JP3848548B2

JP3848548B2 - Field effect transistor

Info

Publication number: JP3848548B2
Application number: JP2001203850A
Authority: JP
Inventors: 信明寺口; 彰鈴木
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: JP2003017419A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置に関し、特にＳｉＣ基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させる電界効果型トランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置に用いられる基板として、一般的にはサファイアが用いられている。サファイア基板を用いた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置は、たとえばUS Patent No.5296395に開示されている。しかしながら、サファイアは窒化物半導体との格子不整が１３パーセント以上もあるので、この上に成長される窒化物半導体の結晶は結晶欠陥が非常に大きいといった問題を有する。
【０００３】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を高出力電子デバイスとして応用する場合には、窒化物半導体との格子不整が小さく熱伝導率の大きいＳｉＣ基板を用いるほうが有利とされている。ＳｉＣ基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長させた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置は、たとえば
IEEE EDL20 (1999) P161に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、ＳｉＣ基板に窒化物半導体材料を結晶成長させる場合、窒化物半導体の表面における極性をＩＩＩ族極性とするために、表面がＳｉ面のＳｉＣ基板上に窒化物半導体の結晶成長が行われる。たとえば、ＳｉＣ基板上に窒化物半導体であるＧａＮの結晶を成長させる場合に、表面がＳｉ面のＳｉＣ基板上にＧａＮを結晶成長させると、ＧａＮ層の表面がＩＩＩ族のＧａ極性となる。このように表面がＳｉ面のＳｉＣ基板上に窒化物半導体材料を結晶成長させるのは、ＩＩＩ族極性を有するほうが、表面平坦性および電気的特性に優れた結晶が得られると考えられているためである。
【０００５】
図４は、従来のＳｉＣ基板を用いた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の一例であるヘテロ接合電界効果型トランジスタ（HFET：Hetero Field Effect
Transistor）４０の構造を示す図である。ＨＦＥＴ４０は表面がＳｉ面であるＳｉＣ基板４２の上に、ＡｌＮバッファ層４３、ＧａＮ層４４、ＡｌＧａＮ層４５をこの順次に積層して構成される。ＡｌＧａＮ層４５の表面には、ソース電極４７、ドレイン電極４８およびゲート電極４９が形成される。ＨＦＥＴ４０は、図５に示すようにＧａＮ層４４とＡｌＧａＮ層４５との間に発生する２次元電子ガス（２ＤＥＧ）５０を利用して動作する電界効果型のトランジスタである。
【０００６】
また、表面がＳｉ面であるＳｉＣ基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を成長させる場合、結晶が成長する表面のマイグレーションを促進するために、表面が特定の結晶方向に対して傾斜した傾斜基板を用いる窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置が特開平１１−２３３３９１号公報に開示されている。
【０００７】
しかしながら、ＳｉＣ基板のＳｉ面は研磨によって傷が入りやすく、また表面酸化と化学エッチングによっても容易に傷を取ることができないので、基板処理が難しいといった問題を有する。また、図４に示したＨＦＥＴ４０では、２次元電子ガス５０がＡｌＧａＮ層４５の下のＧａＮ層４４に形成されるので、表面層はＡｌＧａＮ層４５となっている。したがって、ソース電極４７およびドレイン電極４８がＡｌＧａＮ層４５に対して形成されるので、ＡｌＧａＮ層４５のＡｌ組成が大きい場合には接触抵抗が大きくなるといった問題がある。また、バッファ層であるＡｌＮ層４３へのパラレル伝導による寄生容量の増加の問題が生じる。
【０００８】
一方、MRS Fall Meting Symposium W.6.3.1 (1999)には、ＧａＮ基板に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長させた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置が開示されている。MRS Fall Meting Symposium W.6.3.1 (1999)では、ホモエピタキシャル成長の場合ではあるがＧａＮ基板の表面を特定の方向に傾斜させることによって、Ｖ族極性を有するＮ極性の基板の上でも表面平坦性に優れた結晶が得られることが開示されている。
【０００９】
しかしながら、ＧａＮのバルク結晶の作製は難しい。したがって、ＳｉＣ基板を用いて結晶性および電気的特性に優れた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置が望まれている。
【００１０】
