JP4315271B2 - 電子デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
所定の単結晶基材上に下地層を設けてなるエピタキシャル基板上に、III族窒化物からなる種々の半導体層膜から構成される半導体層群を形成し、さらにこの半導体層群上に所定の電極を構成することにより各種の電子デバイスを作製する試みがなされている。前記単結晶基材としては安価であるなどの理由からサファイア単結晶などが用いられている。しかしながら、上述したIII族窒化物を用いた従来の電子デバイスにおいては所望するデバイス特性を十分に得ることができず、実用には問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、十分なデバイス特性を有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイスを提供することを目的とする。
【０００４】
【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、
ｃ面サファイア基板と、
前記ｃ面サファイア基板上に形成されたＡｌＮ下地層と、
前記ＡｌＮ下地層上に直接形成されたＧａＮ半導体層と、
前記ＧａＮ半導体層上に形成されたＡｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎバリア層と、
前記バリア層上に形成されたＳｉ含有Ａｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎキャリア供給層と、
前記キャリア供給層上に形成されたＡｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎキャップ層とを具え、
前記ＡｌＮ下地層の転位密度が１×１０^１１／ｃｍ^２以下であって、前記ＡｌＮ下地層の表面粗さＲａが２Å以下であるとともに、前記ＡｌＮ下地層の厚さが１μｍ〜３μｍであり、
前記ＧａＮ半導体層、前記Ａｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎバリア層、前記Ａｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎキャリア供給層、及び前記Ａｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎキャップ層は、半導体層群を構成し、
前記半導体層群は、室温において５×１０^１２／ｃｍ^２以上のシートキャリア濃度を示す
とともに、１３００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上の移動度を示し、１５Ｋの低温において５×１０^１２／ｃｍ^２以上のシートキャリア濃度を示すとともに、６０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上の移動度を示し、
さらに、前記半導体層群は室温において１５０ｍＳ／ｍｍ以上のトランスコンダクタンスを示すことを特徴とする、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイスに関する。
【０００５】
本発明によれば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイスを構成する半導体層群に対して、室温において、シートキャリア濃度５×１０^１２／ｃｍ^２以上、及び移動度１３００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上の高い電気特性を付与することができる。したがって、実用に足るデバイス特性を付与した高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイスを得ることができるようになる。
【０００６】
なお、本発明における「室温」とは３００Ｋ近傍の温度を意味するものである。
【０００７】
また、前記半導体層群は１５Ｋの低温において５×１０^１２／ｃｍ^２以上のシートキャリア濃度を示すとともに、６０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上の移動度を示す。前述した室温での高いシートキャリア濃度及び移動度に加えて、１５Ｋという低温においても上述したような高いシートキャリア濃度及び移動度を呈することにより、前記半導体層群の電気特性はさらに向上する。したがって、前記高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイスに対して実用に足るデバイス特性を十分に付与することができるようになる。
【０００８】
さらに、本発明の他の好ましい態様においては、前記半導体層群は室温において１５０ｍＳ／ｍｍ以上のトランスコンダクタンスを示す。前述した室温での高いシートキャリア濃度及び移動度に加えて、上述した高いトランスコンダクタンスを呈することにより、前記半導体層群の電気特性はさらに向上する。したがって、本発明の前記高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイスに対して実用に足るデバイス特性を十分に付与することができるようになる。
【０００９】
【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。
【００１０】
本発明においては、ＧａＮ半導体層、Ａｌ _０．２６ Ｇａ _０．７４ Ｎバリア層、Ｓｉ含有Ａｌ _０．２６ Ｇａ _０．７４ Ｎキャリア供給層、及びＡｌ _０．２６ Ｇａ _０．７４ Ｎキャップ層からなる半導体層群の、室温におけるシートキャリア濃度が５×１０^１２／ｃｍ^２以上、好ましくは１×１０^１３／ｃｍ^２以上となるようにすることが必要である。また、前記半導体層群の移動度は１３００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上、好ましくは１４００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上となるようにすることが必要である。これによって、前記半導体層群は十分な電気特性を有することができ、本発明の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイスを構成した場合において、この高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイスに対して実用に足るデバイス特性を付与することができるようになる。
【００１１】
