JP2007095873A - 電界効果トランジスタ用エピタキシャル基板 - Google Patents

電界効果トランジスタ用エピタキシャル基板 Download PDF

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洋幸 佐沢
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宏治 平田
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正芳 小嵜
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Abstract

【課題】SiC下地基板中に多数のマイクロパイプが存在しても良好な特性を有する窒化物系III−V族半導体エピタキシャル結晶およびその製造方法を提供する。
【解決手段】マイクロパイプを有するSiC単結晶下地基板210上にエピタキシャル成長法により窒化物系III−V族半導体エピタキシャル結晶を成長した電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶であって、該SiC単結晶基板210からエピタキシャル結晶中に伝播しているマイクロパイプがトランジスタの動作層と下地基板の間に成長させたGaN閉塞層201で終端していることを特徴とする電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶。
【選択図】図2

Description

本発明は、電界効果トランジスタ用のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板に関する。
III族窒化物系半導体エピタキシャル基板を用いた電界効果トランジスタ(以下GaN−FETとする)は、GaN層をチャネル層として駆動する電界効果トランジスタであり、従来のGaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaP、AlInGaP等のエピタキシャル半導体結晶をチャネルとしたFETに比べて、高い耐圧を有すること、耐熱性が高いこと、構成材料の環境負荷が小さいこと等から高周波用途、パワーデバイス用途に近年急速に注目を集めている素子である。
このGaN−FETは、下地基板上に電子線エピタキシャル成長法、有機金属気相成長法(以下MOVPE法とする)などによりエピタキシャル結晶を積層し、これをフォトリソグラフィーにより所望のデバイス形状に加工して作られる。このようなGaN−FETの中でもAlGaN層とGaN層の界面に誘起される2次元電子ガス(以下2DEGとする)を動作層としたものは、GaN−HEMTとよばれ、優れた高周波特性などから実用化が強く期待されているものである(たとえば、非特許文献1参照)。
このようなGaN−HEMT用のエピタキシャル結晶の下地基板としては、例えばMOVPE法を使用した場合、単結晶サファイヤ、単結晶シリコンカーバイド(以下SiCとする)、単結晶シリコン等など比較的窒化物系III−V族半導体結晶と格子のミスマッチが小さい基板が使用される。中でもSiCはミスマッチの小ささに加え、熱伝導度が大きいため素子動作時の放熱特性が良く、発熱が大きいパワーデバイス用基板として良好な特性を有している。しかし、市販されているSiC基板には、マイクロパイプと呼ばれる基板を貫通する0.数μm〜数μmの大きさの空孔が0−50個/cm2の密度で存在することが知られている。このマイクロパイプ上に窒化物III−V族半導体結晶をエピタキシャル成長した場合、マイクロパイプはエピタキシャル結晶中を伝播し、その結晶を使用して形成されたGaN−FETは短絡、ゲートリーク電流の増大、ピンチオフ特性の悪化などをひき起こすなど素子特性に重大な欠陥を有するため問題となっていた。
赤崎勇編著「III族窒化物半導体」、倍風舘、1999年、p291
本発明の目的は、上記の実情に鑑み、SiC下地基板中に多数のマイクロパイプが存在しても良好な特性を有する窒化物系III−V族半導体エピタキシャル結晶およびその製造方法を提供するものである。
発明者は、SiC下地基板からエピタキシャル結晶中に伝播するマイクロパイプはエピタキシャル結晶の成長条件を選択することにより、動作層にいたるまでの結晶中で終端させうること、終端させたトランジスタ用エピタキシャル結晶では、SiC下地基板中にマイクロパイプが存在しないエピタキシャル結晶を使用したトランジスタと同等の特性が得られることを見出した。