本発明の目的は、結晶性および電気的特性に優れた電界効果型トランジスタを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面がＣ面であって、前記表面が〔１１−２０〕方向または〔１−１００〕方向に傾斜し、その傾斜角度が０．５度以上８度以下であるＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板の前記表面上に順次結晶成長されて積層されるＡｌＮバッファ層、第１のＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層および第２のＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層にオーミック接合されるソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に設けられ、前記ＡｌＧａＮ層にショットキー接合されるゲート電極とを含むことを特徴とする電界効果型トランジスタである。
【００１２】
本発明に従えば、ＳｉＣ結晶のＣ面はＳｉ面に比べてケミカルエッチングが容易であるので、研磨傷のない表面平坦性にすぐれた基板表面を得ることができる。したがって、表面がＣ面であるＳｉＣ基板に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長させることによって、表面の傷の影響を受けない良好な窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させることができ、結晶性および電気的特性に優れた電界効果型トランジスタを作製することができる。
【００１４】
また〔１１−２０〕方向または〔１−１００〕方向にＳｉＣ基板の表面を傾斜させることによって、基板表面の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料がより拡散しやすいので、表面平坦性および結晶性の優れた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長が可能となる。
【００１６】
ＳｉＣ基板の表面を傾斜させて結晶を成長させると結晶はステップ状に成長して、面内で均一な結晶成長が可能となる。しかしながら、ＳｉＣ基板の表面の傾斜角が０．５度よりも小さい場合はＳｉＣ基板上に形成されるステップの形成が明確ではない。一方、傾斜角が８度よりも大きくなると、ＳｉＣ基板上に形成されるステップの間隔が著しく小さくなるのでステップの段が並ぶ方向のポテンシャルの揺らぎが大きくなる。本発明に従えば、ＳｉＣ基板の表面の傾斜角を０．５度以上とすることによって基板上にステップが明確に生じ、また基板の傾斜角を８度以下とすることによってステップの間隔が適度に形成されるので、面内で均一な結晶成長が可能となる。
【００１８】
またＳｉＣ基板上に結晶性および電気的特性に優れた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を成長させることができるので、高周波および高速特性であり、雑音が非常に少ない電界効果型トランジスタを作製することができる。
【００１９】
また、表面がＣ面であるＳｉＣ基板上にＡｌＮバッファ層、第１のＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層および第２のＧａＮ層を順次結晶成長して、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのヘテロ構造を形成してヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製すると、従来の表面がＳｉ面であるＳｉＣ基板を用いて作製されるヘテロ接合電界効果型トランジスタとは構造が異なり、ＧａＮ層に対して電極を形成することができる。したがって、ソース電極およびドレイン電極は、接触抵抗の小さなオーミック電極が形成可能である。
【００２０】
また本発明は、前記ＳｉＣ基板の表面の傾斜方向に対して直角となる方向に前記ソース電極および前記ドレイン電極を並べて配置することを特徴とする。
【００２１】
基板の表面が傾斜したＳｉＣ基板では、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が基板の表面の傾斜方向に沿ってステップ状に結晶成長する。ＳｉＣ基板の表面の傾斜方向と平行に電流を流す場合、結晶がステップ状に形成されているのでポテンシャルの段差の影響を受ける。したがって、たとえばヘテロ接合電界効果型トランジスタでは、２次元電子ガスの伝導特性が悪化する。本発明に従えば、ソース電極およびドレイン電極をＳｉＣ基板の表面の傾斜方向に対して直角となる方向に並べて配置する、つまりステップ状に形成される窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のステップの延びる方向に対して平行な方向にソース電極およびドレイン電極が並んで配置されるのでポテンシャルの段差の影響が少なく、揺らぎを小さくすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明における電界効果型トランジスタは、表面がＣ面であるＳｉＣ基板の上に、たとえば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長させることによって作製される。
【００２３】
以下、本発明の電界効果型トランジスタの具体的な実施例を示す。
【００２４】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１の電界効果型トランジスタであるＨＦＥＴ（ヘテロ接合電界効果型トランジスタ）１を示す図である。
【００２５】
ＨＦＥＴ１は、表面がＣ面であるＳｉＣ基板（以下、Ｃ面Ｓｉ基板と記す）２の上にＡｌＮバッファ層３、第１のＧａＮ層４、ＡｌＧａＮバリア層５およびＧａＮ層６がこの順番で積層され、第２のＧａＮ層６の上にソース電極７、ドレイン電極８、およびゲート電極９を備え構成される。
【００２６】
