JP6249868B2 - 半導体基板及び半導体素子 - Google Patents
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Description
GaN層のうち下部の層(高抵抗層)は、縦方向及び横方向の電気抵抗を高めることで、トランジスタのオフ特性向上、縦方向リークの抑制により高耐圧化が可能となる。そのためGaN層に炭素をドープし、GaN結晶中に深い準位を形成し、n型の伝導を抑制させる。
一方、GaN層のうち上部の層は、チャネル層として機能し、キャリアをトラップさせる準位が形成されると電流コラプス(出力電流特性の再現性が劣化する現象)の要因となりうるため、炭素等の濃度を十分低下させる必要がある(特許文献1−3参照)。
また、特許文献5には、寄生容量を低減させるとともに高耐圧化させるために、GaN層にFeを添加することが開示されている。
図9−10からわかるように、成長温度を下げると高抵抗層の炭素濃度を増加させることができるが、逆に高抵抗層の結晶性が低くなっている。
第1の領域が第2の領域の遷移金属濃度より高い濃度で遷移金属を含むことで、炭素濃度の低い第1の領域において縦方向リーク電流の増加を抑制することができるとともに、第1の領域の結晶性をさらに高くすることができ、これにより第1の領域より上に形成される窒化物系半導体の結晶性をさらに改善することができる。
第1の領域の遷移金属濃度がこのような濃度範囲であれば、第1の領域における縦方向リーク電流の増加を確実に抑制することができ、第1の領域より上に形成される窒化物系半導体の結晶性を確実に改善することができる。
第1の領域が遷移金属を含む場合に、第1の領域の厚さがこのような範囲であれば、第1の領域の高抵抗を維持しながら、第1の領域より上に形成される窒化物系半導体の結晶性を改善することができる。
第1の領域が遷移金属を含まない場合に、第1の領域の厚さがこのような範囲であれば、縦方向リーク電流の抑制を維持しながら、第1の領域より上に形成される窒化物系半導体の結晶性を改善することができる。
このように結晶性の高い第1の領域をよりバッファ層側に(すなわち、より基板側に)設けることにより、第1の領域より上に形成される窒化物系半導体の結晶性をより効果的に改善することができる。
第1の領域及び第2の領域の炭素濃度として、このような濃度範囲を好適に用いることができる。
図1は本発明の実施態様の一例を示す半導体基板の深さ方向の濃度分布を示した図であり、図2は本発明の半導体基板の断面図である。
ここで、基板12は、例えば、Si又はSiCからなる基板である。また、バッファ層14は、例えば、窒化物系半導体からなる第一の層と、第一の層と組成の異なる窒化物系半導体からなる第二の層とが繰り返し積層された積層体で構成されるバッファ層である。
第一の層は例えば、AlyGa1−yNからなり、第二の層は例えば、AlxGa1−xN(0≦x<y≦1)からなる。
具体的には、第一の層はAlNとすることができ、第二の層はGaNとすることができる。
なお、図1において、高抵抗層15が遷移金属を含んでいる場合を示しているが、高抵抗層15は遷移金属を含んでいなくてもよい。
高抵抗層15が、バッファ層14よりも炭素濃度が低い低炭素層16と、低炭素層16とチャネル層18との間に設けられ低炭素層16よりも炭素濃度が高い高炭素層17とを有することで、高抵抗層15の高抵抗を維持しながら結晶性を高くすることができ、それによってリーク電流を低減させるとともに、その上に形成されるチャネル層18の結晶性も高くすることでチャネル層における電子移動度の低下や電流コラプスの発生を抑制できる。
このように、遷移金属としてFeを好適に用いることができる。なお、遷移金属としてSc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn等を用いることもできる。
低炭素層16が高炭素層17より高い濃度で遷移金属を含むことで、炭素濃度の低い低炭素層16において縦方向リーク電流の増加を抑制することができるとともに、低炭素層16の結晶性をさらに高くすることができ、これにより第1の領域より上に形成される窒化物系半導体の結晶性をさらに改善することができる。
低炭素層16の遷移金属濃度がこのような濃度範囲であれば、低炭素層16における縦方向リーク電流の増加を確実に抑制することができ、低炭素層16より上に形成される窒化物系半導体の結晶性を確実に改善することができる。
低炭素層16が遷移金属を含む場合に、低炭素層16の厚さがこのような範囲であれば、低炭素層16の高抵抗を維持しながら、低炭素層16より上に形成される窒化物系半導体の結晶性を改善することができる。
低炭素層16が遷移金属を含まない場合に、低炭素層16の厚さがこのような薄い範囲であれば、縦方向リーク電流の抑制を維持しながら、低炭素層16より上に形成される窒化物系半導体の結晶性を改善することができる。
このように結晶性の高い低炭素層16をよりバッファ層14側(すなわち、より基板12側に)設けることにより、低炭素層16より上に形成される窒化物系半導体の結晶性をより効果的に改善することができる。
第1の領域及び第2の領域の炭素濃度として、このような濃度範囲を好適に用いることができる。
図3は本発明の実施態様の一例を示す半導体素子の断面図である。
半導体素子11は、本発明の半導体基板10を用いて作製されたものであり、能動層22上に設けられた第一電極26、第二電極28、制御電極30を有している。
半導体素子11において、第一電極26及び第二電極28は、第一電極26から、チャネル層18内に形成された二次元電子ガス層24を介して、第二電極28に電流が流れるように配置されている。
第一電極26と第二電極28との間に流れる電流は、制御電極30に印可される電位によってコントロールすることができる。
図1に示す深さ方向の濃度分布を有する図2に示すような半導体基板を作製した。ただし、遷移金属としてFeを用い、低炭素層16における炭素濃度は、5×1017atoms/cm3とし、高炭素層17における炭素濃度は2×1018atoms/cm3とし、低炭素層16におけるFeの濃度は、3×1018atoms/cm3とした。また、低炭素層16の厚さは500nmとし、高炭素層17の厚さは1600nmとした。
