JP3708810B2

JP3708810B2 - Nitride III-V compound semiconductor device

Info

Publication number: JP3708810B2
Application number: JP2000266117A
Authority: JP
Inventors: 信明寺口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2020-09-01
Also published as: JP2002076024A

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、チャネル層（電子走行層）とバリア層（障壁層）のヘテロ接合の界面における組成や障壁高さのゆらぎのない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＨＦＥＴ（Hetero Field Effect Transistor）構造における材料の組合せとしては、ＧａＮをチャネル層とし、ＡｌＧａＮをバリア層として、これらをヘテロ接合したものが最も一般的に用いられている（U.S.Patent No.５１９２９８７および特開平１０−１８９９４４号公報など）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、２つの元素から成る二元化合物半導体（たとえば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮなど）と、この二元化合物半導体とは異なる二元化合物半導体との接合界面は、成長条件にも依存するが、急峻な界面が得られやすい。一方、二元化合物半導体と３つの元素から成る三元混晶半導体（たとえば、ＡｌＧａＮ，ＧａＩｎＮ，ＡｌＩｎＮなど）を組合せて接合する場合において、三元混晶半導体の成分が二元化合物半導体の成分と重なっている場合（たとえば、ＧａＮとＡｌＧａＮ、あるいはＧａＮとＧａＩｎＮなど）は、急峻な界面は得られない。これは、たとえば図３に示すようなＧａＮとＡｌＧａＮとのヘテロ接合では、２つの半導体の境界にまたがって同一の元素（Ｇａ）が存在するためである。このため、チャネル層であるはずのＧａＮとバリア層であるＡｌＧａＮの中のＧａＮが急峻な界面の形成を阻害し、ヘテロ接合の特性に悪影響を与え、移動度の低下などの問題が生じる。
【０００４】
本発明の目的は、急峻な界面を有し、移動度などの特性に優れた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ヘテロ構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置において、
ＳｉＣ基板の（０００１）結晶面上に、
ＡｌＮエピタキシャルバッファ層と、
ＧａＮチャネル層と、
ＡｌＮヘテロ特性改善層と、
ＡｌおよびＧａの組成比が一定であるＡｌＧａＮバリア層とが、順次積層され、
前記ＡｌＮヘテロ特性改善層の層厚が１分子層以上４分子層以下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である。
【０００６】
本発明に従えば、二元化合物半導体同士の接合では、原子拡散がない限り界面は急峻となるため、ヘテロ構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置において、チャネル層を構成するＧａＮチャネル層とバリア層を構成するＡｌおよびＧａの組成比が一定であるＡｌＧａＮバリア層の間に、層厚が１分子層以上４分子層以下であり、ＡｌＮから成るＡｌＮヘテロ特性改善層を介在させることにより、ヘテロ接合の界面における急峻性が改善される。
【０００７】
また、窒化物系の半導体にこのような構造を適用した場合、界面におけるピエゾ効果がさらに大きくなり、２次元電子ガスのキャリアの濃度をより大きくすることができるといったＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ構造には現れない効果があり、より電気的特性を向上させることができる。
またＡｌＮヘテロ特性改善層を用いると、ＡｌＮは６．２ｅＶという極めて大きなバンドギャップを有しており、その層厚が厚くなりすぎるとバリア層からチャネル層への電流注入が阻害され、ヘテロ構造として機能しなくなる。本発明に従えば、層厚が１分子層以上４分子層以下のＡｌＮヘテロ特性改善層を用いることによって、接合界面の急峻性を維持しつつ、トンネル効果によって十分なキャリア輸送を行うことができる。よって、電気的特性に優れた窒化物ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置が得られる。
【０００９】
また、ＡｌＮヘテロ特性改善層のバンドギャップが、ＧａＮチャネル層のバンドギャップよりも大きいので、これらの接合界面の急峻性が保たれる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の具体的形態を実施例により説明するが、これら実施例により何ら制限を受けるものではない。
以下に、実施例を示す。
【００１７】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例である窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置１０の概要を示す断面図である。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置１０は、半絶縁性ＳｉＣ基板１の（０００１）結晶面に、ＡｌＮエピタキシャルバッファ層２、第１の二元化合物半導体層でありキャリア濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3のＧａＮチャネル層３、第２の二元化合物半導体層であるＡｌＮバリア特性改善層４、三元混晶半導体層でありキャリア濃度が２×１０¹⁷ｃｍ^-3 で、ＡｌおよびＧａの組成比が一定であるＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎバリア層５、がこの順に積層され、この上にソース電極６ａ、ドレイン電極６ｂ、およびゲート電極７が形成され構成される。
【００１８】
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、有機金属気相成長法（
Ｍetalorganic Chemical Vapor Deposition−ＭＯＣＶＤ法）あるいはプラズマ励起した窒素を用いた分子線エピタキシー法（Radio Frequency−Molecular Beam Epitaxy；略称ＲＦ−ＭＢＥあるいはElectron Cyclotron Resonance−ＭＢＥ；略称ＥＣＲ−ＭＢＥ）などを用いることができる。
【００１９】
本実施例では、ＭＯＣＶＤ法により、以下のような工程で作製した。
はじめに、水素雰囲気中において基板温度１０００℃で半絶縁性ＳｉＣ基板１の表面のクリーニングを１０分間行った。次に、基板温度１１００℃で厚さ２０ｎｍのＡｌＮエピタキシャルバッファ層２を成長させ、引き続いて基板温度１０００℃で厚さ１μｍのＧａＮチャネル層３を成長させた。その後、基板温度１０００℃でＡｌＮヘテロ特性改善層４を成長させた。前記ＡｌＮヘテロ特性改善層４を形成するＡｌＮは６．２ｅＶという極めて大きなバンドギャップを有しているので、この層厚が厚くなり過ぎるとバリア層からチャネル層への電流の注入が阻害され、ヘテロ接合として機能しなくなる。つまり、界面急峻性を維持しつつ、トンネル効果によって十分なキャリア輸送を行える厚さにする必要がある。このため、ＡｌＮヘテロ特性改善層４の層厚は１分子層〜４分子層にすることが好ましい。本実施例では、この層厚を２分子層≒５Åとしている。さらに、基板温度を１１００℃に上げてＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎバリア層５を成長させた。
