JP2017199701A - 窒化物半導体積層構造及びそれを用いた電子デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】破壊耐圧の低減とリーク電流特性の増大とを防止できる窒化物半導体積層構造を提供すること。【解決手段】窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造は、Si基板1上に、初期成長層2と、Al0.7Ga0.3N層3と、Al0.4Ga0.6N層4と、Al0.1Ga0.9N層5とを順次積層し、その後、第1の層としてのAlN層6a/第2の層としてのAl0.4Ga0.6N層6b/第3の層としてのAl0.1Ga0.9N層6cをこの順序で複数回繰り返し成長してなる多層膜バッファ層6と、GaNチャネル層7と、Al0.2Ga0.8N障壁層8とを順次積層してなる。【選択図】図3
Description
本発明は、窒化物半導体積層構造及びそれを用いた電子デバイスに関するものである。
窒化物半導体を用いた電子デバイスは、一般的にAlGaNとGaNからなるヘテロ接合を用いた構造が用いられている。
この電子デバイスは、具体的には、サファイアやSiなどの基板の上に形成された窒化物半導体からなるバッファ層、GaNからなるGaNチャネル層、このGaNチャネル層の上に形成されたAlGaNからなるAlGaN障壁層、このAlGaN障壁層とGaNチャネル層との界面に形成された2次元電子ガスとオーミック接触を形成するソース電極及びドレイン電極と、ソース・ドレイン電極のあいだに形成されたゲート電極とからなっている。
前記サファイア基板やSiC基板上に窒化物半導体を形成する際は、あまり大きな問題とならないが、熱膨張係数が窒化物半導体よりも小さいSi基板を用いた場合、成長後には下凸の形状に反ってしまい、さらには結晶そのものに応力によってクラックが形成され、電子デバイスの形成に適さない。
従来、この熱膨張係数の差を緩和する方法として、特許文献1(特開2003−59948号公報)及び特許文献2(特開2005−85852公報)に記載されているように、異なる組成を持つAlGaN層を交互に成長したバッファ層を有する窒化物半導体積層構造がある。
しかしながら、特許文献1及び2のように、バンドギャップ差が大きい2層を交互に成長したバッファ層を用いると、2層の格子定数差が大きく異なるため、基板から表面方向に延びる転位が発生しやすい。この転位は、表面と基板の間の縦方向の破壊耐圧の低減、リーク電流特性の増大とを引き起こし、半導体表面に形成する素子の歩留りに大きく影響を及ぼすという問題がある。
一方、バンドギャップ差が小さく、格子定数差が小さい2層を交互に成長したバッファ層を用いると、表面から基板へのリーク電流特性が大きくなってしまうという問題がある。
そこで、この発明の課題は、破壊耐圧の低減と、リーク電流特性の増大とを防止できる窒化物半導体積層構造を提供することにある。
本発明者は、超格子バッファ層を用いた時に課題となる転位を抑制する必要があることを見出した。
本発明の窒化物半導体積層構造は、前記の知見に立脚するもので、
少なくとも、基板、バッファ層、チャネル層及び電子供給層を有し、
前記バッファ層は、
組成式Al(x1)In(y1)Ga(1−(x1)−(y1))As(u1)P(v1)N(1−(u1)−(v1))(0≦x1≦1、0≦y1≦1、x1+y1≦1、0≦u1<1、0≦v1<1、u1+v1<1)からなる第1の層と、
組成式Al(x2)In(y2)Ga(1−(x2)−(y2))As(u2)P(v2)N(1−(u2)−(v2))(0≦x2≦1、0≦y2≦1、x2+y2≦1、0≦u2<1、0≦v2<1、u2+v2<1)からなる第2の層と、
kは、k≧3を満たす整数として、nは3からkまでの各整数をとるとして、
組成式Al(x(n))In(y(n))Ga(1−(x(n))−(y(n)))As(u(n))P(v(n))N(1―(u(n))―(v(n)))(0≦x(n)≦1、0≦y(n)≦1、x(n)+y(n)≦1、0≦u(n)<1、0≦v(n)<1、u(n)+v(n)<1)からなる第nの層と
を有する多層膜バッファ層
を含むことを特徴としている。
少なくとも、基板、バッファ層、チャネル層及び電子供給層を有し、
前記バッファ層は、
組成式Al(x1)In(y1)Ga(1−(x1)−(y1))As(u1)P(v1)N(1−(u1)−(v1))(0≦x1≦1、0≦y1≦1、x1+y1≦1、0≦u1<1、0≦v1<1、u1+v1<1)からなる第1の層と、
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組成式Al(x(n))In(y(n))Ga(1−(x(n))−(y(n)))As(u(n))P(v(n))N(1―(u(n))―(v(n)))(0≦x(n)≦1、0≦y(n)≦1、x(n)+y(n)≦1、0≦u(n)<1、0≦v(n)<1、u(n)+v(n)<1)からなる第nの層と
を有する多層膜バッファ層
を含むことを特徴としている。
1実施形態では、
前記基板と前記多層膜バッファ層との間に、前記基板側から前記多層膜バッファ層に向けて、Al組成を段階的に減少させた複数のAlGaN層を有する。
前記基板と前記多層膜バッファ層との間に、前記基板側から前記多層膜バッファ層に向けて、Al組成を段階的に減少させた複数のAlGaN層を有する。
1実施形態では、
前記多層膜バッファ層は、前記第1の層上に第2の層、第2の層上に第3の層、……第(n−1)の層上に第nの層、第nの層上に第1の層という構成の繰返し構造を有し、
前記第1から第nの層の各層の格子定数が、
