JP5548904B2 - 窒化物系化合物半導体および窒化物系化合物半導体素子 - Google Patents
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Description
(リーク電流の初期値に関する知見)
窒化物系化合物半導体におけるリーク電流の発生は、窒化物系化合物半導体の結晶中に存在する「螺旋転位」の転位線に沿った電流経路(リークパス)の形成に起因するものであると考えられる。その理由は、第一原理電子状態計算結果から予測されるように(非特許文献1参照)、Gaリッチな螺旋転位芯は、バンドギャップ間に多数の準位を持つため、高い電圧を印加したときに電流が流れるためである。
そこで、本発明者は、リーク電流増加のメカニズムを解明するため、GaNの結晶について、以下のような計算を行った。
以下、計算1について説明する。
GaN中の螺旋転位の転位芯構造は、大きく分けて、Gaリッチな(転位芯におけるGa原子の含有量が50質量%以上)構造と、オープンコアと呼ばれる転位芯の原子が欠損している構造とがある。本計算1では、それぞれの構造について、局所密度近似に基づいた第一原理電子状態計算(シミュレーション)を行った。
・カットオフエネルギー:波動関数および電荷密度分布で、それぞれ25Ryおよび230Ry
・k点サンプル:3×3×2
・計算したバンド数:228
計算2:Ga格子間原子の吸収によるオープンコアな螺旋転位の「Gaリッチ」化の確認
オープンコアな螺旋転位のGaリッチ化(導電化)の原因として、Ga格子間原子の螺旋転位芯への吸収が考えられる。このことを検証するため、転位芯近傍に配置されたGa原子の挙動を分子動力学計算で確認した。なお、安定な原子配置の計算はquenched MD法を用いて行い、1ステップを1.2フェムト秒として計算した。
以下では、Ga格子間原子の拡散を抑制する元素を「Ga格子間原子アンカー」と名付け、Ga格子間原子アンカーとなり得る元素を第一原理電子状態計算から確認した。ここで、Ga格子間原子アンカーの条件は、上に述べたようにGa格子間原子との結合エネルギーが大きいことである。さらに、Ga格子間原子アンカーは、溶質原子としてGaN結晶中に安定的に存在することが重要であり、不純物原子を含まない系の凝集エネルギーより低い凝集エネルギーを持たなければならない。
・原子モデル:33原子(Ga16個、窒素16個、不純物原子1個)からなるスーパーセル
・カットオフエネルギー:波動函数および電荷密度分布で、それぞれ25Ryおよび230Ry
・k点サンプル:3×3×4
・計算したバンド数:100
以下に、図面を参照して本発明に係る窒化物系化合物半導体および窒化物系化合物半導体素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面においては、同一または対応する要素には適宜同一符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚さや厚さの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
図10は、本発明の実施の形態1に係る窒化物系化合物半導体素子である異種接合電界効果トランジスタ(Heterojunction field effect transistor:HFET)の模式的な断面図である。このHFET10は、窒化物系化合物半導体とは異なる材料からなる基板である主表面が(111)面のシリコン基板11と、シリコン基板11上に順次形成された、GaNからなるバッファ層12、LiをドープしたGaNからなる電子走行層13、およびAlGaNからなる電子供給層14と、電子供給層14上に形成されたゲート電極15、ソース電極16、ドレイン電極17とを備えている。すなわち、このHFET10は、AlGaN/GaNのヘテロ接合を有するAlGaN/GaN−HFETである。なお、電子走行層13および電子供給層14は、p型またはn型不純物を含んでいないが、適宜含めるようにしてもよい。
本実施の形態1に係るHFET10の製造方法の一例について説明する。なお、原材料の流量、各層の厚さ、または成長温度等は例示であり、特に限定はされない。
本発明の実施例1として、上述した製造方法にて実施の形態1に係るHFET10の構造を有するHFETを製造した。なお、AlGaNからなる電子供給層のAl組成は、X線回折法による評価によれば0.23であった。また、HFETのサイズについては、ゲート長を2μm、ゲート幅を0.2mm、ソース・ドレイン間距離を15μmとした。また、比較例1として、電子走行層にLiをドープしない以外は、実施例1のHFETと同様の構造のHEFTを製造した。なお、比較例1のHEFTの製造工程においては、TMGaとNH3とを、それぞれ58μmol/min、12L/minの流量で導入して、成長温度1050℃にて、バッファ層上に層厚700nmのGaNからなる電子走行層をエピタキシャル成長させた。このようにして形成した電子走行層のGa空孔密度を陽電子消滅法により測定したところ、1017〜1018cm−3であった。
