JP2006278857A - Semiconductor laminate structure, semiconductor device, and equipment using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体積層構造及びこれに関連する技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor multilayer structure and a technology related thereto.
従来より、III族窒化物半導体等のSi以外の半導体を用いた半導体素子が検討されている。当該半導体素子では、基材の上に複数のエピタキシャル膜を形成し、当該複数のエピタキシャル膜に含まれる半導体単結晶膜をチャネルとして利用することが多い。例えば、非特許文献1には、サファイア基板の上に膜厚2.4μmの意図的なドーピングを施さないアンドープGaN単結晶膜を堆積し,さらにその上に、膜厚が0.2μmのn型GaN単結晶膜をチャネル層として積層した半導体素子が開示されている。 Conventionally, a semiconductor element using a semiconductor other than Si such as a group III nitride semiconductor has been studied. In the semiconductor element, a plurality of epitaxial films are formed on a base material, and a semiconductor single crystal film included in the plurality of epitaxial films is often used as a channel. For example, in Non-Patent Document 1, an undoped GaN single crystal film having a film thickness of 2.4 μm that is not intentionally doped is deposited on a sapphire substrate, and an n-type film having a film thickness of 0.2 μm is further formed thereon. A semiconductor device in which a GaN single crystal film is stacked as a channel layer is disclosed.
また、非特許文献2には、サファイア基板上に膜厚0.6μmのアンドープGaN単結晶膜をチャネル層として堆積し、さらにその上に100nmのアンドープGaN層よりもバンドギャップが大きいAl0.14Ga0.86N層を堆積し、アンドープGaN層とAl0.14Ga0.86N層の界面付近に生成した2次元電子ガスが蓄積した層をチャネルとした半導体素子(いわゆるHEMT素子構造)が開示されている。 In Non-Patent Document 2, an undoped GaN single crystal film having a thickness of 0.6 μm is deposited as a channel layer on a sapphire substrate, and further, Al 0.14 Ga 0.86 having a larger band gap than the 100 nm undoped GaN layer. A semiconductor element (so-called HEMT element structure) is disclosed in which an N layer is deposited and a layer in which a two-dimensional electron gas generated near the interface between an undoped GaN layer and an Al 0.14 Ga 0.86 N layer is accumulated is used as a channel.
非特許文献1記載では,下地基板がGaNとの格子不整合の大きいサファイアであるため、アンドープGaN単結晶膜の膜厚2.4μmは、その上のチャネル層となるn型GaN単結晶膜を、例えば気相成長法などにより良形成する際、その結晶品質を良好にする際に必要となる。また、n型GaN単結晶膜の膜厚0.2μmの膜厚は,同様にその結晶品質を良好にするために必要となる。ここで、膜厚2.4μmのアンドープGaN層の上に膜厚が数100nm以上の半導体単結晶膜を半導体素子のチャネルとして形成した場合、当該半導体素子では、制御用電極(非特許文献1の半導体素子ではゲート)に電圧を印加してチャネルの内部の空乏層を十分に拡大しない限り、当該チャネルを遮断することはできない。すなわち、チャネルが遮断された状態を維持するためには、制御用電極に十分に大きな電圧を印加し続ける必要があり(いわゆるノーマリオン構造)、また、その際アンドープGaN層は高絶縁性半導体ではないために、チャネルを遮断してもアンドープGaN層を流れる漏電流を実用上問題にならない程度まで小さくすることができないという問題があった。 In Non-Patent Document 1, since the base substrate is sapphire having a large lattice mismatch with GaN, the thickness of the undoped GaN single crystal film is 2.4 μm. For example, it is necessary to improve the crystal quality when a good formation is performed by a vapor deposition method or the like. Further, a film thickness of 0.2 μm of the n-type GaN single crystal film is similarly required to improve the crystal quality. Here, when a semiconductor single crystal film having a thickness of several hundred nm or more is formed as a channel of a semiconductor element on an undoped GaN layer having a thickness of 2.4 μm, the semiconductor element has a control electrode (see Non-Patent Document 1). In a semiconductor element, the channel cannot be blocked unless a voltage is applied to the gate) to sufficiently expand the depletion layer inside the channel. In other words, in order to maintain the state where the channel is cut off, it is necessary to continuously apply a sufficiently large voltage to the control electrode (so-called normally-on structure), and in that case, the undoped GaN layer is not a highly insulating semiconductor. Therefore, there is a problem that even if the channel is cut off, the leakage current flowing through the undoped GaN layer cannot be reduced to a level that does not cause a problem in practice.
非特許文献2記載内容では,下地基板がGaNとの格子不整合の大きいサファイアであるため、アンドープGaN単結晶膜の膜厚0.6μmは、その上のチャネル層となるn型GaN単結晶膜を、例えば気相成長法などにより良形成する際、その結晶品質を良好にする際に必要となる。アンドープGaN層とAl0.14Ga0.86N層の界面付近に生成した2次元電子ガスが蓄積した層をチャネルとして形成した場合、当該半導体素子では、制御用電極(非特許文献2の半導体素子ではゲート)に電圧を印加してチャネルの内部の空乏層を十分に拡大しない限り、当該チャネルを遮断することはできない。すなわち、チャネルが遮断された状態を維持するためには、制御用電極に十分に大きな電圧を印加し続ける必要があり(いわゆるノーマリオン構造)、また、その際アンドープGaN層は高絶縁性半導体ではないために、チャネルを遮断してもアンドープGaN層を流れる漏電流を実用上問題にならない程度まで小さくすることができないという問題があった。 In the contents of Non-Patent Document 2, since the base substrate is sapphire having a large lattice mismatch with GaN, the thickness of the undoped GaN single crystal film is 0.6 μm. For example, it is necessary to improve the crystal quality when the film is formed well by, for example, vapor phase growth. In the case where a layer in which a two-dimensional electron gas generated near the interface between the undoped GaN layer and the Al 0.14 Ga 0.86 N layer is formed as a channel, in the semiconductor element, a control electrode (a gate in the semiconductor element of Non-Patent Document 2) The channel cannot be blocked unless a voltage is applied to the channel to sufficiently expand the depletion layer inside the channel. In other words, in order to maintain the state where the channel is cut off, it is necessary to continuously apply a sufficiently large voltage to the control electrode (so-called normally-on structure), and in that case, the undoped GaN layer is not a highly insulating semiconductor. Therefore, there is a problem that even if the channel is cut off, the leakage current flowing through the undoped GaN layer cannot be reduced to a level that does not cause a problem in practice.
この問題を解決するためには、導電性単結晶基板を基材として、基材の上に絶縁性単結晶膜を下地として形成し、さらにその上に薄い半導体単結晶膜をチャネルとして形成することも考えられるが、基材が導電性であると、作成した半導体素子の高周波特性が良好でなくなるという問題が生じる。また、この方法では、格子不整合の影響により、品質が良好な薄い半導体単結晶膜をチャネルとして形成することはできない。結果として、漏電流を実用上問題にならない程度まで小さくすることができないという問題があった。 In order to solve this problem, a conductive single crystal substrate is used as a base material, an insulating single crystal film is formed on the base material as a base, and a thin semiconductor single crystal film is formed thereon as a channel. However, if the base material is conductive, there is a problem that the high-frequency characteristics of the produced semiconductor element are not good. Also, with this method, a thin semiconductor single crystal film with good quality cannot be formed as a channel due to the effect of lattice mismatch. As a result, there has been a problem that the leakage current cannot be reduced to an extent that does not cause a problem in practice.
また、絶縁性基板を基材として、基材の上に絶縁性単結晶膜を下地として形成し、さらにその上に薄い半導体単結晶膜をチャネルとして形成することも考えられるが、基材が絶縁性であっても、下地は絶縁性となりにくく、作成した半導体素子の高周波特性への悪影響を避けることは困難であった。また、この方法では、下地を絶縁性とすることができたとしても、下地の欠陥を減らすことは困難であり、品質が良好な薄い半導体単結晶膜をチャネルとして形成することはできない。結果として、漏電流を実用上問題にならない程度まで小さくすることができないという問題があった。 It is also conceivable to form an insulating substrate as a base material, an insulating single crystal film as a base on the base material, and further form a thin semiconductor single crystal film as a channel thereon. However, it is difficult to avoid an adverse effect on the high frequency characteristics of the fabricated semiconductor element. In this method, even if the base can be made insulative, it is difficult to reduce defects in the base, and a thin semiconductor single crystal film with good quality cannot be formed as a channel. As a result, there has been a problem that the leakage current cannot be reduced to an extent that does not cause a problem in practice.
したがって、上述の工夫によっても、遮断時の漏れ電流が極めて小さい半導体素子を実現することはできない。 Therefore, even with the above-described device, it is impossible to realize a semiconductor element with extremely small leakage current at the time of interruption.
本発明は、この問題を解決するためになされたもので、遮断時の漏れ電流が極めて小さい半導体素子を実現することを目的とする。 The present invention has been made to solve this problem, and an object of the present invention is to realize a semiconductor element having a very small leakage current when interrupted.
