JP3987360B2

JP3987360B2 - エピタキシャル基板、電子デバイス用エピタキシャル基板、及び電子デバイス

Info

Publication number: JP3987360B2
Application number: JP2002081394A
Authority: JP
Inventors: 智彦柴田; 光浩田中; 正宏坂井
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2022-03-22
Also published as: JP2003282598A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エピタキシャル基板、電子デバイス用エピタキシャル基板、及び電子デバイスに関する。
【０００２】
近年、携帯電話や光通信などが発展する中で、高周波特性に優れ、低消費電力型で高出力の電子デバイスに対する需要が急速に増大している。このような用途としては、従来、ＳｉデバイスやＧａＡｓデバイスが用いられてきた。しかし、携帯電話の高性能化や光通信の高速化に伴い、より良い高周波特性で高出力の電子デバイスが望まれている。
【０００３】
このため、ＧａＡｓ系のＨＥＭＴやシュードモルフイックＨＥＭＴ、ＧａＡｓ系のＨＢＴなどが実用化されている。また、さらに高性能な電子デバイスとして、ＩｎＰ系のＨＥＭＴやＨＢＴなどの電子デバイスが盛んに研究開発されている。
【０００４】
しかし、これらのより高性能の電子デバイスの製造にあっては、電子デバイス作製のためのエピタキシャル成長させた半導体層の構造がより複雑になり、またデバイスプロセスもより微細化し、製造コストが高くなるとともに、半導体層を構成する材料系もより高価になるため、これらの材料系にとって代わる新しい材料系が望まれていた。
【０００５】
このような新しい材料としてＧａＮを用いた電子デバイスが最近注目されている。ＧａＮはバンドギャップが３．３９ｅＶと大きいため、Ｓｉ、ＧａＡｓに比べて絶縁破壊電圧が約一桁大きく、電子飽和ドリフト速度が大きいため、Ｓｉ、ＧａＡｓに比べて電子デバイスとしての性能指数が優れており、高温動作デバイス、高出力デバイス、高周波デバイスとして、エンジン制御、電力変換、移動体通信などの分野で有望視されている。
【０００６】
図１は、従来のＨＥＭＴ系デバイスの一例を示す図である。図１に示すＨＥＭＴは、サファイア単結晶などからなる基材１上において、ＭＯＣＶＤ法により６００℃以下の低温で形成されたＡｌＮなどからなる第１の下地層２と、この下地層２上にＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などによりエピタキシャル成長されたＧａＮなどからなる第２の下地層３と、この下地層３上にエピタキシャル成長されたＡｌＧａＮなどからなる半導体層４とを具えている。そして、半導体層４上には、ゲート電極６、ソース電極７、及びドレイン電極８が設けられている。なお、図１においては、基材１、下地層２及び３はエピタキシャル基板５を構成する。
【０００７】
ゲート電極６に所定の電圧が印加されると、ソース電極７及びドレイン電極８間には、図中矢印で示すように下地層３及び半導体層４間の界面を通るようにして電流が流れ、デバイスとして機能するようになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に示すようなＧａＮ系材料を用いたＨＥＭＴ、及びその他の電子デバイスなどにおいては、高速動作性などが十分でなく、実用的な電子デバイスとして使用するには不十分であった。
【０００９】
本発明は、高速動作性などの特性を改善し、ＧａＮ系材料からなる実用レベルの電子デバイスを得るための手段を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、単結晶材料からなる基材と、この基材上に形成された少なくともＡｌを含む第１のIII族窒化物下地層と、この第１のIII族窒化物下地層上に形成された第２のIII 族窒化物下地層とを具え、前記第１のIII族窒化物下地層と前記第２のIII族窒化物下地層との界面において、アクセプタ不純物を含み、該アクセプタ不純物の濃度が、前記第１の III 族窒化物下地層及び前記第２の III 族窒化物下地層の前記界面から、前記第２の III 族窒化物下地層の厚さ方向において減少していることを特徴とする、エピタキシャル基板に関する。