第1の層の格子定数>第2の層の格子定数>第3の層の格子定数>……>第(n−1)の層の格子定数>第nの層の格子定数
の関係がある。
前記多層膜バッファ層は、前記第1の層上に第2の層、第2の層上に第3の層、……第(n−1)の層上に第nの層、第nの層上に第1の層という構成の繰返し構造を有し、
前記第1から第nの層の各層の格子定数が、
第1の層の格子定数>第2の層の格子定数>第3の層の格子定数>……>第(n−1)の層の格子定数>第nの層の格子定数
の関係がある。
1実施形態では、
前記多層膜バッファ層は、前記第1の層上に第2の層、第2の層上に第3の層、……第(n−1)の層上に第nの層、第nの層上に第1の層という構成の繰返し構造を有し、
前記第nから第1の層の各層の格子定数が、
第nの層の格子定数>第(n−1)の層の格子定数>……第3の層の格子定数>>第2の層の格子定数>第1の層の格子定数
の関係がある。
前記多層膜バッファ層は、前記第1の層上に第2の層、第2の層上に第3の層、……第(n−1)の層上に第nの層、第nの層上に第1の層という構成の繰返し構造を有し、
前記第nから第1の層の各層の格子定数が、
第nの層の格子定数>第(n−1)の層の格子定数>……第3の層の格子定数>>第2の層の格子定数>第1の層の格子定数
の関係がある。
本発明の電子デバイスは、
上述の窒化物半導体積層構造を用いることを特徴としている。
上述の窒化物半導体積層構造を用いることを特徴としている。
本発明によれば、破壊耐圧の低減とリーク電流特性の増大とを防止できて、電子デバイスの歩留まりを向上することができる。
以下、本発明を図示の実施形態により詳細に説明する。
(第1実施形態)
図3は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第1実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図3は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第1実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図3に示すように、この窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造は、抵抗率0.01Ω・cmのボロンドープCZSi基板1上に、AlNからなる厚さ100nmの初期成長層2と、厚さ200nmのAl0.7Ga0.3N層3と、厚さ400nmのAl0.4Ga0.6N層4と、厚さ400nmのAl0.1Ga0.9N層5とを順次積層し、その後、第1の層としてのAlN層6a(厚さ3nm)/第2の層としてのAl0.4Ga0.6N層6b(厚さ5nm)/第3の層としてのAl0.1Ga0.9N層6c(厚さ30nm)をこの順序で複数回繰り返し成長してなる多層膜バッファ層6と、GaNからなる厚さ1μmのチャネル層7と、電子供給層の一例としての20nmのAl0.2Ga0.8N障壁層8とを順次積層してなる。
前記多層膜バッファ層6は、超格子層である。
前記Al0.7Ga0.3N層3、Al0.4Ga0.6N層4及びAl0.1Ga0.9N層5は、組成傾斜バッファ層を構成し、前記基板1と前記多層膜バッファ層6との間に位置して、前記基板1側から前記多層膜バッファ層6に向けて、Al組成を段階的に減少させている。
前記Al0.7Ga0.3N層3、Al0.4Ga0.6N層4及びAl0.1Ga0.9N層5とからなる組成傾斜バッファ層と、前記多層膜バッファ層6とは、バッファ層に含まれる。
前記各層の膜厚、組成は、本第1実施形態の数値に限定されるわけではなく、ウェハの反り調整等に応じて変化させることが可能である。
前記各層の成長方法としては、一例であるが以下のようにして成長させられる。
成長に先立ち、フッ酸系のエッチャントでSi基板1の表面酸化膜を除去した後に、有機金属気相成長(MOCVD)装置にSi基板1をセットする。基板温度を1100℃に設定し、チャンバー圧力13.3kPaにてSi基板1の表面のクリーニングを行なう。
次に、基板温度・チャンバー圧力を一定とし、アンモニアNH3(12.5slm)を流すことで、Si基板1の表面の窒化を行ない、引き続いて、AlN層2を厚さ200nm(TMA流量=117μmol/min、NH3流量=12.5slm)、基板温度1150℃でAl0.7Ga0.3N層3を厚さ400nm(TMG流量=57μmol/min、TMA流量=97μmol/min、NH3流量=12.5slm)、Al0.4Ga0.6N層4を厚さ400nm(TMG流量=99μmol/min、TMA流量=55μmol/min、NH3流量=12.5slm)、Al0.1Ga0.9N層5を厚さ400nm(TMG流量=137μmol/min、TMA流量=18μmol/min、NH3流量=12.5slm)まで成長する。
その後、第1の層としてのAlN層6a(厚さ3nm)/第2の層としてのAl0.4Ga0.6N層6b(厚さ5nm)/第3の層としてのAl0.1Ga0.9N層6c(30nm)をこの順序で複数回繰り返し成長してなる多層膜バッファ層6を成長する。引き続き、1μm厚のGaN7(TMG流量=50μmol、NH3流量=12.5slm)を成長し、さらにAl0.2Ga0.8N障壁層8(20nm)からなる電子供給層を成長する。