ＨＦＥＴ１の作製方法を以下に示す。まず始めに、Ｃ面ＳｉＣ基板２を熱酸化し、引き続いてフッ酸溶液中で表面の酸化膜を除去する。この熱酸化と酸化膜の除去を数回繰り返してＳｉＣ基板２の研磨傷を完全に取り除く。そして、この上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、前記Ｃ面ＳｉＣ基板２の上にＡｌＮバッファ層３を結晶成長させる。このとき、ＡｌＮバッファ層３の成長温度は１１００℃であり、層厚は１００ｎｍとなるように成長させる。本実施例では、有機金属気相成長法を用いて結晶を成長させているが、結晶成長法としては、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、プラズマ励起した窒素を用いた分子線エピタキシー法であるＲＦ−ＭＢＥ（Radio frequency−Molecular Beam Epitaxy）法またはＥＣＲ−ＭＢＥ（Electron Cyclotron Resonance−MBE）法などを用いることができる。
【００２７】
ＡｌＮバッファ層３の上に、成長温度１０００℃で第１のＧａＮ層４、ＡｌＧａＮ層５、および第２のＧａＮ層６を順次成長させる。このとき、第１のＧａＮ層４の膜厚は２μｍ、ＡｌＧａＮ層５の膜厚は５０ｎｍ、および第２のＧａＮ層６の膜厚は２００ｎｍとなるようにそれぞれを成長させる。この後、Ｔｉ／Ａｌから成り、オーミック接合される電極であるソース電極７およびドレイン電極８を形成し、ソース電極７およびドレイン電極８との間にＮｉ／Ａｕから成りショットキー接合される電極であるゲート電極９をそれぞれ形成する。
【００２８】
ＳｉＣ結晶ではＳｉ面とＣ面とで極性が異なる。したがって、ＳｉＣ基板２に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長させるＨＦＥＴ１は、図４に示す表面がＳｉ面であるＳｉＣ基板４２に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長させる従来のＨＦＥＴ４０場合とは構造が異なる。本発明のＨＦＥＴ１では、図２に示すように、第２のＧａＮ層６とＡｌＧａＮ層５との間に発生する２次元電子ガス１０を利用して動作する。従来のＨＦＥＴ４０では、接触抵抗の大きなＡｌＧａＮ層４５の上にソース電極４７およびドレイン電極４８が形成されるが、本発明のＨＦＥＴ１では、ＧａＮ層６の上にソース電極４７およびドレイン電極４８を形成されるので、接触抵抗の小さいオーミック接合によって電極を形成することができるので電気特性に優れる。
【００２９】
本実施例のＨＦＥＴ１の室温における移動度を測定すると、２０００ｃｍ²／Ｖｓであった。また、比較のために同一の基板処理によって従来のＨＦＥＴ４０と同じ構造である従来型のＨＦＥＴの作製をおこなった。ここで比較する従来型のＨＦＥＴは、表面がＳｉ面であるＳｉＣ基板に、図１に示すＡｌＮバッファ層３、第１のＧａＮ層４、ＡｌＧａＮ層５、ソース電極７、ドレイン電極８およびゲート電極９が図４のＨＦＥＴ４０に示すＡｌＮバッファ層４３、ＧａＮ層４４、ＡｌＧａＮ層４５、ソース電極４７、ドレイン電極４８にそれぞれ対応するように作製している。このように作製した従来型のＨＦＥＴの移動度は１５００ｃｍ²／Ｖｓであった。
【００３０】
このように、表面がＣ面であるＳｉＣ基板を用いて作製されたＨＦＥＴ１は、従来型のＨＦＥＴに比べて移動度が大きく、電気的特性に優れていることが判った。ＨＦＥＴ１と従来型のＳｉ面を用いたＨＦＥＴとの顕著な違いはＩ−Ｖ特性に現れていた。つまり、ＨＦＥＴ１では電流コラップスがまったく見られなかったが、従来型のＨＦＥＴでは電流コラップスが出たり出なかったりとばらつきが生じた。これはＳｉ面における研磨傷がトラップの形成に関係していると考えられる。
【００３１】
（実施例２）
以下の（１）〜（３）の３種類の表面がＣ面であるＳｉＣ基板の上にＧａＮおよびＡｌＧａＮを成長させて窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置であるＨＦＥＴを作製した。
（１）基板の表面の傾斜がないＳｉＣ基板（以下、Ｊｕｓｔ基板と記す）
（２）基板の表面が〔１１−２０〕方向に１度傾斜したＳｉＣ基板（以下、〔１１−２０〕基板と記す）
（３）基板の表面が〔１−１００〕方向に１度傾斜したＳｉＣ基板（以下、〔１−１００〕基板と記す）
【００３２】
結晶成長法は前記実施例１と同様に行った。ただし、ソース電極およびドレイン電極は、基板の表面の傾斜方向に垂直な方向に並んで配置されている。
【００３３】
上記３種類のＳｉＣ基板を用いて作製されたＨＦＥＴの室温における移動度と最大発振周波数を表１に示す。
【００３４】
【表１】

【００３５】
表１に示すように、Ｊｕｓｔ基板を用いた場合の移動度は２０００ｃｍ²／Ｖｓであり、最大発振周波数は１５０ＧＨｚであった。一方、ＳｉＣ基板の表面を〔１１−２０〕方向に傾斜させた〔１１−２０〕基板を用いた場合の移動度は２８００ｃｍ²／Ｖｓであり、最大発振周波数は２５０ＧＨｚであった。また、ＳｉＣ基板の表面を〔１−１００〕方向に傾斜させた〔１−１００〕基板を用いた場合の移動度は３０００ｃｍ²／Ｖｓであり、最大発振周波数は２８０ＧＨｚであった。このように、ＳｉＣ基板の表面を〔１１−２０〕方向または〔１−１００〕方向に傾けることによって、移動度および最大発振周波数ともに改善が見られ、高速特性および高周波特性に優れたＨＦＥＴを作製することができる。
【００３６】
（実施例３）
ＳｉＣ基板の表面を〔１１−２０〕方向または〔１−１００〕方向に傾斜させ、傾斜角度を変えて実施例１と同じ構造のＨＦＥＴを作製した。なお、ソース電極およびドレイン電極は、基板の表面の傾斜方向に垂直な方向に並んで配置されている。図３は、ＳｉＣ基板の表面の傾斜角度を変化させて作製されたＨＦＥＴの移動度を測定した結果を示す図である。図３では、表面を〔１１−２０〕方向に傾斜させたＳｉＣ基板を〔１１−２０〕方向傾斜基板とし、表面を〔１−１００〕方向に傾斜させたＳｉＣ基板を〔１−１００〕方向傾斜基板として表している。図３には、基板の表面が傾斜していないＪｕｓｔ基板を用いた場合の移動度も示している。
【００３７】
図３に示すように、基板の表面の傾斜角度が８度よりも大きくなると移動度が小さくなっている。また、基板の表面の傾斜角度が０．５度よりも小さくになると、基板の表面の傾斜角度がほとんどなくなり、Ｊｕｓｔ基板と同じ特性となる。したがって、基板の傾斜角度を０．５度以上であって８度以下とすることによって、移動度が優れたＨＦＥＴを作製することができる。