【００１１】
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意検討を行い、以下の事実を見出すに至った。すなわち、下地層２及び下地層３の界面９においては、転位の消失過程に伴ってｎタイプのキャリアが比較的多量に生成され、このキャリアに起因したリーク電流が界面９において生じていることを見出した。したがって、ゲート電極６に所定の電圧を印加した場合、その一部はリーク電流の生成のために用いられてしまうため、十分な高速動作性を実現できないことを見出した。
【００１２】
そこで、本発明者らは、上記リーク電流を抑制すべくさらなる検討を実施した。その結果、上記リーク電流はｎタイプのキャリアから生じていることから、界面９にアクセプタ不純物を添加し、前記ｎタイプキャリアを捕捉することを想到し、本発明をするに至ったものである。この結果、上記リーク電流を抑制して、高速動作性に優れた電子デバイスを提供することができる。
【００１３】
なお、本願発明における前記アクセプタ不純物は、前記第１のIII族窒化物下地層及び前記第２のIII族窒化物下地層に対してアクセプタとして作用する不純物であり、周期律表第II族の元素、例えば、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ及びＣなどを例示することができる。
【００１４】
本発明の好ましい態様においては、前記アクセプタ不純物濃度を、１０^１０／ｃｍ^２〜１０^２０／ｃｍ^２、さらには１０^１４／ｃｍ^２〜１０^１８／ｃｍ^２にする。これによって、前記下地層間の界面に存在するｎタイプキャリアの捕捉を十分に行うことができ、リーク電流を十分に抑制することができる。
【００１５】
また、本発明の他の好ましい態様においては、前記アクセプタ不純物が、前記第１のIII族窒化物下地層及び前記第２のIII族窒化物下地層の前記界面から、前記第２のIII族窒化物下地層中に０．０１μｍ〜１μｍ、さらには０．０１μｍ〜０．５μｍの深さに侵入し、存在するようにすることが好ましい。この場合においても、前記下地層間の界面に存在するｎタイプキャリアの捕捉を十分に行うことができ、リーク電流を十分に抑制することができる。
【００１６】
さらに本発明では、前記アクセプタ不純物濃度を、前記第１のIII族窒化物下地層及び前記第２のIII族窒化物下地層の前記界面から、前記第２のIII族窒化物下地層の厚さ方向に向けて減少させるようにする。この場合においても、前記下地層間の界面に存在するｎタイプキャリアの捕捉を十分に行うことができ、リーク電流を十分に抑制することができる。さらに、前記アクセプタ不純物が前記第２のIII族窒化物下地層内において高濃度に存在しないために、前記アクセプタ不純物に起因したキャリアの移動度の劣化などを抑制することができる。
【００１７】
具体的には、前記界面から前記第２のIII族窒化物下地層の厚さ方向へ向けて連続的又はステップ状に減少させることができる。さらには、必要に応じて前記第２のIII族窒化物下地層の厚さ方向へ向けて全体的に濃度が減少した状態において、その内部の局所的に濃度の高い部分を形成することもできる。
【００１８】
なお、アクセプタ不純物は、上述した下地層間の界面及び前記第２のIII族窒化物下地層に存在するのみでなく、前記界面から拡散などによって前記第１のIII族窒化物下地層中に侵入して、存在していても良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図２は、本発明のエピタキシャル基板を用いてなるＨＥＭＴの構成を示す図である。なお、図１に示すＨＥＭＴ１０と同様の構成要素に対しては同じ参照数字を用いている。図２に示すＨＥＭＴ２０においては、所定の単結晶材料から基材１上において、少なくともＡｌを含む第１のIII族窒化物下地層２と、この下地層２上にエピタキシャル成長された、下地層２よりも少ない含有量でＡｌを含む第２のIII族窒化物下地層３と、この下地層３上にエピタキシャル成長された半導体層４とを具えている。そして、半導体層４上において、ゲート電極６、ソース電極７、及びドレイン電極８が設けられている。なお、図２においては、基材１、下地層２及び３はエピタキシャル基板５を構成する。
【００２１】