また、本発明は、ノーマリオフ機能を有する素子を実現する事を目的とする。 Another object of the present invention is to realize an element having a normally-off function.
上記課題を解決するため請求項1の発明は、半導体積層構造であって、絶縁性単結晶基板と、前記絶縁性単結晶基板の上に形成された絶縁性単結晶膜と、前記絶縁性単結晶膜の上に形成された、膜厚が100nm以下の第1半導体単結晶膜とを備え、前記絶縁性単結晶膜と前記第1半導体単結晶膜との面方向の格子不整合率が5%以下である。 In order to solve the above problems, the invention of claim 1 is a semiconductor laminated structure, comprising an insulating single crystal substrate, an insulating single crystal film formed on the insulating single crystal substrate, and the insulating single crystal. A first semiconductor single crystal film having a thickness of 100 nm or less formed on the crystal film, and a lattice mismatch ratio in a plane direction between the insulating single crystal film and the first semiconductor single crystal film is 5 % Or less.
請求項2の発明は、請求項1に記載の半導体積層構造において、前記絶縁性単結晶基板と前記絶縁性単結晶膜との面方向の格子不整合率が5%以下である。 According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor multilayer structure according to the first aspect, a lattice mismatch rate in a plane direction between the insulating single crystal substrate and the insulating single crystal film is 5% or less.
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2に記載の半導体積層構造において、前記第1半導体単結晶膜の上に形成された第2半導体単結晶膜をさらに備え、前記第2半導体単結晶膜のバンドギャップが前記第1半導体単結晶膜よりも大きい。 According to a third aspect of the invention, there is provided the semiconductor stacked structure according to the first or second aspect, further comprising a second semiconductor single crystal film formed on the first semiconductor single crystal film. The band gap of the crystal film is larger than that of the first semiconductor single crystal film.
請求項4の発明は、請求項3に記載の半導体積層構造において、前記第2半導体単結晶膜から前記第1半導体単結晶膜へ電子が供給されて、前記第1半導体単結晶膜の内部の前記第2半導体単結晶膜との界面付近に2次元電子ガスが生成される。 According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor multilayer structure according to the third aspect, electrons are supplied from the second semiconductor single crystal film to the first semiconductor single crystal film, so that the internal structure of the first semiconductor single crystal film is increased. A two-dimensional electron gas is generated in the vicinity of the interface with the second semiconductor single crystal film.
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の半導体積層構造において、前記絶縁性単結晶基板及び前記絶縁性単結晶膜の両方が、半導体に不純物をドープすることにより得られた絶縁体である。 According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor multilayer structure according to any one of the first to fourth aspects, both the insulating single crystal substrate and the insulating single crystal film are doped with impurities in the semiconductor. It is the obtained insulator.
請求項6の発明は、請求項5に記載の半導体積層構造において、前記不純物が、遷移金属元素又は希土類元素である。 According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor multilayer structure according to the fifth aspect, the impurity is a transition metal element or a rare earth element.
請求項7の発明は、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の半導体積層構造において、前記絶縁性単結晶基板が、一般式AlxGa1-xN(0.5≦x≦1)で表されるIII族窒化物からなり、前記絶縁性単結晶膜が、一般式AlyGa1-yN(0.5≦y≦1)で表されるIII族窒化物からなり、前記第1半導体単結晶膜が、一般式AlzGa1-zN(0≦z≦0.5)で表されるIII族窒化物からなる。 According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor multilayer structure according to any one of the first to sixth aspects, the insulating single crystal substrate has a general formula of Al x Ga 1-x N (0.5 ≦ x ≦ 1). ), And the insulating single crystal film is made of a group III nitride represented by the general formula Al y Ga 1-y N (0.5 ≦ y ≦ 1), a first semiconductor single crystal film, a group III nitride represented by the general formula Al z Ga 1-z N ( 0 ≦ z ≦ 0.5).
請求項8の発明は、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の半導体積層構造において、前記絶縁性単結晶基板が、一般式AlxGa1-xN(0≦x≦0.5)で表されるIII族窒化物からなり、前記絶縁性単結晶膜が、一般式AlyGa1-yN(0≦y≦0.5)で表されるIII族窒化物からなり、前記第1半導体単結晶膜が、一般式AlzGa1-zN(0≦z≦0.5)で表されるIII族窒化物からなる。 According to an eighth aspect of the present invention, in the semiconductor multilayer structure according to any one of the first to sixth aspects, the insulating single crystal substrate has a general formula of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.5). And the insulating single crystal film is made of a group III nitride represented by the general formula Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 0.5), a first semiconductor single crystal film, a group III nitride represented by the general formula Al z Ga 1-z N ( 0 ≦ z ≦ 0.5).
請求項9の発明は、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の半導体積層構造において、前記絶縁性単結晶基板が、SiCからなり、前記絶縁性単結晶膜が、SiCからなり、前記第1半導体単結晶膜が、一般式AlzGa1-zN(0≦z≦0.5)で表されるIII族窒化物からなる。 The invention of claim 9 is the semiconductor multilayer structure according to any one of claims 1 to 6, wherein the insulating single crystal substrate is made of SiC, the insulating single crystal film is made of SiC, and a first semiconductor single crystal film, a group III nitride represented by the general formula Al z Ga 1-z N ( 0 ≦ z ≦ 0.5).
請求項10の発明は、請求項3又は請求項4に記載の半導体積層構造において、前記第2半導体単結晶膜が、一般式AlwGa1-wN(0≦w≦1)で表されるIII族窒化物からなる。 A tenth aspect of the present invention is the semiconductor multilayer structure according to the third or fourth aspect, wherein the second semiconductor single crystal film is represented by a general formula Al w Ga 1-w N (0 ≦ w ≦ 1). Made of Group III nitride.
請求項11の発明は、請求項1ないし請求項10のいずれかに記載の半導体積層構造の上にショットキー性の金属電極を形成した半導体素子である。 An eleventh aspect of the invention is a semiconductor element in which a Schottky metal electrode is formed on the semiconductor multilayer structure according to any one of the first to tenth aspects.
請求項12の発明は、請求項1ないし請求項10のいずれかに記載の半導体積層構造の上に、1種以上の絶縁性膜を堆積し、当該絶縁性膜の上に金属電極を形成した半導体素子である。 According to a twelfth aspect of the present invention, at least one insulating film is deposited on the semiconductor multilayer structure according to any one of the first to tenth aspects, and a metal electrode is formed on the insulating film. It is a semiconductor element.
請求項13の発明は、請求項11又は請求項12に記載の半導体素子において、前記金属電極に印加する電圧によって前記第1半導体単結晶膜を流れる電流を制御する。 According to a thirteenth aspect of the present invention, in the semiconductor element according to the eleventh or twelfth aspect, a current flowing through the first semiconductor single crystal film is controlled by a voltage applied to the metal electrode.
請求項14の発明は、請求項13に記載の半導体素子において、前記金属電極に電圧を印加しない状態において、前記第1半導体単結晶膜の内部に発生する空乏層が前記絶縁性単結晶膜に到達し、もって第1半導体単結晶膜の内部に電子が流れない状態を形成する。 According to a fourteenth aspect of the present invention, in the semiconductor element according to the thirteenth aspect, a depletion layer generated in the first semiconductor single crystal film is formed in the insulating single crystal film when no voltage is applied to the metal electrode. Thus, a state is formed in which electrons do not flow inside the first semiconductor single crystal film.
請求項15の発明は、請求項11ないし請求項14のいずれかに記載の半導体素子において、第1半導体単結晶膜の膜厚が30nm以下である。 According to a fifteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the eleventh to fourteenth aspects, the film thickness of the first semiconductor single crystal film is 30 nm or less.
請求項16の発明は、請求項11ないし14のいずれかに記載の半導体素子において、第1半導体単結晶膜内における半導体に対して導電性を付与する不純物の濃度が1×1017/cm3以下である。 According to a sixteenth aspect of the present invention, in the semiconductor element according to any one of the eleventh to fourteenth aspects, the concentration of the impurity imparting conductivity to the semiconductor in the first semiconductor single crystal film is 1 × 10 17 / cm 3. It is as follows.
請求項17の発明は、請求項3又は請求項4に記載の半導体積層構造を用いた半導体素子において、第2半導体単結晶膜の膜厚が10nm以下である。 According to a seventeenth aspect of the present invention, in the semiconductor element using the semiconductor multilayer structure according to the third or fourth aspect, the thickness of the second semiconductor single crystal film is 10 nm or less.
請求項18の発明は、請求項17に記載の半導体素子において、第1半導体単結晶膜の膜厚が50nm以下である。 According to an eighteenth aspect of the present invention, in the semiconductor element according to the seventeenth aspect, the thickness of the first semiconductor single crystal film is 50 nm or less.
請求項19の発明は、請求項11ないし請求項18のいずれかに記載の半導体素子を用いた装置である。 A nineteenth aspect of the present invention is an apparatus using the semiconductor element according to any one of the eleventh to eighteenth aspects.