【００３８】
（実施例４）
実施例２の基板の表面が〔１１−２０〕方向に１度傾斜したＳｉＣ基板（〔１１−２０〕基板）に、実施例１と同じ構造で、基板の表面の傾斜方向に対して直角となる方向にソース電極およびドレイン電極を並べて配置した場合、および基板の傾斜方向に対して平行となる方向にソース電極およびドレイン電極を並べて配置した場合ＨＦＥＴを作製し、それぞれの移動度と最大発振周波数とを測定した。この測定結果を表２に示す。
【００３９】
【表２】

【００４０】
表２に示すように、基板の表面の傾斜方向に対して直角となる方向にソース電極およびドレイン電極を形成した場合の移動度は３０００ｃｍ²／Ｖｓであり、最大発振周波数は２８０ＧＨｚであった。一方、基板の表面の傾斜方向に対して水平となる方向にソース電極およびドレイン電極を形成した場合の移動度は２５００ｃｍ²／Ｖｓであり、最大発振周波数は２３０ＧＨｚであった。このように、ソース電極およびドレイン電極とを基板の傾斜方向と直角となる方向に並べて配置すると、ヘテロ構造でのポテンシャルの揺らぎが少ないなるので、移動度および最大発振周波数の大きな値となる。したがって、高速特性、高周波特性に優れたＨＦＥＴを作製することができる。
【００４１】
以上の実施例１〜４では、ＳｉＣ基板上にＧａＮおよびＡｌＧａＮを結晶成長させてヘテロ構造を作製する方法としてＭＯＣＶＤ法を用いたが、ヘテロ構造の部分はＲＦ−ＭＢＥ法などのＭＢＥ法によって成長させてもよい。このように、ヘテロ構造の部分をＭＢＥによって結晶成長させることによって、界面の急峻性が改善される。したがって、さらに特性を改善することが可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ＳｉＣ結晶のＣ面はＳｉ面に比べてケミカルエッチングが容易であるので、研磨傷のない表面平坦性にすぐれた基板表面を得ることができる。したがって、表面がＣ面であるＳｉＣ基板に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長させることによって、表面の傷の影響を受けない良好な窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させることができ、結晶性および電気的特性に優れた電界効果型トランジスタを作製することができる。
【００４３】
また〔１１−２０〕方向または〔１−１００〕方向にＳｉＣ基板の表面を傾斜させることによって、基板表面の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料がより拡散しやすいので、表面平坦性および結晶性の優れた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長が可能となる。
【００４４】
またＳｉＣ基板の表面の傾斜角を０．５度以上とすることによって基板上にステップが明確に生じ、また基板の傾斜角を８度以下とすることによってステップの間隔が適度に形成されるので、面内で均一な結晶成長が可能となる。
【００４５】
またＳｉＣ基板上に結晶性および電気的特性に優れた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を成長させることができるので、高周波および高速特性であり、雑音が非常に少ない電界効果型トランジスタを作製することができる。
【００４６】
また本発明によれば、ソース電極およびドレイン電極をＳｉＣ基板の表面の傾斜方向に対して直角となる方向に並べて配置する、つまりステップ状に形成される窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のステップの延びる方向に対して平行な方向にソース電極およびドレイン電極が並んで配置されるのでポテンシャルの段差の影響が少なく、揺らぎを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１であるＨＦＥＴ１の構造を示す図である。
【図２】図１のＨＦＥＴ１の２次元電子ガス１０の発生状態を示す図である。
【図３】基板の表面を傾斜させて作製したＨＦＥＴの移動度を示すグラフである。
【図４】従来のＨＦＥＴ４０の構造を示す図である。
【図５】従来のＨＦＥＴ４０の２次元電子ガス５０の発生状態を示す図である。
【符号の説明】
１ヘテロ接合電界効果型トランジスタ
２Ｃ面ＳｉＣ基板
３ＡｌＮバッファ層
４第１のＧａＮ層
５ＡｌＧａＮバリア層
６第２のＧａＮ層
７ソース電極
８ドレイン電極
９ゲート電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride III-V compound semiconductor device, and more particularly to a field effect transistor for growing a nitride III-V compound semiconductor on a SiC substrate.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, sapphire is generally used as a substrate used in a nitride III-V compound semiconductor device. A nitride III-V compound semiconductor device using a sapphire substrate is disclosed, for example, in US Pat. No. 5,296,395. However, since sapphire has a lattice mismatch with the nitride semiconductor of 13% or more, the crystal of the nitride semiconductor grown thereon has a problem that the crystal defects are very large.
