(57)【要約】【課題】  バッファ領域の漏れ電流を低減する共に、半導体領域の転位密度を低減した窒化物半導体装置形成用基板を提供し、高周波特性に優れた窒化物半導体装置を提供する。【解決手段】  多層構造体のバッファ領域の一部にｐ型不純物をドーピングし、二次元電子ガス層の発生を抑制することで、転位、漏れ電流を低減する。また二次元電子ガス層の発生を抑制することで寄生容量が低減され、高周波特性を大きく改善した窒化物半導体装置を提供することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン又はシリコン化合物からなる基板と、該基板の一方の主面上に積層されたバッファ領域と、該バッファ領域の上に積層された少なくとも窒化物半導体層を含む半導体領域とを備えた窒化物半導体装置形成用基板であって、
前記バッファ領域に、少なくともアルミニウムを含む窒化物半導体からなる第１の層と、アルミニウムを含まない又は前記第１の層よりも小さい割合でアルミニウムを含む、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体からなる第２の層とが、交互に積層された積層領域を有していることを特徴とする窒化物半導体装置形成用基板。
【請求項２】
前記第１の層は、化学式Ａｌ(x)Ｉｎ(y)Ｇａ(1-x-y)Ｎ又はＡｌ(x)Ｂ(y)Ｇａ(1-x-y)Ｎで示される材料からなり、前記第２の層は、化学式Ａｌ(a)Ｉｎ(b)Ｇａ(1-a-b)Ｎ又はＡｌ(a)Ｂ(b)Ｇａ(1-a-b)Ｎで示される材料からなり、前記ｘ、ｙ、ａ及びｂは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ａ＜１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１、ａ＜ｘの関係を満足することを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体装置形成用基板。
【請求項３】
シリコン又はシリコン化合物からなる基板と、該基板の一方の主面上に積層されたバッファ領域と、該バッファ領域の上に積層された少なくとも窒化物半導体層を含む半導体領域と、該半導体領域上に離間して形成された第１及び第２の電極と、該第１及び第２の電極間を流れる電流を制御する制御電極とを備えた窒化物半導体装置であって、
前記バッファ領域に、少なくともアルミニウムを含む窒化物半導体からなる第１の層と、アルミニウムを含まない又は前記第１の層より小さい割合でアルミニウムを含む、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体からなる第２の層とが、交互に積層された積層領域を有していることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記第１の層は、化学式Ａｌ(x)Ｉｎ(y)Ｇａ(1-x-y)Ｎ又はＡｌ(x)Ｂ(y)Ｇａ(1-x-y)Ｎで示される材料からなり、前記第２の層は、化学式Ａｌ(a)Ｉｎ(b)Ｇａ(1-a-b)Ｎ又はＡｌ(a)Ｂ(b)Ｇａ(1-a-b)Ｎで示される材料からなり、前記ｘ、ｙ、ａ及びｂは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ａ＜１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１、ａ＜ｘを満足することを特徴とする請求項３記載の窒化物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体装置形成用基板及び窒化物半導体装置に関し、特にＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などの電子デバイスを形成するのに好適な窒化物半導体装置形成用基板及びこれを用いて形成した窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体装置を形成するための窒化物半導体形成用基板は、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）などの基板と、この上にエピタキシャル成長された複数の窒化物半導体層からなっている。サファイア基板及び炭化ケイ素基板は、高価であるため、安価なシリコン基板を使用するのが好ましい。一方、シリコン基板と窒化物半導体領域との間には、大きい熱膨張係数の差がある。そのため、高温でエピタキシャル成長した後、常温に戻すことで窒化物半導体領域に応力が加わり、クラックや転位が発生してしまう。
【０００３】
