JPH11204778A - 窒化物系ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体装置 - Google Patents
窒化物系ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ２次元電子ガス用いた窒化物系化合物半導体
装置では、十分移動度の高いものは得られていなかっ
た。 【解決手段】 本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体装置では、基板上方にチャネル層を有し、前記チャ
ネル層で２次元電子ガスを用いた半導体デバイスにおい
て、チャネル層がＩｎＮを含む層にすることによって、
移動度の大きいものが得られた。
装置では、十分移動度の高いものは得られていなかっ
た。 【解決手段】 本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体装置では、基板上方にチャネル層を有し、前記チャ
ネル層で２次元電子ガスを用いた半導体デバイスにおい
て、チャネル層がＩｎＮを含む層にすることによって、
移動度の大きいものが得られた。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物系ＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体装置に関し、特に、高出力、高周波お
よび高温度特性に優れた２次元電子ガスを用いた半導体
デバイスに関する。
Ｖ族化合物半導体装置に関し、特に、高出力、高周波お
よび高温度特性に優れた２次元電子ガスを用いた半導体
デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】２次元電子ガスを用いた半導体デバイス
としては、ヘテロ構造電界効果型トランジスター（ＨＦ
ＥＴ）、高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）、ま
たは変調ドープ電界効果型トランジスター（ＭＯＤＦＥ
Ｔ）が挙げられる。このような２次元電子ガスを用いた
半導体デバイスでは、ＧａＡｓ系材料を用いたものが開
発されている。
としては、ヘテロ構造電界効果型トランジスター（ＨＦ
ＥＴ）、高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）、ま
たは変調ドープ電界効果型トランジスター（ＭＯＤＦＥ
Ｔ）が挙げられる。このような２次元電子ガスを用いた
半導体デバイスでは、ＧａＡｓ系材料を用いたものが開
発されている。
【０００３】従来のＧａＡｓ系ＨＦＥＴでは、一般的
に、図８に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板１０１上
に、アンドープＧａＡｓバッファ層１０２（膜厚１μ
ｍ、キャリア濃度３×１０16ｃｍ-3）、アンドープＡｌ
ＧａＡｓスペーサー層１０３（膜厚１０ｎｍ、キャリア
濃度１×１０17ｃｍ-3）、ｎ型ＡｌＧａＡｓドナー層１
０４（膜厚２０ｎｍ、キャリア濃度１×１０18ｃ
ｍ-3）、ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０５（膜厚１０ｎ
ｍ、キャリア濃度３×１０18ｃｍ-3）が形成されてい
る。１０７はゲート電極、１０８はソース／ドレイン電
極である。
に、図８に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板１０１上
に、アンドープＧａＡｓバッファ層１０２（膜厚１μ
ｍ、キャリア濃度３×１０16ｃｍ-3）、アンドープＡｌ
ＧａＡｓスペーサー層１０３（膜厚１０ｎｍ、キャリア
濃度１×１０17ｃｍ-3）、ｎ型ＡｌＧａＡｓドナー層１
０４（膜厚２０ｎｍ、キャリア濃度１×１０18ｃ
ｍ-3）、ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０５（膜厚１０ｎ
ｍ、キャリア濃度３×１０18ｃｍ-3）が形成されてい
る。１０７はゲート電極、１０８はソース／ドレイン電
極である。
【０００４】また、従来報告されている窒化物系ＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体を用いたＨＦＥＴの構造図を図９に
示す。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の構造はＧａ
Ａｓ系ＨＦＥＴとほぼ同様な構造をしており、絶縁性基
板２０１上のＡｌＮ低温成長バッファ層２０２（膜厚２
０ｎｍ）、ＧａＮバッファ層２０３（膜厚２μｍ、キャ
リア濃度８×１０16ｃｍ-3）、ＡｌＧａＮドナー層２０
４（膜厚２０ｎｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3）、
ゲート電極２０７、ソース／ドレイン電極２０８からな
る構造でチャネルとしてＧａＮを用いたもの（米国特許
５１９２９８７）、あるいは図１０のようなサファイア
などの絶縁性基板３０１上のＡｌＮ低温成長バッファ層
３０２（膜厚２０ｎｍ）、ＧａＮバッファ層３０３（膜
厚３μｍ）、ＡｌＮ障壁層３０４（膜厚３ｎｍ）、Ｇａ
Ｎチャネル層３０５（膜厚１００ｎｍ）からなる逆構造
