JP2015115366A - Nitride semiconductor device and method for manufacturing the same, and diode and field effect transistor - Google Patents
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本発明は、電子供給層を有する窒化物半導体装置およびその製造方法、ならびにダイオードおよび電界効果トランジスタに関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device having an electron supply layer, a manufacturing method thereof, a diode, and a field effect transistor.
ワイドバンドギャップ半導体は、高い絶縁破壊耐圧、良好な電子輸送特性、良好な熱伝導度を持つので、高温環境用、大パワー用、あるいは高周波用半導体デバイスの材料として非常に魅力的である。代表的なワイドバンドギャップ半導体として、GaN、AlN、InN、BNまたはこれらのうち2以上の混晶である窒化物半導体がある。また、たとえばAlGaN/GaNヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)は、ピエゾ分極および自発分極によって、ヘテロ接合界面に2次元電子ガス(2 Dimensional Electron Gas:2DEG)が発生している。この2DEGは、高い電子移動度とキャリア密度を有している。そのため、このようなAlGaN/GaNヘテロ接合構造を用いたヘテロ接合FET(HFET)は、低いオン抵抗、および速いスイッチング速度を持ち、高温動作が可能であり、パワースイッチング応用に非常に好適である。 Wide band gap semiconductors are very attractive as materials for semiconductor devices for high temperature environments, high power, or high frequency because they have high breakdown voltage, good electron transport properties, and good thermal conductivity. Typical wide band gap semiconductors include GaN, AlN, InN, BN, or a nitride semiconductor that is a mixed crystal of two or more of these. Further, for example, a field effect transistor (FET) having an AlGaN / GaN heterojunction structure generates two-dimensional electron gas (2DEG) at the heterojunction interface due to piezo polarization and spontaneous polarization. Yes. This 2DEG has high electron mobility and carrier density. Therefore, a heterojunction FET (HFET) using such an AlGaN / GaN heterojunction structure has a low on-resistance and a high switching speed, can operate at a high temperature, and is very suitable for power switching applications.
また、ショットキーバリアダイオード(Schottky Barrier Diode:SBD)やヘテロ接合電界効果トランジスタ(Heterojunction Field Effect Transistor:HFET)に、AlN/GaN超格子バリア層を設けた構成を採用することによって、半導体装置のオン抵抗を低減させる方法が知られている。具体的に特許文献1および非特許文献1には、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法により形成したAlN/GaN擬似混晶をバリア層(電子供給層)に用いることにより、AlGaN混晶からなるバリア層に比してキャリア濃度およびキャリア移動度を増加した、窒化物半導体材料を用いたHEMTが記載されている。また、特許文献2には、ヘテロ構造を有する窒化物半導体装置において、チャネル層(電子走行層)を構成するGaN層とバリア層を構成するAlGaN層との間にAlNからなるスペーサ層を備えた構成が記載されている。
Further, by adopting a configuration in which an AlN / GaN superlattice barrier layer is provided in a Schottky Barrier Diode (SBD) or a heterojunction field effect transistor (HFET), the semiconductor device is turned on. Methods for reducing resistance are known. Specifically, in
さて、本発明者は、従来の半導体装置における特性の課題である、低オン抵抗化や素子面積の低減のために、バリア層(電子供給層)として超格子構造のAlN/GaN擬似混晶を採用した。従来、窒化物半導体装置においてはチャネルとして2DEGを利用しており、電子供給層にAlN/GaN擬似混晶を採用すると2DEG層における電子の移動度を増加させることができる。しかしながら、素子抵抗においてさらなる低減が求められていた。 The present inventor has developed a superlattice structure AlN / GaN pseudo-mixed crystal as a barrier layer (electron supply layer) in order to reduce the on-resistance and reduce the element area, which is a problem of characteristics in conventional semiconductor devices. Adopted. Conventionally, 2DEG is used as a channel in a nitride semiconductor device, and if an AlN / GaN pseudo mixed crystal is used for the electron supply layer, the mobility of electrons in the 2DEG layer can be increased. However, further reduction in element resistance has been demanded.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、電子走行層における2次元電子ガスにおいて高いキャリア密度を維持しつつ、電子の移動度を増加させて素子抵抗を低減することができる窒化物半導体装置およびその製造方法、ならびにダイオードおよび電界効果トランジスタを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to reduce element resistance by increasing electron mobility while maintaining high carrier density in a two-dimensional electron gas in an electron transit layer. It is an object of the present invention to provide a nitride semiconductor device and a manufacturing method thereof, and a diode and a field effect transistor.
上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体装置は、基体と、基体上に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、および第1半導体層の上層に設けられアルミニウムを含む窒化物半導体層を少なくとも1層積層した構造を有するとともに第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広く平均Al組成比Xの第2半導体層を有する半導体積層体と、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、第1電極と離間して設けられる第2電極と、を備え、第2半導体層が、平均Al組成比Xよりも高い極大Al組成比の窒化物半導体を含む第1窒化物半導体層と、平均Al組成比Xよりも低い極小Al組成比の窒化物半導体を含む第2窒化物半導体層とが交互に少なくとも1回積層されて構成され、第1窒化物半導体層の極大Al組成比が、平均Al組成比Xに対して、0.03以上0.3未満の範囲内で高いことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the above object, a nitride semiconductor device according to the present invention includes a base, a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the base, and the first semiconductor layer. A semiconductor laminated body having a structure in which at least one nitride semiconductor layer containing aluminum is provided on the upper layer and having a second semiconductor layer having an average band gap wider than that of the first semiconductor layer and an average Al composition ratio X; The first electrode provided on at least a part of the layers constituting the semiconductor laminate, and the first electrode separated on the at least a part of the layers constituting the semiconductor laminate A first electrode including a nitride semiconductor having a maximum Al composition ratio higher than the average Al composition ratio X; and an average Al composition ratio X; Very low Al The second nitride semiconductor layers including the nitride semiconductor having the composition ratio are alternately stacked at least once, and the maximum Al composition ratio of the first nitride semiconductor layer is 0 with respect to the average Al composition ratio X. 0.03 or more and less than 0.3.
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第2半導体層におけるAl組成比が、基体の主面から第2半導体層の表面に向かう積層方向に沿って、第1窒化物半導体層内において極大Al組成比の前後で順に増加減少し、第2窒化物半導体層内において極小Al組成比の前後で順に減少増加するように、連続的に増減していることを特徴とする。 The nitride semiconductor device according to the present invention is the first nitride semiconductor layer according to the above invention, wherein the Al composition ratio in the second semiconductor layer is along the stacking direction from the main surface of the base toward the surface of the second semiconductor layer. In the second nitride semiconductor layer, it is continuously increased and decreased so as to increase and decrease sequentially before and after the maximum Al composition ratio.
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第1窒化物半導体層の極大Al組成比が、0.2以上0.6未満であることを特徴とする。 The nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the maximum Al composition ratio of the first nitride semiconductor layer is 0.2 or more and less than 0.6.
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第2窒化物半導体層の極小Al組成比が、第2半導体層の平均Al組成比に対して、0.03以上0.2未満の範囲内で低いことを特徴とする。 In the nitride semiconductor device according to the present invention, in the above invention, the minimum Al composition ratio of the second nitride semiconductor layer is 0.03 or more and less than 0.2 with respect to the average Al composition ratio of the second semiconductor layer. It is characterized by being low within the range.
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第2窒化物半導体層の極小Al組成比が、0より大きく0.2未満であることを特徴とする。 The nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the minimum Al composition ratio of the second nitride semiconductor layer is greater than 0 and less than 0.2.
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第2半導体層の平均Al組成比が、0.1以上0.4以下であることを特徴とする。 The nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the average Al composition ratio of the second semiconductor layer is 0.1 or more and 0.4 or less.
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第2半導体層の膜厚が2nm以上であることを特徴とする。 The nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the thickness of the second semiconductor layer is 2 nm or more.
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第2半導体層の膜厚が30nm以下であることを特徴とする。 The nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the thickness of the second semiconductor layer is 30 nm or less.
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第2半導体層が、第2半導体層の平均Al組成比よりも高い少なくとも1通りの極大Al組成比の窒化物半導体を含む第1窒化物半導体層と、第2半導体層の平均Al組成比よりも低い少なくとも1通りの極小Al組成比の窒化物半導体を含む第2窒化物半導体層とを、交互に5回以上10回以下積層して構成されていることを特徴とする。 In the nitride semiconductor device according to the present invention, in the above invention, the second semiconductor layer includes a first nitridation including a nitride semiconductor having at least one maximum Al composition ratio higher than an average Al composition ratio of the second semiconductor layer. The semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer including the nitride semiconductor having at least one minimum Al composition ratio lower than the average Al composition ratio of the second semiconductor layer are alternately stacked 5 times or more and 10 times or less. It is characterized by being configured.
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、半導体積層体が、第2半導体層を構成する複数の窒化物半導体層のうちの最大のAl組成比よりも低くかつ最小のAl組成比よりも高い平均Al組成比YのAlYGa1-YNからなるエッチング犠牲層を第2半導体層上に有して構成されていることを特徴とする。本発明に係る窒化物半導体装置は、この構成において、エッチング犠牲層の膜厚が1nm以上12nm以下であることを特徴とする。 The nitride semiconductor device according to the present invention is the nitride semiconductor device according to the above invention, wherein the semiconductor stacked body is lower than a maximum Al composition ratio of the plurality of nitride semiconductor layers constituting the second semiconductor layer and has a minimum Al composition ratio. An etching sacrificial layer made of Al Y Ga 1-Y N having a higher average Al composition ratio Y is formed on the second semiconductor layer. In this configuration, the nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that the thickness of the etching sacrificial layer is not less than 1 nm and not more than 12 nm.
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、半導体積層体は、第2半導体層の上層に選択的に設けられ第2半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物系半導体からなる第3半導体層をさらに有することを特徴とする。本発明に係る窒化物半導体装置は、この構成において、第3半導体層が20nm以上の膜厚の窒化ガリウムからなることを特徴とする。 The nitride semiconductor device according to the present invention is the nitride semiconductor device according to the above invention, wherein the semiconductor stacked body is selectively provided on an upper layer of the second semiconductor layer and has an average band gap smaller than that of the second semiconductor layer. And a third semiconductor layer. In this configuration, the nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that the third semiconductor layer is made of gallium nitride having a thickness of 20 nm or more.
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、第1電極および第2電極と離間して設けられた第3電極をさらに備えることを特徴とする。 In the above-described invention, the nitride semiconductor device according to the present invention is a third semiconductor device provided on at least a part of the layers constituting the semiconductor multilayer body and spaced apart from the first electrode and the second electrode. An electrode is further provided.
本発明に係る電界効果トランジスタは、上記の発明による窒化物半導体装置の構成を有し、第1電極がゲート電極、第2電極がドレイン電極、および第3電極がソース電極であることを特徴とする。 A field effect transistor according to the present invention has the structure of the nitride semiconductor device according to the above invention, wherein the first electrode is a gate electrode, the second electrode is a drain electrode, and the third electrode is a source electrode. To do.
本発明に係るダイオードは、上記の発明による窒化物半導体装置の構成を有し、第1電極がアノード電極、および第2電極がカソード電極であることを特徴とする。 The diode according to the present invention has the structure of the nitride semiconductor device according to the above-described invention, wherein the first electrode is an anode electrode and the second electrode is a cathode electrode.
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、基体と、基体上に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、および少なくとも2つの異なるAl組成比からなる窒化物半導体層を複数回積層して複数層の窒化物半導体層からなる超格子構造を有するとともに第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い第2半導体層を有する半導体積層体と、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、第1電極と離間して設けられる第2電極と、を備える窒化物半導体装置の製造方法において、第2半導体層における複数層の窒化物半導体層を、有機金属化学気相成長法による成長工程によって形成する際に、複数層の窒化物半導体層における各窒化物半導体層のそれぞれの成長工程の間において、所定時間、窒化物半導体層の成長を中断させることを特徴とする。 A method of manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention includes a base, a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the base, and a nitride semiconductor layer having at least two different Al composition ratios stacked a plurality of times. And a semiconductor stacked body having a second semiconductor layer having a superlattice structure composed of a plurality of nitride semiconductor layers and having an average band gap wider than that of the first semiconductor layer, and among the layers constituting the semiconductor stacked body A first electrode provided on at least a part of the layer, and a second electrode provided on the at least part of the layers constituting the semiconductor stacked body and spaced apart from the first electrode, In the method for manufacturing a nitride semiconductor device provided, when the plurality of nitride semiconductor layers in the second semiconductor layer are formed by a growth process using metal organic chemical vapor deposition, the plurality of nitride semiconductor layers are formed on the plurality of nitride semiconductor layers. In between each growth step the nitride semiconductor layer that a predetermined time, and wherein the disrupting growth of the nitride semiconductor layer.