請求項20の発明は、請求項1ないし請求項10のいずれかに記載の半導体積層構造において、前記第1半導体単結晶膜又は第2半導体単結晶膜の少なくともいずれかが、有機金属気相エピタキシャル成長法又は分子線エピタキシャル成長法により形成される。 According to a twentieth aspect of the present invention, in the semiconductor multilayer structure according to any one of the first to tenth aspects, at least one of the first semiconductor single crystal film and the second semiconductor single crystal film is metal organic vapor phase epitaxial growth. Or by molecular beam epitaxial growth.
請求項1ないし請求項20の発明によれば、欠陥が少なく膜厚が100nm以下の第1半導体単結晶膜をチャネルとして利用可能になり,且つその下地層が高絶縁性であるため、チャネル遮断時の漏れ電流が小さい半導体素子を実現可能である。 According to the first to twentieth aspects of the present invention, the first semiconductor single crystal film having few defects and having a film thickness of 100 nm or less can be used as a channel, and the underlying layer is highly insulative. It is possible to realize a semiconductor element with a small leakage current.
請求項2の発明によれば、格子不整合による欠陥が少ない絶縁性単結晶膜を形成可能であるので、第1半導体単結晶膜の欠陥をさらに減らすことができる。 According to the invention of claim 2, since the insulating single crystal film with few defects due to lattice mismatch can be formed, the defects of the first semiconductor single crystal film can be further reduced.
請求項14ないし請求項17の発明によれば、膜厚が薄い低欠陥の第1半導体単結晶膜をチャネルとして利用可能となり、電圧を印可ぜずとも電流を遮断できるノーマリオフ機能を有する半導体素子を容易に実現することができる。 According to the fourteenth to seventeenth aspects of the present invention, there is provided a semiconductor device having a normally-off function that can use a first semiconductor single crystal film having a small thickness and a low defect as a channel, and can cut off a current without applying a voltage. It can be easily realized.
<1 第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体積層構造10及び半導体積層構造10を用いて形成された半導体素子であるFET(電界効果トランジスタ)510の構成を示す図である。図1は、半導体積層構造10及びFET510の断面図となっているが、図示の便宜上、図1に図示された各部の厚みの比は、実際の半導体積層構造10及び半導体素子510における各部の厚みの比を反映していない。この点は、図2〜図9においても同様である。
<1 First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a
図1に示すように、半導体積層構造10は、基材となる絶縁性単結晶基板11の上に、下地となる絶縁性単結晶膜12と、チャネル層となる半導体単結晶膜13とを、この記載順序で順次形成することにより得られている。絶縁性単結晶膜12及び半導体単結晶膜13は、有機金属気相エピタキシャル成長法及び分子線エピタキシャル成長法等の周知の方法で形成されたエピタキシャル膜である。このようにして得られた半導体積層構造10の最上部に形成された半導体単結晶膜13の上には、ゲート電極511、ドレイン電極512及びソース電極513が形成され、半導体単結晶膜13をチャネル層とするFET510が実現されている。
As shown in FIG. 1, a semiconductor
絶縁性単結晶基板11は、抵抗率が108Ωcm以上となるような、高絶縁性の単結晶基板である。絶縁性単結晶基板11の厚みは、取り扱いの便宜上、数100μm〜数mmとすることが望ましいが、この範囲外とすることも妨げられない。絶縁性単結晶基板11としては、例えば、III族窒化物又はSiCからなる基板を用いることができる。絶縁性単結晶基板11に用いられるIII族窒化物は、望ましくは、一般式AlxGa1-xN(0≦x≦1)で表されるIII族窒化物であり、さらに望ましくは一般式AlxGa1-xN(0.5≦x≦1)で表されるIII族窒化物であり、またさらに望ましくは、AlNである。これは、一般式AlxGa1-xNで表されるIII族窒化物は、Al含有量xが増加するにつれて絶縁性が向上するため、絶縁性単結晶基板11に用いられるIII族窒化物としてはAlNが最も望ましいが、Al含有量xが0.5以上であれば十分な絶縁性を確保できる場合が多いことによるものである。
The insulating
なお、不純物をドープして絶縁体とした半導体からなる基板を絶縁性単結晶基板11に用いることもできる。例えば、不純物をドープして高絶縁性としたIII族窒化物又はSiCからなる基板を絶縁性単結晶基板11として用いることもできる。
Note that a substrate made of a semiconductor doped with an impurity to be an insulator can be used for the insulating
絶縁性単結晶膜12は、絶縁性単結晶基板11と同様に、抵抗率が108Ωcm以上となるような、高絶縁性のエピタキシャル膜である。絶縁性単結晶膜12は、本発明の範囲内で絶縁性単結晶基板11上に成長する限りにおいては、0.5μm以上の膜厚を有していれば、欠陥が少なく薄い半導体単結晶膜13を実現するための下地として十分に機能するようになる。絶縁性単結晶膜12としては、絶縁性単結晶基板11と同様に、III族窒化物又はSiCからなるエピタキシャル膜や、不純物をドープして高絶縁性としたIII族窒化物又はSiCからなるエピタキシャル膜を用いることができる。絶縁性単結晶膜12に用いられるIII族窒化物は、上述の説明と同様の理由により、望ましくは、一般式AlyGa1-yN(0≦y≦1)で表されるIII族窒化物であり、さらに望ましくは一般式AlxGa1-xN(0.5≦x≦1)で表されるIII族窒化物であり、またさらに望ましくはAlNである。
The insulating
絶縁性単結晶基板11又は絶縁性単結晶膜12の絶縁性の向上のためにドープする上述の不純物は、導電性の原因となっているキャリアを打ち消すドナー又はアクセプタであり、例えば、遷移金属元素又は希土類元素から選択される。不純物のドープ量は、十分な絶縁性を確保可能なドープ量を実験であらかじめ調べておくことにより、決定される。
The above-mentioned impurities doped for improving the insulating properties of the insulating
半導体単結晶膜13は、膜厚が100nm以下のエピタキシャル膜である。半導体単結晶膜13の膜厚を100nm以下とすることにより、図2に示すように、FETの制御用電極となるゲート電極511に電圧を印可し,半導体単結晶膜13内部に空乏層DLを形成することによりチャネルが遮断された状態を実現する事ができる。また、その下地が絶縁性単結晶膜からなるために,チャネル遮断時の漏電流を実用上問題が無い程度に低く抑えることが可能となる。半導体単結晶膜13は、例えば、III族窒化物、望ましくは、一般式AlzGa1-zN(0≦z≦0.5)で表されるIII族窒化物からなる。
The semiconductor
さらに、半導体積層構造10においては、欠陥が少なく薄い半導体単結晶膜13を実現するために、絶縁性単結晶膜12と半導体単結晶膜13との面方向の格子不整合が5%以下となるように、絶縁性単結晶膜12及び半導体単結晶膜13の組成が決定されている。このような格子不整合の防止は、典型的には、絶縁性単結晶膜12及び半導体単結晶膜13の組成を一致又は類似させることにより実現されるが、α−SiCとGaNとの組み合わせのような異種材料系の組み合わせも妨げられない。
Furthermore, in the
加えて、欠陥が少なく薄い半導体単結晶膜13を実現するためには、下地となる絶縁性単結晶膜12の欠陥を少なくすることが望まれるが、これは、絶縁性単結晶基板11と絶縁性単結晶膜12との面方向の格子不整合が5%以下となるように、絶縁性単結晶基板11及び絶縁性単結晶膜12の組成を決定することにより実現される。
In addition, in order to realize the thin semiconductor
半導体積層構造10の上に形成されるゲート電極511は、半導体単結晶膜13にショットキー接合させることにより形成されたショットキー性の金属電極であり、ドレイン電極512及びソース電極513は、半導体単結晶膜13にオーミック接合させることにより形成された金属電極である。このようにして実現されるショットキー型のFET510では、ゲート電極511に印加する電圧を変化させることにより半導体単結晶膜13の内部の空乏層DLを拡大又は縮小可能であるので、ゲート電極511に印加する電圧によって半導体単結晶膜13に流れる電流を制御可能である。
The
また、FET510は、欠陥が少なく薄い半導体単結晶膜13をチャネル層として用いているので、半導体単結晶膜13の膜厚を十分に薄くすること(望ましくは、30nm以下)、もしくは半導体に伝導性を付与するための不純物の濃度を十分に低くすることにより(望ましくは、1×1017/cm3以下)、チャネル遮断時の漏電流が小さいノーマリオフ型素子とすることができる。このようなノーマリオフ型のFETは、電子機器に組み込んで用いた場合、故障等により制御用電極へ電圧を印加できなくなってもチャネルに電流が流れないので、特別な保護回路を必要とせず、電子機器のコスト低減に寄与可能である。
In addition, since the
加えて、FET510は、基材及び下地が絶縁性であるので、寄生容量の影響を受けにくく、高周波特性が良好である。
In addition, since the base material and the underlayer of the
なお、上述の説明では、半導体単結晶膜13の上にゲート電極511、ドレイン電極512及びソース電極513を直接形成する例を示したが、図3に示すように、半導体単結晶膜13の上にさらに1種類以上の半導体単結晶膜14を形成し、半導体積層構造10の最上部に形成された半導体単結晶膜14の上に、ドレイン電極512及びソース電極513をオーミック接合により形成し、半導体単結晶膜14に皮膜されていない、半導体単結晶膜13の露出部分にゲート電極511を形成するようにしてもよい。
In the above description, an example in which the
また、上述の説明では、ショットキー型のFETを実現する例を示したが、MIS型のFETを実現しても良い。 In the above description, an example in which a Schottky FET is realized is shown, but an MIS FET may be realized.