すなわち、本発明は、〔1〕マイクロパイプを有するSiC単結晶下地基板上にエピタキシャル成長法により窒化物系III−V族半導体エピタキシャル結晶を成長した電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶であって、該SiC単結晶基板からエピタキシャル結晶中に伝播しているマイクロパイプがトランジスタの動作層と下地基板の間で終端していることを特徴とする電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶に係るものである。
さらに、本発明は、〔2〕SiC下地基板中のマイクロパイプの90%以上が終端している〔1〕に記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶に係るものである。
さらに、本発明は、〔3〕SiC下地基板中のマイクロパイプが10個/cm2以上の密度で存在するSiC下地基板を用いたことを特徴とする〔2〕に記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶に係るものである。
また、本発明は、〔4〕エピタキシャル成長法が有機金属気相成長法であって、少なくともその一部が多結晶で構成された緩衝層と単結晶で構成された動作層の間に、1050℃以上1250℃以下の温度かつ5torr以上780torr以下の圧力で成長された少なくとも厚さ1μm以上のGaを含む窒化物系III−V族半導体エピタキシャル成長層を有する〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶に係るものである。
また、本発明は、〔5〕前記〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶を使用してなる電界効果トランジスタに係るものである。
また、本発明は、〔6〕マイクロパイプを有するSiC単結晶下地基板上にエピタキシャル成長法により窒化物系III−V族半導体エピタキシャル結晶を成長して電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶を製造する方法であって、下地基板とトランジスタの動作層との間の少なくとも1つのエピタキシャル結晶層を1050℃以上1250℃以下の温度かつ5torr以上780torr以下の圧力で成長させることを特徴とする〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶の製造方法に係るものである。
さらに、本発明は、〔7〕エピタキシャル成長法が有機金属気相成長法であって、少なくともその一部が多結晶で構成された緩衝層と単結晶で構成された動作層の間に、少なくとも厚さ1μm以上のGaを含む窒化物系III−V族半導体エピタキシャル成長層を、1050℃以上1250℃以下の温度かつ5torr以上780torr以下の圧力で成長させることを特徴とする〔6〕記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶の製造方法に係るものである。
本発明によれば、SiC下地基板中に存在するマイクロパイプを閉塞せしめ、良好な特性を有する電界効果トランジスタ用窒化物系エピタキシャル成長半導体結晶を提供することができ、その工業的な意義はきわめて大きい。
本発明の電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶は、マイクロパイプを有するSiC単結晶下地基板上にエピタキシャル成長法により窒化物系III−V族半導体エピタキシャル結晶を成長した電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶であって、該SiC単結晶基板からエピタキシャル結晶中に伝播しているマイクロパイプがトランジスタの動作層と下地基板の間で終端していることを特徴とする。
ここで、マイクロパイプがトランジスタの動作層と下地基板の間で終端している場所は、マイクロパイプを有するSiC単結晶下地基板と動作層との間であることが必要である。具体的には、下地基板とトランジスタの動作層との間の少なくとも1つのエピタキシャル結晶層でマイクロパイプが終端していることが必要である。
以下、そのようにマイクロパイプが終端している層を閉塞層と呼ぶ。
該閉塞層と動作層との距離は、2000Å以上あることが好ましく、5000Å以上あればさらに好ましい。
以下に、本発明についてMOVPE法で成長したトランジスタ用窒化物系III−V族半導体エピタキシャル結晶を有するGaN−FETの作製例を用い詳細に説明する。