のＨＦＥＴ（Electronics Lett.,Vol.31,No.22,(1995)p
1951)が見られる。
−Ｖ族化合物半導体を用いたＨＦＥＴの構造図を図９に
示す。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の構造はＧａ
Ａｓ系ＨＦＥＴとほぼ同様な構造をしており、絶縁性基
板２０１上のＡｌＮ低温成長バッファ層２０２（膜厚２
０ｎｍ）、ＧａＮバッファ層２０３（膜厚２μｍ、キャ
リア濃度８×１０16ｃｍ-3）、ＡｌＧａＮドナー層２０
４（膜厚２０ｎｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3）、
ゲート電極２０７、ソース／ドレイン電極２０８からな
る構造でチャネルとしてＧａＮを用いたもの（米国特許
５１９２９８７）、あるいは図１０のようなサファイア
などの絶縁性基板３０１上のＡｌＮ低温成長バッファ層
３０２（膜厚２０ｎｍ）、ＧａＮバッファ層３０３（膜
厚３μｍ）、ＡｌＮ障壁層３０４（膜厚３ｎｍ）、Ｇａ
Ｎチャネル層３０５（膜厚１００ｎｍ）からなる逆構造
のＨＦＥＴ（Electronics Lett.,Vol.31,No.22,(1995)p
1951)が見られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】チャネル層として一般
に用いられるＧａＮの電子移動度は、キャリア濃度が１
×１０18ｃｍ-3の場合に約２００ｃｍ2／Ｖｓ、キャリ
ア濃度が１×１０17ｃｍ-3の場合に約４００ｃｍ2／Ｖ
ｓであり、ＳｉＣなどの他のワイドバンドギャップ材料
に比べて電子移動度が一桁程度大きいものの、ＧａＡｓ
系ＨＦＥＴで用いられるＧａＡｓチャネルの移動度に比
べて一桁程度小さな値となっている。
に用いられるＧａＮの電子移動度は、キャリア濃度が１
×１０18ｃｍ-3の場合に約２００ｃｍ2／Ｖｓ、キャリ
ア濃度が１×１０17ｃｍ-3の場合に約４００ｃｍ2／Ｖ
ｓであり、ＳｉＣなどの他のワイドバンドギャップ材料
に比べて電子移動度が一桁程度大きいものの、ＧａＡｓ
系ＨＦＥＴで用いられるＧａＡｓチャネルの移動度に比
べて一桁程度小さな値となっている。
【０００６】また、ＧａＡｓ系ＦＥＴの場合、特開昭６
３−１６１６７８号公報に記載されたようにチャネルの
材料として、より移動度の大きなＩｎＧａＡｓ混晶をＡ
ｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ界面に挿入することも行われてお
り、窒化物系半導体装置にも同様な手法が用いることが
できると考えられた。しかしながら、窒化物系ＩＩＩ−
Ｖ族半導体装置においては、ＩｎＧａＮ混晶の結晶性あ
るいは平坦性に問題があり、電子移動度が必ずしも大き
くはならないため、ＧａＡｓ系ＦＥＴのＩｎＧａＡｓチ
ャネル層の場合のような効果は期待できない。
３−１６１６７８号公報に記載されたようにチャネルの
材料として、より移動度の大きなＩｎＧａＡｓ混晶をＡ
ｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ界面に挿入することも行われてお
り、窒化物系半導体装置にも同様な手法が用いることが
できると考えられた。しかしながら、窒化物系ＩＩＩ−
Ｖ族半導体装置においては、ＩｎＧａＮ混晶の結晶性あ
るいは平坦性に問題があり、電子移動度が必ずしも大き
くはならないため、ＧａＡｓ系ＦＥＴのＩｎＧａＡｓチ
ャネル層の場合のような効果は期待できない。
【０００７】以上に鑑み、本発明は、チャネル電子移動
度の大きな窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体デバイス
を得ることを目的としている。
度の大きな窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体デバイス
を得ることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めに、鋭意研究を重ねた結果、以下に記載する構造が有
効であることがわかった。
めに、鋭意研究を重ねた結果、以下に記載する構造が有
効であることがわかった。
【０００９】本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体装置は、基板上方にチャネル層を有し、前記チャネル
層で２次元電子ガスを用いた半導体デバイスにおいて、
チャネル層がＩｎＮを含む層であることを特徴とする。
体装置は、基板上方にチャネル層を有し、前記チャネル
層で２次元電子ガスを用いた半導体デバイスにおいて、
チャネル層がＩｎＮを含む層であることを特徴とする。
【００１０】本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体装置は、前記チャネル層はＩｎＮからなる単層であ
り、その膜厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とす
る。
体装置は、前記チャネル層はＩｎＮからなる単層であ
り、その膜厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とす
る。
【００１１】本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体装置は、前記チャネル層がＩｎＮ／ＧａＮ多層構造か