例えば、図4に示すように、半導体単結晶膜13の上にさらに1種類以上の絶縁性膜15を形成し、半導体積層構造10の最上部に形成された絶縁性膜15の上に、ゲート電極511を形成し、絶縁性膜15に皮膜されていない、半導体単結晶膜13の露出部分にドレイン電極512及びソース電極513をオーミック接合により形成するようにしてもよい。
For example, as shown in FIG. 4, one or more types of insulating
このようなFET510は、高周波回路や電力制御回路等を含む装置において好適に用いることができる。
Such an
<2 第2実施形態>
図5は、本発明の第2実施形態に係る半導体積層構造20及び半導体積層構造20を用いて形成された半導体素子であるHEMT(高電子移動度トランジスタ)520の構成を示す図である。図5は、半導体積層構造20及びHEMT520の断面図となっている。
<2 Second Embodiment>
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a
図5に示すように、半導体積層構造20は、基材となる絶縁性単結晶基板21の上に、下地となる絶縁性単結晶膜22と、チャネル層となる半導体単結晶膜23と、電子供給層となる半導体単結晶膜24とを、この記載順序で順次形成することにより得られている。絶縁性単結晶膜22及び半導体単結晶膜23,24は、有機金属気相エピタキシャル成長法又は分子線エピタキシャル成長法により形成されたエピタキシャル膜である。このようにして得られた半導体積層構造20の最上部に形成された半導体単結晶膜24の上には、ゲート電極521、ドレイン電極522及びソース電極523が形成され、半導体単結晶膜23をチャネル層とするHEMT520が実現されている。
As shown in FIG. 5, the
なお、第2実施形態に係る半導体積層構造20は、第1実施形態に係る半導体積層構造10の絶縁性単結晶基板11、絶縁性単結晶膜12及び半導体単結晶膜13と同様の絶縁性単結晶基板21、絶縁性単結晶膜22及び半導体単結晶膜23の上に、半導体単結晶膜24をさらに形成して得られるものであるので、絶縁性単結晶基板21、絶縁性単結晶膜22及び半導体単結晶膜23についての重複説明は省略する。
In addition, the
半導体単結晶膜23の上に形成される半導体単結晶膜24としては、III族窒化物、望ましくは、一般式AlwGa1-wN(0≦w≦0.5)で表されるIII族窒化物からなるエピタキシャル膜を用いることができる。この半導体単結晶膜24の組成は、バンドギャップが半導体単結晶膜23より大きくなるように決定される。例えば、半導体単結晶膜23の組成が一般式AlxGa1-xN(0≦x≦0.5)で表され、半導体単結晶膜24の組成が一般式AlwGa1-wN(0≦w≦1)で表される場合、半導体単結晶膜24に含まれるAl量wは、半導体単結晶膜23に含まれるAl量xよりも大きくなるように決定される。これにより、半導体単結晶膜24から半導体単結晶膜23へ電子が供給され、半導体単結晶膜23の内部の半導体単結晶膜24との界面付近にHEMT520のキャリアとなる2次元電子ガスDEGが生成される。
The semiconductor
半導体積層構造20の上に形成されるゲート電極521は、第1実施形態の場合と同様に、半導体単結晶膜24にショットキー接合させることにより形成されたショットキー性の金属電極であり、ドレイン電極522及びソース電極523は、半導体単結晶膜24にオーミック接合させることにより形成された金属電極である。このようにして実現されるHEMT520では、ゲート電極521に印加する電圧を変化させることにより半導体単結晶膜23の内部の空乏層を拡大又は縮小可能であるので、ゲート電極521に印加する電圧によって半導体単結晶膜23に流れる電流を制御可能である。
The
また、HEMT520は、第1実施形態と同様に、欠陥が少なく薄い半導体単結晶膜23をチャネル層として用いているので、チャネル遮断時の漏電流が小さい半導体素子となっている。もちろん、HEMT520でも、半導体単結晶膜23及び半導体単結晶膜24の膜厚を十分に薄くすれば(望ましくは、それぞれ、50nm以下及び10nm以下)、ノーマリオフ型とすることができる。このようにして実現したノーマリオフ型のHEMT520は、電子機器に組み込んで用いた場合、故障等により制御用電極へ電圧を印加できなくなってもチャネルに電流が流れないので、特別な保護回路を必要とせず、電子機器のコスト低減に寄与可能である。
Further, as in the first embodiment, the
加えて、HEMT520は、第1実施形態と同様に、基材及び下地が絶縁性であるので、寄生容量の影響を受けにくく、高周波特性が良好である。
In addition, since the base material and the base are insulative as in the first embodiment, the
なお、上述の説明では、半導体単結晶膜24の上にゲート電極521、ドレイン電極522及びソース電極523を直接形成する例を示したが、図6に示すように、半導体単結晶膜24の上にさらに1種類以上の半導体単結晶膜25を形成し、半導体積層構造20の最上部に形成された半導体単結晶膜25の上に、ドレイン電極522及びソース電極523をオーミック接合により形成し、半導体単結晶膜25に皮膜されていない、半導体単結晶膜24の露出部分にゲート電極521を形成するようにしてもよい。
In the above description, an example in which the
また、上述の説明では、ショットキー型のHEMTを実現する例を示したが、MIS型のHEMTを実現しても良い。 In the above description, an example in which a Schottky HEMT is realized has been described. However, an MIS HEMT may be realized.
例えば、図7に示すように、半導体単結晶膜24の上にさらに1種類以上の絶縁性膜26を形成し、半導体積層構造20の最上部に形成された絶縁性膜26の上に、ゲート電極521を形成し、絶縁性膜26に皮膜されていない、半導体単結晶膜24の露出部分にドレイン電極522及びソース電極523をオーミック接合により形成するようにしてもよい。
For example, as shown in FIG. 7, one or more kinds of insulating
このようなHEMT520は、高周波回路等を含む装置において好適に用いることができる。
Such a
以下では、本発明の望ましい実施例及び本発明の範囲外となる比較例について説明する。 Hereinafter, preferred examples of the present invention and comparative examples outside the scope of the present invention will be described.
<実施例1>
実施例1は、本発明の第1実施形態(図1参照)に係る実施例である。
<Example 1>
Example 1 is an example according to the first embodiment (see FIG. 1) of the present invention.
実施例1では、厚みが430μmの高絶縁性のAlN基板の上に、有機金属化学気相エピタキシャル成長法により、膜厚が1μmの高絶縁性のAlN膜と、膜厚が50nmならびにドナー濃度がドナー濃度が1×1018/cm3であるGaN膜とを、この記載順序で順次形成した。ここで、AlN基板は、図1の絶縁性単結晶基板11に相当し、AlN膜及びGaN膜は、それぞれ、図1の絶縁性単結晶膜12及び半導体単結晶膜13に相当している。
In Example 1, on a highly insulating AlN substrate having a thickness of 430 μm, a highly insulating AlN film having a thickness of 1 μm, a thickness of 50 nm, and a donor concentration of donor are formed by metal organic chemical vapor deposition. A GaN film having a concentration of 1 × 10 18 / cm 3 was sequentially formed in this order. Here, the AlN substrate corresponds to the insulating
このようにして形成された半導体積層構造10においては、AlN基板とAlN膜との面方向の格子不整合は0%、AlN膜とGaN膜との面方向の格子不整合は2.4%となっており、いずれも5%以下となっている。また、当該半導体積層構造10について、GaN膜のミスフィット転位密度を計測したところ、1×107/cm2以下であった。
In the
さらに、GaN膜の上の適所に、ゲート電極511をショットキー接合により形成するとともに、ドレイン電極512及びソース電極513をオーミック接合により形成し、ショットキー型のFET510を得た。
Further, the
このFET510について、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に−5Vの電圧を印加したときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は1pA/mm以下であった。
With respect to the
<実施例2>
実施例2は、本発明の第1実施形態(図1参照)に係る実施例である。
<Example 2>
Example 2 is an example according to the first embodiment (see FIG. 1) of the present invention.
