JP2007305869A - 高電子移動度トランジスタ、および高電子移動度トランジスタを作製する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低応力だけでなく良好な放熱性を有しており窒化ガリウム系半導体を用いる高電子移動度トランジスタを提供する。
【解決手段】ナノコラム領域１２は、第１の窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラム２６を有する。チャネル層１４は、ナノコラム領域１２上に設けられており、また複数のナノコラム２６の一端２６ａを互いに結合するように設けられている。チャネル層１４は、第２の窒化ガリウム系半導体からなる。電子障壁層１６は、ナノコラム領域１２上に設けられている。電子障壁層１６は、第３の窒化ガリウム系半導体からなる。基板２４は、窒化ガリウム系半導体と異なる半導体材料からなる支持基体を含む。ナノコラム領域１２は基板２４上に設けられている。チャネル層１４と電子障壁層１６とはヘテロ接合２８を形成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、高電子移動度トランジスタ、および高電子移動度トランジスタを作製する方法に関する。

特許文献１には、ＧａＮ系化合物半導体を用いる高電子移動度トランジスタが記載されている。高電子移動度トランジスタはバッファ層を含む。バッファ層は、シリコン基板上に設けられたＡｌＮ層とＧａＮ層とを含む。ＡｌＮ層とＧａＮ層とは、交互に配列されている。バッファ層上には、高電子移動度トランジスタ用の窒化ガリウム系半導体領域が形成される。これによって、ＧａＮ系化合物半導体装置の低コスト化が達成される。

非特許文献１には、（０００１）サファイア基板上に自立窒化ガリウム膜を成長することことが記載されている。この窒化ガリウムは、ＲＦ分子線ビームエピタキシによって成長されたナノコラム上に成長される。ｃ軸方向の格子定数を評価することによって残留応力を見積もっており、低応力であることが明らかにされている。
特開２００３−５９９４８号公報 Jap. J. Appl. Phys. Vol. 40, (2001), pp.L192-L194

特許文献１に記載された高電子移動度トランジスタでは、低転位な窒化ガリウム系半導体をシリコン基板上に成長することは容易ではない。一方、窒化ガリウム系半導体電子デバイスのために窒化ガリウム基板が利用されて始めている。窒化ガリウム基板の結晶品質は、向上されているが、Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板の結晶品質に比べて更に向上されることが求められている。また、窒化ガリウム基板のサイズは、Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板のサイズに比べて小さい。より大きなサイズの基板を用いて、窒化ガリウム系半導体デバイスを作製することが求められている。さらに、窒化ガリウムを用いる高電子移動度トランジスタを低コストで製造できれば、高周波用電子デバイスとして広く使用されることが期待される。

一方、非特許文献１には、低応力な窒化ガリウムが絶縁物のサファイア基板上に成長されることが示されている。しかしながら、高電子移動度トランジスタといった高周波用電子デバイスには、優れた放熱性も必要である。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、低応力だけでなく良好な放熱性を有しており窒化ガリウム系半導体を用いる高電子移動度トランジスタを提供することを目的とし、この高電子移動度トランジスタを作製する方法を提供することを目的とする。

本発明の一の側面によれば、高電子移動度トランジスタは、（ａ）第１の窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、（ｂ）前記ナノコラム領域上に設けられており、第２の窒化ガリウム系半導体からなるチャネル層と、（ｃ）前記ナノコラム領域上に設けられており、前記第２の窒化ガリウム系半導体のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する第３の窒化ガリウム系半導体からなる電子障壁層と、（ｄ）前記チャネル層上に設けられたゲート電極、ソース電極およびドレイン電極と、（ｅ）窒化ガリウム系半導体と異なる半導体材料からなる支持基体を含む基板とを備え、前記ナノコラム領域は前記基板上に設けられており、前記チャネル層と前記電子障壁層とはヘテロ接合を形成している。

この高電子移動度トランジスタによれば、ナノコラム領域上に設けられたチャネル層および電子障壁層を含むので、チャネル層および電子障壁層の窒化ガリウム系半導体の転位密度が小さい。これ故に、チャネル層の移動度が向上される。また、基板が、窒化ガリウム系半導体と異なる半導体材料からなる支持基体を含むので、窒化ガリウム系半導体を用いる高電子移動度トランジスタが窒化ガリウム基板を用いることなく提供される。さらに、高電子移動度トランジスタがナノコラム領域上の窒化ガリウム系半導体領域を用いて形成されるので、該窒化ガリウム系半導体領域内の残留応力が小さく、ウェハの反りを低減することができる。