らなることを特徴とする。
体装置は、前記チャネル層がＩｎＮ／ＧａＮ多層構造か
らなることを特徴とする。
【００１２】本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体装置は、前記チャネル層がＩｎＮ／ＡｌＮ多層構造か
らなることを特徴とする。
体装置は、前記チャネル層がＩｎＮ／ＡｌＮ多層構造か
らなることを特徴とする。
【００１３】本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体装置は、前記ＧａＮあるいは前記ＡｌＮ層が変調ドー
ピングされていることを特徴とする。
体装置は、前記ＧａＮあるいは前記ＡｌＮ層が変調ドー
ピングされていることを特徴とする。
【００１４】本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体装置は、前記ＩｎＮ／ＡｌＮあるいはＩｎＮ／ＧａＮ
における各層の膜厚が、ミニバンドが形成される分子層
であることを特徴とする。
体装置は、前記ＩｎＮ／ＡｌＮあるいはＩｎＮ／ＧａＮ
における各層の膜厚が、ミニバンドが形成される分子層
であることを特徴とする。
【００１５】本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体装置は、前記基板が導電性基板であり、前記導電性基
板の上に窒化物系半導体からなるバッファ層を有し、前
記バッファ層にＣｒ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ａｕ、Ｖ、Ｎｂのう
ちの少なくとも１つが添加されている層を有することを
特徴とする。
体装置は、前記基板が導電性基板であり、前記導電性基
板の上に窒化物系半導体からなるバッファ層を有し、前
記バッファ層にＣｒ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ａｕ、Ｖ、Ｎｂのう
ちの少なくとも１つが添加されている層を有することを
特徴とする。
【００１６】本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体装置は、前記バッファ層がＡｌＮ層を有することを特
徴とする。
体装置は、前記バッファ層がＡｌＮ層を有することを特
徴とする。
【００１７】本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体装置は、前記基板がＶ添加ＳｉＣであることを特徴と
する。
体装置は、前記基板がＶ添加ＳｉＣであることを特徴と
する。
【００１８】
【発明の実施の形態】（実施例１）図１は、本発明の第
１の実施例である窒化物系ＨＦＥＴの概要を示す断面図
である。１は（０００１）サファイア基板、２は低温成
長ＡｌＮバッファ層（膜厚２０ｎｍ）、３はアンドープ
ＧａＮバッファ層（キャリア濃度５×１０16ｃｍ-3、膜
厚２μｍ）、４はアンドープＩｎＮチャネル層（キャリ
ア濃度４×１０17ｃｍ-3、膜厚１０ｎｍ）、５はアンド
ープＧａＮスペーサー層（キャリア濃度５×１０16ｃｍ
-3、膜厚１０ｎｍ）、６はｎ型ＧａＮドナー層（キャリ
ア濃度２×１０18ｃｍ-3、膜厚３μｍ）である。このよ
うな層構造を形成するための結晶成長方法としては、Ｍ
ＯＶＰＥ、ＭＢＥ法などを用いることができる。
１の実施例である窒化物系ＨＦＥＴの概要を示す断面図
である。１は（０００１）サファイア基板、２は低温成
長ＡｌＮバッファ層（膜厚２０ｎｍ）、３はアンドープ
ＧａＮバッファ層（キャリア濃度５×１０16ｃｍ-3、膜
厚２μｍ）、４はアンドープＩｎＮチャネル層（キャリ
ア濃度４×１０17ｃｍ-3、膜厚１０ｎｍ）、５はアンド
ープＧａＮスペーサー層（キャリア濃度５×１０16ｃｍ
-3、膜厚１０ｎｍ）、６はｎ型ＧａＮドナー層（キャリ
ア濃度２×１０18ｃｍ-3、膜厚３μｍ）である。このよ
うな層構造を形成するための結晶成長方法としては、Ｍ
ＯＶＰＥ、ＭＢＥ法などを用いることができる。
【００１９】本実施例では結晶成長方法としてＭＯＶＰ
Ｅ法を用いた。ＭＯＶＰＥ法のプロセスは、以下の通り
である。まず始めに、水素雰囲気中で基板温度１１００
℃にて（０００１）サファイア基板１のクリーニングを
１０分間行う。次に基板温度を５５０℃に設定し、低温
成長ＡｌＮバッファ層２を成長する。その後、基板温度
を１０００℃に設定し、アンドープＧａＮバッファ層３
の成長を行う。さらに、アンドープＩｎＮチャネル層４
の成長は、基板温度８００℃で行い、その上のアンドー
プＧａＮスペンサー層５、ｎ型ＧａＮドナー層６の成長
は基板温度を１０００℃まで上げながら行なった。
Ｅ法を用いた。ＭＯＶＰＥ法のプロセスは、以下の通り
である。まず始めに、水素雰囲気中で基板温度１１００
℃にて（０００１）サファイア基板１のクリーニングを
１０分間行う。次に基板温度を５５０℃に設定し、低温
成長ＡｌＮバッファ層２を成長する。その後、基板温度
を１０００℃に設定し、アンドープＧａＮバッファ層３
の成長を行う。さらに、アンドープＩｎＮチャネル層４
の成長は、基板温度８００℃で行い、その上のアンドー
プＧａＮスペンサー層５、ｎ型ＧａＮドナー層６の成長
は基板温度を１０００℃まで上げながら行なった。
【００２０】同一の層構造を用いてホール測定を行った