実施例2では、厚みが430μmの高絶縁性のAlN基板の上に、有機金属化学気相エピタキシャル成長法により、膜厚が1μmの高絶縁性のAlN膜と、膜厚が30nmならびにドナー濃度が1×1017/cm3であるGaN膜とを、この記載順序で順次形成した。ここで、AlN基板は、図1の絶縁性単結晶基板11に相当し、AlN膜及びGaN膜は、それぞれ、図1の絶縁性単結晶膜12及び半導体単結晶膜13に相当している。
In Example 2, a highly insulating AlN film having a film thickness of 1 μm, a film thickness of 30 nm, and a donor concentration of 1 are formed on a highly insulating AlN substrate having a thickness of 430 μm by metal organic chemical vapor deposition. A GaN film of × 10 17 / cm 3 was sequentially formed in this order of description. Here, the AlN substrate corresponds to the insulating
このようにして形成された半導体積層構造10においては、AlN基板とAlN膜との面方向の格子不整合は0%、AlN膜とGaN膜との面方向の格子不整合は2.4%となっており、いずれも5%以下となっている。また、当該半導体積層構造10について、GaN膜のミスフィット転位密度を計測したところ、1×107/cm2以下であった。
In the
さらに、GaN膜の上の適所に、ゲート電極511をショットキー接合により形成するとともに、ドレイン電極512及びソース電極513をオーミック接合により形成し、ショットキー型のFET510を得た。
Further, the
このFET510について、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に−5Vの電圧を印加したときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は1pA/mm以下であった。また、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に電圧を印加しないときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は10〜50nA/mm以下であり、ノーマリオフ型のFET510を得られていることを確認できた。
With respect to the
<実施例3>
実施例3は、本発明の第2実施形態(図5参照)に係る実施例である。
<Example 3>
Example 3 is an example according to the second embodiment (see FIG. 5) of the present invention.
実施例3では、厚みが430μmの高絶縁性のAlN基板の上に、有機金属化学気相エピタキシャル成長法により、膜厚が1μmの高絶縁性のAlN膜と、膜厚が50nmのGaN膜と、膜厚が25nmのAl0.2Ga0.8N膜とを、この記載順序で順次形成した。ここで、AlN基板は、図5の絶縁性単結晶基板21に相当し、AlN膜、GaN膜及びAl0.2Ga0.8N膜は、それぞれ、図5の絶縁性単結晶膜22、半導体単結晶膜23及び半導体単結晶膜24に相当している。
In Example 3, a highly insulating AlN film having a thickness of 1 μm, a GaN film having a thickness of 50 nm on a highly insulating AlN substrate having a thickness of 430 μm by a metal organic chemical vapor deposition method, An Al 0.2 Ga 0.8 N film having a thickness of 25 nm was sequentially formed in this order. Here, the AlN substrate corresponds to the insulating
このようにして形成された半導体積層構造20においては、AlN基板とAlN膜との面方向の格子不整合は0%、AlN膜とGaN膜との面方向の格子不整合は2.4%となっており、いずれも5%以下となっている。また、当該半導体積層構造20について、GaN膜のミスフィット転位密度を計測したところ、1×107/cm2以下であった。
In the
さらに、Al0.2Ga0.8N膜の上の適所に、ゲート電極521をショットキー接合により形成するとともに、ドレイン電極522及びソース電極523をオーミック接合により形成し、ショットキー型のHEMT520を得た。
Further, the
このHEMT520について、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に−5Vの電圧を印加したときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は1pA/mm以下であった。
With respect to this
<実施例4>
実施例4は、本発明の第2実施形態(図7参照)に係る実施例である。
<Example 4>
Example 4 is an example according to the second embodiment of the present invention (see FIG. 7).
実施例4では、厚みが430μmの高絶縁性のAlN基板の上に、有機金属化学気相エピタキシャル成長法により、膜厚が1μmの高絶縁性のAlN膜と、膜厚が50nmのGaN膜と、膜厚が25nmのAl0.2Ga0.8N膜と、膜厚が10nmのAl2O3膜とを、この記載順序で順次形成した。ここで、AlN基板は、図7の絶縁性単結晶基板21に相当し、AlN膜、GaN膜、Al0.2Ga0.8N膜及びAl2O3膜は、それぞれ、図8の絶縁性単結晶膜22、半導体単結晶膜23、半導体単結晶膜24及び絶縁性膜26に相当している。
In Example 4, on a highly insulating AlN substrate having a thickness of 430 μm, a highly insulating AlN film having a thickness of 1 μm, and a GaN film having a thickness of 50 nm are formed by metal organic chemical vapor deposition. An Al 0.2 Ga 0.8 N film having a thickness of 25 nm and an Al 2 O 3 film having a thickness of 10 nm were sequentially formed in this order of description. Here, the AlN substrate corresponds to the insulating
このようにして形成された半導体積層構造20においては、AlN基板とAlN膜との面方向の格子不整合は0%、AlN膜とGaN膜との面方向の格子不整合は2.4%となっており、いずれも5%以下となっている。また、当該半導体積層構造20について、GaN膜のミスフィット転位密度を計測したところ、1×107/cm2以下であった。
In the
さらに、ドレイン電極522及びソース電極523の形成位置のAl2O3膜をエッチングにより除去し、残存するAl2O3膜の上の適所にゲート電極521を形成し、露出したAl0.2Ga0.8N膜の上の適所にドレイン電極522及びソース電極523をオーミック接合により形成し、MIS型のHEMT520を得た。
Further, the Al 2 O 3 film at the position where the
このHEMT520について、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に−5.5Vの電圧を印加したときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は1pA/mm以下であった。
With respect to this
<実施例5>
実施例5は、本発明の第2実施形態(図5参照)に係る実施例である。
<Example 5>
Example 5 is an example according to the second embodiment (see FIG. 5) of the present invention.
実施例5では、厚みが430μmの高絶縁性のAlN基板の上に、有機金属化学気相エピタキシャル成長法により、膜厚が1μmの高絶縁性のAlN膜と、膜厚が50nmのGaN膜と、膜厚が8nmのAl0.2Ga0.8N膜とを、この記載順序で順次形成した。ここで、AlN基板は、先述の絶縁性単結晶基板21に相当し、AlN膜、GaN膜及びAl0.2Ga0.8N膜は、それぞれ、図5の絶縁性単結晶基板22、半導体単結晶膜23及び半導体単結晶膜24に相当している。
In Example 5, on a highly insulating AlN substrate having a thickness of 430 μm, a highly insulating AlN film having a thickness of 1 μm, and a GaN film having a thickness of 50 nm are formed by metal organic chemical vapor deposition. An Al 0.2 Ga 0.8 N film having a thickness of 8 nm was sequentially formed in this order. Here, the AlN substrate corresponds to the insulating
このようにして形成された半導体積層構造20においては、AlN基板とAlN膜との面方向の格子不整合は0%、AlN膜とGaN膜との面方向の格子不整合は2.4%となっており、いずれも5%以下となっている。また、当該半導体積層構造について、GaN膜のミスフィット転位密度を計測したところ、1×107/cm2以下であった。
In the
さらに、Al0.2Ga0.8N膜の上の適所に、ゲート電極521をショットキー接合により形成するとともに、ドレイン電極522及びソース電極523をオーミック接合により形成し、ショットキー型のHEMT520を得た。
Further, the
このHEMT520について、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に−5Vの電圧を印加したときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は1pA/mm以下であった。また、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に電圧を印加しないときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は10nA/mm以下であり、ノーマリオフ型のHEMT520を得られていることを確認できた。
With respect to this
<実施例6>
実施例6は、本発明の第2実施形態(図5参照)に係る実施例である。
<Example 6>
Example 6 is an example according to the second embodiment of the present invention (see FIG. 5).
実施例6では、厚みが430μmの高絶縁性のAlN基板の上に、有機金属化学気相エピタキシャル成長法により、膜厚が1μmの高絶縁性のAl0.7Ga0.3N膜と、膜厚が50nmのGaN膜と、膜厚が25nmのAl0.2Ga0.8N膜とを、この記載順序で順次形成した。ここで、AlN基板は、図5の絶縁性単結晶基板21に相当し、Al0.7Ga0.3N膜、GaN膜及びAl0.2Ga0.8N膜は、それぞれ、図5の絶縁性単結晶膜22、半導体単結晶膜23及び半導体単結晶膜24に相当している。
In Example 6, a highly insulating Al 0.7 Ga 0.3 N film having a thickness of 1 μm and a thickness of 50 nm are formed on a highly insulating AlN substrate having a thickness of 430 μm by metal organic chemical vapor deposition. A GaN film and an Al 0.2 Ga 0.8 N film having a thickness of 25 nm were sequentially formed in this order. Here, the AlN substrate corresponds to the insulating
このようにして形成された半導体積層構造20においては、AlN基板とAl0.7Ga0.3N膜との面方向の格子不整合は1.7%、Al0.7Ga0.3N膜とGaN膜との面方向の格子不整合は0.7%となっており、いずれも5%以下となっている。また、当該半導体積層構造20について、GaN膜のミスフィット転位密度を計測したところ、1×107/cm2以下であった。
In the
さらに、Al0.2Ga0.8N膜の上の適所に、ゲート電極521をショットキー接合により形成するとともに、ドレイン電極522及びソース電極523をオーミック接合により形成し、ショットキー型のHEMT520を得た。
Further, the
このHEMT520について、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に−5Vの電圧を印加したときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は1pA/mm以下であった。
With respect to this
<実施例7>
実施例6は、本発明の第2実施形態(図5参照)に係る実施例である。
<Example 7>
Example 6 is an example according to the second embodiment of the present invention (see FIG. 5).