また、下地層２及び下地層３間の、界面９から下地層３へ延在した領域Ａにはアクセプタ不純物が含有されている。このアクセプタ不純物としては、上述したように下地層２及び下地層３を構成するIII族窒化物に対してアクセプタとして機能する周期律表第II族のＭｇ、Ｂｅ及びＺｎを例示することができる。
【００２２】
また、アクセプタ不純物の濃度は上述したように、１０^１０／ｃｍ^２〜１０^２０／ｃｍ^２、さらには１０^１４／ｃｍ^２〜１０^１８／ｃｍ^２にすることが好ましい。また、領域Ａの厚さｔ、すなわちアクセプタ不純物が界面９から下地層３内に侵入して存在している深さｔは、上述したように０．０１μｍ〜１μｍ、さらには０．０１μｍ〜０．５μｍにすることが好ましい。これによって、界面９で生じるｎタイプキャリアの捕捉を十分に行うことができ、界面９におけるリーク電流の発生を十分に低減することができる。
【００２３】
アクセプタ不純物を含む領域Ａは以下のようにして形成することができる。すなわち、下地層３をＭＯＣＶＤ法により形成する際に、下地層３の原料であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、その他のIII族元素供給ガスと、アンモニア（ＮＨ_３）などの窒素原料ガスとに加えて、形成の初期の段階においてのみ、Ｃｐ₂Ｍｇ、ＤＥＺｎ、Ｃｐ_２Ｂｅ、及びＣＨ_４などのアクセプタ不純物ガスを用いる。なお、Ｃのドープに関しては上記有機金属内のメチル基を利用することもできる。そして、下地層３をある程度の厚さに形成した後、前記不純物ガスの供給を止めることによって、界面９から下地層３へ延在するようにして、アクセプタ不純物が存在する領域Ａを形成することができる。
【００２４】
なお、ＭＯＣＶＤ法のみならず、ＭＢＥ法を用いて同様の構造を形成することもできる。
【００２５】
図２に示すＨＥＭＴ２０において、第１のIII族窒化物下地層２は、Ａｌを含むことが必要であり、好ましくはＡｌを全III族元素に対して５０原子％以上、さらにはIII族元素の総てがＡｌから構成され、下地層２がＡｌＮから構成されることが好ましい。これによって、基材１と下地層２との界面で生じるミスフィット転位がその界面において絡まり、下地層２中に伝播しなくなるために層中の転位密度が低減される。その結果、下地層２上に形成された第２のIII族窒化物下地層３及び半導体層４中の転位密度も低減され、結晶品質が向上する。
【００２６】
このため、ＨＥＭＴの動作に起因するキャリアの移動度が増大し、図２における下地層３及び半導体層４の界面を、矢印で示す向きにより高速で電流が流れるようになるため、高速応答性がさらに増大する。また、転位によるキャリアの捕捉も抑制されるためキャリア密度も増大し、より大きな電流を流すことができるようになり、信号強度を増大させることができる。
【００２７】
また、第１のIII族窒化物下地層２の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が１００秒以下であることが好ましく、さらには６０秒以下であることが好ましい。この場合においても、下地層２の高結晶性に起因して、下地層２上にエピタキシャル成長された下地層３及び半導体層４の結晶性も向上するため、キャリアの移動度及び密度が向上し、より大きな電流を高速で流すことができるようになるため、高速応答性が向上するとともに、信号強度も増大させることができる。
【００２８】
このような高結晶性下地層２は、例えばＭＯＣＶＤ法により基材１の温度を１１００℃以上に設定することによって形成することができる。なお、表面の粗れの抑制などの観点から基材１の温度は１２５０℃以下に設定することが好ましい。
【００２９】
第１のIII族窒化物下地層２は、Ａｌ以外のＧａ及びＩｎなどのIII族元素の他、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｂｅ及びＭｇなどの添加元素を含むこともできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【００３０】
また、下地層２の厚さは結晶性向上の観点から、好ましくは２μｍ〜３μｍ以上に設定する。
【００３１】