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、上記の発明において、半導体積層体が、第2半導体層を構成する複数層の窒化物半導体層のうちの最大のAl組成比よりも低くかつ最小のAl組成比よりも高いAl組成比のAlGaNからなるエッチング犠牲層を有する場合に、エッチング犠牲層を成長させる前に、複数層の窒化物半導体層のうちの最上層の上層に成長された窒化物半導体層をエッチング除去することを特徴とする。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention, in the above invention, the semiconductor stacked body is lower than the maximum Al composition ratio of the plurality of nitride semiconductor layers constituting the second semiconductor layer, and the minimum In the case of having an etching sacrificial layer made of AlGaN with an Al composition ratio higher than the Al composition ratio of the nitride, before growing the etching sacrificial layer, nitridation grown on the uppermost layer of the plurality of nitride semiconductor layers The physical semiconductor layer is etched away.
本発明に係る窒化物半導体装置およびその製造方法、ならびにダイオードおよび電界効果トランジスタによれば、電子走行層における2次元電子ガスにおいて高いキャリア密度を維持しつつ、電子の移動度を増加させて素子抵抗を低減することが可能になる。 According to the nitride semiconductor device and the manufacturing method thereof, the diode, and the field effect transistor according to the present invention, the device resistance is increased by increasing the electron mobility while maintaining a high carrier density in the two-dimensional electron gas in the electron transit layer. Can be reduced.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、以下の実施の形態の説明に用いる「上」、「上方」または「上部」、ならびに「下」、「下方」または「下部」はそれぞれ、半導体装置の基板の主面に対して直角に遠ざかる向き、並びに基板の主面に近づく向きを示し、半導体装置の実装状態における上下方向とは必ずしも一致しない点にも留意する必要がある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the following embodiment. In the drawings, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals as appropriate, and repeated descriptions are omitted as appropriate. Furthermore, it should be noted that the drawings are schematic, and dimensional relationships between elements may differ from actual ones. Even between the drawings, there are cases in which portions having different dimensional relationships and ratios are included. Further, “upper”, “upper” or “upper” and “lower”, “lower” or “lower” used in the description of the following embodiments are perpendicular to the main surface of the substrate of the semiconductor device, respectively. It should also be noted that the direction of moving away and the direction of approaching the main surface of the substrate are shown and do not necessarily coincide with the vertical direction in the mounting state of the semiconductor device.
まず、本発明の実施の形態について説明するにあたり、本発明の理解を容易にするために、上述した課題を解決すべく本発明者が行った鋭意検討について説明する。まず、本発明者が鋭意検討を行う対象となった従来の窒化物半導体装置について説明する。図12は、従来の窒化物半導体装置としてのショットキーバリアダイオード(SBD)を示す模式的な断面図である。 First, in describing embodiments of the present invention, in order to facilitate the understanding of the present invention, an intensive study conducted by the present inventor to solve the above-described problems will be described. First, a description will be given of a conventional nitride semiconductor device that has been the subject of intensive studies by the inventors. FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a Schottky barrier diode (SBD) as a conventional nitride semiconductor device.
すなわち、図12に示すように、従来のSBD100は、基板101上に順次積層された、バッファ層102、電子走行層103、および電子供給層104上に、選択的にアノード電極105Aおよびカソード電極105C、ならびに絶縁膜106を備える。
That is, as shown in FIG. 12, the
このように構成されたSBD100などの窒化物半導体装置において、その素子抵抗は、主にアクセス抵抗とコンタクト抵抗とによって決定される。ここで、コンタクト抵抗は、オーミック電極であるカソード電極105Cと、電子供給層104を介してカソード電極105Cとオーミック接触する2DEG層Aとの間のコンタクト部Conにおける抵抗である。また、アクセス抵抗は、2DEG層Aにおける、ショットキー電極であるアノード電極105Aとコンタクト部Conとの間のアクセス部Acにおける抵抗である。
In the nitride semiconductor device such as the
ここで、アクセス抵抗は、2DEG層Aにおける電子のキャリア密度(2DEG濃度Ns)と移動度(電子移動度)との積に反比例する。そこで、アクセス抵抗を低減するには、2DEG層Aの2DEG濃度Nsを増加させるか、電子移動度を増加させる必要がある。ところが、本発明者の知見によれば、2DEG濃度Nsが高すぎると、ショットキー電極であるアノード電極105Aの部分において電界強度が強くなりすぎるという問題が生じる。この問題を回避する観点から、2DEG濃度Nsにおいては、8×1012〜10×1012cm-2程度が最適値となる上限が存在する。これにより、本発明者は、素子抵抗を低減するには、電子移動度を増加させる必要があることを想起した。これは、SBD100に限らず、アクセス部に2DEGを利用している、HFET、HEMT、MOSFET、およびMISFETなどの窒化物半導体装置においても同様である。
Here, the access resistance is inversely proportional to the product of electron carrier density (2DEG concentration Ns) and mobility (electron mobility) in the 2DEG layer A. Therefore, to reduce the access resistance, it is necessary to increase the 2DEG concentration Ns of the 2DEG layer A or increase the electron mobility. However, according to the knowledge of the present inventor, when the 2DEG concentration Ns is too high, there is a problem that the electric field strength becomes too strong in the portion of the
また、本発明者の知見によれば、電子走行層103は通常、アンドープの窒化ガリウム(u−GaN)から構成されることから、電子移動度を増加させるために転位密度を低減する方法がある。ところが、窒化物半導体装置において通常用いられるシリコン(Si)基板上にGaNを成長させる場合、Si基板とGaN層との格子定数の相違から転位密度には108cm-2程度の下限が存在するため、転位密度の低減にも限界がある。
Further, according to the knowledge of the present inventor, since the
そこで、電子移動度を増加させるために電子供給層104における電子の波動関数のしみ出しを抑制して合金散乱を減少させる方法が考えられる。従来、この合金散乱を減少させるために、電子供給層を構成するAlGaN層と電子走行層を構成するGaN層との間にAlNからなるスペーサ層を設けたAlGaN/AlN/GaN積層構造が提案されている(特許文献1参照)。しかしながら、電子移動度を増加させ、アクセス抵抗を低減することができても、カソード電極105Cなどのオーミック電極において良好なオーミック接触が得られなくなると、コンタクト抵抗が増加してしまう。そこで、本発明者は、この特許文献1に記載された窒化物半導体装置におけるコンタクト抵抗を、オーミック電極にTi/Al電極を用いてTLM(Transmission Line Model)法によって測定し、コンタクト部Conの接触比抵抗(Ω・cm2)における、AlNスペーサ層の膜厚依存性を測定した。この測定結果を図13に示す。なお、AlNスペーサ層の膜厚はX線反射測定を用いて算出し、AlNの設計膜厚と概ね相違が無いことを確認した。また、図面に記載したグラフにおいて、αE±βはα×10±βを示す。
Therefore, in order to increase the electron mobility, a method of reducing alloy scattering by suppressing the seepage of the electron wave function in the
図13から、AlGaN/AlN/GaN積層構造を採用した半導体装置においては、AlNスペーサ層の膜厚の増加に従って、コンタクト部の接触比抵抗が増加することが分かる。そして、半導体装置において良好なオーミック接触を得るための接触比抵抗である2.0×10-5Ωcm2以下の範囲(図13中、点線から矢印方向)を考慮すると、AlNスペーサ層の膜厚を0.5nm未満に小さくする必要がある。他方、本発明者が同様の半導体装置における電子移動度のAlNスペーサ層の膜厚依存性をホール効果(Hall効果)測定により測定したところ、AlNスペーサ層の膜厚が0.5nmの場合において、電子移動度が最大になることが確認された。すなわち、電子供給層の下層にAlNスペーサ層を設けたAlGaN/AlN/GaN積層構造を採用した場合、2DEGの電子移動度を増加させて良好なオーミック接触を両立させるのは極めて困難であることが確認された。 From FIG. 13, it can be seen that in the semiconductor device employing the AlGaN / AlN / GaN laminated structure, the contact specific resistance of the contact portion increases as the thickness of the AlN spacer layer increases. Then, considering the range of 2.0 × 10 −5 Ωcm 2 or less, which is a contact specific resistance for obtaining good ohmic contact in the semiconductor device (in the direction of the arrow from the dotted line in FIG. 13), the film thickness of the AlN spacer layer Needs to be smaller than 0.5 nm. On the other hand, when the inventor measured the film thickness dependence of the electron mobility in the similar semiconductor device by the Hall effect (Hall effect) measurement, when the film thickness of the AlN spacer layer was 0.5 nm, It was confirmed that the electron mobility was maximized. That is, when an AlGaN / AlN / GaN laminated structure in which an AlN spacer layer is provided below the electron supply layer is adopted, it is extremely difficult to increase the electron mobility of 2DEG and achieve good ohmic contact. confirmed.
そこで、本発明者は、電子供給層に、窒化アルミニウム(AlN)層と窒化ガリウム(GaN)層とを交互に順次積層させてAlN/GaN超格子層とした擬似混晶構造を採用することにより、電子移動度を増加させる方法について検討を行った。この構成によれば、格子緩和させることなく擬似混晶の平均Al組成比を増加できるとともに、電子供給層104の膜厚を増加させることが容易になる。これにより、AlN/GaN超格子層を構成するAlN層およびGaN層の層数、またはAlN層およびGaN層を組とした場合においては組数と、平均Al組成比とを調整することによって、2DEG層の2DEG濃度Nsを制御できる。さらに、2DEG濃度Nsを高濃度に維持できるとともに電子移動度を増加できるので、半導体装置におけるアクセス抵抗を低減できる。
Therefore, the present inventor has adopted a pseudo-mixed crystal structure in which an aluminum nitride (AlN) layer and a gallium nitride (GaN) layer are alternately and sequentially stacked to form an AlN / GaN superlattice layer in the electron supply layer. The method of increasing the electron mobility was examined. According to this configuration, the average Al composition ratio of the pseudo mixed crystal can be increased without lattice relaxation, and the film thickness of the
そこで、本発明者は、上述した理由から、電子供給層104を擬似混晶構造とした半導体装置におけるコンタクト抵抗を測定し、コンタクト部Conの接触比抵抗(Ω・cm2)における、電子供給層の平均Al組成比依存性を測定した。なお、この電子供給層104としては、0.5nmの膜厚のAlN層と2nmの膜厚のGaN層とを1組として、7〜8組積層させて構成した。また、AlN層の膜厚を0.5nmに固定しつつ擬似混晶内におけるGaN層膜厚を変化させることで平均Al組成比を変化させた場合の測定結果を図14に示す。なお、AlN層およびGaN層の膜厚はそれぞれ、X線反射測定(XRR)法から見積もった。
Therefore, for the reasons described above, the present inventor measured the contact resistance in a semiconductor device having the
図14から、電子供給層をAlN/GaN超格子構造とした場合、コンタクト部Conにおける接触比抵抗は、平均Al組成比を増加させてもほぼ一定であることが分かる。そして、半導体装置に適用可能な接触比抵抗である2.0×10-5Ωcm2以下の範囲(図14中、点線から矢印方向)を考慮しても、AlN/GaN超格子構造の平均Al組成比が、電子供給層がAlGaNの単層から構成されているとみなして電子走行層に対する電子供給層の歪み量がAlGaNの単層の臨界膜厚以下となる平均Al組成比、具体的にはたとえば平均Al組成比が40%以下であれば、良好なオーミック接触が確保できることが分かる。また、本発明者が電子供給層を擬似混晶構造とした場合の2DEG層の電子移動度を計測したところ、電子供給層の下層にAlNスペーサ層を設けた半導体装置において、AlNスペーサ層の膜厚を0.5nmとした場合とほぼ同等の高い電子移動度が得られることが確認された。 FIG. 14 shows that when the electron supply layer has an AlN / GaN superlattice structure, the contact specific resistance at the contact portion Con is substantially constant even when the average Al composition ratio is increased. Even if a range of 2.0 × 10 −5 Ωcm 2 or less, which is a contact specific resistance applicable to a semiconductor device (in FIG. 14, from the dotted line to the arrow direction), is taken into account, the average Al of the AlN / GaN superlattice structure Assuming that the electron supply layer is composed of an AlGaN single layer, the composition ratio is an average Al composition ratio in which the amount of strain of the electron supply layer with respect to the electron transit layer is equal to or less than the critical thickness of the AlGaN single layer, specifically It can be seen that, for example, if the average Al composition ratio is 40% or less, good ohmic contact can be secured. Further, when the inventor measured the electron mobility of the 2DEG layer when the electron supply layer has a pseudo mixed crystal structure, in the semiconductor device in which the AlN spacer layer is provided under the electron supply layer, the film of the AlN spacer layer is formed. It was confirmed that high electron mobility almost equal to that obtained when the thickness was 0.5 nm was obtained.
