JP2014236080A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 シリコン系基板と、前記シリコン系基板上に設けられ、Al組成を含む第一の層と、前記第一の層よりAlの含有が少ない第二の層とが交互に積層された第一のバッファ層と、前記第一のバッファ層上に設けられ、Al組成を含む第三の層と、前記第三の層よりAlの含有が少ない第四の層とが交互に積層された第二のバッファ層と、前記第二のバッファ層上に設けられ、Al組成を含む第五の層と、前記第五の層よりAlの含有が少ない第六の層とが交互に積層された第三のバッファ層とを有し、全体として、前記第二のバッファ層が、前記第一バッファ層及び前記第三バッファ層よりAlの含有が多いことを特徴とする半導体装置。
【選択図】 図1
Description
図4において、バッファ層3は、シリコン基板2と能動層4との間に設けられており、バッファ層3は、第一の多層構造バッファ領域5と、第一の多層構造バッファ領域5の上に設けられたGaNからなる第二の単層構造バッファ領域8と、第二の単層構造バッファ領域8の上に設けられた第二の多層構造バッファ領域5’を有している。
さらに、第一の多層構造バッファ領域5及び第二の多層構造バッファ領域5’は、サブ多層構造バッファ領域6と、GaNからなり第二の単層構造バッファ領域8より薄い第一の単層構造バッファ領域7とが繰り返し積層された多層構造を有している。
また、サブ多層構造バッファ領域6は、AlNからなる第一の層と、GaNからなる第二の層とが繰り返し積層された多層構造を有している。
すなわち、バッファ層を一定の厚さのAlN/GaNが繰り返された多層バッファで構成し、多層バッファ層のGaN層を厚くした場合、バッファ層や能動層にクラックが生じたり、基板との熱膨張係数差で反りを調整できないという問題がある。
逆にバッファ層を構成するGaN層を薄くした場合に、バッファ層内のリーク電流が増加するという問題がある。
また、バッファ層をAlN/GaNの超格子構造とした場合も、バッファ層のトータル膜厚を厚くすると同様に反りの問題がある。
さらに、厚いGaNからなる単層構造バッファ領域8を挿入することで、バッファ層を厚く形成すると、膜形成装置内でバッファ層と基板との熱膨張係数差で反ってしまい、膜形成装置内から基板を取り出した時の基板と基板上の層の応力の調整が不十分で、反りやクラックが生じる場合がある。
また、バッファ層の中央部の層(第二のバッファ層)をAl組成を含む層(第三の層)を含む多層構造にし、バッファ層全体のアルミ組成を高めることでリーク電流を低減させることができる。
また、バッファ層の中央部の層(第二のバッファ層)をAl組成を含む層(第三の層)を含む多層構造にすることで、バッファ層上面の平坦性を改善することができ、それによって能動層上面の平坦性を改善することができる。
バッファ層を構成する第二のサブ層、第二の層、第四の層、第四のサブ層、及び、第六の層として、上記のような材料を好適に用いることができる。
バッファ層を構成する第一のサブ層、第三の層、及び、第三のサブ層として、上記のような材料を好適に用いることができる。
このように、バッファ層の中央部の層において、互いに隣接する第三の層と第四の層のAl組成比の差を、能動層に近いほど小さくすることで、下側では応力緩和効果を大きくし、上側では応力緩和効果よりも結晶性を良好にする効果を大きくすることができる。
このように、バッファ層の中央部の層において、互いに隣接する第三の層と第四の層のAl組成比の差を、中央部で小さくすることで、下側および上側では応力緩和効果を大きくし、中央部では応力緩和効果よりも結晶性を良好にする効果を大きくすることができる。
前述のように、従来のバッファ層においては、バッファ層の中央部側に、厚いGaNからなる単層バッファ領域を挿入しているため、バッファ層の上面に凹凸が生じることで、能動層の上面に凹凸が転写され、能動層の上面の平坦性に問題が生じて、半導体装置の電気的特性にバラつきや特性の悪化の問題がある。
さらに、バッファ層の中央部側に、厚いGaNからなる単層構造バッファ領域を挿入することで、バッファ層が厚くなると、膜形成装置内でバッファ層と基板との熱膨張係数差で反ってしまい、膜形成装置内から基板を取り出した時の基板と基板上の層の応力の調整が不十分で、反りやクラックが生じる場合がある。
