JP2020161738A - Group iii nitride semiconductor element and manufacturing method of the same - Google Patents

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啓 大野
山下 賢哉
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田村 聡之
Satoyuki Tamura
聡之 田村
柴田 大輔
Daisuke Shibata
大輔 柴田
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Abstract

To provide a group iii nitride semiconductor element with a high breakdown voltage performance.SOLUTION: A group iii nitride semiconductor element comprises: a substrate 101 formed by a single crystal substance expressed by a general formula of RAMO4; a M containing layer 102 positioned on the substrate 101 and containing an element expressed by M in the generation formula; an n-type layer 103 positioned on the M containing layer 102; and a drain electrode 112 penetrating the substrate 101. In the general formula, R expresses one or a plurality of trivalent elements selected from a group of Sc, In, Y, and lanthanoid element, A expresses one or the plurality of trivalent elements selected from a group of Fe(III), Ga, and Al, and M is one or a plurality of bivalent elements selected from a group of Mg, Mn, Fe(II), Co, Cu, Zn, and Cd.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、III族窒化物半導体素子およびその製造方法に関する。 The present disclosure relates to a group III nitride semiconductor device and a method for manufacturing the same.

窒化ガリウム(GaN)に代表されるIII族窒化物系化合物半導体、いわゆる窒化物半導体は、発光ダイオード(LED)およびレーザーダイオード(LD)、ならびにパワーデバイスなどの新しいデバイスの材料として注目を集めている。窒化物半導体は、例えば、一般式がInGaAl1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)で表される、III族元素であるインジウム(In)、ガリウム(Ga)およびアルミニウム(Al)と、V族元素である窒素(N)とからなる化合物半導体である。以下、多元混晶はそれぞれの構成元素記号の配列、例えばAlInN、GaInN、AlGaInNなどのように略記される。 Group III nitride compound semiconductors represented by gallium nitride (GaN), so-called nitride semiconductors, are attracting attention as materials for new devices such as light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs), as well as power devices. .. Nitride semiconductor, for example, the general formula of In x Ga y Al 1-x -y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1), a group III element indium ( It is a compound semiconductor composed of In), gallium (Ga), aluminum (Al), and nitrogen (N), which is a group V element. Hereinafter, the multi-element mixed crystal is abbreviated as an arrangement of each constituent element symbol, for example, AlInN, GaInN, AlGaInN, and the like.

この中で、GaNおよびAlNは、バンドギャップがそれぞれ室温で3.4eV、6.2eVと大きいワイドギャップ半導体であり、絶縁破壊電界が大きく、電子の飽和ドリフト速度がGaAsなどの化合物半導体またはSi半導体などに比べて大きいという特長を有している。このため、高出力化かつ高耐圧化に有利な窒化物半導体を用いたパワートランジスタの研究開発が現在、活発に行われている(例えば、特許文献1又は特許文献2を参照)。 Among them, GaN and AlN are wide-gap semiconductors having a large bandgap of 3.4 eV and 6.2 eV at room temperature, respectively, a large dielectric breakdown electric field, and a compound semiconductor such as GaAs or a Si semiconductor having an electron saturation drift rate. It has the feature that it is larger than the above. For this reason, research and development of a power transistor using a nitride semiconductor which is advantageous for high output and high withstand voltage is currently being actively carried out (see, for example, Patent Document 1 or Patent Document 2).

特開2012−84617号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-84417 国際公開第2015/122135号International Publication No. 2015/122135

縦型GaNトランジスタでは、下地基板(種基板ともいう)に起因する窒化物半導体層の貫通転位密度がデバイスの耐圧に相関する場合がある。このため、より高品質な窒化物半導体層を形成できる下地基板が望まれる。 In a vertical GaN transistor, the through-dislocation density of the nitride semiconductor layer due to the underlying substrate (also referred to as a seed substrate) may correlate with the withstand voltage of the device. Therefore, a base substrate capable of forming a higher quality nitride semiconductor layer is desired.

本開示は、上記の課題を鑑みて、耐圧性能の高いIII族窒化物半導体素子およびその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, it is an object of the present disclosure to provide a group III nitride semiconductor device having high withstand voltage performance and a method for manufacturing the same.

本開示の一態様に係るIII族窒化物半導体素子は、一般式RAMOで表される単結晶体からなるRAMO基板と、前記RAMO基板上に位置し、前記一般式においてMで表される元素を含んでいるM含有III族窒化物層と、前記M含有III族窒化物層上に位置するn型III族窒化物層と、前記RAMO基板を貫通する電極とを、備える。前記一般式において、Rは、Sc、In、Yおよびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、GaおよびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、ZnおよびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す。 Group III nitride semiconductor device according to an embodiment of the present disclosure includes a RAMO 4 substrate made of single crystal represented by the general formula RAMO 4, located in the RAMO 4 substrate, represented by M in the general formula It is provided with an M-containing group III nitride layer containing the element, an n-type group III nitride layer located on the M-containing group III nitride layer, and an electrode penetrating the RAMO 4 substrate. In the above general formula, R represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Sc, In, Y and lanthanoid elements, and A is the group consisting of Fe (III), Ga and Al. Represents one or more trivalent elements selected from, where M is one or more divalent elements selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe (II), Co, Cu, Zn and Cd. Represents an element.

また、本開示の一態様に係るIII族窒化物半導体素子の製造方法は、一般式RAMOで表される単結晶体からなるRAMO基板上に、前記一般式においてMで表される元素を含んでいるM含有III族窒化物層と、前記M含有III族窒化物層上に位置するn型III族窒化物層とを順次積層する工程と、前記RAMO基板を貫通する貫通孔をエッチングにより形成する工程と、前記貫通孔内に露出した前記M含有III族窒化物層をエッチングにより除去する工程と、前記貫通孔を介して、前記n型III族窒化物層に接続される電極を形成する工程とを含む。前記一般式において、Rは、Sc、In、Yおよびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、GaおよびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、ZnおよびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す。 Further, in the method for manufacturing a group III nitride semiconductor element according to one aspect of the present disclosure, an element represented by M in the general formula is placed on a RAMO 4 substrate made of a single crystal represented by the general formula RAMO 4. A step of sequentially laminating an M-containing group III nitride layer contained therein and an n-type group III nitride layer located on the M-containing group III nitride layer, and etching a through hole penetrating the RAMO 4 substrate. A step of removing the M-containing group III nitride layer exposed in the through hole by etching, and an electrode connected to the n-type group III nitride layer through the through hole. Including the step of forming. In the above general formula, R represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Sc, In, Y and lanthanoid elements, and A is the group consisting of Fe (III), Ga and Al. Represents one or more trivalent elements selected from, where M is one or more divalent elements selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe (II), Co, Cu, Zn and Cd. Represents an element.

本開示によれば、耐圧性能の高いIII族窒化物半導体素子およびその製造方法を提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a group III nitride semiconductor device having high withstand voltage performance and a method for manufacturing the same.

図1は、実施の形態1に係る縦型電界効果トランジスタの構造を示す模式的な断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the vertical field effect transistor according to the first embodiment. 図2は、ScAlMgOの結晶構造を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a crystal structure of ScAlMgO 4 . 図3は、GaNを基準とした各材料の格子不整合と熱膨張係数差との関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the lattice mismatch of each material based on GaN and the difference in the coefficient of thermal expansion. 図4は、下地基板の種類とGaN成長層の貫通転位密度との関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the type of the substrate and the penetration dislocation density of the GaN growth layer. 図5は、下地基板のコストとGaN成長層の貫通転位密度との関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the cost of the base substrate and the penetration dislocation density of the GaN growth layer. 図6は、GaN系の縦型電界効果トランジスタにおける貫通転位密度と耐圧との関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the through-dislocation density and the withstand voltage in a GaN-based vertical field effect transistor. 図7は、実施の形態に係る電界効果トランジスタにおける窒化物半導体層および下地基板の不純物濃度プロファイルを示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an impurity concentration profile of the nitride semiconductor layer and the underlying substrate in the field effect transistor according to the embodiment. 図8Aは、GaN中の不純物濃度とGaNの格子定数との関係を示す図である。FIG. 8A is a diagram showing the relationship between the impurity concentration in GaN and the lattice constant of GaN. 図8Bは、GaN中の不純物濃度とScAlMgOに対する格子不整合との関係を示す図である。Figure 8B is a diagram showing the relationship between lattice mismatch with respect to the impurity concentration and ScAlMgO 4 in GaN. 図9は、ScAlMgOとMg含有GaN層との界面近傍のTEM像である。FIG. 9 is a TEM image of the vicinity of the interface between ScAlMgO 4 and the Mg-containing GaN layer. 図10は、実施の形態の変形例に係るIII族窒化物半導体素子の構造を示す模式的な断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the group III nitride semiconductor element according to the modified example of the embodiment.

(本開示の概要)
本開示の一態様に係るIII族窒化物半導体素子は、一般式RAMOで表される単結晶体からなるRAMO基板と、前記RAMO基板上に位置し、前記一般式においてMで表される元素を含んでいるM含有III族窒化物層と、前記M含有III族窒化物層上に位置するn型III族窒化物層と、前記RAMO基板を貫通する電極とを備える。前記一般式において、Rは、Sc、In、Yおよびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、GaおよびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、ZnおよびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す。
(Summary of this disclosure)
Group III nitride semiconductor device according to an embodiment of the present disclosure includes a RAMO 4 substrate made of single crystal represented by the general formula RAMO 4, located in the RAMO 4 substrate, represented by M in the general formula It includes an M-containing group III nitride layer containing the elements, an n-type group III nitride layer located on the M-containing group III nitride layer, and an electrode penetrating the RAMO 4 substrate. In the above general formula, R represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Sc, In, Y and lanthanoid elements, and A is the group consisting of Fe (III), Ga and Al. Represents one or more trivalent elements selected from, where M is one or more divalent elements selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe (II), Co, Cu, Zn and Cd. Represents an element.

本構成により、RAMO基板上に高品質な窒化物半導体層を形成することができ、耐圧の高いIII族窒化物半導体素子を実現することができる。III族窒化物半導体素子は、例えばGaN系縦型電界効果トランジスタである。 With this configuration, a high-quality nitride semiconductor layer can be formed on the RAMO 4 substrate, and a group III nitride semiconductor element having a high withstand voltage can be realized. The group III nitride semiconductor device is, for example, a GaN-based vertical field effect transistor.

なお、従来の構成の導電性GaN基板を用いた縦型GaNトランジスタには、GaN基板自体のコストが非常に高く、デバイスチップの価格が普及可能な価格帯に入ってこないために産業界での利用が広がらないという問題がある。GaN基板自体の低コスト化の取り組みは、基板メーカーを中心に精力的に行われているが、大幅なコストダウンにはかなり時間を要する状況である。このため、GaN基板以外の下地基板を用いることによるIII族窒化物半導体素子が求められている。 It should be noted that the cost of the GaN substrate itself is very high for the vertical GaN transistor using the conductive GaN substrate having the conventional configuration, and the price of the device chip does not fall into the popular price range. There is a problem that the usage does not spread. Efforts to reduce the cost of the GaN substrate itself are being energetically carried out mainly by substrate manufacturers, but it takes a considerable amount of time to significantly reduce the cost. Therefore, there is a demand for group III nitride semiconductor devices by using a base substrate other than the GaN substrate.