また、本発明者は、素子抵抗をより一層低減させるために、コンタクト抵抗のさらなる低減について鋭意検討を行った。まず、本発明者が種々実験および検討を行ったところ、擬似混晶の電子供給層を構成するAlN/GaN超格子層におけるAlN層が1nm以上に厚いと、コンタクト抵抗が急激に悪化することが判明した。すなわち、本発明者は、擬似混晶内のAlN層の存在がコンタクト抵抗の増減に大きな影響を及ぼすことを知見した。そこで、本発明者は、コンタクト抵抗を悪化させないような擬似混晶構造について種々検討を行ったところ、擬似混晶構造をAlGaN/AlGaN超格子層とすることによって、コンタクト抵抗を悪化させることなく電子移動度を向上できることを想起した。 In addition, the present inventor has intensively studied to further reduce the contact resistance in order to further reduce the element resistance. First, the present inventor conducted various experiments and studies. As a result, when the AlN layer in the AlN / GaN superlattice layer constituting the pseudo-mixed crystal electron supply layer is thicker than 1 nm, the contact resistance may rapidly deteriorate. found. That is, the present inventor has found that the presence of the AlN layer in the pseudo mixed crystal has a great influence on the increase and decrease of the contact resistance. Therefore, the present inventor conducted various studies on the pseudo-mixed crystal structure that does not deteriorate the contact resistance. By using the pseudo-mixed crystal structure as an AlGaN / AlGaN superlattice layer, the present inventors do not deteriorate the contact resistance. Recalling that mobility can be improved.
すなわち本発明者は、電子供給層を、AlN/GaN超格子層に代えて、平均Al組成比Xに対して大きいAl組成比x1(x1>X)と小さいAl組成比x2(X>x2)との少なくとも2種類の異なるAl組成比のAlGaN層を交互に積層する構成を想起した。その上で、本発明者は、さらなる実験および検討を行い、オーミック電極の部分において良好なオーミック接触を確保するために、AlGaN超格子層を構成する複数のAlGaN層におけるAl組成比が、AlGaN超格子層の膜厚方向(深さ方向)に沿って連続的に、たとえば三角波状や正弦波状に増減変調させる構成を想起した。また、このAl組成比の増減は、従来の矩形状の増減よりも比較的緩やかにするのが好ましい。この場合、電子供給層を構成するAlGaN超格子層は、平均Al組成比Xよりも大きいAl組成比x1となる極大部分(以下、極大Al組成比x1)と、平均Al組成比Xよりも小さいAl組成比x2となる極小部分(以下、極小Al組成比x2)とが交互に並んだ、いわゆるAl組成変調超格子構造を有する。これにより、2DEG層Aを構成する電子の波動関数は、同じ膜厚のAlN層に対してAlx1Ga1-x1N層の方が伝導帯端のエネルギーが低いため、AlGaN超格子層の基体側から表面側に向かってしみ出しやすくなり、コンタクト抵抗を低減できる。以上により、窒化物半導体装置において、コンタクト抵抗を低減できるとともに、電子走行層内に生じる2DEG層のキャリア密度(2DEG濃度)を高い水準に維持しつつ電子移動度を向上させてアクセス抵抗を低減することができる。以下に説明する実施の形態は、以上の鋭意検討に基づいて案出されたものである。 That is, the present inventor replaces the AlN / GaN superlattice layer with the electron supply layer, and has a large Al composition ratio x1 (x1> X) and a small Al composition ratio x2 (X> x2) with respect to the average Al composition ratio X. And a configuration in which at least two AlGaN layers having different Al composition ratios are alternately stacked. In addition, the present inventor conducted further experiments and examinations, and in order to ensure good ohmic contact in the ohmic electrode portion, the Al composition ratio in the plurality of AlGaN layers constituting the AlGaN superlattice layer is AlGaN superlattice. A configuration has been conceived in which modulation is performed in a continuous manner along the film thickness direction (depth direction) of the lattice layer, for example, in a triangular wave shape or a sine wave shape. Further, the increase / decrease in the Al composition ratio is preferably made relatively gradual as compared with the conventional rectangular increase / decrease. In this case, the AlGaN superlattice layer constituting the electron supply layer has a maximum portion (hereinafter referred to as a maximum Al composition ratio x1) having an Al composition ratio x1 larger than the average Al composition ratio X, and smaller than the average Al composition ratio X. It has a so-called Al composition modulation superlattice structure in which minimal portions (hereinafter, minimal Al composition ratio x2) having an Al composition ratio x2 are alternately arranged. As a result, the wave function of the electrons constituting the 2DEG layer A is that the Al x1 Ga 1-x1 N layer has lower energy at the conduction band edge than the AlN layer of the same film thickness. It becomes easy to ooze from the side toward the surface side, and the contact resistance can be reduced. As described above, in the nitride semiconductor device, the contact resistance can be reduced, and the access resistance is reduced by improving the electron mobility while maintaining the carrier density (2DEG concentration) of the 2DEG layer generated in the electron transit layer at a high level. be able to. The embodiment described below has been devised based on the above-mentioned diligent study.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1による窒化物半導体装置を製造するための半導体積層基板の構成を示す断面図である。すなわち、この実施の形態1における半導体積層基板10においては、基体11上に、電子走行層12、電子供給層13、エッチング犠牲層14、および半導体層15が順次積層されて構成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laminated substrate for manufacturing a nitride semiconductor device according to
基体11は、たとえば、基板およびバッファ層などから構成される。基板は、たとえばシリコン(Si)基板、ガリウム砒素(GaAs)基板、ガリウムリン(GaP)基板、GaN基板、AlN基板、炭化ケイ素(SiC)基板、炭素(C)基板、またはサファイア基板などからなる。バッファ層は、たとえばGaN層やAlN層などからなる。なお、バッファ層にC、Fe、Mgなどの不純物を添加することによって、バッファ層を半絶縁化させてもよい。また、必要に応じて、窒化物半導体装置の構成に必要な種々の層を設けても良い。そして、これらの基板、バッファ層、および必要に応じたその他の層により基体11が構成されている。
The
第1半導体層としての電子走行層12は、たとえば膜厚が700nm(0.7μm)のアンドープの窒化ガリウム(u−GaN)から構成される。なお、電子走行層12を構成する材料としては、GaN以外の材料を用いても良く、AlGaNを用いる場合、そのAl組成比は5%以下とするのが好ましい。
The
第2半導体層としての電子供給層13は、Al組成比が異なりバンドギャップが異なる少なくとも2種類のIII族窒化物系化合物半導体を複数積層した超格子層から構成される。この実施の形態1において電子供給層13は、たとえば平均Al組成比XのAlXGa1-XNの擬似混晶構造を有し、少なくとも2種類の互いに異なる極大Al組成比x1または極小Al組成比x2の種々の値をとるAl組成比xのAlxGa1-xN層13−1〜13−n(n:自然数)が複数積層されたAlGaN超格子層から構成される。そして、電子供給層13は、窒化物半導体装置の設計に応じて、少なくとも2層、好適には4層以上のAlxGa1-xN層13−1〜13−nから構成される。すなわち、電子供給層13の平均Al組成比Xと、AlxGa1-xN層13−1〜13−nの層数または2層を1組とした場合の組数とによって、2DEG濃度Nsを設計に基づく所望の濃度に制御する。なお、組数は0.5組単位である。そして、この実施の形態1においては、2DEG濃度Nsがたとえば1×1013cm未満になるように、平均Al組成比Xと各AlxGa1-xN層13−1〜13−nの層数(n)または組数(n/2)とが調整される。ここで、この実施の形態1におけるAlxGa1-xN層13−1〜13−nの組数としては、4.5組以上の5〜10組程度、層数としては9層以上の10〜20層程度が好ましい。なお、電子供給層13を構成するそれぞれのAlxGa1-xN層13−1〜13−nのAl組成比xは、AlおよびGaを含むことから、少なくとも0<x<1を満たす。
The
また、各AlxGa1-xN層13−1〜13−nはいずれも、それらの内部に2DEGが発生しないように膜厚やAl組成比を調整して構成するのが好ましい。また、電子供給層13のバンドギャップは平均のバンドギャップであり、具体的には積層構造を構成する各AlxGa1-xN層13−1〜13−nの膜厚比によって重み付け(積分)をしたバンドギャップの値である。そして、電子供給層13は、その平均バンドギャップが、電子走行層12のバンドギャップよりも大きくなるように構成されている。これにより、電子走行層12と電子供給層13との界面に、2DEG層Aが発生する。
Also, each of the Al x Ga 1-x N layers 13-1 to 13-n is preferably configured by adjusting the film thickness and the Al composition ratio so that 2DEG is not generated therein. Further, the band gap of the
そして、具体的に電子供給層13を構成するAlGaN超格子層は、極大Al組成比x1のAlx1Ga1-x1N層と、極小Al組成比x2のAlx2Ga1-x2N層とが交互に配置されるように積層されている。なお、Alx1Ga1-x1N層は極大Al組成比x1のAlGaN層を指し、Alx2Ga1-x2N層は最小Al組成比x2のAlGaN層を指す。
Then, AlGaN superlattice layer constituting the specific
また、AlGaN超格子層のAl組成比は、深さ方向(積層方向)に沿って連続的に、たとえば三角波状や正弦波状に増減変調している。図2は、電子供給層13を構成する各AlxGa1-xN層における、Al組成比x(縦軸)と深さ方向に沿った膜厚d(横軸)との関係を示すグラフである。なお、グラフの左側がエッチング犠牲層14または半導体層15側、右側が電子走行層12側である。また、図2中、実線がこの実施の形態1による各擬似混晶構造の電子供給層13におけるAl組成比のグラフを示し、下部の数字は図1中の対応する符号を示す。また、図2中、点線が電子供給層13を従来技術によるAlN/GaN超格子層とした場合におけるAl組成比のグラフを示し、下部の数字は図1中の対応する符号を示す。そして、これらの実施の形態1および従来の電子供給層13において、いずれも平均Al組成比Xは同じである。
In addition, the Al composition ratio of the AlGaN superlattice layer is modulated up and down continuously in the depth direction (stacking direction), for example, in a triangular wave shape or a sine wave shape. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio x (vertical axis) and the film thickness d (horizontal axis) along the depth direction in each Al x Ga 1-x N layer constituting the
図2に示すように、この実施の形態1による電子供給層13のAl組成比は、深さ方向に沿って連続的に増減を繰り返している。具体的には、第1窒化物半導体層としてのAlx1Ga1-x1N層13−1において深さ方向とは逆向きの方向である積層方向に沿って山状に増加して、平均Al組成比Xより高い極大Al組成比x1の極大を経て減少する。また、その上層の第2窒化物半導体層としてのAlx2Ga1-x2N層13−2において、積層方向に沿って連続的に谷状に減少し、平均Al組成比Xより低い極小Al組成比x2の極小を経て増加する。そして、これらが繰り返されて、Al組成比xが、Alx1Ga1-x1N層13−1からAlx1Ga1-x1N層13−nに連続的に増減するように積層されている。
As shown in FIG. 2, the Al composition ratio of the
また、これらのAlxGa1-xN層13−1〜13−nにおけるAl組成比xは、平均Al組成比Xを挟んで極大のAl組成比x1と極小のAl組成比x2との間で交互に増減している。ここで、電子供給層13の深さ方向に沿って、Al組成比xが極大から極小になる平均の減少率の絶対値は、Al組成比xが極小から極大になる場合の平均の増加率の絶対値よりも小さくなるようにするのが好ましい。換言すると、電子供給層13の積層方向に沿って、Al組成比xが極小から極大になる場合の平均の増加率の絶対値は、極大から極小になる場合の平均の減少率の絶対値よりも小さくするのが好ましい。
Further, the Al composition ratio x in these Al x Ga 1-x N layers 13-1 to 13-n is between the maximum Al composition ratio x1 and the minimum Al composition ratio x2 across the average Al composition ratio X. The number increases and decreases alternately. Here, along the depth direction of the
また、図2においては、極大Al組成比x1を第1窒化物半導体層としての各Alx1Ga1-x1N層13−1,13−3,…,13−nにおいて同じAl組成比にしているが、これらの極大Al組成比x1は各Alx1Ga1-x1N層13−1,13−3,…,13−nにおける少なくとも一部、場合によっては各層ごとに相違するAl組成比でも良い。同様に、極小Al組成比x2を第2窒化物半導体層としての各Alx2Ga1-x2N層13−2,13−4,…,13−(n−1)において同じAl組成比にしているが、これらの極小Al組成比x2においても各Alx2Ga1-x2N層13−2,13−4,…,13−(n−1)における少なくとも一部、場合によっては各層ごとに相違するAl組成比でも良い。さらに、図2においては、電子供給層の深さ方向に沿ったAl組成比の増減形状を、増減が急峻な矩形状(図2中点線)に比して増減が緩やかな、三角波形状としているが、同様に増減が緩やかな正弦波状や台形状とすることも可能である。 In FIG. 2, the maximum Al composition ratio x1 is set to the same Al composition ratio in each of the Al x1 Ga 1-x1 N layers 13-1, 13-3,..., 13-n as the first nitride semiconductor layer. However, the maximum Al composition ratio x1 is an Al composition ratio which is different at least in each Al x1 Ga 1-x1 N layer 13-1, 13-3,. good. Similarly, the minimum Al composition ratio x2 is set to the same Al composition ratio in each of the Al x2 Ga 1-x2 N layers 13-2, 13-4, ..., 13- (n-1) as the second nitride semiconductor layer. However, even in these minimum Al composition ratios x2, at least a part of each Al x2 Ga 1-x2 N layer 13-2, 13-4,..., 13- (n-1) may be different depending on the case. Al composition ratio may be sufficient. Further, in FIG. 2, the shape of increase / decrease in the Al composition ratio along the depth direction of the electron supply layer is a triangular wave shape in which the increase / decrease is gentle compared to the rectangular shape (dotted line in FIG. 2) where the increase / decrease is steep. However, a sine wave shape or a trapezoidal shape in which the increase / decrease is also gradual is possible.