その結果、バッファ層の中央部の層(第二のバッファ層)がバッファ層の上部の層(第三のバッファ層)及びバッファ層の下部の層(第一のバッファ層)よりAl含有が多く、バッファ層の中央部の層(第二のバッファ層)をAl組成を含む層(第三の層)を含む多層構造にすることで、バッファ層にかかる応力を小さくできるとともに、リーク電流を低減させることができ、さらに能動層上面の平坦性を改善することができることを見出し、本発明をなすに至った。
図1に示す本発明の半導体装置11は、シリコン系基板12と、シリコン系基板12上に設けられたバッファ層13と、バッファ層13上に設けられた能動層14と、能動層14上に設けられた第一電極24、第二電極26、及び、制御電極28を有している。
ここで、シリコン系基板12は、例えば、SiまたはSiCからなる基板である。
第一のバッファ層15は、Al組成を含む第一の層16と第一の層16よりAl含有が少ない第二の層17とが交互に積層されたものである。
第二のバッファ層20は、Al組成を含む第三の層18aと第三の層18aよりAl含有が少ない第四の層18bとが交互に積層されたものである。
第三のバッファ層15aは、Al組成を含む第五の層16aと第五の層16aよりAl含有が少ない第六の層17aとが交互に積層されたものである。
第一の電極24及び第二の電極26は、第一の電極24から、チャネル層141内に形成された二次元電子ガス22を介して、第二の電極26に電流が流れるように配置されている。
第一の電極24と第二の電極26との間に流れる電流は、制御電極28に印可される電位によってコントロールすることができる。
これにより、バッファ層13の中央部で格子緩和(ミスフィット転移)が大きく生じて、バッファ層13にかかる応力を小さくできる。
また、前記第5の層16aは、図3に拡大図を示すように、Al組成を含む第三のサブ層16a’と、前記第三のサブ層よりAlの含有が少ない第四のサブ層16a”とが繰り返し形成されたものとすることができる。
第二のサブ層16”及び第四のサブ層16a”は、臨界膜厚(これ以上の膜厚であれば確実にミスフィット転移を生じさせることができる)未満の厚さを有するものとすることができる。
第二の層17は、第一のサブ層16’よりAlの含有が少なく、第二のサブ層16”より厚いものとすることができる。
第六の層17aは、第四のサブ層16a”よりAlの含有が少なく、第四のサブ層16”より厚いものとすることができる。
第四の層18bは、第二のサブ層16”及び第四のサブ層16a”より厚く、第二の層17及び第六の層17aより薄く、臨界膜厚以上の厚さを有するものとすることができる。
第二の層17及び第六の層17aは、第四の層18bより厚いため、層の下部で生じたミスフィット転移が層の途中で止る可能性が高くなるので、第四の層18bは第二の層17及び前記第六の層17aよりミスフィット転移が多くなる。
また、第四の層18bは、5nm〜50nmであることがより好ましい。この範囲であれば、より確実にミスフィット転移を生じさせることができる。
第一のサブ層16’、第三の層18a、及び、第三のサブ層16a’は、例えばAlNである。
このように、バッファ層の中央部の層において、互いに隣接する第三の層18aと第四の層18bのAl組成比の差を、第三のバッファ層15aに近いほど、すなわち、能動層14に近いほど小さくすることで、下側では応力緩和効果を大きくし、上側では応力緩和効果よりも結晶性を良好にする効果を大きくすることができる。
このように、バッファ層の中央部の層において、互いに隣接する第三の層18aと第四の層18bのAl組成比の差を、中央部で小さくすることで、下側および上側では応力緩和効果を大きくし、中央部では応力緩和効果よりも結晶性を良好にする効果を大きくすることができる。
まず、シリコン系基板12上に、バッファ層13を構成する第一のバッファ層15を形成する。
具体的には、MOVPE(有機金属気相成長)法によって、AlNからなる第一のサブ層16’とGaNからなる第二のサブ層16”とを交互に成長させて形成した第一の層16と、GaNからなる第二の層17とを交互に成長させて、第一のバッファ層15を形成する。