結晶成長に用いるIII族原料としては、トリメチルガリウム(以下TMGとする)、トリエチルガリウムなどのアルキルガリウムやトリメチルアルミニウム(以下TMAとする)、トリエチルアルミニウムなどのアルキルアルミニウムを所望の組成となるよう単独または混合して用いる。これらの原料は、MOVPE用のものが市販されているのでこれらを使用できる。
窒素原料としてはアンモニアを用いることが好ましい。アンモニアは、結晶成長に必要な高純度のものが市販されているのでこれを使用できる。
また、シリコンの原料としては、ジシランやモノシランを用いることが好ましい。ジシランやモノシランは、結晶成長に必要な高純度のものが市販されているのでこれを使用できる。
キャリアガスとしては、水素ガスや窒素ガスが単独あるいは混合して用いることが好ましい。水素ガスや窒素ガスは、結晶成長に必要な高純度のものが市販されているのでこれを使用できる。
原料下地基板としては、SiC基板を用いる。該基板は、半絶縁性のものが好ましいが、導電性のものも使用できなくはない。さまざまなサイズのものが市販されているが大きさに制限は無い。さまざまなオフ角度およびオフ方位のものが市販されているがこれらは制限なく使用できる。該基板の面方位はC面を使用することが好ましい。これら基板は、市販されているのでこれらを使用できる。本発明では、原料基板中にたとえマイクロパイプが存在しても優れた特性を有するトランジスタ用結晶を製造可能であるので、マイクロパイプが10個/cm2以上存在するようなより安価な基板を原料として用いることができる、
図1は、本発明によるGaN−FET用エピタキシャル成長結晶構造の一例の概略図である。この構造は、以下のようにして得ることができる。
まず、洗浄したSiC下地基板210上へAlN緩衝層200を所定の厚みに成長した後、基板温度、反応炉圧力を所定の数値に変更し、III族原料ガスを切り替えてGaN閉塞層201を所定の厚さに成長する。ついで基板温度、反応炉圧力を所定の数値に変更しGaNチャネル層202を所定の厚さに成長する。ついで原料ガス、成長圧力、成長温度を切り替えてud(アンドープ)−AlGaN層203を所定の厚さに成長する。このようにして図1の構造が得られる。
AlN緩衝層200の厚みは、50Å〜3000Åが一般的であるが、生産性と効果のバランスから100Å〜2500Åが好ましく、200Åから2000Åがより好ましい。
マイクロパイプが終端するGaN閉塞層201の反応炉圧力は5〜780torrの範囲であることを特徴とし、好ましくは10〜400torr、さらに好ましくは15〜200torrである。
基板温度は、1050〜1250℃の範囲であることを特徴とし、好ましくは1100〜1225℃、さらに好ましくは1150〜1200℃である。
GaN閉塞層の厚み、反応炉圧力、基板温度は、生産性、閉塞させるマイクロパイプの大きさ、結晶性を勘案し決定する。すなわち、基板温度が高く、反応炉圧力が低いほどマイクロパイプは閉塞しやすく、より大きなマイクロパイプをより薄い膜厚で閉塞させることができる。基板温度が高すぎると結晶性が悪化し、反応炉圧力が低すぎると原料効率の悪化を引き起こし生産性が低下する。このような点を総合的に勘案すると厚みは、1.0μm以上で選択するのが好ましく、より好ましくは1.5μm以上、もっとも好ましくは2.0μm以上である。上限は特に無いが生産性の観点から5μm以下が好ましい。
GaN閉塞層を用いる代わりに同様の厚みをもつAlGaN閉塞層を使用することもできる。この場合、GaN動作層との格子定数差が問題となるので、Alの組成は0%から5%の範囲で選択する。AlGaN閉塞層はGaN閉塞層と同様の成長圧力、成長温度で成長できる。
GaNチャネル層202の厚みが薄いと、動作層が閉塞層201中の閉塞マイクロパイプのひずみの影響を受けるため厚くする。このような範囲は2000A以上であるが、より好ましくは5000A以上であり、もっとも好ましくは10000A以上である。上限は特に無いが工業的には20000A以下である。反応炉圧力は5torr〜780torrの範囲で選択する。基板温度は950℃から1300℃の範囲で選択できる。
ud−AlGaN層203の厚みは、所望のピンチオフ電圧深さ、gm特性となるように設定できるが、厚くするとud−GaNチャネル層202との格子ミスマッチの影響が大きくなり結晶が劣化し、薄くするとゲート耐圧が劣化する弊害があるため、好ましくは50Å〜800Åであり、より好ましくは100Å〜600Å、さらに好ましくは200Å〜400Åである。
なお、ud−AlGaN層はアンドープであっても、n型の電導性を有しており、この層の電子がチャネルに供給され2DEGが形成される。したがってチャネルの電子濃度を調整する目的で、ud−AlGaN層204の代わりにシリコンなどをドープし成長したn−AlGaN層を用いることもできる。