作製された半導体基板を用いて図3に示すような半導体素子を作製した。
図4に示す深さ方向の濃度分布を有する図2に示すような半導体基板を作製した。ただし、高抵抗層15には遷移金属を添加せず、低炭素層16における炭素濃度は、3×1017atoms/cm3とし、高炭素層17における炭素濃度は2×1018atoms/cm3とした。また、低炭素層16の厚さは100nmとし、高炭素層17の厚さは1600nmとした。
作製された半導体基板を用いて図3に示すような半導体素子を作製した。
実施例2と同様にして半導体基板を作製した。ただし、低炭素層16の厚さは200nmとし、高炭素層17の厚さは1500nmとした。
作製した半導体基板において、低炭素層16上の0002方向のGaN層(高炭素層17を含む)の結晶性をX線回折を用いて測定した。その結果を図8に示す。
作製された半導体基板を用いて図3に示すような半導体素子を作製した。
実施例2と同様にして半導体基板を作製した。ただし、低炭素層16の厚さは400nmとし、高炭素層17の厚さは1300nmとした。
作製した半導体基板において、低炭素層16上の0002方向のGaN層(高炭素層17を含む)の結晶性をX線回折を用いて測定した。その結果を図8に示す。
作製された半導体基板を用いて図3に示すような半導体素子を作製した。
実施例2と同様にして半導体基板を作製した。ただし、低炭素層16は形成せずに、高炭素層17の厚さは1700nmとした。
作製した半導体基板において、高炭素層17を含む0002方向のGaN層の結晶性をX線回折を用いて測定した。その結果を図8に示す。
作製された半導体基板を用いて図3に示すような半導体素子(ただし、低炭素層16は形成されていない)を作製した。
図5(a)に示す深さ方向の濃度分布を有する図6に示すような半導体基板を作製した。
図5−6に示す半導体基板10’は、高抵抗層15がさらに、炭素濃度が低炭素層16より高い高炭素層(第3の領域)19をバッファ層14と低炭素層16との間に含んでいることを除いて、図4、図2に示す半導体基板10と同様の構成となっている。ただし、高抵抗層15には遷移金属を添加せず、低炭素層16における炭素濃度は、3×1017atoms/cm3とし、高炭素層17における炭素濃度は2×1018atoms/cm3とし、高炭素層19における炭素濃度は2×1018atoms/cm3とした。また、低炭素層16の厚さは100nmとし、高炭素層17の厚さは800nmとし、高炭素層19の厚さは800nmとした。
なお、図5(b)に示すように、低炭素層16と高炭素層17との間に炭素濃度が徐々に増加する遷移領域21を設けてもよい。
作製された半導体基板を用いて図7に示すような半導体素子を作製した。
図7に示す半導体素子11’は、高抵抗層15がさらに、炭素濃度が低炭素層16より高い高炭素層(第3の領域)19をバッファ層14と低炭素層16との間に含んでいることを除いて、図3の半導体素子11と同様の構成となっている。
さらに、実施例1−5の半導体素子において、比較例の半導体素子と比較して縦方向リーク電流が減少し、チャネル層において電子移動度の低下や電流コラプスの発生が抑制されていることが確認できた。
例えば、各実施形態において、低炭素層16、高炭素層17、19の各層のいずれか1つが基板12側からチャネル18側に向かって炭素濃度が徐々に増加していてもよい。
14…バッファ層、 15…高抵抗層、 16…低炭素層(第1の領域)、
17…高炭素層(第2の領域)、 18…チャネル層、
19…高炭素層(第3の領域)、 20…バリア層、 21…遷移領域、
22…能動層、 24…二次元電子ガス層、 26…第一電極、 28…第二電極、
30…制御電極。
Claims (7)
- 基板と、
前記基板上の窒化物系半導体からなり、炭素を含むバッファ層と、
前記バッファ層上の窒化物系半導体からなり、炭素を含む高抵抗層と、
前記高抵抗層上の窒化物系半導体からなるチャネル層と
を有する半導体基板であって、
前記高抵抗層は、
前記バッファ層よりも炭素濃度が低い第1の領域と、
前記第1の領域と前記チャネル層との間に設けられ、前記第1の領域よりも炭素濃度が高い第2の領域と
を有し、
前記第1の領域が遷移金属を含み、前記第1の領域の遷移金属濃度が前記第2の領域の遷移金属濃度より高いことを特徴とする半導体基板。 - 前記第1の領域の遷移金属濃度が、1×1017atoms/cm3以上、1×1020atoms/cm3以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板。
- 前記第1の領域の遷移金属濃度が、1×1018atoms/cm3以上、1×1019atoms/cm3以下であることを特徴とする請求項2に記載の半導体基板。
- 前記第1の領域が遷移金属を含み、前記第1の領域の厚さが3nm以上、3000nm以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の半導体基板。
- 前記第1の領域は、前記バッファ層と接していることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の半導体基板。
- 前記第1の領域の炭素濃度が1×1018atoms/cm3未満であり、前記第2の領域の炭素濃度が1×1018atoms/cm3以上、1×1019atoms/cm3以下であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の半導体基板。
- 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の半導体基板を用いて作製された半導体素子であって、前記チャネル層上に電極が設けられているものであることを特徴とする半導体素子。
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