一方、比較例として、上述の第1実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造に対して、図示しないが、多層膜バッファ層の構成のみを変えて、この多層膜バッファ層を、AlN層(厚さ3nm)/Al0.1Ga0.9N層(厚さ30nm)/Al0.4Ga0.6N層(5nm)を基板側からこの順序で複数回繰返してなる窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造のサンプルを作製した。
図1は、前記第1実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の表面と基板1との間の縦方向のリーク電流特性を示す。一方、図2は、前記比較例の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の表面と基板との間の縦方向のリーク電流特性を示す。
この図1と図2を比較すると分かるように、第1実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造は、比較例の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造に比べて、縦方向のリーク電流特性が大幅に改善されている。
リーク特性の歩留りとして、第1実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造では100%であり、一方、比較例の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造では、22.2%であった。
この原因の推定モデルとしては、第1実施形態では、多層膜バッファ層6において、格子定数差による臨界膜厚が大きくなり、リークの発生要因の一つである転位が減少しているためであると考えられる。
(第2実施形態)
図4は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第2実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図4は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第2実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図4に示すように、この窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造は、抵抗率0.01Ω・cmのボロンドープCZSi基板11上に、AlNからなる厚さ100nmの初期成長層12と、厚さ200nmのAl0.7Ga0.3N層13と、厚さ400nmのAl0.4Ga0.6N層14と、厚さ400nmのAl0.1Ga0.9N層15とを順次積層し、その後、第1の層としてのAlN層16a(厚さ3nm)/第2の層としてのAl0.6Ga0.4N層16b(厚さ5nm)/第3の層としてのAl0.1Ga0.9N層16a(厚さ30nm)をこの順序で複数回繰り返して成長してなる多層膜バッファ層(超格子層)16と、GaNからなる厚さ1μmのチャネル層17と、厚さ1nmのAlN特性改善層としてのAlN中間層18と、厚さ20nmのAl0.2Ga0.8N障壁層19と、厚さ1nmのGaNキャップ層20とを順次積層してなる。
前記Al0.7Ga0.3N層13、Al0.4Ga0.6N層14及びAl0.1Ga0.9N層15は、組成傾斜バッファ層を構成し、前記基板11と前記多層膜バッファ層16との間に位置して、前記基板11側から前記多層膜バッファ層16に向けて、Al組成を段階的に減少させている。
また、前記AlN特性改善層としてのAlN中間層18、Al0.2Ga0.8N障壁層19及びGaNキャップ層20は、電子供給層を構成している。
前記各層の膜厚、組成は、本第2実施形態の数値に限定されるわけではなく、ウェハの反り調整等に応じて変化させることが可能である。
前記各層の成長方法としては、一例であるが以下のようにして成長させられる。
成長に先立ち、フッ酸系のエッチャントでSi基板11の表面酸化膜を除去した後に、有機金属気相成長(MOCVD)装置にSi基板11をセットする。
基板温度を1100℃に設定し、チャンバー圧力13.3kPaにて基板表面のクリーニングを行なう。
次に、基板温度・チャンバー圧力を一定とし、アンモニアNH3(12.5slm)を流すことでSi基板11の表面の窒化を行ない、引き続いて、AlN層12を200nm(TMA流量=117μmol/min、NH3流量=12.5slm)、基板温度1150℃でAl0.7Ga0.3N層13を厚さ400nm(TMG流量=57μmol/min、TMA流量=97μmol/min、NH3流量=12.5slm)、Al0.4Ga0.6N層14を厚さ400nm(TMG流量=99μmol/min、TMA流量=55μmol/min、NH3流量=12.5slm)、Al0.1Ga0.9N層15を厚さ400nm(TMG流量=137μmol/min、TMA流量=18μmol/min、NH3流量=12.5slm)を成長する。
その後、第1の層としてのAlN層16a(厚さ3nm)/第2の層としてのAl0.6Ga0.4N層16b(厚さ5nm)/第3の層としてのAl0.1Ga0.9N層16a(厚さ30nm)をこの順序で複数回繰り返し成長してなる多層膜バッファ層16を成長する。引き続き、1μm厚のGaN層17(TMG流量=50μmol、NH3流量=12.5slm)を成長し、さらにAlN特性改善層としてのAlN中間層18(1nm)、Al0.2Ga0.8N障壁層19(20nm)及びGaNキャップ層20(1nm)からなる電子供給層を成長する。
