JP5092139B2

JP5092139B2 - GaN-based high electron mobility field effect transistor

Info

Publication number: JP5092139B2
Application number: JP2006322914A
Authority: JP
Inventors: 芳明佐野; 俊治丸井; 真一星; 昇平関; 孝志江川
Original assignee: 国立大学法人名古屋工業大学
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: JP2008140812A

Description

本発明は、窒化アルミニュウム（ＡｌＮ）層をバリア層として有する窒化ガリウム（ＧａＮ）系の高電子移動度電界効果トランジスタ（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）、特に、ＧａＮ−ＨＥＭＴ動作時の順方向電圧Ｖｆ（即ち、順方向ゲート電流が規定値以上に流れ始めるゲート電圧）の特性に強く影響を及ぼすエピタキシャル層におけるバリア層の構成に関するものである。 The present invention relates to a gallium nitride (GaN) -based high electron mobility field effect transistor (GaN-HEMT) having an aluminum nitride (AlN) layer as a barrier layer, in particular, a forward voltage Vf during GaN-HEMT operation (ie, The present invention relates to the structure of the barrier layer in the epitaxial layer that strongly influences the characteristics of the gate voltage at which the forward gate current starts to flow beyond a specified value.

近年、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のうち、高耐圧で、高速動作が可能な窒化ガリウムアルミ（ＡｌＧａＮ）／窒化ガリウム（ＧａＮ）ヘテロ構造を有するＧａＮ−ＨＥＭＴが提案され、例えば、次のような文献等に記載されている。 In recent years, among field effect transistors (FETs), a GaN-HEMT having a gallium aluminum nitride (AlGaN) / gallium nitride (GaN) heterostructure that has a high breakdown voltage and can be operated at high speed has been proposed. Etc. are described.

特許第３７６８９４３号号公報Japanese Patent No. 3768943 信学技法 TECHNICAL REPORT OF IEICE ED2003-200、p.41-45IEICE Technical Report of IEICE ED2003-200, p.41-45 Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 44, No. 9A (2005)、p.6490-6494Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 44, No. 9A (2005), p. 6490-6494

この特許文献１には、ガリウム（Ｇａ）やアルミニュウム（Ａｌ）等のＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル基板の技術が記載されている。又、非特許文献１、２には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を有するＧａＮ−ＨＥＭＴの技術が記載されている。 This Patent Document 1 describes a technology for an epitaxial substrate of a group III nitride such as gallium (Ga) or aluminum (Al). Non-Patent Documents 1 and 2 describe GaN-HEMT technology having an AlGaN / GaN heterostructure.

図２は、特許文献１や非特許文献１、２等に記載された従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴを示す模式的な断面図である。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a conventional AlGaN / GaN-HEMT described in Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2, and the like.

このＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ１０は、サファイア基板１１を有し、このサファイア基板１１上に、電子走行層であるＧａＮチャネル層（これは結晶構造の特徴から「バッファ層」とも呼ばれる。）１２がエピタキシャル成長されている。更に、ＧａＮチャネル層１２上には、電子キャリア供給層であるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバリア層（例えば、ｘ＝Ｏ．３、以下単に「ＡｌＧａＮバリア層」とも言う。）１３と、ＡｌＮバリア層１４とが形成されている。ＡｌＧａＮバリア層１３とＧａＮチャネル層１２とのヘテロ界面には、トランジスタ動作を担うキャリアとなる高電子移動度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）１５が発生する。ＡｌＧａＮバリア層１３上には、ソース電極１６とドレイン電極１７とが所定間隔隔てて形成され、更に、ＡｌＮバリア層１４上に、ゲート電極１８が形成される。 This AlGaN / GaN-HEMT 10 has a sapphire substrate 11, and a GaN channel layer 12 (which is also referred to as a “buffer layer” because of its crystal structure) is epitaxially grown on the sapphire substrate 11. ing. Further, on the GaN channel layer 12, an Al _x Ga _1-x N barrier layer (for example, x = O.3, hereinafter also simply referred to as “AlGaN barrier layer”) 13 as an electron carrier supply layer, and an AlN barrier. Layer 14 is formed. At the heterointerface between the AlGaN barrier layer 13 and the GaN channel layer 12, a two-dimensional electron gas (2DEG) 15 having high electron mobility serving as a carrier responsible for transistor operation is generated. A source electrode 16 and a drain electrode 17 are formed on the AlGaN barrier layer 13 at a predetermined interval, and a gate electrode 18 is formed on the AlN barrier layer 14.

ここで、例えば、サファイア基板１１は、格子定数が４．７６３（２．７５）Å（但し、括弧の数字は、サファイア基板上にＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長する場合のサファイアの擬似的なａ軸長）、ＧａＮチャネル層１２は、厚さが２μｍ、格子定数が３．１８９Å、ＡｌＧａＮバリア層１３は、厚さが２５ｎｍ、格子定数が３．１６６Å、ＡｌＮバリア層１４は、厚さが２ｎｍ、格子定数が３．１１２Åである。又、例えば、サファイア基板１１とＧａＮチャネル層１２間のａ軸格子ミスマッチは＋１５．９％、ＧａＮチャネル層１２とＡｌＧａＮバリア層１３間のａ軸格子ミスマッチは−０．７２％、ＡｌＧａＮバリア層１３とＡｌＮバリア層１４間のａ軸格子ミスマッチは−１．７１％である。 Here, for example, the sapphire substrate 11 has a lattice constant of 4.763 (2.75) Å (however, the numbers in parentheses indicate the pseudo a-axis length of sapphire when a GaN-based semiconductor is epitaxially grown on the sapphire substrate. ), The GaN channel layer 12 has a thickness of 2 μm, the lattice constant is 3.189 mm, the AlGaN barrier layer 13 has a thickness of 25 nm, the lattice constant is 3.166 mm, and the AlN barrier layer 14 has a thickness of 2 nm. The constant is 3.112cm. For example, the a-axis lattice mismatch between the sapphire substrate 11 and the GaN channel layer 12 is + 15.9%, the a-axis lattice mismatch between the GaN channel layer 12 and the AlGaN barrier layer 13 is -0.72%, and the AlGaN barrier layer 13 The a-axis lattice mismatch between AlN and the AlN barrier layer 14 is -1.71%.

このようなＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ１０において、ＡｌＧａＮバリア層１３の自然分極と格子不整合の歪みで生じるピエゾ分極から、ＡｌＧａＮバリア層１３とＧａＮチャネル層１２のヘテロ界面に形成される２ＤＥＧ１５は、約１．０Ｅ１３ｃｍ^−２と非常に高濃度であることが知られている。これは、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の２ＤＥＧと比べて約４〜１０倍と非常に大きい。又、ＡｌＮはＡｌＧａＮと比べて自然分極率が大きいため、ＡｌＮをバリア層（１４）として用いれば、２ＤＥＧ濃度の増大が期待されるのと同時に、ＡｌＮのバンドギャップエネルギー（禁制帯幅Ｅｇ）の大きさ（約６．２ｅＶ）から、ＦＥＴ動作時の順方向電圧Ｖｆ（規定値は例えば、１ｍＡ／ｍｍ）を向上させる期待がある。電圧Ｖｆの向上は、例えば、ノーマリオフＦＥＴであるエンハンスメントモードＦＥＴを作製する際、ＦＥＴの静特性である電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）曲線上の負荷線を大振幅に出来るという点で非常に重要である。 In such an AlGaN / GaN-HEMT 10, 2DEG 15 formed at the heterointerface between the AlGaN barrier layer 13 and the GaN channel layer 12 is approximately 1 due to piezo-polarization caused by natural polarization of the AlGaN barrier layer 13 and lattice mismatch distortion. It is known to have a very high concentration of 0.0E13 cm ⁻² . This is about 4 to 10 times as large as that of AlGaAs / GaAs 2DEG. Also, since AlN has a higher natural polarizability than AlGaN, if AlN is used as the barrier layer (14), an increase in 2DEG concentration is expected, and at the same time, the band gap energy (forbidden band width Eg) of AlN is expected. From the magnitude (about 6.2 eV), there is an expectation to improve the forward voltage Vf (specified value is, for example, 1 mA / mm) during FET operation. The improvement of the voltage Vf is very significant in that, for example, when an enhancement mode FET that is a normally-off FET is manufactured, the load line on the current (I) -voltage (V) curve, which is the static characteristic of the FET, can be increased in amplitude. is important.

ところが、ＡｌＮとＧａＮは格子ミスマッチが２％以上もあり、単結晶積層することが非常に難しいことが分かっている。特に、ＡｌＮを２ｎｍ以上積層すると格子ミスマッチのため、ＡｌＮバリア層１４に加わる引張圧力によって表面がひび割れ構造になる。 However, AlN and GaN have a lattice mismatch of 2% or more, and it has been found that it is very difficult to stack single crystals. In particular, when AlN is laminated to have a thickness of 2 nm or more, the surface becomes a cracked structure due to the tensile pressure applied to the AlN barrier layer 14 due to lattice mismatch.

ＡｌＮをバリア層として用いる従来技術としては、ＡｌＧａＮバリア層１３とＧａＮチャネル層１２間の薄層スペーサとして、ＡｌＮ層１ｎｍを設ける例がある（非特許文献２）。 As a conventional technique using AlN as a barrier layer, there is an example in which an AlN layer of 1 nm is provided as a thin spacer between the AlGaN barrier layer 13 and the GaN channel layer 12 (Non-patent Document 2).

しかしながら、従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ１０では、図３及び図４に示すような課題があった。 However, the conventional AlGaN / GaN-HEMT 10 has problems as shown in FIGS.

図３は、図２のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ１０において、ＡｌＮバリア層１４を２ｎｍ以上形成した時の表面のＡＦＭ（Atomic Force Microscopy、原子間力顕微鏡）像を示す図である。図４は、図２のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ１０におけるショットキ電流（Ｉ）・電圧（Ｖ）特性を示す図であり、横軸はゲート電極１８に印加するゲート電圧Ｖｇｓ（Ｖ）、縦軸はゲート電極１８に流れるゲート電流Ｉｇｓ（Ａ）である。 FIG. 3 is a diagram showing an AFM (Atomic Force Microscopy) image of the surface when the AlN barrier layer 14 is formed to 2 nm or more in the AlGaN / GaN-HEMT 10 of FIG. FIG. 4 is a diagram showing the Schottky current (I) / voltage (V) characteristics in the AlGaN / GaN-HEMT 10 of FIG. 2, the horizontal axis is the gate voltage Vgs (V) applied to the gate electrode 18, and the vertical axis is the gate. A gate current Igs (A) flowing through the electrode 18.

前述したように、ＡｌＮをバリア層（１４）として用いると、ＡｌＮは分極も大きく、２ＤＥＧ濃度を高くでき、バンドギャップエネルギー（禁制帯幅Ｅｇ）が６．２ｅＶと大きいため、高い電圧Ｖｆが望めるが、格子ミスマッチが大きく、厚く積層出来ないという欠点がある。 As described above, when AlN is used as the barrier layer (14), the polarization of AlN is large, the 2DEG concentration can be increased, and the band gap energy (forbidden band width Eg) is as large as 6.2 eV, so that a high voltage Vf can be expected. However, there is a disadvantage that the lattice mismatch is large and the layer cannot be thickly stacked.

