JP5135686B2 - Iii族窒化物半導体素子 - Google Patents

Iii族窒化物半導体素子 Download PDF

Info

Publication number
JP5135686B2
JP5135686B2 JP2006019473A JP2006019473A JP5135686B2 JP 5135686 B2 JP5135686 B2 JP 5135686B2 JP 2006019473 A JP2006019473 A JP 2006019473A JP 2006019473 A JP2006019473 A JP 2006019473A JP 5135686 B2 JP5135686 B2 JP 5135686B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
epitaxial layer
epitaxial
algan
layer
gallium nitride
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2006019473A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2006303439A (ja
Inventor
達也 田辺
広平 三浦
誠 木山
隆 櫻田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to JP2006019473A priority Critical patent/JP5135686B2/ja
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to PCT/JP2006/304262 priority patent/WO2006100897A1/ja
Priority to US11/569,500 priority patent/US8410524B2/en
Priority to EP06715282A priority patent/EP1863075A4/en
Priority to KR1020067024397A priority patent/KR20070113094A/ko
Priority to CN200680000315XA priority patent/CN1969380B/zh
Priority to CA002564424A priority patent/CA2564424A1/en
Priority to TW095108455A priority patent/TW200701459A/zh
Publication of JP2006303439A publication Critical patent/JP2006303439A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5135686B2 publication Critical patent/JP5135686B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/778Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H01L29/7786Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT
    • H01L29/7787Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT with wide bandgap charge-carrier supplying layer, e.g. direct single heterostructure MODFET
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367Substrates
    • H01L21/0237Materials
    • H01L21/02387Group 13/15 materials
    • H01L21/02389Nitrides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439Materials
    • H01L21/02455Group 13/15 materials
    • H01L21/02458Nitrides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02521Materials
    • H01L21/02538Group 13/15 materials
    • H01L21/0254Nitrides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/2003Nitride compounds