リーク特性の歩留りとして、第2実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造では100%であり、第2実施形態の多層膜バッファ層16を使用していない従来例の場合は16.6%であった。
本第2実施形態の構成要素は、他の実施形態と適合できる範囲で適宜組み合わせることが可能である。
(第3実施形態)
図5は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第3実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図5は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第3実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図5に示すように、この窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造は、抵抗率0.01Ω・cmのボロンドープCZSi基板21上に、AlNからなる厚さ120nmの初期成長層22とを成長する。
次に、第1の層としてのAlN層23a(厚さ5nm)/第2の層としてのAl0.5Ga0.5N層23b(厚さ5nm)/第3の層としてのAl0.2Ga0.8N層23c(厚さ30nm)を複数回繰り返し成長することからなる多層膜バッファ層(超格子層)23と、GaNからなる厚さ1.5μmのチャネル層24と、電子供給層としての25nmのAl0.22Ga0.78N障壁層25とを成長する。
前記各層の膜厚、組成、形成プロセスは、第1及び第2実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
尤も、第1〜第3実施形態の数値に限定されるわけではなく、ウェハの反り調整等に応じて変化させることが可能である。
リーク特性の歩留りとして、第3実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造では100%であり、第3実施形態の多層膜バッファ層23を使用していない従来例の場合は33.3%であった。
本第3実施形態の構成要素は、他の実施形態と適合できる範囲で適宜組み合わせることが可能である。
(第4実施形態)
図6は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第4実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図6は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第4実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図6に示すように、この窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造は、SiC基板31上に、低温で成長を行ったGaNからなる厚さ50nmの初期成長層32、第1の層としてのAlN層33a(厚さ3nm)/第2の層としてのAl0.4Ga0.6N層33b(厚さ5nm)/第3の層としてのAl0.2Ga0.8N層33c(厚さ25nm)を複数回繰り返し成長してなる多層膜バッファ層(超格子層)33とを積層している。さらに、この多層膜バッファ層33上に、GaNからなる厚さ1.5μmのチャネル層34と、図示しない厚さ1nmのAlN特性改善層と、厚さ20nmのAl0.2Ga0.8N障壁層35と、図示しない厚さ1nmのGaNキャップ層とを積層している。
前記AlN特性改善層、Al0.2Ga0.8N障壁層35及びGaNキャップ層は、電子供給層を構成する。
前記各層の膜厚、組成、形成プロセスは、第1〜第3実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
尤も、前記各層の膜厚、組成は、第1〜第4実施形態の数値に限定されるわけではなく、ウェハの反り調整等に応じて変化させることが可能である。
リーク特性の歩留りとして、第4実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造では100%であり、第4実施形態の多層膜バッファ層33を使用していない従来例の場合は18.0%であった。
前記SiC基板31に代えて、Si、GaN、サファイア等からなる基板を使用できて、SiCに限定されるわけではない。
本第4実施形態の構成要素は、他の実施形態と適合できる範囲で適宜組み合わせることが可能である。
(第5実施形態)
図7は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第5実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図7は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第5実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図7に示すように、この窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造は、抵抗率0.01Ω・cmのボロンドープCZSi基板41上に、AlNからなる厚さ100nmの初期成長層42と、厚さ200nmのAl0.7Ga0.3N層43と、厚さ200nmのAl0.5Ga0.5N層44と、厚さ300nmのAl0.3Ga0.7N層45と、厚さ400nmのAl0.1Ga0.9N層46とをこの順序で順次成長する。
