JP2008244036A - Semiconductor crystal and semiconductor device - Google Patents

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Yasuhiro Oda
康裕 小田
Noriyuki Watanabe
則之 渡邉
Masanobu Hiroki
正伸 廣木
Takashi Kobayashi
隆 小林
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor crystal and a semiconductor device having a nitride-based compound semiconductor composite layer with excellent characteristics. <P>SOLUTION: This semiconductor device has a structure wherein the crystal growth of an AlGaN buffer layer 2' is carried out on an SiC substrate 1 in order to improve the bond between the substrate 1 and a buffer layer, a GaN buffer layer 2 is grown on the AlGaN buffer layer 2' by 2 μm, an In<SB>0.25</SB>Al<SB>0.05</SB>Ga<SB>0.70</SB>N channel layer 3 is grown on the GaN buffer layer 2 by 30 nm, and then an In<SB>0.10</SB>Al<SB>0.80</SB>Ga<SB>0.10</SB>N barrier layer 4 is grown on the In<SB>0.25</SB>Al<SB>0.05</SB>Ga<SB>0.70</SB>N channel layer 3 by 25 nm. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は半導体結晶および半導体装置に関し、特に、窒化物系化合物半導体結晶およびそれを用いた半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor crystal and a semiconductor device, and more particularly to a nitride compound semiconductor crystal and a semiconductor device using the same.

窒化物系化合物半導体で高速・高出力動作が可能な高電子移動度トランジスタ(HEMT)を構成する場合、従来は、キャリアを供給するバリア層にAlGaNを、電子が走行するチャネル層にGaNを、それぞれ使用したAlGaN/GaNHEMTとすることが多かった。その理由として、AlGaNとGaNとの格子不整合から来る格子歪みにより、AlGaNに特にドーピングしなくても、ピエゾ分極効果と自発分極効果によりGaNチャネル層に二次元電子ガスを発生させることが可能であること、そしてトランジスタ作製上の面からは、窒化物系化合物半導体の中でもGaNとAlGaNは比較的結晶成長が容易な材料である事があげられる。   When configuring a high electron mobility transistor (HEMT) capable of high-speed and high-power operation with a nitride-based compound semiconductor, conventionally, AlGaN is used for a barrier layer that supplies carriers, GaN is used for a channel layer where electrons travel, The AlGaN / GaN HEMTs used were often used. The reason for this is that due to the lattice distortion resulting from lattice mismatch between AlGaN and GaN, it is possible to generate a two-dimensional electron gas in the GaN channel layer due to the piezoelectric polarization effect and the spontaneous polarization effect, even if AlGaN is not specifically doped. On the other hand, from the standpoint of transistor fabrication, GaN and AlGaN are relatively easy materials for crystal growth among nitride-based compound semiconductors.

結晶成長技術の進展と共に、InGaNがLED等の光デバイスの分野で利用可能な結晶品質まで向上し、これをHEMTのチャネル層に応用することでAlGaN/GaNHEMTよりも高性能なHEMTを作る試みがなされてきた。理論的には、InGaNチャネルはGaNチャネルよりもHEMTの二次元電子ガスのシートキャリア密度を上げられる可能性があり、実現すると素子の特性を向上させられるためである(例えば、下記非特許文献1参照)。   With the progress of crystal growth technology, InGaN has improved crystal quality that can be used in the field of optical devices such as LEDs, and by applying this to the HEMT channel layer, an attempt to create a HEMT with higher performance than AlGaN / GaN HEMT Has been made. Theoretically, the InGaN channel may increase the sheet carrier density of the two-dimensional electron gas of HEMT than the GaN channel, and if realized, the characteristics of the device can be improved (for example, Non-Patent Document 1 below). reference).