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Description

本発明は、III族窒化物半導体素子およびエピタキシャル基板に関する。
非特許文献1には、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High ElectronMobility Transistor)が記載されている。この高電子移動度トランジスタは、サファイア基板上にエピタキシャル成長されたAlGaN/GaNヘテロ構造を有する。この高電子移動度トランジスタを作製するためには、サファイア基板上に形成された低温GaN層を形成した後に、2〜3マイクロメートルのi型GaN膜を形成する。このGaN膜上に、7nmのi型AlGaN層、15nmのn型AlGaN層、3nmのi型AlGaN層を順に形成する。ショットキ電極は、Ni(3nm)/Pt(30nm)/Au(300nm)から成る。
"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
従来技術で作製された高電子移動度トランジスタは、サファイア製の支持体上に順に設けられたGaN層およびAlGaN層を備える。ショットキゲートは最表面AlGaN層の表面に形成される。発明者らの検討によれば、サファイア製基板上にGaN膜およびAlGaN膜を備えるエピタキシャル基板を用いて作製された高電子移動度トランジスタでは、ゲート−ドレイン間の耐圧が低く、目標としている高出力化が達成されない。この原因としては、ゲート電極からのリーク電流が大きいためと考えられる。また、発明者らの実験によれば、このAlGaN膜には多数の貫通転位が存在する。このAlGaN膜の表面にゲート電極を作製すると、これらの貫通転位に起因する界面準位によりショットキ障壁が低くなり、この結果、ゲート電極からのリーク電流が大きくなる。
界面準位を低減するためには、AlGaN膜の結晶品質を向上させることが必要と考えられるが、結晶品質の向上がそれほど容易に達成されるわけでもない。発明者らは、AlGaN膜のどのような種類の結晶品質がゲート電極からのリーク電流に関連しているかを調べるために様々な実験を行った。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、ショットキ電極からのリーク電流が低減されるIII族窒化物半導体素子を提供することを目的とし、またこのIII族窒化物半導体素子を作製するためのエピタキシャル基板を提供することを目的とする。
本発明の一側面によれば、III族窒化物半導体素子は、(a)AlGa1−XN(0≦X≦1)からなる支持基体と、(b)150sec以下である(0002)面XRDの半値全幅を有するAlGa1−YNエピタキシャル層(0<Y≦1)と、(c)前記支持基体とAlGa1−YNエピタキシャル層との間に設けられたGaNエピタキシャル層と、(d)前記AlGa1−YNエピタキシャル層上に設けられたショットキ電極と、(e)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、(f)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る。
発明者らの実験によれば、AlGa1−YNエピタキシャル層(0<Y≦1)に接触するショットキ電極からのリーク電流は、(0002)面XRDの半値全幅に関連していることを見いだした。この発明によれば、(0002)面XRDの半値全幅が150sec以下であるので、ショットキ電極のリーク電流が低減される。
本発明に係るIII族窒化物半導体素子では、前記AlGa1−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以下であることが好ましい。
アルミニウム組成Yが0.1より少ないと、バンドオフセットが小さくなりAlGaN/GaN界面に充分な密度の二次元電子ガスが形成されない。アルミニウム組成Yが0.7より大きいと、AlGaN層にクラックが発生する可能性が高くなる。クラックの発生により、AlGaN/GaN界面に二次元電子ガスが形成されない。
本発明に係るIII族窒化物半導体素子では、前記AlGa1−YNエピタキシャル層の厚さは、5nm以上であり、且つ50nm以下であることが好ましい。
AlGa1−YNエピタキシャル層の厚さが5nmより少ないと、AlGaN/GaN界面における歪みが小さくなり二次元電子ガスが形成されない。AlGa1−YNエピタキシャル層の厚さが50nmより大きいと、AlGaN層にクラックが発生する可能性が高くなる。クラックの発生により、AlGaN/GaN界面に二次元電子ガスが形成されない。
本発明に係るIII族窒化物半導体素子では、前記支持基体は窒化ガリウムからなることが好ましい。低い転位密度の支持基体を用いたIII族窒化物半導体素子が提供される。
本発明の別の側面は、III族窒化物半導体素子のためのエピタキシャル基板に係る。エピタキシャル基板は、(a)AlGa1−XN(0≦X≦1)からなる基板と、(b)(0002)面XRDの半値全幅が150sec以下であるAlGa1−YNエピタキシャル膜(0<Y≦1)と、(c)前記基板とAlGa1−YNエピタキシャル膜との間に設けられた窒化ガリウムエピタキシャル膜とを備える。
発明者らの実験によれば、AlGa1−YNエピタキシャル膜(0<Y≦1)に接触するショットキ電極からのリーク電流は、(0002)面XRDの半値全幅に関連していることを見いだした。このエピタキシャル基板によれば、(0002)面XRDの半値全幅が150sec以下であるので、このAlGa1−YNエピタキシャル膜に形成されるショットキ電極は小さいリーク電流を示す。これ故に、例えば、高電子移動度トランジスタに好適なエピタキシャル基板が提供される。
本発明に係るエピタキシャル基板では、前記AlGa1−YNエピタキシャル膜のアルミニウム組成Yは0.1以上であり、且つ0.7以下であることが好ましい。
AlGa1−YNエピタキシャル膜のアルミニウム組成Yが0.1より少ないと、バンドオフセットが小さくなりAlGaN/GaN界面に充分な密度の二次元電子ガスが形成されない。AlGa1−YNエピタキシャル膜のアルミニウム組成Yが0.7より大きいと、AlGaN膜にクラックが発生する可能性が高くなる。クラックの発生により、AlGaN/GaN界面に二次元電子ガスが形成されない。
本発明に係るエピタキシャル基板では、前記AlGa1−YNエピタキシャル膜の厚さは、5nm以上であり、且つ50nm以下であることが好ましい。