又、ＡｌＮをＧａＮチャネル層１２とＡｌＧａＮバリア層１３との間のスペーサ層として用いる場合、このスペーサ層の厚さに最適値があり、１ｎｍよりも厚膜化すると２ＤＥＧ移動度が低下するという問題がある。これは、ＡｌＮ（格子定数３．１１２Å）と下層のＧａＮチャネル層１２（格子定数３．１８９Å）との格子ミスマッチが２％以上と大きいため、ＡｌＮ結晶品質が低下するためと考えられている。更に、ＡｌＮを２ｎｍ以上に厚く積層させると、ＡｌＮがひび割れ構造になり、この上層に積層する層の結晶性が非常に劣化する。 Further, when AlN is used as a spacer layer between the GaN channel layer 12 and the AlGaN barrier layer 13, there is an optimum value for the thickness of the spacer layer, and the 2DEG mobility is lowered when the thickness is made thicker than 1 nm. There is. This is considered to be because the lattice mismatch between AlN (lattice constant 3.112 定数) and the underlying GaN channel layer 12 (lattice constant 3.189Å) is as large as 2% or more, and the AlN crystal quality deteriorates. Furthermore, when AlN is laminated thickly to 2 nm or more, AlN has a cracked structure, and the crystallinity of the layer laminated on this upper layer is extremely deteriorated.

本願発明者の実験でも、図２のサファイア基板１１上にＧａＮチャネル層１２を積層し、バリア層にＡｌＮ層２ｎｍを持つ層構造では、図３に示すように、自乗平均粗さ（ＲＭＳ）が１．３３８ｎｍと非常に劣化し、ひび割れ構造になってしまった。表面のひび割れ構造は、単結晶に亀裂等が入っている状態であるため、素子特性に悪影響を及ぼす。このときの電圧Ｖｆの特性は、図４に示すように、０．９４Ｖと低い値になった。 Also in the experiment by the present inventor, in the layer structure in which the GaN channel layer 12 is stacked on the sapphire substrate 11 in FIG. 2 and the barrier layer has an AlN layer of 2 nm, the root mean square roughness (RMS) is as shown in FIG. It deteriorated to 1.338 nm and became a cracked structure. The crack structure on the surface is a state in which the single crystal has cracks and the like, which adversely affects the device characteristics. The characteristic of the voltage Vf at this time was as low as 0.94 V as shown in FIG.

本発明は、このような従来の課題を解決し、例えば、ＡｌＮ層を２ｎｍ以上積層しても表面のひび割れ構造が生じないＡｌＮ層をバリア層として有し、この結果として順方向電圧Ｖｆ特性が大きく改善されるＧａＮ−ＨＥＭＴを提供することを目的とする。 The present invention solves such a conventional problem. For example, the present invention has an AlN layer as a barrier layer in which a crack structure on the surface does not occur even if an AlN layer is laminated to have a thickness of 2 nm or more. The object is to provide a greatly improved GaN-HEMT.

本発明のＧａＮ−ＨＥＭＴでは、ＡｌＮ層を有するＡｌＮテンプレートと、前記ＡｌＮテンプレート上にエピタキシャル成長されたＧａＮチャネル層と、前記ＧａＮチャネル層上に形成されたサンドイッチ構造の層とを有している。前記サンドイッチ構造の層は、下層側のＡｌ_ｘＧａ_１-ｘＮバリア層（０≦ｘ＜０．６）と、前記Ａｌ_ｘＧａ_１-ｘＮバリア層上に位置する上層側のＡｌ_ｘＧａ_１-ｘＮキャップ層（０≦ｘ＜０．６）とにより、厚さ２ｎｍ以上のＡｌＮバリア層が挟み込まれた構造をしている。 The GaN-HEMT of the present invention includes an AlN template having an AlN layer, a GaN channel layer epitaxially grown on the AlN template, and a sandwich structure layer formed on the GaN channel layer. The layer having the sandwich structure includes an Al _x Ga _1-x N barrier layer (0 ≦ x <0.6) on the lower layer side and an upper Al _x Ga layer located on the Al _x Ga _1-x N barrier layer. An AlN barrier layer having a thickness of 2 nm or more is sandwiched between the _1-x N cap layer (0 ≦ x <0.6).

本発明によれば、ＡｌＮテンプレートを用いているので、ＧａＮチャネル層の転位を大幅に改善できる。しかも、ＡｌＧａＮキャップ層とＡｌＧａＮバリア層とで、厚さ２ｎｍ以上のＡｌＮバリア層を挟み込むサンドイッチ構造にしているので、ＡｌＮバリア層の引張圧力を緩和出来、更に、ＡｌＧａＮキャップ層によりＡｌＮバリア層の酸化を抑制出来る。これにより、表面が平坦なＡｌＮバリア層を形成でき、順方向電圧Ｖｆを改善できる。 According to the present invention, since the AlN template is used, the dislocation of the GaN channel layer can be greatly improved. Moreover, since the sandwich structure in which the AlN barrier layer having a thickness of 2 nm or more is sandwiched between the AlGaN cap layer and the AlGaN barrier layer, the tensile pressure of the AlN barrier layer can be relaxed, and the AlN barrier layer is oxidized by the AlGaN cap layer. Can be suppressed. Thereby, an AlN barrier layer having a flat surface can be formed, and the forward voltage Vf can be improved.

