JPWO2013035841A1 - Ga2O3 HEMT - Google Patents
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Abstract
高品質のGa2O3系半導体素子であるGa2O3系HEMTを提供する。i型β−Ga2O3単結晶膜3と、i型β−Ga2O3単結晶膜3上に形成された、IV族元素を含むβ−(AlxGa1-x)2O3(0<x≰0.6)結晶からなるn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4と、n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4上に形成されたソース電極22及びドレイン電極23と、ソース電極22とドレイン電極23との間のn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4上に形成されたゲート電極21と、を含むGa2O3系HEMT20を提供する。A Ga2O3 HEMT which is a high quality Ga2O3 semiconductor element is provided. From the i-type β-Ga2O3 single crystal film 3 and the β- (AlxGa1-x) 2O3 (0 <x≰0.6) crystal containing group IV elements formed on the i-type β-Ga2O3 single crystal film 3 N-type β- (AlxGa1-x) 2O3 single crystal film 4, source electrode 22 and drain electrode 23 formed on the n-type β- (AlxGa1-x) 2O3 single crystal film 4, source electrode 22 and drain A Ga2O3-based HEMT 20 including a gate electrode 21 formed on an n-type [beta]-(AlxGa1-x) 2O3 single crystal film 4 between the electrodes 23 is provided.
Description
本発明は、Ga2O3系HEMTに関する。The present invention relates to a Ga 2 O 3 -based HEMT.
従来のGa2O3系半導体素子として、サファイア基板上に形成されたGa2O3結晶膜を用いたGa2O3系半導体素子が知られている(例えば、非特許文献1、2参照)。As a conventional Ga 2 O 3 based semiconductor device, Ga 2 O 3 based semiconductor device using a Ga 2 O 3 crystal film formed on a sapphire substrate is known (e.g., see Non-Patent Documents 1 and 2) .
しかしながら、Ga2O3結晶とサファイア結晶は結晶構造がまったく異なるため、サファイア基板上にGa2O3結晶をヘテロエピタキシャル成長させることは非常に困難である。このため、サファイア基板上のGa2O3結晶膜を用いて高品質のGa2O3系半導体素子を形成することは困難である。However, since Ga 2 O 3 crystals and sapphire crystals have completely different crystal structures, it is very difficult to heteroepitaxially grow Ga 2 O 3 crystals on a sapphire substrate. For this reason, it is difficult to form a high-quality Ga 2 O 3 based semiconductor element using a Ga 2 O 3 crystal film on a sapphire substrate.
したがって、本発明の目的は、高品質のGa2O3系半導体素子を提供することにある。Accordingly, an object of the present invention is to provide a high quality Ga 2 O 3 based semiconductor device.
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、[1]〜[6]のGa2O3系HEMT(High Electron Mobility Transistor)を提供する。In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention provides Ga 2 O 3 -based HEMTs (High Electron Mobility Transistors) [1] to [6].
[1]i型β−Ga2O3単結晶膜と、前記i型β−Ga2O3単結晶膜上に形成された、IV族元素を含むβ−(AlxGa1-x)2O3(0<x≦0.6)結晶からなるn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜と、前記n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜上に形成されたゲート電極と、を含むGa2O3系HEMT。[1] i-type β-Ga 2 O 3 single crystal film and β- (Al x Ga 1-x ) 2 containing group IV elements formed on the i-type β-Ga 2 O 3 single crystal film. An n-type β- (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 single crystal film made of O 3 (0 <x ≦ 0.6) crystal and the n-type β- (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 A source electrode and a drain electrode formed on the single crystal film; and the n-type β- (Al x Ga 1 -x ) 2 O 3 single crystal film between the source electrode and the drain electrode. A Ga 2 O 3 -based HEMT including a gate electrode.
[2]前記n型β−(AlxGa1-x)2O3結晶膜中のIV族元素の平均濃度は1×1014〜1×1020/cm3である、前記[1]に記載のGa2O3系HEMT。[2] In the above [1], the average concentration of the group IV element in the n-type β- (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 crystal film is 1 × 10 14 to 1 × 10 20 / cm 3 . The Ga 2 O 3 -based HEMT described.