前記Al0.7Ga0.3N層43、Al0.5Ga0.5N層44、Al0.3Ga0.7N層45及びAl0.1Ga0.9N層46は、組成傾斜バッファ層を構成する。
その後、前記Al0.1Ga0.9N層46上に、第1の層としてのAlN層47a(厚さ3nm)/第2の層としてのAl0.6Ga0.4N層47b(厚さ5nm)/第3の層としてのGaN層47c(厚さ30nm)を複数回この順序で繰り返し成長してなる多層膜バッファ層(超格子層)47と、GaNからなる厚さ1μmのチャネル層48と、電子供給層としてのAl0.2Ga0.8N障壁層49とを成長している。
各層の膜厚、組成は、第5実施形態の数値に限定されるわけではなく、ウェハの反り調整等に応じて変化させることが可能である。
前記各層の膜厚、組成、形成プロセスは、第1〜第4実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
リーク特性の歩留りとして、第5実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造では100%であり、第5実施形態の多層膜バッファ層47を使用していない従来例の場合は36.6%であった。
本第5実施形態の構成要素は、他の実施形態と適合できる範囲で適宜組み合わせることが可能である。
(第6実施形態)
図8は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第6実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図8は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第6実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図8に示すように、この窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造は、抵抗率0.01Ω・cmのボロンドープCZSi基板51上に、AlNからなる厚さ100nmの初期成長層52と、厚さ200nmのAl0.7Ga0.3N層53と、厚さ400nmのAl0.4Ga0.6N層54と、厚さ400nmのAl0.1Ga0.9N層55とからなる組成傾斜バッファ層を成長する。その後、この組成傾斜バッファ層上に、第1の層としてのAlN層56a(厚さ3nm)/第2の層としてのAl0.3Ga0.7N層56b(厚さ3nm)/第3の層としてのAl0.6Ga0.4N層56c(厚さ5nm)/第4の層としてのAl0.1Ga0.9N層56d(厚さ25nm)を複数回この順序で繰り返して成長してなる多層膜バッファ層(超格子層)56と、GaNからなる厚さ1μmのチャネル層57と、AlN中間層としての1nmのAlN特性改善層58/20nmのAl0.2Ga0.8N障壁層59/1nmのGaNキャップ層60からなる電子供給層とを成長している。
各層の膜厚、組成は、第6実施形態の数値に限定されるわけではなく、ウェハの反り調整等に応じて変化させることが可能である。
前記各層の膜厚、組成、形成プロセスは、第1〜第5実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
リーク特性の歩留りとして、第6実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造では100%であり、第6実施形態の多層膜バッファ層56を使用していない従来例の場合は24.6%であった。
本第6実施形態の構成要素は、他の実施形態と適合できる範囲で適宜組み合わせることが可能である。
(第7実施形態)
図9は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第7実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図9は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第7実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図9に示すように、この窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造は、抵抗率0.01Ω・cmのボロンドープCZSi基板61上に、AlNからなる厚さ120nmの初期成長層62を成長する。
次に、この初期成長層62の上に、第1の層としてのAlN層63a(5nm)/第2の層としてのAl0.4Ga0.6N層63b(5nm)/第3の層としてのAl0.2Ga0.8N層63c(25nm)をこの順序で複数回繰り返して成長してなる多層膜バッファ層(超格子層)63と、GaNからなる厚さ1.5μmのチャネル層64と、電子供給層としての25nmのAl0.22Ga0.78N障壁層65とを成長する。
各層の膜厚、組成は、第7実施形態の数値に限定されるわけではなく、ウェハの反り調整等に応じて変化させることが可能である。
前記各層の膜厚、組成、形成プロセスは、第1〜第6実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
リーク特性の歩留りとして、第7実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造では100%であり、第7実施形態の多層膜バッファ層63を使用していない従来例の場合は31.6%であった。
本第7実施形態の構成要素は、他の実施形態と適合できる範囲で適宜組み合わせることが可能である。
(第8実施形態)
