JP2016058539A - 高電子移動度トランジスタの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】GaNチャネル層の表面へのダメージやトラップ等を抑制してデバイス特性を向上させることができる高電子移動度トランジスタの製造方法を得る。
【解決手段】Si基板1上にGaNチャネル層3を第1の成長条件で形成する。GaNチャネル層3上にGaN移行層4を第1の成長条件から第2の成長条件に変化させながら形成する。GaN移行層4上にAlGaN電子供給層5を第2の成長条件で形成する。GaNチャネル層3、GaN移行層4、及びAlGaN電子供給層5を成長中断を行わずに連続的に形成する。
【選択図】図2
【解決手段】Si基板1上にGaNチャネル層3を第1の成長条件で形成する。GaNチャネル層3上にGaN移行層4を第1の成長条件から第2の成長条件に変化させながら形成する。GaN移行層4上にAlGaN電子供給層5を第2の成長条件で形成する。GaNチャネル層3、GaN移行層4、及びAlGaN電子供給層5を成長中断を行わずに連続的に形成する。
【選択図】図2
Description
本発明は、AlGaN/GaNヘテロ構造を有する高電子移動度トランジスタ(HEMT: High Electron Mobility Transistor)の製造方法に関する。
GaNは従来のSiやGaAsと比較してバンドギャップが広いため絶縁破壊電界が一桁高い。従って、GaN HEMTは高電界下でも破壊し難いので、高電圧動作に適している。さらに、GaNは高電界領域での飽和電子速度も従来の半導体材料より大きい。これはデバイスの高速動作に有利であり、特に高電界がゲート電極付近に印加される短チャネル化した高周波デバイスでは効果が顕著である。このGaN HEMTの製造には有機金属気相エピタキシャル(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法がよく用いられる。
なお、MOCVD法によるGaNのエピタキシャル成長にはサファイア基板が広く用いられていたが、GaNとの格子整合性が低い上、熱膨張係数も異なっており、古くはGaNの結晶性を向上させることができずにいた。その後、低温バッファ層の技術が確立されてからは、成長させたGaNの結晶性も向上し、主に青色や白色系のLED用途向けのデバイス作製技術が飛躍的な進歩を遂げた。しかし、低転位化等の更なる結晶性の向上が難しいことや、サファイア自体の熱伝導率が低く、デバイス化した際の放熱が不十分でデバイス性能が低下してしまうこともあり、代わりとなる他の基板材料に対する期待は根強い。格子整合性が高く、高温でも安定なSiCもその候補のひとつであるが、近年向上してきてはいるもののマイクロパイプなどの結晶自体の品質の問題に加え、高価で大口径化が難しいという問題がある。
これに対し、Si基板は十分な大口径化と低転位化ができていて、しかも安価で安定して入手できる。しかし、低温AlNバッファ層上にGaN層を堆積した後に室温に戻した状態において、サファイア基板ではGaN層には圧縮応力が働くためクラックは入りにくいが、Si基板では格子整合性、熱膨張係数の違いから引張応力となるためクラックが入りやすい。加えて、Ga(又はGaN)とSiの反応が関係するメルトバックエッチングなどといった問題が数多くあったが、近年多層膜バッファ層などの技術開発が進み、十分実用レベルにまで達してきている。
GaN HEMTでは、サファイア、SiC又はSiの基板上に、格子不整合を緩和するためのバッファ層を介して、アンドープGaN層及びアンドープAlGaN層が順に形成される。GaN層とAlGaN層の界面付近には、AlGaN層の歪みに起因したピエゾ効果と自発分極によって高濃度の二次元電子ガスが誘起され、これがGaN HEMTのチャネル部となる(例えば、特許文献1参照)。
GaN HEMTのエピタキシャル成長ではGaN層とAlGaN層を成長する際の最適条件(温度、圧力、ガス流量等)が異なるため、その界面において成長中断を行っていた。このため、GaN層の表面にダメージやトラップ等が形成され、デバイス特性が悪化するという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はGaNチャネル層の表面へのダメージやトラップ等を抑制してデバイス特性を向上させることができる高電子移動度トランジスタの製造方法を得るものである。
本発明に係る高電子移動度トランジスタの製造方法は、半絶縁性基板上にGaNチャネル層を第1の成長条件で形成する工程と、前記GaNチャネル層上に移行層を前記第1の成長条件から第2の成長条件に変化させながら形成する工程と、前記移行層上にAlGaN電子供給層を前記第2の成長条件で形成する工程とを備え、前記GaNチャネル層、前記移行層、及び前記AlGaN電子供給層を成長中断を行わずに連続的に形成することを特徴とする。
本発明では、GaNチャネル層の形成とAlGaN電子供給層の形成との間において、GaNチャネル層の成長条件からAlGaN電子供給層の成長条件に変化させながら移行層を形成する。これにより成長中断を行わずに各エピタキシャル層を連続的に形成することができるため、GaNチャネル層の表面へのダメージやトラップ等を抑制してデバイス特性を向上させることができる。
本発明の実施の形態に係る高電子移動度トランジスタの製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
本発明の実施の形態1に係る高電子移動度トランジスタの製造方法について図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る高電子移動度トランジスタを示す断面図である。図2は、本発明の実施の形態1に係る高電子移動度トランジスタの成長シーケンスを示す図である。