[0003]
When the nitride III-V compound semiconductor device is applied as a high-power electronic device, it is advantageous to use a SiC substrate having a small lattice mismatch with the nitride semiconductor and a high thermal conductivity. A nitride III-V compound semiconductor device in which a nitride III-V compound semiconductor material is crystal-grown on a SiC substrate is, for example,
It is disclosed in IEEE EDL20 (1999) P161.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In general, when a nitride semiconductor material is crystal-grown on a SiC substrate, the crystal growth of the nitride semiconductor is performed on the SiC substrate whose surface is a Si surface in order to make the polarity of the surface of the nitride semiconductor a Group III polarity. Is called. For example, when a GaN crystal, which is a nitride semiconductor, is grown on a SiC substrate, if the GaN crystal is grown on a SiC substrate having a Si surface, the surface of the GaN layer has a Group III Ga polarity. The reason why the nitride semiconductor material is crystal-grown on the SiC substrate having the Si surface as described above is that a crystal having superior surface flatness and electrical characteristics can be obtained when it has group III polarity. It is.
[0005]
FIG. 4 shows a heterojunction field effect transistor (HFET) which is an example of a nitride III-V compound semiconductor device using a conventional SiC substrate.
FIG. The HFET 40 is configured by laminating an AlN buffer layer 43, a GaN layer 44, and an AlGaN layer 45 in this order on a SiC substrate 42 having a Si surface. A source electrode 47, a drain electrode 48 and a gate electrode 49 are formed on the surface of the AlGaN layer 45. The HFET 40 is a field-effect transistor that operates using a two-dimensional electron gas (2DEG) 50 generated between the GaN layer 44 and the AlGaN layer 45 as shown in FIG.
[0006]
In addition, when a nitride III-V compound semiconductor material is grown on a SiC substrate having a Si surface, the surface is inclined with respect to a specific crystal direction in order to promote migration of the surface on which the crystal grows. A nitride III-V compound semiconductor device using the inclined substrate is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-233391.
[0007]
However, the Si surface of the SiC substrate is likely to be damaged by polishing and cannot be easily removed by surface oxidation and chemical etching, so that the substrate processing is difficult. In the HFET 40 shown in FIG. 4, since the two-dimensional electron gas 50 is formed in the GaN layer 44 below the AlGaN layer 45, the surface layer is the AlGaN layer 45. Therefore, since the source electrode 47 and the drain electrode 48 are formed on the AlGaN layer 45, there is a problem that the contact resistance increases when the Al composition of the AlGaN layer 45 is large. Further, there arises a problem of increase in parasitic capacitance due to parallel conduction to the AlN layer 43 serving as a buffer layer.
[0008]
On the other hand, MRS Fall Meeting Symposium W.6.3.1 (1999) discloses a nitride III-V compound semiconductor device in which a nitride III-V compound semiconductor material is crystal-grown on a GaN substrate. . In MRS Fall Meeting Symposium W.6.3.1 (1999), even in the case of homoepitaxial growth, surface flatness is achieved even on an N-polar substrate having a V group polarity by tilting the surface of the GaN substrate in a specific direction. It is disclosed that excellent crystals can be obtained.
[0009]
However, it is difficult to produce a bulk crystal of GaN. Therefore, a nitride III-V compound semiconductor device having excellent crystallinity and electrical characteristics using an SiC substrate is desired.
[0010]
An object of the present invention is to provide a field effect transistor having excellent crystallinity and electrical characteristics.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a SiC substrate whose surface is a C plane, the surface is inclined in the [11-20] direction or the [1-100] direction, and the inclination angle is not less than 0.5 degrees and not more than 8 degrees;
An AlN buffer layer, a first GaN layer, an AlGaN layer, and a second GaN layer, which are sequentially grown and stacked on the surface of the SiC substrate;
A source electrode and a drain electrode that are ohmic-bonded to the AlGaN layer;
Wherein provided between the source electrode and the drain electrode, a field-effect transistor which comprises a gate electrode is Schottky junction with the AlGaN layer.