本発明の別の側面によれば、高電子移動度トランジスタは、（ａ）第１の窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、（ｂ）前記ナノコラム領域上に設けられており、第２の窒化ガリウム系半導体からなるチャネル層と、（ｃ）前記ナノコラム領域上に設けられており、前記第２の窒化ガリウム系半導体のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する第３の窒化ガリウム系半導体からなる電子障壁層と、（ｄ）前記チャネル層上に設けられたゲート電極、ソース電極およびドレイン電極とを備え、前記チャネル層と前記電子障壁層とはヘテロ接合を形成している。

この高電子移動度トランジスタによれば、ナノコラム領域上に設けられたチャネル層および電子障壁層を含むので、チャネル層および電子障壁層の窒化ガリウム系半導体の転位密度が小さい。これ故に、チャネル層の移動度が向上される。また、ナノコラム領域が基板上に設けられていないので、動作中の高電子移動度トランジスタからの熱がナノコラム領域から放出されやすい。さらに、高電子移動度トランジスタが基板上に設けられていないので、基板から窒化ガリウム半導体領域への応力が小さく、ウェハの反りを低減することができる。

本発明に係る高電子移動度トランジスタでは、前記支持基体はＳｉまたはＧａＡｓからなることができる。この高電子移動度トランジスタによれば、窒化ガリウム基板よりも入手が容易であり、また窒化ガリウム基板よりも大口径であり、さらに窒化ガリウム基板よりも低コストな支持基体上に、窒化ガリウム系半導体を用いる高電子移動度トランジスタが提供される。

本発明に係る高電子移動度トランジスタでは、前記第１の窒化ガリウム系半導体はＡｌ_Ｘ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｉｎ_Ｙ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１、０≦Ｙ１＜１）からなり、前記第２の窒化ガリウム系半導体はＡｌ_Ｘ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｉｎ_Ｙ２Ｎ（０≦Ｘ２＜１、０≦Ｙ２＜１）からなり、前記第３の窒化ガリウム系半導体はＡｌ_Ｘ３Ｇａ_{１−Ｘ３−Ｙ３}Ｉｎ_Ｙ３Ｎ（０≦Ｘ３＜１、０≦Ｙ３＜１）からなることが好ましい。

この高電子移動度トランジスタによれば、良好な結晶品質の様々な窒化ガリウム系半導体領域をナノカラム領域上に設けることによって高電子移動度トランジスタのためのチャネル層および電子障壁層を形成できる。

本発明の更なる別の側面は、高電子移動度トランジスタを作製する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体を含む基板上に、第１の窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を形成する工程と、（ｂ）前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と、（ｃ）前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、第２の窒化ガリウム系半導体からなりチャネル層のための第１の半導体膜を成長する工程と、（ｄ）前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、第３の窒化ガリウム系半導体からなり電子障壁層のための第２の半導体膜を成長する工程とを備える。

この方法によれば、チャネル層および電子障壁層のための半導体膜をナノコラム領域上に成長するので、チャネル層および電子障壁層の窒化ガリウム系半導体の転位密度が小さい。これ故に、チャネル層の移動度が向上される。また、基板が、窒化ガリウム系半導体と異なる半導体材料からなる支持体を含むので、窒化ガリウム系半導体を用いる高電子移動度トランジスタを窒化ガリウム基板を用いることなく作製される。さらに、ナノコラム領域上に窒化ガリウム系半導体領域を用いて形成されるので、残留低応力が小さい高電子移動度トランジスタが提供される。

本発明に係る方法は、（ｅ）前記高電子移動度トランジスタのためのソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を前記第１の半導体膜上に形成する工程と、（ｆ）前記ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を形成した後に、前記支持体を除去する工程とを更に備えることができる。この方法によれば、支持体を除去するので、支持体から窒化ガリウム系半導体領域への応力がさらに低減される。