AlGa1−YNエピタキシャル膜の厚さが5nmより少ないと、AlGaN/GaN界面における歪みが小さくなり二次元電子ガスが形成されない。AlGa1−YNエピタキシャル膜の厚さが50nmより大きいと、AlGaN膜にクラックが発生する可能性が高くなる。クラックの発生により、AlGaN/GaN界面に二次元電子ガスが形成されない。
本発明に係るエピタキシャル基板では、前記基板は窒化ガリウム基板であることが好ましい。低い転位密度の基板を用いたIII族窒化物半導体素子のためのエピタキシャル基板が提供される。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明によれば、ショットキ電極からのリーク電流が低減されるIII族窒化物半導体素子が提供される。また、本発明によれば、III族窒化物半導体素子を作製するためのエピタキシャル基板が提供される。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物半導体素子およびエピタキシャル基板に係る実施の形態を説明する。実施の形態では、III族窒化物半導体素子として高電子移動度トランジスタを説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
(第1の実施の形態)
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、AlGa1−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、AlGa1−XN(0≦X≦1)からなり、具体的には、AlN、AlGaN、GaNからなる。AlGa1−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AlGa1−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、AlGa1−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AlGa1−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AlGa1−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AlGa1−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AlGa1−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。
発明者らの実験によれば、AlGa1−YNエピタキシャル層15に接触するショットキ電極19からのリーク電流は、(0002)面XRDの半値全幅に関連していることを見いだした。(0002)面XRDの半値全幅が150sec以下であるので、ショットキ電極19のリーク電流が低減される。
図2(A)は、実施例に係る高電子移動度トランジスタ(HEMT)の構造を示す図面である。図2(B)は実験例に係るHEMTの構造を示す図面である。
(実施例1)
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。
(実験例1)
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。
図3は、高電子移動度トランジスタのために作製されたエピタキシャル基板(試料A)およびエピタキシャル基板(試料B)におけるAlGaN層における(0002)面XRDのスペクトルを示す図面である。試料Aは、窒化ガリウム基板上に順に形成されたGaN膜およびAlGaN膜を有する。試料Bは、サファイア基板上に順に形成された、種付け膜、GaN膜およびAlGaN膜を有する。それぞれのAlGaN膜上には、リーク電流を測定するためにショットキ電極が設けられている。ショットキ電極の面積は、例えば7.85×10−5cmであり、印加電圧は、例えば−5ボルトである。
試料A
XRDのFWHM:22.4(sec)
リーク電流密度:1.75×10−6(A/cm
試料B
XRDのFWHM:214.4(sec)
リーク電流密度:1.79×10−2(A/cm
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。
(0002)面のXRDは、AlGaN層に含まれる貫通転位が多いほど半値全幅が広くなるので、その半値全幅を小さくすることによりショットキ電極のリーク電流を低減することができる。HEMTのゲート電極の順方向電流は約0.1A/cm−2であり、リーク電流は順方向電流と比較して1/1000以下の1×10−4A/cm以下に抑える必要がある。下記の図4に示すとおり、AlGa1−YNエピタキシャル層の(0002)面のXRD半値全幅を150sec以下にすることで、リーク電流を1×10−4A/cm以下にすることが可能である。(0002)面以外にも(0004)面、(0006)面のXRDでもAlGaN層の結晶品質の評価は原理的に可能であるが、XRD強度は(0002)面が最も大きいため、AlGaN層の結晶品質の評価には(0002)面が適している。
図4は、窒化ガリウム層の(0002)面XRD特性の半値全幅とリーク電流密度との対応を示す図面である。参照符合51a〜51hで示されるシンボルは、窒化ガリウム基板を用いて形成されたAlGaN層上にショットキ電極を作製した構造を測定した値を示す。参照符合53a〜53fで示されるシンボルは、サファイア基板を用いて形成されたAlGaN層上にショットキ電極を作製した構造を測定した値を示す。
(実施例2)
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/cm
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/cm
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/cm
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/cm
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/cm
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/cm
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/cm