ここで、第1窒化物半導体層としてのAlx1Ga1-x1N層13−3,…,13−nは、電子供給層13の深さ方向とは逆向きの方向(積層の向き)に沿って、Al組成比xの極小から極大に至るまでの厚さ差分の中間値の位置から、極大を含み、極大から次の極小に至るまでの厚さ差分の中間値の位置までの領域を指す。また、第2窒化物半導体層としてのAlx2Ga1-x2N層13−2,13−4,…,13−(n−1)は、電子供給層13の深さ方向とは逆向きの方向に沿って、Al組成比xの極大から極小に至るまでの厚さ差分の中間値の位置から、極小点を含み、極小点から次の極大点に至るまでの厚さ差分の中間値の位置までの領域を指す。ただし、もっとも電子走行層12側に位置する、第1窒化物半導体層の1つであるAlx1Ga1-x1N層13−1は、下層の電子走行層12との境界の位置から極大値を挟んで、次の中間値の位置までの領域を指すものとする。
Here, the Al x1 Ga 1-x1 N layers 13-3,..., 13 -n as the first nitride semiconductor layers are in a direction (stacking direction) opposite to the depth direction of the
また、極大Al組成比x1が大きいと極大となる部分で電子の波動関数がしみ出しにくくなって電子走行層12における2DEG濃度Nsを増加できる反面、コンタクト抵抗が増加する。そこで、2DEG濃度Nsの増加およびコンタクト抵抗の低減を考慮すると、極大Al組成比x1は、電子供給層13の平均Al組成比Xに対して、0.03以上0.3未満の範囲内、好適には0.06以上0.25未満の範囲内、より好適には0.1以上0.2未満の範囲内で高くするのが望ましい。すなわち、以下の(1)式が成立するのが望ましい。
X+0.03≦x1<X+0.3……(1)
Further, when the maximum Al composition ratio x1 is large, the wave function of the electrons is difficult to ooze out at the maximum portion, and the 2DEG concentration Ns in the
X + 0.03 ≦ x1 <X + 0.3 (1)
また、極大Al組成比x1が、各Alx1Ga1-x1N層13−1,13−3,…,13−nにおける少なくとも一部、場合によって各層ごとで相違する場合には、それぞれの層における極大Al組成比x11,x13,…,x1nに対して、極大Al組成比x1に代表された(1)式が成立するのが望ましい。すなわち、Alx11Ga1-x11N層13−1,Alx13Ga1-x13N層13−3,…,Alx1nGa1-x1nN層13−nにおいて、以下の(1−1)式が成立するのが望ましい。
X+0.03≦x11,x13,…,x1n<X+0.3……(1−1)
Further, when the maximum Al composition ratio x1 is different in at least a part of each Al x1 Ga 1 -x1 N layer 13-1, 13-3,. It is desirable that the expression (1) represented by the maximum Al composition ratio x1 holds for the maximum Al composition ratio x11, x13,. That, Al x11 Ga 1-x11 N layer 13-1, Al x13 Ga 1-x13 N layer 13-3, ..., in Al x1n Ga 1-x1n N layer 13-n, the following equation (1-1) It is desirable to be established.
X + 0.03 ≦ x11, x13,..., X1n <X + 0.3 (1-1)
さらに、極小Al組成比x2が小さいと所望の2DEG濃度Nsを確保するために平均Al組成比Xを確保する観点から極大Al組成比x1を大きくする必要が生じる。この点を考慮すると、極小Al組成比x2は、電子供給層13の平均Al組成比Xに対して、0.03以上0.2未満の範囲内、好適には0.06以上0.18未満の範囲内、より好適には0.1以上0.15未満の範囲内で低くするのが望ましい。すなわち、以下の(2)式が成立するのが望ましい。
X−0.2<x2≦X−0.03……(2)
Further, if the minimum Al composition ratio x2 is small, it is necessary to increase the maximum Al composition ratio x1 from the viewpoint of securing the average Al composition ratio X in order to secure the desired 2DEG concentration Ns. Considering this point, the minimum Al composition ratio x2 is within the range of 0.03 or more and less than 0.2, preferably 0.06 or more and less than 0.18, with respect to the average Al composition ratio X of the
X−0.2 <x2 ≦ X−0.03 (2)
また、極小Al組成比x2が、各Alx2Ga1-x2N層13−2,13−4,…,13−(n−1)における少なくとも一部、場合によっては各層ごとで相違する場合には、それぞれの層における極小Al組成比x22,x24,…x2(n−1)に対して、極小Al組成比x2に代表された(2)式が成立するのが望ましい。すなわち、Alx22Ga1-x22N層13−2,Alx24Ga1-x24N層13−4,…,Alx2(n-1)Ga1-x2(n-1)N層13−(n−1)において、以下の(2−1)式が成立するのが望ましい。
X−0.2≦x22,x24,…,x2(n−1)<X−0.03……(2−1)
Further, when the minimum Al composition ratio x2 is different in each Al x2 Ga 1-x2 N layer 13-2, 13-4,. It is desirable that the expression (2) represented by the minimum Al composition ratio x2 holds for the minimum Al composition ratio x22, x24,... X2 (n−1) in each layer. That, Al x22 Ga 1-x22 N layer 13-2, Al x24 Ga 1-x24 N layer 13-4, ..., Al x2 (n -1) Ga 1-x2 (n-1) N layer 13-(n In (-1), it is desirable that the following equation (2-1) is satisfied.
X−0.2 ≦ x22, x24,..., X2 (n−1) <X−0.03 (2-1)
以上のように、Al組成比xが積層方向や深さ方向に沿って三角波状または正弦波状に連続的に増減するようにAlGaN層を積層させることにより、電子走行層12側からエッチング犠牲層14や半導体層15の側に向かって2DEGの波動関数を電子供給層13の表面側にしみ出しやすくできるので、コンタクト抵抗を低減できて、良好なオーミックコンタクトを得ることができる。さらに、Al組成比x1(x11〜x1n),x2(x22〜x2(n−1))は、0<x2<X<x1≦1であり、電子供給層13における2DEGの波動関数のしみ出しやすさを考慮すると、最大Al組成比x1(x11〜x1n)は、比較的低い範囲である20%以上60%未満(0.2≦x1<0.6)が好ましく、好適には20%以上50%以下(0.2≦x1≦0.5)、より好適には20%以上40%以下(0.2≦x1≦0.4)である。また、所望の2DEG濃度Nsを確保するための平均Al組成比Xを確保する観点から、極小Al組成比x2(x22〜x2(n−1))は、0%より大きく20%未満(0<x2<0.2)が好ましく、好適には5%より大きく20%未満(0.05<x2<0.20)、より好適には10%以上20%未満(0.10≦x1<0.20)である。すなわち、所望の2DEG濃度Nsとなるように平均Al組成比Xを設定することを考慮すると、たとえば、極小Al組成比x2を0にしてしまうと、擬似混晶構造を採用した場合に電子移動度が大きくなる平均Al組成比Xの15%程度にするには、極大Al組成比x1を増加させる必要がある。極大Al組成比x1を増加させると、2DEG層Aの電子の波動関数がしみ出しにくくなってコンタクト抵抗が悪化するので好ましくない。さらに、これらのAlGaN層、とりわけ、50%を超える高いAl組成を有するAlGaN層を例えば有機金属気相成長(MOCVD)法によって結晶成長させる際に、良好な結晶品質を確保するのは困難である。このような観点からも、極大Al組成比x1および極小Al組成比x2は、上述した範囲に設定するのが好ましい。
As described above, the etching
また、この実施の形態1において電子供給層13の平均Al組成比Xは、0<X<1を前提として、電子走行層12との界面での2DEG層Aにおいて所望の2DEG濃度を得ることを考慮すると、10%以上40%以下(0.1≦X≦0.4)が好ましく、好適には15%以上35%以下(0.15≦X≦0.35)、より好適には20%以上30%以下(0.2≦X≦0.3)である。また、AlxGa1-xN超格子層におけるシート抵抗の観点、さらにひずみに対して自由に積層できる格子緩和の観点からも、電子供給層13の平均Al組成比Xは上述した範囲が好ましい。
In the first embodiment, the average Al composition ratio X of the
また、電子供給層13を構成するAlGaN層のうち、極大Al組成比x1のAlx1Ga1-x1N層および極小Al組成比x2のAlx2Ga1-x2N層13−iの膜厚di(i=1,2,3,…,n)としては、層状になる最低膜厚である2原子層以上、さらには、所望の平均Al組成比によって2DEG層Aの電子の波動関数をしみ出させる必要がある観点から、具体的には例えば0.5nm以上4.0nm以下、好適には0.5nm以上3.5nm以下、より好適には0.5nm以上3.0nm以下とし、この実施の形態1においては、たとえばそれぞれ1.5nm程度にする。また、各AlxGa1-xN層13−iの膜厚diは、ミスフィット転位を生じさせないために臨界膜厚以下にするのが好ましい。AlxGa1-xN層の臨界膜厚は、具体的には、GaN層の格子定数に対してAl組成比xが0.6の場合に5nm程度、Al組成比xが0.1の場合に100nm程度である。なお、臨界膜厚は、積層構造において隣接する層に応じて異なる膜厚になることから、必ずしもこれらの膜厚に限定されない。そして、上述の条件に基づいて、各AlxGa1-xN層13−1〜13−nの膜厚、ならびに層数(n)および組数(n/2)は、2DEG層Aの2DEG濃度Nsの設定濃度や窒化物半導体装置の設計に応じて適宜最適な値が選択される。
Of the AlGaN layers constituting the
また、電子供給層13の膜厚の下限としては、電子供給層13を極大Al組成比x1のAlx1Ga1-x1N層と極小Al組成比x2のAlx2Ga1-x2N層とが1組積層されたAlx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N超格子層から構成することを考慮すると、2nm以上にするのが好ましく、2DEG層Aの2DEG濃度Nsを増加させることを考慮すると、好適には5nm以上、より好適には10nm以上が好ましい。また、電子供給層13の膜厚の上限としては、ミスフィット転位が生じない臨界膜厚以下が好ましく、オーミック接触の限界を考慮すると、100nm以下、好適には50nm以下、より好適には30nm以下が好ましい。
The lower limit of the film thickness of the
また、図1に示すエッチング犠牲層14は、平均Al組成比Yが電子供給層13の平均Al組成比Xより大きい(X<Y)、AlYGa1-YN層(0<Y<1)からなる。これは、AlyGa1-yN層上に設けられた半導体層15がたとえばGaN層などのAl組成比が0または極めて小さい材料からなる場合、GaN層とのエッチングレートがAlGaN層の約100倍程度と極めて大きく、AlGaN層がGaN層に対するエッチングストップとして極めて有効に作用するためである。また、詳細は後述するが、エッチング犠牲層14を構成するAlGaNの局所的なAl組成比yは、電子供給層13を構成するAlGaN層における極大Al組成比x1以下、極小Al組成比x2以上になるように構成される。その上で、局所的なAl組成比yは、エッチング犠牲層14の電子供給層13側から半導体層15側に向かう積層方向に沿って、谷状のプロファイルを描くように順次減少増加するように構成されている。
In the etching
また、エッチング犠牲層14は、その局所的なAl組成比yがエッチング犠牲層14の表面近傍から半導体層15に向かって、なだらかに減少するように構成されている。このようにAlGaN層からなるエッチング犠牲層14からGaN層からなる半導体層15に向かって、局所的なAl組成比yを連続的または段階的に変化させることにより、半導体層15のエッチング時において、エッチングがエッチング犠牲層14に到達した時点からエッチング速度が連続的または段階的に変化する。これにより、半導体層15のエッチングにおいて、エッチング犠牲層14へのオーバーエッチング時におけるエッチング速度が制御できる。そのため、エッチングが電子供給層13にまで到達することなく、エッチング犠牲層14においてエッチングを制御性良く止めることが可能になる。また、エッチング犠牲層14を設けることによって、エッチング時に電子供給層13における比較的高いAl組成比x1のAlx1Ga1-x1N層が最表面に露出することを防止できるので、表面酸化などによってオン電圧やコンタクト抵抗が増加したり電流コラプスが悪化したりすることを防止できる。
