JP5566856B2 - 窒化物系化合物半導体素子の製造方法および窒化物系化合物半導体素子 - Google Patents
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Description
本発明者らは、窒化物系化合物半導体素子を結晶成長させる際に、原料ガスとして水素を含むアンモニアを用いていることから、成長時に分解した水素が窒化物系化合物半導体結晶中の空孔欠陥と複合体を形成し、これがリーク電流に寄与するキャリアを供給しているものと考えた。
・原子モデル:32原子(Ga原子15個、窒素原子16個、水素原子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:3×3×4
・計算したバンド数:100
このため、VGa−Hを含むGaN結晶に可視光を照射することで、荷電子帯の電子がこのアクセプタ準位に励起されて荷電子帯にホールが形成されるので、伝導性が実際の値よりも高く検出されることが予測される(光応答)。また、比較的浅い準位のため、室温においても熱的に電子が励起されてキャリアが供給されるので、これがリーク電流の原因となると考えられる。
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素子の製造方法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2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。図2に示すように、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からなる低温バッファ層12、炭素(C)をドープしたGaNからなるバッファ層13、バッファ層よりもC濃度が低いGaNからなる電子走行層14、およびAlGaNからなる電子供給層15と、電子供給層15上に形成されたゲート電極16、ソース電極17、ドレイン電極18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。
本実施の形態1に係るHFET10の製造方法の一例について図1を参照して説明する。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。
以上の製造方法によって、本実施の形態1に係るHFET10を製造することができる。
本発明の実施例1として、上述した製造方法にて、YAGの第4高調波のパルスレーザ光に続いてYAGの第3高調波のパルスレーザ光を照射して、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。
つぎに、本発明の実施の形態2に係る窒化物系化合物半導体素子であるショットキーバリアダイオード(Schottky Barrier diode:SBD)について説明する。本実施の形態2に係るSBDでは、結晶中のVGa−Hを分解するためにシンクロトロン放射光を用いている。
本実施の形態2に係るSBD20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。
以上の製造方法によって、本実施の形態2に係るSBD20を製造することができる。
本発明の実施例2、3として、上述した製造方法にて実施の形態2に係るSBD20の構造を有するSBDを製造した。なお、実施例2のSBDは、シンクロトロン放射光の白色光を1秒照射した。実施例3のSBDは、シンクロトロン放射光から分光した波長1.6オングストロームの単色光を、エピタキシャル基板の主表面と平行な面から2°傾けて、60秒照射した。また、比較例2として、シンクロトロン放射光を照射しない以外は、実施例2、3のSBDと同様の構造のSBDを製造した。そして、実施例2、3、比較例2のSBDについて、実施例1、比較例1と同様の方法でリーク特性を測定した。なお、測定は室温で行った。
つぎに、本発明の実施の形態3に係る窒化物系化合物半導体素子であるHFETについて説明する。本実施の形態3に係るHFETでは、結晶中のVGa−Hを分解するために熱中性子線を用いている。
本実施の形態3に係るHFET30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。
以上の製造方法によって、本実施の形態3に係るHFET30を製造することができる。
11、21、31 シリコン基板
12 低温バッファ層
13 バッファ層
14、25、35 電子走行層
15、36 電子供給層
16、37 ゲート電極
17、38 ソース電極
18、39 ドレイン電極
20 SBD
22、32 第1バッファ層
23、33 第2バッファ層
23a、33a GaN層
23b、33b AlN層
24、34 第3バッファ層
26 ショットキー電極
27 オーミック電極
28、29 エピタキシャル基板
B1 ビームスポット
D1、D2 データ点群
L1 レーザ光
L2 白色光
L3 単色光
L4 回折線
P1、P2 ピーク
S1、S2 スペクトル
S3 結晶面
S4 回折面
Claims (7)
- 基板上に少なくともガリウム原子を含むIII族原子と窒素原子とからなる窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長する成長工程と、
素子構造形成前に、前記窒化物系化合物半導体層に電離放射線を照射し、前記窒化物系化合物半導体層中のIII族空孔と水素原子との複合体を分解する分解工程と、
を含み、
前記分解工程において電離放射線を照射する前記窒化物系化合物半導体層は、電子走行層を含み、該電子走行層はn−GaN、CをドープしたGaN、又は、アンドープのGaNからなることを特徴とする窒化物系化合物半導体素子の製造方法。 - 前記電離放射線はシンクロトロン放射光であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記電離放射線は中性子線であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記中性子線は1eV以下のエネルギーを有する熱外中性子線または熱中性子線であることを特徴とする請求項3に記載の窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記基板はシリコン、サファイア、炭化珪素または酸化亜鉛からな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素子の製造方法。
- 前記窒化物系化合物半導体層を、n型ドーパントをドープした窒化物系化合物半導体、Cをドープした窒化物系化合物半導体、アンドープの窒化物系化合物半導体、またはこれらの組み合わせで構成することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれか一つに記載の製造方法によって製造した窒化物系化合物半導体素子であって、前記窒化物系化合物半導体層中のIII族空孔濃度が5×1016〜1×1018cm−3であることを特徴とする窒化物系化合物半導体素子。
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