実施例7では、厚みが430μmの高絶縁性のAlN基板の上に、有機金属化学気相エピタキシャル成長法により、膜厚が1μmの高絶縁性のAl0.8Ga0.2N膜と、膜厚が50nmのGaN膜と、膜厚が25nmのAl0.2Ga0.8N膜とを、この記載順序で順次形成した。ここで、AlN基板は、図5の絶縁性単結晶基板21に相当し、Al0.8Ga0.2N膜、GaN膜及びAl0.2Ga0.8N膜は、それぞれ、図5の絶縁性単結晶基板22、半導体単結晶膜23及び半導体単結晶膜24に相当している。
In Example 7, a highly insulating Al 0.8 Ga 0.2 N film having a thickness of 1 μm and a film thickness of 50 nm are formed on a highly insulating AlN substrate having a thickness of 430 μm by metal organic chemical vapor deposition. A GaN film and an Al 0.2 Ga 0.8 N film having a thickness of 25 nm were sequentially formed in this order. Here, the AlN substrate corresponds to the insulating
このようにして形成された半導体積層構造20においては、AlN基板とAl0.8Ga0.2N膜との面方向の格子不整合は1.9%、Al0.8Ga0.2N膜とGaN膜との面方向の格子不整合は0.5%となっており、いずれも5%以下となっている。また、当該半導体積層構造について、GaN膜のミスフィット転位密度を計測したところ、1×107/cm2以下であった。
In the
さらに、Al0.2Ga0.8N膜の上の適所に、ゲート電極521をショットキー接合により形成するとともに、ドレイン電極522及びソース電極523をオーミック接合により形成し、ショットキー型のHEMT520を得た。
Further, the
このHEMT520について、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に−5Vの電圧を印加したときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は1pA/mm以下であった。
With respect to this
<実施例8>
実施例8は、本発明の第2実施形態(図5参照)に係る実施例である。
<Example 8>
Example 8 is an example according to the second embodiment of the present invention (see FIG. 5).
実施例8では、厚みが430μmの高絶縁性のα−SiC基板の上に、有機金属化学気相エピタキシャル成長法により、膜厚が1μmの高絶縁性のα−SiC膜と、膜厚が50nmのGaN膜と、膜厚が25nmのAl0.2Ga0.8N膜とを、この記載順序で順次形成した。ここで、AlN基板は、図5の絶縁性単結晶基板21に相当し、α−SiC膜、GaN膜及びAl0.2Ga0.8N膜は、それぞれ、図5の絶縁性単結晶膜22、半導体単結晶膜23及び半導体単結晶膜24に相当している。
In Example 8, a highly insulating α-SiC film having a thickness of 1 μm and a thickness of 50 nm are formed on a highly insulating α-SiC substrate having a thickness of 430 μm by metal organic chemical vapor deposition. A GaN film and an Al 0.2 Ga 0.8 N film having a thickness of 25 nm were sequentially formed in this order. Here, the AlN substrate corresponds to the insulating
このようにして形成された半導体積層構造20においては、α−SiC基板とα−SiC膜との面方向の格子不整合は0%、α−SiC膜とGaN膜との面方向の格子不整合は3.5%となっており、いずれも5%以下となっている。また、当該半導体積層構造20について、GaN膜のミスフィット転位密度を計測したところ、1×107/cm2以下であった。
In the
さらに、Al0.2Ga0.8N膜の上の適所に、ゲート電極521をショットキー接合により形成するとともに、ドレイン電極522及びソース電極523をオーミック接合により形成し、ショットキー型のHEMT520を得た。
Further, the
このHEMT520について、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に−5Vの電圧を印加したときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は1pA/mm以下であった。
With respect to this
<実施例9>
実施例9は、本発明の第2実施形態(図5参照)に係る実施例である。
<Example 9>
Example 9 is an example according to the second embodiment (see FIG. 5) of the present invention.
実施例9では、厚みが430μmの、バナジウムを添加して高絶縁性としたα−SiC基板の上に、有機金属化学気相エピタキシャル成長法により、膜厚が1μmの、バナジウムを添加して高絶縁性としたα−SiC膜と、膜厚が50nmのGaN膜と、膜厚が25nmのAl0.2Ga0.8N膜とを、この記載順序で順次形成した。ここで、AlN基板は、図5の絶縁性単結晶基板21に相当し、α−SiC膜、GaN膜及びAl0.2Ga0.8N膜は、それぞれ、図5の絶縁性単結晶膜22、半導体単結晶膜23及び半導体単結晶膜24に相当している。
In Example 9, vanadium having a thickness of 1 μm was added on a α-SiC substrate having a thickness of 430 μm and made highly insulating by adding vanadium, and high insulation was obtained by metal organic chemical vapor deposition method. An α-SiC film, a GaN film with a film thickness of 50 nm, and an Al 0.2 Ga 0.8 N film with a film thickness of 25 nm were sequentially formed in this order of description. Here, the AlN substrate corresponds to the insulating
このようにして形成された半導体積層構造20においては、α−SiC基板とα−SiC膜との面方向の格子不整合は0%、α−SiC膜とGaN膜との面方向の格子不整合は3.5%となっており、いずれも5%以下となっている。また、当該半導体積層構造20について、GaN膜のミスフィット転位密度を計測したところ、1×107/cm2以下であった。
In the
さらに、Al0.2Ga0.8N膜の上の適所に、ゲート電極521をショットキー接合により形成するとともに、ドレイン電極522及びソース電極523をオーミック接合により形成し、ショットキー型のHEMT520を得た。
Further, the
このHEMT520について、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に−5Vの電圧を印加したときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は1pA/mm以下であった。
With respect to this
<比較例1>
比較例1では、厚みが430μmのサファイア基板の上に、有機金属化学気相エピタキシャル成長法により、膜厚が30nmの低温成長GaN膜と、膜厚が2μmならびにドナー濃度が1×1018/cm3であるGaN膜とを、この記載順序で順次形成した。このようにして得られた半導体積層構造は、実施例1の半導体積層構造10の基材をAlN基板からサファイア基板へ変更し、下地を膜厚が1μmのAlN膜から膜厚が30nmの低温成長GaN膜へ変更し、チャネル層の膜厚を50nmから2μmへ増加させたものに相当している。
<Comparative Example 1>
In Comparative Example 1, a low-temperature grown GaN film having a film thickness of 30 nm, a film thickness of 2 μm, and a donor concentration of 1 × 10 18 / cm 3 on a 430 μm-thick sapphire substrate by metal organic chemical vapor deposition. Were sequentially formed in this order. In the semiconductor multilayer structure obtained in this way, the base material of the
このようにして形成された半導体積層構造においては、サファイア基板と低温成長GaN膜との面方向の格子不整合は16%となっている。また、当該半導体積層構造について、GaN膜のミスフィット転位密度を計測したところ、1×109/cm2以上であった。 In the semiconductor multilayer structure thus formed, the lattice mismatch in the plane direction between the sapphire substrate and the low-temperature grown GaN film is 16%. Further, when the misfit dislocation density of the GaN film was measured for the semiconductor laminated structure, it was 1 × 10 9 / cm 2 or more.
さらに、GaN膜の上の適所に、ゲート電極をショットキー接合により形成するとともに、ドレイン電極及びソース電極をオーミック接合により形成し、ショットキー型のFETを得た。 Furthermore, a gate electrode was formed by a Schottky junction at an appropriate position on the GaN film, and a drain electrode and a source electrode were formed by an ohmic junction to obtain a Schottky FET.
このFETについて、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に−10Vの電圧を印加したときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は10μA/mm以上であった。 With respect to this FET, when a voltage of 40 V was applied between the drain and source and a voltage of −10 V was applied between the gate and source, the leakage current density was evaluated, and the leakage current density was 10 μA / mm or more.
<比較例2>
比較例2では、厚みが430μmのサファイア基板の上に、有機金属化学気相エピタキシャル成長法により、膜厚が30nmの低温成長GaN膜と、膜厚が2μmならびにドナー濃度が1×1017/cm3であるGaN膜とを、この記載順序で順次形成した。このようにして得られた半導体積層構造は、実施例1の半導体積層構造10の基材をAlN基板からサファイア基板へ変更し、下地を膜厚が1μmのAlN膜から膜厚が30nmの低温成長GaN膜へ変更し、チャネル層の膜厚を30nmから2μmへ増加させたものに相当している。
<Comparative example 2>
In Comparative Example 2, a low-temperature grown GaN film having a film thickness of 30 nm, a film thickness of 2 μm, and a donor concentration of 1 × 10 17 / cm 3 on a sapphire substrate having a thickness of 430 μm by metal organic chemical vapor deposition. Were sequentially formed in this order. In the semiconductor multilayer structure obtained in this way, the base material of the
このようにして形成された半導体積層構造においては、サファイア基板と低温成長GaN膜との面方向の格子不整合は16%となっている。また、当該半導体積層構造について、GaN膜のミスフィット転位密度を計測したところ、1×109/cm2以上であった。 In the semiconductor multilayer structure thus formed, the lattice mismatch in the plane direction between the sapphire substrate and the low-temperature grown GaN film is 16%. Further, when the misfit dislocation density of the GaN film was measured for the semiconductor laminated structure, it was 1 × 10 9 / cm 2 or more.