本発明の最良の形態のＧａＮ−ＨＥＭＴは、例えば、サファイヤ基板、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板等の成長基板上に厚さ１μｍ以上のＡｌＮ層が形成されたＡｌＮテンプレートと、前記ＡｌＮテンプレート上にエピタキシャル成長されたＧａＮチャネル層と、前記ＧａＮチャネル層上に形成された下層のＡｌ_ｘＧａ_１ーｘＮバリア層（０≦ｘ＜０．６）、厚さ２ｎｍ以上の中間のＡｌＮバリア層、及び上層側のＡｌ_ｘＧａ_１ーｘＮキャップ層（０≦ｘ＜０．６）からなるサンドイッチ構造の層とを有している。更に、前記Ａｌ_ｘＧａ_１ーｘＮキャップ層上には、ゲート電極が形成されている。 The GaN-HEMT according to the best mode of the present invention includes, for example, an AlN template in which an AlN layer having a thickness of 1 μm or more is formed on a growth substrate such as a sapphire substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, or a silicon (Si) substrate, A GaN channel layer epitaxially grown on the AlN template and an underlying Al _x Ga _1-x N barrier layer (0 ≦ x <0.6) formed on the GaN channel layer, with an intermediate thickness of 2 nm or more An AlN barrier layer, and a layer having a sandwich structure composed of an Al _x Ga _1-x N cap layer (0 ≦ x <0.6) on the upper layer side. Furthermore, a gate electrode is formed on the Al _x Ga _1-x N cap layer.

（実施例１の構成）
図１は、本発明の実施例１におけるＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴを示す模式的な断面図である。 (Configuration of Example 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an AlGaN / GaN-HEMT in Example 1 of the present invention.

このＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ２０は、ＡｌＮテンプレート２１を有している。ＡｌＮテンプレート２１は、成長基板（例えば、サファイア基板）２１ａ上にＡｌＮ層２１ｂが形成された基板であり、このＡｌＮ層２１ｂ上に、電子走行層であるＧａＮチャネル層（「バッファ層」ともいう。）２２がエピタキシャル成長されている。ＡｌＮテンプレート２１は、特許文献１にも記載されているように、サファイア基板２１ａの格子定数とＧａＮの格子定数とのミスマッチを緩和させ、その上層のエピタキシャル層であるＧａＮチャネル層２２の結晶品質を向上させる効果がある。 The AlGaN / GaN-HEMT 20 has an AlN template 21. The AlN template 21 is a substrate in which an AlN layer 21b is formed on a growth substrate (for example, a sapphire substrate) 21a, and is also referred to as a GaN channel layer (“buffer layer”) that is an electron transit layer on the AlN layer 21b. ) 22 is epitaxially grown. As described in Patent Document 1, the AlN template 21 relaxes the mismatch between the lattice constant of the sapphire substrate 21a and the lattice constant of GaN, and improves the crystal quality of the GaN channel layer 22 that is the upper epitaxial layer. There is an effect to improve.

ＧａＮチャネル層２２上には、電子キャリア供給層であるＡｌＧａＮバリア層（即ち、Ａｌ_ｘＧａ_１ーｘＮバリア層、０≦x＜０．６、例えば、ｘ＝０．３）２３と、ＡｌＮバリア層２４とが形成され、更にこの上に、ＡｌＧａＮキャップ層（即ち、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮキャップ層０≦x＜０．６、例えば、ｘ＝０．３）２５が形成されている。ＡｌＧａＮバリア層２３とＧａＮチャネル層２２とのヘテロ界面には、トランジスタ動作を担うキャリアとなる高電子移動度の２ＤＥＧ２６が発生する。 On the GaN channel layer 22, an AlGaN barrier layer (that is, Al _x Ga _1-x N barrier layer, 0 ≦ x <0.6, for example, x = 0.3) 23 which is an electron carrier supply layer, and AlN A barrier layer 24 is formed, and an AlGaN cap layer (ie, Al _x Ga _1-x N cap layer 0 ≦ x <0.6, for example, x = 0.3) 25 is formed thereon. . At the heterointerface between the AlGaN barrier layer 23 and the GaN channel layer 22, 2DEG 26 having high electron mobility serving as a carrier responsible for transistor operation is generated.

又、例えば、ＡｌＧａＮバリア層２３上には、ＡｌＧａＮキャップ層２５及びＡｌＮバリア層２４の一部がホトリソグラフィ技術等により開口されて、ソース電極２７とドレイン電極２８とが所定間隔隔てて形成され、更に、ＡｌＧａＮキャップ層２５上に、ゲート電極２９が形成されている。 Further, for example, on the AlGaN barrier layer 23, a part of the AlGaN cap layer 25 and the AlN barrier layer 24 is opened by a photolithography technique or the like, and the source electrode 27 and the drain electrode 28 are formed at a predetermined interval. Furthermore, a gate electrode 29 is formed on the AlGaN cap layer 25.