第２のIII族窒化物下地層３は、下地層２の組成や半導体層４の組成などに応じて任意の組成を有することができる。Ａｌ、Ｇａ及びＩｎなどのIII族元素の他、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｂｅ及びＭｇなどの添加元素を含むこともできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【００３２】
半導体層４は、目的に応じて任意の半導体材料から構成することができるが、下地層２及び下地層３を上述したようなIII族窒化物から構成した場合においては、エピタキシャル成長を容易にし、界面における原子の配列状態やエネルギー状態を任意に制御して、良好な特性のＨＥＭＴを得るべく、同じくIII族窒化物から構成することが好ましい。
【００３３】
基材１を構成する単結晶材料は、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ_２単結晶、ＬｉＧａＯ_２単結晶、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのIV族あるいはIV−IV族単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などのIII−Ｖ族単結晶、ＺｒＢ_２などのホウ化物単結晶などの公知の基板材料を用いることができる。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００３５】
（実施例）
本実施例では、図２に示すようなＨＥＭＴ２０を作製した。基材１としてサファイア単結晶基材を用い、これをＭＯＣＶＤ装置内に設置されたサセプタ上に載置した。次いで、前記サセプタ内のヒータにより、前記基材を１２００℃まで加熱し、圧力を２５Ｔｏｒｒに設定した。
【００３６】
次いで、Ａｌ供給原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、窒素供給原料としてアンモニアガス（ＮＨ_３）を用い、これら原料ガスを水素キャリアガスとともに、ＮＨ_３／ＴＭＡ＝４００となるようにガス供給量を設定し、前記反応管内に導入するとともに、前記基材上に供給して、第１のIII族窒化物下地層２としてのＡｌＮ下地膜を厚さ１μｍに形成した。
【００３７】
次いで、圧力を大気圧に設定した後、前記基材温度を１０５０℃とし、Ｇａ供給原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、ＮＨ_３／ＴＭＡ＝３０００となるようにガス供給量を設定し、前記ＡｌＮ膜上に供給して、第２のIII族窒化物下地層３としてのＧａＮ下地膜を厚さ３μｍに形成した。なお、前記ＧａＮ下地膜の形成初期の段階で、Ｃｐ_２Ｍｇを３×１０^１６／ｃｍ^２の濃度となるような流量で流し、アクセプタ不純物であるＭｇの存在領域Ａを厚さ０．２μｍに形成した。
【００３８】
次いで、ＮＨ_３／ＴＭＡ／ＴＭＧ＝３０００／０．３／１の流量比で、前記ＧａＮ下地膜上にこれらの原料ガスを供給するとともに、ＳｉＨ_４ガスを４×１０^１８／ｃｍ^２の濃度となるような流量で供給して、半導体層４としてのｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ膜を厚さ２５ｎｍに形成した。次いで、所定の電極を形成してホール効果測定を行った。次いで、前記ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ膜をエッチング除去し、１０μｍのギャップをおいて所定の電極を形成してリーク電流の評価を行った。その結果、二次元電子ガス濃度１．０×１０^１３／ｃｍ^２、移動度１２００ｃｍ^２／Ｖｓを実現し、２０Ｖ印加時のリーク電流値は０．１μＡ以下であった。
【００３９】
（比較例）
本比較例においては、図１に示すようなＨＥＭＴ１０を作製した。作製条件は、第２のIII族窒化物下地層３であるＧａＮ下地膜を形成する際に、Ｃｐ_２Ｍｇを供給せず、アクセプタ不純物が存在する領域Ａを形成しなかった以外は、実施例と同様にして実施した。二次元電子ガス濃度１．０×１０^１３／ｃｍ^２、移動度１２００ｃｍ^２／Ｖｓを実現したものの、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ膜をエッチング除去して評価した２０Ｖ印加時のリーク電流値は１０μＡであった。
【００４０】