しかしながら、InGaNを電子デバイスに用いるには依然としてInGaN自身の結晶品質や他層との急峻なヘテロ界面形成に課題がある事が試作から判明している。これは、一般に窒化物系化合物半導体は1000℃を越える高温で結晶成長を行うことが多いのに対し、InGaNの結晶成長は結晶成長中に結晶表面からのInの再蒸発を抑制しなければならないために低温で成長する必要があり、そのために結晶中に欠陥や転移等が発生しやすいためである。
「MOCVD-grown InGaN-channel HEMT structures with electron mobility of over 1000cm2/Vs」、Naoya Okamoto ら5名、Elsevier、Journal of Crystal Growth、2004年発行、Vol. 272、278-284ぺージ。 「Si基板上にMOCVD成長した高品質 InAlN/GaN HEMT エピ」、渡邊 則之ら6名、信学技報、ED2006-233, MW2006-186(2007-1)、183-187ぺージ。
However, it has been found from trial manufacturing that there are still problems in the crystal quality of InGaN itself and the formation of a steep hetero interface with other layers in order to use InGaN for electronic devices. In general, nitride-based compound semiconductors often perform crystal growth at a high temperature exceeding 1000 ° C., whereas InGaN crystal growth must suppress re-evaporation of In from the crystal surface during crystal growth. Therefore, it is necessary to grow at a low temperature, and defects and transitions are likely to occur in the crystal.
“MOCVD-grown InGaN-channel HEMT structures with electron mobility of over 1000cm2 / Vs”, Naoya Okamoto et al., Elsevier, Journal of Crystal Growth, 2004, Vol. 272, pages 278-284. “High quality InAlN / GaN HEMT epi grown by MOCVD on Si substrate”, Noriyuki Watanabe et al., Shingaku Technical Report, ED2006-233, MW2006-186 (2007-1), pages 183-187.

本発明は、上記の問題点、すなわち、InGaNの結晶成長は、結晶表面からのInの再蒸発を抑制するために低温で行う必要があり、そのために結晶中に欠陥や転移等が発生しやすく、良好な特性の電子デバイスが得られないという問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、優れた特性の窒化物系化合物半導体複合層を有する半導体結晶および半導体装置を提供することにある。   In the present invention, the above problem, that is, the crystal growth of InGaN, must be performed at a low temperature in order to suppress the re-evaporation of In from the crystal surface. Therefore, defects and transitions are likely to occur in the crystal. The present invention has been made in view of the problem that an electronic device with good characteristics cannot be obtained, and the problem to be solved by the present invention is a semiconductor crystal and a semiconductor having a nitride compound semiconductor composite layer with excellent characteristics To provide an apparatus.

上記課題を解決するために、本発明では、請求項1に記載のように、
InとAlとGaとNを含む第一の層と、AlとNを含む第二の層とを有し、前記第二の層の伝導帯端のポテンシャルが前記第一の層の伝導帯端のポテンシャルより高いことを特徴とする半導体結晶を構成する。
In order to solve the above-mentioned problem, in the present invention, as described in claim 1,
A first layer containing In, Al, Ga and N, and a second layer containing Al and N, wherein the potential of the conduction band edge of the second layer is the conduction band edge of the first layer. The semiconductor crystal is characterized by being higher than the potential of.

また、本発明では、請求項2に記載のように、
基板上にバッファ層を有し、前記バッファ層上にチャネル層を有し、前記チャネル層上にバリア層を有する半導体結晶であって、前記バッファ層がGaとNを含み、前記チャネル層がInとAlとGaとNを含み、前記バリア層がAlとNを含み、前記バッファ層の伝導帯端のポテンシャルが前記チャネル層の伝導帯端のポテンシャルより高く、かつ、前記バリア層の伝導帯端のポテンシャルより低いことを特徴とする半導体結晶を構成する。
In the present invention, as described in claim 2,
A semiconductor crystal having a buffer layer on a substrate, a channel layer on the buffer layer, and a barrier layer on the channel layer, wherein the buffer layer contains Ga and N, and the channel layer is In And Al, Ga and N, the barrier layer contains Al and N, the potential of the conduction band edge of the buffer layer is higher than the potential of the conduction band edge of the channel layer, and the conduction band edge of the barrier layer The semiconductor crystal is characterized by being lower than the potential of.

また、本発明では、請求項3に記載のように、
前記第一の層または前記チャネル層において、Alの添加によりIn取り込みが増加していることを特徴とする請求項1または2記載の半導体結晶を構成する。
In the present invention, as described in claim 3,
3. The semiconductor crystal according to claim 1, wherein In incorporation is increased by addition of Al in the first layer or the channel layer. 4.

また、本発明では、請求項4に記載のように、
前記バッファ層がInAlGa1−a−bN(0≦a、0≦b、a+b<1)であって、前記チャネル層がInAlGa1−v−wN(0<v、0<w、v+w<1)であって、前記バリア層がInAlGa1−x−yN(0≦x、0<y、x+y≦1)であることを特徴とする請求項2または3記載の半導体結晶を構成する。
Moreover, in this invention, as described in Claim 4,
The buffer layer is In a Al b Ga 1-ab N (0 ≦ a, 0 ≦ b, a + b <1), and the channel layer is In v Al w Ga 1-vw N (0 < v, 0 <w, v a + w <1), wherein wherein said barrier layer is an in x Al y Ga 1-x -y N (0 ≦ x, 0 <y, x + y ≦ 1) The semiconductor crystal according to Item 2 or 3 is formed.