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/cm
である。
(実験例2)
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/cm
である。
高電子移動度トランジスタ11では、窒化物からなる支持基体13は、導電性、あるいは半絶縁性を有する窒化ガリウムから成る。この形態では、窒化ガリウム領域は、窒化ガリウム支持基体上にホモエピタキシャル成長される。窒化ガリウム支持基体のキャリア濃度は1×1019cm−3以下である。GaN層17の厚さは0.1μm以上1000μm以下であり、GaN層17のキャリア濃度は1×1017cm−3以下である。AlGaN層15の厚さは5nm以上50nm以下であり、AlGaN層15のキャリア濃度は1×1019cm−3以下である。
高電子移動度トランジスタ11では、AlGa1−YNエピタキシャル層15のアルミニウム組成Yは、0.1以上であることが好ましい。アルミニウム組成Yが0.1より少ないと、バンドオフセットが小さくなりAlGaN/GaN界面に充分な密度の二次元電子ガスが形成されない。また、アルミニウム組成Yは、0.7以下であることが好ましい。アルミニウム組成Yが0.7より大きいと、AlGaN層にクラックが発生する可能性が高くなる。クラックの発生により、AlGaN/GaN界面に二次元電子ガスが形成されない。
高電子移動度トランジスタ11では、AlGa1−YNエピタキシャル層15の厚さは5nm以上であることが好ましい。AlGa1−YNエピタキシャル層15の厚さが5nmより少ないと、AlGaN/GaN界面における歪みが小さくなり二次元電子ガスが形成されない。また、AlGa1−YNエピタキシャル層15の厚さは50nm以下であることが好ましい。AlGa1−YNエピタキシャル層の厚さが50nmより大きいと、AlGaN層にクラックが発生する可能性が高くなる。クラックの発生により、AlGaN/GaN界面に二次元電子ガスが形成されない。
高電子移動度トランジスタ11のためのAlGa1−XN支持基体としては窒化ガリウムからなることが好ましい。低い転位密度の支持基体を用いたIII族窒化物半導体素子が提供される。
(第2の実施の形態)
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NH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NH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。
発明者らは、AlGa1−YNエピタキシャル膜87(0<Y≦1)に接触するショットキ電極からのリーク電流は、(0002)面XRDの半値全幅に関連していることを見いだした。このエピタキシャル基板によれば、このAlGa1−YNエピタキシャル層に形成されるショットキ電極は小さいリーク電流を示す。これ故に、例えば、高電子移動度トランジスタに好適なエピタキシャル基板が提供される。特に、(0002)面XRDの半値全幅が150sec以下であれば、図4から分かるように、150sec以上の場合と比べてショットキ電極のリーク電流を低減することが可能である。
このエピタキシャル基板81のAlGaNエピタキシャル膜87の表面に、ゲート電極のためのショットキ電極膜並びにソース電極およびドレイン電極のためのオーミック電極膜を堆積する。ショットキ電極膜およびオーミック電極膜から、それぞれ、ショットキ電極およびオーミック電極が形成される。なお、ショットキ電極直下のAlGaNエピタキシャル膜87を部分的に薄くした後に、当該部分上にショットキ電極を形成してもよい。これによりソース抵抗、相互コンダクタンス向上、ノーマリオフ化などを図ることができる。また、n型ドーパントを添加してn型半導体領域をソース電極および/またはドレイン電極の直下に形成するようにしてもよい。さらに、n型ドーパントを添加したn型半導体領域をコンタクト層として、AlGaNエピタキシャル膜87の表面上に成長し、そのコンタクト層上にソース電極および/またはドレイン電極形成してもよい。これにより、コンタクト抵抗低減を図ることができる。また、AlGaN層を部分的に薄くして、当該部分上にソースおよび/またはドレイン電極を形成してもよい。これにより、やはりコンタクト抵抗低減を図ることができる。或いは、ソースおよび/またはドレイン電極は、AlGaN層を除去して、AlGaNのバンドギャップより小さいバンドギャップを有するGaN層に接触するように形成してもよい。これにより、やはりコンタクト抵抗低減を図ることができる。AlGaN領域の(0002)面XRDの半値全幅を結晶品質の指標に用いて、ショットキ電極がショットキ接合を成すAlGaN膜の品質をモニタすることにより、ショットキ電極とオーミック電極との間に電圧を印加したときにショットキ接合に流れる逆方向リーク電流を低減可能な半導体素子のためのエピタキシャル基板が提供される。
図6は、第1および第2の実施の形態のための窒化ガリウム自立基板における高転位領域および低転位領域の一配置を示す図面である。エピタキシャル基板81のための窒化ガリウム自立基板82の第1の面82aは、比較的大きい貫通転位密度を有する高転位領域82cが現れた第1のエリアと、比較的小さい貫通転位密度を有する低転位領域82dが現れた第2のエリアとを有する。高転位領域82cは低転位領域82dに囲まれており、第1の面82aにおいて、第1のエリアは、第2のエリア内にドット状にランダムに分布している。全体として貫通転位密度は、例えば1×10cm−2以下である。このエピタキシャル基板81によれば、低転位領域82d上に転位密度の低減されたエピタキシャル層が得られる。これ故に、逆方向リーク電流が減少しまた逆方向の耐圧が向上する。
図7は、第1および第2の実施の形態のための窒化ガリウム自立基板における高転位領域および低転位領域の別の一配置を示す図面である。エピタキシャル基板81のための窒化ガリウム自立基板84の第1の面84aは、比較的大きい貫通転位密度を有する高転位領域84cが現れた第1のエリアと、比較的小さい貫通転位密度を有する低転位領域84dが現れた第2のエリアとを有する。高転位領域84cは低転位領域84dに囲まれており、第1の面84aにおいて、第1のエリアは、第2のエリア内にストライプ状に分布している。全体として貫通転位密度は、例えば1×10cm−2以下である。このエピタキシャル基板81によれば、低転位領域82d上に転位密度の低減されたエピタキシャル層が得られる。これ故に、逆方向リーク電流が減少しまた逆方向の耐圧が向上する。