結果、室温における移動度２０００ｃｍ2／Ｖｓおよび
７７Ｋにおける移動度８０００ｃｍ2／Ｖｓを確認し
た。ゲート長さ１μｍ、ソースドレイン間距離５μｍの
ＦＥＴを作製し、その特性を評価した結果、室温におい
て、最大発振周波数ｆｍａｘ＝２０ＧＨｚ、トランスコ
ンダクタンスｇｍ＝１８０ｍＳ／ｍｍ、温度２５０℃に
おいてｇｍ＝１２０ｍＳ／ｍｍであった。一方、同一構
造でＧａＮチャネル層を用いた場合には、室温におい
て、最大発振周波数ｆｍａｘ＝１５ＧＨｚ、トランスコ
ンダクタンスｇｍ＝１５０ｍＳ／ｍｍ、温度２００℃に
おいてｇｍ＝８０ｍＳ／ｍｍとなっており、ＩｎＮチャ
ネル層の効果が確認できた。また、最大動作温度は、２
８０℃であった。
結果、室温における移動度２０００ｃｍ2／Ｖｓおよび
７７Ｋにおける移動度８０００ｃｍ2／Ｖｓを確認し
た。ゲート長さ１μｍ、ソースドレイン間距離５μｍの
ＦＥＴを作製し、その特性を評価した結果、室温におい
て、最大発振周波数ｆｍａｘ＝２０ＧＨｚ、トランスコ
ンダクタンスｇｍ＝１８０ｍＳ／ｍｍ、温度２５０℃に
おいてｇｍ＝１２０ｍＳ／ｍｍであった。一方、同一構
造でＧａＮチャネル層を用いた場合には、室温におい
て、最大発振周波数ｆｍａｘ＝１５ＧＨｚ、トランスコ
ンダクタンスｇｍ＝１５０ｍＳ／ｍｍ、温度２００℃に
おいてｇｍ＝８０ｍＳ／ｍｍとなっており、ＩｎＮチャ
ネル層の効果が確認できた。また、最大動作温度は、２
８０℃であった。
【００２１】アンドープＩｎＮ物質自体のキャリア濃度
と電子移動度は、それぞれ、４×１０17ｃｍ-3と１２０
０ｃｍ2／Ｖｓとなっており、その電子移動度は、Ｇａ
Ｎの約３倍となっている。この大きな移動度が、ＨＦＥ
Ｔの特性を大きく改善する原因となっている。
と電子移動度は、それぞれ、４×１０17ｃｍ-3と１２０
０ｃｍ2／Ｖｓとなっており、その電子移動度は、Ｇａ
Ｎの約３倍となっている。この大きな移動度が、ＨＦＥ
Ｔの特性を大きく改善する原因となっている。
【００２２】このようなＩｎＮチャネル層を用いる代わ
りにチャネル層をＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）とした
窒化物系半導体の７７Ｋにおける電子移動度が組成によ
ってどのように変化するかを調べた。ＧａＡｓ上のＩｎ
ＧａＡｓチャネル層の場合、格子不整の関係からＩｎ組
成の上限が２０％程度に抑えられるのが常識であった。
しかしながら、本実施例ではあえて格子不整を考えず、
ｘ＝１まで検討を行った。
りにチャネル層をＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）とした
窒化物系半導体の７７Ｋにおける電子移動度が組成によ
ってどのように変化するかを調べた。ＧａＡｓ上のＩｎ
ＧａＡｓチャネル層の場合、格子不整の関係からＩｎ組
成の上限が２０％程度に抑えられるのが常識であった。
しかしながら、本実施例ではあえて格子不整を考えず、
ｘ＝１まで検討を行った。
【００２３】図２は、Ｉｎ組成ｘによる２次元電子ガス
の移動度の変化を示した図である。ｘ＝１を除くすべて
の組成で電子移動度の増大は見られない。これは、Ｉｎ
xＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）混晶において、現状では均一
な組成分布をもつ膜が得られないことに起因しており、
その結果、合金散乱が大きくなるためにＩｎＧａＡｓの
場合のような移動度の増加が見られない。しかしなが
ら、格子不整を考えた材料選択では不利であるが、ｘ＝
１のＩｎＮは特異な移動度増大を示し、本発明において
チャネル材料として極めて優れていることが初めて見い
だされた。次に、ＩｎＮのチャネル層厚としてどのくら
いの厚さまで許されるかを、２次元電子ガスの移動度の
点から調べた。ヘテロ界面において２次元電子ガスが形
成される領域としては、数十ｎｍ程度である。したがっ
て厚さの上限としては、歪みによる結晶性の低下に起因
した電子散乱が、２次元電子ガスの運動にどれだけ影響
するかによる。
の移動度の変化を示した図である。ｘ＝１を除くすべて
の組成で電子移動度の増大は見られない。これは、Ｉｎ
xＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）混晶において、現状では均一
な組成分布をもつ膜が得られないことに起因しており、
その結果、合金散乱が大きくなるためにＩｎＧａＡｓの
場合のような移動度の増加が見られない。しかしなが
ら、格子不整を考えた材料選択では不利であるが、ｘ＝
１のＩｎＮは特異な移動度増大を示し、本発明において
チャネル材料として極めて優れていることが初めて見い
だされた。次に、ＩｎＮのチャネル層厚としてどのくら
いの厚さまで許されるかを、２次元電子ガスの移動度の
点から調べた。ヘテロ界面において２次元電子ガスが形
成される領域としては、数十ｎｍ程度である。したがっ
て厚さの上限としては、歪みによる結晶性の低下に起因
した電子散乱が、２次元電子ガスの運動にどれだけ影響
するかによる。
【００２４】図３は、チャネル層厚と電子移動度との相
関を示す。図３に示した結果から、チャネル層厚１００
ｎｍ以上で急激に移動度が低下しており、これ以上の厚
さでは結晶の乱れが大きく影響していることが分かる。
関を示す。図３に示した結果から、チャネル層厚１００
ｎｍ以上で急激に移動度が低下しており、これ以上の厚