また、本発明では、請求項5に記載のように、
請求項4記載の半導体結晶において、前記InAlGa1−a−bNにおけるaおよびbが、0<a≦0.05および0<b≦0.05を満足することを特徴とする半導体結晶を構成する。
In the present invention, as described in claim 5,
5. The semiconductor crystal according to claim 4, wherein a and b in the In a Al b Ga 1-ab N satisfy 0 <a ≦ 0.05 and 0 <b ≦ 0.05. A semiconductor crystal is formed.

また、本発明では、請求項6に記載のように、
請求項4記載の半導体結晶において、前記バッファ層がGaNであることを特徴とする半導体結晶を構成する。
In the present invention, as described in claim 6,
5. The semiconductor crystal according to claim 4, wherein the buffer layer is GaN.

また、本発明では、請求項7に記載のように、
請求項4、5または6記載の半導体結晶において、前記InAlGa1−v−wNにおけるvおよびwが、0<v<0.30および0<w<0.32を満足することを特徴とする半導体結晶を構成する。
In the present invention, as described in claim 7,
7. The semiconductor crystal according to claim 4, wherein v and w in the In v Al w Ga 1-vw N satisfy 0 <v <0.30 and 0 <w <0.32. The semiconductor crystal characterized by this is formed.

また、本発明では、請求項8に記載のように、
請求項4、5、6または7記載の半導体結晶において、前記InAlGa1−x−yNにおけるyが0.49<y≦1を満足することを特徴とする半導体結晶を構成する。
In the present invention, as described in claim 8,
8. The semiconductor crystal according to claim 4, wherein y in the In x Al y Ga 1-xy N satisfies 0.49 <y ≦ 1. .

また、本発明では、請求項9に記載のように、
請求項4ないし8いずれかに記載の半導体結晶において、前記InAlGa1−x−yNにおけるxおよびyが、x+y=1および0≦x≦0.18を満足することを特徴とする半導体結晶を構成する。
In the present invention, as described in claim 9,
9. The semiconductor crystal according to claim 4, wherein x and y in the In x Al y Ga 1-xy N satisfy x + y = 1 and 0 ≦ x ≦ 0.18. A semiconductor crystal is formed.

また、本発明では、請求項10に記載のように、
請求項2ないし9いずれかに記載の半導体結晶において、前記基板がシリコン基板であり、その面方位が(111)およびそれと等価な面方位であることを特徴とする半導体結晶を構成する。
In the present invention, as described in claim 10,
10. The semiconductor crystal according to claim 2, wherein the substrate is a silicon substrate, and the plane orientation is (111) and a plane orientation equivalent thereto.

また、本発明では、請求項11に記載のように、
請求項1ないし10いずれかに記載の半導体結晶を有する半導体装置を構成する。
In the present invention, as described in claim 11,
A semiconductor device having the semiconductor crystal according to claim 1 is formed.

すなわち、例えば、InGaN系HEMTのチャネル層に好適な材料としてInAlGaN、またそれと組み合わせるのに好適なバリア層材料としてチャネル層と組成が異なるInAlGaN、特にInAlNによって構成されたHEMT構造を提供する。   That is, for example, there is provided a HEMT structure composed of InAlGaN as a material suitable for a channel layer of InGaN-based HEMT and InAlGaN having a composition different from that of the channel layer as a barrier layer material suitable for combining with it, particularly InAlN.

例えば、チャネル層にAlを含むInAlGaNを用いることによって、高品質なInAlGaNチャネル/InAl(Ga)Nバリア結晶が得られ、これによって、優れた特性の窒化物系化合物半導体複合層を有する半導体結晶および半導体装置を提供することが可能となる。   For example, by using InAlGaN containing Al in the channel layer, a high-quality InAlGaN channel / InAl (Ga) N barrier crystal can be obtained, whereby a semiconductor crystal having a nitride compound semiconductor composite layer with excellent characteristics and A semiconductor device can be provided.

以下に、本発明を実施するための最良の形態を、バッファ層がGaNであり、チャネル層がInAlGaNであり、バリア層がInAlGaNまたはInAlNであるHEMT構造を例として説明するが、本発明は、これに限られるものではない。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described by taking as an example a HEMT structure in which the buffer layer is GaN, the channel layer is InAlGaN, and the barrier layer is InAlGaN or InAlN. It is not limited to this.

