JP5135686B2 - Iii族窒化物半導体素子 - Google Patents
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Description
"Improvement ofDC Characteristics of AlGaN/GaN High Electron MobilityTransistors ThermallyAnnealed Ni/Pt/Au Schottky Gate" Japanese Journal ofApplied Physics Vol.43, No.4B, 2004, pp.1925-1929
図1は、第1の実施の形態に係る高電子移動度トランジスタを示す図面である。高電子移動度トランジスタ11は、支持基体13と、AlYGa1−YNエピタキシャル層(0<Y≦1)15と、GaNエピタキシャル層17と、ショットキ電極19と、ソース電極21と、ドレイン電極23とを備える。支持基体13は、AlXGa1−XN(0≦X≦1)からなり、具体的には、AlN、AlGaN、GaNからなる。AlYGa1−YNエピタキシャル層15は、150sec以下である(0002)面XRDの半値全幅を有する。GaNエピタキシャル層17は、窒化ガリウム支持基体とAlYGa1−YNエピタキシャル層15との間に設けられている。ショットキ電極19は、AlYGa1−YNエピタキシャル層15上に設けられている。ソース電極21およびドレイン電極23は、GaNエピタキシャル層17上に設けられている。本実施の形態の一実施例として、ソース電極21をAlYGa1−YNエピタキシャル層15上に設けることができる。また、ドレイン電極23をAlYGa1−YNエピタキシャル層15上に設けることができる。この例では、ソース電極21はAlYGa1−YNエピタキシャル層15に接触しており、またドレイン電極23はAlYGa1−YNエピタキシャル層15に接触している。ショットキ電極19は、高電子移動度トランジスタ11のゲート電極である。
MOVPE装置のリアクタに窒化ガリウム基板31を置く。水素、窒素、アンモニアを含むガスをリアクタ内に供給すると共に、窒化ガリウム基板31を摂氏1100度において20分間の熱処理を行う。次いで、窒化ガリウム基板31の温度を摂氏1130度に昇温する。アンモニアとトリメチルガリウム(TMG)をリアクタに供給して、厚さ1.5μmの窒化ガリウム膜33を窒化ガリウム基板31上に成長する。トリメチルアルミニウム(TMA)、TMG、アンモニアをリアクタに供給して、30nmのAlGaN膜35を窒化ガリウム膜33上に成長する。これらの工程により、エピタキシャル基板Aを作製する。このエピタキシャル基板Aの表面にTi/Al/Ti/Auからなるソース電極37aおよびドレイン電極37bを形成すると共に、エピタキシャル基板Aの表面にAu/Niからなるゲート電極39を形成する。これらの工程により、図2(A)に示されるHEMT−Aが作製される。
MOVPE装置のリアクタにサファイア基板41を置く。水素、窒素、アンモニアを含むガスをリアクタ内に供給して、サファイア基板41の温度を摂氏1170度で10分間の熱処理を行う。次いで、サファイア基板41上に種付け層42を成長する。この後に、実施例と同様にして、窒化ガリウム膜43とAlGaN膜45を成長して、エピタキシャル基板Bを作製する。このエピタキシャル基板Bの表面にTi/Al/Ti/Auからなるソース電極47aおよびドレイン電極47bを形成すると共に、エピタキシャル基板Bの表面にAu/Niからなるゲート電極49を形成する。これらの工程により、図2(B)に示されるHEMT−Bが作製される。
試料A
XRDのFWHM:22.4(sec)
リーク電流密度:1.75×10−6(A/cm2)
試料B
XRDのFWHM:214.4(sec)
リーク電流密度:1.79×10−2(A/cm2)
試料Aのリーク電流は試料Bのリーク電流に比べ大幅に低減される。これは、AlGaN層のXRDに関して試料AのFWHMは試料BのFWHMに比べて鋭いからである。
具体例を示せば、
参照符合51aで示される試料
半値全幅:22.4sec
リーク電流密度:1.75×10−6A/cm2
参照符合51bで示される試料
半値全幅:70.3sec
リーク電流密度:4.37×10−5A/cm2
参照符合51cで示される試料
半値全幅:70.3sec
リーク電流密度:1.11×10−5A/cm2
参照符合51dで示される試料
半値全幅:70.9sec
リーク電流密度:9.01×10−7A/cm2
参照符合51eで示される試料
半値全幅:70.9sec