さらに、GaN膜の上の適所に、ゲート電極をショットキー接合により形成するとともに、ドレイン電極及びソース電極をオーミック接合により形成し、ショットキー型のFETを得た。 Furthermore, a gate electrode was formed by a Schottky junction at an appropriate position on the GaN film, and a drain electrode and a source electrode were formed by an ohmic junction to obtain a Schottky FET.
このFETについて、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に−10Vの電圧を印加したときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は10μA/mm以上であった。また、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に電圧を印加しないときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は100mA/mm以上であった。 With respect to this FET, when a voltage of 40 V was applied between the drain and source and a voltage of −10 V was applied between the gate and source, the leakage current density was evaluated, and the leakage current density was 10 μA / mm or more. Further, when the leakage characteristics were evaluated when a voltage of 40 V was applied between the drain and the source and no voltage was applied between the gate and the source, the leakage current density was 100 mA / mm or more.
<比較例3>
比較例3では、厚みが430μmのサファイア基板の上に、有機金属化学気相エピタキシャル成長法により、膜厚が30nmの低温成長GaN膜と、膜厚が3μmのGaN膜と、膜厚が25nmのAl0.2Ga0.8N膜とを、この記載順序で順次形成した。このようにして得られた半導体積層構造は、実施例2の半導体積層構造20の基材をAlN基板からサファイア基板へ変更し、下地を膜厚が1μmのAlN膜から膜厚が30nmの低温成長GaN膜へ変更し、チャネル層の膜厚を50nmから3μmへ増加させたものに相当している。
<Comparative Example 3>
In Comparative Example 3, a low-temperature grown GaN film having a film thickness of 30 nm, a GaN film having a film thickness of 3 μm, and an Al film having a film thickness of 25 nm are formed on a sapphire substrate having a thickness of 430 μm by metal organic chemical vapor deposition. 0.2 Ga 0.8 N films were sequentially formed in this order. In the semiconductor multilayer structure obtained in this way, the base material of the
このようにして形成された半導体積層構造においては、サファイア基板と低温成長GaN膜との面方向の格子不整合は16%となっている。また、当該半導体積層構造について、GaN膜のミスフィット転位密度を計測したところ、1×109/cm2以上であった。 In the semiconductor multilayer structure thus formed, the lattice mismatch in the plane direction between the sapphire substrate and the low-temperature grown GaN film is 16%. Further, when the misfit dislocation density of the GaN film was measured for the semiconductor laminated structure, it was 1 × 10 9 / cm 2 or more.
さらに、GaN膜の上の適所に、ゲート電極をショットキー接合により形成するとともに、ドレイン電極及びソース電極をオーミック接合により形成し、ショットキー型のHEMTを得た。 Further, a gate electrode was formed by a Schottky junction at an appropriate position on the GaN film, and a drain electrode and a source electrode were formed by an ohmic junction to obtain a Schottky HEMT.
このHEMTについて、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に−5Vの電圧を印加したときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は10μA/mm以上であった。 With respect to this HEMT, when a voltage of 40 V was applied between the drain and the source and a voltage of −5 V was applied between the gate and the source, the leakage characteristics were evaluated, and the leakage current density was 10 μA / mm or more.
<比較例4>
比較例4では、厚みが430μmのサファイア基板の上に、有機金属化学気相エピタキシャル成長法により、膜厚が30nmの低温成長GaN膜と、膜厚が3μmのGaN膜と、膜厚が25nmのAl0.2Ga0.8N膜と、膜厚が10nmのAl2O3膜とを、この記載順序で順次形成した。このようにして得られた半導体積層構造は、実施例3の半導体積層構造20の基材をAlN基板からサファイア基板へ変更し、下地を膜厚が1μmのAlN膜から膜厚が30nmの低温成長GaN膜へ変更し、チャネル層の膜厚を50nmから3μmへ増加させたものに相当している。
<Comparative example 4>
In Comparative Example 4, a low-temperature grown GaN film having a film thickness of 30 nm, a GaN film having a film thickness of 3 μm, and an Al film having a film thickness of 25 nm are formed on a sapphire substrate having a thickness of 430 μm by metal organic chemical vapor deposition. A 0.2 Ga 0.8 N film and an Al 2 O 3 film having a thickness of 10 nm were sequentially formed in this order. In the semiconductor multilayer structure obtained in this manner, the base material of the
このようにして形成された半導体積層構造においては、サファイア基板と低温成長GaN膜との面方向の格子不整合は16%となっている。また、当該半導体積層構造について、GaN膜のミスフィット転位密度を計測したところ、1×109/cm2以上であった。 In the semiconductor multilayer structure thus formed, the lattice mismatch in the plane direction between the sapphire substrate and the low-temperature grown GaN film is 16%. Further, when the misfit dislocation density of the GaN film was measured for the semiconductor laminated structure, it was 1 × 10 9 / cm 2 or more.
さらに、ドレイン電極及びソース電極の形成位置のAl2O3膜をエッチングにより除去し、残存するAl2O3膜の上の適所にゲート電極を形成し、露出したAl0.2Ga0.8N膜の上の適所にドレイン電極及びソース電極をオーミック接合により形成し、MIS型のHEMTを得た。 Further, the Al 2 O 3 film at the formation position of the drain electrode and the source electrode is removed by etching, a gate electrode is formed at an appropriate position on the remaining Al 2 O 3 film, and the exposed Al 0.2 Ga 0.8 N film is formed. A drain electrode and a source electrode were formed at appropriate positions by ohmic junction to obtain a MIS type HEMT.
このHEMTについて、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に−5.5Vの電圧を印加したときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は10μA/mm以上であった。 With respect to this HEMT, when a voltage of 40 V was applied between the drain and the source and a voltage of −5.5 V was applied between the gate and the source, the leakage characteristics were evaluated, and the leakage current density was 10 μA / mm or more. .
<比較例5>
比較例5では、厚みが430μmのサファイア基板の上に、有機金属化学気相エピタキシャル成長法により、膜厚が30nmの低温成長GaN膜と、膜厚が3μmのGaN膜と、膜厚が8nmのAl0.2Ga0.8N膜とを、この記載順序で順次形成した。このようにして得られた半導体積層構造は、実施例5の半導体積層構造20の基材をAlN基板からサファイア基板へ変更し、下地を膜厚が1μmのAlN膜から膜厚が30nmの低温成長GaN膜へ変更し、チャネル層の膜厚を50nmから3μmへ増加させたものに相当している。
<Comparative Example 5>
In Comparative Example 5, a low-temperature grown GaN film having a thickness of 30 nm, a GaN film having a thickness of 3 μm, and an Al having a thickness of 8 nm are formed on a sapphire substrate having a thickness of 430 μm by metal organic chemical vapor deposition. 0.2 Ga 0.8 N films were sequentially formed in this order. In the semiconductor multilayer structure obtained in this way, the base material of the
このようにして形成された半導体積層構造においては、サファイア基板と低温成長GaN膜との面方向の格子不整合は16%となっている。また、当該半導体積層構造について、GaN膜のミスフィット転位密度を計測したところ、1×109/cm2以上であった。 In the semiconductor multilayer structure thus formed, the lattice mismatch in the plane direction between the sapphire substrate and the low-temperature grown GaN film is 16%. Further, when the misfit dislocation density of the GaN film was measured for the semiconductor laminated structure, it was 1 × 10 9 / cm 2 or more.
さらに、GaN膜の上の適所に、ゲート電極をショットキー接合により形成するとともに、ドレイン電極及びソース電極をオーミック接合により形成し、ショットキー型のHEMTを得た。 Further, a gate electrode was formed by a Schottky junction at an appropriate position on the GaN film, and a drain electrode and a source electrode were formed by an ohmic junction to obtain a Schottky HEMT.
このHEMTについて、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に−5Vの電圧を印加したときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は1μA/mm以上であった。また、ドレイン・ソース間に40Vの電圧を印加し、ゲート・ソース間に電圧を印加しないときのリーク特性を評価したところ、リーク電流密度は100mA/mm以上であった。 With respect to this HEMT, when a voltage of 40 V was applied between the drain and the source and a voltage of −5 V was applied between the gate and the source, the leakage characteristics were evaluated, and the leakage current density was 1 μA / mm or more. Further, when the leakage characteristics were evaluated when a voltage of 40 V was applied between the drain and the source and no voltage was applied between the gate and the source, the leakage current density was 100 mA / mm or more.