本発明によれば、高品質のGa2O3系半導体素子であるGa2O3系HEMTを提供することができる。According to the present invention can provide a Ga 2 O 3 based HEMT is Ga 2 O 3 based semiconductor device with high quality.
本発明の実施の形態によれば、ヘテロエピタキシャル成長法を用いて高品質なn型β−(AlxGa1-x)2O3結晶膜を形成し、その高品質のn型β−(AlxGa1-x)2O3結晶膜を用いて、高品質のGa2O3系HEMTを形成することができる。以下、その実施の形態の一例について詳細に説明する。According to the embodiment of the present invention, a high-quality n-type β- (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 crystal film is formed using a heteroepitaxial growth method, and the high-quality n-type β- (Al A high-quality Ga 2 O 3 -based HEMT can be formed using the x Ga 1-x ) 2 O 3 crystal film. Hereinafter, an example of the embodiment will be described in detail.
〔実施の形態〕
(Ga2O3系HEMTの構成)
図1は、実施の形態に係るGa2O3系HEMT20の断面図である。Ga2O3系HEMT20は、高抵抗β−Ga2O3基板2上に形成されたi型β−Ga2O3単結晶膜3と、i型β−Ga2O3単結晶膜3上に形成されたIV族元素を含むn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4と、n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4上に形成されたソース電極22及びドレイン電極23と、ソース電極22とドレイン電極23の間のn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4上に形成されたゲート電極21を含む。Embodiment
(Configuration of Ga 2 O 3 -based HEMT)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a Ga 2 O 3 -based HEMT 20 according to the embodiment. The Ga 2 O 3 -based HEMT 20 includes an i-type β-Ga 2 O 3
高抵抗β−Ga2O3基板2は、Mg、H、Li、Na、K、Rb、CS、Fr、Be、Ca、Sr、Ba、Ra、Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Tl、Pb、N、又はP等を添加することにより高抵抗化したβ−Ga2O3基板である。The high resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2 includes Mg, H, Li, Na, K, Rb, CS, Fr, Be, Ca, Sr, Ba, Ra, Mn, Fe, Co, Ni, Pd, Cu, It is a β-Ga 2 O 3 substrate that has been increased in resistance by adding Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Tl, Pb, N, or P.
高抵抗β−Ga2O3基板2の主面は、(100)面から50°以上90°以下の角度だけ回転させた面であることが好ましい。すなわち、高抵抗β−Ga2O3基板2において主面と(100)面のなす角θ(0<θ≦90°)が50°以上であることが好ましい。(100)面から50°以上90°以下回転させた面として、例えば、(010)面、(001)面、(−201)面、(101)面、及び(310)面が存在する。The main surface of the high resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2 is preferably a surface rotated by an angle of 50 ° or more and 90 ° or less from the (100) plane. That is, the angle θ (0 <θ ≦ 90 °) formed by the main surface and the (100) plane in the high resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2 is preferably 50 ° or more. For example, the (010) plane, the (001) plane, the (−201) plane, the (101) plane, and the (310) plane exist as planes rotated from 50 ° to 90 ° from the (100) plane.