これに対して、本開示の一態様では、RAMO基板が下地基板として用いられる。これにより、低コスト化と耐圧性能の向上とを両立することができるIII族窒化物半導体素子を実現することができる。 On the other hand, in one aspect of the present disclosure, the RAMO 4 substrate is used as the substrate. As a result, it is possible to realize a group III nitride semiconductor device that can achieve both cost reduction and improvement in withstand voltage performance.

また、例えば、本開示の一態様に係るIII族窒化物半導体素子においては、前記電極は、前記M含有III族窒化物層を貫通して前記n型III族窒化物層と接続されていてもよい。 Further, for example, in the group III nitride semiconductor device according to one aspect of the present disclosure, even if the electrode penetrates the M-containing group III nitride layer and is connected to the n-type group III nitride layer. Good.

本構成により、縦方向に電流の流れるGaN系縦型電界効果トランジスタを実現できる。 With this configuration, a GaN-based vertical field effect transistor in which a current flows in the vertical direction can be realized.

また、例えば、本開示の一態様に係るIII族窒化物半導体素子においては、前記RはScであり、前記AはAlであり、前記MはMgであってもよい。 Further, for example, in the group III nitride semiconductor device according to one aspect of the present disclosure, the R may be Sc, the A may be Al, and the M may be Mg.

本構成により、よりGaNの格子定数に近いScAlMgO基板を下地基板として用いることで、低転位密度のGaN系縦型電界効果トランジスタを実現できる。 This configuration, the ScAlMgO 4 substrate closer to GaN in lattice constant by using as a base substrate, can be realized vertical GaN-based FET of low dislocation density.

また、例えば、本開示の一態様に係るIII族窒化物半導体素子においては、前記M含有III族窒化物層は、前記Mで表される元素の含有濃度が1020cm−3台となる領域を含んでもよい。 Further, for example, in the group III nitride semiconductor device according to one aspect of the present disclosure, the M-containing group III nitride layer has a region in which the content concentration of the element represented by M is 10 20 cm- 3 units. May include.

本構成により、ScAlMgO基板と窒化物半導体層との格子不整合をさらに小さくすることができ、低転位密度のGaN系縦型電界効果トランジスタを実現できる。 This configuration makes it possible to further reduce the lattice mismatch between the ScAlMgO 4 substrate and the nitride semiconductor layer, it is possible to realize a GaN-based vertical field effect transistor of the low dislocation density.

また、例えば、本開示の一態様に係るIII族窒化物半導体素子においては、前記M含有III族窒化物層の厚みは、50nm以上2000nm以下であり、前記M含有III族窒化物層は、p型導電層または高抵抗層であってもよい。 Further, for example, in the group III nitride semiconductor device according to one aspect of the present disclosure, the thickness of the M-containing group III nitride layer is 50 nm or more and 2000 nm or less, and the M-containing group III nitride layer is p. It may be a type conductive layer or a high resistance layer.

本構成により、M含有III族窒化物層を貫通する電極を形成することができ、導電性を有しないScAlMgO基板を用いてGaN系縦型電界効果トランジスタを実現できる。 This configuration makes it possible to form an electrode which penetrates the M-containing III-nitride layer can be realized vertical GaN-based field effect transistor with ScAlMgO 4 substrate having no conductivity.

また、例えば、本開示の一態様に係るIII族窒化物半導体素子においては、前記n型III族窒化物層は、SiまたはOをn型ドーパントとして含み、前記n型III族窒化物層において、前記n型ドーパントの含有濃度は、前記Mで表される元素の含有濃度よりも大きくてもよい。 Further, for example, in the group III nitride semiconductor device according to one aspect of the present disclosure, the n-type III nitride layer contains Si or O as an n-type dopant, and the n-type III nitride layer contains Si or O as an n-type dopant. The content concentration of the n-type dopant may be larger than the content concentration of the element represented by M.

本構成により、n型III族窒化物層を低抵抗なn型導電層とすることができ、高性能なGaN系縦型電界効果トランジスタを実現できる。 With this configuration, the n-type group III nitride layer can be made into a low-resistance n-type conductive layer, and a high-performance GaN-based vertical field-effect transistor can be realized.

また、例えば、本開示の一態様に係るIII族窒化物半導体素子においては、前記RAMO基板の厚みは、50μm以上400μm以下であってもよい。 Further, for example, in the group III nitride semiconductor device according to one aspect of the present disclosure, the thickness of the RAMO 4 substrate may be 50 μm or more and 400 μm or less.

本構成により、RAMO基板を貫通する電極を形成しつつ、デバイスチップの強度を保つことができ、高性能なGaN系縦型電界効果トランジスタを実現できる。 With this configuration, the strength of the device chip can be maintained while forming an electrode penetrating the RAMO 4 substrate, and a high-performance GaN-based vertical field effect transistor can be realized.

また、例えば、本開示の一態様に係るIII族窒化物半導体素子においては、前記n型III族窒化物層を含む窒化物半導体層の最表面における貫通転位密度は、1×10cm−2以下であってもよい。 Further, for example, in the group III nitride semiconductor device according to one aspect of the present disclosure, the through-dislocation density on the outermost surface of the nitride semiconductor layer including the n-type group III nitride layer is 1 × 10 8 cm- 2. It may be as follows.

本構成により、貫通転位密度が低減されているので、耐圧性能の高いGaN系縦型電界効果トランジスタを実現できる。 Since the through-dislocation density is reduced by this configuration, a GaN-based vertical field effect transistor having high withstand voltage performance can be realized.

また、本開示の一態様に係るIII族窒化物半導体素子の製造方法は、一般式RAMOで表される単結晶体からなる基板上に、前記一般式においてMで表される元素を含んでいるM含有III族窒化物層と、前記M含有III族窒化物層上に位置するn型III族窒化物層とを順次積層する工程と、前記RAMO基板を貫通する貫通孔をエッチングにより形成する工程と、前記貫通孔内に露出した前記M含有III族窒化物層をエッチングにより除去する工程と、前記貫通孔を介して、前記n型III族窒化物層に接続される電極を形成する工程とを含む。 Further, the method for manufacturing a group III nitride semiconductor device according to one aspect of the present disclosure includes an element represented by M in the general formula on a substrate made of a single crystal represented by the general formula RAMO 4. A step of sequentially laminating an M-containing group III nitride layer and an n-type III-nitride layer located on the M-containing group III nitride layer, and forming a through hole penetrating the RAMO 4 substrate by etching. The step of removing the M-containing group III nitride layer exposed in the through hole by etching, and forming an electrode connected to the n-type group III nitride layer through the through hole. Includes steps.

本構成により、RAMO基板上に高品質な窒化物半導体層を形成することができ、耐圧の高いIII族窒化物半導体素子を製造することができる。例えば導電性を有しないScAlMgO基板を用いた場合であっても、GaN系縦型電界効果トランジスタを実現できる。 With this configuration, a high-quality nitride semiconductor layer can be formed on the RAMO 4 substrate, and a group III nitride semiconductor element having a high withstand voltage can be manufactured. For example, even in the case of using ScAlMgO 4 substrate having no conductivity, it is possible to realize a vertical GaN-based field effect transistor.

また、例えば、本開示の一態様に係るIII族窒化物半導体素子の製造方法においては、前記貫通孔をエッチングにより形成する工程では、硫酸および過酸化水素水の混合液を50℃以上に加熱したエッチング液に前記RAMO基板を浸漬することで、前記エッチングを実施する工程であってもよい。 Further, for example, in the method for producing a group III nitride semiconductor device according to one aspect of the present disclosure, in the step of forming the through holes by etching, a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution was heated to 50 ° C. or higher. The step of performing the etching may be performed by immersing the RAMO 4 substrate in the etching solution.

本構成により、厚みのあるRAMO基板に貫通孔を形成し、GaN系縦型電界効果トランジスタを実現できる。 With this configuration, a through hole is formed in the thick RAMO 4 substrate, and a GaN-based vertical field effect transistor can be realized.

以下では、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments will be specifically described with reference to the drawings.

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、製造工程、製造工程の順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 It should be noted that all of the embodiments described below show comprehensive or specific examples. The numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of the components, manufacturing processes, order of manufacturing processes, etc. shown in the following embodiments are examples, and are not intended to limit the present disclosure. Further, among the components in the following embodiments, the components not described in the independent claims will be described as arbitrary components.

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化する。 Further, each figure is a schematic view and is not necessarily exactly illustrated. Therefore, for example, the scales and the like do not always match in each figure. Further, in each figure, substantially the same configuration is designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted or simplified.

また、本明細書において、平行、一致または均一などの要素間の関係性を示す用語、および、矩形または台形などの要素の形状を示す用語、並びに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数%程度の差異をも含むことを意味する表現である。 Further, in the present specification, a term indicating a relationship between elements such as parallel, coincident or uniform, a term indicating an element shape such as a rectangle or a trapezoid, and a numerical range are expressions expressing only strict meanings. Rather, it is an expression that means that a substantially equivalent range, for example, a difference of about several percent is included.

また、本明細書において、「上方」および「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向(鉛直上方)および下方向(鉛直下方)を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」および「下方」という用語は、2つの構成要素が互いに間隔を空けて配置されて2つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、2つの構成要素が互いに密着して配置されて2つの構成要素が接する場合にも適用される。 Further, in the present specification, the terms "upper" and "lower" do not refer to the upward direction (vertically upward) and the downward direction (vertically downward) in absolute spatial recognition, but are based on the stacking order in the stacking configuration. It is used as a term defined by the relative positional relationship with. Also, the terms "upper" and "lower" are used not only when the two components are spaced apart from each other and another component exists between the two components, but also when the two components It also applies when the two components are placed in close contact with each other and touch each other.

(実施の形態)
[構成]
まず、実施の形態に係るIII族窒化物半導体素子の構成について、図1を用いて説明する。
(Embodiment)
[Constitution]
First, the configuration of the group III nitride semiconductor device according to the embodiment will be described with reference to FIG.

図1は、実施の形態に係る縦型の電界効果トランジスタ100の構造を示す模式的な断面図である。電界効果トランジスタ100は、III族窒化物半導体素子の一例である。図1に示されるように、電界効果トランジスタ100は、基板101と、M含有層102と、n型層103と、ドリフト層104と、第1下地層105と、第2下地層106と、第3下地層107と、第1再成長層108と、第2再成長層と、第3再成長層109と、ゲート電極110と、ソース電極111と、ドレイン電極112と、ゲート開口部113と、貫通孔114とを備える。なお、図1において、第2再成長層は、第1再成長層108と第3再成長層109との間に位置しているが、層厚が薄いため、その図示は省略されている。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the vertical field effect transistor 100 according to the embodiment. The field effect transistor 100 is an example of a group III nitride semiconductor device. As shown in FIG. 1, the field effect transistor 100 includes a substrate 101, an M-containing layer 102, an n-type layer 103, a drift layer 104, a first base layer 105, a second base layer 106, and a second base layer 106. 3 Underlayer 107, 1st regrowth layer 108, 2nd regrowth layer, 3rd regrowth layer 109, gate electrode 110, source electrode 111, drain electrode 112, gate opening 113, It is provided with a through hole 114. In FIG. 1, the second regrowth layer is located between the first regrowth layer 108 and the third regrowth layer 109, but its description is omitted because the layer thickness is thin.