このような問題を解決するため、特許文献１では、シリコン又はシリコン化合物からなる基板上に、多層構造のバッファ領域を積層し、このバッファ領域の上に半導体装置の機能層を構成する窒化物半導体層を含む半導体領域をエピタキシャル成長させる技術が開示されている。この多層構造のバッファ領域は、良好な応力緩和効果層となり、半導体領域のクラックや転位の発生を減少させることができる。
【０００４】
しかし、多層構造のバッファ領域を、例えば、ＡｌＮからなる比較的薄い層とＧａＮからなる比較的厚い層との繰り返しによって形成する場合、ＧａＮ層の格子定数は、ＡｌＮ層の格子定数よりも大きいため、ＡｌＮ層とＧａＮ層とで形成されるヘテロ構造が格子緩和されず、歪んでしまう。このような場合、上側のＡｌＮ層に引張り応力が加わり、ヘテロ界面に大きな分極電荷が生じ、ＧａＮ層に二次元電子ガス層が生じてしまう。図６はこの二次元電子ガス層の生成を説明するためのエネルギーバンド図の模式図である。図６に示すように、ＡｌＮ層（Ｌ２）上に積層されたＧａＮ層（Ｌ３）とのヘテロ界面に、伝導帯ＥｃがフェルミレベルＥｆよりも下側に突出した部分が生じ、二次元電子ガス層が生成することがわかる。
【０００５】
なお、ＡｌＮ層（Ｌ２）とその下に積層されたＧａＮ層（Ｌ１）とのヘテロ界面には二次元電子ガス層が生じにくい。これは、ＧａＮ層（Ｌ１）には圧縮応力が加わり、ＡｌＮ層（Ｌ２）とＧａＮ層（Ｌ１）には互いに逆向きのピエゾ分極が発生し、バンドが大きく変調されるためである。
【０００６】
上述のようにバッファ領域に二次元電子ガス層が生じると、横方向の抵抗が極めて小さくなり、この上に形成される窒化物半導体装置の漏れ電流が増大してしまうという問題が生じる。さらに、このバッファ領域に形成された二次元電子ガス層は、その上に形成される窒化物半導体装置に大きな寄生容量として作用するため、高周波特性を著しく阻害してしまうという問題が生じる。
【０００７】
一方、この二次元電子ガス層の抑制のために、バッファ領域を三層もしくは四層からなる積層領域で構成し、エネルギーバンド構造を変える方法が提案されている（特許文献２）。しかし、従来提案されているバッファ構造でも、その上に成長される半導体領域の転位密度は十分に低いレベルとすることはできていない。そのため、窒化物半導体装置の電気的特性や信頼性を向上させるために、さらに転位密度を低減することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−５９９４８号公報
【特許文献２】特開２００５−１５８８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、バッファ領域の漏れ電流を低減すると共に、半導体領域の転位密度を低減した窒化物半導体装置形成用基板を提供し、高周波特性に優れた窒化物半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、シリコン又はシリコン化合物からなる基板と、該基板の一方の主面上に積層されたバッファ領域と、該バッファ領域の上に積層された少なくとも窒化物半導体層を含む半導体領域とを備えた窒化物半導体装置形成用基板であって、前記バッファ領域に、少なくともアルミニウムを含む窒化物半導体からなる第１の層と、アルミニウムを含まない又は前記第１の層よりも小さい割合でアルミニウムを含む、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体からなる第２の層とが、交互に積層された積層領域を有していることを特徴とするものである。
【００１１】
本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の窒化物半導体装置形成用基板において、前記第１の層は、化学式Ａｌ(x)Ｉｎ(y)Ｇａ(1-x-y)Ｎ又はＡｌ(x)Ｂ(y)Ｇａ(1-x-y)Ｎで示される材料からなり、前記第２の層は、化学式Ａｌ(a)Ｉｎ(b)Ｇａ(1-a-b)Ｎ又はＡｌ(a)Ｂ(b)Ｇａ(1-a-b)Ｎで示される材料からなり、前記ｘ、ｙ、ａ及びｂは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ａ＜１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１、ａ＜ｘの関係を満足することを特徴とするものである。
【００１２】
本願請求項３に係る発明は、シリコン又はシリコン化合物からなる基板と、該基板の一方の主面上に積層されたバッファ領域と、該バッファ領域の上に積層された少なくとも窒化物半導体層を含む半導体領域と、該半導体領域上に離間して形成された第１及び第２の電極と、該第１及び第２の電極間を流れる電流を制御する制御電極とを備えた窒化物半導体装置であって、前記バッファ領域に、少なくともアルミニウムを含む窒化物半導体からなる第１の層と、アルミニウムを含まない又は前記第１の層より小さい割合でアルミニウムを含む、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体からなる第２の層とが、交互に積層された積層領域を有していることを特徴とするものである。