本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、自立基板として、AlGa1−XN(0≦X≦1)基板を用いることができ、具体的には、自立基板は、AlN、AlGaNまたはGaNからなることができる。
図8は、第1の実施の形態の一変形例に係る高電子移動度トランジスタを示す図面である。図8を参照すると、高電子移動度トランジスタ11aは、GaNエピタキシャル層17と窒化ガリウム支持基体13との間に設けられた追加の窒化ガリウム系半導体層14を設けることができる。窒化ガリウム系半導体層14は、例えば、AlN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaNからなる。窒化ガリウム系半導体層14により、支持基体の欠陥および支持基体上の不純物の影響が上層へ伝播することを抑制し、GaNエピタキシャル層17の品質向上を図ることができる。
図9は、第1の実施の形態の別の変形例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11bは、高電子移動度トランジスタ11aのAlGaN層15に替えて、AlGaN層15aを備えることができる。AlGaN層15aは、第1の部分15b、第2の部分15cおよび第3の部分15dを含む。第1の部分15bは、第2の部分15cと第3の部分15dとの間に位置している。第1の部分15bの厚みは第2の部分15cの厚みおよび第3の部分15dの厚みより小さく、これにより、AlGaN層15aにはリセス構造が形成される。第1の部分15b上には、ゲート電極19aが設けられている。リセス構造は、例えばエッチングによりAlGa1−YNエピタキシャル層15をエッチングなどで薄くすることにより形成される。このリセスゲート構造により、ソース抵抗低減、相互コンダクタンス向上、ノーマリオフ化などを図ることができる。
図10は、第1の実施の形態の別の変形例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11cは、高電子移動度トランジスタ11aのAlGaN層15に替えて、AlGaN層15eを備えることができる。AlGaN層15eは、第1の部分15f、第2の部分15gおよび第3の部分15hを含む。第1の部分15fは、第2の部分15gと第3の部分15hとの間に位置している。第1の部分15fの厚みは第2の部分15gの厚みおよび第3の部分15hの厚みより大きく、これにより、AlGaN層15eにはリセス構造が形成される。リセス構造は、例えばエッチングによりAlGa1−YNエピタキシャル層15をエッチングなどで薄くすることにより形成される。第2の部分15g上には、ソース電極21aが設けられている。第3の部分15h上には、ソース電極23aが設けられている。このリセスオーミック構造により、コンタクト抵抗低減を図ることができる。
図11は、第1の実施の形態の別の変形例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11dは、ソース電極およびドレイン電極のためのコンタクト層16を更に備えることができる。コンタクト層16は、高電子移動度トランジスタ11aのAlGaN層15上に設けられている。コンタクト層16は、窒化ガリウム系半導体からなることができる。窒化ガリウム系半導体としては、GaN、InN、InGaNからなることができる。コンタクト層16のバンドギャップは、AlGaN層15のバンドギャップより小さいことが好ましい。また、コンタクト層16のキャリア濃度は、AlGaN層15のキャリア濃度より大きいことが好ましい。ゲート電極19はAlGaN層15にショットキ接合を成し、ソース電極21bおよびドレイン電極23bは、コンタクト層にオーミック接触を成す。コンタクト層追加構造により、コンタクト抵抗低減を図ることができる。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
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。 図2(A)は、実施例に係る高電子移動度トランジスタ(HEMT)の構造を示す図面である。図2(B)は、実験例に係るHEMTの構造を示す図面である。 図3は、高電子移動度トランジスタのために作製されたエピタキシャル基板(試料A)およびエピタキシャル基板(試料B)におけるAlGaN層の表面における(0002)面XRDのスペクトルを示す図面である。 図4は、窒化ガリウム層の(0002)面XRD特性の半値全幅とリーク電流密度との対応を示す図面である。 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6は、第1および第2の実施の形態のための窒化ガリウム自立基板における高転位領域および低転位領域の一配置を示す図面である。 図7は、第1および第2の実施の形態のための窒化ガリウム自立基板における高転位領域および低転位領域の他の一配置を示す図面である。 図8は、第1の実施の形態の一変形例に係る高電子移動度トランジスタを示す図面である。 図9は、第1の実施の形態の別の変形例に係る高電子移動度トランジスタを示す図面である。 図10は、第1の実施の形態の別の変形例に係る高電子移動度トランジスタを示す図面である。 図11は、第1の実施の形態の別の変形例に係る高電子移動度トランジスタを示す図面である。
符号の説明
11、11a、11b、11c、11d…高電子移動度トランジスタ、13…支持基体、14…追加の窒化ガリウム系半導体層、15…AlGa1−YNエピタキシャル層(0<Y≦1)、16…コンタクト層、17…GaNエピタキシャル層、19、19a…ショットキ電極、21、21a、21b…ソース電極、23、23a、23b…ドレイン電極、31…窒化ガリウム基板、33…窒化ガリウム膜、35…AlGaN膜、A…エピタキシャル基板、37a…ソース電極、37b…ドレイン電極、39…ゲート電極、41…サファイア基板、42…種付け層、43…窒化ガリウム膜、45…AlGaN膜、47a…ソース電極、47b…ドレイン電極、49…ゲート電極、80…反応炉、81…エピタキシャル基板、82…窒化ガリウム自立基板、82c…高転位領域、82d…低転位領域、83…窒化ガリウム自立基板、85…GaNエピタキシャル膜、87…AlGaNエピタキシャル膜、84…窒化ガリウム自立基板、84c…高転位領域、84d…低転位領域

