JP2008085123A - 化合物半導体デバイス用基板およびそれを用いた化合物半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体単結晶膜を有する化合物半導体デバイスにおいて、高耐圧かつ低損失であり、ＨＥＭＴ等に好適に用いられる化合物半導体デバイス用基板およびそれを用いた化合物半導体デバイスを提供する。
【解決手段】導電性ＳｉＣ単結晶２上に、厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０＜ｘ≦１）３ａおよび厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０≦ｙ＜１、ｘ≠ｙ）３ｂが交互に５〜５００組繰り返し積層されている多層単結晶層３と、厚さ０．５〜５μｍのＧａＮ単結晶層４と、デバイス活性層５とを順次積層した化合物半導体デバイス用基板に、ショットキー電極およびオーミック電極６を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に代表される窒化物半導体単結晶層を有する化合物半導体デバイス用基板およびそれを用いた化合物半導体デバイスに関する。

化合物半導体は、シリコンよりも電子移動速度がはるかに速いため、高速信号処理に優れ、低電圧で動作したり、光に反応したり、マイクロ波を出したりと優れた特性を備えている。このような優れた物性から、化合物半導体を用いたデバイスは、現在主流である半導体シリコンによるデバイスの物性限界を凌駕するものとして期待されている。

従来、導電性材料上に窒化物等の単結晶膜をヘテロエピタキシャル成長させた化合物半導体デバイスとしては、例えば、特許文献１等に記載されているような、Ｓｉ基板上に窒化物半導体の多層単結晶層を積層し、その上に、窒化物半導体による高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ；Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）構造を形成したものが知られている。
特開２００３−５９９４８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されているように、Ｓｉ基板上に窒化物半導体を積層した従来のＨＥＭＴにおいては、Ｓｉ基板および窒化物半導体によるＨＥＭＴ上の電極を介して積層方向に電圧を印加すると、Ｓｉ基板および窒化物半導体層の界面近傍での耐圧特性が低いという課題を有していた。
これは、窒化物半導体の格子定数がＳｉに比べて約２０％も大きいため、Ｓｉ基板および窒化物半導体層の界面近傍に、ミスフィット転位が高密度で生じ、このミスフィット転位を通じて、Ｓｉ基板からのＳｉ原子が、窒化物半導体にｎ型ドーパントとして導入されることによる。

また、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶上に、上記と同様に、窒化物半導体を積層したＨＥＭＴにおいては、窒化物半導体のＳｉＣに対する格子定数差は約３％であり、上記Ｓｉ基板上の窒化物ＨＥＭＴに比べて、ＳｉＣ単結晶および窒化物ＨＥＭＴの界面近傍に生じるミスフィット転位は少ない。
しかしながら、この場合も、上記Ｓｉ基板上の窒化物半導体層と同様に、ミスフィット転位を通じて、ＳｉＣ単結晶からＳｉ原子が、窒化物半導体にｎ型ドーパントとして導入され、ＳｉＣ単結晶および窒化物半導体層の界面近傍での耐圧特性が低いという課題を有していた。

したがって、上記のような窒化物半導体によるＨＥＭＴ等の化合物半導体デバイスにおいては、一層の高耐圧化が求められている。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、窒化物半導体単結晶層を有する化合物半導体デバイスにおいて、高耐圧かつ低損失であり、ＨＥＭＴ等に好適に用いられる化合物半導体デバイス用基板およびそれを用いた化合物半導体デバイスを提供することを目的とするものである。

本発明に係る化合物半導体デバイス用基板は、導電性ＳｉＣ単結晶上に、厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０＜ｘ≦１）および厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０≦ｙ＜１、ｘ≠ｙ）が交互に５〜５００組繰り返し積層されている多層単結晶層と、厚さ０．５〜５μｍのＧａＮ単結晶層と、デバイス活性層とが順次積層されていることを特徴とする。
このように、導電性ＳｉＣ単結晶上に、窒化物半導体の多層単結晶層を形成することにより、ＳｉＣ単結晶とＧａＮ単結晶層との間に生じるミスフィット転位を低減することができる。