また、本発明においては、前記半導体層群が１５Ｋの低温において５×１０^１２／ｃｍ^２以上、さらには１×１０^１３／ｃｍ^２以上のシートキャリア濃度を有するように構成する。同様に、前記半導体層群が１５Ｋの低温において６０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上、さらには７０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上、特には８０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上の移動度を有するように構成する。前記半導体層群がこのような低温において上述したような高い電気特性を有することにより、本発明の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイスに対して実用に足るデバイス特性を十分に付与することができるようになる。
【００１２】
さらに、本発明においては、前記半導体層群が室温において１５０ｍＳ／ｍｍ以上、さらには２００ｍＳ／ｍｍ以上のトランスコンダクタンスを有するようにすることが好ましい。前記半導体層群が上述のような高いトランスコンダクタンスを有し優れた電気特性を具えることにより、本発明の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイスに対して実用に足るデバイス特性を十分に付与することができるようになる。
【００１３】
上述した良好な電気特性を有す半導体層群を形成するための具体的に手段は、前記ＡｌＮ下地層の物理特性を操作することによって簡易に得ることができる。具体的には、前記ＡｌＮ下地層中の転位密度を１×１０^１１／ｃｍ^２以下、さらには５×１０^１０／ｃｍ^２以下、特には１×１０^１０／ｃｍ^２以下にまで低減させる。
【００１４】
また、前記下地層の表面粗さＲａを２Å以下となるようにする。さらに、前記下地層中の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅を２００秒以下、さらには１００秒以下となるように、前記下地層の結晶性を向上させても良い。
【００１５】
前記下地層の結晶品質を上述したように設定することにより、前記半導体層群を前記下地層上にＣＶＤ法又はＭＢＥ法などの公知の成膜手法を用いて形成するのみで、上述した良好な電気特性を有する半導体層群を得ることができる。
【００１６】
上述した高結晶品質の下地層はエピタキシャル基板を構成する単結晶基材を１１００℃以上、好ましくは１２５０℃以下に加熱することによって簡易に得ることができる。また、前記下地層の厚さは０．５μｍ以上とし、さらには１μｍ〜３μｍであることが好ましい。
【００１７】
前記下地層は、Ａｌの他に、必要に応じてＭｇ、Ｓｉ、又はＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、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ができる。
【００１８】
同様に、上述した半導体層群は、必要に応じてＭｇ、Ｓｉ、又はＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、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ができる。
【００１９】
また、本発明の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイスを構成する基板は、ｃ面サファイア基板とする。
【００２０】
図１は、本発明の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイスの一例を示す構成図である。図１に示す高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイス２０は、ｃ面サファイア基板１上において、ＡｌＮ下地層２、並びにこの下地層上において直接ＧａＮ半導体層３が形成され、次いで、Ａｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎバリア層４、Ｓｉ含有Ａｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎキャリア供給層５、及びＡｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎキャップ層６が順次に積層されてなる。さらに、キャップ層６上にはソース電極７、ドレイン電極８及びゲート電極９が形成されている。
【００２１】
バリア層４及びキャップ層６は、厚さ、並びに不純物の種類及び含有量について目的とするデバイス特性に応じて適宜に選択する。また、キャップ層６と前記電極との間に、前記電極との接触抵抗を低減させるためのコンタクト層を形成することもできる。
【００２２】
ＧａＮ半導体層３、Ａｌ _０．２６ Ｇａ _０．７４ Ｎバリア層４、Ｓｉ含有Ａｌ _０．２６ Ｇａ _０．７４ Ｎキャリア供給層５、及びＡｌ _０．２６ Ｇａ _０．７４ Ｎキャップ層６は半導体層群１４を構成する。この半導体層群は、本発明にしたがって、室温において５×１０ ^１２ ／ｃｍ ^２ 以上のシートキャリア濃度を示すとともに、１３００ｃｍ ^２ ／Ｖ・ｓ以上の移動度を示し、１５Ｋの低温において５×１０ ^１２ ／ｃｍ ^２ 以上のシートキャリア濃度を示すとともに、６０００ｃｍ ^２ ／Ｖ・ｓ以上の移動度を示す。また、好ましくは、室温において１５０ｍＳ／ｍｍ以上、さらには２００ｍＳ／ｍｍ以上のトランスコンダクタンスを示す。
【００２３】
なお、バリア層４、キャリア供給層５及びキャップ層６からなる第２の半導体層１２のバンドギャップは、ＧａＮ半導体層３のバンドギャップよりも大きく設定されており、これによって第２の半導体層１２を構成するキャリア供給層５から供給されたキャリアは、ＧａＮ半導体層３及び第２の半導体層１２間の界面に蓄積され、この界面上を移動するようになる。したがって、図１に示す電子デバイスはいわゆるＨＥＭＴとして機能するようになる。
【００２４】
また、ｃ面サファイア基板１及びＡｌＮ下地層２はエピタキシャル基板１０を構成する。
【００２５】
図１に示すＨＥＭＴ２０は、本発明の要件を満足する半導体層群１４から構成されているので、良好な電力特性及び周波数特性を呈するようになり、大電力かつ高周波数領域での使用が可能となる。
【００２６】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
（実施例）
本実施例においては、本発明のエピタキシャル基板及び半導体素子を用いて図１に示すようなＨＥＭＴを作製した。単結晶基材としてＣ面サファイア基材を用い、これを石英製の反応管内に設置されたサセプタ上に載置した。次いで、圧力を２０Ｔｏｒｒに設定して、水素キャリアガスを流速３ｍ／ｓｅｃとなるように供給した後、ヒータにより、前記基材を１２００℃まで加熱した。
【００２７】