【００２０】
この後、フォトリソグラフィー法を用いてソース電極６ａ、ドレイン電極６ｂおよびゲート電極７を形成して窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置１０を作製した。また、第２の二元化合物半導体層を介在させた本実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置１０の特性を従来型の化合物半導体装置の特性と比較するためＡｌＮヘテロ特性改善層４を介在させない構造の化合物半導体装置も同様な工程で作製した。
【００２１】
デバイス特性の測定に先立ち、半導体層の電気的特性をホール測定によって調べた。ＡｌＮヘテロ特性改善層４をＧａＮチャネル層３とＡｌＧａＮバリア層５との間に介在させた場合と介在させない場合の移動度を表１に示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
表１から、測定温度が室温である３００Ｋでは、ＡｌＮヘテロ特性改善層４を介在させた場合は、ＡｌＮヘテロ特性改善層４を介在させない場合に比べて、移動度の改善が見られた。また、測定温度が液体窒素（ＬＮ₂）温度である７７Ｋにおいては、移動度の差が顕著に現れており、ＡｌＮヘテロ特性改善層４によって界面特性が改善されていることが判る。
【００２４】
次に、ゲート電極７の長さが１μｍ、ソース電極６ａおよびドレイン６ｂ電極間の距離が５μｍのＨＦＥＴを作製し、その特性を評価した結果、ＡｌＮヘテロ特性改善層４を介在させた場合、最大発振周波数ｆ_max＝２５ＧＨｚ、トランスコンダクタンスｇ_m＝２００ｍＳ／ｍｍ、介在させない場合はｆ_max＝２０ＧＨｚ、ｇ_m＝１５０ｍＳ／ｍｍであり、ＡｌＮヘテロ特性改善層４の効果が見られた。
【００２５】
以上のように、ＧａＮチャネル層およびＡｌＧａＮバリア層のヘテロ接合面にＡｌＮヘテロ特性改善層を介在させることによって界面急峻性が改善でき、また、界面におけるピエゾ効果がさらに大きくなることによって、２次元電子ガスのキャリア濃度をより大きくすることができるため電気的特性に優れた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置が実現できる。
【００３４】
以上のように、ＧａＮチャネル層およびＡｌおよびＧａの組成比が一定であるＡｌＧａＮバリア層のヘテロ接合面に層厚が１分子層以上４分子層以下のＡｌＮヘテロ特性改善層を介在させることによって界面急峻性が改善でき、また、界面におけるピエゾ効果がさらに大きくなることによって、２次元電子ガスのキャリア濃度をより大きくすることができるため電気的特性に優れた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置が実現できる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ヘテロ構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置において、チャネル層を構成するＧａＮチャネル層とバリア層を構成するＡｌおよびＧａの組成比が一定であるＡｌＧａＮバリア層の間に、層厚が１分子層以上４分子層以下であり、ＡｌＮから成るＡｌＮヘテロ特性改善層を介在させることにより、ヘテロ接合の界面における急峻性が改善される。
【００３７】
また、接合の界面におけるピエゾ効果がさらに大きくなり、２次元電子ガスのキャリア濃度をより大きくすることができるので、より電気的特性を向上させることができる。
また本発明によれば、膜厚が１分子層以上４分子層以下のＡｌＮヘテロ特性改善層を用いることによって、接合界面の急峻性を維持しつつ、トンネル効果によって充分なキャリア輸送が行える。よって、電気的特性に優れた窒化物ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族半導体装置１０の構造を示す断面図である。
【図２】二元化合物半導体とこの二元化合物半導体の成分を含む三元混晶半導体の接合界面を示す図である。
【符号の説明】
１半絶縁性ＳｉＣ基板
２ＡｌＮエピタキシャルバッファ層
３ＧａＮチャネル層
４ＡｌＮヘテロ特性改善層
５ＡｌＧａＮバリア層
６ａソース電極
６ｂドレイン電極
７ゲート電極
１０窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride III-V group compound semiconductor device, and in particular, a nitride system free from fluctuations in composition and barrier height at the heterojunction interface between a channel layer (electron transit layer) and a barrier layer (barrier layer). The present invention relates to a structure of a III-V compound semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
As a combination of materials in an HFET (Hetero Field Effect Transistor) structure, a material obtained by heterojunction of GaN as a channel layer and AlGaN as a barrier layer is most commonly used (US Pat. 10-189944, etc.).
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In general, a junction interface between a binary compound semiconductor composed of two elements (for example, AlN, GaN, InN, etc.) and a binary compound semiconductor different from the binary compound semiconductor depends on the growth conditions, but is steep. A simple interface can be easily obtained. On the other hand, when a binary compound semiconductor and a ternary mixed crystal semiconductor composed of three elements (for example, AlGaN, GaInN, AlInN, etc.) are combined and joined, the components of the ternary mixed crystal semiconductor are the components of the binary compound semiconductor. When they overlap (for example, GaN and AlGaN or GaN and GaInN), a steep interface cannot be obtained. This is because, for example, in the heterojunction of GaN and AlGaN as shown in FIG. 3, the same element (Ga) exists across the boundary between the two semiconductors. For this reason, GaN that should be the channel layer and GaN in the AlGaN that is the barrier layer inhibit formation of a steep interface, adversely affect the characteristics of the heterojunction, and problems such as a decrease in mobility arise.
