JP2008244036A - 半導体結晶および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた特性の窒化物系化合物半導体複合層を有する半導体結晶および半導体装置を提供すること。
【解決手段】ＳｉＣ基板１上に、基板１とバッファ層とのつなぎをよくするために、ＡｌＧａＮバッファ層２’を結晶成長し、ＡｌＧａＮバッファ層２’上にＧａＮバッファ層２を２μｍ成長し、ＧａＮバッファ層２上にＩｎ_０．２５Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．７０Ｎチャネル層３を３０ｎｍ成長した後、Ｉｎ_０．２５Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．７０Ｎチャネル層３上にＩｎ_０．１０Ａｌ_０．８０Ｇａ_０．１０Ｎバリア層４を２５ｎｍ成長してなる構造を有する半導体装置を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体結晶および半導体装置に関し、特に、窒化物系化合物半導体結晶およびそれを用いた半導体装置に関する。

窒化物系化合物半導体で高速・高出力動作が可能な高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する場合、従来は、キャリアを供給するバリア層にＡｌＧａＮを、電子が走行するチャネル層にＧａＮを、それぞれ使用したＡｌＧａＮ/ＧａＮＨＥＭＴとすることが多かった。その理由として、ＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整合から来る格子歪みにより、ＡｌＧａＮに特にドーピングしなくても、ピエゾ分極効果と自発分極効果によりＧａＮチャネル層に二次元電子ガスを発生させることが可能であること、そしてトランジスタ作製上の面からは、窒化物系化合物半導体の中でもＧａＮとＡｌＧａＮは比較的結晶成長が容易な材料である事があげられる。

結晶成長技術の進展と共に、ＩｎＧａＮがＬＥＤ等の光デバイスの分野で利用可能な結晶品質まで向上し、これをＨＥＭＴのチャネル層に応用することでＡｌＧａＮ/ＧａＮＨＥＭＴよりも高性能なＨＥＭＴを作る試みがなされてきた。理論的には、ＩｎＧａＮチャネルはＧａＮチャネルよりもＨＥＭＴの二次元電子ガスのシートキャリア密度を上げられる可能性があり、実現すると素子の特性を向上させられるためである（例えば、下記非特許文献１参照）。

しかしながら、ＩｎＧａＮを電子デバイスに用いるには依然としてＩｎＧａＮ自身の結晶品質や他層との急峻なヘテロ界面形成に課題がある事が試作から判明している。これは、一般に窒化物系化合物半導体は１０００℃を越える高温で結晶成長を行うことが多いのに対し、ＩｎＧａＮの結晶成長は結晶成長中に結晶表面からのＩｎの再蒸発を抑制しなければならないために低温で成長する必要があり、そのために結晶中に欠陥や転移等が発生しやすいためである。
「ＭＯＣＶＤ-grown ＩｎＧａＮ-channel ＨＥＭＴ structures with electron mobility of over 1000cm２/Vs」、Naoya Okamoto ら５名、Elsevier、Journal of Crystal Growth、2004年発行、Vol. 272、278-284ぺージ。 「Ｓｉ基板上にＭＯＣＶＤ成長した高品質 ＩｎＡｌＮ/ＧａＮ ＨＥＭＴ エピ」、渡邊 則之ら６名、信学技報、ED2006-233, MW2006-186(2007-1)、183-187ぺージ。

本発明は、上記の問題点、すなわち、ＩｎＧａＮの結晶成長は、結晶表面からのＩｎの再蒸発を抑制するために低温で行う必要があり、そのために結晶中に欠陥や転移等が発生しやすく、良好な特性の電子デバイスが得られないという問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、優れた特性の窒化物系化合物半導体複合層を有する半導体結晶および半導体装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、請求項１に記載のように、
ＩｎとＡｌとＧａとＮを含む第一の層と、ＡｌとＮを含む第二の層とを有し、前記第二の層の伝導帯端のポテンシャルが前記第一の層の伝導帯端のポテンシャルより高いことを特徴とする半導体結晶を構成する。