本発明に係る方法は、前記支持体はシリコンまたはＧａＡｓからなることが好ましい。この方法によれば、窒化ガリウム基板よりも入手が容易であり、また窒化ガリウム基板よりも大口径であり、さらに窒化ガリウム基板よりも低コストが支持基体上に、窒化ガリウム系半導体を用いる高電子移動度トランジスタを作成できる。また、シリコンまたはＧａＡｓは、窒化ガリウムに比べてエッチングにより除去することが容易である。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、低応力だけでなく良好な放熱性を有しており窒化ガリウム系半導体を用いる高電子移動度トランジスタが提供される。また、本発明によれば、この高電子移動度トランジスタを作製する方法が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の高電子移動度トランジスタ、および高電子移動度トランジスタを作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

（第１の実施の形態）
図１（Ａ）は、本実施の形態に係る高電子移動度トランジスタを概略的に示す斜視図である。図１（Ｂ）は、本実施の形態に係る高電子移動度トランジスタを示す模式図である。高電子移動度トランジスタ１０ａは、ナノコラム領域１２と、チャネル層１４と、電子障壁層１６と、ゲート電極１８と、ソース電極２０と、ドレイン電極２２と、基板２４とを備える。ナノコラム領域１２は、第１の窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラム２６を有する。チャネル層１４は、ナノコラム領域１２上に設けられており、また複数のナノコラム２６の一端２６ａを互いに結合するように設けられている。チャネル層１４は、第２の窒化ガリウム系半導体からなる。電子障壁層１６は、ナノコラム領域１２上に設けられている。電子障壁層１６は、第２の窒化ガリウム系半導体のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する第３の窒化ガリウム系半導体からなる。ゲート電極１８、ソース電極２０およびドレイン電極２２は、チャネル層１４上に設けられている。基板２４は、窒化ガリウム系半導体と異なる半導体材料からなる支持基体を含む。ナノコラム領域１２は基板２４上に設けられている。チャネル層１４と電子障壁層１６とはヘテロ接合２８を形成している。

この高電子移動度トランジスタ１０ａによれば、ナノコラム領域１２上に設けられたチャネル層１４および電子障壁層１６を含むので、チャネル層１４および電子障壁層１６の窒化ガリウム系半導体の転位密度が小さい。これ故に、チャネル層１４の移動度が向上される。また、基板２４が、窒化ガリウム系半導体と異なる半導体材料からなる支持基体を含むので、窒化ガリウム系半導体を用いる高電子移動度トランジスタ１０ａが窒化ガリウム基板を用いることなく提供される。さらに、高電子移動度トランジスタ１０ａがナノコラム領域１２上の窒化ガリウム系半導体領域を用いて形成されるので、該窒化ガリウム系半導体領域１４、１６内の残留低応力が小さい。

ソース電極２０、ゲート電極１８およびドレイン電極２２は、この順にチャネル層１４上に配列されている。本実施例では、ソース電極２０およびドレイン電極２２は、電子障壁層１４にオーミック接合を成す。必要な場合には、ソース電極２０およびドレイン電極２２直下の電子障壁層１４の一部または全てを除去することができる。ソース電極２０およびドレイン電極２２は、半導体領域にオーミック接合を成す。ソース電極２０およびドレイン電極２２の材料は、例えばＴｉ／Ａｌである。ゲート電極１８の材料として、例えばＡｕ、Ｎｉ／Ａｕ等を用いることができる。ゲート電極１８は、電子障壁層１４にショットキ接合を成す。

電子障壁層１６のバンドギャップエネルギはチャネル層１４のバンドギャップエネルギよりも大きいので、チャネル層１４と電子障壁層１６とはヘテロ接合２８を形成している。このヘテロ接合２８に沿ってチャネル層１４内には二次元電子ガス３０が形成される。ゲート電極１８は、チャネルの二次元電子ガス３０の濃度を変化させることができる。このため、ソース電極２０からドレイン電極２２へチャネルを流れるキャリアは、ゲート電極１８からの電界に応じて変調されることができる。

高電子移動度トランジスタ１０ａでは、基板２４は、支持基体２４ａと、支持基体２４ａ上に設けられたバッファ層２４ｂを含むことができる。支持基体２４ａは、ＳｉまたはＧａＡｓからなることが好ましい。これによれば、窒化ガリウム基板よりも入手が容易であり、また窒化ガリウム基板よりも大口径であり、さらに窒化ガリウム基板よりも低コストが支持基体上に、窒化ガリウム系半導体を用いる高電子移動度トランジスタ１１ａが提供される。シリコン基板は例えば（１１１）面からなる主面を有している。バッファ膜２４ｂは、例えばＡｌＮ膜を含む。ＡｌＮ膜はウルツアイト結晶構造を有する。