図10は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第8実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図10は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第8実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図10に示すように、この窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造は、抵抗率0.01Ω・cmのボロンドープCZSi基板71上に、AlNからなる厚さ100nmの初期成長層72と、厚さ200nmのAl0.7Ga0.3N層53と、厚さ400nmのAl0.4Ga0.6N層74と、厚さ400nmのAl0.1Ga0.9N層75とからなる組成傾斜バッファ層を成長している。その後、この組成傾斜バッファ層上に、第1の層としてのAlN層76a(3nm)/第2の層としてのAl0.5Ga0.5N層76b(4nm)/第3の層としてのAl0.6Ga0.4N層76c(4nm)を複数回この順序で繰り返して成長してなる多層膜バッファ層(超格子層)76と、GaNからなる厚さ1μmのチャネル層77と、電子供給層としての厚さ20nmのAl0.2Ga0.8N障壁層78とを成長している。
各層の膜厚、組成は、第8実施形態の数値に限定されるわけではなく、ウェハの反り調整等に応じて変化させることが可能である。
前記各層の膜厚、組成、形成プロセスは、第1〜第7実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
リーク特性の歩留りとして、第8実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造では100%であり、第8実施形態の多層膜バッファ層76を使用していない従来例の場合は16.6%であった。
本第8実施形態の構成要素は、他の実施形態と適合できる範囲で適宜組み合わせることが可能である。
(第9実施形態)
図11は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第9実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図11は、本発明の窒化物半導体積層構造の一例としての第9実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造の断面図である。
図11に示すように、この窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造は、抵抗率0.01Ω・cmのボロンドープCZSi基板81上に、AlNからなる厚さ100nmの初期成長層82と、厚さ200nmのAl0.7Ga0.3N層83と、厚さ400nmのAl0.4Ga0.6N層84と、厚さ400nmのAl0.1Ga0.9N層85とからなる組成傾斜バッファ層を成長している。その後、この組成傾斜バッファ層上に、第1の層としてのAlN層86a(厚さ3nm)/第2の層としてのAl0.3Ga0.7N層76b(厚さ3nm)/第3の層としてのAl0.1Ga0.9N層76c(厚さ25nm)/第4の層としてのAl0.6Ga0.4N層86d(厚さ5nm)を複数回この順序で繰り返して成長してなる多層膜バッファ層(超格子層)86と、GaNからなる厚さ1μmのチャネル層87と、電子供給層としての厚さ25nmのAl0.2Ga0.8N障壁層88とを成長している。
各層の膜厚、組成は、第9実施形態の数値に限定されるわけではなく、ウェハの反り調整等に応じて変化させることが可能である。
前記各層の膜厚、組成、形成プロセスは、第1〜第8実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
リーク特性の歩留りとして、第9実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造では100%であり、第9実施形態の多層膜バッファ層86を使用していない従来例の場合は21.0%であった。
本第9実施形態の構成要素は、他の実施形態と適合できる範囲で適宜組み合わせることが可能である。
(第10実施形態)
第1〜第9実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造に、チャネル層に通じるドレイン電極及びソース電極を設け、チャネル層上に絶縁膜を介して位置するゲート電極を設けて、電子デバイスの一例としての窒化物電界効果トランジスタを作製することができる。
第1〜第9実施形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造に、チャネル層に通じるドレイン電極及びソース電極を設け、チャネル層上に絶縁膜を介して位置するゲート電極を設けて、電子デバイスの一例としての窒化物電界効果トランジスタを作製することができる。
この第10実施形態では、電子デバイスとして、窒化物電界効果トランジスタを述べたが、電子デバイスは、窒化物IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等であってもよいことは勿論である。
前記第1〜第9実施形態において、多層膜バッファ層(超格子層)における繰返し層数は、6層まで確認したが、格子定数差による臨界膜厚の変化が転位の発生、しいてはリーク特性に影響を与えているモデルを考えると7層以上でも効果があると合理的に推認できる。