高抵抗β−Ga2O3基板2の主面が、(100)面から50°以上90°以下の角度だけ回転させた面である場合、高抵抗β−Ga2O3基板2上にβ−Ga2O3系結晶をエピタキシャル成長させるときに、β−Ga2O3系結晶の原料の高抵抗β−Ga2O3基板2からの再蒸発を効果的に抑えることができる。具体的には、β−Ga2O3系結晶を成長温度500℃で成長させたときに再蒸発する原料の割合を0%としたとき、高抵抗β−Ga2O3基板2の主面が、(100)面から50°以上90°以下回転させた面である場合、再蒸発する原料の割合を40%以下に抑えることができる。そのため、供給する原料の60%以上をβ−Ga2O3系結晶の形成に用いることができ、β−Ga2O3系結晶の成長速度や製造コストの観点から好ましい。When the main surface of the high resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2 is a surface rotated by an angle of 50 ° or more and 90 ° or less from the (100) plane, the β on the high resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2 the -ga 2 O 3 based crystals when epitaxial growth, it is possible to suppress the re-evaporation from β-Ga 2 O 3 based high-resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2 of the raw material of the crystal effectively. Specifically, the main surface of the high-resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2 when the ratio of the raw material re-evaporated when the β-Ga 2 O 3 -based crystal is grown at a growth temperature of 500 ° C. is 0%. However, when the surface is rotated by 50 ° or more and 90 ° or less from the (100) surface, the ratio of the re-evaporated raw material can be suppressed to 40% or less. Therefore, it is possible to use more than 60% of the raw material supplied to the formation of β-Ga 2 O 3 system crystal, from the viewpoint of the growth rate and production cost of the β-Ga 2 O 3 system crystal.
β−Ga2O3結晶は単斜晶系の結晶構造を有し、その典型的な格子定数はa=12.23Å、b=3.04Å、c=5.80Å、α=γ=90°、β=103.7°である。β−Ga2O3結晶においては、c軸を軸として(100)面を52.5°回転させると(310)面と一致し、90°回転させると(010)面と一致する。また、b軸を軸として(100)面を53.8°回転させると、回転方向によって(101)面又は(−201)面と一致し、(100)面を53.8°回転させたときに(101)面が現れる回転方向へ76.3°回転させると(001)面と一致する。The β-Ga 2 O 3 crystal has a monoclinic crystal structure, and typical lattice constants thereof are a = 12.23Å, b = 3.04Å, c = 5.80Å, α = γ = 90 °. , Β = 103.7 °. In the β-Ga 2 O 3 crystal, when the (100) plane is rotated 52.5 ° around the c axis, it coincides with the (310) plane, and when it is rotated 90 °, it coincides with the (010) plane. When the (100) plane is rotated 53.8 ° around the b axis, it coincides with the (101) plane or the (−201) plane depending on the rotation direction, and the (100) plane is rotated 53.8 °. When it is rotated 76.3 ° in the rotation direction in which the (101) plane appears, it coincides with the (001) plane.
また、高抵抗β−Ga2O3基板2の主面は、(010)面から37.5°以下の角度だけ回転させた面であってもよい。この場合、高抵抗β−Ga2O3基板2とi型β−Ga2O3単結晶膜3との界面を急峻にすることができると共に、i型β−Ga2O3単結晶膜3の厚みを高精度に制御することができる。Further, the main surface of the high resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2 may be a surface rotated by an angle of 37.5 ° or less from the (010) plane. In this case, the interface between the high-resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2 and the i-type β-Ga 2 O 3
i型β−Ga2O3単結晶膜3は、後述される方法により高抵抗β−Ga2O3基板2上に形成された真性半導体単結晶膜である。i型β−Ga2O3単結晶膜3の厚さは、例えば、10〜1000nm程度である。The i-type β-Ga 2 O 3