[0004]
An object of the present invention is to provide a nitride-based III-V group compound semiconductor device having a steep interface and excellent characteristics such as mobility.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a nitride III-V compound semiconductor device having a heterostructure,
On the (0001) crystal plane of the SiC substrate,
And the AlN epitaxial buffer layer,
And the GaN channel layer,
And AlN hetero characteristic improvement layer,
And an AlGaN barrier layer composition ratio of Al and Ga is constant, are sequentially laminated,
The nitride-based III-V group compound semiconductor device is characterized in that the AlN hetero property improving layer has a layer thickness of 1 to 4 molecular layers.
[0006]
According to the present invention, at the junction between the binary compound semiconductors, the interface becomes steep unless there is atomic diffusion. Therefore, in the nitride-based III-V compound semiconductor device having a heterostructure, the GaN channel constituting the channel layer Between the AlGaN barrier layer having a constant composition ratio of Al and Ga constituting the layer and the barrier layer , the layer thickness is not less than 1 molecular layer and not more than 4 molecular layers, and an AlN hetero property improving layer made of AlN is interposed This improves the steepness at the interface of the heterojunction.
[0007]
In addition, when such a structure is applied to a nitride-based semiconductor, the piezo effect at the interface is further increased, and it appears in an AlGaAs / GaAs heterostructure in which the carrier concentration of the two-dimensional electron gas can be increased. There is no effect, and the electrical characteristics can be further improved.
When an AlN hetero property improving layer is used, AlN has a very large band gap of 6.2 eV. If the layer thickness becomes too thick, current injection from the barrier layer to the channel layer is hindered. Stops functioning. According to the present invention, by using an AlN hetero-characteristic improving layer having a layer thickness of 1 molecular layer or more and 4 molecular layers or less, sufficient carrier transport can be performed by the tunnel effect while maintaining the sharpness of the junction interface. . Therefore, a nitride III-V compound semiconductor device having excellent electrical characteristics can be obtained.
[0009]
In addition, since the band gap of the AlN hetero property improving layer is larger than the band gap of the GaN channel layer, the steepness of these junction interfaces is maintained.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, specific embodiments of the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Examples are shown below.
[0017]