また、第1〜第9実施形態において、多層膜バッファ層の第1〜第n層(nは3以上の任意の整数)の組成を適宜調整して、第1〜第n層の格子定数を段階的に減少させてもよく、あるいは、第1〜第n層の格子定数を段階的に増大させてもよい。
こうすれば、多層膜バッファ層における格子定数の急激な変化を抑制することが可能となり、臨界膜厚が伸び、転位の発生を低減できる。この結果、リーク電流特性等の電気特性を改善することができる。
第1〜第10実施形態および変形例で述べた構成要素は、適宜、組み合わせてもよく、また、適宜、選択、置換、あるいは、削除してもよいのは、勿論である。
本発明および実施形態を纏めると、次のようになる。
本発明の窒化物半導体積層構造は、
少なくとも、基板1,11,21,31,41,51,61,71,81、バッファ層、チャネル層7,17,24,34,48,57,64,77,87及び電子供給層8,18,19,20,25,35,49,58,59,60,65,78,88を有し、
前記バッファ層は、
組成式Al(x1)In(y1)Ga(1−(x1)−(y1))As(u1)P(v1)N(1−(u1)−(v1))(0≦x1≦1、0≦y1≦1、x1+y1≦1、0≦u1<1、0≦v1<1、u1+v1<1)からなる第1の層と、
組成式Al(x2)In(y2)Ga(1−(x2)−(y2))As(u2)P(v2)N(1−(u2)−(v2))(0≦x2≦1、0≦y2≦1、x2+y2≦1、0≦u2<1、0≦v2<1、u2+v2<1)からなる第2の層と、
kは、k≧3を満たす整数として、nは3からkまでの各整数をとるとして、
組成式Al(x(n))In(y(n))Ga(1−(x(n))−(y(n)))As(u(n))P(v(n))N(1―(u(n))―(v(n)))(0≦x(n)≦1、0≦y(n)≦1、x(n)+y(n)≦1、0≦u(n)<1、0≦v(n)<1、u(n)+v(n)<1)からなる第nの層と
を有する多層膜バッファ層6,16,23,33,47,56,63,76,86を含むことを特徴としている。
少なくとも、基板1,11,21,31,41,51,61,71,81、バッファ層、チャネル層7,17,24,34,48,57,64,77,87及び電子供給層8,18,19,20,25,35,49,58,59,60,65,78,88を有し、
前記バッファ層は、
組成式Al(x1)In(y1)Ga(1−(x1)−(y1))As(u1)P(v1)N(1−(u1)−(v1))(0≦x1≦1、0≦y1≦1、x1+y1≦1、0≦u1<1、0≦v1<1、u1+v1<1)からなる第1の層と、
組成式Al(x2)In(y2)Ga(1−(x2)−(y2))As(u2)P(v2)N(1−(u2)−(v2))(0≦x2≦1、0≦y2≦1、x2+y2≦1、0≦u2<1、0≦v2<1、u2+v2<1)からなる第2の層と、
kは、k≧3を満たす整数として、nは3からkまでの各整数をとるとして、
組成式Al(x(n))In(y(n))Ga(1−(x(n))−(y(n)))As(u(n))P(v(n))N(1―(u(n))―(v(n)))(0≦x(n)≦1、0≦y(n)≦1、x(n)+y(n)≦1、0≦u(n)<1、0≦v(n)<1、u(n)+v(n)<1)からなる第nの層と
を有する多層膜バッファ層6,16,23,33,47,56,63,76,86を含むことを特徴としている。
前記構成の窒化物半導体積層構造によれば、前記バッファ層は前記多層膜バッファ層6,16,23,33,47,56,63,76,86を含むので、破壊耐圧の低減と、リーク電流特性の増大とを防止できる。
1実施形態では、
前記基板1,11,41,51,71,81と前記多層膜バッファ層6,16,47,56,76,86との間に、前記基板1,11,41,51,71,81側から前記多層膜バッファ層6,16,47,56,76,86に向けて、Al組成を段階的に減少させた複数のAlGaN層3,4,5,13,14,15,43,44,45,46,53,54,55,73,74,75,83,84,85を有する。
前記基板1,11,41,51,71,81と前記多層膜バッファ層6,16,47,56,76,86との間に、前記基板1,11,41,51,71,81側から前記多層膜バッファ層6,16,47,56,76,86に向けて、Al組成を段階的に減少させた複数のAlGaN層3,4,5,13,14,15,43,44,45,46,53,54,55,73,74,75,83,84,85を有する。
前記実施形態によれば、前記基板1,11,41,51,71,81側から前記多層膜バッファ層6,16,47,56,76,86に向けて、Al組成を段階的に減少させた複数のAlGaN層3,4,5,13,14,15,43,44,45,46,53,54,55,73,74,75,83,84,85が、組成傾斜バッファ層として機能して、この組成傾斜バッファ層と多層膜バッファ層6,16,47,56,76,86との相乗作用によって、基板1,11,41,51,71,81から表面方向に延びる転位の発生を低減して、表面と基板1,11,41,51,71,81の間の縦方向の破壊耐圧の低減及びリーク電流特性の増大を防止できる。
1実施形態では、
前記多層膜バッファ層6,16,23,33,47,56,63,76,86は、前記第1の層上に第2の層、第2の層上に第3の層、……第(n−1)の層上に第nの層、第nの層上に第1の層という構成の繰返し構造を有し、
前記第1から第nの層の各層の格子定数が、
第1の層の格子定数>第2の層の格子定数>第3の層の格子定数>……>第(n−1)の層の格子定数>第nの層の格子定数