また、本発明では、請求項２に記載のように、
基板上にバッファ層を有し、前記バッファ層上にチャネル層を有し、前記チャネル層上にバリア層を有する半導体結晶であって、前記バッファ層がＧａとＮを含み、前記チャネル層がＩｎとＡｌとＧａとＮを含み、前記バリア層がＡｌとＮを含み、前記バッファ層の伝導帯端のポテンシャルが前記チャネル層の伝導帯端のポテンシャルより高く、かつ、前記バリア層の伝導帯端のポテンシャルより低いことを特徴とする半導体結晶を構成する。

また、本発明では、請求項３に記載のように、
前記第一の層または前記チャネル層において、Ａｌの添加によりＩｎ取り込みが増加していることを特徴とする請求項１または２記載の半導体結晶を構成する。

また、本発明では、請求項４に記載のように、
前記バッファ層がＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ＜１）であって、前記チャネル層がＩｎ_ｖＡｌ_ｗＧａ_{１−ｖ−ｗ}Ｎ（０＜ｖ、０＜ｗ、ｖ＋ｗ＜１）であって、前記バリア層がＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０＜ｙ、ｘ＋ｙ≦１）であることを特徴とする請求項２または３記載の半導体結晶を構成する。

また、本発明では、請求項５に記載のように、
請求項４記載の半導体結晶において、前記Ｉｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎにおけるａおよびｂが、０＜ａ≦０.０５および０＜ｂ≦０.０５を満足することを特徴とする半導体結晶を構成する。

また、本発明では、請求項６に記載のように、
請求項４記載の半導体結晶において、前記バッファ層がＧａＮであることを特徴とする半導体結晶を構成する。

また、本発明では、請求項７に記載のように、
請求項４、５または６記載の半導体結晶において、前記Ｉｎ_ｖＡｌ_ｗＧａ_{１−ｖ−ｗ}Ｎにおけるｖおよびｗが、０＜ｖ＜０.３０および０＜ｗ＜０.３２を満足することを特徴とする半導体結晶を構成する。

また、本発明では、請求項８に記載のように、
請求項４、５、６または７記載の半導体結晶において、前記Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎにおけるｙが０.４９＜ｙ≦１を満足することを特徴とする半導体結晶を構成する。

また、本発明では、請求項９に記載のように、
請求項４ないし８いずれかに記載の半導体結晶において、前記Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎにおけるｘおよびｙが、ｘ＋ｙ＝１および０≦ｘ≦０.１８を満足することを特徴とする半導体結晶を構成する。

また、本発明では、請求項１０に記載のように、
請求項２ないし９いずれかに記載の半導体結晶において、前記基板がシリコン基板であり、その面方位が（１１１）およびそれと等価な面方位であることを特徴とする半導体結晶を構成する。

また、本発明では、請求項１１に記載のように、
請求項１ないし１０いずれかに記載の半導体結晶を有する半導体装置を構成する。

すなわち、例えば、ＩｎＧａＮ系ＨＥＭＴのチャネル層に好適な材料としてＩｎＡｌＧａＮ、またそれと組み合わせるのに好適なバリア層材料としてチャネル層と組成が異なるＩｎＡｌＧａＮ、特にＩｎＡｌＮによって構成されたＨＥＭＴ構造を提供する。

例えば、チャネル層にＡｌを含むＩｎＡｌＧａＮを用いることによって、高品質なＩｎＡｌＧａＮチャネル／ＩｎＡｌ(Ｇａ)Ｎバリア結晶が得られ、これによって、優れた特性の窒化物系化合物半導体複合層を有する半導体結晶および半導体装置を提供することが可能となる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を、バッファ層がＧａＮであり、チャネル層がＩｎＡｌＧａＮであり、バリア層がＩｎＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＮであるＨＥＭＴ構造を例として説明するが、本発明は、これに限られるものではない。

図１に本発明の基本構成の一例を示す。図において、基板１の上に、ＧａＮバッファ層２、第一の層であるＩｎＡｌＧａＮチャネル層３、第二の層であるＩｎＡｌＧａＮバリア層４が、この順に、形成されている。この図において、本発明の説明に必要のない部分は省略されている。

我々は、ＩｎＡｌＮの結晶成長の検討から、結晶内へのＩｎの取り込み効率にＡｌの存在が深く関与していることを見いだし、ＩｎＧａＮの結晶成長においてもＡｌを少量添加するだけでＩｎの取り込み効率を改善できるという知見を得た。ここで、ＩｎＡｌＧａＮの組成式をＩｎ_ｖＡｌ_ｗＧａ_{１−ｖ−ｗ}Ｎ（０＜ｖ、０＜ｗ、ｖ＋ｗ＜１）とする。