The etching
ここで、エッチング犠牲層14の膜厚は、その上層に形成される半導体層15のエッチングを、オーバーエッチング時におけるエッチング速度の制御によって精密に制御できる膜厚以上にするのが好ましく、具体的には、たとえば1nm以上が好ましい。また、エッチング犠牲層14の膜厚は、内部に発生する2DEGの2DEG濃度Nsを、窒化物半導体装置に対する影響が無視できる程度に低くするために、12nm以下にするのが好ましい。従って、エッチング犠牲層14の膜厚は、1nm以上12nm以下、この実施の形態1においては、たとえば4nm程度とする。
Here, the thickness of the etching
また、半導体積層基板10から製造する窒化物半導体装置の構造に応じて、エッチング犠牲層14または電子供給層13の上層には、第3半導体層としての半導体層15が設けられる。半導体層15は、電子走行層12に生じる2DEG層Aの2DEG濃度Nsを少なくとも2水準で変調させるために、電子供給層13の平均バンドギャップより狭いIII族窒化物系化合物半導体、具体的にはAl組成比zのAlzGa1-zN層(0≦z≦1)からなる。また、この半導体層15の膜厚は、20nm以上200nm以下、好適には、成長とエッチングを用いた膜厚制御により2DEG濃度の制御が容易になる20nm以上100nm以下、より好適には、膜厚のばらつきによる2DEG濃度のばらつきを受けにくくなる25nm以上80nm以下である。この実施の形態1において半導体層15は、たとえば膜厚が30nmのGaN層からなる。
Further, a
そして、上述した電子走行層12、電子供給層13、エッチング犠牲層14、および半導体層15により、この実施の形態1における半導体積層体が構成される。なお、半導体積層基板10から製造される窒化物半導体装置の構成によって、半導体積層体を電子走行層12および電子供給層13から構成しても良い。また、電子供給層13の最上層をエッチング犠牲層として用いてエッチング犠牲層14を設けない場合には、電子走行層12、電子供給層13、および半導体層15により半導体積層体を構成しても良い。以上により、この実施の形態1による窒化物半導体装置を製造するための半導体積層基板10が構成されている。
The above-described
(半導体積層基板の製造方法)
次に、この実施の形態1における半導体積層基板10の製造方法について説明する。図3は、この実施の形態1における半導体積層基板10の基体11上に、有機金属化学気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法により各層を成長させる際の供給ガスのシーケンスチャートである。なお、図3において、「RUN」および「VENT」はそれぞれ、MOCVD装置の反応炉(MOCVD反応炉)へのガスの供給状態および供給停止状態(排気状態)を示す。
(Manufacturing method of semiconductor laminated substrate)
Next, the manufacturing method of the semiconductor laminated
図1および図3に示すように、この実施の形態1における半導体積層基板10の製造方法においては、まず、基体11を設置したMOCVD反応炉(図示せず)内に、たとえばIII族ガスとしてのトリメチルガリウム(TMGa)と、V族ガスとしてのアンモニア(NH3)と、キャリアガスとしての水素(H2)および窒素(N2)とをそれぞれ供給する。これにより、基体11上にGaNを成長させてu−GaN層からなる電子走行層12を形成する。ここで、u−GaNからなる電子走行層12の成長条件の一例を挙げると、不純物濃度を低下させる点を考慮して、雰囲気圧力を比較的高圧の200Torr(26.7kPa)とし、III族元素(Ga)に対するV族元素(N)のモル比(V/IIIモル比)を10000程度、キャリアガスのH2ガスの流量をたとえば85L/min程度にする。
As shown in FIGS. 1 and 3, in the method for manufacturing a semiconductor laminated
続けて、MOCVD反応炉への、NH3、H2およびN2の供給を継続しつつTMGaの供給を停止する。なお、NH3、H2、およびN2は、MOCVD反応炉内に基体11を設置している間、中断することなく常時供給される。そして、所定時間T0の間に、MOCVD装置における所定の操作によって成長条件を変更し、続けてMOCVD反応炉内を安定化させる。ここで、この実施の形態1においては、成長条件の変更をたとえば120秒間、安定化をたとえば60秒間行った後、さらにたとえば6秒間程度の中断時間を設ける。すなわち、この実施の形態1において所定時間T0は、たとえば186秒間程度(約3分間)である。
Subsequently, the supply of TMGa is stopped while the supply of NH 3 , H 2 and N 2 to the MOCVD reactor is continued. NH 3 , H 2 , and N 2 are constantly supplied without interruption while the
その後、TMGaのMOCVD反応炉への供給を停止した状態で、MOCVD反応炉に、たとえばIII族ガスとしてのトリメチルアルミニウム(TMAl)を供給する。これにより、電子走行層12上にAlxGa1-xN層13−1を成長させる。ここで、上述した所定時間T0の間においては、MOCVD反応炉にN2およびNH3に加えてH2が供給されている。そのため、成長させた電子走行層12を構成するu−GaN層の表面は、所定時間T0の間エッチングされる。このとき、u−GaN層のエッチング表面においては、窒素(N)が脱離する一方でGaが残留する。他方、AlNの共有結合エネルギーはGaNの共有結合エネルギーより大きい。これにより、MOCVD反応炉にTMAlを供給すると、GaがAlと置換して、電子走行層12上にAlN優位の結晶成長が行われ、Al組成比xが比較的高いAlGaN変成層からなるAlxGa1-xN層13−1が成長される。
Thereafter, with the supply of TMGa to the MOCVD reactor stopped, for example, trimethylaluminum (TMAl) as a group III gas is supplied to the MOCVD reactor. Thereby, the Al x Ga 1-x N layer 13-1 is grown on the
続けて、MOCVD反応炉への、NH3、H2、およびN2の供給を継続しつつ、TMAlの供給を停止する。そして、中断時間tとしてたとえば6秒間、成長ガスのMOCVD反応炉への供給を中断することで結晶成長を中断させる。この中断の間、MOCVD反応炉内においては、N2およびNH3に加えてH2が供給されている。そのため、成長させたAlxGa1-xN層13−1の表面は、中断時間tの間エッチングされる。このとき、AlxGa1-xN層13−1のエッチング表面においては、Nが脱離する一方でAlおよびGaが残留する。 Subsequently, the supply of TMAl is stopped while the supply of NH 3 , H 2 , and N 2 to the MOCVD reactor is continued. Then, the crystal growth is interrupted by interrupting the supply of the growth gas to the MOCVD reactor for, for example, 6 seconds as the interruption time t. During this interruption, H 2 is supplied in addition to N 2 and NH 3 in the MOCVD reactor. Therefore, the surface of the grown Al x Ga 1-x N layer 13-1 is etched for the interruption time t. At this time, on the etching surface of the Al x Ga 1-x N layer 13-1, N is desorbed while Al and Ga remain.
続けて、MOCVD反応炉へのTMAlの供給を停止した状態でTMGaを供給する。ここで、同じ温度条件下においてはGaの蒸気圧に比してAlの蒸気圧が低いため、Al原子に比してGa原子が脱離しやすい。そのため、AlxGa1-xN層13−1のエッチング表面には主にAlが残留している。そして、この残留したAlは、TMGaおよびNによって成長されるGaNと結合する。また、上述と同様の理由からGaがAlと置換する。これによって、AlxGa1-xN層13−1上にGaN優位の結晶成長が行われ、Al組成比xが比較的低いAlGaN変成層からなるAlxGa1-xN層13−2が成長される。 Subsequently, TMGa is supplied in a state where the supply of TMAl to the MOCVD reactor is stopped. Here, under the same temperature condition, since the vapor pressure of Al is lower than the vapor pressure of Ga, Ga atoms are more easily desorbed than Al atoms. Therefore, Al remains mainly on the etching surface of the Al x Ga 1-x N layer 13-1. This remaining Al is combined with GaN grown by TMGa and N. Moreover, Ga substitutes for Al for the same reason as described above. As a result, GaN-dominated crystal growth is performed on the Al x Ga 1-x N layer 13-1, and an Al x Ga 1-x N layer 13-2 made of an AlGaN metamorphic layer having a relatively low Al composition ratio x is formed. Grown up.
その後、MOCVD反応炉への、NH3、H2、およびN2の供給を継続しつつ、TMGaの供給を停止し、たとえば6秒間程度の中断時間t、成長ガスの供給を中断して、結晶成長を中断する。この結晶成長の中断の間、MOCVD反応炉内においては、N2およびNH3に加えてH2が供給されている。そのため、成長されたAlxGa1-xN層13−2の表面は、中断時間tの間エッチングされる。このとき、AlxGa1-xN層13−2のエッチング表面においては、Nが脱離する一方でAlおよびGaが残留する。 Thereafter, while continuing the supply of NH 3 , H 2 , and N 2 to the MOCVD reactor, the supply of TMGa is stopped, for example, the supply of the growth gas is interrupted for an interruption time t of about 6 seconds. Suspend growth. During the interruption of the crystal growth, H 2 is supplied in addition to N 2 and NH 3 in the MOCVD reactor. Therefore, the surface of the grown Al x Ga 1-x N layer 13-2 is etched for the interruption time t. At this time, on the etched surface of the Al x Ga 1-x N layer 13-2, Al and Ga remain while N is desorbed.
そして、中断時間tが経過した後、MOCVD反応炉への、TMGaの供給を停止した状態でTMAlを供給する。これにより、Al組成比xが比較的低いAlxGa1-xN層13−2上にAlN優位の結晶成長が行われ、上述したAlxGa1-xN層13−1の成長と同様にして、Al組成比xが比較的高いAlGaN変成層からなるAlxGa1-xN層13−3を成長させる。その後、MOCVD反応炉内へのTMAlの供給を停止する。 Then, after the interruption time t has elapsed, TMAl is supplied in a state where the supply of TMGa to the MOCVD reactor is stopped. As a result, AlN-dominant crystal growth is performed on the Al x Ga 1-x N layer 13-2 having a relatively low Al composition ratio x, which is the same as the growth of the Al x Ga 1-x N layer 13-1 described above. Then, an Al x Ga 1-x N layer 13-3 made of an AlGaN metamorphic layer having a relatively high Al composition ratio x is grown. Thereafter, the supply of TMAl into the MOCVD reactor is stopped.