[0012]
According to the present invention, since the C plane of the SiC crystal is easier to chemically etch than the Si plane, it is possible to obtain a substrate surface excellent in surface flatness free from polishing flaws. Therefore, by growing a nitride III-V compound semiconductor material on a SiC substrate having a C-plane surface, it is possible to grow a good nitride III-V compound semiconductor that is not affected by scratches on the surface. Thus, a field effect transistor with excellent crystallinity and electrical characteristics can be manufactured.
[0014]
In addition, by tilting the surface of the SiC substrate in the [11-20] direction or the [1-100] direction, the nitride III-V group compound semiconductor material on the substrate surface is more easily diffused. It is possible to grow a nitride III-V compound semiconductor having excellent properties.
[0016]
When a crystal is grown by tilting the surface of the SiC substrate, the crystal grows in a step shape, and uniform crystal growth is possible in the plane. However, when the inclination angle of the surface of the SiC substrate is smaller than 0.5 degrees, the formation of the steps formed on the SiC substrate is not clear. On the other hand, when the tilt angle is larger than 8 degrees, the interval between steps formed on the SiC substrate is remarkably reduced, so that the potential fluctuation in the direction in which the steps are arranged increases. According to the present invention, the step is clearly generated on the substrate by setting the tilt angle of the surface of the SiC substrate to 0.5 degrees or more, and the step interval is moderate by setting the tilt angle of the substrate to 8 degrees or less. Therefore, uniform crystal growth in the plane is possible.
[0018]
In addition, since a nitride-based III-V compound semiconductor material having excellent crystallinity and electrical characteristics can be grown on a SiC substrate, a field effect transistor having high frequency and high speed characteristics and extremely low noise can be obtained. Can be produced.
[0019]
In addition, an AlN buffer layer, a first GaN layer, an AlGaN layer, and a second GaN layer are successively grown on a SiC substrate having a C-plane surface to form a heterostructure of GaN and AlGaN to form a heterojunction electric field. When making effect transistor, the heterojunction field effect transistor conventional surface prepared using a SiC substrate is Si face different structure, it is possible to form the electrode with respect to the GaN layer. Therefore, an ohmic electrode having a small contact resistance can be formed as the source electrode and the drain electrode.
[0020]
The present invention is characterized in that to arrange the source electrode and the drain electrode in a direction at right angles to the inclined direction of the surface of the SiC substrate.
[0021]
In a SiC substrate whose substrate surface is inclined, a nitride III-V compound semiconductor grows in a stepped manner along the inclination direction of the substrate surface. When an electric current is passed in parallel with the direction of inclination of the surface of the SiC substrate, the crystal is formed in a step shape, so that it is affected by a potential step. Therefore, for example, in the heterojunction field effect transistor, the conduction characteristics of the two-dimensional electron gas deteriorate. According to the present invention, the source electrode and the drain electrode are arranged side by side in a direction perpendicular to the direction of inclination of the surface of the SiC substrate, that is, in the step of the nitride-based III-V compound semiconductor formed in a step shape. Since the source electrode and the drain electrode are arranged side by side in a direction parallel to the extending direction, the influence of the potential step is small and fluctuation can be reduced.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The field effect transistor according to the present invention is obtained by growing a nitride III-V compound semiconductor material such as AlN, GaN, InN, AlGaN, or InGaN on a SiC substrate having a C-plane surface. Produced.
[0023]
Specific examples of the field effect transistor of the present invention will be described below.
[0024]
Example 1
FIG. 1 is a diagram showing an HFET (heterojunction field effect transistor) 1 which is a field effect transistor according to a first embodiment of the present invention.
[0025]
The HFET 1 has an AlN buffer layer 3, a first GaN layer 4, an AlGaN barrier layer 5, and a GaN layer 6 stacked in this order on an SiC substrate 2 (hereinafter referred to as a C-plane Si substrate) 2 having a C-plane surface. A source electrode 7, a drain electrode 8, and a gate electrode 9 are provided on the second GaN layer 6.
[0026]
A method for manufacturing HFET 1 will be described below. First, the C-plane SiC substrate 2 is thermally oxidized, and then the surface oxide film is removed in a hydrofluoric acid solution. This thermal oxidation and removal of the oxide film are repeated several times to completely remove the polishing scratches on the SiC substrate 2. Then, an AlN buffer layer 3 is crystal-grown on the C-plane SiC substrate 2 by metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD). At this time, the growth temperature of the AlN buffer layer 3 is 1100 ° C., and the layer thickness is 100 nm. In this embodiment, crystals are grown using metal organic vapor phase epitaxy, but crystal growth methods include hydride vapor phase epitaxy (HVPE) and molecular beam epitaxy using nitrogen excited by plasma. A certain RF-MBE (Radio frequency-Molecular Beam Epitaxy) method or ECR-MBE (Electron Cyclotron Resonance-MBE) method can be used.