(Example 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an outline of a nitride III-V compound semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention. The nitride-based III-V compound semiconductor device 10 is an AlN epitaxial buffer layer 2 and a first binary compound semiconductor layer on the (0001) crystal plane of the semi-insulating SiC substrate 1 and has a carrier concentration of 1 × 10 ^16. a GaN channel layer ³ of cm ⁻³ , an AlN barrier property improving layer 4 that is a second binary compound semiconductor layer, a ternary mixed crystal semiconductor layer having a carrier concentration of 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , Al and Ga An Al _0.2 Ga _0.8 N barrier layer 5 having a constant composition ratio is stacked in this order, and a source electrode 6a, a drain electrode 6b, and a gate electrode 7 are formed thereon.
[0018]
As a crystal growth method for forming such a layer structure, a metal organic chemical vapor deposition method (
Metalorganic Chemical Vapor Deposition-MOCVD) or molecular beam epitaxy using plasma-excited nitrogen (Radio Frequency-Molecular Beam Epitaxy; abbreviated RF-MBE or Electron Cyclotron Resonance-MBE; abbreviated ECR-MBE) or the like can be used. .
[0019]
In this example, it was manufactured by the following process by MOCVD.
First, the surface of the semi-insulating SiC substrate 1 was cleaned for 10 minutes in a hydrogen atmosphere at a substrate temperature of 1000 ° C. Next, an AlN epitaxial buffer layer 2 having a thickness of 20 nm was grown at a substrate temperature of 1100 ° C., and then a GaN channel layer 3 having a thickness of 1 μm was grown at a substrate temperature of 1000 ° C. Thereafter, the AlN hetero characteristic improvement layer 4 was grown at a substrate temperature of 1000 ° C. Since AlN forming the AlN hetero-characteristic improving layer 4 has a very large band gap of 6.2 eV, if the layer thickness becomes too thick, current injection from the barrier layer to the channel layer is hindered. It will not function as a joint. That is, it is necessary to make the thickness sufficient for transporting carriers by the tunnel effect while maintaining the interface steepness. For this reason, it is preferable that the layer thickness of the AlN hetero characteristic improvement layer 4 is 1 molecular layer-4 molecular layers. In this embodiment, it is the layer thickness and bilayer ≒ 5 Å. Further, the substrate temperature was raised to 1100 ° C. to grow the Al _0.2 Ga _0.8 N barrier layer 5.
[0020]
Thereafter, the source electrode 6a, the drain electrode 6b, and the gate electrode 7 were formed using a photolithography method, and the nitride III-V compound semiconductor device 10 was manufactured. Further, in order to compare the characteristics of the nitride-based III-V compound semiconductor device 10 of the present embodiment with the second binary compound semiconductor layer interposed therebetween with the characteristics of the conventional compound semiconductor device, the AlN hetero-characteristic improvement layer 4 is used. A compound semiconductor device having a structure that does not intervene was also manufactured in the same process.
[0021]
Prior to the measurement of device characteristics, the electrical characteristics of the semiconductor layer were examined by hole measurement. Table 1 shows the mobility when the AlN hetero-characteristic improving layer 4 is interposed between the GaN channel layer 3 and the AlGaN barrier layer 5 and when it is not interposed.
[0022]
[Table 1]