n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4は、後述される方法によりi型β−Ga2O3単結晶膜3上に形成された、電気伝導性を有するn型β−(AlxGa1-x)2O3(0<x≦0.6)単結晶膜である。n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4の厚さは、例えば、10〜1000nm程度である。The n-type β- (Al x Ga 1-x ) 2 O 3
ソース領域24とドレイン領域25は、n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4中に形成される不純物高濃度領域であり、それぞれソース電極22とドレイン電極23が接続される。なお、ソース領域24とドレイン領域25はGa2O3系HEMT20に含まれなくてもよい。The
ゲート電極21は、例えば、Au、Al、Ti、Sn、Ge、In、Ni、Co、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等の金属、これらの金属のうちの2つ以上を含む合金、ITO等の導電性化合物、又は導線性ポリマーからなる。導線性ポリマーとしては、ポリチオフェン誘導体(PEDOT:ポリ(3,4)-エチレンジオキシチオフェン)にポリスチレンスルホン酸(PSS)をドーピングしたものや、ポリピロール誘導体にTCNAをドーピングしたものなどが用いられる。また、ゲート電極21は、異なる2つの金属からなる2層構造、例えばAl/Ti、Au/Ni、Au/Co、を有してもよい。
The
ゲート電極21とn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4の界面はショットキー接合を形成し、n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4中のゲート電極31下に空乏層が形成される。また、n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4とi型β−Ga2O3単結晶膜3の界面はヘテロ接合を形成し、この界面近傍のi型β−Ga2O3単結晶膜3の表面に二次元的な電子層が形成され、チャネルとして働く。The interface between the
(β−Ga2O3単結晶膜及びn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜の製造方法)
β−Ga2O3単結晶膜及びn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜の製造方法としては、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、スパッタリング法、分子線エピタキシー(MBE;Molecular Beam Epitaxy)法等があるが、本実施の形態では、MBE法を用いた薄膜成長法を採用する。MBE法は、単体あるいは化合物の固体をセルと呼ばれる蒸発源で加熱し、加熱により生成された蒸気を分子線として基板表面に供給する結晶成長方法である。(Method for producing β-Ga 2 O 3 single crystal film and n-type β- (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 single crystal film)
As a method for producing a β-Ga 2 O 3 single crystal film and an n-type β- (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 single crystal film, a PLD (Pulsed Laser Deposition) method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, There are a sputtering method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, and the like. In this embodiment, a thin film growth method using the MBE method is employed. The MBE method is a crystal growth method in which a simple substance or a compound solid is heated by an evaporation source called a cell, and vapor generated by heating is supplied as a molecular beam to a substrate surface.
図2は、β−Ga2O3系単結晶膜の形成に用いられるMBE装置の一例を示す構成図である。このMBE装置1は、真空槽10と、この真空槽10内に支持され、高抵抗β−Ga2O3基板2を保持する基板ホルダ11と、基板ホルダ11に保持された高抵抗β−Ga2O3基板2を加熱するための加熱装置12と、薄膜を構成する原子又は分子ごとに設けられた複数のセル13(13a,13b、13c)と、複数のセル13を加熱するためのヒータ14(14a,14b、14c)と、真空槽10内に酸素系ガスを供給するガス供給パイプ15と、真空槽10内の空気を排出するための真空ポンプ16とを備えている。基板ホルダ11は、シャフト110を介して図示しないモータにより回転可能に構成されている。FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of an MBE apparatus used for forming a β-Ga 2 O 3 single crystal film. The MBE apparatus 1 includes a
第1のセル13aには、Ga粉末等のβ−Ga2O3系単結晶膜のGa原料が充填されている。この粉末のGaの純度は、6N以上であることが望ましい。第2のセル13bには、ドナーとしてドーピングされるIV族元素の原料の粉末(例えば、Snの原料としてSn粉末)が充填されている。第3のセル13cには、Al粉末等のβ−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜のAl原料が充填されている。第1のセル13a、第2のセル13b、及び第3のセル13cの開口部にはシャッターが設けられている。The
基板ホルダ11には、予め作製された高抵抗β−Ga2O3基板2が取り付けられ、この高抵抗β−Ga2O3基板2上にβ−Ga2O3結晶をホモエピタキシャル成長させることにより、i型β−Ga2O3単結晶膜3を形成する。さらに、IV族元素を添加しつつβ−(AlxGa1-x)2O3結晶をヘテロエピタキシャル成長させることにより、n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4を形成する。A high resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2 prepared in advance is attached to the
