JPWO2009119357A1 - 半導体素子用エピタキシャル基板、半導体素子、および半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法 - Google Patents
半導体素子用エピタキシャル基板、半導体素子、および半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
<HEMT素子の構成>
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るHEMT素子10の構成を概略的に示す断面模式図である。HEMT素子10は、基板1と、バッファ層2と、チャネル層3と、障壁層5とが積層形成された構成を有する。バッファ層2と、チャネル層3と、障壁層5とはいずれも、MOCVD法(有機金属化学的気相成長法)を用いてエピタキシャル形成される(詳細は後述)のが好適な一例である。以降においては、基板1と、バッファ層2と、チャネル層3と、障壁層5とが積層形成された積層構造体を、エピタキシャル基板10Aとも称することとする。なお、図1における各層の厚みの比率は、実際のものを反映したものではない。
図2、図3、図4、および図5は、チャネル層3の組成を固定し、障壁層5の組成を種々に違えて作製した複数のHEMT素子10について、InN、AlN、GaNの3成分を頂点とする三元状態図上に、二次元電子ガス濃度および閾値電圧と障壁層5の組成との関係をマッピングした図である。各図に対応するチャネル層3の組成は以下の通りである。
図3:Al0.1Ga0.9N(x1=0、y1=0.1、z1=0.9);
図4:Al0.2Ga0.8N(x1=0、y1=0.2、z1=0.8);
図5:Al0.3Ga0.7N(x1=0、y1=0.3、z1=0.7)。
上述のように、チャネル層3は、x1=0、0≦y1≦0.3なる組成範囲をみたすように形成されるが、チャネル層3を、x1=0、0.01≦y1≦0.1なる組成範囲をみたすように形成した場合、二次元電子ガスの移動度が高く、かつ、オフ時のドレインリーク電流が小さいHEMT素子が実現される。一方、チャネル層3を、x1=0、0.1≦y1≦0.3なる組成範囲をみたすように形成した場合には、オフ時のドレインリーク電流が小さく、かつ高耐圧のHEMT素子が実現される。この点については、より高い移動度が実現される第二の実施の形態においてより詳細に説明する。
次に、上述のようなチャネル層3および障壁層5が上述のような組成範囲を有するエピタキシャル基板10Aを作製し、さらに係るエピタキシャル基板10Aを用いてHEMT素子10を作製する方法を説明する。
T2=830−667・x2
という式で表される回帰直線が導き出される。従って、原理的には、所望するInNモル分率x2を定めれば、同式から障壁層形成温度T2を定めることができる。MOCVD炉や加熱に用いるヒーター部材の固体間格差によって生じるばらつきを考慮したとしても、同式に対して±30℃の範囲内で好適な温度を選択するようにすることで、所望するInNモル分率x2を有する障壁層5を確実に形成することができる。すなわち、800−667・x2(℃)≦T2≦860−667・x2(℃)なる関係を満たすようにすることにより、障壁層5を、広い組成範囲で、例えば上述の(1)式〜(5)式で定まる組成範囲で、制御性良く形成することができる。
<スペーサ層を備えるHEMT素子>
図7は、本発明の第2の実施の形態に係るHEMT素子20の構成を概略的に示す断面模式図である。HEMT素子20は、第1の実施の形態に係るHEMT素子10のチャネル層3と障壁層5の間に、スペーサ層4が介挿された構成を有する。スペーサ層4以外の構成要素については、第1の実施の形態に係るHEMT素子10と同じであるので、その詳細な説明は省略する。なお、以降においては、基板1と、バッファ層2と、チャネル層3と、スペーサ層4と、障壁層5とが積層形成された積層構造体を、エピタキシャル基板20Aとも称することとする。
上述のような構造を有するHEMT素子20は、スペーサ層4の形成に係るプロセスを除き、第1の実施の形態に係るHEMT素子10と同様の方法で作製される。
本実施例では、第1の実施の形態に係るHEMT素子10を作製した。具体的には、チャネル層3および障壁層5の組成の組み合わせが異なる複数のエピタキシャル基板10Aを作製し、それぞれを用いてHEMT素子10を作製した。
本比較例においては、障壁層5を形成する際の雰囲気ガスに意図的に水素を混入させること以外は、実施例1と同様の手順でHEMT素子を作製した。図11は、実施例1にて得られたHEMT素子と、水素を混入させた雰囲気で得られた本比較例に係るHEMT素子とについて、それぞれの二次元電子ガス濃度を一覧にして示す図である。なお、図11には、代表例として、チャネル層3の組成と障壁層5の組成の組み合わせが異なる2通りのHEMT素子についての結果を示している。また、図11には、本比較例における水素の混入の手法についても併せて示している。
本実施例では、第二の実施の形態に係るHEMT素子20を作製した。なお、チャネル層3の組成を、実施例1に示した4通りに(x1,y1,z1)=(0,0.01,0.99)なる組み合わせを加えた5通りとし、チャネル層3の形成工程と障壁層5の形成工程の間にスペーサ層4の形成工程を設けた他は、実施例1と同様の手順、同様の作製条件を用いた。
本実施例では、障壁層5を形成する際のリアクタ内圧力を違える他は、実施例2と同様の手順でHEMT素子を作製した。得られたHEMT素子について、二次元電子ガス濃度、移動度を測定したほか、AFMによる表面二乗平均粗さ測定、コンタクト抵抗測定、ゲートリーク電流測定を行った。図12は、本実施例にて得られたHEMT素子について、リアクタ内圧力と上記各測定の測定結果とを一覧にして示す図である。なお、図12には、代表例として、チャネル層3の組成と障壁層5の組成の組み合わせが異なる2通りのHEMT素子についての結果を示している。
本実施例では、障壁層5を形成する際のV/III比を違える他は、実施例2と同様の手順でHEMT素子を作製した。得られたHEMT素子について、二次元電子ガス濃度、移動度を測定したほか、AFMによる表面二乗平均粗さ測定、コンタクト抵抗測定、ゲートリーク電流測定を行った。図13は、本実施例にて得られたHEMT素子について、リアクタ内圧力と上記各測定の測定結果とを一覧にして示す図である。なお、図13には、代表例として、チャネル層3の組成と障壁層5の組成の組み合わせが異なる2通りのHEMT素子についての結果を示している。
T2=830−667・x2
という式で表される回帰直線が導き出される。従って、原理的には、所望するInNモル分率x2を定めれば、同式から障壁層形成温度T2を定めることができる。MOCVD炉や加熱に用いるヒーター部材の固体間格差によって生じるばらつきを考慮したとしても、同式に対して±30℃の範囲内で好適な温度を選択するようにすることで、所望するInNモル分率x2を有する障壁層5を確実に形成することができる。すなわち、800−667・x2(℃)≦T2≦860−667・x2(℃)なる関係を満たすようにすることにより、障壁層5を、広い組成範囲で、例えば上述の(1)式〜(4)式で定まる組成範囲で、制御性良く形成することができる。
Claims (15)
- 下地基板と、