高電子移動度トランジスタ１０ａでは、ナノコラム領域１２の第１の窒化ガリウム系半導体はＡｌ_Ｘ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｉｎ_Ｙ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１、０≦Ｙ１＜１）からなり、チャネル領域１４の第２の窒化ガリウム系半導体はＡｌ_Ｘ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｉｎ_Ｙ２Ｎ（０≦Ｘ２＜１、０≦Ｙ２＜１）からなり、電子障壁層１６の第３の窒化ガリウム系半導体はＡｌ_Ｘ３Ｇａ_{１−Ｘ３−Ｙ３}Ｉｎ_Ｙ３Ｎ（０≦Ｘ３＜１、０≦Ｙ３＜１）からなることが好ましい。例えば、Ｘ３＞Ｘ２である。これらの窒化ガリウム系半導体は、具体的には、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮである。この高電子移動度トランジスタ１０ａは、窒化ガリウム系半導体からなるナノコラム領域上に成長された様々な窒化ガリウム系半導体を利用することができる。この高電子移動度トランジスタ１０ａによれば、良好な結晶品質の様々な窒化ガリウム系半導体領域をナノカラム領域１２上に成長して高電子移動度トランジスタのためのチャネル層１４および電子障壁層１６を形成できる。良好な結晶品質のチャネル層１４では、移動度が高くなる。

好ましい実施例では、ナノコラム領域１２の第１の窒化ガリウム系半導体はアンドープＧａＮあり、チャネル層１４の第２の窒化ガリウム系半導体はアンドープＧａＮであり、電子障壁層１６の第３の窒化ガリウム系半導体はアンドープＡｌＧａＮであることが好ましい。ナノコラム領域１３上に設けられた窒化ガリウムは優れた結晶品質を有する。

ナノコラム領域１２の厚さＬ１が、例えば０．２マイクロメートル以上であれば、チャネル層が低転位化する効果を得ることができるという利点がある。チャネル層１４の厚さＬ２が、例えば０．５マイクロメートル以上であれば、結晶品質を向上させ、移動度を高くできるという利点がある。電子障壁層１６の厚さＬ３が、例えば５ナノメートル以上であれば、チャネルが形成され、２次元電子ガスの効果を得ることができる。電子障壁層１６の厚さＬ３が、例えば５０ナノメートル以下であれば、ゲート電圧によるシート抵抗の制御が可能になるという利点がある。ナノコラム領域１２の厚さＬ１が、例えば１０マイクロメートル程度以下であることができる。チャネル層１４の厚さＬ２が、例えば１０マイクロメートル程度以下であることができる。

ナノコラム領域１２はアンドープであることができ、必要な場合には、ドーパントを含むことができる。チャネル層１４はアンドープである。電子障壁層１６はアンドープであることができ、必要な場合には、ドーパントを含むことができる。

ナノコラム領域１２の貫通転位密度Ｄ１が、例えば１×１０^７ｃｍ^−２以下であれば、チャネル層の貫通転位密度を低減させることができるという利点がある。チャネル層１４の貫通転位密度Ｄ２が、例えば１×１０^９ｃｍ^−２以下であれば、高い電子移動度を得易いという利点がある。電子障壁層１６の貫通転位密度Ｄ３が、例えば１×１０^９ｃｍ^−２以下であれば、高い電子移動度を得易いという利点がある。

以上説明したように、本発明によれば低応力だけでなく良好な放熱性を有しており窒化ガリウム系半導体を用いる高電子移動度トランジスタが提供される。

（第２の実施の形態）
図２（Ａ）は、本実施の形態に係る高電子移動度トランジスタを概略的に示す斜視図である。図２（Ｂ）は、本実施の形態に係る高電子移動度トランジスタを示す模式図である。高電子移動度トランジスタ１０ｂは、チャネル層１４と、電子障壁層１６と、ゲート電極１８と、ソース電極２０と、ドレイン電極２２とを備え、高電子移動度トランジスタ１０ｂは、ナノコラム領域１２に替えてナノコラム領域３２を含む。ナノコラム領域３２は、第１の窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラム３４を有する。チャネル層１４は、ナノコラム領域３２上に設けられており、また複数のナノコラム３４の一端３４ａを互いに結合するように設けられている。