[0023]
From Table 1, at 300 K where the measurement temperature is room temperature, when the AlN hetero property improving layer 4 is interposed, the mobility is improved as compared with the case where the AlN hetero property improving layer 4 is not interposed. Further, at 77K where the measurement temperature is the liquid nitrogen (LN ₂ ) temperature, the difference in mobility appears remarkably, and it can be seen that the interface characteristics are improved by the AlN hetero characteristic improvement layer 4.
[0024]
Next, as a result of fabricating an HFET having a length of the gate electrode 7 of 1 μm and a distance between the source electrode 6a and the drain 6b of 5 μm and evaluating the characteristics, it is maximum when the AlN hetero characteristic improvement layer 4 is interposed. The oscillation frequency f _max = 25 GHz, transconductance g _m = 200 mS / mm, and when not interposed, f _max = 20 GHz and g _m = 150 mS / mm, and the effect of the AlN hetero characteristic improvement layer 4 was observed.
[0025]
As described above, the interfacial steepness can be improved by interposing the AlN hetero-characteristic improving layer at the heterojunction surface of the GaN channel layer and the AlGaN barrier layer, and the piezo effect at the interface is further increased, so that two-dimensional electrons Since the gas carrier concentration can be increased, a nitride III-V compound semiconductor device having excellent electrical characteristics can be realized.
[0034]
As described above, an interface is obtained by interposing an AlN hetero property improving layer having a layer thickness of not less than 1 molecular layer and not more than 4 molecular layers in the heterojunction surface of the GaN channel layer and the AlGaN barrier layer having a constant composition ratio of Al and Ga. steepness can be improved by also piezoelectric effect at the interface is further increased, two-dimensional nitride has excellent electrical properties because that can be a carrier concentration greater electron gas group III-V compound semiconductor A device can be realized.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the nitride-based III-V group compound semiconductor device having a heterostructure , the composition ratio of Al and Ga constituting the channel layer and the barrier layer is constant. between the AlGaN barrier layer, the layer thickness is at 4 molecular layer or less than one molecular layer, by interposing the AlN hetero characteristic improvement layer made of AlN, steepness at the interface of the heterojunction is improved.
[0037]
In addition, the piezoelectric effect at the bonding interface is further increased, and the carrier concentration of the two-dimensional electron gas can be further increased, so that the electrical characteristics can be further improved.
In addition, according to the present invention, by using an AlN hetero property improving layer having a film thickness of 1 molecular layer or more and 4 molecular layers or less, sufficient carrier transport can be performed by the tunnel effect while maintaining the sharpness of the junction interface. Therefore, a nitride III-V compound semiconductor device having excellent electrical characteristics can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a nitride-based III-V semiconductor device 10 in Example 1 of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a junction interface between a binary compound semiconductor and a ternary mixed crystal semiconductor containing components of the binary compound semiconductor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semi-insulating SiC substrate 2 AlN epitaxial buffer layer 3 GaN channel layer 4 AlN hetero-characteristic improvement layer 5 AlGaN barrier layer

6a Source electrode

6b Drain electrode 7 Gate electrode 10 Nitride III-V compound semiconductor device

Claims

ヘテロ構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置において、
ＳｉＣ基板の（０００１）結晶面上に、
ＡｌＮエピタキシャルバッファ層と、
ＧａＮチャネル層と、
ＡｌＮヘテロ特性改善層と、
ＡｌおよびＧａの組成比が一定であるＡｌＧａＮバリア層とが、順次積層され、
前記ＡｌＮヘテロ特性改善層の層厚が１分子層以上４分子層以下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。In a nitride III-V compound semiconductor device having a heterostructure,
On the (0001) crystal plane of the SiC substrate,
And the AlN epitaxial buffer layer,
And the GaN channel layer,
And AlN hetero characteristic improvement layer,
And an AlGaN barrier layer composition ratio of Al and Ga is constant, are sequentially laminated,
A nitride-based III-V group compound semiconductor device, wherein the AlN hetero property improving layer has a layer thickness of 1 to 4 molecular layers.