【００１３】
本願請求項４に係る発明は、請求項３記載の窒化物半導体装置において、前記第１の層は、化学式Ａｌ(x)Ｉｎ(y)Ｇａ(1-x-y)Ｎ又はＡｌ(x)Ｂ(y)Ｇａ(1-x-y)Ｎで示される材料からなり、前記第２の層は、化学式Ａｌ(a)Ｉｎ(b)Ｇａ(1-a-b)Ｎ又はＡｌ(a)Ｂ(b)Ｇａ(1-a-b)Ｎで示される材料からなり、前記ｘ、ｙ、ａ及びｂは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ａ＜１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１、ａ＜ｘを満足することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の窒化物半導体装置形成用基板によれば、バッファ領域にｐ型不純物層を導入（ドープ）することにより、窒化物系材料特有の転位を減少させることが可能となる。
【００１５】
また、本発明の窒化物半導体装置形成用基板によれば、多層構造のバッファ領域に二次元電子ガス層の発生を抑制することができる。そのため、バッファ領域が高抵抗化され、その上に形成される窒化物半導体装置における漏れ電流を低減することができる。さらに、このバッファ領域における二次元電子ガス層に起因する寄生容量が低減され、高周波特性を大きく改善した窒化物半導体装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るＨＥＭＴの構造の断面図である。
【図２】本発明に係る窒化物半導体装置形成用基板のバッファ領域のエネルギーバンド図である。
【図３】本発明の第１の実施例のＨＥＭＴの高周波小信号特性を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例のＨＥＭＴの２ＧＨｚにおけるパワー特性を示す図である。
【図５】本発明に係る別のＨＥＭＴの構造の断面図である。
【図６】従来のＨＥＭＴのバッファ領域における二次元電子ガスの発生原理を示す図である。
【図７】従来のＨＥＭＴの高周波小信号特性を示す図である。
【図８】従来のＨＥＭＴの２ＧＨｚにおけるパワー特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は本発明に係るＨＥＭＴ構造の断面図である。図１に示すように、単結晶シリコン、多結晶シリコン又は炭化ケイ素等のシリコン化合物からなる基板１上に、バッファ領域２とＨＥＭＴの機能部を構成する半導体領域３が積層形成されている。またバッファ領域２は、アルミニウム（Ａｌ）を含む窒化物半導体からなる第１の層４とアルミニウムを含まないか、あるいは第１の層４より小さい割合でアルミニウムを含む第２の層５が相互に積層されている多層構造体となっている。バッファ領域２上に積層形成されている半導体領域３は、電子走行層６と電子供給層７から構成されている。このように本発明の窒化物半導体装置形成用基板は、基板１上に、多層構造体のバッファ層２及び半導体領域３が積層した構成となっている。
【００１８】
このように構成された窒化物半導体装置形成用基板の半導体領域３表面には、ソース電極８（第１の電極に相当）とドレイン電極９（第２の電極に相当）とソース電極８とドレイン電極９との間に流れる電流を制御する制御電極となるゲート電極１０が形成されている。１０は、表面保護膜である。本発明の窒化物半導体装置は、上記窒化物半導体装置形成用基板表面に、相互に離間した第１の電極と第２の電極が形成されており、この第１の電極と第２の電極との間に流れる電流を、制御電極によって制御する構成となっている。以下、本発明の窒化物半導体装置形成用基板及び窒化物半導体装置について、いわゆるＨＥＭＴ構造の窒化物半導体装置を形成する場合を例にとり、詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の第１の実施例について、説明する。基板１は、高抵抗のシリコン単結晶からなる。この基板１のバッファ領域２が積層形成されている面は、ミラー指数で示す結晶の面方位（１１１）ジャスト面である。この基板１の抵抗率は比較的高い値、例えば、１００〜１００００Ω・ｃｍ程度である。基板１は比較的厚い約６００μｍの厚みを有し、バッファ領域２及び半導体領域３の支持体として機能する。
【００２０】