さでは結晶の乱れが大きく影響していることが分かる。
【００２５】（実施例２）図４は、本発明の第２の実施
例である窒化物系ＨＦＥＴの概要を示す断面図である。
１１は（０００１）６Ｈ−ＳｉＣ基板、１２はアンドー
プＧａＮバッファ層（キャリア濃度５×１０16ｃｍ-3、
膜厚２μｍ）、１３はアンドープＡｌＮ障壁層（膜厚２
０ｎｍ）、１４はアンドープＩｎＮ／ＧａＮチャネル層
（膜厚１／１ｎｍ×ｌＯ周期）、１５はアンドープＧａ
Ｎキャップ層（キャリア濃度５×１０16ｃｍ3、膜厚１
０ｎｍ）、７はＰｔ／Ａｕゲート電極、８はＴｉ／Ａｌ
ソース／ドレイン電極である。
例である窒化物系ＨＦＥＴの概要を示す断面図である。
１１は（０００１）６Ｈ−ＳｉＣ基板、１２はアンドー
プＧａＮバッファ層（キャリア濃度５×１０16ｃｍ-3、
膜厚２μｍ）、１３はアンドープＡｌＮ障壁層（膜厚２
０ｎｍ）、１４はアンドープＩｎＮ／ＧａＮチャネル層
（膜厚１／１ｎｍ×ｌＯ周期）、１５はアンドープＧａ
Ｎキャップ層（キャリア濃度５×１０16ｃｍ3、膜厚１
０ｎｍ）、７はＰｔ／Ａｕゲート電極、８はＴｉ／Ａｌ
ソース／ドレイン電極である。
【００２６】層構造の結晶成長方法としては、ＭＯＶＰ
Ｅ、ＭＢＥ法などを用いることができる。作製方法は実
施例１とほぼ同様である。同一の層構造を用いてホール
測定を行った結果、室温における移動度２１００ｃｍ2
／Ｖｓおよび７７Ｋにおける移動度８５００ｃｍ2／Ｖ
ｓを確認した。
Ｅ、ＭＢＥ法などを用いることができる。作製方法は実
施例１とほぼ同様である。同一の層構造を用いてホール
測定を行った結果、室温における移動度２１００ｃｍ2
／Ｖｓおよび７７Ｋにおける移動度８５００ｃｍ2／Ｖ
ｓを確認した。
【００２７】ゲート長さ１μｍ、ソースドレイン間距離
５μｍのＦＥＴを作製し、その特性を評価した結果、室
温において、最大発振周波数ｆｍａｘ＝１８ＧＨｚ、ト
ランスコンダクタンスｇｍ＝１５０ｍＳ／ｍｍ、温度２
５０℃においてｇｍ＝１２０ｍＳ／ｍｍであった。
５μｍのＦＥＴを作製し、その特性を評価した結果、室
温において、最大発振周波数ｆｍａｘ＝１８ＧＨｚ、ト
ランスコンダクタンスｇｍ＝１５０ｍＳ／ｍｍ、温度２
５０℃においてｇｍ＝１２０ｍＳ／ｍｍであった。
【００２８】ＩｎＮ単層の代わりにＩｎＮ／ＧａＮ多層
構造を用いた場合、チャネル層のバンドギャップが大き
くなり、窒化物系ＨＦＥＴの温度特性が向上する。Ｉｎ
Ｎ／ＧａＮの場合、ＩｎＮに比べ最高動作温度がさらに
５０℃高くなっていた。
構造を用いた場合、チャネル層のバンドギャップが大き
くなり、窒化物系ＨＦＥＴの温度特性が向上する。Ｉｎ
Ｎ／ＧａＮの場合、ＩｎＮに比べ最高動作温度がさらに
５０℃高くなっていた。
【００２９】多層構造の層厚としては、ソース電極から
供給された電子がすべてのＩｎＮ層に供給されることが
必要であり、そのためには多層構造の中にミニバンドが
形成される必要がある。これは、多層構造中にミニバン
ドがない場合、各ＩｎＮ層が孤立し、すべてのＩｎＮ層
がチャネルとして働かなくなるためである。したがっ
て、各層の層厚はミニバンドが形成されるように十分に
薄くなければならない。
供給された電子がすべてのＩｎＮ層に供給されることが
必要であり、そのためには多層構造の中にミニバンドが
形成される必要がある。これは、多層構造中にミニバン
ドがない場合、各ＩｎＮ層が孤立し、すべてのＩｎＮ層
がチャネルとして働かなくなるためである。したがっ
て、各層の層厚はミニバンドが形成されるように十分に
薄くなければならない。
【００３０】図５は、（ａ）ｎAlN＝ｎInNおよび（ｂ）
ｎGaN＝ｎInN（ここでｎは分子層数）としたときの伝導
帯におけるミニバンドを現わしたものである。図から明
らかなように、ミニバンドが形成されるためには、Ｉｎ
Ｎ／ＧａＮでは分子層数を９以下にする必要があり、Ｉ
ｎＮ／ＡｌＮでは分子層数を５以下にする必要がある。
しかしながら、障壁層（ＧａＮおよびＡｌＮ）の厚みが
薄くなればなるほどより厚い井戸層でもミニバンドが形
成され、例えばＧａＮ層厚が１分子層の場合、ＩｎＮ層
厚２０分子層でもミニバンドは形成される。
ｎGaN＝ｎInN（ここでｎは分子層数）としたときの伝導
帯におけるミニバンドを現わしたものである。図から明
らかなように、ミニバンドが形成されるためには、Ｉｎ
Ｎ／ＧａＮでは分子層数を９以下にする必要があり、Ｉ
ｎＮ／ＡｌＮでは分子層数を５以下にする必要がある。
しかしながら、障壁層（ＧａＮおよびＡｌＮ）の厚みが
薄くなればなるほどより厚い井戸層でもミニバンドが形
成され、例えばＧａＮ層厚が１分子層の場合、ＩｎＮ層
厚２０分子層でもミニバンドは形成される。
【００３１】（実施例３）図６は、本発明の第３の実施
例である窒化物系ＨＦＥＴの概要を示す断面図である。
１１は（０００１）６Ｈ−ＳｉＣ基板、１２はアンドー
プＧａＮバッファ層（キャリア濃度５×１０16ｃｍ-3、
膜厚２μｍ）、１３はアンドープＡｌＮ障壁層（膜厚２
０ｎｍ）、２４はアンドープＩｎＮ／ＡｌＮチャネル層
（膜厚１ｎｍ／１ｎｍ：ｌＯ周期）、１５はアンドープ
ＧａＮキャップ層（キャリア濃度５×１０16ｃｍ-3、膜
厚１０ｎｍ）、７はＰｔ／Ａｕゲート電極、８はＴｉ／
Ａｌソース／ドレイン電極である。
例である窒化物系ＨＦＥＴの概要を示す断面図である。
１１は（０００１）６Ｈ−ＳｉＣ基板、１２はアンドー