前記化合物半導体デバイス用基板においては、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層がＡｌＮ（ｘ＝１）、かつ、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層がＧａＮ（ｙ＝０）であることが好ましい。
このような構成によれば、各層の組成構成制御が容易であり、多層単結晶層によるミスフィット転位を効率的に低減させることができる。

また、前記デバイス活性層が、厚さ３〜１００ｎｍのＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層（０＜ｚ≦１）であることが好ましい。
デバイス活性層におけるＡｌＧａＮ組成および層厚さを、上記範囲内とすることにより、優れたＨＥＭＴ特性を発揮し得る窒化物半導体デバイス用基板を提供することができる。

さらに、前記導電性ＳｉＣ単結晶が、｛１１１｝立方晶または｛０００１｝六方晶であり、その結晶面方位の傾斜角度は５°以内であり、また、導電性ＳｉＣ多結晶基板上または導電性Ｓｉ単結晶基板上に積層されていることが好ましい。
導電性、強度向上およびコスト削減の観点から、上記のような基板上のＳｉＣ単結晶表面に窒化物半導体層を形成することが好ましい。

本発明に係る化合物半導体デバイスは、上記化合物半導体デバイス用基板を用いた化合物半導体デバイスであって、ショットキー電極およびオーミック電極を有している、あるいはまた、制御電極および少なくとも２個のオーミック電極を有していることを特徴とする。
上記化合物半導体デバイス用基板に、このような電極を構成することにより、高耐圧かつ低損失な化合物半導体デバイスとすることができる。

上述したとおり、本発明に係る化合物半導体デバイス用基板を用いれば、基板と窒化物半導体層との間に生じるミスフィット転位が低減され、従来のＳｉ基板上にＨＥＭＴ構造が形成されたものに比べて、高耐圧かつ低損失の化合物半導体デバイスが得られる。
したがって、本発明に係る化合物半導体デバイス用基板は、パワーデバイスや高周波デバイス用ＨＥＭＴ等に好適に用いることができる。

以下、本発明についてより詳細に説明する。
本発明に係る化合物半導体デバイス用基板は、導電性ＳｉＣ単結晶上に、窒化物半導体単結晶層が形成されている化合物半導体デバイス基板であり、具体的には、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０＜ｘ≦１）およびＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０≦ｙ＜１、ｘ≠ｙ）が交互に繰り返し積層されている多層単結晶層と、ＧａＮ単結晶層と、デバイス活性層とが順次積層されているものである。
このように、導電性ＳｉＣ単結晶上に、窒化物半導体の多層単結晶層を形成することにより、格子定数の不整合率が約３％に抑制され、この多層単結晶層を挟むＳｉＣ単結晶とＧａＮとの間に生じるミスフィット転位を低減することができる。
したがって、前記窒化物半導体の多層単結晶層は、このミスフィット転位を通じて、ＳｉＣ単結晶から導入されるＳｉ原子が低減されるため、高抵抗となり、本発明に係る化合物半導体デバイス用基板によれば、従来のＳｉ基板上にＨＥＭＴ構造が形成されたものに比べて、耐圧特性を約１０倍に向上させることができる。

また、窒化物半導体の多層単結晶層を形成しない場合と比べて、耐圧特性を約５倍に向上させることができる。すなわち、ＳｉＣ単結晶上に形成する場合においてもわずかに生じるミスフィット転位を、窒化物半導体の多層単結晶層の効果により、さらに低減させることができる。

前記化合物半導体デバイス用基板に用いられる導電性ＳｉＣ単結晶としては、立方晶の場合は３Ｃ−ＳｉＣ、六方晶の場合は６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−ＳｉＣが好適に用いられる。
また、前記化合物半導体デバイスをより低損失にするため、前記導電性ＳｉＣ単結晶は、立方晶の場合には面方位｛１１１｝、六方晶の場合には面方位｛０００１｝であり、その結晶面方位の傾斜角度は５°以内であることが好ましい。
さらに、前記導電性ＳｉＣ単結晶は、強度向上およびコスト削減の観点から、導電性ＳｉＣ多結晶基板上または導電性Ｓｉ単結晶基板上に積層されたものであることが好ましい。