バッファ領域２は、基板１と半導体領域３の間に積層形成されており、半導体領域３の結晶性や表面平坦性の改善に寄与する。バッファ領域２を構成する第１の層４、第２の層５は、第１の層４と第２の層５の積層構造を１組として、好ましくは２〜２００回繰り返して積層形成される。本実施例では、２０回繰り返して積層した構造の場合について説明する。なお、バッファ領域２は、少なくとも一部に積層構造体を備える構成とすればよい。
【００２１】
基板１上及び第２の層５上に設置された第１の層４は、基板１の熱膨張係数と半導体領域３の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する材料で形成することが望ましい。第１の層４と半導体領域３との間の熱膨張係数の差が小さいと、半導体領域３に発生するクラックや転位が少なくなるからである。
【００２２】
第１の層４は、化学式Ａｌ(x)Ｉｎ(y)Ｇａ(1-x-y)Ｎ又はＡｌ(x)Ｂ(y)Ｇａ(1-x-y)Ｎ（ここでｘ及びｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１を満足する数値）で表すことができる材料とするのが好ましい。以下、第１の層４は、ｘが１となるＡｌＮ（窒化アルミニウム）の場合を例にとり説明する。第１の層４の厚さは、０．５〜５０ｎｍの範囲で設定するのが好ましい。第１の層４の厚さが０．５ｎｍ未満の場合には、バッファ領域２の上面に形成される半導体領域３の平坦性を良好に保つことができず、その厚さが５０ｎｍを超えると、第１の層４と第２の層５との格子不整合が生じるためである。またその厚さが５０ｎｍを越えると、第１の層４と第２の層５との熱膨張係数差に起因して、第１の層４内に発生する引張り歪みにより、第１の層４内にクラックが発生するおそれがあるためである。なお、本実施例では第１の層４の厚さは５ｎｍである。
【００２３】
第２の層５は、化学式Ａｌ(a)Ｉｎ(b)Ｇａ(1-a-b)Ｎ又はＡｌ(a)Ｂ(b)Ｇａ(1-a-b)Ｎ（ここでａ及びｂは、０≦ａ＜１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１、ａ＜ｘを満足する数値）で表すことができる材料とするのが好ましい。以下、第２の層５は、ａが０となるＧａＮ（窒化ガリウム）の場合を例にとり説明する。第２の層５の厚さは、０．５〜５００ｎｍの範囲で設定するのが好ましい。第２の層５の厚さが０．５ｎｍ未満の場合には、バッファ領域２の上面に形成される半導体領域３の平坦性を良好に保つことができず、その厚さが５００ｎｍを超えると、第２の層５と第１の層４との積層構造による応力緩和効果が損なわれ、クラックが発生するおそれがあるためである。また、第２の層５の厚さを第１の層４の厚さより大きくすることが望ましい。こうすると、第１の層４と第２の層５との格子不整合及び第１の層４と基板１との熱膨張係数差に起因して第１の層４に歪みが発生して、第１の層４にクラックが発生することを抑えることができるためである。なお、本実施例では第１の層５の厚さは２０ｎｍである。
【００２４】
さらに第２の層５は、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、炭素（Ｃ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）の内の少なくとも１種類の元素をドーピングする。具体的にはｐ型ＧａＮのホールキャリア濃度が、１×１０16〜５×１０19ｃｍ-3とするのが望ましい。なお、本実施例では、第２の層５の積層を２ｎｍ積層した後、８×１０12ｃｍ-2の濃度で、マグネシウムのデルタドーピングを施した。
【００２５】
半導体領域３は、ノンドープのＧａＮからなる電子走行層６とｎ型不純物としてシリコンをドーピングしたｎ型Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎからなる電子供給層７と形成している。なお、本実施例では、電子走行層６の厚さは１．０μｍ、電子供給層７の厚さは２５ｎｍとした。ソース電極８及びドレイン電極９は、電子供給層７にオーミック接触し、ゲート電極１０は電子供給層７にショットキ接触している。表面保護膜１１は、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）とした。
【００２６】
以上のように本実施例によれば、バッファ領域２の第２の層５にマグネシウムのデルタドーピングを施すことにより、図２に示すエネルギーバンド図のように、ポテンシャルが持ち上がり、伝導帯ＥcがフェルミレベルＥfよりも下側に突出した部分をなくすことができる。すなわち、バッファ領域２における二次元電子ガス層の発生を抑制することができる。この結果、バッファ領域２は高抵抗化され、バッファ領域２を介して流れる漏れ電流を低減することができることがわかる。なお、ｐ型不純物のドーピングは、デルタドーピングに限らず、通常のドーピングとすることが可能であるが、デルタドーピング法を採用すると、急峻な濃度プロファイルを実現することができ、好適である。