電界効果トランジスタ100は、GaNおよびAlGaNなどの窒化物半導体を主成分とする半導体層の積層構造を有するデバイスである。具体的には、電界効果トランジスタ100は、AlGaN膜とGaN膜とのヘテロ構造を有する。 The field effect transistor 100 is a device having a laminated structure of semiconductor layers mainly composed of nitride semiconductors such as GaN and AlGaN. Specifically, the field effect transistor 100 has a heterostructure of an AlGaN film and a GaN film.

AlGaN膜とGaN膜とのヘテロ構造において、(0001)面上での自発分極またはピエゾ分極によって、ヘテロ界面には高濃度の二次元電子ガス(2DEG:2 Dimensional Electron Gas)が発生する。このため、アンドープ状態であっても、当該界面には、1×1013cm−2以上のシートキャリア濃度が得られる特徴を有する。 In the heterostructure of the AlGaN film and the GaN film, a high concentration of two-dimensional electron gas (2DEG: 2 Dimensional Electron Gas) is generated at the hetero interface by spontaneous polarization or piezo polarization on the (0001) plane. Therefore, even in the undoped state, the interface has a characteristic that a sheet carrier concentration of 1 × 10 13 cm- 2 or more can be obtained.

本実施の形態に係る電界効果トランジスタ100は、AlGaN/GaNのヘテロ界面に発生する二次元電子ガス層115をチャネルとして利用した電界効果トランジスタ(FET)である。具体的には、電界効果トランジスタ100は、いわゆる縦型FETである。 The field effect transistor 100 according to the present embodiment is a field effect transistor (FET) that utilizes the two-dimensional electron gas layer 115 generated at the hetero interface of AlGaN / GaN as a channel. Specifically, the field effect transistor 100 is a so-called vertical FET.

例えば、電界効果トランジスタ100は、ノーマリオフ型のFETである。例えば、ソース電極111が接地され(すなわち、電位が0V)、ドレイン電極112に正の電位が与えられている。ドレイン電極112に与えられる電位は、例えば100V以上1200V以下であるが、これに限らない。電界効果トランジスタ100がオフ状態である場合には、ゲート電極110にはゼロ電位(0V)が印加されている。電界効果トランジスタ100がオン状態である場合には、ゲート電極110には正の電位(例えば+5V)が印加されている。 For example, the field effect transistor 100 is a normally-off type FET. For example, the source electrode 111 is grounded (that is, the potential is 0 V), and the drain electrode 112 is given a positive potential. The potential given to the drain electrode 112 is, for example, 100 V or more and 1200 V or less, but is not limited to this. When the field effect transistor 100 is in the off state, a zero potential (0V) is applied to the gate electrode 110. When the field effect transistor 100 is in the ON state, a positive potential (for example, + 5V) is applied to the gate electrode 110.

以下では、本実施の形態に係る電界効果トランジスタ100が備える各構成要素の詳細について説明する。 Hereinafter, the details of each component included in the field effect transistor 100 according to the present embodiment will be described.

基板101は、一般式RAMOで表される単結晶体からなるRAMO基板である。基板101の主面は、c面((0001)面)に一致する。基板101の厚さは、例えば、50μm以上400μm以下であり、一例としては100μmである。なお、基板101の平面視形状は、例えば矩形であるが、特に限定されない。基板101は、導電性を有しない。つまり、基板101は、n型層103およびドリフト層104よりも十分に高い電気抵抗を有する絶縁性の基板である。 The substrate 101 is a RAMO 4 substrate made of a single crystal represented by the general formula RAMO 4 . The main surface of the substrate 101 coincides with the c-plane ((0001) plane). The thickness of the substrate 101 is, for example, 50 μm or more and 400 μm or less, and 100 μm as an example. The plan view shape of the substrate 101 is, for example, a rectangle, but is not particularly limited. The substrate 101 does not have conductivity. That is, the substrate 101 is an insulating substrate having a sufficiently higher electrical resistance than the n-type layer 103 and the drift layer 104.

一般式RAMOにおいて、Rは、Sc、In、Yおよびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表す。Aは、Fe(III)、GaおよびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表す。Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、ZnおよびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す。 In the general formula RAMO 4 , R represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Sc, In, Y and lanthanoid elements. A represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Fe (III), Ga and Al. M represents one or more divalent elements selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe (II), Co, Cu, Zn and Cd.

本実施の形態では、基板101として、ScAlMgO基板が用いられている。すなわち、Rは、Scであり、Aは、Alであり、Mは、Mgである。ScAlMgOは、一般式RAMOで表される酸化物結晶の一つであり、空間群R−3mに属する三方晶である。 In this embodiment, a ScAlMgO 4 substrate is used as the substrate 101. That is, R is Sc, A is Al, and M is Mg. ScAlMgO 4 is one of the oxide crystals represented by the general formula RAMO 4 , and is a trigonal crystal belonging to the space group R-3m.

M含有層102は、ScAlMgO基板101上に位置し、一般式RAMOにおいてMで表される元素を含んでいるM含有III族窒化物層の一例である。つまり、M含有層102は、基板101に含まれる複数の元素のうちの一つと同じ元素を含んでいる。本実施の形態では、MがMgであるので、M含有層102は、Mgを含むMg含有層である。M含有層102の厚みは、例えば、50nm以上2000nm以下であり、一例としては0.5μm(=500nm)である。M含有層102は、Mで表される元素の含有濃度が1020cm−3台となる領域を含んでいる。M含有層102は、p型導電層または高抵抗層である。なお、1020cm−3台とは、1020cm−3以上1021cm−3未満の範囲を言う。 The M-containing layer 102 is an example of an M-containing group III nitride layer located on the ScAlMgO 4 substrate 101 and containing an element represented by M in the general formula RAMO 4 . That is, the M-containing layer 102 contains the same element as one of the plurality of elements contained in the substrate 101. In the present embodiment, since M is Mg, the M-containing layer 102 is an Mg-containing layer containing Mg. The thickness of the M-containing layer 102 is, for example, 50 nm or more and 2000 nm or less, for example, 0.5 μm (= 500 nm). The M-containing layer 102 includes a region in which the content concentration of the element represented by M is 10 20 cm- 3 units. The M-containing layer 102 is a p-type conductive layer or a high resistance layer. In addition, 10 20 cm- 3 units means a range of 10 20 cm -3 or more and less than 10 21 cm -3 .

n型層103は、M含有層102上に位置するn型III族窒化物層の一例である。n型層103は、SiまたはOをn型ドーパントとして含んでいる。n型層103において、n型ドーパントの含有濃度は、Mで表される元素の含有濃度よりも大きい。n型層103は、例えば厚さが10μm、キャリア濃度が5×1018cm−3のn型GaNよりなる層である。 The n-type layer 103 is an example of an n-type Group III nitride layer located on the M-containing layer 102. The n-type layer 103 contains Si or O as an n-type dopant. In the n-type layer 103, the content concentration of the n-type dopant is larger than the content concentration of the element represented by M. The n-type layer 103 is, for example, a layer made of n-type GaN having a thickness of 10 μm and a carrier concentration of 5 × 10 18 cm -3 .

ドリフト層104は、n型層103上に位置するn型の窒化物半導体層である。ドリフト層104は、例えば、厚さが5μm、キャリア濃度が1×1016cm−3のn型GaNよりなる層である。 The drift layer 104 is an n-type nitride semiconductor layer located on the n-type layer 103. The drift layer 104 is, for example, a layer made of n-type GaN having a thickness of 5 μm and a carrier concentration of 1 × 10 16 cm -3 .

第1下地層105は、ドリフト層104上に位置するp型の窒化物半導体層の一例である。第1下地層105は、例えば、厚さが400nm、キャリア濃度が1×1017cm−3のp型GaNよりなる層である。第1下地層105は、ソース電極111とドレイン電極112との間のリーク電流を抑制する。例えば、第1下地層105とドリフト層104とで形成されるpn接合に対して逆方向電圧が印加された場合、具体的には、ソース電極111よりもドレイン電極112が高電位となった場合に、ドリフト層104に空乏層が延びる。これにより、電界効果トランジスタ100の高耐圧化が可能になる。 The first base layer 105 is an example of a p-type nitride semiconductor layer located on the drift layer 104. The first base layer 105 is, for example, a layer made of p-type GaN having a thickness of 400 nm and a carrier concentration of 1 × 10 17 cm -3 . The first base layer 105 suppresses a leak current between the source electrode 111 and the drain electrode 112. For example, when a reverse voltage is applied to the pn junction formed by the first base layer 105 and the drift layer 104, specifically, when the drain electrode 112 has a higher potential than the source electrode 111. In addition, a depletion layer extends to the drift layer 104. This makes it possible to increase the withstand voltage of the field effect transistor 100.

第2下地層106は、第1下地層105上に位置する窒化物半導体層の一例である。第2下地層106は、第1下地層105よりも抵抗が高い。具体的には、第2下地層106は、絶縁性または半絶縁性の窒化物半導体から形成されている。第2下地層106は、例えば、厚さが200nmのC(炭素)ドープ高抵抗GaNよりなる層である。 The second base layer 106 is an example of a nitride semiconductor layer located on the first base layer 105. The second base layer 106 has a higher resistance than the first base layer 105. Specifically, the second base layer 106 is formed of an insulating or semi-insulating nitride semiconductor. The second base layer 106 is, for example, a layer made of C (carbon) -doped high-resistance GaN having a thickness of 200 nm.

第3下地層107は、第2下地層106上に位置する窒化物半導体層の一例である。第3下地層107は、例えば、厚さが200nmのアンドープGaNよりなる層である。なお、“アンドープ”とは、GaNの極性をn型またはp型に変化させるSiまたはMgなどのドーパントが意図的にはドープされていないことを意味する。 The third base layer 107 is an example of a nitride semiconductor layer located on the second base layer 106. The third base layer 107 is, for example, a layer made of undoped GaN having a thickness of 200 nm. The term "undoped" means that a dopant such as Si or Mg that changes the polarity of GaN to n-type or p-type is not intentionally doped.

第2下地層106および第3下地層107は、チャネルを含む第1再成長層108と、p型の第1下地層105と、n型のドリフト層104とによって寄生npn構造が形成されるのを抑制する。これにより、電界効果トランジスタ100の誤動作の発生を抑制することができる。 In the second base layer 106 and the third base layer 107, a parasitic npn structure is formed by the first regrowth layer 108 including the channel, the p-type first base layer 105, and the n-type drift layer 104. Suppress. As a result, it is possible to suppress the occurrence of malfunction of the field effect transistor 100.