第一のサブ層16’の膜厚は例えば、3〜7nmであり、第二のサブ層16”の膜厚は例えば、2〜5nmであり、第二の層17の膜厚は例えば、100〜500nm、好ましくは、100〜300nmである。
繰り返し形成される第一の層16及び第二の層17の数は、例えば、4〜7とすることができ、繰り返し形成される第一のサブ層16’及び第二のサブ層16”の数は、例えば、1〜15とすることができる。
具体的には、MOVPE法によって、AlNからなる第三の層18aとGaNからなる第四の層18bとを交互に成長させて、第二のバッファ層20を形成する。
第三の層18aの膜厚は例えば、3〜7nmであり、第四層18bの膜厚は例えば、3.5〜200nmである。
繰り返し形成される第三の層18a及び第四の層18bの数は、例えば、10〜100とすることができる。
具体的には、MOVPE法によって、AlNからなる第三のサブ層16a’とGaNからなる第四のサブ層16a”とを交互に成長させて形成した第五の層16aと、GaNからなる第六の層17aとを交互に成長させて、第三のバッファ層15aを形成する。
第三のサブ層16a’の膜厚は例えば、3〜7nmであり、第四のサブ層16a”の膜厚は例えば、2〜5nmであり、第六の層17aの膜厚は例えば、100〜500nm、好ましくは、100〜300nmである。
繰り返し形成される第五の層16a及び第六の層17aの数は、例えば、4〜7とすることができ、繰り返し形成される第三のサブ層16a’及び第四のサブ層16a”の数は、例えば、1〜15とすることができる。
なお、第三のサブ層16a’及び第四のサブ層16a”の数を、第一のサブ層16’及び第二のサブ層16”の数より少なくするほうが、結晶性を良好にすることができる。
具体的には、バッファ層13上に、MOVPE法によって、GaNからなるチャネル層141、AlGaNからなるバリア層142を順次成長させる。チャネル層141の膜厚は例えば、1000〜4000nmであり、バリア層142の膜厚は例えば、10〜50nmである。
第一電極24及び第二電極26は例えば、Ti/Alの積層膜で形成することができ、制御電極28は例えば、SiO、SiN等の金属酸化物からなる下層膜と、Ni、Au、Mo、Pt等の金属からなる上層膜の積層膜で形成することができる。
上述した製造方法により、図1に示した半導体装置を得ることができる。
上述した製造方法で、図1に示すような半導体装置を作製した。第一の層16は図2に示すような積層構造とし、第五の層16aは図3に示すような積層構造とした。
なお、第一のサブ層16’、第三の層18a、及び、第三のサブ層16a’は、AlNとし、第二のサブ層16”、第二の層17、第四の層18b、及び、第四のサブ層16a”は、GaNとした。
実施例1と同様にして、半導体装置を作製した。ただし、第二のバッファ層20はGaNからなる単層構造とした。
41…チャネル層、 42…バリア層、 5…第一の多層構造バッファ領域、
5’…第二の多層構造バッファ領域、 6…サブ多層構造バッファ領域、
7…第一の単層構造バッファ領域、 8…第二の単層構造バッファ領域、
11…半導体装置、 12…シリコン系基板、 13…バッファ層、
14…能動層、 141…チャネル層、 142…バリア層、
15…第一のバッファ層、 15a…第三のバッファ層、
16…第一の層、 16’…第一のサブ層、 16”…第二のサブ層、
16a…第五の層、 16a’…第三のサブ層、 16a”…第四のサブ層、
17…第二の層、 17a…第六の層、 18a…第三の層、 18b…第四の層、
20…第二のバッファ層、 22…二次元電子ガス、 24…第一電極、
26…第二電極、 28…制御電極。
また、バッファ層の中央部の層(第二のバッファ層)をAl組成を含む層(第三の層)を含む多層構造にし、バッファ層全体のアルミ組成を高めることでリーク電流を低減させることができる。
また、バッファ層の中央部の層(第二のバッファ層)をAl組成を含む層(第三の層)を含む多層構造にすることで、バッファ層上面の平坦性を改善することができ、それによって能動層上面の平坦性を改善することができる。