図1に本発明の基本構成の一例を示す。図において、基板1の上に、GaNバッファ層2、第一の層であるInAlGaNチャネル層3、第二の層であるInAlGaNバリア層4が、この順に、形成されている。この図において、本発明の説明に必要のない部分は省略されている。   FIG. 1 shows an example of the basic configuration of the present invention. In the figure, a GaN buffer layer 2, an InAlGaN channel layer 3 as a first layer, and an InAlGaN barrier layer 4 as a second layer are formed on a substrate 1 in this order. In this figure, portions not necessary for the description of the present invention are omitted.

我々は、InAlNの結晶成長の検討から、結晶内へのInの取り込み効率にAlの存在が深く関与していることを見いだし、InGaNの結晶成長においてもAlを少量添加するだけでInの取り込み効率を改善できるという知見を得た。ここで、InAlGaNの組成式をInAlGa1−v−wN(0<v、0<w、v+w<1)とする。 From the study of InAlN crystal growth, we found that the presence of Al is deeply involved in the In incorporation efficiency into the crystal. In InGaN crystal growth, the In incorporation efficiency can be achieved by adding a small amount of Al. The knowledge that can be improved. Here, the composition formula of InAlGaN is In v Al w Ga 1-vw N (0 <v, 0 <w, v + w <1).

Alを含まないInGaNを結晶成長する場合、結晶にいったん取り込まれたInが結晶表面から再離脱するという、Inの再蒸発が結晶中のIn組成を上げるための障害となる。このInの再蒸発に一番影響を及ぼすのは結晶成長時の温度であり、成長温度が600℃以上になるとInの再蒸発が生じはじめ、さらに成長温度を上げるとInは結晶中にごくわずかしか取り込まれなくなる。   When growing InGaN containing no Al, the re-evaporation of In, which is once taken into the crystal from the crystal surface, becomes an obstacle to increasing the In composition in the crystal. It is the temperature at the time of crystal growth that has the greatest effect on the re-evaporation of In. When the growth temperature reaches 600 ° C. or higher, In re-evaporation begins to occur. It will only be captured.

V族原料、一般に窒化物系化合物半導体成長ではアンモニアの供給量を増やすと再蒸発を少しだけ抑制できるが、その一方で結晶中に意図しない不純物の混入(主として炭素)が増加し、また転位などの結晶欠陥も増大する。一方で、本発明のように、結晶組成をInAlGa1−v−wNとすると、一度結晶中に取り込まれたInは結合エネルギーが大きいAlの影響を受けるために再蒸発を生じにくくなるため、通常のInGaN成長よりも成長可能な条件が拡大する。 In the growth of Group V materials, generally nitride-based compound semiconductors, re-evaporation can be suppressed only slightly by increasing the amount of ammonia supplied, but on the other hand, unintentional impurity contamination (mainly carbon) increases in the crystal, and dislocations, etc. The crystal defects increase. On the other hand, when the crystal composition is In v Al w Ga 1-vw N as in the present invention, In once taken into the crystal is affected by Al having a large binding energy, and thus re-evaporates. Since it becomes difficult, the conditions under which growth is possible are expanded as compared with normal InGaN growth.

ただし、Alの添加は伝導帯端のポテンシャルを上昇させる効果もある。HEMTのチャネル層にGaNに換えてInGaN系を採用するのは、GaNよりも伝導帯端のポテンシャルが低くなり、結果としてチャネル中に発生する二次元電子ガスの濃度(シートキャリア密度)を高めることができるためである。   However, the addition of Al also has the effect of increasing the potential at the conduction band edge. The use of InGaN instead of GaN for the HEMT channel layer has a lower potential at the conduction band edge than GaN, resulting in an increase in the concentration (sheet carrier density) of the two-dimensional electron gas generated in the channel. It is because it can do.

ここで、チャネル層の上にあるバリア層については、従来から用いられているAlGaNバリア層でも本発明の効果は十分に発揮されるが、より効果を高めるためには、バリア層の組成をInAlGa1−x−yN(0≦x、0<y、x+y≦1)としたときに、通常用いられているAlGaNバリア層の組成(一般にAl組成yが0.3未満)よりもAl組成yを高めて、結晶内での自発分極効果を高めることにより、より多くの二次元電子ガスをチャネル層側に発生させる事が有効である。このとき、バリア層の伝導帯端のポテンシャルがチャネル層のそれよりも高い必要があることがHEMTの動作原理から要求される。 Here, with respect to the barrier layer on the channel layer, the effect of the present invention is sufficiently exerted even with a conventionally used AlGaN barrier layer, but in order to enhance the effect, the composition of the barrier layer is changed to In. From x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x, 0 <y, x + y ≦ 1), the composition of the AlGaN barrier layer that is normally used (generally, the Al composition y is less than 0.3) It is also effective to generate more two-dimensional electron gas on the channel layer side by increasing the Al composition y and enhancing the spontaneous polarization effect in the crystal. At this time, it is required from the operating principle of the HEMT that the potential at the conduction band edge of the barrier layer needs to be higher than that of the channel layer.