また、n−AlGaN層を用いた場合、不純物散乱により2DEGの移動度が低下する可能性があるので、これを避けるため、ud−AlGaN/n−AlGaNの積層構造とすることもできる。この場合は、ud−AlGaN層とn−AlGaN層の合計が上述の厚みとなるように設定すればよい。
ud−AlGaN層203のAl組成比は、所望する2DEG濃度、ゲート耐圧、AlGaN層の厚さ、などから決定される。すなわち、組成比を大きくすれば、理論的上はより多くの2DEGが発生するためトランジスタ動作を大電流化でき、またゲート耐圧も向上するが、一方でGaN層との格子定数差が大きくなるため、特に層厚が厚い場合に結晶欠陥が発生しやすくなり、逆にゲート耐圧の劣化を招きかねない。このため、10%から40%の範囲で設定することが好ましく、より好ましくは15%〜35%であり、さらに好ましくは20%〜30%である。
ud−AlGaN層成長時の反応炉圧力は5torr〜760torrの範囲で選択することが好ましい。基板温度は950Cから1300℃の範囲で選択できる。
ここではGaN−HEMTの例を説明しているが、ud−GaN高純度エピタキシャル結晶層202より上部の構造を変えることにより、その他のFET構造であるMODFET、MESFET、MISFET用エピタキシャル基板などが作製可能である。
上記において、本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
以下に実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は実施例により制限されるものではない。
実施例1
MOCVD装置を用い、マイクロパイプ密度が約30個/cm2であるSiC基板を600℃に加熱し、AlN緩衝層を2000Å成長した。
ついで基板温度を(1)950C、(2)1050C、(3)1150℃に変更し、GaN閉塞層を2μm積層した。
ついで基板を室温付近まで降温した後、反応炉より取り出した。(1)、(2)および(3)を光学顕微鏡の透過光を用いたクロスニコル像観察でマイクロパイプの基板中での位置を特定し、ついで照明を落射に切り替え該マイクロパイプが閉塞層表面まで伝播しているか、閉塞しているかを調べた。
(閉塞率)=(閉塞層表面まで伝播していないマイクロパイプの数)/(基板中のマイクロパイプ数)*100として閉塞率を調べた。結果、(1)0%、(2)約25%、(3)約90%であった。
実施例2
MOCVD装置を用い、マイクロパイプ密度が約30個/cm2であるSiC基板を600℃に加熱し、AlN緩衝層を2000Å成長した。
ついで基板温度を1150℃に変更し、GaN閉塞層を2μm積層した。ついで基板温度を1050℃に変更し、ud−GaNチャネル層を5000A成長した。
ついでAl組成0.25のud−AlGaNを250A成長した。ついで基板を室温付近まで降温した後、反応炉より取り出した。
得られた試料中で基板中のマイクロパイプが閉塞していることを確認後、ホトリソグラフィー法で閉塞マイクロパイプの直上にゲートが位置するように位置合わせしてレジストパターンを形成した後、N+イオンのイオン打ち込みにより、3000Åの深さまで素子分離304を形成した。N+イオンのdose量は、2E14/cm2とした。
ついで、同じくホトリソグラフィー法でソース電極およびドレイン電極形状にレジスト開口を形成し、Ti/Al/Ni/Au金属膜を200Å/1500Å/250Å/500Åの厚みに蒸着法で積層した。
ついで試料をアセトンに浸漬することにより、レジストと金属膜をリフトオフしたのち、窒素雰囲気内800℃で30秒RTA処理を施し、ソース電極301とドレイン電極303を形成した。ついで、同じくホトリソグラフィー法にてゲート電極形状の開口を形成し、開口部を酸素プラズマによりアッシング処理した。アッシングの条件は酸素圧力130Pa、プラズマ電力100W、アッシング時間1分とした。
ついで、Ni/Au金属膜を200Å/1000Åの厚みに蒸着法で形成し、ソース電極と同様の手法でリフトオフし、ゲート電極302を形成した。ゲート電極と同じ手法でパッド電極を形成した。このようにしてゲート長2μm、ゲート幅30μmのFETを作成した。
図2にこのようにして作成したGaN−HEMTの断面の概略図を示す。ついでこの試料のDC電圧印加時の電流―電圧特性を測定した。図3に結果を示す。
比較例1