[0027]
On the AlN buffer layer 3, a first GaN layer 4, an AlGaN layer 5, and a second GaN layer 6 are sequentially grown at a growth temperature of 1000 ° C. At this time, the first GaN layer 4 is grown to a thickness of 2 μm, the AlGaN layer 5 to a thickness of 50 nm, and the second GaN layer 6 to a thickness of 200 nm. Thereafter, a source electrode 7 and a drain electrode 8 which are electrodes made of Ti / Al and are ohmic-bonded are formed, and an electrode which is made of Ni / Au and is Schottky-bonded between the source electrode 7 and the drain electrode 8. A certain gate electrode 9 is formed.
[0028]
In the SiC crystal, the polarity differs between the Si face and the C face. Therefore, the HFET 1 for crystal-growing a nitride III-V compound semiconductor material on the SiC substrate 2 crystal-grows the nitride III-V compound semiconductor material on the SiC substrate 42 having a Si surface as shown in FIG. The structure is different from that of the conventional HFET 40. The HFET 1 of the present invention operates by using a two-dimensional electron gas 10 generated between the second GaN layer 6 and the AlGaN layer 5 as shown in FIG. In the conventional HFET 40, the source electrode 47 and the drain electrode 48 are formed on the AlGaN layer 45 having a large contact resistance. However, in the HFET 1 of the present invention, the source electrode 47 and the drain electrode 48 are formed on the GaN layer 6. Therefore, since the electrode can be formed by an ohmic junction having a small contact resistance, the electrical characteristics are excellent.
[0029]
When the mobility of the HFET 1 of this example at room temperature was measured, it was 2000 cm ² / Vs. For comparison, a conventional HFET having the same structure as the conventional HFET 40 was manufactured by the same substrate processing. The conventional HFET to be compared here has an SiC substrate whose surface is a Si surface, an AlN buffer layer 3, a first GaN layer 4, an AlGaN layer 5, a source electrode 7, a drain electrode 8 and a gate electrode shown in FIG. 9 correspond to the AlN buffer layer 43, the GaN layer 44, the AlGaN layer 45, the source electrode 47, and the drain electrode 48 shown in the HFET 40 of FIG. The mobility of the conventional HFET fabricated in this way was 1500 cm ² / Vs.
[0030]
As described above, it was found that the HFET 1 manufactured using the SiC substrate having the C-plane surface has higher mobility and superior electrical characteristics than the conventional HFET. A significant difference between HFET 1 and a conventional HFET using a Si surface appeared in the IV characteristics. That is, no current collapse was found in the HFET 1, but the conventional HFET varied with or without current collapse. This is considered that polishing scratches on the Si surface are related to trap formation.
[0031]
(Example 2)
GaN and AlGaN were grown on a SiC substrate having the following three types of surfaces (1) to (3) having a C-plane to produce an HFET that is a nitride III-V compound semiconductor device.
(1) SiC substrate with no substrate surface tilt (hereinafter referred to as Just substrate)
(2) SiC substrate whose surface is inclined by 1 degree in the [11-20] direction (hereinafter referred to as [11-20] substrate)
(3) SiC substrate whose surface is inclined by 1 degree in the [1-100] direction (hereinafter referred to as [1-100] substrate)
[0032]
The crystal growth method was performed in the same manner as in Example 1. However, the source electrode and the drain electrode are arranged side by side in a direction perpendicular to the inclination direction of the surface of the substrate.
[0033]
Table 1 shows the mobility and maximum oscillation frequency at room temperature of HFETs fabricated using the above three types of SiC substrates.
[0034]
[Table 1]

[0035]
As shown in Table 1, the mobility when using a Just substrate was 2000 cm ² / Vs, and the maximum oscillation frequency was 150 GHz. On the other hand, when the [11-20] substrate with the surface of the SiC substrate inclined in the [11-20] direction was used, the mobility was 2800 cm ² / Vs, and the maximum oscillation frequency was 250 GHz. In addition, the mobility when the [1-100] substrate in which the surface of the SiC substrate is inclined in the [1-100] direction was used was 3000 cm ² / Vs, and the maximum oscillation frequency was 280 GHz. Thus, by tilting the surface of the SiC substrate in the [11-20] direction or the [1-100] direction, both the mobility and the maximum oscillation frequency are improved, and an HFET excellent in high speed characteristics and high frequency characteristics is manufactured. can do.
[0036]
Example 3
The surface of the SiC substrate was tilted in the [11-20] direction or [1-100] direction, and the tilt angle was changed to produce an HFET having the same structure as in Example 1. Note that the source electrode and the drain electrode are arranged side by side in a direction perpendicular to the direction of inclination of the surface of the substrate. FIG. 3 is a diagram showing a result of measuring the mobility of an HFET manufactured by changing the tilt angle of the surface of the SiC substrate. In FIG. 3, the SiC substrate whose surface is inclined in the [11-20] direction is the [11-20] direction inclined substrate, and the SiC substrate whose surface is inclined in the [1-100] direction is the [1-100] direction. It is represented as an inclined substrate. FIG. 3 also shows the mobility when a Just substrate whose substrate surface is not inclined is used.