以上を伝導帯端に着目してまとめると、HEMT構造において重要となる二次元電子ガスを効率よく発生させるためには、HEMT構造中のバッファ層、チャネル層、バリア層の3層において伝導帯端のポテンシャルが「チャネル層<バッファ層<バリア層」となっている必要がある。ここでの不等号「<」は、各層の伝導帯端のポテンシャルの高低関係(低<高)を表すものとする。   Summarizing the above, focusing on the conduction band edge, in order to efficiently generate the two-dimensional electron gas that is important in the HEMT structure, the conduction band edge is formed in the buffer layer, channel layer, and barrier layer in the HEMT structure. Must have a potential of “channel layer <buffer layer <barrier layer”. Here, the inequality sign “<” represents the potential relationship (low <high) of the conduction band edge potential of each layer.

ここでまずバッファ層については、上記のポテンシャル高さの関係を満たすのと同時にチャネル層に二次元電子ガスを発生させない事が求められる。そのため、自発分極やピエゾ分極が小さい組成領域を使用しなければならず、InAlGa1−a−bNバッファ層(0≦a、0≦b、a+b<1)においては、aおよびbが0≦a≦0.05かつ0≦b≦0.05の範囲で使用することが望ましい。究極的には特にGaNバッファ層(a=b=0)とする。 Here, the buffer layer is required to satisfy the above potential height relationship and not to generate a two-dimensional electron gas in the channel layer. Therefore, a composition region having a small spontaneous polarization or piezoelectric polarization must be used, and in the In a Al b Ga 1-ab N buffer layer (0 ≦ a, 0 ≦ b, a + b <1), a and It is desirable that b is in the range of 0 ≦ a ≦ 0.05 and 0 ≦ b ≦ 0.05. Ultimately, the GaN buffer layer (a = b = 0) is used.

その上で、「チャネル層<バッファ層<バリア層」の条件を満たす組成を、InGaNの伝導帯端ポテンシャルのIn組成依存性とAlNの伝導帯端ポテンシャルとからベガード則を基にして求めると、GaNバッファ層とInAlGa1−v−wNチャネル層においては、vおよびwが0<v<0.30、0<w<0.32である。In組成vについては0.30以上にすることも結晶成長上は可能であるが、相分離が生じやすくなるため実質0.30以上の組成を使用することは難しい。このIn組成の極限値から自動的にAl組成の上限が定まり、Al組成が0.32を越えるとInAlGa1−v−wNチャネル層の伝導帯端がGaNバッファ層のそれを上回ってしまう。 Then, when the composition satisfying the condition of “channel layer <buffer layer <barrier layer” is obtained from the In composition dependence of the conduction band edge potential of InGaN and the conduction band edge potential of AlN based on the Vegard law, In the GaN buffer layer and the In v Al w Ga 1- vw N channel layer, v and w are 0 <v <0.30 and 0 <w <0.32. Although the In composition v can be 0.30 or more in terms of crystal growth, it is difficult to use a composition of substantially 0.30 or more because phase separation tends to occur. The upper limit of the Al composition is automatically determined from the limit value of the In composition. When the Al composition exceeds 0.32, the conduction band edge of the In v Al w Ga 1-vw N channel layer is that of the GaN buffer layer. It will exceed.

次に、GaNバッファ層とInAlGa1−x−yNバリア層についてみると、yが0.49<y≦1の時に伝導帯端のポテンシャルの条件を満たし、かつ、Al組成yが0.3未満のAlGaNよりも効果的に二次元電子ガスを発生させることが可能となる。特に好適な組成は、xおよびyの関係がx+y=1であり、かつ0≦x≦0.18である。このとき、バリア層内の自発分極はAlGaNよりも大きくなり、AlNに近い状態となるため、より効果的に二次元電子ガスを発生させることが可能となる。 Next, regarding the GaN buffer layer and the In x Al y Ga 1-xy N barrier layer, when y is 0.49 <y ≦ 1, the potential condition of the conduction band edge is satisfied, and the Al composition y It is possible to generate a two-dimensional electron gas more effectively than AlGaN having a ratio of less than 0.3. A particularly preferred composition is such that the relationship between x and y is x + y = 1 and 0 ≦ x ≦ 0.18. At this time, the spontaneous polarization in the barrier layer becomes larger than that of AlGaN and is close to AlN, so that a two-dimensional electron gas can be generated more effectively.