Ａｌ供給原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いるとともに、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、ＴＭＡとＮＨ_３とのモル比が１：４５０となるようにして前記反応管内に導入するとともに、前記基材上に供給した。そして、６０分間エピタキシャル成長させることによって、下地層としてのＡｌＮ膜を厚さ１μｍに形成した。なお、このＡｌＮ膜中の転位密度は１×１０^１０／ｃｍ^２であった。また、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は６０秒であり、表面粗さＲａは１．５Åであり、表面にはステップが観察された。
【００２８】
次いで、圧力を７６０Ｔｏｒｒに設定して、基板温度を１０８０℃に変更し、Ｇａ供給原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、前記原料供給ガスの流量比をＴＭＧ及びＮＨ_３のモル比が１：２０００となるようにして、前記ＡｌＮ膜上に供給し、６０分間エピタキシャル成長させることによって、第１の半導体層としてのＧａＮ膜を厚さ３μｍに形成した。
【００２９】
次いで、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びＮＨ_３のモル比が０．２：０．７：２０００となるようにして前記ｉ−ＧａＮ膜上に供給し、第２の半導体層を構成するバリア層、キャリア供給層及びキャップ層としてのＡｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎ膜をそれぞれ７ｎｍ、１５ｎｍ、及び３ｎｍに形成した。なお、キャリア供給層を形成するに際しては、ＳｉＨ_４ガスを併用し、前記Ａｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎ膜中にＳｉを２×１０^１８／ｃｍ^３の割合でドープさせた。
【００３０】
このようにして得られた半導体素子の、室温におけるシートキャリア濃度及び移動度をホール効果測定法を用いて計測したところ、１．１×１０^１３／ｃｍ^２及び１４５０ｃｍ^２／Ｖ・ｓであることが判明した。また、１５Ｋの低温におけるシートキャリア濃度及び移動度は、それぞれ１．０×１０^１３／ｃｍ^２及び８５００ｃｍ^２／Ｖ・ｓであることが判明した。さらに、ゲート長２μｍ時の室温におけるトランスコンダクタンスは２００ｍＳ／ｍｍであることが判明した。
【００３１】
（比較例）
下地層を構成するＡｌＮ膜を９００℃以下の低温で厚さ０．０３μｍに形成した以外は実施例と同様にして半導体素子及びＨＥＭＴを作製した。前記ＡｌＮ膜中の転位密度は３×１０^１１／ｃｍ^２であった。なお、得られた半導体素子の室温におけるシートキャリア濃度及び移動度はそれぞれ１．１×１０^１３／ｃｍ^２及び１１５０ｃｍ^２／Ｖ・ｓであり、１５Ｋにおけるシートキャリア濃度及び移動度はそれぞれ１．１×１０^１３／ｃｍ^２及び５０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓであった。ゲート長２μｍ時の、室温におけるトランスコンダクタンスは１３０ｍＳ／ｍｍであった。
【００３２】
以上、実施例及び比較例から明らかなように、本発明の要件を満足した高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイスは、実用に十分耐え得るようなデバイス特性を提供するに足る電気特性を有することが分かる。
【００３３】
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。例えば、半導体層群と下地層との間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、前記Ａｌ含有窒化物膜の結晶性をさらに向上させることもできる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、III族窒化物からなる半導体層群を含む半導体素子からなるデバイスに対して十分なデバイス特性を付与することができるエピタキシャル基板を提供するとともに、このようなエピタキシャル基板を含む半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子デバイス（ＨＥＭＴ）の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ ｃ面サファイア基板、２ ＡｌＮ下地層、３ ＧａＮ半導体層、４ Ａｌ _０．２６ Ｇａ _０．７４ Ｎバリア層、５ Ｓｉ含有Ａｌ _０．２６ Ｇａ _０．７４ Ｎキャリア供給層、６ Ａｌ _０．２６ Ｇａ _０．７４ Ｎキャップ層、７ ソース電極、８ ドレイン電極、９ ゲート電極、１０ エピタキシャル基板、１２ 第２の半導体層、１４ 半導体層群、２０ 電子デバイス（ＨＥＭＴ）

Claims (1)

1. ｃ面サファイア基板と、
   前記ｃ面サファイア基板上に形成されたＡｌＮ下地層と、
   前記ＡｌＮ下地層上に直接形成されたＧａＮ半導体層と、
   前記ＧａＮ半導体層上に形成されたＡｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎバリア層と、
   前記バリア層上に形成されたＳｉ含有Ａｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎキャリア供給層と、
   前記キャリア供給層上に形成されたＡｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎキャップ層とを具え、
   前記ＡｌＮ下地層の転位密度が１×１０^１１／ｃｍ^２以下であって、前記ＡｌＮ下地層の表面粗さＲａが２Å以下であるとともに、前記ＡｌＮ下地層の厚さが１μｍ〜３μｍであり、
   前記ＧａＮ半導体層、前記Ａｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎバリア層、前記Ａｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎキャリア供給層、及び前記Ａｌ_０．２６Ｇａ_０．７４Ｎキャップ層は、半導体層群を構成し、
   前記半導体層群は、室温において５×１０^１２／ｃｍ^２以上のシートキャリア濃度を示すとともに、１３００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上の移動度を示し、１５Ｋの低温において５×１０^１２／ｃｍ^２以上のシートキャリア濃度を示すとともに、６０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上の移動度を示し、
   さらに、前記半導体層群は室温において１５０ｍＳ／ｍｍ以上のトランスコンダクタンスを示すことを特徴とする、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する電子デバイス。

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