Claims (4)

  1. III族窒化物半導体素子であって、
    AlGa1−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AlGa1−YNエピタキシャル層(0<Y≦1)と、
    前記支持基体と前記AlGa1−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AlGa1−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 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 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。
  2. 前記AlGa1−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。
  3. 前記AlGa1−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。
  4. 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。
JP2006019473A 2005-03-23 2006-01-27 Iii族窒化物半導体素子 Expired - Fee Related JP5135686B2 (ja)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006019473A JP5135686B2 (ja) 2005-03-23 2006-01-27 Iii族窒化物半導体素子
US11/569,500 US8410524B2 (en) 2005-03-23 2006-03-06 Group III nitride semiconductor device and epitaxial substrate
EP06715282A EP1863075A4 (en) 2005-03-23 2006-03-06 GROUP III NITRIDE SEMICONDUCTOR ELEMENT AND EPITACTIC SUBSTRATE
KR1020067024397A KR20070113094A (ko) 2005-03-23 2006-03-06 Ⅲ족 질화물 반도체 소자 및 에피택셜 기판
PCT/JP2006/304262 WO2006100897A1 (ja) 2005-03-23 2006-03-06 Iii族窒化物半導体素子およびエピタキシャル基板
CN200680000315XA CN1969380B (zh) 2005-03-23 2006-03-06 Ⅲ族氮化物半导体器件和外延衬底
CA002564424A CA2564424A1 (en) 2005-03-23 2006-03-06 Group iii nitride semiconductor device and epitaxial substrate
TW095108455A TW200701459A (en) 2005-03-23 2006-03-13 Group iii nitride semiconductor device and epitaxial substrate