上記実施の形態1は、有機原料によってLiをドープしているが、軽元素であるLiは照射損傷が小さいため、イオン注入法によってLiをドープしてもよい。以下では、本発明の実施の形態2として、実施の形態1に係るHFETにおいて、電子走行層を、イオン注入法によってLiをドープしたものに置き換えたHFETについて説明する。なお、本実施の形態2に係るHFETは、電子走行層以外は、実施の形態1に係るHFETと同様であるため、以下では主に電子走行層にLiのイオン注入を行なう方法について説明を行なう。
本発明の実施例2、比較例2として、上述した製造方法にて実施の形態2に係るHFETの構造を有するHFETを製造した。なお、Liイオン注入の加速電圧を150kV、注入量を3×1012cm−2とした。ただし、実施例2のHFETは、アニール熱処理として、窒素雰囲気中で1000℃の温度にて、1時間の熱処理を行なった。また、比較例2のHFETはアニール熱処理を行わなかった。
つぎに、本発明の実施の形態3について説明する。本実施の形態3に係るHFETは、実施の形態1に係るHFETにおいて、電子走行層を、熱中性子線による核変換を利用してLiをドープしたものに置き換えたHFETである。
つぎに、本発明の実施の形態4について説明する。本実施の形態4に係るHFETは、実施の形態1に係るHFETにおいて、電子走行層を、金属M(M=Cu、Ag、Au)をドープしたGaNからなるものに置き換えたHFETである。
本発明の実施例3〜5として、実施の形態4に係るHFETの構造を有するHFETを製造した。なお、実施例3〜5において、金属MはそれぞれCu、Ag、Auとした。また、それぞれの金属Mのドープ濃度は2×1017cm−3とした。そして、実施例3〜5のHFETに実施例1と同じ条件にて長期通電を行いながらリーク電流を測定した。
図16は、実施の形態5に係るHFETの模式的な断面図である。図16に示すように、このHFET20は、シリコン基板11と、シリコン基板11上に順次形成された、GaNからなるバッファ層12、拡散によりAuをドープしたGaNからなる電子走行層23、およびAlGaNからなる電子供給層14と、電子供給層14上に形成されたゲート電極15、ソース電極16、ドレイン電極17とを備えている。すなわち、このHFET20は、実施の形態1に係るHFET10において、電子走行層13を、拡散によりAuをドープしたGaNからなる電子走行層23に置き換えたHFETである。
11 シリコン基板
12 バッファ層
13、23 電子走行層
14 電子供給層
15 ゲート電極
16 ソース電極
17 ドレイン電極
23a GaN層
L 点線
M1 Au膜
P プロファイル
Claims (7)
- アルミニウム原子、ガリウム原子、インジウム原子およびボロン原子から選択される1以上のIII族原子と、窒素原子とを含む窒化物系化合物半導体であって、
添加物としてリチウム、銅、銀、または金を含み、
前記添加物のドープ濃度は、ガリウム格子間原子の濃度と同程度であることを特徴とする窒化物系化合物半導体。 - アルミニウム原子、ガリウム原子、インジウム原子およびボロン原子から選択される1以上のIII族原子と、窒素原子とを含む窒化物系化合物半導体であって、
添加物としてリチウム、銅、銀、または金を含み、
前記添加物が前記ガリウム格子間原子と複合体を形成していることを特徴とする窒化物系化合物半導体。 - 前記添加物のドープ濃度は、5×1016cm−3〜5×1018cm−3であることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物系化合物半導体。
- 前記添加物のドープ濃度は、1×1017cm−3〜1×1018cm−3であることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物系化合物半導体。
- 窒化ガリウムであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の窒化物系化合物半導体。
- 請求項1〜5のいずれか一つに記載の窒化物系化合物半導体とは異なる材料からなる基板と、前記基板上にエピタキシャル成長した、前記窒化物系化合物半導体からなる半導体層とを有することを特徴とする窒化物系化合物半導体素子。
- 前記基板はシリコン、サファイア、または炭化珪素からなることを特徴とする請求項6に記載の窒化物系化合物半導体素子。
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