ゲート開口部113は、第3下地層107の上面側より第3下地層107、第2下地層106、第1下地層105をこの順で貫通してドリフト層104に達する開口部である。ゲート開口部113は、基板101から遠ざかる程、開口面積が大きくなるように形成されている。具体的には、ゲート開口部113の側面は、基板101の主面に対して斜めに傾斜している。つまり、ゲート開口部113の断面形状は、図1に示されるように、逆台形状を有する。なお、ゲート開口部113の断面形状は、矩形であってもよい。 The gate opening 113 is an opening that reaches the drift layer 104 from the upper surface side of the third base layer 107 through the third base layer 107, the second base layer 106, and the first base layer 105 in this order. The gate opening 113 is formed so that the opening area becomes larger as the distance from the substrate 101 increases. Specifically, the side surface of the gate opening 113 is inclined obliquely with respect to the main surface of the substrate 101. That is, the cross-sectional shape of the gate opening 113 has an inverted trapezoidal shape as shown in FIG. The cross-sectional shape of the gate opening 113 may be rectangular.

第1再成長層108は、ゲート開口部113を被覆するように、ゲート開口部113の底面および側面に沿って設けられた窒化物半導体層である。具体的には、第1再成長層108は、ゲート開口部113の内面の形状に追従するように、均一な厚みでゲート開口部113の内部および第3下地層107上に形成されている。例えば、第1再成長層108は、厚さが100nmのアンドープGaNよりなる層である。 The first regrowth layer 108 is a nitride semiconductor layer provided along the bottom surface and side surfaces of the gate opening 113 so as to cover the gate opening 113. Specifically, the first regrowth layer 108 is formed inside the gate opening 113 and on the third base layer 107 with a uniform thickness so as to follow the shape of the inner surface of the gate opening 113. For example, the first regrowth layer 108 is a layer made of undoped GaN having a thickness of 100 nm.

第2再成長層は、第1再成長層108上に位置する窒化物半導体層である。第2再成長層は、第1再成長層108の上面の形状に追従するように、均一な厚みで第1再成長層108上に設けられている。第2再成長層は、例えば、厚さが1nmのアンドープAlNよりなる層である。第2再成長層は、合金散乱を抑制し、チャネルの移動度を向上させることができる。なお、電界効果トランジスタ100は、第2再成長層を備えなくてもよい。 The second regrowth layer is a nitride semiconductor layer located on the first regrowth layer 108. The second regrowth layer is provided on the first regrowth layer 108 with a uniform thickness so as to follow the shape of the upper surface of the first regrowth layer 108. The second regrowth layer is, for example, a layer made of undoped AlN having a thickness of 1 nm. The second regrowth layer can suppress alloy scattering and improve the mobility of the channel. The field effect transistor 100 does not have to include the second regrowth layer.

第3再成長層109は、第2再成長層上に位置する窒化物半導体層である。第3再成長層109は、第2再成長層の上面の形状に追従するように、均一な厚みで第2再成長層上に設けられている。第3再成長層109は、例えば、厚さが50nmのアンドープAl0.2Ga0.8Nよりなる層である。 The third regrowth layer 109 is a nitride semiconductor layer located on the second regrowth layer. The third regrowth layer 109 is provided on the second regrowth layer with a uniform thickness so as to follow the shape of the upper surface of the second regrowth layer. The third regrowth layer 109 is, for example, a layer made of undoped Al 0.2 Ga 0.8 N having a thickness of 50 nm.

第1再成長層108と第2再成長層との界面には、二次元電子ガス層115が形成される。二次元電子ガス層115は、電界効果トランジスタ100の電子走行層(チャネル層)を形成している。第3再成長層109は、チャネル層に対して電子を供給する電子供給層として機能する。なお、第1再成長層108、第2再成長層および第3再成長層109は互いに主面および傾斜面を平行としている。 A two-dimensional electron gas layer 115 is formed at the interface between the first regrowth layer 108 and the second regrowth layer. The two-dimensional electron gas layer 115 forms an electron traveling layer (channel layer) of the field effect transistor 100. The third regrowth layer 109 functions as an electron supply layer that supplies electrons to the channel layer. The main surface and the inclined surface of the first regrowth layer 108, the second regrowth layer, and the third regrowth layer 109 are parallel to each other.

ゲート電極110は、ゲート開口部113を覆うように、第3再成長層109上に位置している。図1に示されるように、ゲート電極110の幅は、ゲート開口部113の幅よりも大きい。具体的には、上面視において、ゲート電極110は、ゲート開口部113を完全に覆っている。ゲート電極110は、例えば、Pdなどの金属材料を用いて形成されている。ゲート電極110に用いられる材料は、n型半導体に対してショットキー接続される材料を用いることができ、例えば、ニッケル(Ni)系材料、タングステンシリサイド(WSi)、金(Au)などを用いることができる。ゲート電極110は、第3再成長層109に対してショットキー接続されている。 The gate electrode 110 is located on the third regrowth layer 109 so as to cover the gate opening 113. As shown in FIG. 1, the width of the gate electrode 110 is larger than the width of the gate opening 113. Specifically, in top view, the gate electrode 110 completely covers the gate opening 113. The gate electrode 110 is formed by using a metal material such as Pd. As the material used for the gate electrode 110, a material that is Schottky-connected to the n-type semiconductor can be used, and for example, a nickel (Ni) -based material, a tungsten silicide (WSi), a gold (Au), or the like can be used. Can be done. The gate electrode 110 is shot key connected to the third regrowth layer 109.

ソース電極111は、ゲート電極110を挟むようにして位置している。具体的には、第3再成長層109、第2再成長層、第1再成長層108、第3下地層107、第2下地層106を貫通し、第1下地層105に達する開口部が形成され、この開口部を埋めるようにソース電極111が形成されている。ソース電極111は、例えば、TiとAlとの積層構造からなる。ソース電極111に用いられる材料は、n型半導体に対してオーミック接続される材料を用いることができる。ソース電極111は、ソース電極111は、二次元電子ガス層115に対してオーミック接続されている。 The source electrode 111 is located so as to sandwich the gate electrode 110. Specifically, an opening that penetrates the third regrowth layer 109, the second regrowth layer, the first regrowth layer 108, the third base layer 107, and the second base layer 106 and reaches the first base layer 105. The source electrode 111 is formed so as to fill the opening. The source electrode 111 has, for example, a laminated structure of Ti and Al. As the material used for the source electrode 111, a material that is ohmic-connected to the n-type semiconductor can be used. The source electrode 111 is ohmic-connected to the two-dimensional electron gas layer 115.

貫通孔114は、基板101を貫通している。具体的には、貫通孔114は、基板101の下面から基板101およびM含有層102を貫通し、n型層103に達している。つまり、貫通孔114内には、n型層103が底面として露出している。図1に示されるように、貫通孔114の幅は、ゲート開口部113の幅より大きい。また、貫通孔114の幅は、ゲート電極110の幅よりもより大きい。具体的には、下面視において、貫通孔114の内部に、ゲート開口部113およびゲート電極110の全体が位置している。なお、貫通孔114の下面視形状は、ゲート電極110またはゲート開口部113の下面視形状に一致していてもよい。あるいは、下面視において、貫通孔114の全体が、ゲート電極110またはゲート開口部113の内部に位置していてもよい。 The through hole 114 penetrates the substrate 101. Specifically, the through hole 114 penetrates the substrate 101 and the M-containing layer 102 from the lower surface of the substrate 101 and reaches the n-type layer 103. That is, the n-type layer 103 is exposed as the bottom surface in the through hole 114. As shown in FIG. 1, the width of the through hole 114 is larger than the width of the gate opening 113. Further, the width of the through hole 114 is larger than the width of the gate electrode 110. Specifically, in the bottom view, the entire gate opening 113 and the gate electrode 110 are located inside the through hole 114. The bottom view shape of the through hole 114 may match the bottom view shape of the gate electrode 110 or the gate opening 113. Alternatively, in bottom view, the entire through hole 114 may be located inside the gate electrode 110 or the gate opening 113.

ドレイン電極112は、基板101を貫通する電極である。具体的には、ドレイン電極112は、基板101およびM含有層102を貫通している。より具体的には、ドレイン電極112は、貫通孔114の内面に沿って設けられており、貫通孔114内に露出したn型層103と接続されている。ドレイン電極112は、例えば、TiとAuとの積層構造からなる。ドレイン電極112に用いられる材料は、n型半導体に対してオーミック接続される材料を用いることができる。ドレイン電極112は、n型層103に対してオーミック接続されている。 The drain electrode 112 is an electrode that penetrates the substrate 101. Specifically, the drain electrode 112 penetrates the substrate 101 and the M-containing layer 102. More specifically, the drain electrode 112 is provided along the inner surface of the through hole 114, and is connected to the n-type layer 103 exposed in the through hole 114. The drain electrode 112 has, for example, a laminated structure of Ti and Au. As the material used for the drain electrode 112, a material that is ohmic-connected to the n-type semiconductor can be used. The drain electrode 112 is ohmic-connected to the n-type layer 103.

図1に示される電界効果トランジスタ100が備える基板および各半導体層の構成の一例について、以下の表1に記す。 An example of the configuration of the substrate and each semiconductor layer included in the field effect transistor 100 shown in FIG. 1 is shown in Table 1 below.

なお、本明細書において、「窒化物半導体」とは、GaN、AlNおよびInNのいずれか一つ、または、これらの混合でなる物から構成される構造体を意味する。なお、基板101より結晶成長されて形成される各窒化物半導体層の主面はc面である。また、上記各半導体層について、n型の導電型は、SiもしくはOを添加することにより形成される。p型の導電型は、Mgを添加することにより形成される。 In the present specification, the “nitride semiconductor” means a structure composed of any one of GaN, AlN and InN, or a mixture thereof. The main surface of each nitride semiconductor layer formed by crystal growth from the substrate 101 is the c-plane. Further, for each of the above semiconductor layers, the n-type conductive type is formed by adding Si or O. The p-type conductive type is formed by adding Mg.

[ScAlMgOの結晶構造]
上述したように、本実施の形態では、基板101として、一般式RAMOで表される単結晶体の一例であるScAlMgOからなる基板を用いている。ここで、ScAlMgOの結晶構造について、図2を用いて説明する。
[Crystal structure of ScAlMgO 4 ]
As described above, in the present embodiment, as the substrate 101, a substrate made of ScAlMgO 4, which is an example of a single crystal represented by the general formula RAMO 4 , is used. Here, the crystal structure of ScAlMgO 4 will be described with reference to FIG.

図2は、ScAlMgOの結晶構造を示す図である。図2に示されるように、ScAlMgOは、Sc−O層とAl/Mg−O層とが交互に積層した構造を有する。c軸方向の格子定数は、25.15Åであり、a軸方向の格子定数は、3.236Åである。 FIG. 2 is a diagram showing a crystal structure of ScAlMgO 4 . As shown in FIG. 2, the ScAlMgO 4 has a structure in which Sc—O layers and Al / Mg—O layers are alternately laminated. The lattice constant in the c-axis direction is 25.15 Å, and the lattice constant in the a-axis direction is 3.236 Å.