[0037]
As shown in FIG. 3, the mobility decreases when the inclination angle of the surface of the substrate is larger than 8 degrees. Further, when the inclination angle of the surface of the substrate is smaller than 0.5 degrees, the inclination angle of the surface of the substrate is almost eliminated, and the same characteristics as the Just substrate are obtained. Therefore, an HFET with excellent mobility can be produced by setting the substrate tilt angle to 0.5 degrees or more and 8 degrees or less.
[0038]
Example 4
The SiC substrate ([11-20] substrate) whose surface of the substrate of Example 2 is inclined by 1 degree in the [11-20] direction has the same structure as that of Example 1 and is perpendicular to the direction of inclination of the surface of the substrate. When the source electrode and the drain electrode are arranged side by side in the direction to be arranged, and when the source electrode and the drain electrode are arranged side by side in a direction parallel to the tilt direction of the substrate, an HFET is manufactured, and the respective mobility and maximum oscillation frequency are produced. And measured. The measurement results are shown in Table 2.
[0039]
[Table 2]

[0040]
As shown in Table 2, the mobility when the source electrode and the drain electrode were formed in a direction perpendicular to the direction of inclination of the surface of the substrate was 3000 cm ² / Vs, and the maximum oscillation frequency was 280 GHz. On the other hand, the mobility when the source electrode and the drain electrode were formed in a direction horizontal to the tilt direction of the surface of the substrate was 2500 cm ² / Vs, and the maximum oscillation frequency was 230 GHz. Thus, when the source electrode and the drain electrode are arranged side by side in a direction perpendicular to the tilt direction of the substrate, potential fluctuations in the heterostructure are reduced, resulting in large values of mobility and maximum oscillation frequency. Therefore, an HFET excellent in high speed characteristics and high frequency characteristics can be manufactured.
[0041]
In Examples 1 to 4 described above, the MOCVD method was used as a method for producing a heterostructure by crystal growth of GaN and AlGaN on a SiC substrate. The heterostructure portion was grown by an MBE method such as an RF-MBE method. You may let them. In this way, the interface steepness is improved by crystal growth of the heterostructure portion by MBE. Therefore, the characteristics can be further improved.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the C plane of the SiC crystal is easier to chemically etch than the Si plane, it is possible to obtain a substrate surface excellent in surface flatness without polishing scratches. Therefore, by growing a nitride III-V compound semiconductor material on a SiC substrate having a C-plane surface, it is possible to grow a good nitride III-V compound semiconductor that is not affected by scratches on the surface. Thus, a field effect transistor with excellent crystallinity and electrical characteristics can be manufactured.
[0043]
By tilting the surface of the SiC substrate or [11-20] direction or [1-100] direction, the nitride III-V compound semiconductor material of the substrate surface is more likely to diffuse, surface flatness and A nitride III-V group compound semiconductor having excellent crystallinity can be grown.
[0044]
Step clearly occur on the substrate by the angle of inclination of the or S iC surface of the substrate is 0.5 degrees or more, the interval steps are suitably formed by the inclination angle of the substrate 8 degrees or less Therefore, uniform crystal growth is possible in the plane.
[0045]
Since Also crystallinity and the S iC substrate excellent nitride III-V compound semiconductor material on the electrical properties can be grown, a high-frequency and high-speed characteristics, very little field-effect transistor noise Can be produced.
[0046]
According to the present invention, the source electrode and the drain electrode are arranged side by side in a direction perpendicular to the direction of inclination of the surface of the SiC substrate, that is, the step of the nitride-based III-V compound semiconductor formed in a step shape Since the source electrode and the drain electrode are arranged side by side in a direction parallel to the extending direction, the influence of the potential step is small, and the fluctuation can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the structure of an HFET 1 that is Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a generation state of a two-dimensional electron gas 10 in the HFET 1 of FIG.
FIG. 3 is a graph showing the mobility of an HFET manufactured by tilting the surface of a substrate.
4 is a diagram showing the structure of a conventional HFET 40. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a generation state of a two-dimensional electron gas 50 of a conventional HFET 40. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heterojunction field effect transistor 2 C surface SiC substrate 3 AlN buffer layer 4 1st GaN layer 5 AlGaN barrier layer 6 2nd GaN layer 7 Source electrode 8 Drain electrode 9 Gate electrode

Claims

A SiC substrate whose surface is a C-plane, the surface is inclined in the [11-20] direction or the [1-100] direction, and the inclination angle is not less than 0.5 degrees and not more than 8 degrees;
An AlN buffer layer, a first GaN layer, an AlGaN layer, and a second GaN layer, which are sequentially grown and stacked on the surface of the SiC substrate;
A source electrode and a drain electrode that are ohmic-bonded to the AlGaN layer;
The source electrode and disposed between the drain electrode, the field-effect transistor which comprises a gate electrode is Schottky junction with the AlGaN layer.

Field effect transistor of claim 1, wherein the placing side by side the source electrode and the drain electrode in a direction at right angles to the inclined direction of the surface of the SiC substrate.