本発明の効果は、窒化物系化合物半導体を成長できるどの基板(例えば、GaN、サファイア、SiC、Si、ZnOなど)を用いても発揮されるものであるが、特にコストを抑えつつ、高耐圧・高出力であるHEMTを製造するためには、基板として安価に入手が可能なSi(111)基板と組み合わせるのが良い(例えば、前記非特許文献2参照)。基板とバッファ層との間には、一般に核生成層などを挿入するが、この部分については良好なバッファ層が形成できるのであれば任意の構造を用いても本発明の効果を減じるものではない。   The effect of the present invention can be exhibited by using any substrate (for example, GaN, sapphire, SiC, Si, ZnO, etc.) on which a nitride compound semiconductor can be grown. In order to manufacture a HEMT having a high output, it is preferable to combine with a Si (111) substrate that can be obtained at a low cost as a substrate (for example, see Non-Patent Document 2). In general, a nucleation layer or the like is inserted between the substrate and the buffer layer. However, as long as a good buffer layer can be formed in this portion, the effect of the present invention is not reduced even if an arbitrary structure is used. .

また結晶成長の手法として、一般には窒化物系化合物半導体の成長はV族原料の窒素原子の供給に優れる有機金属気相成長法(MOCVD)が用いられているが、本発明の構造が実現できる成長法であれば、ハロゲン化気相成長法(HVPE)や、分子線エピタキシ法(MBE)、ガスソースMBEなど、どの方法も用いることが可能である。   As a method for crystal growth, generally, a metal-organic chemical vapor deposition method (MOCVD) that is excellent in supplying nitrogen atoms of a group V material is used for the growth of a nitride-based compound semiconductor, but the structure of the present invention can be realized. As a growth method, any method such as halogenated vapor phase epitaxy (HVPE), molecular beam epitaxy (MBE), gas source MBE, or the like can be used.

[実施の形態例1]
発明の第1の実施の形態例として、図2に示したように、基本となる素子構造としてSiC基板1上のGaNバッファ層/In0.25Al0.05Ga0.70Nチャネル層/In0.10Al0.80Ga0.10Nバリア層を用いているが、本発明はこの構造に限定されることなく、請求項に記載された材料系において適用可能である。
[Embodiment 1]
As a first embodiment of the invention, as shown in FIG. 2, as a basic device structure, a GaN buffer layer / In 0.25 Al 0.05 Ga 0.70 N channel layer / Although an In 0.10 Al 0.80 Ga 0.10 N barrier layer is used, the present invention is not limited to this structure, and can be applied to the material system described in the claims.

SiC基板1を希釈したフッ酸溶液で洗浄し、清浄表面を得る。次に、MOCVD装置に洗浄済SiC基板1を装填し、水素雰囲気下で昇温してサーマルクリーニングを行う。クリーニング後、最初に基板1とバッファ層とのつなぎをよくするためにAlGaNバッファ層2’を結晶成長し、次にGaNバッファ層2を2μm成長する。次に、In0.25Al0.05Ga0.70Nチャネル層3を30nm成長した後、In0.10Al0.80Ga0.10Nバリア層4を25nm成長する。通常、In組成0.25のInGaN層を成長しようとすると、相分離を起こしやすく、表面が荒れやすいために良好なヘテロ界面が得られないが、本実施の形態例の構造においては急峻なヘテロ界面を得ることができる。 The SiC substrate 1 is washed with a diluted hydrofluoric acid solution to obtain a clean surface. Next, the cleaned SiC substrate 1 is loaded into the MOCVD apparatus, and the temperature is raised in a hydrogen atmosphere to perform thermal cleaning. After cleaning, first, an AlGaN buffer layer 2 ′ is crystal-grown to improve the connection between the substrate 1 and the buffer layer, and then the GaN buffer layer 2 is grown by 2 μm. Next, after growing the In 0.25 Al 0.05 Ga 0.70 N channel layer 3 by 30 nm, the In 0.10 Al 0.80 Ga 0.10 N barrier layer 4 is grown by 25 nm. Usually, when an InGaN layer having an In composition of 0.25 is intended to be grown, phase separation is likely to occur and the surface is likely to be rough, so that a good heterointerface cannot be obtained. However, in the structure of this embodiment, a steep heterogeneity is obtained. An interface can be obtained.