前記導電性ＳｉＣ単結晶上には、多層単結晶層として、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０＜ｘ≦１）およびＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０≦ｙ＜１、ｘ≠ｙ）が交互に繰り返し積層される。
このＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層とＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層とからなる多層単結晶層は、ｘ≠ｙ、すなわち、組成の異なるＡｌＧａＮ単結晶層が交互に積層されたものである。

前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層とＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層とは、ミスフィット転位の発生の抑制効果を十分に得るため、厚さは、それぞれ、３〜２５０ｎｍとし、５〜５００組繰り返し積層されることが好ましい。
各層が薄すぎたり、積層数が少なすぎると、十分なミスフィット転位の発生の抑制効果が得られない。
一方、各層が厚すぎたり、積層数が多すぎる場合、コスト高となり、好ましくない。

さらに、前記多層単結晶層において、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層はＡｌＮ（ｘ＝１）、かつ、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層はＧａＮ（ｙ＝０）であることが好ましい。すなわち、ＡｌＮ単結晶層とＧａＮ単結晶層とが交互に繰り返されている多層単結晶層であることが好ましい。
このような構成からなる多層単結晶層によれば、各層の組成構成制御が容易であり、また、この層によるミスフィット転位の低減効果を一層高めることができ、従来のＳｉ基板上にＨＥＭＴ構造が形成されたものに比べて、耐圧特性を約１０倍に向上させることができる。

前記多層単結晶層上には、ＧａＮ単結晶層が形成される。このＧａＮ単結晶層は、その上に、デバイス活性層が形成されるため、十分な表面平滑性を確保する観点から、厚さ０．５〜５μｍで形成される。

前記ＧａＮ単結晶層上に形成されるデバイス活性層は、厚さ３〜１００ｎｍのＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層（０＜ｚ≦１）であることが好ましい。
このＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層においては、ｚの値、すなわち、ＡｌＧａＮ組成は、要求されるＨＥＭＴ特性に応じて、層厚さとともに、上記範囲内において適宜設定される。
このＡｌＧａＮ組成は、ｚ＝ｘまたはｚ＝ｙであってもよく、ｚ＝０．２〜０．３であることがより好ましい。

上記のような本発明に係る化合物半導体デバイス用基板を用いて、これに、ショットキー電極およびオーミック電極、あるいはまた、制御電極および少なくとも２個のオーミック電極を形成することにより、本発明に係る化合物半導体デバイスを作製することができる。
このような電極構成とすることにより、高耐圧かつ低損失な化合物半導体デバイスを好適に得ることができる。

上記のような構成の化合物半導体デバイスは、導電性ＳｉＣ単結晶および電極間に電圧を印加して、該デバイスを動作させると、従来のＳｉ基板上の窒化物半導体によるＨＥＭＴ構造が形成されたデバイスに比べて、電極への電界集中が緩和され、耐圧特性を約５０倍に向上させることができる。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
図１に、本実施例に係る化合物半導体デバイスの概念的な断面図を示す。
図１に示す化合物半導体デバイスは、結晶面方位｛１１１｝の導電性Ｓｉ単結晶基板１上に、厚さ１μｍの導電性３Ｃ−ＳｉＣ単結晶２と、厚さ１０ｎｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層３ａとしてのＡｌＮ（ｘ＝１）および厚さ１０ｎｍのＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層３ｂとしてのＧａＮ（ｙ＝０）が交互に１０組繰り返し積層されている多層単結晶層３と、厚さ３μｍのＧａＮ単結晶層４と、厚さ５０ｎｍのデバイス活性層５としてのＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層（ｚ＝０．５）とが順次積層され、かつ、Ｓｉ単結晶基板１およびデバイス活性層５上に、電極６として、制御電極および２個のオーミック電極が形成されているものである。