これにより、バッファ層13の中央部で格子緩和(ミスフィット転位)が大きく生じて、バッファ層13にかかる応力を小さくできる。
また、前記第5の層16aは、図3に拡大図を示すように、Al組成を含む第三のサブ層16a’と、前記第三のサブ層よりAlの含有が少ない第四のサブ層16a”とが繰り返し形成されたものとすることができる。
第二のサブ層16”及び第四のサブ層16a”は、臨界膜厚(これ以上の膜厚であれば確実にミスフィット転位を生じさせることができる)未満の厚さを有するものとすることができる。
第二の層17は、第一のサブ層16’よりAlの含有が少なく、第二のサブ層16”より厚いものとすることができる。
第六の層17aは、第四のサブ層16a”よりAlの含有が少なく、第四のサブ層16”より厚いものとすることができる。
第四の層18bは、第二のサブ層16”及び第四のサブ層16a”より厚く、第二の層17及び第六の層17aより薄く、臨界膜厚以上の厚さを有するものとすることができる。
第二の層17及び第六の層17aは、第四の層18bより厚いため、層の下部で生じたミスフィット転位が層の途中で止る可能性が高くなるので、第四の層18bは第二の層17及び前記第六の層17aよりミスフィット転位が多くなる。
また、第四の層18bは、5nm〜50nmであることがより好ましい。この範囲であれば、より確実にミスフィット転位を生じさせることができる。
Claims (6)
- シリコン系基板と、
前記シリコン系基板上に設けられ、Al組成を含む第一の層と、前記第一の層よりAlの含有が少ない第二の層とが交互に積層された第一のバッファ層と、
前記第一のバッファ層上に設けられ、Al組成を含む第三の層と、前記第三の層よりAlの含有が少ない第四の層とが交互に積層された第二のバッファ層と、
前記第二のバッファ層上に設けられ、Al組成を含む第五の層と、前記第五の層よりAlの含有が少ない第六の層とが交互に積層された第三のバッファ層とを有し、
全体として、前記第二のバッファ層が、前記第一バッファ層及び前記第三バッファ層よりAlの含有が多いことを特徴とする半導体装置。 - 前記第三のバッファ層上に設けられた能動層をさらに有し、
前記第一の層は、Al組成を含む第一のサブ層と、前記第一のサブ層よりAlの含有が少ない第二のサブ層とが繰り返し形成されたものであり、
前記第五の層は、Al組成を含む第三のサブ層と、前記第三のサブ層よりAlの含有が少ない第四のサブ層とが繰り返し形成されたものであり、
前記第二のサブ層及び前記第四のサブ層は、臨界膜厚未満の厚さを有するものであり、
前記第二の層は、前記第一のサブ層よりAlの含有が少なく、前記二のサブ層より厚いものであり、
前記第六の層は、前記第四のサブ層よりAlの含有が少なく、前記第四のサブ層より厚いものであり、
前記第四の層は、前記二のサブ層及び前記第四のサブ層より厚く、前記第二の層及び前記第六の層より薄く、前記臨界膜厚以上の厚さを有するものであり、
前記第四の層は、前記第二の層及び前記第六の層より転移が多いものであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第二のサブ層、前記第二の層、前記第四の層、前記第四のサブ層、及び、前記第六の層は、GaNからなることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記第一のサブ層、前記第三の層、及び、前記第三のサブ層は、AlNからなることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の半導体装置。
- 複数の前記第三の層のAlの含有が、前記第三のバッファ層に近いほど少なくなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。
- 前記第二のバッファ層を構成する複数の前記第三の層のうち、前記第二のバッファ層の中央部に配置された前記第三の層が、前記第二のバッファ層の上面側及び下面側に配置された前記第三の層と比較して、Alの含有が少ないことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。
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