本発明の実施の形態1に係る高電子移動度トランジスタの製造方法について図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る高電子移動度トランジスタを示す断面図である。図2は、本発明の実施の形態1に係る高電子移動度トランジスタの成長シーケンスを示す図である。
半絶縁性基板であるSi基板1上にエピタキシャル層としてAlxGayN(x+y=1)をMOCVD法により形成する。この場合、加熱装置によって所定の温度に加熱されたサセプタ上に載置されたSi基板1を反応炉内に保持する。この反応炉にガス導入部よりトリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム又はこれらの有機金属ガスの2種類以上の混合ガスと、窒素原料であるアンモニアとを、水素や窒素のようなキャリアガスと一緒に導入する。これらの有機金属とアンモニアとの反応によってAlxGayN層がSi基板1上に堆積される。
具体的には、Si基板1上に層厚1.5μmのAlGaNバッファ層2を形成する。次に、AlGaNバッファ層2の上に層厚1.0μmのアンドープのGaNチャネル層3を第1の成長条件で形成する。第1の成長条件は第1の成長温度T1、圧力、ガス流量等を有する。
次に、GaNチャネル層3上にGaN移行層4を第1の成長条件から第2の成長条件に変化させながら形成する。第2の成長条件は第1の成長温度T1よりも高い第2の成長温度T2、圧力、ガス流量等を有する。従って、第1の成長温度T1から第2の成長温度T2へ上昇させながらGaN移行層4を形成する。
GaN移行層4上に層厚25nmのアンドープのAlGaN電子供給層5を第2の成長条件で形成する。AlGaN電子供給層5は例えばAl0.2Ga0.8N層である。その後、電極や配線を形成し裏面研削を行う。最後に、ダイシング、ダイボンディング、ワイヤボンディング、パッケージングを行うことで高電子移動度トランジスタが完成する。
ここで、GaNチャネル層3、GaN移行層4、及びAlGaN電子供給層5を成長中断を行わずに連続的に形成する。具体的には、Gaの原料であるトリメチルガリウムを供給しながらGaNチャネル層3を形成した後にトリメチルガリウムの供給を止めることなく、温度、圧力、ガス流量等の成長条件をAlGaN電子供給層5の成長条件に移行しながらGaN移行層4を形成する。移行終了後はAlの原料であるトリメチルアルミニウムの供給を開始してAlGaN電子供給層5を形成する。トリメチルアルミニウムの供給量はAlGaN電子供給層5において所望とするAl組成(ここではx=0.2)が得られるように適宜調整する。ここで、成長中は窒素原料であるアンモニアと、水素や窒素のようなキャリアガスは常に供給する。
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図3は、比較例に係る高電子移動度トランジスタの成長シーケンスを示す図である。比較例ではGaNチャネル層3の形成とAlGaN電子供給層5の形成との間に成長中断を行う。このため、GaNチャネル層3の表面にダメージやトラップ等が形成され、デバイス特性が悪化する。
一方、本実施の形態では、GaNチャネル層3の形成とAlGaN電子供給層5の形成との間において、GaNチャネル層3の成長条件からAlGaN電子供給層5の成長条件に変化させながらGaN移行層4を形成する。これにより成長中断を行わずに各エピタキシャル層を連続的に形成することができるため、GaNチャネル層の表面へのダメージやトラップ等を抑制して最大電流、出力、効率等のデバイス特性を向上させることができる。また、GaN移行層4の成長時間T1を60sec以下とすることで、界面近傍におけるGaNチャネル層3の結晶品質が改善し、更なるデバイス特性の向上が可能となる。
実施の形態2.
本発明の実施の形態2に係る高電子移動度トランジスタの製造方法について図面を参照して説明する。図4は、本発明の実施の形態2に係る高電子移動度トランジスタを示す断面図である。図5は、本発明の実施の形態2に係る高電子移動度トランジスタの成長シーケンスを示す図である。
本発明の実施の形態2に係る高電子移動度トランジスタの製造方法について図面を参照して説明する。図4は、本発明の実施の形態2に係る高電子移動度トランジスタを示す断面図である。図5は、本発明の実施の形態2に係る高電子移動度トランジスタの成長シーケンスを示す図である。
本実施の形態では、実施の形態1のGaN移行層4の代わりにAlGaN移行層6を形成する。具体的には、Gaの原料であるトリメチルガリウムを供給しながらGaNチャネル層3を形成した後にトリメチルガリウムの供給を止めることなく、Alの原料であるトリメチルアルミニウムの供給を開始して、温度、圧力、ガス流量等の成長条件をAlGaN電子供給層5の成長条件に移行しながらAlGaN移行層6を形成する。成長条件の移行終了後も所望とする膜厚(ここでは25nm)が得られるまではAlGaN電子供給層5の成長を継続する。ここで、トリメチルアルミニウムの供給量は、AlGaN電子供給層5のAl組成(ここではx=0.2)が得られるように適宜調整する。ここで、成長中は窒素原料であるアンモニアと、水素や窒素のようなキャリアガスは常に供給する。その他の工程は実施の形態1と同様である。
上記のように本実施の形態では、GaNチャネル層3の形成とAlGaN移行層6の形成との間において、GaNチャネル層3の成長条件からAlGaN移行層6の成長条件に変化させながらAlGaN移行層6を形成する。これにより成長中断を行わずに各エピタキシャル層を連続的に形成することができるため、GaNチャネル層の表面へのダメージやトラップ等を抑制して最大電流、出力、効率等のデバイス特性を向上させることができる。また、実施の形態1よりもGaNチャネル層3の結晶品質の劣化を抑制できるため、実施の形態1よりも更にデバイス特性を向上させることができる。また、AlGaN移行層6の成長時間T2を60sec以下とすることで、界面近傍におけるAlGaN電子供給層5の結晶品質が改善し、更なるデバイス特性の向上が可能となる。
実施の形態3.