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005084378 2005-03-23
JP2005084378 2005-03-23
JP2006019473A JP5135686B2 (ja) 2005-03-23 2006-01-27 Iii族窒化物半導体素子

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2006303439A JP2006303439A (ja) 2006-11-02
JP5135686B2 true JP5135686B2 (ja) 2013-02-06

Family

ID=37023571

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006019473A Expired - Fee Related JP5135686B2 (ja) 2005-03-23 2006-01-27 Iii族窒化物半導体素子

Country Status (8)

Country Link
US (1) US8410524B2 (ja)
EP (1) EP1863075A4 (ja)
JP (1) JP5135686B2 (ja)
KR (1) KR20070113094A (ja)
CN (1) CN1969380B (ja)
CA (1) CA2564424A1 (ja)
TW (1) TW200701459A (ja)
WO (1) WO2006100897A1 (ja)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101495381B1 (ko) * 2007-11-21 2015-02-24 미쓰비시 가가꾸 가부시키가이샤 질화물 반도체의 결정 성장 방법
JP5453780B2 (ja) 2008-11-20 2014-03-26 三菱化学株式会社 窒化物半導体
JP5564842B2 (ja) 2009-07-10 2014-08-06 サンケン電気株式会社 半導体装置
KR20120027988A (ko) 2010-09-14 2012-03-22 삼성엘이디 주식회사 질화갈륨계 반도체소자 및 그 제조방법
PL398149A1 (pl) * 2012-02-17 2013-08-19 Isos Technologies Sarl Heterostruktura tranzystora HEMT i sposób wytwarzania heterostruktury tranzystora HEMT
KR101922117B1 (ko) 2012-08-16 2018-11-26 삼성전자주식회사 트랜지스터를 포함하는 전자소자 및 그 동작방법