以上、実施例及び比較例から明きらかなように、本発明にしたがって、第１のIII族窒化物下地層２及び第２のIII族窒化物下地層３を構成するＡｌＮ下地膜及びＧａＮ下地膜の界面にアクセプタ不純物Ｍｇが存在するように、この不純物が存在する領域Ａを形成した場合は、リーク電流が抑制されるとともに、電流遮断特性に優れ、さらに不要なキャリアの存在による静電容量も抑制されるため、高周波特性が優れていることが分かる。
【００４１】
以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施に形態に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。
【００４２】
例えば、上記具体例においては、アクセプタ不純物が存在する領域Ａを第２のIII族窒化物下地層３内に存在する場合について示したが、第１のIII族窒化物下地層２内に存在するようにすることもできる。また、第１のIII族窒化物下地層２を形成した後、この下地層２の極表面にのみイオン照射などによってアクセプタ不純物を吸着させ、ほぼ界面９のみにアクセプタ不純物を存在するようにすることもできる。さらには、第２のIII族窒化物下地層３内において、界面９からその膜厚方向において、例えば連続的又はステップ状にアクセプタ不純物濃度が減少するようにすることもできる。
【００４３】
なお、上記においては本発明のエピタキシャル基板をＨＥＭＴについて用いる場合について説明したが、その他の電子デバイス、例えばＨＢＴなどにも用いることができる。
【００４４】
その他、基材１から半導体層４のいずれかの界面においてバッファ層やひずみ超格子などの多層積層膜を挿入したり、成長条件を多段階としたりして、各層の結晶品質を向上させることもできる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のエピタキシャル基板によれば、高速動作性などの特性を改善し、ＧａＮ系材料からなる実用レベルの電子デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＨＥＭＴの構成図である。
【図２】本発明のエピタキシャル基板を用いたＨＥＭＴの構成図である。
【符号の説明】
１基材、２第１のIII族窒化物下地層、３第２のIII族窒化物下地層、４半導体層、５エピタキシャル基板、６ゲート電極、７ソース電極、８ドレイン電極、９界面、１０，２０ＨＥＭＴ

Claims

単結晶材料からなる基材と、この基材上に形成された少なくともＡｌを含む第１のIII族窒化物下地層と、この第１のIII族窒化物下地層上に形成された第２のIII 族窒化物下地層とを具え、少なくとも前記第１のIII族窒化物下地層と前記第２のIII族窒化物下地層との界面において、アクセプタ不純物を含み、該アクセプタ不純物の濃度が、前記第１の III 族窒化物下地層及び前記第２の III 族窒化物下地層の前記界面から、前記第２の III 族窒化物下地層の厚さ方向において減少していることを特徴とする、エピタキシャル基板。
前記アクセプタ不純物濃度が、１０^１０／ｃｍ^２〜１０^２０／ｃｍ^２であることを特徴とする、請求項１に記載のエピタキシャル基板。
前記アクセプタ不純物は、前記第１のIII族窒化物下地層及び前記第２のIII族窒化物下地層の前記界面から、前記第２のIII族窒化物下地層中に、０．０１μｍ〜１μｍの深さに侵入し、存在することを特徴とする、請求項１又は２に記載のエピタキシャル基板。
前記第１のIII族窒化物下地層中のＡｌ含有量は、全III族元素に対して５０原子％以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のエピタキシャル基板。
前記第１のIII族窒化物下地層はＡｌＮからなることを特徴とする、請求項４に記載のエピタキシャル基板。
前記第１のIII族窒化物下地層の、（００２）面のＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が１００秒以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のエピタキシャル基板。
請求項１〜６のいずれか一に記載のエピタキシャル基板を含む、電子デバイス用エピタキシャル基板。
請求項７に記載の電子デバイス用エピタキシャル基板を具えることを特徴とする、電子デバイス。