本発明の実施の形態3に係る高電子移動度トランジスタの製造方法について図面を参照して説明する。図6は、本発明の実施の形態3に係る高電子移動度トランジスタを示す断面図である。図7は、本発明の実施の形態3に係る高電子移動度トランジスタの成長シーケンスを示す図である。
本発明の実施の形態3に係る高電子移動度トランジスタの製造方法について図面を参照して説明する。図6は、本発明の実施の形態3に係る高電子移動度トランジスタを示す断面図である。図7は、本発明の実施の形態3に係る高電子移動度トランジスタの成長シーケンスを示す図である。
本実施の形態では、GaN移行層4とAlGaN電子供給層5との間に層厚1nmのAlNスペーサ層7を第2の成長条件で形成する。具体的には、Gaの原料であるトリメチルガリウムを供給しながらGaNチャネル層3を形成した後にトリメチルガリウムの供給を止めることなく、温度、圧力、ガス流量等の成長条件をAlNスペーサ層7の成長条件に移行しながらGaN移行層4を形成する。GaN移行層4の成長終了後にトリメチルガリウムの供給を止め、Alの原料であるトリメチルアルミニウムの供給を開始してAlNスペーサ層7を形成する。ここで、成長中は窒素原料であるアンモニアと、水素や窒素のようなキャリアガスは常に供給する。その他の工程は実施の形態1と同様である。
上記のように本実施の形態では、GaNチャネル層3の形成とAlNスペーサ層7の形成との間において、GaNチャネル層3の成長条件からAlNスペーサ層7の成長条件に変化させながらGaN移行層4を形成する。これにより成長中断を行わずに各エピタキシャル層を連続的に形成することができるため、GaNチャネル層の表面へのダメージやトラップ等を抑制して最大電流、出力、効率等のデバイス特性を向上させることができる。また、GaN移行層4の成長時間T3を60sec以下とすることで、界面近傍におけるGaNチャネル層3の結晶品質が改善し、更なるデバイス特性の向上が可能となる。
なお、実施の形態1〜3ではIII−V族窒化物半導体膜の形成にMOCVD法を用いたが、これに限らず塩化物気相エピタキシャル(Hydride Vapor Phase Epitaxy: HVPE)法、分子線エピタキシャル(Molecular Beam Epitaxy: MBE)法等を用いてもよい。また、半絶縁性基板としてSi基板1を用いたがサファイア基板又はSiC基板等を用いてもよい。
1 Si基板(半絶縁性基板)、3 GaNチャネル層、4 GaN移行層(移行層)、5 AlGaN電子供給層、6 AlGaN移行層(移行層)、7 AlNスペーサ層
Claims (7)
- 半絶縁性基板上にGaNチャネル層を第1の成長条件で形成する工程と、
前記GaNチャネル層上に移行層を前記第1の成長条件から第2の成長条件に変化させながら形成する工程と、
前記移行層上にAlGaN電子供給層を前記第2の成長条件で形成する工程とを備え、
前記GaNチャネル層、前記移行層、及び前記AlGaN電子供給層を成長中断を行わずに連続的に形成することを特徴とする高電子移動度トランジスタの製造方法。 - 前記第1の成長条件は第1の成長温度を有し、
前記第2の成長条件は前記第1の成長温度よりも高い第2の成長温度を有し、
前記第1の成長温度から前記第2の成長温度へ上昇させながら前記移行層を形成することを特徴とする請求項1に記載の高電子移動度トランジスタの製造方法。 - トリメチルガリウムを供給しながら前記GaNチャネル層を形成した後に前記トリメチルガリウムの供給を止めることなく前記移行層を形成することを特徴とする請求項1又は2に記載の高電子移動度トランジスタの製造方法。
- 前記移行層はGaNであることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の高電子移動度トランジスタの製造方法。
- 前記移行層はAlGaNであることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の高電子移動度トランジスタの製造方法。
- 前記移行層と前記AlGaN電子供給層との間にAlNスペーサ層を前記第2の成長条件で形成する工程を更に備えることを特徴とする請求項4に記載の高電子移動度トランジスタの製造方法。
- 前記移行層の成長時間を60sec以下とすることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の高電子移動度トランジスタの製造方法。
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