ここで、例えば、サファイア基板２１ａは、格子定数が４．７６３（２．７５）Å、ＡｌＮ層２１ｂは、厚さが１μｍ以上、格子定数が３．１１２Å、ＧａＮチャネル層２２は、厚さが２μｍ、格子定数が３．１８９Å、ＡｌＧａＮバリア層２３は、厚さが２５ｎｍ、格子定数が３．１６６Å、ＡｌＮバリア層２４は、厚さが２ｎｍ以上、格子定数が３．１１２Å、ＡｌＧａＮキャップ層２５は、厚さが５ｎｍ、格子定数が３．１６６Åである。又、例えば、サファイア基板２１ａとＡｌＮ層２１ｂ間のａ軸格子ミスマッチは＋１３．１％、ＡｌＮ層２１ｂとＧａＮチャネル層２２間のａ軸格子ミスマッチは＋２．４％、ＧａＮチャネル層２２とＡｌＧａＮバリア層２３間のａ軸格子ミスマッチは−０．７％、ＡｌＧａＮバリア層２３とＡｌＮバリア層２４間のａ軸格子ミスマッチは−１．７％、ＡｌＮバリア層２４とＡｌＧａＮキャップ層２５間のａ軸格子ミスマッチは＋１．７％である。 Here, for example, the sapphire substrate 21a has a lattice constant of 4.763 (2.75) Å, the AlN layer 21b has a thickness of 1 μm or more, the lattice constant of 3.112Å, and the GaN channel layer 22 has a thickness of The AlGaN barrier layer 23 has a thickness of 25 nm and a lattice constant of 3.166 Å, and the AlN barrier layer 24 has a thickness of 2 nm or more, a lattice constant of 3.112 Å, and an AlGaN cap layer 25. Has a thickness of 5 nm and a lattice constant of 3.166 Å. For example, the a-axis lattice mismatch between the sapphire substrate 21a and the AlN layer 21b is + 13.1%, the a-axis lattice mismatch between the AlN layer 21b and the GaN channel layer 22 is + 2.4%, and the GaN channel layer 22 and the AlGaN barrier. The a-axis lattice mismatch between the layers 23 is −0.7%, the a-axis lattice mismatch between the AlGaN barrier layer 23 and the AlN barrier layer 24 is −1.7%, and the a-axis between the AlN barrier layer 24 and the AlGaN cap layer 25. The lattice mismatch is + 1.7%.

（実施例１の効果）
本実施例１によれば、以下の（ａ）〜（ｅ）のような効果がある。 (Effect of Example 1)
According to the first embodiment, the following effects (a) to (e) are obtained.

（ａ）図５は、図１のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ２０における表面ＡＦＭ像を示す図である。更に、図６は、図１のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ２０におけるショットキ電流（Ｉ）・電圧（Ｖ）特性を示す図であり、横軸はゲート電極２９に印加するゲート電圧Ｖｇｓ（Ｖ）、縦軸はゲート電極２９に流れるゲート電流Ｉｇｓ（Ａ）である。 (A) FIG. 5 is a view showing a surface AFM image in the AlGaN / GaN-HEMT 20 of FIG. 6 is a graph showing the Schottky current (I) / voltage (V) characteristics in the AlGaN / GaN-HEMT 20 shown in FIG. 1. The horizontal axis represents the gate voltage Vgs (V) applied to the gate electrode 29, and the vertical axis. Is a gate current Igs (A) flowing through the gate electrode 29.

本実施例１では、ＡｌＮテンプレート２１を使用し、且つＡｌＧａＮキャップ層２５を設ける構造にすることにより、ＡｌＮバリア層２４を２ｎｍ以上積層しても、図５に示すように、表面には綺麗なステップ構造（ＲＭＳ：０．２２４ｎｍ）が観察された。これにより、図６に示すように、ＦＥＴ動作時の順方向電圧Ｖｆが例えば１．４Ｖとなり、従来の図４に示す電圧Ｖｆ＝０．９４Ｖに比べて電圧Ｖｆを０．４６Ｖ大幅に改善できた。 In Example 1, the AlN template 21 is used and the AlGaN cap layer 25 is provided, so that even if the AlN barrier layer 24 is stacked by 2 nm or more, the surface is clean as shown in FIG. A step structure (RMS: 0.224 nm) was observed. As a result, as shown in FIG. 6, the forward voltage Vf during the FET operation becomes 1.4 V, for example, and the voltage Vf can be greatly improved by 0.46 V compared to the conventional voltage Vf = 0.94 V shown in FIG. It was.

（ｂ）図７は、従来の図２のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ１０における断面のＴＥＭ（透過電子顕微鏡）写真を示す図、及び、図８は、図７中のＡｌＧａＮバリア層１３及びＡｌＮバリア層１４における拡大図である。 (B) FIG. 7 is a view showing a TEM (transmission electron microscope) photograph of a cross section of the conventional AlGaN / GaN-HEMT 10 of FIG. 2, and FIG. 8 is an AlGaN barrier layer 13 and an AlN barrier layer 14 in FIG. FIG.

図７及び図８において、ＧａＮチャネル層１２は、不純物の混入を極力無くしたアンドープ（ｉ）のｉ−ＧａＮバッファ層により形成されている。この図７及び図８から明らかなように、従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ１０では、ＧａＮチャネル層１２の格子ミスマッチによる転移密度３０が約２．５×１０^９と非常に多いことが分かる。又、ＡｌＮバリア層１４に深さ約１０ｎｍにひび割れ３１が発生している。 7 and 8, the GaN channel layer 12 is formed of an undoped (i) i-GaN buffer layer in which impurities are hardly mixed. As apparent from FIGS. 7 and 8, in the conventional AlGaN / GaN-HEMT 10, the transition density 30 due to lattice mismatch of the GaN channel layer 12 is as large as about 2.5 × 10 ⁹ . Further, a crack 31 is generated in the AlN barrier layer 14 at a depth of about 10 nm.

図９は、本実施例１の図１のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ２０における断面ＴＥＭ写真を示す図、及び、図１０は、図９中のＡｌＧａＮバリア層２３、ＡｌＮバリア層２４、及びＡｌＧａＮキャップ層２５における拡大図である。 9 is a diagram showing a cross-sectional TEM photograph of the AlGaN / GaN-HEMT 20 of FIG. 1 of Example 1, and FIG. 10 is an AlGaN barrier layer 23, an AlN barrier layer 24, and an AlGaN cap layer 25 in FIG. FIG.