プＧａＮバッファ層（キャリア濃度５×１０16ｃｍ-3、
膜厚２μｍ）、１３はアンドープＡｌＮ障壁層（膜厚２
０ｎｍ）、２４はアンドープＩｎＮ／ＡｌＮチャネル層
（膜厚１ｎｍ／１ｎｍ：ｌＯ周期）、１５はアンドープ
ＧａＮキャップ層（キャリア濃度５×１０16ｃｍ-3、膜
厚１０ｎｍ）、７はＰｔ／Ａｕゲート電極、８はＴｉ／
Ａｌソース／ドレイン電極である。
【００３２】層構造の結晶成長方法としては、実施例１
と同様ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ法などを用いることができ
る。同一の膜構造を用いてホール測定を行った結果、室
温における移動度２５００ｃｍ2／Ｖｓおよび７７Ｋに
おける移動度９０００ｃｍ2／Ｖｓを確認した。
と同様ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ法などを用いることができ
る。同一の膜構造を用いてホール測定を行った結果、室
温における移動度２５００ｃｍ2／Ｖｓおよび７７Ｋに
おける移動度９０００ｃｍ2／Ｖｓを確認した。
【００３３】ゲート長さ１μｍ、ソースドレイン間距離
５μｍのＨＦＥＴを作製し、その特性を評価した結果、
室温において、最大発振周波数ｆｍａｘ＝２２ＧＨｚ、
トランスコンダクタンスｇｍ＝２００ｍＳ／ｍｍ、温度
２５０℃においてｇｍ＝１７０ｍＳ／ｍｍであった。
５μｍのＨＦＥＴを作製し、その特性を評価した結果、
室温において、最大発振周波数ｆｍａｘ＝２２ＧＨｚ、
トランスコンダクタンスｇｍ＝２００ｍＳ／ｍｍ、温度
２５０℃においてｇｍ＝１７０ｍＳ／ｍｍであった。
【００３４】ＩｎＮ単層の代わりにＩｎＮ／ＡｌＮ多層
構造を用いた場合、ＩｎＮ／ＧａＮと同様、チャネル層
のバンドギャップが大きくなり、窒化物系ＨＦＥＴの温
度特性が向上する。ＩｎＮ／ＡｌＮの場合、ＩｎＮに比
べ最高動作温度がさらに７０℃高くなっていた。また、
ＩｎＮ／ＡｌＮの場合、ＩｎＮとＡｌＮの歪が打ち消し
合い、ＩｎＮ／ＧａＮに比べて層構造内の応力を小さく
することができ、チャネル層の膜質が改善され、窒化物
系ＨＦＥＴ特性がさらに向上する。また、ＩｎＮ／Ｇａ
Ｎの場合と同様、各層の層厚をミニバンドが形成される
層厚に設定することが望ましい。
構造を用いた場合、ＩｎＮ／ＧａＮと同様、チャネル層
のバンドギャップが大きくなり、窒化物系ＨＦＥＴの温
度特性が向上する。ＩｎＮ／ＡｌＮの場合、ＩｎＮに比
べ最高動作温度がさらに７０℃高くなっていた。また、
ＩｎＮ／ＡｌＮの場合、ＩｎＮとＡｌＮの歪が打ち消し
合い、ＩｎＮ／ＧａＮに比べて層構造内の応力を小さく
することができ、チャネル層の膜質が改善され、窒化物
系ＨＦＥＴ特性がさらに向上する。また、ＩｎＮ／Ｇａ
Ｎの場合と同様、各層の層厚をミニバンドが形成される
層厚に設定することが望ましい。
【００３５】（実施例４）実施例２のＧａＮ層及び実施
例３のＡｌＮ層にＳｉの変調ドーピングを施し、同様に
窒化物系ＨＦＥＴ特性を評価した。ゲート長さ１μｍ、
ソースドレイン間距離５μｍのＨＦＥＴを作製し、その
特性を評価した結果、室温における最大発振周波数ｆｍ
ａｘおよびトランスコンダクタンスｇｍは、それぞれ２
５ＧＨｚ、２８ＧＨｚおよび１６０ｍＳ／ｍｍ、２１０
ｍＳ／ｍｍであった。Ｓｉの濃度は、ＧａＮ単層におい
てキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3となる量であり、Ａｌ
Ｎ単層の場合も同様である。
例３のＡｌＮ層にＳｉの変調ドーピングを施し、同様に
窒化物系ＨＦＥＴ特性を評価した。ゲート長さ１μｍ、
ソースドレイン間距離５μｍのＨＦＥＴを作製し、その
特性を評価した結果、室温における最大発振周波数ｆｍ
ａｘおよびトランスコンダクタンスｇｍは、それぞれ２
５ＧＨｚ、２８ＧＨｚおよび１６０ｍＳ／ｍｍ、２１０
ｍＳ／ｍｍであった。Ｓｉの濃度は、ＧａＮ単層におい
てキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3となる量であり、Ａｌ
Ｎ単層の場合も同様である。
【００３６】（実施例５）図７は、実施例６以下で用い
た窒化物系ＨＦＥＴ構造を示す図である。実施例６、７
では基板３１あるいはバッファ層３２を変えた場合の２
次元電子ガスの特性について調べている。それ以外の各
層のパラメータは実施例１と同様である。
た窒化物系ＨＦＥＴ構造を示す図である。実施例６、７
では基板３１あるいはバッファ層３２を変えた場合の２
次元電子ガスの特性について調べている。それ以外の各
層のパラメータは実施例１と同様である。
【００３７】層構造の結晶成長方法としては、ＭＯＶＰ
Ｅ、ＭＢＥ法などを用いることができる。以下の実施例
ではＭＢＥ法を用いた。ＭＢＥ法のプロセスは、以下の
通りである。
Ｅ、ＭＢＥ法などを用いることができる。以下の実施例
ではＭＢＥ法を用いた。ＭＢＥ法のプロセスは、以下の
通りである。
【００３８】まず始に、真空中で基板温度８００℃にて
基板クリーニングを１０分間行う。次に基板温度を５５
０℃に設定し、窒素ラジカルを基板３１に照射し、結晶
成長を良くするために表面の窒化を行い、ＧａＮ（また
はＡｌＮ）バッファ層３２を形成する。その後、基板温
度を７５０℃に設定し、ＧａＮ層の成長を行う。ＩｎＮ
層の成長は、基板温度６５０℃で行い、その上のＧａＮ
の成長は基板温度を７５０℃まで上げながら行なった。