この高電子移動度トランジスタ１０ｂによれば、ナノコラム領域３２上に設けられたチャネル層１４および電子障壁層１６を含むので、チャネル層１４および電子障壁層１６の窒化ガリウム系半導体の転位密度が小さい。これ故に、チャネル層１４の移動度が向上される。また、ナノコラム領域３２が基板上に設けられていないので、動作中の高電子移動度トランジスタからの熱がナノコラム領域３２から放出されやすい。さらに、高電子移動度トランジスタ１１ｂが基板上に設けられていないので、基板から窒化ガリウム半導体領域への応力が小さく、ウェハの反りを低減することができる。

ナノコラム領域３２の厚さＬ４が、例えば０．２マイクロメートル以上であれば、チャネル層が低転位化する効果を得ることができるという利点がある。ナノコラム領域３４はアンドープであることができ、必要な場合には、ドーパントを含むことができる。ナノコラム領域３２の貫通転位密度Ｄ４が、例えば１×１０^７ｃｍ^−２以下であれば、チャネル層の貫通転位密度を低減させることができるという利点がある。

第１および第２の実施の形態において、個々のナノコラム２６、３４は、窒化ガリウム半導体からなるチャネル層１４と電子障壁層１６との接合２８の界面に交差する軸に沿って伸びており、既に説明したように、ナノコラム２６、３４の一端２６ａ、３４ａは窒化ガリウム半導体層１４に接続されている。ナノコラム３４の他端は開放されており、ナノコラム１２の他端は基板に接続されているが、ナノコラム３４の他端は、基板に接続されていない。個々のナノコラム２６、３４は窒化ガリウム系単結晶からなり、その成長軸は下地の成長用基板の面方位により規定されている。また、窒化ガリウム半導体膜１４は、個々のナノコラム２６、３４から一体の窒化ガリウム系単結晶体へ遷移する領域を有する。

以上説明したように、本発明によれば低応力だけでなく良好な放熱性を有しており窒化ガリウム系半導体を用いる高電子移動度トランジスタが提供される。

（第３の実施の形態）
図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図４（Ａ）、図４（Ｂ）および図４（Ｃ）を参照しながら、高電子移動度トランジスタを作製する方法を説明する。図３（Ａ）を示されるように、窒化ガリウム系半導体を成長するための基板４０を準備する。基板４０は、支持体３６およびバッファ膜３８とを含むことができる。支持体３６は、窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる。例えば、支持体３６の半導体材料のバンドギャップは窒化ガリウムのバンドギャップよりも小さい。バッファ膜３８は、支持体３６上に形成されている。基板４０は、例えば以下のように準備される。支持体３６を結晶成長装置に配置する。本実施例では、結晶成長装置として、例えばＲＦ−ＭＢＥ装置を用いるが、これに限定されることなくＨＶＰＥ等も用いることができる。支持体３６としては、例えば（１１１）面のｐ型シリコンウエハまたはｐ型ＧａＡｓ等を用いることができる。支持体３６上にバッファ膜３８を堆積する。必要な場合には、バッファ膜の成長に先立って、支持体３６の表面の熱クリーニングを行ってもよい。（１１１）面シリコン基板を用いる場合、バッファ膜３８は例えばＧａＮ膜またはＡｌＮ膜を含むことができる。この場合、バッファ膜３８の厚さは、例えば０．５ｎｍ以上であることが好ましい。また、バッファ膜３８の厚さは、例えば５００ｎｍ程度以下であることができる。上記のバッファ層は、必要な場合に設けられることができる。

図３（Ｂ）に示されるように、ナノコラム領域４２を基板４０上に形成する。ナノコラム領域４２は、図１（Ｂ）および図２（Ｂ）に示されるような、窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有する。Ｖ族原料の供給モル数とIII族原料の供給モル数との比（以下「Ｖ／III」として参照する）に応じて、ナノコラムの形状が変化する。ナノコラムは窒素リッチの条件で成長される。ナノコラムは、ウルツアイト構造のバッファ膜上に形成され、窒化ガリウムの（０００１）軸の方向に伸びる。ナノコラム領域４０におけるナノコラム密度は、例えばバッファ層の材料の種類、その膜厚、その成長条件に応じて変わる。ナノコラム密度は、例えば、１×１０^９ｃｍ^−２〜５×１０^１０ｃｍ^−２程度の範囲で変更可能である。窒素リッチの条件では、ガリウムの核生成やガリウムのマイグレーションが制限されるので、結晶膜の形成よりも、コラム状の結晶が成長する。

