JP2010182872A - 半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法、並びに電界効果トランジスタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】化合物半導体を結晶成長させるための基板(1)と、基板(1)上に形成されるバッファ層(2)と、バッファ層(2)上に位置する第1の窒化物半導体層(3)と、第1の窒化物半導体層(3)上に位置する第2の窒化物半導体層(5)と、第2の窒化物半導体層(5)上に位置し第2の窒化物半導体層(5)よりも電子親和力の小さい第3の窒化物半導体層(6)とを備えた半導体エピタキシャルウェハにおいて、第1の窒化物半導体層(3)にはFeがドープされ、第1の窒化物半導体層(3)と第2の窒化物半導体層(5)との間には、第1の窒化物半導体層(3)及び第2の窒化物半導体層(5)よりも電子親和力の小さい窒化物半導体挿入層(4)が設けられている。
【選択図】図1
Description
導体は、III族元素の組成比を制御することにより、紫外域から可視域の大部分の領域を
カバーする革新的な高効率発光デバイスの材料として開発が進められ、実用化されている。
また、窒化物半導体は、高い飽和電子速度と高い絶縁破壊耐圧を有する為、将来的には高周波領域で桁違いの高効率・高出力を実現する夢の電子デバイス用材料としての応用も期待されている。
このリーク電流を防ぐための技術としては、結晶成長中に意図的に鉄を、窒化ガリウムを主成分とした電子親和力の大きい能動層にドープさせて、ここを無理やり高抵抗化させるという技術が公知になっている(例えば、特許文献1、非特許文献1参照)。
すなわち、鉄はCp2Feという有機金属を使ってドープするが、このCp2Feはメモリー効果が強いという特徴がある。例えば、格子不整合が生じている基板と窒化物半導体層の界面付近のみに鉄をドーピングしても、通常の成長方法では、原料を供給する配管
内にCp2Feが残留し、残留したCp2Feが徐々にリアクタ内に流れ込み、意図しない層にまで鉄が混入する現象が起こる。
第一の方法は、Cp2Feを供給して鉄ドープGaN層を形成した後、アンドープGaN層を非常に厚く形成することである。アンドープGaN層を厚く、例えば1.5μm程
度形成してCp2Feのメモリー効果が収束したところで、HEMTの能動層領域を形成すると、良好なデバイス特性が得られる。図4の構造はこの典型例である。ただし、この方法の欠点は、ガリウムを大幅に消費するため原料コストが極めて高くなることであって、工業的な観点からみると実用化は現実的ではない。
このように、第二の方法は致命的な欠陥を有し、上記二つの方法以外によい方法がないことから、製造コスト上問題がある第一の方法を選択しているのが実情である。
前記第1の窒化物半導体層にはFeがドープされ、前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層との間には、前記第1の窒化物半導体層及び前記第2の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい窒化物半導体挿入層(例えば、窒化アルミニウム層或いは窒化アルミニウムガリウム層)が設けられている。
μm以上0.5μm以下の能動層であることが好ましい。
また、第3の窒化物半導体層は、例えば、HEMTの電子供給層などに用いられる層であり、その厚さは10nm以上100nm以下、より好ましくは20nm以上50nm以下とするのがよい。
基板上に形成されるバッファ層から第3の窒化物半導体層までのエピタキシャル層の厚さは、1.5μm以下が好ましく、1.0μm以下とするのがより好ましい。
.3以上、好ましくは0.5以上とするのがよい。
すなわち、まず基板上にバッファ層を形成し、このバッファ層上に、Cp2Feの供給により鉄をドーピングした窒化ガリウムの第1の窒化物半導体層を成長する。この窒化ガリウム層の成長後、Cp2Feの供給は直ちに停止させる。さらに、この鉄をドーピングした窒化ガリウムの第1の窒化物半導体層の直上に、30nm程度と比較的薄めの窒化アルミニウムの窒化物半導体挿入層(界面保護層)を形成する。ここで基板温度を一定に保った状態で約30分程度、Cp2Feのメモリー効果の影響を低減するために一旦原料の供給を停止し、配管を大流量のキャリアガスでパージする。その後、成長を再開し、約0.5ミクロン程度の高純度窒化ガリウムの第2の窒化物半導体層(HEMTの能動層とな
る)を形成した上で、第2の窒化物半導体層に2次元電子ガスを供給する目的で数十nmという薄層の窒化アルミニウムガリウムからなる第3の窒化物半導体層を形成する。
でき、高純度の窒化ガリウム能動層を得るためのガリウム原料の使用量を低減でき、低コストでCp2Feのメモリー効果の影響を抑止した半導体エピタキシャルウェハを作製することができる。
電界効果トランジスタは、上記半導体エピタキシャルウェハを用いて、例えば、前記第3の窒化物半導体層上に(或いは更に第4の窒化物半導体層を形成した上に)、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を形成し、チップ化するなどして作製することができる。
図1に示すように、半導体エピタキシャルウェハは、化合物半導体を結晶成長させるためのSiC(炭化ケイ素)基板1上に、アンドープAlN核生成層(バッファ層)2と、鉄濃度がCp2Fe利用手法によって5×1017cm−3以上に制御されたGaN層(第1の窒化物半導体層)3と、AlN挿入層(窒化物半導体挿入層)4と、鉄濃度が5×1016cm−3未満に制御された高純度のGaN能動層(第2の窒化物半導体層)5と、GaN能動層5に二次元電子ガスを供給するための、GaN能動層5よりも電子親和力の小さいAlGaN供給層(第3の窒化物半導体層)6とが順番に形成されている。
結晶成長には、MOVPE法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy、有機金属気相成
長法)、HVPE法(ハイドライド気相成長法)等が用いられる。
図3に示すように、この実施形態の電界効果トランジスタでは、AlGaN供給層6の上には、Ni/Au金属薄膜からなるゲート電極7が形成され、またTi/Al金属薄膜からなるソース電極8とドレイン電極9が形成されている。ゲート電極7とソース電極8の間の表面、およびゲート電極7とドレイン電極9の間の表面は、窒化ケイ素薄膜からなる保護層10で覆われている。ゲート電極7は、AlGaN供給層6をエッチングし、GaN能動層5に直接、又は再成長層を介して形成してもよい。