後に詳述するが、c面GaNとScAlMgOとの格子不整合であって、{(GaNの格子定数−ScAlMgOの格子定数)/GaNの格子定数}にて表される格子不整合は、−1.5%と小さい。このため、ScAlMgO基板は、より欠陥の少ない高品質なIII族窒化物半導体の積層が実現される。 As will be described in detail later, the lattice mismatch between the c-plane GaN and ScAlMgO 4 and represented by {(GaN lattice constant-ScAlMgO 4 lattice constant) / GaN lattice constant} is As small as -1.5%. Therefore, ScAlMgO 4 substrate, fewer defects high-quality group III nitride semiconductor multilayer is achieved.

本願発明者らの検討では、GaNとの格子不整合が16%と非常に大きいc面サファイア(Al)に比べて、貫通転位密度を約1/5以下の5×10cm−2以下に低減できることが明らかになっている。このように、ScAlMgO基板を用いることで、貫通転位密度の低い窒化物半導体層構造を実現できる。ScAlMgO以外のRAMOについても同様である。 According to the study by the inventors of the present application, the penetration dislocation density is about 1/5 or less of that of c-plane sapphire (Al 2 O 3 ), which has a very large lattice mismatch with GaN of 16%, which is 5 × 10 7 cm −. It has been clarified that it can be reduced to 2 or less. In this manner, by using the ScAlMgO 4 substrate, it can achieve a low nitride semiconductor layer structure of the threading dislocation density. The same is true for RAMO 4 other than ScAlMgO 4.

[製造方法]
次に、本実施の形態に係る縦型の電界効果トランジスタ100の製造方法について詳述する。
[Production method]
Next, a method of manufacturing the vertical field effect transistor 100 according to the present embodiment will be described in detail.

まず、(0001)面が主面のScAlMgOからなる基板を準備する。一例として、厚みが400μmのScAlMgO基板を用いる。ScAlMgO基板は、まだ貫通孔114が形成されていない平板である。また、後で説明するように、ScAlMgO基板の裏面が研削および研磨されることにより、薄型化される。ScAlMgO基板は、(0001)面に対して、主面が0°〜10°程度傾斜しているオフ角基板でもよい。 First, a substrate made of ScAlMgO 4 whose main surface is the (0001) surface is prepared. As an example, a ScAlMgO 4 substrate having a thickness of 400 μm is used. The ScAlMgO 4 substrate is a flat plate on which the through holes 114 have not yet been formed. Further, as will be described later, the back surface of the ScAlMgO 4 substrate is ground and polished to reduce the thickness. The ScAlMgO 4 substrate may be an off-angle substrate whose main surface is inclined by about 0 ° to 10 ° with respect to the (0001) surface.

次に、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を用いて、窒化物半導体の結晶成長を行う。III族原料としては、トリメチルガリウム(TMG)および/またはトリメチルアルミニウム(TMA)を用い、V族原料としてはアンモニア(NH)ガスを用いる。キャリアガスとしては水素(H)および窒素(N)を用いる。n型のドナー不純物としてはモノシラン(SiH)を用いる。p型のアクセプター不純物としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)を用いる。 Next, the crystal growth of the nitride semiconductor is carried out by using the metalorganic vapor deposition (MOCVD: Metalorganic Chemical Vapor Deposition). Trimethylgallium (TMG) and / or trimethylaluminum (TMA) is used as the group III raw material, and ammonia (NH 3 ) gas is used as the group V raw material. Hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) are used as the carrier gas. Monosilane (SiH 4 ) is used as the n-type donor impurity. As the p-type acceptor impurity, biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) is used.

まず、MOCVD装置の炉内に導入されたScAlMgO基板は、約1000℃にて10分間、水素雰囲気中で熱クリーニングを行う。これにより、ScAlMgO基板の表面に付着しているカーボン系の汚れなどが取り除かれる。その後、450℃まで降温し、アモルファス状のGaNからなる低温バッファ層(図1には示されていない)を約30nm堆積する。バッファ層の膜厚は、成長時間、成長温度および供給するIII族原料の比率によって調整が可能である。バッファ層の成長後、基板温度を約1000℃まで再び昇温させ、バッファ層を再結晶化させることにより、本成長のための結晶核を形成する。 First, ScAlMgO 4 substrate introduced into the furnace of the MOCVD apparatus, for 10 minutes at about 1000 ° C., for thermal cleaning in a hydrogen atmosphere. As a result, carbon-based stains and the like adhering to the surface of the ScAlMgO 4 substrate are removed. Then, the temperature is lowered to 450 ° C., and a low temperature buffer layer (not shown in FIG. 1) made of amorphous GaN is deposited at about 30 nm. The film thickness of the buffer layer can be adjusted by the growth time, the growth temperature, and the ratio of the group III raw materials to be supplied. After the buffer layer grows, the substrate temperature is raised again to about 1000 ° C. and the buffer layer is recrystallized to form crystal nuclei for the main growth.

その後、1000℃〜1100℃でM含有層102およびn型層103を順に積層する。例えば、成長温度1050℃、成長レート3μm/h、V/III比2000の条件を用いて、0.5μmの厚みのMg含有GaN層をM含有層102として形成し、続いて、10μmの厚みのn型GaN層をn型層103として形成する。n型層103にドープされるn型ドーパントとしては、N希釈SiH(10ppm)を用いる。これにより、n型層103には、Siが5×1018cm−3程度ドープされる。ここで、M含有層102に含まれるMgは、ScAlMgO基板からの拡散に起因する。このため、M含有層102に含まれるMgの含有度合いは、成長条件により制御が可能である。M含有層102の効果については、後ほど詳述する。 Then, the M-containing layer 102 and the n-type layer 103 are laminated in this order at 1000 ° C to 1100 ° C. For example, using the conditions of a growth temperature of 1050 ° C., a growth rate of 3 μm / h, and a V / III ratio of 2000, an Mg-containing GaN layer having a thickness of 0.5 μm is formed as an M-containing layer 102, followed by a thickness of 10 μm. The n-type GaN layer is formed as the n-type layer 103. The n-type dopant to be doped in the n-type layer 103, N 2 diluted SiH 4 used (10 ppm). As a result, the n-type layer 103 is doped with Si by about 5 × 10 18 cm -3 . Here, the Mg contained in the M-containing layer 102 is due to diffusion from the ScAlMgO 4 substrate. Therefore, the content of Mg contained in the M-containing layer 102 can be controlled by the growth conditions. The effect of the M-containing layer 102 will be described in detail later.

次に、Siを1×1016cm−3程度ドープしたドリフト層104を、厚み5μmで形成した後に、厚み400nmのp型GaN層からなる第1下地層105、厚み200nmのCドープ高抵抗GaN層からなる第2下地層106、厚み150nmのアンドープGaN層からなる第3下地層107を順に形成する。その後、室温まで降温し、窒化物半導体層を積層したウェハを得る。p型GaN層においては、Mgをアクセプター不純物として1×1018cm−3の濃度でドープし、キャリア濃度は1×1017cm−3としている。Cドープ高抵抗GaN層は、GaNの育成条件により、TMGなどのトリメチル基のCのGaN中への取り込み量を成長条件により制御することで、C濃度を3×1018cm−3ドープして、GaN中に自然に存在するn型キャリアを補償することにより高抵抗化を行っている。 Next, after forming a drift layer 104 doped with Si by about 1 × 10 16 cm -3 to a thickness of 5 μm, a first base layer 105 composed of a p-type GaN layer having a thickness of 400 nm and a C-doped high resistance GaN having a thickness of 200 nm. A second base layer 106 composed of layers and a third base layer 107 composed of an undoped GaN layer having a thickness of 150 nm are formed in this order. Then, the temperature is lowered to room temperature to obtain a wafer in which a nitride semiconductor layer is laminated. In the p-type GaN layer, Mg is doped as an acceptor impurity at a concentration of 1 × 10 18 cm -3 , and the carrier concentration is 1 × 10 17 cm -3 . The C-doped high-resistance GaN layer is doped with a C concentration of 3 × 10 18 cm -3 by controlling the amount of trimethyl group C such as TMG incorporated into GaN according to the growth conditions. , The resistance is increased by compensating for the n-type carriers that naturally exist in GaN.

次に、第3下地層107、第2下地層106、第1下地層105をこの順で貫通し、ドリフト層104に到達するゲート開口部113を形成する。ゲート開口部113の形成には、フォトリソグラフィによるレジストパターニングとCl系ガスを用いたICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)ドライエッチングとを用いる。 Next, the third base layer 107, the second base layer 106, and the first base layer 105 are penetrated in this order to form the gate opening 113 that reaches the drift layer 104. For the formation of the gate opening 113, resist patterning by photolithography and ICP (Inductively Coupled Plasma) dry etching using Cl 2 gas are used.

その後、再びMOCVD法にて、窒化物半導体からなる再成長層を形成する。本実施の形態では、厚み100nmのアンドープGaNからなる第1再成長層108、厚み1nmのアンドープAlNからなる第2再成長層、厚み50nmのアンドープAl0.2GaN0.8Nからなる第3再成長層109を順に形成する。その後、室温まで降温し、窒化物半導体層を積層したウェハを得る。 Then, the MOCVD method is used again to form a regrowth layer made of a nitride semiconductor. In the present embodiment, the first regrowth layer 108 made of undoped GaN having a thickness of 100 nm, the second regrowth layer made of undoped AlN having a thickness of 1 nm, and the third layer made of undoped Al 0.2 GaN 0.8 N having a thickness of 50 nm. The regrowth layer 109 is formed in order. Then, the temperature is lowered to room temperature to obtain a wafer in which a nitride semiconductor layer is laminated.

次に、第3再成長層109、第2再成長層および第1再成長層108の各々の、ソース電極111を形成する部分を、ICPドライエッチングにより除去することで、第1下地層105が露出する開口部を形成する。形成した開口部を埋めて、かつ、第1下地層105に接触するようにTiとAlとからなるソース電極111を形成する。ソース電極111の形成は、例えば、スパッタリングまたは蒸着などによって金属膜を成膜し、成膜した金属膜を所定形状にパターニングすることにより行われる。パターニングは、例えば、エッチングまたはリフトオフなどで行われる。 Next, the portion of each of the third regrowth layer 109, the second regrowth layer, and the first regrowth layer 108 that forms the source electrode 111 is removed by ICP dry etching to form the first base layer 105. Form an exposed opening. The source electrode 111 composed of Ti and Al is formed so as to fill the formed opening and contact the first base layer 105. The source electrode 111 is formed, for example, by forming a metal film by sputtering or vapor deposition, and patterning the formed metal film into a predetermined shape. Patterning is performed, for example, by etching or lift-off.