リーク電流密度:2.72×10−8A/cm2
参照符合51fで示される試料
半値全幅:110.1sec
リーク電流密度:2.45×−6A/cm2
参照符合51gで示される試料
半値全幅:124.8sec
リーク電流密度:3.05×−5A/cm2
参照符合51hで示される試料
半値全幅:141.3sec
リーク電流密度:9.70×10−6A/cm2
である。
具体例を示せば、
参照符合53aのショットキダイオード構造(最も半値全幅およびリーク電流密度が小さい)
半値全幅:182.6sec
リーク電流密度:2.15×10−3A/cm2
である。
図5(A)〜図5(C)は、第2の実施の形態に係るエピタキシャル基板の作製を示す図面である。図5(A)に示されるように、例えば導電性の窒化ガリウム自立基板83を反応炉80内に置く。引き続く結晶成長は、MOVPE法で行われることが好ましい。窒化ガリウム自立基板83は1×1019cm−3以下のキャリア濃度を有する。図5(B)に示されるように、TMGおよびNH3を供給してGaNエピタキシャル膜85を窒化ガリウム自立基板83の第1の面83a上に堆積する。GaNエピタキシャル膜85は、好ましくはアンドープである。GaNエピタキシャル膜85の成膜温度は600℃以上1200℃以下であり、炉内の圧力は、1kPa以上120kPa以下である。窒化ガリウムエピタキシャル膜85の厚さは0.5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下である。GaNエピタキシャル膜85のキャリア濃度は1×1017cm−3以下である。必要な場合には、GaNエピタキシャル膜85の成長に先立ち、バッファ層を成長させることができる。バッファ層は、AlN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaNのいずれかからなることができる。バッファ層により、GaNエピタキシャル層の85に窒化ガリウム自立基板83の欠陥、不純物の影響が及ぼすのを抑制することができ、GaNエピタキシャル層85の品質向上を図ることができる。
次いで、図5(C)に示されるように、TMA、TMGおよびNH3を供給して、アンドープ又はn型AlGaNエピタキシャル膜87をアンドープGaNエピタキシャル膜85上に堆積する。AlGaNエピタキシャル膜87の成膜温度は600℃以上1200℃以下であり、炉内の圧力は、1kPa以上120kPa以下である。AlGaNエピタキシャル膜87のアルミニウム組成は0.1以上0.7以下である。AlGaNエピタキシャル膜87の厚さは5nm以上50nm以下である。AlGaNエピタキシャル膜87のキャリア濃度は1×1019以下である。これによって、エピタキシャル基板81が得られる。この基板を利用して、第1の実施の形態に示されたHEMTを作製できる。
Claims (4)
- III族窒化物半導体素子であって、
AlXGa1−XN(0≦X≦1)から成る支持基体と、
150sec以下である(0002)面XRDの半値全幅を有するAlYGa1−YNエピタキシャル層(0<Y≦1)と、
前記支持基体と前記AlYGa1−YNエピタキシャル層との間に設けられた窒化ガリウムエピタキシャル層と、
前記AlYGa1−YNエピタキシャル層上に設けられたショットキ電極と、
前記窒化ガリウムエピタキシャル層上に設けられたソース電極と、
前記窒化ガリウムエピタキシャル層上に設けられたドレイン電極と、
を備え、
前記窒化ガリウムエピタキシャル層は前記支持基体上に直接に成長されており、
前記ショットキ電極は前記Al Y Ga 1−Y Nエピタキシャル層に接触を成し、
前記III族窒化物半導体素子は、高電子移動度トランジスタを備え、
前記Al Y Ga 1−Y Nエピタキシャル層(0<Y≦1)と前記窒化ガリウムエピタキシャル層とは、前記高電子移動度トランジスタのための二次元電子ガスを形成可能な界面を構成する、ことを特徴とするIII族窒化物半導体素子。 - 前記AlYGa1−YNエピタキシャル層のアルミニウム組成Yは、0.1以上であり、且つ0.7以下である、ことを特徴とする請求項1に記載されたIII族窒化物半導体素子。
- 前記AlYGa1−YNエピタキシャル層の厚さは、5nm以上であり、且つ50nm以下である、ことを特徴とする請求項1または2に記載されたIII族窒化物半導体素子。
- 前記支持基体は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
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