Ａｌを含まないＩｎＧａＮを結晶成長する場合、結晶にいったん取り込まれたＩｎが結晶表面から再離脱するという、Ｉｎの再蒸発が結晶中のＩｎ組成を上げるための障害となる。このＩｎの再蒸発に一番影響を及ぼすのは結晶成長時の温度であり、成長温度が６００℃以上になるとＩｎの再蒸発が生じはじめ、さらに成長温度を上げるとＩｎは結晶中にごくわずかしか取り込まれなくなる。

Ｖ族原料、一般に窒化物系化合物半導体成長ではアンモニアの供給量を増やすと再蒸発を少しだけ抑制できるが、その一方で結晶中に意図しない不純物の混入（主として炭素）が増加し、また転位などの結晶欠陥も増大する。一方で、本発明のように、結晶組成をＩｎ_ｖＡｌ_ｗＧａ_{１−ｖ−ｗ}Ｎとすると、一度結晶中に取り込まれたＩｎは結合エネルギーが大きいＡｌの影響を受けるために再蒸発を生じにくくなるため、通常のＩｎＧａＮ成長よりも成長可能な条件が拡大する。

ただし、Ａｌの添加は伝導帯端のポテンシャルを上昇させる効果もある。ＨＥＭＴのチャネル層にＧａＮに換えてＩｎＧａＮ系を採用するのは、ＧａＮよりも伝導帯端のポテンシャルが低くなり、結果としてチャネル中に発生する二次元電子ガスの濃度（シートキャリア密度）を高めることができるためである。

ここで、チャネル層の上にあるバリア層については、従来から用いられているＡｌＧａＮバリア層でも本発明の効果は十分に発揮されるが、より効果を高めるためには、バリア層の組成をＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０＜ｙ、ｘ＋ｙ≦１）としたときに、通常用いられているＡｌＧａＮバリア層の組成（一般にＡｌ組成ｙが０.３未満）よりもＡｌ組成ｙを高めて、結晶内での自発分極効果を高めることにより、より多くの二次元電子ガスをチャネル層側に発生させる事が有効である。このとき、バリア層の伝導帯端のポテンシャルがチャネル層のそれよりも高い必要があることがＨＥＭＴの動作原理から要求される。

以上を伝導帯端に着目してまとめると、ＨＥＭＴ構造において重要となる二次元電子ガスを効率よく発生させるためには、ＨＥＭＴ構造中のバッファ層、チャネル層、バリア層の３層において伝導帯端のポテンシャルが「チャネル層＜バッファ層＜バリア層」となっている必要がある。ここでの不等号「＜」は、各層の伝導帯端のポテンシャルの高低関係（低＜高）を表すものとする。

ここでまずバッファ層については、上記のポテンシャル高さの関係を満たすのと同時にチャネル層に二次元電子ガスを発生させない事が求められる。そのため、自発分極やピエゾ分極が小さい組成領域を使用しなければならず、Ｉｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎバッファ層（０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ＜１）においては、ａおよびｂが０≦ａ≦０.０５かつ０≦ｂ≦０.０５の範囲で使用することが望ましい。究極的には特にＧａＮバッファ層（ａ＝ｂ＝０）とする。

その上で、「チャネル層＜バッファ層＜バリア層」の条件を満たす組成を、ＩｎＧａＮの伝導帯端ポテンシャルのＩｎ組成依存性とＡｌＮの伝導帯端ポテンシャルとからベガード則を基にして求めると、ＧａＮバッファ層とＩｎ_ｖＡｌ_ｗＧａ_{１−ｖ−ｗ}Ｎチャネル層においては、ｖおよびｗが０＜ｖ＜０.３０、０＜ｗ＜０.３２である。Ｉｎ組成ｖについては０.３０以上にすることも結晶成長上は可能であるが、相分離が生じやすくなるため実質０.３０以上の組成を使用することは難しい。このＩｎ組成の極限値から自動的にＡｌ組成の上限が定まり、Ａｌ組成が０.３２を越えるとＩｎ_ｖＡｌ_ｗＧａ_{１−ｖ−ｗ}Ｎチャネル層の伝導帯端がＧａＮバッファ層のそれを上回ってしまう。