本実施の形態例における結晶について通常のホール測定により測定した結果、移動度が900cm/v・s以上とGaNチャネルと同等の移動度であり高品質の結晶が得られたことがわかった。 As a result of measuring the crystal in this embodiment by ordinary hole measurement, it was found that the mobility was 900 cm 2 / v · s or more, which was the same mobility as the GaN channel, and a high quality crystal was obtained.

[実施の形態例2]
発明の第2の実施の形態例として、図3に示したように、基本となる素子構造としてSi(111)基板1上のGaNバッファ層/In0.15Al0.02Ga0.83Nチャネル層/In0.17Al0.83Nバリア層を用いているが、本発明はこの構造に限定されることなく、請求項に記載された材料系において適用可能である。
[Embodiment 2]
As a second embodiment of the invention, as shown in FIG. 3, a GaN buffer layer / In 0.15 Al 0.02 Ga 0.83 N on the Si (111) substrate 1 is used as a basic element structure. Although a channel layer / In 0.17 Al 0.83 N barrier layer is used, the present invention is not limited to this structure, and can be applied in the material system described in the claims.

Si(111)基板1をRCA法もしくはフッ酸溶液で洗浄し、清浄表面を得る。次に、MOCVD装置に洗浄済シリコン基板を装填し、水素雰囲気下で昇温してサーマルクリーニングを行う。クリーニング後、最初にAlNバッファ層2”を結晶成長し、次にAlGaNバッファ層2’をシリコン基板に近い方から順にAl組成を減らしていきながら成長し、次に成長するGaNバッファ層2とのつながりを良くする。次にGaNバッファ層2を1μm成長する。次に、In0.15Al0.02Ga0.83Nチャネル層3を10nm成長した後、In0.17Al0.83Nバリア層4を30nm成長する。このとき、チャネル層をGaNで構成したときにシートキャリア密度は1.3×1013cm−2程度であったのが、それをIn0.15Al0.02Ga0.83Nチャネル層とすることで2.1×1013cm−2まで向上した。このとき、通常のホール測定により測定した結果、移動度が900cm/v・s以上とGaNチャネルと同等の移動度であり高品質の結晶が得られたことがわかった。 The Si (111) substrate 1 is washed with the RCA method or a hydrofluoric acid solution to obtain a clean surface. Next, the cleaned silicon substrate is loaded into the MOCVD apparatus, and the temperature is raised in a hydrogen atmosphere to perform thermal cleaning. After the cleaning, the AlN buffer layer 2 ″ is first crystal-grown, and then the AlGaN buffer layer 2 ′ is grown while decreasing the Al composition sequentially from the side closer to the silicon substrate, and then the grown GaN buffer layer 2 Next, the GaN buffer layer 2 is grown by 1 μm, and the In 0.15 Al 0.02 Ga 0.83 N channel layer 3 is grown by 10 nm, and then In 0.17 Al 0.83 N The barrier layer 4 is grown to 30 nm, and when the channel layer is made of GaN, the sheet carrier density was about 1.3 × 10 13 cm −2 , but this was changed to In 0.15 Al 0.02. The Ga 0.83 N channel layer was improved to 2.1 × 10 13 cm −2 , and the mobility was 900 cm 2 / v as a result of measurement by normal hole measurement. It was found that high-quality crystals were obtained with mobility equal to or greater than that of GaN channels.

このように、InGaN系HEMTのチャネル層に好適な材料としてInAlGaN、またそれと組み合わせるのに好適なバリア層材料としてチャネル層と組成が異なるInAlGaN、特にInAlNによって構成されたHEMT構造とすることにより、HEMT構造にInGaN系材料をチャネル層に利用できるようになり、HEMTのシートキャリア密度を高める事が可能となる。   Thus, by adopting a HEMT structure composed of InAlGaN as a material suitable for the channel layer of InGaN-based HEMT and InAlGaN having a composition different from that of the channel layer as a suitable barrier layer material to be combined therewith, in particular, an InAlN structure. An InGaN-based material can be used for the channel layer in the structure, and the HEMT sheet carrier density can be increased.

本発明を適用したHEMT構造を説明する図である。It is a figure explaining the HEMT structure to which this invention is applied. SiC基板上に本発明を適用したHEMT構造を作製する例を説明する図である。It is a figure explaining the example which produces the HEMT structure to which this invention is applied on a SiC substrate. Si(111)基板上に本発明を適用したHEMT構造を作製する例を説明する図である。It is a figure explaining the example which produces the HEMT structure to which this invention is applied on Si (111) board | substrate.

符号の説明Explanation of symbols

1:基板、2、2’、2”:バッファ層、3:チャネル層、4:バリア層。   1: substrate, 2, 2 ', 2 ": buffer layer, 3: channel layer, 4: barrier layer.