基板クリーニングを１０分間行う。次に基板温度を５５
０℃に設定し、窒素ラジカルを基板３１に照射し、結晶
成長を良くするために表面の窒化を行い、ＧａＮ（また
はＡｌＮ）バッファ層３２を形成する。その後、基板温
度を７５０℃に設定し、ＧａＮ層の成長を行う。ＩｎＮ
層の成長は、基板温度６５０℃で行い、その上のＧａＮ
の成長は基板温度を７５０℃まで上げながら行なった。
【００３９】表１は、導電性ＳｉＣ基板上のＣｒドープ
したＧａＮバッファ層の上のＨＦＥＴ構造の移動度と導
電性ＳｉＣ基板上のアンドープのＧａＮバッファ層上の
ＨＦＥＴ構造の移動度を比較したものである。
したＧａＮバッファ層の上のＨＦＥＴ構造の移動度と導
電性ＳｉＣ基板上のアンドープのＧａＮバッファ層上の
ＨＦＥＴ構造の移動度を比較したものである。
【００４０】
【表１】
【００４１】導電性ＳｉＣ基板上のアンドープのＧａＮ
バッファ層を用いたＨＦＥＴ構造の場合、動作温度が低
温において、キャリアがバッファ層や基板へと分散する
ため、移動度の増大が見られない。したがって、ＧａＮ
をバッファ層として用いる場合、ＧａＮバッファ層の少
なくとも一部分を半絶縁性にすることが必要である。
バッファ層を用いたＨＦＥＴ構造の場合、動作温度が低
温において、キャリアがバッファ層や基板へと分散する
ため、移動度の増大が見られない。したがって、ＧａＮ
をバッファ層として用いる場合、ＧａＮバッファ層の少
なくとも一部分を半絶縁性にすることが必要である。
【００４２】本発明では、ドーバントとしてＣｒ、Ｔ
ｉ、Ｆｅ、Ａｕ、Ｖ、Ｎｂを添加することで半導体中に
深い準位を形成し、半絶縁性窒化物半導体を得る事が可
能となる。その結果、基板へのキャリアの流入を防ぐこ
とが可能となり、移動度の増大が見られる。
ｉ、Ｆｅ、Ａｕ、Ｖ、Ｎｂを添加することで半導体中に
深い準位を形成し、半絶縁性窒化物半導体を得る事が可
能となる。その結果、基板へのキャリアの流入を防ぐこ
とが可能となり、移動度の増大が見られる。
【００４３】（実施例６）表２は、導電性ＳｉＣ基板上
のアンドープＡｌＮバッファ層の上に形成されたＨＦＥ
Ｔ構造の移動度と導電性ＳｉＣ基板上のアンドープＧａ
Ｎバッファ層上に形成されたＨＦＥＴ構造の移動度を比
較したものである。
のアンドープＡｌＮバッファ層の上に形成されたＨＦＥ
Ｔ構造の移動度と導電性ＳｉＣ基板上のアンドープＧａ
Ｎバッファ層上に形成されたＨＦＥＴ構造の移動度を比
較したものである。
【００４４】
【表２】
【００４５】導電性ＳｉＣ基板上のアンドープＧａＮバ
ッファ層上に形成されたＨＦＥＴ構造の場合、実施例５
と同様キャリアが基板へと分散するため、低温における
移動度の増大が見られない。一方、アンドープＡｌＮバ
ッファ層の場合、基板へのキャリアの流入が起こらない
ため、移動度の増大が見られた。これは、ＡｌＮの高い
絶縁性に起因した効果であり、従来からあるサファイア
基板上の低温成長バッファ層効果（核形成の効果）とは
異なった効果である。
ッファ層上に形成されたＨＦＥＴ構造の場合、実施例５
と同様キャリアが基板へと分散するため、低温における
移動度の増大が見られない。一方、アンドープＡｌＮバ
ッファ層の場合、基板へのキャリアの流入が起こらない
ため、移動度の増大が見られた。これは、ＡｌＮの高い
絶縁性に起因した効果であり、従来からあるサファイア
基板上の低温成長バッファ層効果（核形成の効果）とは
異なった効果である。
【００４６】なお、実施例６および７では、窒化物半導
体と格子不整の小さい基板を用いているが、格子不整が
１０％以上ある基板の場合（例えばサファイアなど）に
は、低温で成長させた核形成層を用いることが好まし
い。
体と格子不整の小さい基板を用いているが、格子不整が
１０％以上ある基板の場合（例えばサファイアなど）に
は、低温で成長させた核形成層を用いることが好まし
い。
【００４７】（実施例７）表３は、導電性ＳｉＣ基板上
のＨＦＥＴ構造の移動度とＶ添加ＳｉＣ基板（半絶縁性
基板）上のＨＦＥＴ構造の移動度を比較したものであ
る。
のＨＦＥＴ構造の移動度とＶ添加ＳｉＣ基板（半絶縁性
基板）上のＨＦＥＴ構造の移動度を比較したものであ
る。
【００４８】
【表３】
【００４９】導電性ＳｉＣ基板上のアンドープのＧａＮ
バッファ層上に形成されたＨＦＥＴ構造の場合、キャリ
アが基板へと分散するため、移動度の増大が見られな
い。一方、Ｖ添加ＳｉＣ基板上の場合、基板へのキャリ
アの流入が起こらないため、移動度の増大が見られた。
バッファ層上に形成されたＨＦＥＴ構造の場合、キャリ
アが基板へと分散するため、移動度の増大が見られな
い。一方、Ｖ添加ＳｉＣ基板上の場合、基板へのキャリ
アの流入が起こらないため、移動度の増大が見られた。
【００５０】
【発明の効果】本発明において見い出したＩｎＮをチャ
ネル層として用いることで、チャネル層の電子移動度が
増大し、窒化物系ＨＦＥＴ特性が飛躍的に向上する。
ネル層として用いることで、チャネル層の電子移動度が
増大し、窒化物系ＨＦＥＴ特性が飛躍的に向上する。
【００５１】また、チャネル層をＩｎＮ／ＧａＮ、Ｉｎ
Ｎ／ＡｌＮ多層構造にすることで、ＨＦＥＴの温度特性
が向上する。特にＩｎＮ／ＡｌＮの場合には、ＩｎＮと
ＡｌＮとの構成にすると歪が打ち消し合い、層構造内の
応力を小さくすることができるので、チャネル層の膜質
が改善される。
Ｎ／ＡｌＮ多層構造にすることで、ＨＦＥＴの温度特性