次いで、チャネル層のためのアンドープの窒化ガリウム系半導体膜４４を成長する。図３（Ｂ）に示されるように、ナノコラム領域４２の複数のナノコラム４６を互いに結合するように窒化ガリウム系半導体膜４４を成長する。先ず、ナノコラム領域４２の複数のナノコラム４６を互いに結合するように窒化ガリウム系半導体領域を成長する。このために、ナノコラム領域４２の成長条件におけるガリウム供給量／窒素供給量（III／Ｖ比）よりも大きいガリウム供給量／窒素供給量（III／Ｖ比）になるように原料ガスを供給する。ガリウム原料の相対的な増加により、ガリウムの核生成やガリウムのマイグレーションが促進される。この結果、複数のナノコラム４６が互いに結合され、遷移領域４８が形成される。次いで、窒化ガリウム系半導体の遷移領域４８上に窒化ガリウム単結晶領域５０を堆積する。これにより、窒化ガリウム系半導体膜４４が得られる。

（実施例）
ＧａＮナノコラム成長の一例
ＭＢＥ成長装置を用いる。Ｋセルを用いて７Ｎのガリウム源および７Ｎのアルミニウム源を提供すると共に、並びにＲＦラジカルガンを用いて６ＮのＮ_２ガスを窒素源を提供する。成長温度は、摂氏７５０度から摂氏８５０度の範囲にある。ガリウム原料および活性窒素を供給する。
一例のＶ／III比：ナノコラム成長（ＧａＮ膜の成長よりも窒素リッチ条件）
である。ナノコラムの歪みは緩和されており、ナノコラム領域は非常に高品質の結晶である。成長表面はファセット面を含み成長と共に転位は曲げられ、この結果、ナノコラム領域は低転位となる。ナノコラムの直径は、成長温度、成長速度、Ｖ／III比に応じて変化し、例えば３０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の範囲で制御される。特に、ナノコラムの直径は、ガリウム供給量に大きく依存する。これは、ナノコラムの成長が、窒素リッチの条件の下でガリウムのマイグレーションを調整していることに因る。ナノコラム領域は、窒化ガリウム系半導体のＣ軸方向に成長される。チャネル層のための窒化ガリウム系半導体膜はナノコラム領域から連続的に成長される。

続いて、図３（Ｃ）に示されるように、電子障壁層のためのアンドープの窒化ガリウム系半導体膜５２を成長する。本実施例では、アンドープの窒化ガリウム系半導体膜５２はｎ導電性を示す。これにより、エピタキシャル基板Ｅ１が得られた。エピタキシャル基板Ｅ１は、基板４０と、ナノコラム領域４２と、窒化ガリウム半導体系膜４４と、窒化ガリウム半導体系膜５２とを含む。窒化ガリウム系半導体膜５２の厚さは、例えば５ナノメートル以上であることが好ましい。窒化ガリウム系半導体膜５２の材料のバンドギャップエネルギは、窒化ガリウム系半導体膜４４の材料のバンドギャップエネルギよりも大きい。

この方法によれば、チャネル層および電子障壁層のための半導体膜４４、５２をナノコラム領域４２上に成長するので、チャネル層および電子障壁層のための窒化ガリウム系半導体の転位密度が小さい。これ故に、チャネル層の移動度が向上される。また、基板４０が、窒化ガリウム系半導体と異なる半導体材料からなる支持体３６を含むので、窒化ガリウム系半導体を用いる高電子移動度トランジスタを窒化ガリウム基板を用いることなく作製される。さらに、ナノコラム領域４２上に窒化ガリウム系半導体領域４４、５２を用いて形成されるので、残留低応力が小さい高電子移動度トランジスタが提供される。

これらの工程により、エピタキシャル基板Ｅ１が得られた。エピタキシャル基板Ｅ１は、基板４０と、ナノコラム領域４２と、窒化ガリウム半導体膜４４と、窒化ガリウム系半導体膜５２とを含む。エピタキシャル基板Ｅ１の表面の結晶品質の一例は：
転位密度：１×１０^９ｃｍ^−２以下
Ｘ線回折幅（ＦＷＨＭ）：（０００４）６００秒以下
Ｘ線回折幅（ＦＷＨＭ）の分布：２％以下
移動度：１０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｓ以上
シート抵抗：１０００Ω／□
である。