この高抵抗β−Ga2O3基板2は、例えば、次のような手順で作製される。まず、EFG法により、Mgをドーピングした半絶縁性β−Ga2O3単結晶インゴットを作製する。なお、ドーピングする元素はMgに限られない。例えば、Gaサイトを置換する場合は、H、Li、Na、K、Rb、CS、Fr、Be、Ca、Sr、Ba、Ra、Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Tl、又はPbを用いることができる。また、酸素サイトを置換する場合は、N、又はPを用いることができる。Mgをドーピングする場合は、原料粉末にMgO粉末を混合することにより行う。高抵抗β−Ga2O3基板2に良好な絶縁性を持たせるためには、MgOを0.05mol%以上添加すればよい。また、FZ法により半絶縁性β−Ga2O3単結晶インゴットを作製してもよい。作製したインゴットを所望の面方位が主面となるように、例えば1mm程度の厚さにスライス加工して基板化する。そして、研削研磨工程にて300〜600μm程度の厚さに加工する。The high-resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2 is produced by the following procedure, for example. First, a semi-insulating β-Ga 2 O 3 single crystal ingot doped with Mg is manufactured by the EFG method. Note that the element to be doped is not limited to Mg. For example, when replacing Ga site, H, Li, Na, K, Rb, CS, Fr, Be, Ca, Sr, Ba, Ra, Mn, Fe, Co, Ni, Pd, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Tl, or Pb can be used. Moreover, when substituting an oxygen site, N or P can be used. In the case of doping with Mg, the raw material powder is mixed with MgO powder. In order to provide the high resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2 with good insulating properties, 0.05 mol% or more of MgO may be added. Alternatively, a semi-insulating β-Ga 2 O 3 single crystal ingot may be produced by the FZ method. The produced ingot is sliced into a thickness of about 1 mm, for example, so that the desired plane orientation becomes the main surface, and is made into a substrate. And it processes to the thickness of about 300-600 micrometers in a grinding-polishing process.
次に、上記の手順によって作製された高抵抗β−Ga2O3基板2をMBE装置1の基板ホルダ11に取り付ける。次に、真空ポンプ16を作動させ、真空槽10内の気圧を1×10-8Pa程度まで減圧する。そして、加熱装置12によって高抵抗β−Ga2O3基板2を加熱する。なお、高抵抗β−Ga2O3基板2の加熱は、加熱装置12の黒鉛ヒータ等の発熱源の輻射熱が基板ホルダ11を介して高抵抗β−Ga2O3基板2に熱伝導することにより行われる。Next, the high resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2 produced by the above procedure is attached to the
高抵抗β−Ga2O3基板2が所定の温度に加熱された後、ガス供給パイプ15から真空槽10内に、酸素系ガスを供給する。After the high resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2 is heated to a predetermined temperature, an oxygen-based gas is supplied from the
真空槽10内に酸素系ガスを供給した後、真空槽10内のガス圧が安定するのに必要な時間(例えば5分間)経過後、基板ホルダ11を回転させながら第1のヒータ14aにより第1のセル13aを加熱し、Gaを蒸発させて分子線として高抵抗β−Ga2O3基板2の表面に照射する。After supplying the oxygen-based gas into the
例えば、第1のセル13aは900℃に加熱され、Ga蒸気のビーム等価圧力(BEP;Beam Equivalent Pressure)は1×10-4Paである。For example, the
これにより、高抵抗β−Ga2O3基板2の主面((100)面)上にβ−Ga2O3結晶がホモエピタキシャル成長し、i型のβ−Ga2O3系単結晶膜であるi型β−Ga2O3単結晶膜3が形成される。β−Ga2O3結晶の成長温度は、例えば、700℃である。As a result, a β-Ga 2 O 3 crystal is homoepitaxially grown on the main surface ((100) plane) of the high-resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2 to form an i-type β-Ga 2 O 3 single crystal film. An i-type β-Ga 2 O 3
続けて、第1のセル13aに加えて第2のセル13b及び第3のセル13cを加熱し、Ga、Al及びIV族元素を蒸発させて分子線としてi型β−Ga2O3単結晶膜3の表面に照射する。IV族元素の蒸気のビーム等価圧力は、任意の濃度のIV族元素をβ−(AlxGa1-x)2O3結晶に添加するため、第2のセル13bの温度により制御される。Subsequently, in addition to the