以上のTMAlの供給および中断、ならびにTMGaの供給および中断を、所望とするAlxGa1-xN層13−1〜13−nを形成するまで順次交互に繰り返し行う。そして、AlxGa1-xN層13−nを成長させてから中断時間tだけ結晶成長を中断した後、MOCVD反応炉へのTMAlの供給を停止させた状態でTMGaを供給する。これにより、AlxGa1-xN層13−n上にAl組成比xが比較的低いAlxGa1-xN層(図示せず)が成長される。以上のように、中断時間tを挟んで結晶成長を交互に繰り返すことによって、電子走行層12上に擬似混晶構造のAlGaN超格子層からなる電子供給層13が形成される。
The supply and interruption of TMAl and the supply and interruption of TMGa are repeated alternately and sequentially until the desired Al x Ga 1-x N layers 13-1 to 13-n are formed. Then, after the Al x Ga 1-x N layer 13-n is grown, the crystal growth is interrupted for the interruption time t, and then TMGa is supplied in a state where the supply of TMAl to the MOCVD reactor is stopped. Accordingly, Al x Ga 1-x N layer is relatively low Al composition ratio x on 13-n Al x Ga 1- x N layer (not shown) is grown. As described above, by repeating crystal growth alternately with the interruption time t interposed therebetween, the
ここで、これらのAlxGa1-xN層13−1〜13−nの成長条件の一例を挙げると、TMAlの流量をたとえば200μmol/min、TMGaの流量をたとえば160μmol/min、NH3の流量をたとえば35L/min、H2ガスの流量をたとえば50L/min、N2ガスの流量をたとえば15L/min、TMAlの供給時におけるV/IIIモル比をたとえば8000、TMGaの供給時におけるV/IIIモル比をたとえば10000とする。また、MOCVD反応炉内の雰囲気条件の一例を挙げると、成長温度を960℃以上1060℃以下のたとえば1020℃とし、TMAlとNH3との気相反応を抑制するために、雰囲気圧力を低めに設定して30Torr(4.0kPa)以上200Torr(26.7kPa)以下のたとえば50Torr(6.67kPa)とする。この条件において、TMAlを供給して成長させる場合における成長速度は7nm/min程度であり、TMGaを供給して成長させる場合における成長速度は3nm/min程度である。そして、これらの成長速度と各AlxGa1-xN層13−1〜13−nにおけるそれぞれの所望の膜厚から、TMAlやTMGaの供給時間が算出されて適用される。なお、Al組成比を変化させる場合には、NH3流量を固定してTMAlまたはTMGaの流量を変化させる。これによって、AlxGa1-xN層13−1〜13−nにおけるそれぞれのAl組成比が、所望の比率に制御される。 Here, as an example of the growth conditions of these Al x Ga 1-x N layers 13-1 to 13-n, the flow rate of TMAl is 200 μmol / min, the flow rate of TMGa is 160 μmol / min, for example, NH 3 . The flow rate is, for example, 35 L / min, the flow rate of H 2 gas is, for example, 50 L / min, the flow rate of N 2 gas, for example, 15 L / min, the V / III molar ratio at the time of TMAl supply is, for example, 8000, and the V / at the time of TMGa supply. The III molar ratio is, for example, 10,000. As an example of atmospheric conditions in the MOCVD reactor, the growth temperature is set to 960 ° C. or higher and 1060 ° C. or lower, for example, 1020 ° C., and the atmospheric pressure is lowered in order to suppress the gas phase reaction between TMAl and NH 3. It is set to 30 Torr (4.0 kPa) or more and 200 Torr (26.7 kPa) or less, for example, 50 Torr (6.67 kPa). Under these conditions, the growth rate when TMAl is supplied for growth is about 7 nm / min, and the growth rate when TMGa is supplied for growth is about 3 nm / min. Then, the supply time of TMAl or TMGa is calculated from the growth rate and the desired film thickness in each of the Al x Ga 1-x N layers 13-1 to 13-n and applied. When changing the Al composition ratio, the flow rate of TMAl or TMGa is changed with the NH 3 flow rate fixed. As a result, the respective Al composition ratios in the Al x Ga 1-x N layers 13-1 to 13-n are controlled to a desired ratio.
次に、MOCVD反応炉への、NH3、H2およびN2の供給を継続しつつ、TMGaの供給を中断する。そして、所定時間T1の間に、TMGaの供給の中断、MOCVD装置におけるエッチング犠牲層14の成長条件への変更、およびMOCVD装置の安定化を順次行う。ここで、この実施の形態1においては、中断をたとえば6秒間、成長条件の変更をたとえば120秒間、安定化をたとえば60秒間行う。すなわち、この実施の形態1において所定時間T1は、たとえば186秒間程度である。この所定時間T1の間においても、MOCVD反応炉にはNH3、H2、およびN2が供給されている。そのため、この所定時間T1の間に、AlxGa1-xN層13−n上に形成された最上層のAlxGa1-xN層はエッチング除去される。
Next, the supply of TMGa is interrupted while the supply of NH 3 , H 2 and N 2 to the MOCVD reactor is continued. Then, during a predetermined time T 1 , the supply of TMGa is interrupted, the change to the growth condition of the etching
そして、所定時間T1の経過後、MOCVD反応炉内にTMGaおよびTMAlを供給する。これにより、電子供給層13上にエッチング犠牲層14を形成する。ここで、エッチング犠牲層14の成長条件の一例を挙げると、成長温度を960〜1060℃のたとえば1020℃とし、圧力を30〜200Torrのたとえば60Torrとし、V/IIIモル比を、TMAlにおいて8000程度、TMGaにおいて10000程度とする。また、それぞれのガスの流量の一例を挙げると、TMGaの流量をたとえば160μmol/min、TMAlの流量をたとえば200μmol/minとし、NH3の流量をたとえば35L/min、キャリアガスとしてのH2の流量をたとえば50L/min、N2の流量をたとえば15L/minとする。そして、エッチング犠牲層14が所望の膜厚に形成された後、MOCVD反応炉内へのTMGaおよびTMAlの供給を停止する。
Then, TMGa and TMAl are supplied into the MOCVD reactor after the elapse of the predetermined time T 1 . Thereby, an etching
次に、MOCVD反応炉への、NH3、H2およびN2の供給を継続しつつ、TMGaおよびTMAlの供給を中断する。そして、所定時間T2の間に、MOCVD装置における半導体層15の成長条件への変更、およびMOCVD反応炉内の安定化を順次行う。ここで、この実施の形態1においては、成長条件の変更をたとえば120秒間、安定化をたとえば60秒間とする。すなわち、この実施の形態1において所定時間T2は、たとえば180秒間程度である。このとき、エッチング犠牲層14におけるAlGaN層の表面がエッチングされてGaが脱離し、表面にAlが残留した状態を作ることができる。
Next, the supply of TMGa and TMAl is interrupted while the supply of NH 3 , H 2 and N 2 to the MOCVD reactor is continued. Then, during the predetermined time T 2 , the change to the growth condition of the
そして、所定時間T2の経過後、MOCVD反応炉内にTMGaを供給することによって、エッチング犠牲層14上に半導体層15を形成する。これにより、そのエッチング犠牲層14における局所的なAl組成比yを、エッチング犠牲層14の表面近傍から半導体層15に向かって、なだらかに減少させることができる。ここで、半導体層15の成長条件の一例を挙げると、V/IIIモル比についてはやや高い20000程度にする点以外は、上述した電子走行層12の成長条件とほぼ同様であるので、説明を省略する。
Then, after the elapse of the predetermined time T 2 , the
以上により、図1に示す半導体積層基板10が形成される。そして、以上のようにして製造された半導体積層基板10に対して、3次元アトムプローブ(3DAP)法を用いて積層構造を分析した結果を図4および図5に示す。図4は、図1に示す半導体積層基板10において、Al、Ga、およびNの合計の組成比率を100%とし、Nの含有率を50%として、Al、Ga、およびNの組成比を、深さ方向に沿って分析したグラフである。図5は、III族元素(Al、Ga)とV族元素(N)とを同じ比率にした場合における図1に示す半導体積層基板10の深さ方向に沿ったAl組成比x(%)(図5中、III族Al組成比(%))の分析結果であり、グラフの上部の数値は図1中で示す符号に対応している。
Thus, the semiconductor laminated
図4および図5から、電子供給層13における各AlGaN層が、極大Al組成比x1のAlGaN層と極小Al組成比x2のAlGaN層とで交互に積層されていることが分かる。また、平均Al組成比Xが24%(X=0.24)程度であるのに対して、極大Al組成比x1が27%から35%程度(0.27≦x1≦0.35)であり、極小Al組成比x2が15%から18%程度(0.15≦x2≦0.18)であることが分かる。また、本発明者が、この半導体積層基板10を用いてSBD製造工程を実施し、TLM法によってオーミック電極の部分におけるオーミック接触の特性を測定したところ、接触抵抗値が5×10-6Ω・cm2程度になることが確認され、コンタクト抵抗が極めて低い良好なオーミック接触を得られることが確認された。また、本発明者が、上述した半導体積層基板10の製造方法に基づいての種々の半導体積層基板10を製造し、3DAP法により分析したところ、最大の極大Al組成比x1が20%以上60%未満(0.2≦x1<0.6)で、最小の極小Al組成比x2が0%より大きく20%未満の(0<x2<0.2)の、Al組成変調超格子構造の電子供給層を有する半導体積層基板を製造できることが確認された。
4 and 5, it can be seen that the AlGaN layers in the
また、図5から、エッチング犠牲層14を構成するAlyGa1-yN層の局所的なAl組成比yが、電子供給層13を構成するAlGaN層における極大Al組成比x1以下、極小Al組成比x2以上になっていることが分かる。その上で、局所的なAl組成比yは、エッチング犠牲層14の電子供給層13側から半導体層15側に向かう積層方向に沿って、谷状のプロファイルを描くように順次減少増加し、エッチング犠牲層14の表面近傍において最大となった位置から半導体層15側に向かって、なだらかに減少していることが分かる。このエッチング犠牲層14の表面近傍におけるAl組成比yが局所的に最大ピークとなっている部分は、上述した製造方法において、エッチング犠牲層14の成長後に所定時間T2の中断期間を設けたことによって生じたものと考えられる。このようにエッチング犠牲層14から半導体層15に向かってAl組成比yが連続的または段階的に変化していることにより、半導体層15のエッチング時において、エッチングがエッチング犠牲層14の上面まで到達した時点から、エッチング速度がAl組成比yに応じて連続的または段階的に変化する。これにより、エッチング犠牲層14の表面をエッチングすることでエッチング速度が制御でき、エッチング犠牲層14においてエッチングを制御性良く止めることが可能になる。
From FIG. 5, the local Al composition ratio y of the Al y Ga 1-y N layer constituting the etching
次に、以上のように構成された本発明の実施の形態1による電子供給層を有する窒化物半導体装置について説明する。 Next, a nitride semiconductor device having an electron supply layer according to the first embodiment of the present invention configured as described above will be described.
まず、実施の形態1による窒化物半導体装置としてのSBDについて説明する。図6は、実施の形態1による窒化物半導体装置としてのSBDの模式的な断面図である。 First, the SBD as the nitride semiconductor device according to the first embodiment will be described. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an SBD as the nitride semiconductor device according to the first embodiment.