さらに、ゲート開口部113を覆うように、Pdからなるゲート電極110を形成する。ゲート電極110の形成は、例えば、スパッタリングまたは蒸着などによって金属膜を成膜し、成膜した金属膜を所定形状にパターニングすることにより行われる。パターニングは、例えば、エッチングまたはリフトオフなどで行われる。ゲート電極110とソース電極111とはいずれが先に形成されてもよい。 Further, a gate electrode 110 made of Pd is formed so as to cover the gate opening 113. The gate electrode 110 is formed, for example, by forming a metal film by sputtering, vapor deposition, or the like, and patterning the formed metal film into a predetermined shape. Patterning is performed, for example, by etching or lift-off. Either the gate electrode 110 or the source electrode 111 may be formed first.

その後、ScAlMgO基板の裏面を、厚みが100μmになるまで研削および研磨により薄膜化する。なお、基板の裏面は、窒化物半導体層を成長させた面とは逆側の面であり、ドレイン電極112が設けられる側の面である。 Thereafter, the back surface of ScAlMgO 4 substrate, the thickness is thinned by grinding and polishing to a 100 [mu] m. The back surface of the substrate is the surface opposite to the surface on which the nitride semiconductor layer is grown, and is the surface on which the drain electrode 112 is provided.

その後に、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)によりSiO膜を、ScAlMgO基板の研磨された面に形成する。さらに、フォトリソグラフィによってSiO膜の、ゲート開口部113に対向する部分に開口部を形成する。その後、SiO膜をマスクとして、ウェットエッチングによりScAlMgO基板を貫通する貫通孔114を形成する。ScAlMgO基板のエッチングは、硫酸(具体的には濃硫酸)および過酸化水素水の混合液である硫酸過水を80℃程度に加熱した溶液にScAlMgO基板を浸漬することで行われる。なお、エッチング液の温度は、50℃以上であれば、実用的なエッチング速度が得られる。例えば、エッチング液の温度は、50℃以上100℃以下の範囲であってもよい。エッチング液の温度は、70℃以上100℃以下であってもよい。なお、貫通孔114を形成するためのエッチングは、ドライエッチングであってもよい。 After that, a SiO 2 film is formed on the polished surface of the ScAlMgO 4 substrate by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition). Further, an opening is formed in the portion of the SiO 2 film facing the gate opening 113 by photolithography. Then, using the SiO 2 film as a mask, a through hole 114 penetrating the ScAlMgO 4 substrate is formed by wet etching. Etching of ScAlMgO 4 substrate is carried out by immersing the ScAlMgO 4 substrate solution heated SPM is a mixture of sulfuric acid (in particular concentrated sulfuric acid) and hydrogen peroxide solution at about 80 ° C.. If the temperature of the etching solution is 50 ° C. or higher, a practical etching rate can be obtained. For example, the temperature of the etching solution may be in the range of 50 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. The temperature of the etching solution may be 70 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. The etching for forming the through hole 114 may be dry etching.

その後、貫通孔114に露出したM含有層102をエッチングにより除去する。例えば、KOH(水酸化カリウム水溶液)を用いたウェットエッチングによりM含有層102を除去する。これにより、n型層103を露出させる。 Then, the M-containing layer 102 exposed in the through hole 114 is removed by etching. For example, the M-containing layer 102 is removed by wet etching with KOH (potassium hydroxide aqueous solution). As a result, the n-type layer 103 is exposed.

最後に形成した貫通孔114を覆うようにTiとAuとからなるドレイン電極112を形成する。ドレイン電極112の形成は、例えば、スパッタリングまたは蒸着などによって金属膜を成膜し、必要に応じて金属膜を所定形状にパターニングすることで行われる。パターニングは、例えば、エッチングまたはリフトオフなどで行われる。 A drain electrode 112 composed of Ti and Au is formed so as to cover the finally formed through hole 114. The drain electrode 112 is formed by, for example, forming a metal film by sputtering, vapor deposition, or the like, and patterning the metal film into a predetermined shape as needed. Patterning is performed, for example, by etching or lift-off.

以上の工程を経て、図1に示される縦型の電界効果トランジスタ100を製造することができる。 Through the above steps, the vertical field effect transistor 100 shown in FIG. 1 can be manufactured.

[効果など]
以下では、本実施の形態に係る電界効果トランジスタ100の特性および効果について説明する。
[Effects, etc.]
Hereinafter, the characteristics and effects of the field effect transistor 100 according to the present embodiment will be described.

図3は、GaNを基準とした各材料の格子不整合と熱膨張係数差との関係を示す図である。図3に示されるように、本実施の形態に係る電界効果トランジスタ100の基板101として用いるScAlMgO基板(図中のSCAMO)では、GaNのa軸方向の格子定数(3.1876Å)との格子不整合が−1.5%である。これは、従来、窒化物半導体の成長用の下地基板として用いられてきたサファイア基板、Si基板およびSiC基板などの格子不整合よりも小さい。したがって、従来よりも低転位のGaNを形成することができる。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the lattice mismatch of each material based on GaN and the difference in the coefficient of thermal expansion. As shown in FIG. 3, in the ScAlMgO 4 substrate (SCAMO in the figure) used as the substrate 101 of the field effect transistor 100 according to the present embodiment, the lattice with the lattice constant (3.1876Å) in the a-axis direction of GaN. The inconsistency is -1.5%. This is smaller than the lattice mismatch of sapphire substrates, Si substrates, SiC substrates, etc., which have been conventionally used as base substrates for the growth of nitride semiconductors. Therefore, it is possible to form GaN having lower dislocations than before.

図4は、下地基板の種類とGaN成長層の貫通転位密度との関係を示す図である。図4において、ドットの網掛けが付された部分が通常報告されている転位密度である。網掛けが付されていない白い部分は、現在も改良が続けられていることから今後の改善が見通される部分である。ScAlMgO基板には、Si基板、SiC基板およびサファイア基板よりも、格子不整合の小ささを起因とした貫通転位密度の優位性があることが分かる。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the type of the substrate and the penetration dislocation density of the GaN growth layer. In FIG. 4, the shaded portion of the dots is the dislocation density usually reported. The white areas that are not shaded are areas where future improvements are expected as they are still being improved. It can be seen that the ScAlMgO 4 substrate has an advantage in through dislocation density due to the small lattice mismatch over the Si substrate, the SiC substrate and the sapphire substrate.

また、ScAlMgOは、結晶インゴットをサファイアまたはSiと同じチョクラルスキー法(CZ法)で製造することができる。このため、基板コストを低くすることができるというメリットがある。 Further, ScAlMgO 4 can produce a crystalline ingot by the same Czochralski method (CZ method) as sapphire or Si. Therefore, there is an advantage that the substrate cost can be reduced.

図5は、各種基板のコストとGaN成長層の貫通転位密度との関係を示す図である。図5に示されるように、ScAlMgO基板(図中のSCAMO)は、Si基板、SiC基板およびサファイア基板のいずれよりも低いコストで、GaN基板上のホモエピタキシャル成長に最も近い品質が得られる基板であるといえる。また、ScAlMgO基板は、GaN基板よりもコストを1/20以下に抑えることができる。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the cost of various substrates and the through-dislocation density of the GaN growth layer. As shown in FIG. 5, the ScAlMgO 4 substrate (SCAMO in the figure) is a substrate that can obtain the quality closest to the homoepitaxial growth on the GaN substrate at a lower cost than any of the Si substrate, the SiC substrate and the sapphire substrate. It can be said that there is. Further, the cost of the ScAlMgO 4 substrate can be suppressed to 1/20 or less as compared with the GaN substrate.

図6は、GaN系の縦型電界効果トランジスタにおける貫通転位密度と耐圧との関係を示す図である。図6に示されるように、耐圧性能は、貫通転位密度と相関を持つ。したがって、貫通転位密度がより低い窒化物半導体層を成長させることができる下地基板が望まれる。しかしながら、ホモエピタキシャル成長の可能な自立GaN基板は、基板コストが高止まりしており、研究開発用途に限られているのが現状である。これらのことを踏まえ、本実施の形態では、下地基板としてScAlMgO基板を用いることでコストを1/20以下に抑えながら、貫通転位密度を低減し、耐圧の高い縦型の電界効果トランジスタ100を実現することが可能になる。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the through-dislocation density and the withstand voltage in a GaN-based vertical field effect transistor. As shown in FIG. 6, the pressure resistance performance correlates with the through-dislocation density. Therefore, a substrate substrate capable of growing a nitride semiconductor layer having a lower penetration dislocation density is desired. However, the cost of a self-supporting GaN substrate capable of homoepitaxial growth remains high, and the current situation is that it is limited to research and development applications. Based on these things, in the present embodiment, while keeping costs to 1/20 or less by using a ScAlMgO 4 substrate as an underlying substrate, to reduce the threading dislocation density, a high vertical breakdown voltage of the field effect transistor 100 It will be possible to realize.

また、本実施の形態に係る電界効果トランジスタ100は、ScAlMgO基板上に、Mgを含むIII族窒化物半導体層であるM含有層102が形成されている。本願発明者らの検討の結果、M含有層102をScAlMgO基板上の初期成長層として形成することで、M含有層102より上層に成長させる窒化物半導体層の貫通転位密度をさらに低減する効果があることが明らかになった。 The field effect transistor 100 according to the present embodiment, the ScAlMgO 4 on the substrate, M-containing layer 102 is a Group III nitride semiconductor layer containing Mg is formed. As a result of the study by the inventors of the present application, by forming the M-containing layer 102 as an initial growth layer on the ScAlMgO 4 substrate, the effect of further reducing the penetration dislocation density of the nitride semiconductor layer grown above the M-containing layer 102. It became clear that there is.

図7は、本実施の形態に係る電界効果トランジスタ100における窒化物半導体層および下地基板の不純物濃度プロファイルを示す図である。具体的には、図7は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary−Ion Mass−Spectroscopy)にて測定したScAlMgO基板の界面付近の不純物プロファイルを示す。 FIG. 7 is a diagram showing an impurity concentration profile of the nitride semiconductor layer and the underlying substrate in the field effect transistor 100 according to the present embodiment. Specifically, FIG. 7 shows an impurity profile near the interface of the ScAlMgO 4 substrate measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS: Secondary-Ion Mass-Spectroscopy).

図7に示されるように、M含有層102内のMg濃度は、ScAlMgO基板の界面近傍において1020cm−3を超えている。例えば、M含有層102は、基板101との界面から所定の厚みの領域のMg濃度が1020cm−3以上である。所定の厚みは、例えば、M含有層102の厚みの半分未満である。 As shown in FIG. 7, the Mg concentration in the M-containing layer 102 exceeds 10 20 cm -3 near the interface of the ScAlMgO 4 substrate. For example, the M-containing layer 102 has a Mg concentration of 10 20 cm -3 or more in a region having a predetermined thickness from the interface with the substrate 101. The predetermined thickness is, for example, less than half the thickness of the M-containing layer 102.