これにより、i型β−Ga2O3単結晶膜3上にβ−(AlxGa1-x)2O3結晶がIV族元素を添加されながらヘテロエピタキシャル成長し、n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4が形成される。As a result, β- (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 crystal is heteroepitaxially grown on the i-type β-Ga 2 O 3
なお、i型β−Ga2O3単結晶膜3及びn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4は、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等により形成されてもよい。The i-type β-Ga 2 O 3
図3A及び図3Bは、本実施の形態に係る高抵抗β−Ga2O3基板2、i型β−Ga2O3単結晶膜3及びn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4の断面図である。3A and 3B show a high resistance β-Ga 2 O 3 substrate 2, i-type β-Ga 2 O 3
図3Aは、β−(AlxGa1-x)2O3結晶をヘテロエピタキシャル成長させる間、IV族元素を連続的に添加することにより形成されるn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4を表す。FIG. 3A shows n-type β- (Al x Ga 1-x ) formed by continuously adding group IV elements during heteroepitaxial growth of β- (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 crystal. The 2 O 3
n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4のIV族元素の平均濃度は、例えば、1×1014〜1×1020/cm3であり、特に、1×1017〜1×1018/cm3であることが好ましい。このIV族元素の濃度は、成膜時の第2のセル13bの温度により制御することができる。The average concentration of the group IV element in the n-type β- (Al x Ga 1 -x ) 2 O 3
図3Bは、β−(AlxGa1-x)2O3結晶をヘテロエピタキシャル成長させる間、一定周期で間欠的にIV族元素を添加することにより形成されるn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4を表す。この場合、IV族元素としてSnが用いられる。FIG. 3B shows an n-type β- (Al x Ga 1) formed by intermittently adding a group IV element at a constant period during heteroepitaxial growth of β- (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 crystal. -x ) 2 O 3
具体的には、第2のセル13bのシャッターを操作することにより、Sn蒸気を第2のセル13bから間欠的に発生させ、Snを間欠的にβ−(AlxGa1-x)2O3結晶に添加する。Snの添加は、間欠的に1回以上実施されることが好ましい。この場合、アニール処理を施さなくても、n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4にSn添加量に応じた電気伝導性を付与することができる。Specifically, by operating the shutter of the
図3Bのn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4は、成膜時に間欠的にSnが添加されるため、Snを添加しない時間に成長した第1の層5(5a、5b、5c)と、Snを添加する時間に成長した第2の層6(6a、6b、6c)を有する。In the n-type β- (Al x Ga 1-x ) 2 O 3
第2の層6のSn濃度は、成膜時の第2のセル13bの温度により制御することができる。第1の層5は、理想的にはSnを含まず、第2の層6から拡散した微量のSnを含むのみである。そのため、第1の層5のSn濃度は、第2の層6のSn濃度よりも低い。n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4中の平均Sn濃度は、例えば、1×1014〜3×1018/cm3であり、特に、1×1017〜1×1018/cm3であることが好ましい。The Sn concentration of the second layer 6 can be controlled by the temperature of the
例えば、第1の層5a、5b、5cの厚さは3〜20nm、第2の層6a、6b、6cの厚さは0.2〜1nmである。第1の層5a、5b、5cの厚さが20nmよりも大きい場合は、第2の層6a、6b、6cの間隔が大きすぎてSn添加の効果が薄くなるおそれがある。一方、第2の層6a、6b、6cの厚さが1nmよりも大きい場合は、第2の層6a、6b、6cから第1の層5a、5b、5cへのSnの拡散量が多すぎて間欠的なSn添加の効果が薄くなるおそれがある。
For example, the thickness of the
なお、n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4の最下層(i型β−Ga2O3単結晶膜3に接する層)は、第1の層5であっても第2の層6であってもよい。また、第1の層5及び第2の層6の層数は限定されない。Note that the lowest layer of the n-type β- (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 single crystal film 4 (the layer in contact with the i-type β-Ga 2 O 3 single crystal film 3) is the first layer 5. Alternatively, the second layer 6 may be used. Further, the number of layers of the first layer 5 and the second layer 6 is not limited.