次に、ＧａＮバッファ層とＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎバリア層についてみると、ｙが０.４９＜ｙ≦１の時に伝導帯端のポテンシャルの条件を満たし、かつ、Ａｌ組成ｙが０.３未満のＡｌＧａＮよりも効果的に二次元電子ガスを発生させることが可能となる。特に好適な組成は、ｘおよびｙの関係がｘ＋ｙ＝１であり、かつ０≦ｘ≦０.１８である。このとき、バリア層内の自発分極はＡｌＧａＮよりも大きくなり、ＡｌＮに近い状態となるため、より効果的に二次元電子ガスを発生させることが可能となる。

本発明の効果は、窒化物系化合物半導体を成長できるどの基板（例えば、ＧａＮ、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯなど）を用いても発揮されるものであるが、特にコストを抑えつつ、高耐圧・高出力であるＨＥＭＴを製造するためには、基板として安価に入手が可能なＳｉ(１１１)基板と組み合わせるのが良い（例えば、前記非特許文献２参照）。基板とバッファ層との間には、一般に核生成層などを挿入するが、この部分については良好なバッファ層が形成できるのであれば任意の構造を用いても本発明の効果を減じるものではない。

また結晶成長の手法として、一般には窒化物系化合物半導体の成長はＶ族原料の窒素原子の供給に優れる有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）が用いられているが、本発明の構造が実現できる成長法であれば、ハロゲン化気相成長法（ＨＶＰＥ）や、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）、ガスソースＭＢＥなど、どの方法も用いることが可能である。

［実施の形態例１］
発明の第１の実施の形態例として、図２に示したように、基本となる素子構造としてＳｉＣ基板１上のＧａＮバッファ層／Ｉｎ_０．２５Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．７０Ｎチャネル層／Ｉｎ_０．１０Ａｌ_０．８０Ｇａ_０．１０Ｎバリア層を用いているが、本発明はこの構造に限定されることなく、請求項に記載された材料系において適用可能である。

ＳｉＣ基板１を希釈したフッ酸溶液で洗浄し、清浄表面を得る。次に、ＭＯＣＶＤ装置に洗浄済ＳｉＣ基板１を装填し、水素雰囲気下で昇温してサーマルクリーニングを行う。クリーニング後、最初に基板１とバッファ層とのつなぎをよくするためにＡｌＧａＮバッファ層２’を結晶成長し、次にＧａＮバッファ層２を２μｍ成長する。次に、Ｉｎ_０．２５Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．７０Ｎチャネル層３を３０ｎｍ成長した後、Ｉｎ_０．１０Ａｌ_０．８０Ｇａ_０．１０Ｎバリア層４を２５ｎｍ成長する。通常、Ｉｎ組成０.２５のＩｎＧａＮ層を成長しようとすると、相分離を起こしやすく、表面が荒れやすいために良好なヘテロ界面が得られないが、本実施の形態例の構造においては急峻なヘテロ界面を得ることができる。

本実施の形態例における結晶について通常のホール測定により測定した結果、移動度が９００ｃｍ^２/ｖ・ｓ以上とＧａＮチャネルと同等の移動度であり高品質の結晶が得られたことがわかった。

［実施の形態例２］
発明の第２の実施の形態例として、図３に示したように、基本となる素子構造としてＳｉ(１１１)基板１上のＧａＮバッファ層／Ｉｎ_０．１５Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．８３Ｎチャネル層／Ｉｎ_０．１７Ａｌ_０．８３Ｎバリア層を用いているが、本発明はこの構造に限定されることなく、請求項に記載された材料系において適用可能である。

Ｓｉ(１１１)基板１をＲＣＡ法もしくはフッ酸溶液で洗浄し、清浄表面を得る。次に、ＭＯＣＶＤ装置に洗浄済シリコン基板を装填し、水素雰囲気下で昇温してサーマルクリーニングを行う。クリーニング後、最初にＡｌＮバッファ層２”を結晶成長し、次にＡｌＧａＮバッファ層２’をシリコン基板に近い方から順にＡｌ組成を減らしていきながら成長し、次に成長するＧａＮバッファ層２とのつながりを良くする。次にＧａＮバッファ層２を１μｍ成長する。次に、Ｉｎ_０．１５Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．８３Ｎチャネル層３を１０ｎｍ成長した後、Ｉｎ_０．１７Ａｌ_０．８３Ｎバリア層４を３０ｎｍ成長する。このとき、チャネル層をＧａＮで構成したときにシートキャリア密度は１.３×１０^１３ｃｍ^−２程度であったのが、それをＩｎ_０．１５Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．８３Ｎチャネル層とすることで２.１×１０^１３ｃｍ^−２まで向上した。このとき、通常のホール測定により測定した結果、移動度が９００ｃｍ^２/ｖ・ｓ以上とＧａＮチャネルと同等の移動度であり高品質の結晶が得られたことがわかった。