図９及び図１０において、ＧａＮチャネル層２２は、ｉ−ＧａＮバッファ層により形成されている。この図９及び図１０から明らかなように、本実施例１のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ２０では、ＡｌＮテンプレート２１上に形成したＧａＮチャネル層２２の格子ミスマッチによる転位密度３２が約２．５×１０^８へと低減され、表面状態と共に良好な結果になっていることが分かる。 9 and 10, the GaN channel layer 22 is formed of an i-GaN buffer layer. As is apparent from FIGS. 9 and 10, in the AlGaN / GaN-HEMT 20 of Example 1, the dislocation density 32 due to lattice mismatch of the GaN channel layer 22 formed on the AlN template 21 is about 2.5 × 10 ^8. It can be seen that the results are good with the surface condition.

この本実施例１の結果は、ＡｌＮテンプレート２１を用いることにより、ＧａＮチャネル層２２内に走る刃状転位（３２）が低減された効果である。これは従来の図７及び図８と本実施例１の図９及び図１０との断面ＴＥＭ写真を比較すれば、一目瞭然である。この効果は、ＡｌＮテンプレート２１の使用により、ＧａＮチャネル層２２の転位が一桁程度（３．０×１０９ｃｍ^−２→３．０×１０８ｃｍ^−２）低減されるため、特許文献１にも記載されているように、その上層に成長されるＡｌＧａＮバリヤ層２３やＡｌＮバリア層２４の結晶性も向上したためである。 The result of this Example 1 is the effect that the edge dislocations (32) running in the GaN channel layer 22 are reduced by using the AlN template 21. This can be seen at a glance by comparing cross-sectional TEM photographs of FIGS. 7 and 8 of the prior art and FIGS. 9 and 10 of the first embodiment. This effect is also described in Patent Document 1 because the dislocation of the GaN channel layer 22 is reduced by about an order of magnitude (3.0 × 109 cm ⁻² → 3.0 × 108 cm ⁻² ) by using the AlN template 21. This is because the crystallinity of the AlGaN barrier layer 23 and the AlN barrier layer 24 grown thereon is also improved.

（ｃ）図１１は、図１のＡｌＧａＮキャップ層２５を形成しないときのＡｌＮバリア層２ｎｍのＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴを示す模式的な断面図であり、図１２は、図１１のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴにおける表面ＡＦＭ像を示す図（ＲＭＳ：０．３２２ｎｍ）、図１３は、図１１のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴにおけるショットキ電流（Ｉ）・電圧（Ｖ）特性を示す図（Ｖｆ＝１．１Ｖ）である。 (C) FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing an AlGaN / GaN-HEMT with an AlN barrier layer of 2 nm when the AlGaN cap layer 25 of FIG. 1 is not formed, and FIG. 12 is an AlGaN / GaN- FIG. The figure which shows the surface AFM image in HEMT (RMS: 0.322nm), FIG. 13 is the figure which shows the Schottky current (I) * voltage (V) characteristic in the AlGaN / GaN-HEMT of FIG. 11 (Vf = 1.1V) It is.

図１１〜図１３に示すように、ＡｌＧａＮキャップ層２５を形成しないときには、厚さ２ｎｍのＡｌＮバリア層２４の表面がひび割れ構造になっている。従来の図２で示した厚さ２ｎｍのＡｌＮバリア層１４の積層は、表面酸化の抑制が鍵となっている。 As shown in FIGS. 11 to 13, when the AlGaN cap layer 25 is not formed, the surface of the AlN barrier layer 24 having a thickness of 2 nm has a cracked structure. In the conventional lamination of the AlN barrier layer 14 with a thickness of 2 nm shown in FIG. 2, suppression of surface oxidation is the key.

図１４は、図１のＡｌＧａＮキャップ層２５を形成しないときのＡｌＮバリア層１ｎｍのＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴを示す模式的な断面図であり、図１５は、図１４のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴにおける表面ＡＦＭ像を示す図（ＲＭＳ：０．３２２ｎｍ）、図１６は、図１４のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴにおけるショットキ電流（Ｉ）・電圧（Ｖ）特性を示す図（Ｖｆ＝１．２Ｖ）である。 FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing an AlGaN / GaN-HEMT having an AlN barrier layer of 1 nm when the AlGaN cap layer 25 of FIG. 1 is not formed, and FIG. 15 is a surface of the AlGaN / GaN-HEMT of FIG. FIG. 16 shows an AFM image (RMS: 0.322 nm), and FIG. 16 shows a Schottky current (I) / voltage (V) characteristic (Vf = 1.2 V) in the AlGaN / GaN-HEMT of FIG.