n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4を形成した後、n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4にSnをイオン注入することでソース領域24及びドレイン領域25を形成する。注入するイオンはSnに限られない。例えば、Gaサイトを置換する場合は、Ti、ZR、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Ru、Rh、Ir、C、Si、Ge、Pb、Mn、As、Sb、Biを用いることができる。また、酸素サイトを置換する場合は、F、Cl、Br、Iを用いることができる。注入濃度は、例えば、1×1018/cm3以上5×1019/cm3以下である。注入深さは30nm以上である。注入後、注入領域の表面をフッ酸にて10nm程度エッチングする。硫酸や硝酸、塩酸などを用いて行ってもよい。その後、窒素雰囲気下で800℃以上30min以上のアニール処理を施し、注入ダメージを回復させる。アニール処理を酸素雰囲気で行う場合は、処理温度を800℃以上950℃以下、処理時間を30min以上とすればよい。After the n-type β- (Al x Ga 1-x ) 2 O 3
なお、ソース領域24及びドレイン領域25の形成方法はイオン注入に限られず、熱拡散法を用いてもよい。この場合、n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4のソース領域24及びドレイン領域25を形成したい領域上にSn膜等の金属膜を接触させ、熱処理を施すことによりn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4中にSn等の不純物を拡散させる。また、ソース領域24及びドレイン領域25は形成されなくてもよい。Note that the method for forming the
その後、ソース電極22、ドレイン電極23、ゲート電極21を形成する。
Thereafter, the
(実施の形態の効果)
本実施の形態によれば、エピタキシャル成長法を用いて高品質なi型β−Ga2O3単結晶膜3及びn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜4を形成し、これらを用いて、高品質のGa2O3系HEMT20を形成することができる。(Effect of embodiment)
According to the present embodiment, high-quality i-type β-Ga 2 O 3
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。 While the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments described above do not limit the invention according to the claims. In addition, it should be noted that not all the combinations of features described in the embodiments are essential to the means for solving the problems of the invention.
高品質のGa2O3系半導体素子であるGa2O3系HEMTを提供する。A Ga 2 O 3 -based HEMT that is a high-quality Ga 2 O 3 -based semiconductor element is provided.
1…MBE装置、2…高抵抗β−Ga2O3基板、3…i型β−Ga2O3単結晶膜、4…n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜、5(5a、5b、5c)…第1の層、6(6a、6b、6c)…第2の層、20…Ga2O3系HEMT、21…ゲート電極、22…ソース電極、23…ドレイン電極1 ... MBE apparatus, 2 ... high resistance β-Ga 2 O 3 substrate, 3 ... i-type β-Ga 2 O 3 single crystal film, 4 ... n-type β- (Al x Ga 1-x ) 2
Claims (2)
前記i型β−Ga2O3単結晶膜上に形成された、IV族元素を含むβ−(AlxGa1-x)2O3(0<x≦0.6)結晶からなるn型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜と、
前記n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記n型β−(AlxGa1-x)2O3単結晶膜上に形成されたゲート電極と、
を含むGa2O3系HEMT。an i-type β-Ga 2 O 3 single crystal film;
An n-type formed of a β- (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 (0 <x ≦ 0.6) crystal containing a group IV element formed on the i-type β-Ga 2 O 3 single crystal film. β- (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 single crystal film,
A source electrode and a drain electrode formed on the n-type β- (Al x Ga 1 -x ) 2 O 3 single crystal film;
A gate electrode formed on the n-type β- (Al x Ga 1 -x ) 2 O 3 single crystal film between the source electrode and the drain electrode;
Ga 2 O 3 -based HEMT containing
請求項1に記載のGa2O3系HEMT。The average concentration of the group IV element in the n-type β- (Al x Ga 1 -x ) 2 O 3 crystal film is 1 × 10 14 to 1 × 10 20 / cm 3 .
Ga 2 O 3 based HEMT according to claim 1.
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