このように、ＩｎＧａＮ系ＨＥＭＴのチャネル層に好適な材料としてＩｎＡｌＧａＮ、またそれと組み合わせるのに好適なバリア層材料としてチャネル層と組成が異なるＩｎＡｌＧａＮ、特にＩｎＡｌＮによって構成されたＨＥＭＴ構造とすることにより、ＨＥＭＴ構造にＩｎＧａＮ系材料をチャネル層に利用できるようになり、ＨＥＭＴのシートキャリア密度を高める事が可能となる。

本発明を適用したＨＥＭＴ構造を説明する図である。 ＳｉＣ基板上に本発明を適用したＨＥＭＴ構造を作製する例を説明する図である。 Ｓｉ(１１１)基板上に本発明を適用したＨＥＭＴ構造を作製する例を説明する図である。

符号の説明

１：基板、２、２’、２”：バッファ層、３：チャネル層、４：バリア層。

Claims (11)

1. ＩｎとＡｌとＧａとＮを含む第一の層と、ＡｌとＮを含む第二の層とを有し、
   前記第二の層の伝導帯端のポテンシャルが前記第一の層の伝導帯端のポテンシャルより高いことを特徴とする半導体結晶。
2. 基板上にバッファ層を有し、前記バッファ層上にチャネル層を有し、前記チャネル層上にバリア層を有する半導体結晶であって、
   前記バッファ層がＧａとＮを含み、
   前記チャネル層がＩｎとＡｌとＧａとＮを含み、
   前記バリア層がＡｌとＮを含み、
   前記バッファ層の伝導帯端のポテンシャルが前記チャネル層の伝導帯端のポテンシャルより高く、かつ、前記バリア層の伝導帯端のポテンシャルより低いことを特徴とする半導体結晶。
3. 前記第一の層または前記チャネル層において、Ａｌの添加によりＩｎ取り込みが増加していることを特徴とする請求項１または２記載の半導体結晶。
4. 前記バッファ層がＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ＜１）であって、
   前記チャネル層がＩｎ_ｖＡｌ_ｗＧａ_{１−ｖ−ｗ}Ｎ（０＜ｖ、０＜ｗ、ｖ＋ｗ＜１）であって、
   前記バリア層がＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０＜ｙ、ｘ＋ｙ≦１）であることを特徴とする請求項２または３記載の半導体結晶。
5. 請求項４記載の半導体結晶において、前記Ｉｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎにおけるａおよびｂが、０＜ａ≦０.０５および０＜ｂ≦０.０５を満足することを特徴とする半導体結晶。
6. 請求項４記載の半導体結晶において、前記バッファ層がＧａＮであることを特徴とする半導体結晶。
7. 請求項４、５または６記載の半導体結晶において、前記Ｉｎ_ｖＡｌ_ｗＧａ_{１−ｖ−ｗ}Ｎにおけるｖおよびｗが、０＜ｖ＜０.３０および０＜ｗ＜０.３２を満足することを特徴とする半導体結晶。
8. 請求項４、５、６または７記載の半導体結晶において、前記Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎにおけるｙが０.４９＜ｙ≦１を満足することを特徴とする半導体結晶。
9. 請求項４ないし８いずれかに記載の半導体結晶において、前記Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎにおけるｘおよびｙが、ｘ＋ｙ＝１および０≦ｘ≦０.１８を満足することを特徴とする半導体結晶。
10. 請求項２ないし９いずれかに記載の半導体結晶において、前記基板がシリコン基板であり、その面方位が（１１１）およびそれと等価な面方位であることを特徴とする半導体結晶。
11. 請求項１ないし１０いずれかに記載の半導体結晶を有する半導体装置。

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