図４（Ａ）に示されるように、ｎ型窒化ガリウム系半導体膜５２を成長した後に、エッチング法、フォトリソグラフィ法、並びに蒸着およびスパッタリングといった金属成膜法を用いてソース電極およびドレイン電極を形成する。例えば、ソース電極およびドレイン電極を形成する位置に開口を有するマスク５４を形成した後に、ソース電極およびドレイン電極のための金属膜を形成する。リフトオフ法を用いて、図４（Ｂ）に示されるように、ソース電極５６ａおよびドレイン電極５６ｂを形成する。必要な場合には、ソース電極５６ａおよびドレイン電極５６ｂを形成した後に、合金化のための熱処理を行うことができる。次いで、ゲート電極を形成する。例えば、ゲート電極を形成する位置に開口を有するマスクを同様にして形成した後に、ゲート電極のための金属膜を形成する。リフトオフ法を用いて、図４（Ｃ）に示されるように、ゲート電極５８を形成する。必要な場合には、ゲート電極５８を形成した後に、熱処理を行うことができる。

これらが、高電子移動度トランジスタを作製する方法の主要な工程である。これらの工程により、基板生産物Ｅ２が作製される。

基板４４の支持体３６がシリコン製であるとき、上記の基板生産物のサイズは、市場に流通しているシリコンウエハのサイズであり、例えば２インチから１２インチ程度である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、窒化ガリウム系半導体を用いる高電子移動度トランジスタを作製する方法が提供される。また、基板生産物Ｅ２の反りは、例えば４インチのウエハを用いたとき１００マイクロメートルである。

（第４の実施の形態）
図５（Ａ）、図５（Ｂ）および図５（Ｃ）を参照しながら、高電子移動度トランジスタを作製する方法を説明する。

図３（Ａ）から図４（Ｂ）に示される工程に従って高電子移動度トランジスタを作製する方法の工程を行って、基板生産物Ｅ２を作製する。引き続いて、支持体４７を除去する。この実施の形態の方法では、基板４０は、半絶縁性または絶縁性支持体だけでなく、導電性支持体を含むことができる。

図５（Ａ）を示されるように、基板生産物Ｅ２の表面にマスク６０を形成して、ソース電極５６ａ、ドレイン電極５６ｂおよびゲート電極５８等を覆う。マスク６０は、例えばレジストマスクである。

基板４０をエッチングして、基板生産物Ｅ２から基板を除く。基板４０がシリコン製支持体を含む場合には、フッ化水素酸および硝酸の混合液を用いて選択的にシリコンをウエットエッチングして、図５（Ｂ）を示されるように、ナノコラム領域５３ａを形成することができる。また、基板４０がＧａＡｓ製支持体を含む場合には、硫酸および過酸化水素の混合液を用いてＧａＡｓを選択的にウエットエッチングすることができる。基板４０の除去により、基板からの応力がなくなる。

この後に、マスク６０を除去すると、基板生産物Ｅ３が作製される。この方法によれば、支持体を除去するので、支持体から窒化ガリウム系半導体領域への応力が低減される。この基板生産物Ｅ３の反りは、例えば4インチのウエハを用いたとき８０マイクロメートルである。必要な場合には、支持体を除去した後に、基板生産物Ｅ３を別の支持体に搭載することができる。これによって、基板生産物Ｅ３の取扱が容易になる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、窒化ガリウム系半導体を用いる高電子移動度トランジスタを作製する方法が提供される。

必要な場合には、ナノコラム領域５３を除去して窒化ガリウム系半導体を露出させることができる。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１（Ａ）は、第１の実施の形態に係る高電子移動度トランジスタを概略的に示す断面図である。図１（Ｂ）は、第１の実施の形態に係る高電子移動度トランジスタを示す模式図である。 図２（Ａ）は、第２の実施の形態に係る高電子移動度トランジスタを概略的に示す断面図である。図２（Ｂ）は、第２の実施の形態に係る高電子移動度トランジスタを示す模式図である。 図３（Ａ）、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、第３の実施の形態に係る高電子移動度トランジスタを作製する方法の主要な工程を示す図面である。 図４（Ａ）、図４（Ｂ）および図４（Ｃ）は、第３の実施の形態に係る高電子移動度トランジスタを作製する方法の主要な工程を示す図面である。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）および図５（Ｃ）は、第４の実施の形態に係る高電子移動度トランジスタを作製する方法の主要な工程を示す図面である。