図6に示すように、この実施の形態1によるSBD1は、上述した半導体積層基板10の構造に加えて、エッチング犠牲層14上に選択的に、ショットキー電極としてのアノード電極16Aと、このアノード電極16Aと離間したオーミック電極としてのカソード電極16Cとが設けられている。さらに、エッチング犠牲層14上には、カソード電極16Cと離間して、半導体層15の一部からなるフィールドプレート層15aがアノード電極16A側に設けられている。そして、これらのエッチング犠牲層14およびフィールドプレート層15aと、アノード電極16Aおよびカソード電極16Cの少なくとも一部を覆うように、絶縁膜17が設けられている。ここで、絶縁膜17はたとえばSiO2から構成されるが、その他の材料、具体的には窒化シリコン(SiN)や酸化アルミニウム(Al2O3:アルミナ)などを用いても良く、複数種類の材料を適宜組み合せたり、順次積層させたりして構成しても良い。
As shown in FIG. 6, in addition to the structure of the semiconductor laminated
このSBD1においては、フィールドプレート層15aが設けられていることによって、2DEG層aの2DEG濃度Nsが、2DEG層a以外の2DEG層Aにおける2DEG濃度Nsより低濃度に変調される。これにより、フィールドプレート層15aが設けられた部分における電界強度を抑制できる。反面、図1に示す半導体積層基板10のように、フィールドプレート層15aを構成する半導体層15を設けた状態では、2DEG濃度Nsが低濃度になるため、電子走行層12のアクセス部におけるアクセス抵抗は、半導体層15が設けられていない場合に比して高くなる。そのため、2DEG層Aの2DEG濃度Nsを制御しつつアクセス抵抗を低減するために、SBD1の製造においては、図6に示すように、所望のフィールドプレート層15aの形成領域以外の半導体層15はエッチング除去される。この際、上述したように、エッチング犠牲層14の局所的なAl組成比yを半導体層15に向かってなだらかに減少させているので、フィールドプレート層15aの形成時に、エッチング犠牲層14の表面の部分がオーバーエッチングされてエッチング速度が制御され、半導体層15のエッチングを制御性良く行うことができる。また、電子走行層12に生じる2DEG濃度Nsは、半導体層15の一部からなるフィールドプレート層15aの膜厚が大きいほど低下するように変調される。そのため、この実施の形態1において、フィールドプレート層15aの膜厚、すなわち半導体層15の膜厚は、たとえば20nm以上200nm以下が好ましく、好適には成長とエッチングを用いた膜厚制御により2DEG濃度Nsの制御が容易な20nm以上100nm以下、より好適には膜厚ばらつきによる2DEG濃度Nsのばらつきを受けにくい25nm以上80nm以下である。
In the
また、第1電極としてのアノード電極16Aは、たとえば、下部電極層がNi層で上部電極層がAu層のNi/Auの積層構造を有する。これにより、アノード電極16Aは、エッチング犠牲層14および電子供給層13を介して電子走行層12に発生した2DEG層Aとショットキー接触する。なお、アノード電極16Aは、電子供給層13におけるアノード電極16Aの形成領域をリセスエッチングによって除去し、フィールドプレート層15aの下層に存在する2DEGに対して側面からショットキー接触させても良い。
The
また、アノード電極16Aは、フィールドプレート層15a上に乗り上げて少なくとも1段の段差を形成しているとともに、カソード電極16C側に向かってせり出すように延伸している。この実施の形態1においてアノード電極16Aは、フィールドプレート層15aの側面および上面の一部に接触して設けられている。なお、アノード電極16Aとフィールドプレート層15aとの間に他の半導体膜や誘電体膜を介在させて互いに非接触としても良い。さらに、この実施の形態1においては、アノード電極16Aに多段の段差を有する形状、たとえば2段の階段状にフィールドプレート部を設ける。
The
第2電極としてのカソード電極16Cは、たとえば、下部電極層がTi層で上部電極層がAl層のTi/Alの積層構造を有する。これにより、カソード電極16Cは、エッチング犠牲層14および電子供給層13を介して電子走行層12に発生した2DEG層Aオーミック接触する。
The
また、絶縁膜17は、たとえば酸化シリコン(SiO2)から構成される。絶縁膜17は、主に、フィールドプレート層15a、アノード電極16A、カソード電極16C、およびエッチング犠牲層14の表面を保護する。以上により、実施の形態1によるSBD1が構成されている。
The insulating
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2による窒化物半導体装置としてのHEMT型電界効果トランジスタについて説明する。図7は、この実施の形態2による窒化物半導体装置としてのHEMT2を示す模式的な断面図である。
(Embodiment 2)
Next, a HEMT field effect transistor as a nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a schematic cross-sectional
図7に示すように、実施の形態2によるHEMT2は、実施の形態1における半導体積層基板10における構造に加えて、エッチング犠牲層14上に選択的に、フィールドプレート層15bと、互いに離間したソース電極21S、ゲート電極21Gおよびドレイン電極21Dと、絶縁膜22とを備える。
As shown in FIG. 7, the
ここで、電子走行層12に生じる2DEG濃度Nsは、半導体層15の一部からなるフィールドプレート層15bの膜厚が大きいほど低下するように変調される。そのため、この実施の形態2において、フィールドプレート層15bの膜厚は、実施の形態1における理由と同様の理由から、たとえば20nm以上200nm以下が好ましく、好適には20nm以上100nm以下、より好適には25nm以上80nm以下である。また、このフィールドプレート層15bは、実施の形態1と同様に、半導体積層基板10における半導体層15を、エッチング犠牲層14をオーバーエッチングされるエッチングストップ層として用いてエッチングすることによって形成される。
Here, the 2DEG concentration Ns generated in the
また、この実施の形態2においては、電子走行層12、電子供給層13、エッチング犠牲層14、およびフィールドプレート層15bによって半導体積層体が構成される。そして、フィールドプレート層15bにより半導体積層体の内部の2DEG濃度Nsが変調される。すなわち、フィールドプレート層15bの下方領域に2DEG濃度が低い2DEG層aが生成される。ここで、HEMT2の高耐圧化の観点からは、2DEG層aの2DEG濃度Nsは、7×1012cm-2以下にするのが好ましい。また、HEMT2のオン抵抗を低減する観点から、2DEG濃度が比較的高い2DEG層Aの2DEG濃度は、7×1012cm-2よりも高くするのが好ましい。なお、上述したように、電子供給層13における平均Al組成比Xと積層層数を調整することにより、2DEG濃度Nsは10.0×1012cm-2よりも低くなるように設定される。
In the second embodiment, the
また、第2電極としてのドレイン電極21Dおよび第3電極としてのソース電極21Sは、エッチング犠牲層14上に設けられ、たとえばTi/Alの積層構造から構成される。これにより、ドレイン電極21Dおよびソース電極21Sは、エッチング犠牲層14および電子供給層13を介して、2DEG層Aとオーミック接触する。
In addition, the
また、第1電極としてのゲート電極21Gは、ドレイン電極21Dとソース電極21Sとの間に配置され、フィールドプレート層15b上、および絶縁膜22にせり出して設けられている。このゲート電極21Gは、たとえばNi/Auの積層構造から構成される。これによって、ゲート電極21Gは、エッチング犠牲層14および電子供給層13を介して、電子走行層12における2DEG層Aとショットキー接触する。また、ゲート電極21Gは、多段の階段状、たとえばソース電極21Sおよびドレイン電極21Dの両側に向かって階段状にフィールドプレート部がせり出すように延伸して設けられている。なお、実施の形態2においては、ゲート電極21Gの部分がエッチング犠牲層14と接触するように形成されているが、エッチング犠牲層14とゲート電極21Gとの間にフィールドプレート層15bを介するように構成することも可能である。
Further, the
また、絶縁膜22は、たとえばSiO2から構成される。絶縁膜22は、主に、フィールドプレート層15aと、ゲート電極21Gと、ドレイン電極21Dと、ソース電極21Sと、エッチング犠牲層14の表面とを保護する。以上により、実施の形態2によるHEMT2が構成されている。
The insulating
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3による窒化物半導体装置としてのSBDについて説明する。図8は、この実施の形態3による窒化物半導体装置としてのSBD3を示す模式的な断面図である。
(Embodiment 3)
Next, SBD as a nitride semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a schematic sectional
図8に示すように、この実施の形態3によるSBD3においては、実施の形態1における半導体積層基板10の構造において、エッチング犠牲層14および半導体層15を設けない構成を有する。すなわち、実施の形態1による電子供給層13上に選択的に、ショットキー電極としてのアノード電極31Aとオーミック電極としてのカソード電極31Cとが互いに離間して設けられている。アノード電極31Aおよびカソード電極31Cの構成は、実施の形態1と同様である。また、絶縁膜32は、実施の形態1,2における絶縁膜と同様の構成を有する。このように、半導体層15を設けない構成の場合、このSBD3の製造において半導体層15をエッチングする工程がないことから、エッチング犠牲層14を設けない場合がある。以上により、実施の形態3によるSBD3が構成されている。
As shown in FIG. 8, the
(実施の形態4)
次に、本発明の実施の形態4による窒化物半導体装置としてのHEMTについて説明する。図9は、この実施の形態4による窒化物半導体装置としてのHEMT4を示す模式的な断面図である。
(Embodiment 4)
Next, a HEMT as a nitride semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a
図9に示すように、この実施の形態4によるHEMT4においては、実施の形態1における半導体積層基板10の構造において、エッチング犠牲層14および半導体層15を設けない構成を有する。すなわち、実施の形態による電子供給層13上に選択的に、ソース電極41S、ゲート電極41G、およびドレイン電極41Dが互いに離間して設けられている。ソース電極41Sおよびドレイン電極41Dは、電子供給層13上に形成されるオーミック電極として機能し、ゲート電極41Gは、電子供給層13の上に形成されるショットキー電極として機能する。これらのソース電極41S、ゲート電極41G、およびドレイン電極41Dの構成は、実施の形態2と同様の構成を有する。また、絶縁膜42は、実施の形態1〜3と同様の構成を有する。以上により、実施の形態4によるHEMT4が構成されている。
As shown in FIG. 9, the
(実施の形態5)
次に、本発明の実施の形態5による窒化物半導体装置としてのMOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)について説明する。図10は、この実施の形態5による窒化物半導体装置としてのMOSFET5を示す模式的な断面図である。
(Embodiment 5)
Next, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET) as a nitride semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a schematic sectional
図10に示すように、この実施の形態5によるMOSFET5においては、実施の形態1における半導体積層基板10の構造において、エッチング犠牲層14および半導体層15を設けない構成を有する。すなわち、実施の形態による電子供給層13上に選択的に、互いに離間したソース電極51Sおよびドレイン電極51Dが設けられている。また、ソース電極51Sとドレイン電極51Dとの間における、電子供給層13および電子走行層12の選択的にエッチング除去されたリセス部分に、ゲート酸化膜52を介してゲート電極51Gが形成されている。これらのソース電極51S、ゲート電極51G、およびドレイン電極51Dの構成は、実施の形態2,4と同様の構成を有する。また、絶縁膜53は、実施の形態1〜4における絶縁膜と同様の構成を有する。以上により、実施の形態5によるMOSFET5が構成されている。なお、このMOSFET5において、ゲート電極51Gの下層の部分にフィールドプレート層を設けても良い。この場合、半導体層15をエッチングしてフィールドプレート層を形成する必要が生じることから、実施の形態によるエッチング犠牲層14および半導体層15を備えた半導体積層基板10を用いてMOSFET5が製造される。
As shown in FIG. 10,
(実施の形態6)
次に、本発明の実施の形態6によるMISFET(Metal Insulator Semiconductor FET)について説明する。図11は、この実施の形態6によるMISFETを示す模式的な断面図である。
(Embodiment 6)
Next, a MISFET (Metal Insulator Semiconductor FET) according to the sixth embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 is a schematic sectional view showing a MISFET according to the sixth embodiment.
図11に示すように、この実施の形態6によるMISFET6においては、実施の形態1における半導体積層基板10の構造において、エッチング犠牲層14および半導体層15を設けない構成を有する。すなわち、実施の形態による電子供給層13上に選択的にソース電極61Sおよびドレイン電極61Dが設けられている。また、ソース電極61Sとドレイン電極61Dとの間における電子供給層13上に、ゲート絶縁膜62を介してゲート電極61Gが形成されている。これらのソース電極61S、ゲート電極61G、およびドレイン電極61Dの構成は、実施の形態2,4,5と同様の構成を有する。また、絶縁膜63は、実施の形態1〜5における絶縁膜と同様の構成を有する。以上により、実施の形態6によるMISFET6が構成されている。なお、このMISFET6において、ゲート電極61Gの下層の部分にフィールドプレート層を設けても良い。この場合、半導体層15をエッチングしてフィールドプレート層を形成する必要が生じることから、実施の形態によるエッチング犠牲層14および半導体層15を備えた半導体積層基板10を用いてMOSFET5が製造される。
As shown in FIG. 11, the
以上説明した本発明の実施の形態によれば、窒化物半導体装置における電子供給層を、平均Al組成比よりも大きい極大Al組成比x1のAlGaN層と、平均Al組成比より小さい極小Al組成比x2とのAlGaN層との、少なくとも2種類の互いに異なるAlGaN層を複数層積層させていることにより、電子供給層13の下層に設けられる電子走行層12の電子供給層13との界面側に2DEGを高濃度で発生させつつ、電子移動度を増加させてアクセス抵抗を低減できるとともに、2DEG層における電子の波動関数をオーミック電極側にしみ出しやすくしてコンタクト抵抗も低減できるので、窒化物半導体装置における素子抵抗を低減することができる。そのため、電子走行層12における2次元電子ガスにおいて高いキャリア密度(2DEG濃度Ns)を維持しつつ、電子移動度を増加させて素子抵抗を低減し、定格電流が同じパワースイッチング用途の窒化物半導体装置を実現しようとした場合に、窒化物半導体装置における素子面積を約20%程度低減することができるので、窒化物半導体装置の小型化、微細化を図ることができ、同一直径の半導体基板を用いて製造する場合において、半導体基板当たりに製品として取ることができるチップ数を増加させることができるので、製造コストを削減することができる。
According to the embodiment of the present invention described above, the electron supply layer in the nitride semiconductor device includes an AlGaN layer having a maximum Al composition ratio x1 larger than the average Al composition ratio and a minimum Al composition ratio smaller than the average Al composition ratio. By laminating at least two different types of AlGaN layers with x2 and the AlGaN layer, 2DEG is formed on the interface side of the
以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施の形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いても良い。また、上述の実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。 Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. For example, the numerical values given in the above embodiment are merely examples, and different numerical values may be used as necessary. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment. What was comprised combining each component mentioned above suitably is also contained in this invention. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art.
たとえば、上述の実施の形態においては、電子供給層をAlGaN超格子層としているが、AlGaN超格子層以外にも、複数のInuAlvGa1-u-vN層(0≦u<1、0<v≦1、0<u+v<1)を積層させて超格子層としたInAlGaN超格子層を採用することも可能である。 For example, in the above-described embodiment, the electron supply layer is an AlGaN superlattice layer, but in addition to the AlGaN superlattice layer, a plurality of In u Al v Ga 1 -uv N layers (0 ≦ u <1, 0 It is also possible to employ an InAlGaN superlattice layer in which <v ≦ 1, 0 <u + v <1) is laminated to form a superlattice layer.
たとえば、上述の実施の形態においては、電子供給層13の上層にエッチング犠牲層14を設ける構成について説明しているが、電子供給層13の最上層を、Al組成比xが平均Al組成比Xより大きいAlxGa1-xN層からなるエッチング犠牲層として用いることが可能である。この最上層のAlxGa1-xN層は、さらに上層に形成されるフィールドプレート層などのエッチング時に、電子供給層13がオーバーエッチングされないためのエッチング犠牲層として機能する。このように機能させるためは、電子供給層13の最上層のAlxGa1-xN層の膜厚は1nm以上にするのが好ましい。また、AlxGa1-xN層をAlGaN超格子層の電子供給層13の一部とするには、その膜厚は10nm以下にするのが好ましい。さらに、エッチング犠牲層としてエッチング時に最表層に露出した場合に酸化が問題にならないようするには、Al組成比xを0<x≦0.35とするのが好ましい。
For example, in the above-described embodiment, the configuration in which the etching
また、上述の実施の形態において説明した以外にも、半導体装置における所望の特性に基づいた構造設計に応じて、電子供給層に本発明の範囲に属する種々の擬似混晶構造を採用することが可能である。 In addition to those described in the above embodiment, various pseudo-mixed crystal structures belonging to the scope of the present invention can be adopted for the electron supply layer according to the structure design based on desired characteristics in the semiconductor device. Is possible.