少なくともAlとGaを含む、Inx1Aly1Gaz1N(x1+y1+z1=1)なる組成の第1のIII族窒化物からなるチャネル層と、
少なくともInとAlを含む、Inx2Aly2Gaz2N(x2+y2+z2=1)なる組成の第2のIII族窒化物からなる障壁層と、
を備えるエピタキシャル基板であって、
前記第1のIII族窒化物の組成がx1=0、0≦y1≦0.3で定まる範囲内にあるとともに、
前記第2のIII族窒化物の組成が、InN、AlN、GaNを頂点とする三元状態図上において、前記第1のIII族窒化物の組成に応じて定まる以下の各式で表される直線にて囲まれる範囲内にあり、
前記障壁層の厚みが5nm以下である、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
- 請求項1に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記チャネル層と前記障壁層との間に、少なくともAlを含み、前記障壁層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する、Inx3Aly3Gaz3N(x3+y3+z3=1)なる組成の第3のIII族窒化物からなるスペーサ層さらに備え、
前記スペーサ層と前記障壁層との厚みの総和が5nm以下である、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - 請求項1または請求項2に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記第1のIII族窒化物の組成がx1=0、0<y1≦0.1で定まる範囲内にあることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - 請求項1または請求項2に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記第1のIII族窒化物の組成がx1=0、0.1<y1≦0.3で定まる範囲内にあることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - 請求項2に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記第3のIII族窒化物の組成がx3=0、0≦z3≦0.05で定まる範囲内にあることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - 請求項5に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記第3のIII族窒化物がAlNであることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - 請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板の前記障壁層の上に、ソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極が設けられてなる半導体素子。
- 下地基板の上に、少なくともAlとGaを含む、Inx1Aly1Gaz1N(x1+y1+z1=1)なる組成の第1のIII族窒化物からなるチャネル層をエピタキシャル形成するチャネル層工程と、
前記チャネル層の上に、少なくともInとAlを含む、Inx2Aly2Gaz2N(x2+y2+z2=1)なる組成の第2のIII族窒化物からなる障壁層をエピタキシャル形成する障壁層形成工程と、
を備え、
前記第1のIII族窒化物の組成をx1=0、0≦y1≦0.3で定まる範囲内から選択するとともに、
前記第2のIII族窒化物の組成を、InN、AlN、GaNを頂点とする三元状態図上において、前記第1のIII族窒化物の組成に応じて定まる以下の各式で表される直線にて囲まれる範囲内から選択する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法。
- 請求項8に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、
前記チャネル層を形成する温度T1(℃)を950℃≦T1≦1250℃なる範囲内で定め、
前記障壁層を形成する温度T2(℃)を、前記第2のIII族窒化物におけるInNのモル分率x2に応じて定まる、
800−667・x2(℃)≦T2≦860−667・x2(℃)
かつ、600℃≦T2≦850℃
なる範囲内で定める、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法。 - 請求項8または請求項9に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、
前記障壁層形成工程における原料ガス以外の雰囲気ガスを窒素ガスとする、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法。 - 請求項8ないし請求項10のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、
前記チャネル層形成後、前記チャネル層の上に、少なくともAlを含み、前記障壁層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する、Inx3Aly3Gaz3N(x3+y3+z3=1)なる組成の第3のIII族窒化物からなるスペーサ層を形成するスペーサ層形成工程、
をさらに備え、
前記スペーサ層の上に前記障壁層を形成する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法。 - 請求項11に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、
前記スペーサ層形成工程における前記スペーサ層の形成温度T3(℃)を前記チャネル層の形成温度T1(℃)と略同一にする、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法。 - 請求項8ないし請求項12のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、
前記障壁層形成工程におけるリアクタ内の圧力を1kPa以上30kPa以下とする、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法。 - 請求項13に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、
前記障壁層形成工程におけるリアクタ内の圧力を1kPa以上20kPa以下とする、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法。 - 請求項8ないし請求項14のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、
前記障壁層形成工程におけるV/III比を5000以上20000以下とする、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法。
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