以下、この化合物半導体デバイス１の製造工程を述べる。
まず、結晶面方位｛１１１｝の導電性のＳｉ単結晶基板１上を、Ｃ₃Ｈ₈原料ガス雰囲気下、１０００℃で熱処理した後、原料ガスとしてＳｉＨ₄ガスおよびＣ₃Ｈ₈ガスを用い、１０００℃での気相成長により、厚さ１μｍの導電性の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層２を積層させた。
次に、原料ガスとしてトリメチルアンモニウム（ＴＭＡ）ガスおよびＮＨ₃ガスを用い、１０００℃での気相成長により、前記３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層バッファー層２上に、厚さ１０ｎｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層３ａとしてのＡｌＮ（ｘ＝１）を積層させた。
さらに、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスおよびＮＨ₃ガスを用い、１０００℃での気相成長により、前記ＡｌＮ単結晶層上に、厚さ１０ｎｍのＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層３ｂとしてのＧａＮ（ｙ＝０）を積層させた。
前記ＡｌＮ単結晶層およびＧａＮ単結晶層は、同様の工程にて、交互に繰り返し１０回積層させ、多層単結晶層３を形成した。
さらに、前記多層単結晶層３上に、原料ガスとしてＴＭＧガスおよびＮＨ₃ガスを用い、１０００℃での気相成長により、厚さ３μｍのＧａＮ単結晶層４を積層させた。
前記ＧａＮ単結晶層４上に、原料ガスとしてＴＭＡガス、ＴＭＧガスおよびＮＨ₃ガスを用い、１０００℃での気相成長により、厚さ５０ｎｍのデバイス活性層５としてのＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層（ｚ＝０．５）を積層させた。
なお、気相成長により形成した各層の厚さの調整は、ガス流量および供給時間の調整により行った。
上記により得られた化合物半導体デバイス用基板に、各電極６を、真空蒸着法により作製し、オーミック電極は、形成後、熱処理により調整した。

上記製造工程により得られた化合物半導体デバイスについて、導電性３Ｃ−ＳｉＣ単結晶および電極間に電圧を印加し、動作させたところ、従来のＳｉ基板上の窒化物半導体によるＨＥＭＴ構造が形成されたデバイスに比べて、耐圧特性が約５０倍であった。

実施例１に係る化合物半導体デバイスを概念的に示す断面図である。

符号の説明

１ 導電性Ｓｉ単結晶基板
２ 導電性３Ｃ−ＳｉＣ単結晶
３ 多層単結晶層
３ａ Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層
３ｂ Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層
４ ＧａＮ単結晶層
５ Ａｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層（デバイス活性層）
６ 電極

Claims (7)

1. 導電性ＳｉＣ単結晶上に、厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０＜ｘ≦１）および厚さ３〜２５０ｎｍのＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０≦ｙ＜１、ｘ≠ｙ）が交互に５〜５００組繰り返し積層されている多層単結晶層と、厚さ０．５〜５μｍのＧａＮ単結晶層と、デバイス活性層とが順次積層されていることを特徴とする化合物半導体デバイス用基板。
2. 前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層がＡｌＮ（ｘ＝１）、かつ、前記Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層がＧａＮ（ｙ＝０）であることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体デバイス用基板。
3. 前記デバイス活性層が、厚さ３〜１００ｎｍのＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層（０＜ｚ≦１）であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の化合物半導体デバイス用基板。
4. 前記導電性ＳｉＣ単結晶が、｛１１１｝立方晶または｛０００１｝六方晶であり、その結晶面方位の傾斜角度は５°以内であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の化合物半導体デバイス用基板。
5. 前記導電性ＳｉＣ単結晶が、導電性ＳｉＣ多結晶基板上または導電性Ｓｉ単結晶基板上に積層されていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の化合物半導体デバイス用基板。
6. 請求項１から請求項５までのいずれかに記載の化合物半導体デバイス用基板を用いた化合物半導体デバイスであって、ショットキー電極およびオーミック電極を有していることを特徴とする化合物半導体デバイス。
7. 請求項１から請求項５までのいずれかに記載の化合物半導体デバイス用基板を用いた化合物半導体デバイスであって、制御電極および少なくとも２個のオーミック電極を有していることを特徴とする化合物半導体デバイス。

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