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4033519B2 (ja) * 1997-06-27 2008-01-16 シャープ株式会社 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
US6372041B1 (en) * 1999-01-08 2002-04-16 Gan Semiconductor Inc. Method and apparatus for single crystal gallium nitride (GaN) bulk synthesis
US6592663B1 (en) * 1999-06-09 2003-07-15 Ricoh Company Ltd. Production of a GaN bulk crystal substrate and a semiconductor device formed on a GaN bulk crystal substrate
JP3836697B2 (ja) * 2000-12-07 2006-10-25 日本碍子株式会社 半導体素子
JP2002289528A (ja) * 2001-03-23 2002-10-04 Yasuhiko Arakawa 窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長法、および窒化ガリウム系化合物半導体を備えた電子デバイス
JP4906023B2 (ja) * 2001-08-14 2012-03-28 古河電気工業株式会社 GaN系半導体装置
JP2005530334A (ja) * 2002-04-30 2005-10-06 クリー・インコーポレーテッド 高電圧スイッチング素子およびそれを形成するためのプロセス
JP2004327882A (ja) * 2003-04-28 2004-11-18 Ngk Insulators Ltd エピタキシャル基板、半導体素子および高電子移動度トランジスタ
US20070184671A1 (en) 2003-05-30 2007-08-09 Showa Denko K.K. Method for production of group lll nitride semiconductor device
JP2005244207A (ja) * 2004-01-30 2005-09-08 Showa Denko Kk 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
US7687827B2 (en) * 2004-07-07 2010-03-30 Nitronex Corporation III-nitride materials including low dislocation densities and methods associated with the same

Also Published As

Publication number Publication date
US8410524B2 (en) 2013-04-02
TW200701459A (en) 2007-01-01
KR20070113094A (ko) 2007-11-28
US20090189186A1 (en) 2009-07-30
EP1863075A4 (en) 2009-04-29
WO2006100897A1 (ja) 2006-09-28
EP1863075A1 (en) 2007-12-05
CA2564424A1 (en) 2006-09-28
CN1969380B (zh) 2012-08-22
CN1969380A (zh) 2007-05-23
JP2006303439A (ja) 2006-11-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2006295126A (ja) Iii族窒化物半導体素子およびエピタキシャル基板
JP4432827B2 (ja) Iii族窒化物半導体素子およびエピタキシャル基板
JP4462330B2 (ja) Iii族窒化物電子デバイス
JP3960957B2 (ja) 半導体電子デバイス
US10186421B2 (en) Composite semiconductor substrate
JP4730422B2 (ja) Iii族窒化物半導体電子デバイス、iii族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法、及びiii族窒化物半導体エピタキシャルウエハ
JP2006100801A (ja) エピタキシャル基板および半導体素子
US20120003821A1 (en) Method for fabricating semiconductor device
JP5135686B2 (ja) Iii族窒化物半導体素子
US9401402B2 (en) Nitride semiconductor device and nitride semiconductor substrate
JP4984557B2 (ja) 縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法、エピタキシャル基板を作製する方法
JP2006114652A (ja) 半導体エピタキシャルウェハ及び電界効果トランジスタ
JP2007123824A (ja) Iii族窒化物系化合物半導体を用いた電子装置
US9437725B2 (en) Semiconductor device and semiconductor substrate
JP2015185809A (ja) 半導体基板の製造方法及び半導体装置
JP2019125737A (ja) 窒化物半導体エピタキシャル基板
JP2019004118A (ja) 窒化物半導体エピタキシャル基板および半導体装置
JP2010045416A (ja) Iii族窒化物電子デバイス
JP2005129856A (ja) 半導体電子デバイス
JP2006196557A (ja) 半導体エピタキシャルウェハ及び電界効果トランジスタ
US11955520B2 (en) Nitride semiconductor with multiple nitride regions of different impurity concentrations, wafer, semiconductor device and method for manufacturing the same
JP4972879B2 (ja) 電界効果トランジスタ、半導体素子、及びエピタキシャル基板
JP7037801B2 (ja) 電界効果トランジスタ及びその製造方法
JP2006114653A (ja) 半導体エピタキシャルウェハ及び電界効果トランジスタ
JP2006114654A (ja) 半導体エピタキシャルウェハ及び電界効果トランジスタ

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20081125

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120228

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120821

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120926

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20121016

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20121029

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5135686

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151122

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees