.
前記InXAl1-XNバッファ層の厚さが0.2μm以上であることを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ。 The semiconductor epitaxial wafer according to claim 1,
A semiconductor epitaxial wafer, wherein the thickness of the In x Al 1-x N buffer layer is 0.2 μm or more.
上記基板が、サファイア基板又はSiC基板からなることを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ。 In the semiconductor epitaxial wafer according to claim 1,
A semiconductor epitaxial wafer, wherein the substrate comprises a sapphire substrate or a SiC substrate.
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