図１４〜図１６に示すように、厚１ｎｍのＡｌＮバリア層２４は、平坦に積層出来る。
本実施例１によれば、ＡｌＧａＮキャップ層２５を用いることで、ＡｌＮ層バリア層２４に掛かる引張圧力が緩和される効果と、ＡｌＮバリア層２４の表面酸化を抑制された効果が、表面のひび割れ構造改善に重要であることが分かった。これは、図１１〜図１３に示すように、ＡｌＮテンプレート２１を用いたとしても、表層に２ｎｍ積層したＡｌＮバリア層２４がひび割れ構造をしていた結果により明らかである。これに対し、図１４〜図１６に示すように、表層に１ｎｍ積層したＡｌＮバリア層２４にはひび割れ構造がなかった。従って、厚さ２ｎｍのＡｌＮバリア層２４を積層することで表面ひび割れ構造になることは、ＡｌＮテンプレート２１であってもそうでなくても同様である。 As shown in FIGS. 14 to 16, the AlN barrier layer 24 having a thickness of 1 nm can be laminated flat.
According to the first embodiment, the use of the AlGaN cap layer 25 reduces the tensile pressure applied to the AlN layer barrier layer 24 and the effect of suppressing the surface oxidation of the AlN barrier layer 24. It was found to be important for structural improvement. As shown in FIGS. 11 to 13, this is apparent from the result that the AlN barrier layer 24 laminated on the surface layer has a crack structure even when the AlN template 21 is used. On the other hand, as shown in FIGS. 14 to 16, the AlN barrier layer 24 laminated with 1 nm on the surface layer did not have a crack structure. Therefore, the surface crack structure by laminating the AlN barrier layer 24 having a thickness of 2 nm is the same whether the AlN template 21 or not.

ＦＥＴ動作時の順方向電圧Ｖｆを計測すると、図１３に示すように表層ＡｌＮ２ｎｍの場合はＶｆ＝１．１Ｖであり、図１６に示すように表層ＡｌＮ１ｎｍの場合はＶｆ＝１．２Ｖである。通常ならばバンドギャップの大きなＡｌＮ層を厚く積層したＦＥＴの順方向電圧Ｖｆが向上するのに対して、この結果は逆の結果となっている。これは、ＡｌＮバリア層２４の酸化の影響と、これに伴うひび割れによる漏れ電流の影響であることが考えられる。 When the forward voltage Vf at the time of FET operation is measured, Vf = 1.1V in the case of the surface layer AlN 2 nm as shown in FIG. 13, and Vf = 1.2V in the case of the surface layer AlN 1 nm as shown in FIG. Normally, the forward voltage Vf of a FET in which an AlN layer having a large band gap is thickly stacked is improved, whereas this result is opposite. This is considered to be the influence of the oxidation of the AlN barrier layer 24 and the influence of the leakage current due to the cracks accompanying this.

図８に示すように、従来のひび割れ３１の深さは約１０ｎｍに達しているため、このエリアにショットキーゲート電極１８が形成されると、ひび割れ３１にゲート電極１８が挿入されて電界が集中する。そのため、順方向、及び逆方向電流が増大すると思われる。 As shown in FIG. 8, since the depth of the conventional crack 31 has reached about 10 nm, when the Schottky gate electrode 18 is formed in this area, the gate electrode 18 is inserted into the crack 31 and the electric field is concentrated. To do. Therefore, it seems that forward and reverse currents increase.

（ｄ）前記（ｃ）の結果から、ＡｌＮ層２ｎｍをバリア層（２３）として用いるためには、次の（１）、（２）の２点が重要な要素となる。 (D) From the results of (c), the following two points (1) and (2) are important factors in order to use the AlN layer of 2 nm as the barrier layer (23).

（１）ＡｌＮテンプレート２１を用いること。これは、ＧａＮチャネル層２２の転位を大幅に改善する効果がある。 (1) Use the AlN template 21. This has the effect of greatly improving dislocations in the GaN channel layer 22.

（２）ＡｌＧａＮキャップ層２５とＡｌＧａＮバリア層２４とで、厚さ２ｎｍのＡｌＮバリア層２３を挟み込むサンドイッチ構造にすること。これは、ＡｌＮバリア層２３の引張圧力が緩和され、更に、ＡｌＧａＮキャップ層２５によりＡｌＮバリア層２４の酸化が抑制される効果がある。 (2) A sandwich structure in which the AlN barrier layer 23 having a thickness of 2 nm is sandwiched between the AlGaN cap layer 25 and the AlGaN barrier layer 24. This has an effect that the tensile pressure of the AlN barrier layer 23 is relaxed, and the oxidation of the AlN barrier layer 24 is suppressed by the AlGaN cap layer 25.

この（１）及び（２）の２点の合成効果により、表面が平坦なＡｌＮ２ｎｍを有するバリア層（２４）を形成できた。このエピタキシャル構造基板を用いて作製したＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ２０の順方向電圧Ｖｆは、図６に示すように、１．４Ｖと従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ１０に比べて０．４６Ｖ改善していることが分かった。 Due to the synthesis effect of the two points (1) and (2), a barrier layer (24) having a flat AlN of 2 nm could be formed. As shown in FIG. 6, the forward voltage Vf of the AlGaN / GaN-HEMT 20 manufactured using this epitaxial structure substrate is 1.4V, which is an improvement of 0.46V compared to the conventional AlGaN / GaN-HEMT10. I understood.

（ｅ）本実施例１の実験では、ＡｌＧａＮバリア層２３、及びＡｌＧａＮキャップ層２５共にＡｌ組成ｘ＝０．３で実験したが、Ａｌ組成ｘ＝０．６程度まではＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ構造において平坦な表面を作製出来ることが非特許文献１で示されているので、本発明では、ＡｌＧａＮバリア層２３、及びＡｌＧａＮキャップ層２５のＡｌ組成ｘについては、０≦ｘ＜０．６の範囲で好適な結果を期待出来る。 (E) In the experiment of the first embodiment, both the AlGaN barrier layer 23 and the AlGaN cap layer 25 were tested with an Al composition x = 0.3, but the AlGaN / GaN heterostructure is up to an Al composition x = 0.6. Since it is shown in Non-Patent Document 1 that a flat surface can be produced in the present invention, in the present invention, the Al composition x of the AlGaN barrier layer 23 and the AlGaN cap layer 25 is in the range of 0 ≦ x <0.6. A favorable result can be expected.