の関係がある。
前記多層膜バッファ層6,16,23,33,47,56,63,76,86は、前記第1の層上に第2の層、第2の層上に第3の層、……第(n−1)の層上に第nの層、第nの層上に第1の層という構成の繰返し構造を有し、
前記第1から第nの層の各層の格子定数が、
第1の層の格子定数>第2の層の格子定数>第3の層の格子定数>……>第(n−1)の層の格子定数>第nの層の格子定数
の関係がある。
前記実施形態によれば、多層膜バッファ層6,16,23,33,47,56,63,76,86における第1〜第nの層の格子定数の急激な変化を抑制することが可能となり、臨界膜厚が伸び、転位の発生を低減できる。この結果、リーク電流特性等の電気特性を改善することができる。
1実施形態では、
前記多層膜バッファ層6,16,23,33,47,56,63,76,86は、前記第1の層上に第2の層、第2の層上に第3の層、……第(n−1)の層上に第nの層、第nの層上に第1の層という構成の繰返し構造を有し、
前記第nから第1の層の各層の格子定数が、
第nの層の格子定数>第(n−1)の層の格子定数>……第3の層の格子定数>>第2の層の格子定数>第1の層の格子定数
の関係がある。
前記多層膜バッファ層6,16,23,33,47,56,63,76,86は、前記第1の層上に第2の層、第2の層上に第3の層、……第(n−1)の層上に第nの層、第nの層上に第1の層という構成の繰返し構造を有し、
前記第nから第1の層の各層の格子定数が、
第nの層の格子定数>第(n−1)の層の格子定数>……第3の層の格子定数>>第2の層の格子定数>第1の層の格子定数
の関係がある。
前記実施形態によれば、多層膜バッファ層6,16,23,33,47,56,63,76,86における第1〜第nの層の格子定数の急激な変化を抑制することが可能となり、臨界膜厚が伸び、転位の発生を低減できる。この結果、リーク電流特性等の電気特性を改善することができる。
本発明の電子デバイスは、上述の窒化物半導体積層構造を用いている。
本発明の電子デバイスは、前記窒化物半導体積層構造を用いているので、破壊耐圧を増大でき、リーク電流を低減することができる。
1,11,21,31,41,51,61,71,81 基板
3,4,5,13,14,15,43,44,45,46,53,54,55,73,74,75,83,84,85 AlGaN層
6,16,23,33,47,56,63,76,86 多層膜バッファ層
7,17,24,34,48,57,64,77,87 チャネル層
8,18,19,20,25,35,49,58,59,60,65,78,88 電子供給層
3,4,5,13,14,15,43,44,45,46,53,54,55,73,74,75,83,84,85 AlGaN層
6,16,23,33,47,56,63,76,86 多層膜バッファ層
7,17,24,34,48,57,64,77,87 チャネル層
8,18,19,20,25,35,49,58,59,60,65,78,88 電子供給層
Claims (5)
- 少なくとも、基板、バッファ層、チャネル層及び電子供給層を有し、
前記バッファ層は、
組成式Al(x1)In(y1)Ga(1−(x1)−(y1))As(u1)P(v1)N(1−(u1)−(v1))(0≦x1≦1、0≦y1≦1、x1+y1≦1、0≦u1<1、0≦v1<1、u1+v1<1)からなる第1の層と、
組成式Al(x2)In(y2)Ga(1−(x2)−(y2))As(u2)P(v2)N(1−(u2)−(v2))(0≦x2≦1、0≦y2≦1、x2+y2≦1、0≦u2<1、0≦v2<1、u2+v2<1)からなる第2の層と、
kは、k≧3を満たす整数として、nは3からkまでの各整数をとるとして、
組成式Al(x(n))In(y(n))Ga(1−(x(n))−(y(n)))As(u(n))P(v(n))N(1―(u(n))―(v(n)))(0≦x(n)≦1、0≦y(n)≦1、x(n)+y(n)≦1、0≦u(n)<1、0≦v(n)<1、u(n)+v(n)<1)からなる第nの層と
を有する多層膜バッファ層
を含むことを特徴とする窒化物半導体積層構造。 - 請求項1に記載の窒化物半導体積層構造において、
前記基板と前記多層膜バッファ層との間に、前記基板側から前記多層膜バッファ層に向けて、Al組成を段階的に減少させた複数のAlGaN層を有することを特徴とする窒化物半導体積層構造。 - 請求項1または2に記載の窒化物半導体積層構造において、
前記多層膜バッファ層は、前記第1の層上に第2の層、第2の層上に第3の層、……第(n−1)の層上に第nの層、第nの層上に第1の層という構成の繰返し構造を有し、
前記第1から第nの層の各層の格子定数が、
第1の層の格子定数>第2の層の格子定数>第3の層の格子定数>……>第(n−1)の層の格子定数>第nの層の格子定数
の関係があることを特徴とする窒化物半導体積層構造。 - 請求項1または2に記載の窒化物半導体積層構造において、
前記多層膜バッファ層は、前記第1の層上に第2の層、第2の層上に第3の層、……第(n−1)の層上に第nの層、第nの層上に第1の層という構成の繰返し構造を有し、
前記第nから第1の層の各層の格子定数が、
第nの層の格子定数>第(n−1)の層の格子定数>……第3の層の格子定数>>第2の層の格子定数>第1の層の格子定数
の関係があることを特徴とする窒化物半導体積層構造。 - 請求項1から4のいずれか1つ記載の窒化物半導体積層構造を用いることを特徴とする電子デバイス。
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