MOCVD装置を用い、マイクロパイプ密度が約30個/cm2であるSiC基板を用い、実施例2と同様の手法でAlN緩衝層を2000Å成長した。ついで基板温度を950℃に変更し、GaN閉塞層を2μm積層した。
ついで実施例1と同様の手法で、ud−GaNチャネル層を5000A成長した。次いで実施例1と同様の条件でAl組成0.25のud−AlGaNを250A成長した。ud−GaNチャネル層を、ついで基板を室温付近まで降温した後、反応炉より取り出した。
得られた試料中のud−AlGaN層の表面で開口しているマイクロパイプにゲート位置があうようにホトリソグラフィー法で位置合わせし、実施例1と同様の条件でFETを作製した。ついでこの試料のDC電圧印加時の電流―電圧特性を測定した。図4に結果を示す。また、同試料中でマイクロパイプが周辺2mm以内に存在しない位置に同様のFETを作製した。ついでこの試料のDC電圧印加時の電流―電圧特性を測定した。図5に結果を示す。
GaN−HEMT用エピタキシャル成長結晶構造の一例の概略図 実施例2で得られたGaN−HEMTの断面の概略図 実施例2で得られたGaN−HEMT のDC電圧印加時の電流―電圧特性 比較例2で得られた開口したマイクロパイプ上のGaN−HEMT のDC電圧印加時の電流―電圧特性 比較例2で得られたGaN−HEMT のDC電圧印加時の電流―電圧特性
符号の説明
200 AlN緩衝層
201 GaN閉塞層
202 GaNチャネル層
203 ud−AlGaN層
210 半絶縁性SiC基板
301 ソース電極
302 ゲート電極
303 ドレイン電極
304 素子分離

Claims (7)

  1. マイクロパイプを有するSiC単結晶下地基板上にエピタキシャル成長法により窒化物系III−V族半導体エピタキシャル結晶を成長した電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶であって、該SiC単結晶基板からエピタキシャル結晶中に伝播しているマイクロパイプがトランジスタの動作層と下地基板の間で終端していることを特徴とする電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶。
  2. SiC下地基板中のマイクロパイプの90%以上が終端している請求項1に記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶。
  3. SiC下地基板中のマイクロパイプが10個/cm2以上の密度で存在するSiC下地基板を用いたことを特徴とする請求項2に記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶。
  4. エピタキシャル成長法が有機金属気相成長法であって、少なくともその一部が多結晶で構成された緩衝層と単結晶で構成された動作層の間に、1050℃以上1250℃以下の温度かつ5torr以上780torr以下の圧力で成長された少なくとも厚さ1μm以上のGaを含む窒化物系III−V族半導体エピタキシャル成長層を有する請求項1〜3のいずれかに記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶。
  5. 請求項1〜5のいずれかに記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶を使用してなる電界効果トランジスタ。
  6. マイクロパイプを有するSiC単結晶下地基板上にエピタキシャル成長法により窒化物系III−V族半導体エピタキシャル結晶を成長して電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶を製造する方法であって、下地基板とトランジスタの動作層との間の少なくとも1つのエピタキシャル結晶層を1050℃以上1250℃以下の温度かつ5torr以上780torr以下の圧力で成長させることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶の製造方法。
  7. エピタキシャル成長法が有機金属気相成長法であって、少なくともその一部が多結晶で構成された緩衝層と単結晶で構成された動作層の間に、少なくとも厚さ1μm以上のGaを含む窒化物系III−V族半導体エピタキシャル成長層を、1050℃以上1250℃以下の温度かつ5torr以上780torr以下の圧力で成長させることを特徴とする請求項6記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャル結晶の製造方法。



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