また、M含有層102内のMg濃度は、基板101側からn型層103に向かって減少していくことが分かる。例えば、M含有層102内のMg濃度は、n型層103との界面の近傍において、1018cm−3を下回っている。 Further, it can be seen that the Mg concentration in the M-containing layer 102 decreases from the substrate 101 side toward the n-type layer 103. For example, the Mg concentration in the M-containing layer 102 is less than 10 18 cm -3 in the vicinity of the interface with the n-type layer 103.

GaN中のMg不純物は、主にGaと置換されることで、アクセプター不純物になる。しかしながら、Mg濃度が非常に高くなった場合には、GaNの格子定数を変調し、格子定数を大きくする。 Mg impurities in GaN become acceptor impurities mainly by being replaced with Ga. However, when the Mg concentration becomes very high, the lattice constant of GaN is modulated to increase the lattice constant.

図8Aは、GaN中の不純物濃度と、GaNの格子定数との関係を示す図である。具体的には、図8Aは、GaNのa軸格子定数のMg濃度依存性(計算値)を示している。図8Bは、GaN中の不純物濃度とScAlMgOに対する格子不整合との関係を示す図である。具体的には、図8Bは、ScAlMgOとMg含有GaNとの格子不整合のMg濃度依存性(計算値)を示している。 FIG. 8A is a diagram showing the relationship between the impurity concentration in GaN and the lattice constant of GaN. Specifically, FIG. 8A shows the Mg concentration dependence (calculated value) of the a-axis lattice constant of GaN. Figure 8B is a diagram showing the relationship between lattice mismatch with respect to the impurity concentration and ScAlMgO 4 in GaN. Specifically, FIG. 8B shows the Mg concentration dependence (calculated value) of the lattice mismatch between ScAlMgO 4 and Mg-containing GaN.

図8Aに示されるグラフより、GaN中にMgが1020cm−3以上含有された場合に、格子定数の増大が発生することが分かる。また、図8Bに示されるグラフより、1.5%の格子不整合が3×1021cm−3の濃度になった場合に、1.0%まで低減することが分かる。このように、M含有層102は、格子不整合を低減する効果を有する。これにより、ScAlMgO上に形成されるGaN層の貫通転位密度を低減できたと考えられる。 From the graph shown in FIG. 8A, it can be seen that when Mg is contained in GaN in an amount of 10 20 cm -3 or more, the lattice constant increases. Further, from the graph shown in FIG. 8B, it can be seen that the lattice mismatch of 1.5% is reduced to 1.0% when the concentration becomes 3 × 10 21 cm -3 . As described above, the M-containing layer 102 has an effect of reducing lattice mismatch. As a result, it is considered that the through-dislocation density of the GaN layer formed on ScAlMgO 4 could be reduced.

MOCVD法などでMgをドープしたGaN層を形成する場合は、1020cm−3未満のドープ量とするのが一般的である。なぜなら、1020cm−3以上の濃度になると、Mg元素の偏析が発生し、結晶品質が低下するためである。しかしながら、本実施の形態では、1020cm−3以上の高濃度層をScAlMgO基板からのMg拡散により実現している。このために、従来のようなMg偏析があまり問題にならず、結果として、格子定数の増大効果による品質向上が発現したと考えられる。 When forming a Mg-doped GaN layer by the MOCVD method or the like, the doping amount is generally less than 10 20 cm- 3 . This is because when the concentration is 10 20 cm -3 or more, segregation of Mg element occurs and the crystal quality deteriorates. However, in this embodiment, it has a 10 20 cm -3 or more high-density layer is realized by Mg diffusion from ScAlMgO 4 substrate. For this reason, it is considered that the conventional Mg segregation does not become a problem so much, and as a result, the quality improvement due to the effect of increasing the lattice constant is exhibited.

M含有層102のMg濃度は、初期成長層の成長条件により制御が可能である。具体的には成長温度、成長速度、NH分圧、および/またはH分圧などを調整することにより、Mgのプロファイルを変化させることが可能である。M含有層102のMg濃度は、図7に示されるように、ScAlMgO基板側ほど高くなる。このとき、Mg濃度は、例えば1020cm−3以上である。 The Mg concentration of the M-containing layer 102 can be controlled by the growth conditions of the initial growth layer. Specifically, the profile of Mg can be changed by adjusting the growth temperature, growth rate, NH 3 partial pressure, and / or H 2 partial pressure. As shown in FIG. 7, the Mg concentration of the M-containing layer 102 becomes higher toward the ScAlMgO 4 substrate side. At this time, the Mg concentration is, for example, 10 20 cm -3 or more.

ここで、M含有層102は、p型導電層または高抵抗層である。M含有層102とn型層103との境界は、n型不純物であるSiの濃度とMgの濃度との大小で定義できる。Mg不純物のp型導電性の活性化率は10%〜50%程度であるため、厳密にはM含有層102とn型層103との境界には、曖昧な部分が存在する。ただ、層構造設計として、n型不純物を意図的にMg不純物よりも多く導入した箇所を2つの層の界面と考えるのが妥当である。このため、例えば図7に示されるように、Mg含有量が急激に増加し、かつ、Siのイオン強度が低下する位置が、2つの層の境界とみなすことができる。 Here, the M-containing layer 102 is a p-type conductive layer or a high resistance layer. The boundary between the M-containing layer 102 and the n-type layer 103 can be defined by the magnitude of the concentration of Si, which is an n-type impurity, and the concentration of Mg. Since the activation rate of the p-type conductivity of Mg impurities is about 10% to 50%, strictly speaking, there is an ambiguous portion at the boundary between the M-containing layer 102 and the n-type layer 103. However, as a layer structure design, it is appropriate to consider the place where n-type impurities are intentionally introduced more than Mg impurities as the interface between the two layers. Therefore, for example, as shown in FIG. 7, the position where the Mg content rapidly increases and the ionic strength of Si decreases can be regarded as the boundary between the two layers.

また、M含有層102の厚みは、例えば50nm以上2000nm以下である。M含有層102の厚みが50nm以上であることにより、Mgの濃度変化による格子定数の変化が急峻になるのを抑制することができ、品質の低下を抑制することができる。また、M含有層102が2000nm以下であることにより、基板101に貫通孔114を形成した後のドレイン電極112の形成時に、M含有層102を除去するのを容易にすることができる。 The thickness of the M-containing layer 102 is, for example, 50 nm or more and 2000 nm or less. When the thickness of the M-containing layer 102 is 50 nm or more, it is possible to suppress a steep change in the lattice constant due to a change in Mg concentration, and it is possible to suppress a deterioration in quality. Further, since the M-containing layer 102 is 2000 nm or less, it is possible to easily remove the M-containing layer 102 when the drain electrode 112 is formed after the through hole 114 is formed in the substrate 101.

以上のように、M含有層102の成長条件および構成を適切に調整することで、上方に積層される窒化物半導体層の最表面における貫通転位密度を1×10cm−2以下にすることができる。窒化物半導体層の最表面とは、M含有層102上にエピタキシャル成長によって形成される複数の窒化物半導体層のうち最も上層に位置する窒化物半導体層の上面である。例えば、本実施の形態に係る電界効果トランジスタ100では、第3下地層107の上面での貫通転位密度が1×10cm−2以下である。また、その後の再成長によって形成された第3再成長層109の上面での貫通転位密度も1×10cm−2以下である。 As described above, by appropriately adjusting the growth conditions and constitution of the M-containing layer 102, the through-dislocation density on the outermost surface of the nitride semiconductor layer laminated above should be 1 × 10 8 cm- 2 or less. Can be done. The outermost surface of the nitride semiconductor layer is the upper surface of the nitride semiconductor layer located on the uppermost layer among the plurality of nitride semiconductor layers formed by epitaxial growth on the M-containing layer 102. For example, in the field effect transistor 100 according to the present embodiment, the penetration dislocation density on the upper surface of the third base layer 107 is 1 × 10 8 cm- 2 or less. The third threading dislocation density in the upper surface of the regrown layer 109 is 1 × 10 8 cm -2 or less which is formed by subsequent regrowth.

図9は、ScAlMgOとMg含有GaN層との界面近傍のTEM像である。TEM像は、透過型電子顕微鏡(Taransmission Electron Microscopy)を用いて得られる原子像である。図9に示されるように、ScAlMgO基板とMg含有GaN層との界面において、高品質な界面が形成されていることが確認できる。 FIG. 9 is a TEM image of the vicinity of the interface between ScAlMgO 4 and the Mg-containing GaN layer. The TEM image is an atomic image obtained by using a transmission electron microscope (Tarnmission Electron Microscope). As shown in FIG. 9, it can be confirmed that a high-quality interface is formed at the interface between the ScAlMgO 4 substrate and the Mg-containing GaN layer.

なお、本実施の形態では、ScAlMgOを基板101として用いたが、ScAlMgOに代表される一般式RAMOで表される単結晶体からなるRAMO基板も基板101として利用することが可能である。上述したいずれの元素においても、M含有によるGaNの格子定数の増大が発現する。また、ScAlMgOにおいて化学量論的組成が表記から一定程度ずれているものも問題なく利用することができる。 In the present embodiment, ScAlMgO 4 is used as the substrate 101, but a RAMO 4 substrate made of a single crystal represented by the general type RAMO 4 represented by ScAlMgO 4 can also be used as the substrate 101. is there. In any of the above-mentioned elements, an increase in the lattice constant of GaN due to M content is exhibited. Further, ScAlMgO 4 having a stoichiometric composition deviating from the notation to a certain extent can be used without any problem.

(変形例)
以下では、上記実施の形態の変形例について説明する。以下の説明では、実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略または簡略化する。
(Modification example)
Hereinafter, a modified example of the above embodiment will be described. In the following description, the differences from the embodiments will be mainly described, and the description of the common points will be omitted or simplified.

図10は、実施の形態の変形例に係る縦型の電界効果トランジスタ200の構造を示す模式的な断面図である。本変形例に係る電界効果トランジスタ200は、実施の形態に係る電界効果トランジスタ100と比較して、基板101に複数の貫通孔214が設けられている点と、ドレイン電極112の代わりにドレイン電極212を備える点とが相違する。 FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the vertical field effect transistor 200 according to the modified example of the embodiment. Compared with the field effect transistor 100 according to the embodiment, the field effect transistor 200 according to the present modification has a plurality of through holes 214 provided in the substrate 101 and the drain electrode 212 instead of the drain electrode 112. It is different from the point of having.

具体的には、複数の貫通孔214は、ゲート電極110の直下方向だけでなく、直下方向以外の位置にも設けられている。つまり、下面視(または上面視)において、複数の貫通孔214のうち少なくとも1つは、ゲート電極110と重ならない位置に設けられている。複数の貫通孔214の各々の形状および大きさは、特に限定されない。また、貫通孔214の個数も特に限定されない。この構成により、ドレイン電極212は、ゲート電極110の直下だけでなく、複数の貫通孔214を介して、n型層103に対して複数の位置で接続されている。 Specifically, the plurality of through holes 214 are provided not only in the direction directly below the gate electrode 110 but also at positions other than the direction directly below. That is, in bottom view (or top view), at least one of the plurality of through holes 214 is provided at a position that does not overlap with the gate electrode 110. The shape and size of each of the plurality of through holes 214 are not particularly limited. Further, the number of through holes 214 is not particularly limited. With this configuration, the drain electrode 212 is connected not only directly under the gate electrode 110 but also at a plurality of positions with respect to the n-type layer 103 via a plurality of through holes 214.