【００２７】
また、バッファ領域２における二次元電子ガス層の発生を抑制することができることにより、従来方法で作製したバッファ領域を持つ窒化物半導体装置と比較して、寄生容量を低減することができる。図３に、本実施例により形成したＨＥＭＴの高周波小信号特性図を示す。比較のため、従来のＨＥＭＴの高周波小信号特性を図７に示す。図において、「ＭＳＧ／ＭＡＧ」は、最大安定電力利得（Maximum Stable Power Gain）／最大有能電力利得（Maximum Available Power Gain）であり、「｜ｈ21｜2」は電流利得である。両者を比較すると、高周波特性の指標である電流利得遮断周波数ｆTおよび最大発振周波数ｆmaxは、従来のＨＥＭＴでは、それぞれ、１４．９ＧＨｚ、２２ＧＨｚであるのに対し、本実施例では、それぞれ、１７．３ＧＨｚ、５６ＧＨｚとなっており、本実施例の方が、ｆTおよびｆmaxは増加し、特性改善が図られることがわかる。特にｆmaxは、大幅な改善がみられ、本発明の効果が大きいことがわかる。また、図４に、本実施例により形成したＨＥＭＴの２ＧＨｚにおけるパワー特性を示す。比較のため、従来のＨＥＭＴの２ＧＨｚのパワー特性を図８に示す。両者を比較すると、電力付加効率（ＰＡＥ：Power Added Efficiency）、利得（Ｇａｉｎ）、出力電力（ＯｕｔｐｕｔＰｏｗｅｒ）とも、大幅に特性が向上していることがわかる。特に、利得（Ｇａｉｎ）は、１０ｄＢ以上の改善が見られた。これは、バッファ領域２における二次元電子ガス層の発生を抑制することで、バッファ領域２における二次元電子ガス層とゲート電極１０との間に生じる寄生容量が低減し、その結果、利得を大幅に向上させることができたと考えられ、本発明の効果が大きいことがわかる。
【００２８】
また、バッファ領域２の第２の層５にマグネシウムを組成成分としてではなく不純物として添加（ドープ）することにより、マグネシウムが界面活性剤の役目を果たして転位欠陥を固定させ、バッファ領域２の上に成長した半導体領域３の転位欠陥密度をさらに低減することができたと考えられる。
【実施例２】
【００２９】
図５は本発明に係る別のＨＥＭＴの構造の断面図である。第１の実施例と異なり、基板１とバッファ領域２との間に、結晶性および表面平坦性改善のために中間領域１２を挿入する点が異なり、この他は第１の実施例と同一に構成したものである。中間領域１２は、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ層１３、厚さ４０ｎｍのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層１４、厚さ２０ｎｍのＧａＮ層１５で構成されている。
【００３０】
本実施例によれば、バッファ領域２の第２の層５にマグネシウムのデルタドーピングを施すことにより、第１の実施例同様、ポテンシャルが持ち上がり、伝導帯ＥcがフェルミレベルＥfよりも下側に突出した部分をなくすことができる。すなわち、バッファ領域２における二次元電子ガス層の発生を抑制することができる。この結果、バッファ領域２は高抵抗化され、バッファ領域を介して流れる漏れ電流を低減することができる。
【００３１】
また、バッファ領域２における二次元電子ガス層の発生を抑制することで、バッファ領域２における二次元電子ガス層とゲート電極１０との間に生じる寄生容量が低減し、その結果、利得を大幅に向上させることができる。
【００３２】
また、バッファ領域２の第２の層５にマグネシウムを組成成分としてではなく不純物として添加（ドープ）することにより、マグネシウムが界面活性剤の役目を果たして転位欠陥を固定させ、バッファ領域２の上に成長した主半導体領域３の転位欠陥密度をさらに低減することができる。
【００３３】
さらにまた、中間層１２を積層形成することにより、バッファ層全体として良好な緩衝機能を得ることができ、バッファ層の上に形成される主半導体領域３の平坦性、結晶性が向上するという利点がある。
【符号の説明】
【００３４】
１:基板、２:バッファ領域、３:半導体領域、４:第１の層、５：第２の層、６:電子走行層、７:電子供給層、８:ソース電極、９:ドレイン電極、１０:ゲート電極、１１:表面保護膜、１２：中間領域、１３：ＡｌＮ層、１４：Ａ10.25Ｇａ0.75Ｎ層、１５：ＧａＮ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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