（変形例）
本発明は、図示の実施例１に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（Ａ）、（Ｂ）のようなものがある。 (Modification)
The present invention is not limited to the illustrated first embodiment, and various usage forms and modifications are possible. For example, the following forms (A) and (B) are available as usage forms and modifications.

（Ａ）ＡｌＮテンプレート２１を構成するサファイア基板１１は、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板等の他の成長基板を用いても実施例１とほぼ同様の作用効果が得られる。 (A) The sapphire substrate 11 constituting the AlN template 21 can obtain substantially the same effects as those of the first embodiment even when other growth substrates such as a SiC substrate and a Si substrate are used.

（Ｂ）ソース電極２７やドレイン電極２８は、図１中の位置とは異なる位置に設けても良い。 (B) The source electrode 27 and the drain electrode 28 may be provided at a position different from the position in FIG.

本発明の実施例１におけるＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴを示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows AlGaN / GaN-HEMT in Example 1 of this invention. 従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴを示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the conventional AlGaN / GaN-HEMT. 図２のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ１０において、ＡｌＮバリア層１４を２ｎｍ以上形成した時の表面ＡＦＭ像を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a surface AFM image when an AlN barrier layer 14 is formed to 2 nm or more in the AlGaN / GaN-HEMT 10 of FIG. 2. 図２のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ１０におけるショットキＩ・Ｖ特性を示す図である。It is a figure which shows the Schottky I * V characteristic in AlGaN / GaN-HEMT10 of FIG. 図１のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ２０における表面ＡＦＭ像を示す図である。It is a figure which shows the surface AFM image in the AlGaN / GaN-HEMT20 of FIG. 図１のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ２０におけるショットキＩ・Ｖ特性を示す図である。It is a figure which shows the Schottky IV characteristic in the AlGaN / GaN-HEMT20 of FIG. 従来の図２のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ１０における断面ＴＥＭ写真を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional TEM photograph in the conventional AlGaN / GaN-HEMT10 of FIG. 図７中のＡｌＧａＮバリア層１３及びＡｌＮバリア層１４における拡大図である。FIG. 8 is an enlarged view of the AlGaN barrier layer 13 and the AlN barrier layer 14 in FIG. 7. 本実施例１の図１のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ２０における断面ＴＥＭ写真を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional TEM photograph in the AlGaN / GaN-HEMT20 of FIG. 図９中のＡｌＧａＮバリア層２３、ＡｌＮバリア層２４、及びＡｌＧａＮキャップ層２５における拡大図である。FIG. 10 is an enlarged view of the AlGaN barrier layer 23, the AlN barrier layer 24, and the AlGaN cap layer 25 in FIG. 図１のＡｌＧａＮキャップ層２５を形成しないときのＡｌＮバリア層２ｎｍのＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴを示す模式的な断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an AlGaN / GaN-HEMT with an AlN barrier layer of 2 nm when the AlGaN cap layer 25 of FIG. 1 is not formed. 図１１のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴにおける表面ＡＦＭ像を示す図である。It is a figure which shows the surface AFM image in the AlGaN / GaN-HEMT of FIG. 図１１のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴにおけるショットキＩ・Ｖ特性を示す図である。It is a figure which shows the Schottky IV characteristic in the AlGaN / GaN-HEMT of FIG. 図１のＡｌＧａＮキャップ層２５を形成しないときのＡｌＮバリア層１ｎｍのＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴを示す模式的な断面図である。FIG. 2 is a schematic sectional view showing an AlGaN / GaN-HEMT having an AlN barrier layer of 1 nm when the AlGaN cap layer 25 of FIG. 1 is not formed. 図１４のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴにおける表面ＡＦＭ像を示す図である。It is a figure which shows the surface AFM image in the AlGaN / GaN-HEMT of FIG. 図１４のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴにおけるショットキ電流Ｉ・Ｖ特性を示す図である。It is a figure which shows the Schottky current IV characteristic in the AlGaN / GaN-HEMT of FIG.

Explanation of symbols

２０ＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ
２１ＡｌＮテンプレート
２１ａサファイア基板
２１ｂＡｌＮ層
２２ＧａＮチャネル層
２３ＡｌＧａＮバリア層
２４ＡｌＮバリア層
２５ＡｌＧａＮキャップ層
２７ソース電極
２８ドレイン電極
２９ゲート電極 20 AlGaN / GaN-HEMT
21 AlN template 21a Sapphire substrate 21b AlN layer 22 GaN channel layer 23 AlGaN barrier layer 24 AlN barrier layer 25 AlGaN cap layer 27 Source electrode 28 Drain electrode 29 Gate electrode

Claims

An AlN template having an AlN layer;
A GaN channel layer epitaxially grown on the AlN template;
A lower layer Al _x Ga _1-x N barrier layer (0 ≦ x <0.6) formed on the GaN channel layer and an upper layer Al located on the Al _x Ga _1-x N barrier layer _a layer having a sandwich structure in which an AlN barrier layer having a thickness of 2 nm or more is sandwiched between _x Ga _1-x N cap layers (0 ≦ x <0.6);
A GaN-based high electron mobility field effect transistor comprising:

2. The GaN-based high electron mobility electric field according to claim 1, wherein the AlN layer having a thickness of 1 μm or more is formed on a growth substrate including a sapphire substrate, a SiC substrate, or a Si substrate. Effect transistor.

The GaN-based high electron mobility field effect transistor according to claim 1, wherein a gate electrode is formed on the Al _x Ga _1-x N cap layer.