この構成により、複数の貫通孔214の個々の面積を小さくすることができるので、1つの大面積の貫通孔を形成する場合よりも、ScAlMgO基板の機械強度を保つことができる。これにより、デバイス作製の歩留が向上する。 This arrangement makes it possible to reduce the individual areas of the plurality of through holes 214, than the case of forming a single large-area through holes, it is possible to maintain the mechanical strength of ScAlMgO 4 substrate. This improves the yield of device fabrication.

なお、ゲート電極110の直下に位置するドレイン電極212の面積が小さくなることによる、直列抵抗の増大が危惧される。しかしながら、M含有層102とn型層103との界面がpn接合となって2DEG的な振る舞いを見せるために、直列抵抗の増大はほとんど問題とならない。 It should be noted that there is a concern that the series resistance will increase due to the smaller area of the drain electrode 212 located directly below the gate electrode 110. However, since the interface between the M-containing layer 102 and the n-type layer 103 becomes a pn junction and exhibits a 2DEG-like behavior, an increase in series resistance is hardly a problem.

(他の実施の形態)
以上、一つまたは複数の態様に係るIII族窒化物半導体素子およびその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、および、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。
(Other embodiments)
The group III nitride semiconductor device and the method for manufacturing the group III nitride semiconductor device according to one or more aspects have been described above based on the embodiments, but the present disclosure is not limited to these embodiments. As long as the gist of the present disclosure is not deviated, various modifications that can be conceived by those skilled in the art are applied to the present embodiment, and a form constructed by combining components in different embodiments is also included in the scope of the present disclosure. Is done.

例えば、上記実施の形態およびその変形例において、各半導体層の組成および層厚は、表1に示した例に限定されず、適宜変更することができる。 For example, in the above-described embodiment and its modifications, the composition and layer thickness of each semiconductor layer are not limited to the examples shown in Table 1, and can be appropriately changed.

また、例えば、上記実施の形態およびその変形例においては、III族窒化物半導体素子の一例として、GaN系の縦型の電界効果トランジスタ100を説明したが、その他の縦伝導型のデバイスにおいても同様の構造が適用可能である。III族窒化物半導体素子は、例えば、GaN系のLED(Light Emitting Diode)、レーザーダイオード、pn接合ダイオード、ショットキーバリアダイオードなどにも利用が可能である。 Further, for example, in the above-described embodiment and its modification, the GaN-based vertical field effect transistor 100 has been described as an example of the group III nitride semiconductor device, but the same applies to other vertical conduction type devices. The structure of is applicable. Group III nitride semiconductor devices can also be used, for example, in GaN-based LEDs (Light Emitting Diodes), laser diodes, pn junction diodes, Schottky barrier diodes, and the like.

また、例えば、III族窒化物半導体素子は、n型層103と、ドリフト層104と、第1下地層105と、第2下地層106と、第3下地層107と、第1再成長層108と、第2再成長層と、第3再成長層109と、ゲート電極110と、ソース電極111と、ドレイン電極112と、ゲート開口部113との少なくとも1つを備えなくてもよい。III族窒化物半導体素子に要求される機能に応じて、適宜必要な構成要素を備えればよい。例えば、III族窒化物半導体素子がpn接合ダイオードである場合には、ゲート電極110、ソース電極111およびドレイン電極112の代わりに、2つの対向する電極を備えればよい。当該2つの電極のうちの一方は、基板101の下面側に設けられ、貫通孔114を介してn型層103に接続される。 Further, for example, the group III nitride semiconductor element includes an n-type layer 103, a drift layer 104, a first base layer 105, a second base layer 106, a third base layer 107, and a first regrowth layer 108. The second regrowth layer, the third regrowth layer 109, the gate electrode 110, the source electrode 111, the drain electrode 112, and the gate opening 113 need not be provided. Necessary components may be appropriately provided according to the functions required for the group III nitride semiconductor device. For example, when the group III nitride semiconductor element is a pn junction diode, two opposing electrodes may be provided instead of the gate electrode 110, the source electrode 111, and the drain electrode 112. One of the two electrodes is provided on the lower surface side of the substrate 101 and is connected to the n-type layer 103 via the through hole 114.

また、上記の各実施の形態は、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。 In addition, each of the above embodiments can be changed, replaced, added, omitted, etc. within the scope of claims or the equivalent scope thereof.

本開示は、耐圧性能の高い電界効果トランジスタなどのIII族窒化物半導体素子として利用することができ、例えば、テレビなどの民生機器の電源回路などで用いられるパワートランジスタなどのパワーデバイスとして利用することができる。 The present disclosure can be used as a group III nitride semiconductor element such as a field effect transistor having high withstand voltage performance, and can be used as a power device such as a power transistor used in a power supply circuit of a consumer device such as a television. Can be done.

100、200 電界効果トランジスタ
101 基板
102 M含有層
103 n型層
104 ドリフト層
105 第1下地層
106 第2下地層
107 第3下地層
108 第1再成長層
109 第3再成長層
110 ゲート電極
111 ソース電極
112、212 ドレイン電極
113 ゲート開口部
114、214 貫通孔
115 二次元電子ガス層
100, 200 Field effect transistor 101 Substrate 102 M-containing layer 103 n-type layer 104 Drift layer 105 First base layer 106 Second base layer 107 Third base layer 108 First regrowth layer 109 Third regrowth layer 110 Gate electrode 111 Source electrode 112, 212 Drain electrode 113 Gate opening 114, 214 Through hole 115 Two-dimensional electron gas layer

Claims (10)

一般式RAMOで表される単結晶体からなるRAMO基板と、
前記RAMO基板上に位置し、前記一般式においてMで表される元素を含んでいるM含有III族窒化物層と、
前記M含有III族窒化物層上に位置するn型III族窒化物層と、
前記RAMO基板を貫通する電極とを、備え、
前記一般式において、
Rは、Sc、In、Yおよびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、
Aは、Fe(III)、GaおよびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、
Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、ZnおよびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す、
III族窒化物半導体素子。
A RAMO 4 substrate made of a single crystal represented by the general formula RAMO 4 and
An M-containing Group III nitride layer located on the RAMO 4 substrate and containing an element represented by M in the general formula,
The n-type Group III nitride layer located on the M-containing Group III nitride layer and
An electrode that penetrates the RAMO 4 substrate is provided.
In the above general formula
R represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Sc, In, Y and lanthanoid elements.
A represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Fe (III), Ga and Al.
M represents one or more divalent elements selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe (II), Co, Cu, Zn and Cd.
Group III nitride semiconductor device.
前記電極は、前記M含有III族窒化物層を貫通して前記n型III族窒化物層と接続されている、
請求項1に記載のIII族窒化物半導体素子。
The electrode penetrates the M-containing Group III nitride layer and is connected to the n-type Group III nitride layer.
The group III nitride semiconductor device according to claim 1.
前記Rは、Scであり、
前記Aは、Alであり、
前記Mは、Mgである、
請求項1または2に記載のIII族窒化物半導体素子。
The R is Sc,
A is Al,
M is Mg,
The group III nitride semiconductor device according to claim 1 or 2.
前記M含有III族窒化物層は、前記Mで表される元素の含有濃度が1020cm−3台となる領域を含む、
請求項1〜3のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体素子。
The M-containing Group III nitride layer contains a region in which the content concentration of the element represented by M is 10 20 cm- 3 units.
The group III nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 3.
前記M含有III族窒化物層の厚みは、50nm以上2000nm以下であり、
前記M含有III族窒化物層は、p型導電層または高抵抗層である、
請求項1〜4のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体素子。
The thickness of the M-containing Group III nitride layer is 50 nm or more and 2000 nm or less.
The M-containing Group III nitride layer is a p-type conductive layer or a high resistance layer.
The group III nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 4.
前記n型III族窒化物層は、SiまたはOをn型ドーパントとして含み、
前記n型III族窒化物層において、前記n型ドーパントの含有濃度は、前記Mで表される元素の含有濃度よりも大きい、
請求項1〜5のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体素子。
The n-type Group III nitride layer contains Si or O as an n-type dopant.
In the n-type Group III nitride layer, the content concentration of the n-type dopant is larger than the content concentration of the element represented by M.
The group III nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 5.
前記RAMO基板の厚みは、50μm以上400μm以下である、
請求項1〜6のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体素子。
The thickness of the RAMO 4 substrate is 50 μm or more and 400 μm or less.
The group III nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 6.
前記n型III族窒化物層を含む窒化物半導体層の最表面における貫通転位密度は、1×10cm−2以下である、
請求項1〜7のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体素子。
The through-dislocation density on the outermost surface of the nitride semiconductor layer including the n-type group III nitride layer is 1 × 10 8 cm- 2 or less.
The group III nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 7.
一般式RAMOで表される単結晶体からなるRAMO基板上に、前記一般式においてMで表される元素を含んでいるM含有III族窒化物層と、前記M含有III族窒化物層上に位置するn型III族窒化物層とを順次積層する工程と、
前記RAMO基板を貫通する貫通孔をエッチングにより形成する工程と、
前記貫通孔内に露出した前記M含有III族窒化物層をエッチングにより除去する工程と、
前記貫通孔を介して、前記n型III族窒化物層に接続される電極を形成する工程とを含み、
前記一般式において、
Rは、Sc、In、Yおよびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、
Aは、Fe(III)、GaおよびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、
Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、ZnおよびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す、
III族窒化物半導体素子の製造方法。
An M-containing group III nitride layer containing an element represented by M in the general formula and an M-containing group III nitride layer on a RAMO 4 substrate made of a single crystal represented by the general formula RAMO 4. The process of sequentially laminating the n-type III nitride layer located above and
A step of forming a through hole penetrating the RAMO 4 substrate by etching, and
A step of removing the M-containing Group III nitride layer exposed in the through hole by etching, and
Including a step of forming an electrode connected to the n-type III nitride layer through the through hole.
In the above general formula
R represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Sc, In, Y and lanthanoid elements.
A represents one or more trivalent elements selected from the group consisting of Fe (III), Ga and Al.
M represents one or more divalent elements selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe (II), Co, Cu, Zn and Cd.
A method for manufacturing a group III nitride semiconductor device.
前記貫通孔をエッチングにより形成する工程では、硫酸および過酸化水素水の混合液を50℃以上に加熱したエッチング液に前記RAMO基板を浸漬することで、前記エッチングを実施する工程である、
請求項9に記載のIII族窒化物半導体素子の製造方法。
The step of forming the through hole by etching is a step of performing the etching by immersing the RAMO 4 substrate in an etching solution obtained by heating a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution to 50 ° C. or higher.
The method for manufacturing a group III nitride semiconductor device according to claim 9.
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