Claims (11)

InとAlとGaとNを含む第一の層と、AlとNを含む第二の層とを有し、
前記第二の層の伝導帯端のポテンシャルが前記第一の層の伝導帯端のポテンシャルより高いことを特徴とする半導体結晶。
A first layer containing In, Al, Ga and N, and a second layer containing Al and N;
A semiconductor crystal, wherein the potential of the conduction band edge of the second layer is higher than the potential of the conduction band edge of the first layer.
基板上にバッファ層を有し、前記バッファ層上にチャネル層を有し、前記チャネル層上にバリア層を有する半導体結晶であって、
前記バッファ層がGaとNを含み、
前記チャネル層がInとAlとGaとNを含み、
前記バリア層がAlとNを含み、
前記バッファ層の伝導帯端のポテンシャルが前記チャネル層の伝導帯端のポテンシャルより高く、かつ、前記バリア層の伝導帯端のポテンシャルより低いことを特徴とする半導体結晶。
A semiconductor crystal having a buffer layer on a substrate, a channel layer on the buffer layer, and a barrier layer on the channel layer;
The buffer layer includes Ga and N;
The channel layer includes In, Al, Ga, and N;
The barrier layer comprises Al and N;
A semiconductor crystal, wherein a potential of a conduction band edge of the buffer layer is higher than a potential of a conduction band edge of the channel layer and lower than a potential of a conduction band edge of the barrier layer.
前記第一の層または前記チャネル層において、Alの添加によりIn取り込みが増加していることを特徴とする請求項1または2記載の半導体結晶。   3. The semiconductor crystal according to claim 1, wherein in the first layer or the channel layer, In incorporation is increased by addition of Al. 前記バッファ層がInAlGa1−a−bN(0≦a、0≦b、a+b<1)であって、
前記チャネル層がInAlGa1−v−wN(0<v、0<w、v+w<1)であって、
前記バリア層がInAlGa1−x−yN(0≦x、0<y、x+y≦1)であることを特徴とする請求項2または3記載の半導体結晶。
The buffer layer is In a Al b Ga 1-ab N (0 ≦ a, 0 ≦ b, a + b <1),
The channel layer is In v Al w Ga 1-vw N (0 <v, 0 <w, v + w <1),
4. The semiconductor crystal according to claim 2, wherein the barrier layer is In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x, 0 <y, x + y ≦ 1).
請求項4記載の半導体結晶において、前記InAlGa1−a−bNにおけるaおよびbが、0<a≦0.05および0<b≦0.05を満足することを特徴とする半導体結晶。 5. The semiconductor crystal according to claim 4, wherein a and b in the In a Al b Ga 1-ab N satisfy 0 <a ≦ 0.05 and 0 <b ≦ 0.05. Semiconductor crystal. 請求項4記載の半導体結晶において、前記バッファ層がGaNであることを特徴とする半導体結晶。   5. The semiconductor crystal according to claim 4, wherein the buffer layer is GaN. 請求項4、5または6記載の半導体結晶において、前記InAlGa1−v−wNにおけるvおよびwが、0<v<0.30および0<w<0.32を満足することを特徴とする半導体結晶。 7. The semiconductor crystal according to claim 4, wherein v and w in the In v Al w Ga 1-vw N satisfy 0 <v <0.30 and 0 <w <0.32. A semiconductor crystal characterized by 請求項4、5、6または7記載の半導体結晶において、前記InAlGa1−x−yNにおけるyが0.49<y≦1を満足することを特徴とする半導体結晶。 8. The semiconductor crystal according to claim 4, wherein y in the In x Al y Ga 1-xy N satisfies 0.49 <y ≦ 1. 請求項4ないし8いずれかに記載の半導体結晶において、前記InAlGa1−x−yNにおけるxおよびyが、x+y=1および0≦x≦0.18を満足することを特徴とする半導体結晶。 9. The semiconductor crystal according to claim 4, wherein x and y in the In x Al y Ga 1-xy N satisfy x + y = 1 and 0 ≦ x ≦ 0.18. Semiconductor crystal. 請求項2ないし9いずれかに記載の半導体結晶において、前記基板がシリコン基板であり、その面方位が(111)およびそれと等価な面方位であることを特徴とする半導体結晶。   10. The semiconductor crystal according to claim 2, wherein the substrate is a silicon substrate, and the plane orientation is (111) and a plane orientation equivalent thereto. 請求項1ないし10いずれかに記載の半導体結晶を有する半導体装置。   A semiconductor device comprising the semiconductor crystal according to claim 1.
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