このうち、AlGaN供給層6に加わった歪応力から生ずるピエゾ電界の影響により、鉄濃度が5×1016cm−3未満に制御された高純度のGaN能動層5には二次元電子ガスが蓄積され、ここが能動層として機能する。
まず、SiC基板1上に、例えばMOVPE装置により、原料としてアンモニアガスとTMA(Tri Methyl Aluminum)を用いて膜厚150nmのアンドープAlN核生成層2
を形成する。次いで、アンドープAlN核生成層2上に、同一のMOVPE装置を引き続き使用し、また原料としてアンモニアガスとTMG(Tri Methyl Gallium)さらにはドーピングガスとしてCp2Feを用いて、例えば膜厚500nmの鉄濃度が5×1017cm−3以上に制御されたGaN層3を形成することができる。次に、GaN層3の上に、引き続いて同一のMOVPE装置を使用し、また原料としてアンモニアガスとTMAを用いて、厚さ30nmのアンドープAlN挿入層4を形成する。
その後、前記GaN層3を形成する際に使用したCp2Feのメモリー効果の影響を抑制するという目的で、基板温度を一定に保った状態で約30分程度、一旦原料の供給を停止し、配管を大流量のキャリアガスである水素ガスでパージする。
その後、引き続いて同一のMOVPE装置を使用し、また原料としてアンモニアガスとTMGを用いて高純度のGaN能動層5を例えば300nm程度の厚さで形成する。そして最後に、アンモニアガスとTMA、およびTMGを用いて、例えば膜厚40nmのAlGaN供給層6を形成する。
アンドープAlN挿入層4の成長時には、残留したCp2FeがMOVPE装置のリアクタ内に流れ込むが、アンドープAlN挿入層4にFeは取り込まれ捕捉されて、他の層へはほとんど拡散されない。
また、窒化物半導体エピタキシャル層は全体で1μm程度という薄膜であるにもかかわらず、GaN能動層の表面側のFe濃度を5×1016cm−3以下の低Fe濃度に抑えることができた。この1μmというエピタキシャル層の厚さは、図4で示される従来構造のエピタキシャル層の厚さの約半分であり、このことから本実施形態の半導体エピタキシ
ャルウェハでは、製造に必要な主にガリウムの原料コストを約50%削減できるという大幅な経済的効果が得られ、量産化に好適である。
2 バッファ層(アンドープAlN核生成層)
3 第1の窒化物半導体層(FeドープGaN層)
4 窒化物半導体挿入層(AlN挿入層)
5 第2の窒化物半導体層(GaN能動層)
6 第3の窒化物半導体層(AlGaN供給層)
7 ゲート電極
8 ソース電極
9 ドレイン電極
10 保護層
Claims (8)
- 化合物半導体を結晶成長させるための基板と、前記基板上に形成されるバッファ層と、前記バッファ層上に位置する第1の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層上に位置する第2の窒化物半導体層と、前記第2の窒化物半導体層上に位置し第2の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい第3の窒化物半導体層とを備えた半導体エピタキシャルウェハにおいて、
前記第1の窒化物半導体層にはFeがドープされ、前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層との間には、前記第1の窒化物半導体層及び前記第2の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい窒化物半導体挿入層が設けられていることを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ。 - 前記窒化物半導体挿入層は、窒化アルミニウム又は窒化アルミニウムガリウムであることを特徴とする請求項1に記載の半導体エピタキシャルウェハ。
- 前記第1の窒化物半導体層は、Fe濃度が5×1017cm−3以上であり、前記第2の窒化物半導体層は、Fe濃度が5×1016cm−3未満、厚さ0.2μm以上0.5μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体エピタキシャルウェハ。
- 前記基板が、炭化ケイ素であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半導体エピタキシャルウェハ。
- 前記窒化物半導体挿入層の厚さが、5nm以上100nm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の半導体エピタキシャルウェハ。
- 前記第2の窒化物半導体層は、窒化ガリウムであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の半導体エピタキシャルウェハ。
- 請求項1〜6いずれかに記載の半導体エピタキシャルウェハを用い、前記第3の窒化物半導体層にソース電極およびドレイン電極を形成し、前記第2の窒化物半導体層又は前記第3の窒化物半導体層にゲート電極を形成して作製されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
- リアクタ内に化合物半導体を結晶成長させるための基板を設置し、前記基板上に、バッファ層と、第1の窒化物半導体層と、第2の窒化物半導体層と、第3の窒化物半導体層とを形成して半導体エピタキシャルウェハを製造する半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、
前記第1の窒化物半導体層の成長時には、Feドーパント原料を前記リアクタ内に供給して前記第1の窒化物半導体層にFeをドープし、前記第1の窒化物半導体層の成長終了後はFeドーパント原料の供給を停止し、前記第1の窒化物半導体層及び前記第2の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい窒化物半導体挿入層を形成した後、Feドーパント原料の供給系のパージを実施し、その後、前記第2の窒化物半導体層と前記第3の窒化物半導体層を形成するようにしたことを特徴とする半導体エピタキシャルウェハの製造方法。
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