<実施例と比較例の対比>
上述の実施例1〜9と比較例1〜5との対比から明らかなように、本発明の望ましい実施例1〜8では、チャネル層となるGaN膜のミスフィット転位密度を1×107/cm2以下に減らすことができ、チャネル遮断時の漏電流が1pA/mm以下と少ない半導体素子を実現できている。さらに、実施例2及び5では、ノーマリオフ型の半導体素子も実現できている。
<Contrast of Examples and Comparative Examples>
As is clear from the comparison between the above-described Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 5, in the desirable Examples 1 to 8 of the present invention, the misfit dislocation density of the GaN film serving as the channel layer is 1 × 10 7 / A semiconductor element that can be reduced to cm 2 or less and has a leakage current of 1 pA / mm or less when the channel is cut off can be realized. Furthermore, in the second and fifth embodiments, a normally-off type semiconductor element can also be realized.
<3 変形例>
上述の実施形態では、FET510及びHEMT520を実現する例を示したが、ダイオード等の他の半導体素子を実現しても良い。
<3 Modification>
In the above-described embodiment, an example in which the
10,20 半導体積層構造
510 FET
520 HEMT
DL 空乏層
DEG 二次元電子ガス
10, 20 Semiconductor laminated
520 HEMT
DL depletion layer DEG two-dimensional electron gas
Claims (20)
絶縁性単結晶基板と、
前記絶縁性単結晶基板の上に形成された絶縁性単結晶膜と、
前記絶縁性単結晶膜の上に形成された、膜厚が100nm以下の第1半導体単結晶膜と、
を備え、
前記絶縁性単結晶膜と前記第1半導体単結晶膜との面方向の格子不整合率が5%以下であることを特徴とする半導体積層構造。 A semiconductor laminated structure,
An insulating single crystal substrate;
An insulating single crystal film formed on the insulating single crystal substrate;
A first semiconductor single crystal film having a thickness of 100 nm or less formed on the insulating single crystal film;
With
A semiconductor multilayer structure, wherein a lattice mismatch ratio in a plane direction between the insulating single crystal film and the first semiconductor single crystal film is 5% or less.
前記絶縁性単結晶基板と前記絶縁性単結晶膜との面方向の格子不整合率が5%以下であることを特徴とする半導体積層構造。 The semiconductor multilayer structure according to claim 1,
2. A semiconductor multilayer structure, wherein a lattice mismatch rate in a plane direction between the insulating single crystal substrate and the insulating single crystal film is 5% or less.
前記第1半導体単結晶膜の上に形成された第2半導体単結晶膜をさらに備え、
前記第2半導体単結晶膜のバンドギャップが前記第1半導体単結晶膜よりも大きいことを特徴とする半導体積層構造。 In the semiconductor laminated structure according to claim 1 or 2,
A second semiconductor single crystal film formed on the first semiconductor single crystal film;
A semiconductor stacked structure, wherein a band gap of the second semiconductor single crystal film is larger than that of the first semiconductor single crystal film.
前記第2半導体単結晶膜から前記第1半導体単結晶膜へ電子が供給されて、前記第1半導体単結晶膜の内部の前記第2半導体単結晶膜との界面付近に2次元電子ガスが生成されることを特徴とする半導体積層構造。 The semiconductor multilayer structure according to claim 3,
Electrons are supplied from the second semiconductor single crystal film to the first semiconductor single crystal film, and a two-dimensional electron gas is generated in the vicinity of the interface with the second semiconductor single crystal film inside the first semiconductor single crystal film. A semiconductor laminated structure characterized by being made.
前記絶縁性単結晶基板及び前記絶縁性単結晶膜の両方が、半導体に不純物をドープすることにより得られた絶縁体であることを特徴とする半導体積層構造。 In the semiconductor multilayer structure according to any one of claims 1 to 4,
Both the insulating single crystal substrate and the insulating single crystal film are insulators obtained by doping impurities into a semiconductor.
前記不純物が、遷移金属元素又は希土類元素であることを特徴とする半導体積層構造。 The semiconductor multilayer structure according to claim 5,
A semiconductor multilayer structure, wherein the impurity is a transition metal element or a rare earth element.
前記絶縁性単結晶基板が、一般式AlxGa1-xN(0.5≦x≦1)で表されるIII族窒化物からなり、
前記絶縁性単結晶膜が、一般式AlyGa1-yN(0.5≦y≦1)で表されるIII族窒化物からなり、
前記第1半導体単結晶膜が、一般式AlzGa1-zN(0≦z≦0.5)で表されるIII族窒化物からなることを特徴とする半導体積層構造。 The semiconductor multilayer structure according to any one of claims 1 to 6,
The insulating single crystal substrate is made of a group III nitride represented by the general formula Al x Ga 1-x N (0.5 ≦ x ≦ 1),
The insulating single crystal film is made of a group III nitride represented by a general formula Al y Ga 1-y N (0.5 ≦ y ≦ 1),
It said first semiconductor single crystal film has the general formula Al z Ga 1-z N ( 0 ≦ z ≦ 0.5) semiconductor multilayer structure characterized in that it consists of a group III nitride represented by.
前記絶縁性単結晶基板が、一般式AlxGa1-xN(0≦x≦0.5)で表されるIII族窒化物からなり、
前記絶縁性単結晶膜が、一般式AlyGa1-yN(0≦y≦0.5)で表されるIII族窒化物からなり、
前記第1半導体単結晶膜が、一般式AlzGa1-zN(0≦z≦0.5)で表されるIII族窒化物からなることを特徴とする半導体積層構造。 The semiconductor multilayer structure according to any one of claims 1 to 6,
The insulating single crystal substrate is made of a group III nitride represented by the general formula Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.5),
The insulating single crystal film is made of a group III nitride represented by a general formula Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 0.5),
It said first semiconductor single crystal film has the general formula Al z Ga 1-z N ( 0 ≦ z ≦ 0.5) semiconductor multilayer structure characterized in that it consists of a group III nitride represented by.
前記絶縁性単結晶基板が、SiCからなり、
前記絶縁性単結晶膜が、SiCからなり、
前記第1半導体単結晶膜が、一般式AlzGa1-zN(0≦z≦0.5)で表されるIII族窒化物からなることを特徴とする半導体積層構造。 The semiconductor multilayer structure according to any one of claims 1 to 6,
The insulating single crystal substrate is made of SiC;
The insulating single crystal film is made of SiC,
It said first semiconductor single crystal film has the general formula Al z Ga 1-z N ( 0 ≦ z ≦ 0.5) semiconductor multilayer structure characterized in that it consists of a group III nitride represented by.
前記第2半導体単結晶膜が、一般式AlwGa1-wN(0≦w≦1)で表されるIII族窒化物からなることを特徴とする半導体積層構造。 In the semiconductor laminated structure according to claim 3 or claim 4,
2. The semiconductor multilayer structure, wherein the second semiconductor single crystal film is made of a group III nitride represented by a general formula Al w Ga 1-w N (0 ≦ w ≦ 1).
前記金属電極に印加する電圧によって前記第1半導体単結晶膜を流れる電流を制御することを特徴とする半導体素子。 The semiconductor element according to claim 11 or claim 12,
A semiconductor element, wherein a current flowing through the first semiconductor single crystal film is controlled by a voltage applied to the metal electrode.
前記金属電極に電圧を印加しない状態において、前記第1半導体単結晶膜の内部に発生する空乏層が前記絶縁性単結晶膜に到達し、もって第1半導体単結晶膜の内部に電子が流れない状態を形成することを特徴とする半導体素子。 The semiconductor device according to claim 13.
In a state where no voltage is applied to the metal electrode, a depletion layer generated inside the first semiconductor single crystal film reaches the insulating single crystal film, and thus electrons do not flow inside the first semiconductor single crystal film. A semiconductor element characterized by forming a state.
第1半導体単結晶膜の膜厚が30nm以下であることを特徴とする半導体素子。 The semiconductor device according to any one of claims 11 to 14,
A semiconductor element, wherein the thickness of the first semiconductor single crystal film is 30 nm or less.
第1半導体単結晶膜内における半導体に対して導電性を付与する不純物の濃度が1×1017/cm3以下であることを特徴とする半導体素子。 The semiconductor device according to claim 11,
A semiconductor element, wherein a concentration of an impurity imparting conductivity to a semiconductor in the first semiconductor single crystal film is 1 × 10 17 / cm 3 or less.
第2半導体単結晶膜の膜厚が10nm以下であることを特徴とする半導体素子。 In the semiconductor element using the semiconductor multilayer structure according to claim 3 or claim 4,
A semiconductor element, wherein the thickness of the second semiconductor single crystal film is 10 nm or less.
第1半導体単結晶膜の膜厚が50nm以下であることを特徴とする半導体素子。 The semiconductor device according to claim 17, wherein
A semiconductor element, wherein the thickness of the first semiconductor single crystal film is 50 nm or less.
前記第1半導体単結晶膜又は第2半導体単結晶膜の少なくともいずれかが、有機金属気相エピタキシャル成長法又は分子線エピタキシャル成長法により形成されることを特徴とする半導体積層構造。
The semiconductor multilayer structure according to any one of claims 1 to 10,
At least one of the first semiconductor single crystal film and the second semiconductor single crystal film is formed by metal organic vapor phase epitaxy or molecular beam epitaxy.
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