符号の説明

１０ａ、１０ｂ…高電子移動度トランジスタ、１２、３２…ナノコラム領域、１４…チャネル層、１６…電子障壁層、１８…ゲート電極、２０…ソース電極、２２…ドレイン電極、２４…基板、２６、３４…ナノコラム、２６ａ、３４ａ…ナノコラムの一端、２８…ヘテロ接合、Ｌ１…ナノコラム領域の厚さ、Ｌ２…チャネル層の厚さ、Ｌ３…電子障壁層の厚さ、Ｌ４…ナノコラム領域の厚さ、４０…基板、３６…支持体、３８…バッファ膜、４２…ナノコラム領域、４４…窒化ガリウム系半導体膜、４６…ナノコラム、４８…遷移領域、５０…窒化ガリウム単結晶領域、５２…窒化ガリウム系半導体膜、５４…マスク５６ａ…ソース電極、５６ｂ…ドレイン電極、５８…ゲート電極、６０…マスク、５６ａ…ソース電極、５６ｂ…ドレイン電極、５８…ゲート電極、Ｅ１…エピタキシャル基板、Ｅ２、Ｅ３…基板生産物

Claims (7)

1. 第１の窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、
   前記ナノコラム領域上に設けられており、第２の窒化ガリウム系半導体からなるチャネル層と、
   前記ナノコラム領域上に設けられており、前記第２の窒化ガリウム系半導体のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する第３の窒化ガリウム系半導体からなる電子障壁層と、
   前記チャネル層上に設けられたゲート電極、ソース電極及びドレイン電極と、
   窒化ガリウム系半導体と異なる半導体材料からなる支持基体を含む基板と
   を備え、
   前記ナノコラム領域は前記基板上に設けられており、
   前記チャネル層と前記電子障壁層とはヘテロ接合を形成している、ことを特徴とする高電子移動度トランジスタ。
2. 第１の窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、
   前記ナノコラム領域上に設けられており、第２の窒化ガリウム系半導体からなるチャネル層と、
   前記ナノコラム領域上に設けられており、前記第２の窒化ガリウム系半導体のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する第３の窒化ガリウム系半導体からなる電子障壁層と、
   前記チャネル層上に設けられたゲート電極、ソース電極およびドレイン電極と
   を備え、
   前記チャネル層と前記電子障壁層とはヘテロ接合を形成している、ことを特徴とする高電子移動度トランジスタ。
3. 前記支持基体はＳｉまたはＧａＡｓからなる、ことを特徴とする請求項１に記載された高電子移動度トランジスタ。
4. 前記第１の窒化ガリウム系半導体はＡｌ_Ｘ１Ｇａ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｉｎ_Ｙ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１、０≦Ｙ１＜１）からなり、
   前記第２の窒化ガリウム系半導体はＡｌ_Ｘ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｉｎ_Ｙ２Ｎ（０≦Ｘ２＜１、０≦Ｙ２＜１）からなり、
   前記第３の窒化ガリウム系半導体はＡｌ_Ｘ３Ｇａ_{１−Ｘ３−Ｙ３}Ｉｎ_Ｙ３Ｎ（０≦Ｘ３＜１、０≦Ｙ３＜１）からなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された高電子移動度トランジスタ。
5. 高電子移動度トランジスタを作製する方法であって、
   窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体を含む基板上に、第１の窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を形成する工程と、
   前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と、
   前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、第２の窒化ガリウム系半導体からなりチャネル層のための第１の半導体膜を成長する工程と、
   前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、第３の窒化ガリウム系半導体からなり電子障壁層のための第２の半導体膜を成長する工程と、
   を備える、ことを特徴とする方法。
6. 前記高電子移動度トランジスタのためのソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を前記第１の半導体膜上に形成する工程と、
   前記ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を形成した後に、前記支持体を除去する工程と
   を更に備える、ことを特徴とする請求項５に記載された方法。
7. 前記支持体はシリコンまたはＧａＡｓからなる、ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載された方法。
   

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