また、電子供給層13は、互いに異なる2種類のAlxGa1-xN層を、膜厚d1で極大Al組成比x1のAlx1Ga1-x1N層と膜厚d2で極小Al組成比x2のAlx2Ga1-x2N層とを一対の組とし、これらを複数回積層して構成することも可能である。
The
また、ダイオードのアノード電極およびトランジスタのゲート電極の下部電極層は、電子供給層とショットキー接触する電極である。そのため、上述したニッケル(Ni)やチタン(Ti)以外にも、たとえば白金(Pt)、パラジウム(Pd)、タングステン(W)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)のうち少なくとも1つを含む金属膜、または、Ti、Ni、Pt、Pd、W、Au、Ag、Cu、Ta、Alのうち少なくとも1つを含む合金よりなる金属膜のうち、少なくとも1つを含む金属膜、または、Ti、W、Taのうち少なくとも1つを含む窒化物合金からなる金属膜など、上記条件を満たす金属材料であれば種々のものを用いても良い。 The anode electrode of the diode and the lower electrode layer of the gate electrode of the transistor are electrodes that are in Schottky contact with the electron supply layer. Therefore, besides nickel (Ni) and titanium (Ti) described above, for example, platinum (Pt), palladium (Pd), tungsten (W), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), tantalum ( Ta), a metal film containing at least one of aluminum (Al), or a metal film made of an alloy containing at least one of Ti, Ni, Pt, Pd, W, Au, Ag, Cu, Ta, and Al Of these, various metal materials satisfying the above conditions, such as a metal film containing at least one or a metal film made of a nitride alloy containing at least one of Ti, W, and Ta may be used. good.
また、ダイオードのアノード電極およびトランジスタのゲート電極の上部電極層は、下部電極層より仕事関数の小さい金属からなり、この条件を満たす金属材料であれば種々のものを用いても良い。 The upper electrode layer of the anode electrode of the diode and the gate electrode of the transistor is made of a metal having a work function smaller than that of the lower electrode layer, and various materials may be used as long as the metal material satisfies this condition.
また、ダイオードのカソード電極およびトランジスタのソース電極およびドレイン電極は、電子供給層とオーミック接触する、または、接触抵抗が十分に小さい状態で接触する電極である。ただし、本発明ではこれに限定されず、たとえばTi、Al、シリコン(Si)、鉛(Pb)、クロム(Cr)、In、Taのうち少なくとも1つを含む金属膜、Ti、Al、Si、Pb、Cr、In、Taのうち少なくとも1つを含む合金よりなる金属膜、または、Ti、Al、Si、Taのうち少なくとも1つを含むシリサイド合金よりなる金属膜、または、Ti、W、Taのうち少なくとも1つを含む窒化物合金よりなる金属膜などのうち、少なくとも1つを含む金属膜など、上記条件を満たす金属材料であれば如何なるものを用いても良い。 In addition, the cathode electrode of the diode and the source electrode and drain electrode of the transistor are electrodes that are in ohmic contact with the electron supply layer or in contact with a sufficiently small contact resistance. However, the present invention is not limited thereto. For example, a metal film containing at least one of Ti, Al, silicon (Si), lead (Pb), chromium (Cr), In, Ta, Ti, Al, Si, Metal film made of an alloy containing at least one of Pb, Cr, In, Ta, or metal film made of a silicide alloy containing at least one of Ti, Al, Si, Ta, or Ti, W, Ta Any metal material satisfying the above conditions, such as a metal film including at least one of metal films made of a nitride alloy including at least one of them, may be used.
また、上述の実施の形態においては、本発明による半導体装置として、SBD、HEMT、MOSFET、およびMISFETを例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明は、MESFET(Metal Semiconductor FET)などの、種々の半導体装置に対して適用することができる。そして、本発明をこれらのFETに適用する場合、ゲート電極とフィールドプレート層との間に酸化膜などの絶縁膜を設けることも可能である。 In the above-described embodiments, SBD, HEMT, MOSFET, and MISFET are given as examples of the semiconductor device according to the present invention. However, the present invention is not limited to this. That is, the present invention can be applied to various semiconductor devices such as MESFET (Metal Semiconductor FET). When the present invention is applied to these FETs, an insulating film such as an oxide film can be provided between the gate electrode and the field plate layer.
また、上述の実施の形態においては、電子供給層やエッチング犠牲層の表面に電極を形成しているが、必ずしもこれらに限定されるものではなく、電子走行層、電子供給層、エッチング犠牲層、および半導体層やフィールドプレート層を含み、必要に応じてその他の層を含む半導体積層体のうちの少なくとも1層の上に電極を設けることが可能である。すなわち、半導体積層体を構成するその他の層の上に電極を設けても良い。具体的には、電子供給層の表面に、絶縁層、フィールドプレート層などの窒化物系半導体層、またはこれらの積層膜を介して、アノード電極、カソード電極、ゲート電極、ドレイン電極、またはソース電極を設けることも可能である。また、電子供給層の電極の形成領域の一部を電子走行層に達するまでエッチング除去してリセス部を形成し、このリセス部の表面、またはリセス部表面に所定の膜を介して、アノード電極、カソード電極、ゲート電極、ドレイン電極、またはソース電極を設けることも可能である。 In the above-described embodiment, the electrodes are formed on the surface of the electron supply layer and the etching sacrificial layer. However, the present invention is not limited thereto, and the electron transit layer, the electron supply layer, the etching sacrificial layer, In addition, an electrode can be provided on at least one of the semiconductor laminates including the semiconductor layer and the field plate layer and other layers as necessary. That is, an electrode may be provided on another layer constituting the semiconductor stacked body. Specifically, an anode electrode, a cathode electrode, a gate electrode, a drain electrode, or a source electrode is formed on the surface of the electron supply layer via a nitride-based semiconductor layer such as an insulating layer or a field plate layer, or a laminated film thereof. It is also possible to provide. Further, a part of the electrode formation region of the electron supply layer is removed by etching until reaching the electron transit layer to form a recess portion, and the surface of the recess portion, or the surface of the recess portion via a predetermined film, the anode electrode It is also possible to provide a cathode electrode, a gate electrode, a drain electrode, or a source electrode.
1,3 SBD
2,4 HEMT
5 MOSFET
6 MISFET
10 半導体積層基板
11 基体
12 電子走行層
13 電子供給層
13−1〜13−n AlxGa1-xN層
14 エッチング犠牲層
15 半導体層
15a,15b フィールドプレート層
16A,31A アノード電極
16C,31C カソード電極
17,22,32,42,53,63 絶縁膜
21D,41D,51D,61D ドレイン電極
21G,41G,51G,61G ゲート電極
21S,41S,51S,61S ソース電極
52 ゲート酸化膜
62 ゲート絶縁膜
Ac アクセス部
Con コンタクト部
1,3 SBD
2,4 HEMT
5 MOSFET
6 MISFET
10
Claims (18)
前記基体上に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、および前記第1半導体層の上層に設けられアルミニウムを含む窒化物半導体層を少なくとも1層積層した構造を有するとともに前記第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広く平均Al組成比Xの第2半導体層を有する半導体積層体と、
前記半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、
前記半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、前記第1電極と離間して設けられる第2電極と、を備え、
前記第2半導体層が、前記平均Al組成比Xよりも高い極大Al組成比の窒化物半導体を含む第1窒化物半導体層と、前記平均Al組成比Xよりも低い極小Al組成比の窒化物半導体を含む第2窒化物半導体層とが交互に少なくとも1回積層されて構成され、
前記第1窒化物半導体層の極大Al組成比が、前記平均Al組成比Xに対して、0.03以上0.3未満の範囲内で高い
ことを特徴とする窒化物半導体装置。 A substrate;
The first semiconductor layer has a structure in which a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the substrate and at least one nitride semiconductor layer containing aluminum provided on an upper layer of the first semiconductor layer are stacked. A semiconductor multilayer body having a second semiconductor layer having an average Al composition ratio X having a wider band gap than the average,
A first electrode provided on at least a part of the layers constituting the semiconductor laminate;
A second electrode provided apart from the first electrode on at least a part of the layers constituting the semiconductor laminate, and
A first nitride semiconductor layer including a nitride semiconductor having a maximum Al composition ratio higher than the average Al composition ratio X; and a nitride having a minimum Al composition ratio lower than the average Al composition ratio X. Second nitride semiconductor layers containing semiconductors are alternately stacked at least once, and
The nitride semiconductor device, wherein the maximum Al composition ratio of the first nitride semiconductor layer is higher than the average Al composition ratio X within a range of 0.03 or more and less than 0.3.
ことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体装置。 The Al composition ratio in the second semiconductor layer sequentially increases before and after the maximum Al composition ratio in the first nitride semiconductor layer along the stacking direction from the main surface of the base toward the surface of the second semiconductor layer. 2. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the nitride semiconductor device continuously decreases and increases and decreases in order in the second nitride semiconductor layer before and after the minimum Al composition ratio.
前記第1電極がゲート電極、前記第2電極がドレイン電極、および前記第3電極がソース電極である
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 A structure of the nitride semiconductor device according to claim 14,
The field effect transistor, wherein the first electrode is a gate electrode, the second electrode is a drain electrode, and the third electrode is a source electrode.
前記第1電極がアノード電極、および前記第2電極がカソード電極である
ことを特徴とするダイオード。 It has the structure of the nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 13,
The diode, wherein the first electrode is an anode electrode and the second electrode is a cathode electrode.
前記第2半導体層における前記複数層の窒化物半導体層を、有機金属化学気相成長法による成長工程によって形成する際に、前記複数層の窒化物半導体層における各窒化物半導体層のそれぞれの成長工程の間において、所定時間、前記窒化物半導体層の成長を中断させる
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 A substrate, a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the substrate, and a nitride semiconductor layer made of at least two different Al composition ratios are stacked a plurality of times to form a superstructure made of a plurality of nitride semiconductor layers. A semiconductor stacked body having a lattice structure and a second semiconductor layer having an average band gap wider than that of the first semiconductor layer, and provided on at least a part of the layers constituting the semiconductor stacked body And a second electrode provided on and separated from the first electrode on at least a part of the layers constituting the semiconductor stacked body, and a method for manufacturing a nitride semiconductor device In
Growth of each nitride semiconductor layer in the plurality of nitride semiconductor layers when forming the plurality of nitride semiconductor layers in the second semiconductor layer by a growth process by metal organic chemical vapor deposition A method of manufacturing a nitride semiconductor device, wherein the growth of the nitride semiconductor layer is interrupted for a predetermined time between the steps.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017164036A1 (en) * | 2016-03-24 | 2017-09-28 | スタンレー電気株式会社 | Method for producing group iii nitride laminate |
JP2018093170A (en) * | 2016-11-30 | 2018-06-14 | クアーズテック株式会社 | Nitride semiconductor substrate |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005285870A (en) * | 2004-03-26 | 2005-10-13 | Kyocera Corp | Epitaxial substrate |
JP2012227227A (en) * | 2011-04-15 | 2012-11-15 | Advanced Power Device Research Association | Semiconductor device |
JP2014086706A (en) * | 2012-10-26 | 2014-05-12 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Semiconductor device, schottky barrier diode, field effect transistor, mis field effect transistor and mos field effect transistor |
-
2013
- 2013-12-09 JP JP2013254403A patent/JP6168978B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005285870A (en) * | 2004-03-26 | 2005-10-13 | Kyocera Corp | Epitaxial substrate |
JP2012227227A (en) * | 2011-04-15 | 2012-11-15 | Advanced Power Device Research Association | Semiconductor device |
US20140008615A1 (en) * | 2011-04-15 | 2014-01-09 | Advanced Power Device Research Association | Semiconductor device |
JP2014086706A (en) * | 2012-10-26 | 2014-05-12 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Semiconductor device, schottky barrier diode, field effect transistor, mis field effect transistor and mos field effect transistor |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017164036A1 (en) * | 2016-03-24 | 2017-09-28 | スタンレー電気株式会社 | Method for producing group iii nitride laminate |
JPWO2017164036A1 (en) * | 2016-03-24 | 2019-01-31 | スタンレー電気株式会社 | Method for producing group III nitride laminate |
JP2018093170A (en) * | 2016-11-30 | 2018-06-14 | クアーズテック株式会社 | Nitride semiconductor substrate |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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