が向上する。特にＩｎＮ／ＡｌＮの場合には、ＩｎＮと
ＡｌＮとの構成にすると歪が打ち消し合い、層構造内の
応力を小さくすることができるので、チャネル層の膜質
が改善される。
【００５２】また、バッファ層にドーパントを添加する
ことで半絶縁性窒化物半導体とすることによって、基板
へのキャリア流入を防ぐことができ、移動度を増大する
ことができる。
ことで半絶縁性窒化物半導体とすることによって、基板
へのキャリア流入を防ぐことができ、移動度を増大する
ことができる。
【００５３】また、Ｖ添加ＳｉＣからなる基板を用いる
と、キャリアが基板へ流入しないので移動度を更に増大
させることができた。
と、キャリアが基板へ流入しないので移動度を更に増大
させることができた。
【図１】実施例１のＨＦＥＴ素子構造の断面図である。
【図２】２次元電子ガスの移動度のＩｎ組成依存性を示
す図である。
す図である。
【図３】２次元電子ガスの移動度のチャネル層厚依存性
を示す図である。
を示す図である。
【図４】実施例２のＨＦＥＴ素子構造の断面図である。
【図５】チャネル層がＩｎＮ／ＡｌＮ多層構造の場合の
第１ミニバンドの計算結果を示す図である。
第１ミニバンドの計算結果を示す図である。
【図６】実施例３のＨＦＥＴ素子構造の断面図である。
【図７】実施例４、５、６のＨＦＥＴ素子構造の断面図
である。
である。
【図８】ＧａＡｓ系ＨＦＥＴの構造を示す図である。
【図９】従来のＧａＮ系ＨＦＥＴの構造を示す図であ
る。
る。
【図１０】従来のＧａＮ系逆構造ＨＦＥＴの構造を示す
図である。
図である。
１ サファイア基板 ２ 低温成長ＡｌＮバッファ層 ３、１２ アンドープＧａＮバッファ層 ４ アンドープＩｎＮチャネル層 ５ アンドープＧａＮスペーサー層 ６ ｎ型ＧａＮドナー層 ７、１６ ゲート電極 ８、１７ ソース／ドレイン電極 １１ （００１）ＳｉＣ基板 １３ アンドープＡｌＮ障壁層 １４ アンドープＩｎＮ／ＡｌＮチャネル層 １５ アンドープＧａＮキャップ層 ２４ アンドープＩｎＮ／ＡｌＮチャネル層 ３１ 基板 ３２ バッファ層
Claims (9)
- 【請求項１】 基板上方にチャネル層を有し、前記チャ
ネル層で２次元電子ガスを用いた半導体デバイスにおい
て、チャネル層がＩｎＮを含む層であることを特徴とす
る窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置。 - 【請求項２】 前記チャネル層はＩｎＮからなる単層で
あり、その膜厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とす
る請求項１記載の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装
置。 - 【請求項３】 前記チャネル層がＩｎＮ／ＧａＮ多層構
造からなることを特徴とする請求項１記載の窒化物系Ｉ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置。 - 【請求項４】 前記チャネル層がＩｎＮ／ＡｌＮ多層構
造からなることを特徴とする請求項１記載の窒化物系Ｉ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置。 - 【請求項５】 請求項３または請求項４に記載の窒化物
系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置において、前記ＧａＮ
あるいは前記ＡｌＮ層が変調ドーピングされていること
を特徴とする窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置。 - 【請求項６】 前記ＩｎＮ／ＡｌＮあるいはＩｎＮ／Ｇ
ａＮにおける各層の膜厚が、ミニバンドが形成される分
子層であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか
に記載の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置。 - 【請求項７】 前記基板が導電性基板であり、前記導電
性基板の上に窒化物系半導体からなるバッファ層を有
し、前記バッファ層にＣｒ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ａｕ、Ｖ、Ｎ
ｂのうちの少なくとも１つが添加されている層を有する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の窒
化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置。 - 【請求項８】 前記バッファ層がＡｌＮ層を有すること
を特徴とする請求項７記載の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体装置。 - 【請求項９】 前記基板がＶ添加ＳｉＣであることを特
徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の窒化物系Ｉ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置。
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