(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【発明の詳細な説明】
【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Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ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Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ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】
0003708810.tif 000002
【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ｆmax＝２５ＧＨｚ、トランスコンダクタンスｇm＝２００ｍＳ／ｍｍ、介在させない場合はｆmax＝２０ＧＨｚ、ｇm＝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
２  ＡｌＮエピタキシャルバッファ層
３  ＧａＮチャネル層
４  ＡｌＮヘテロ特性改善層
５  ＡｌＧａＮ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
【図１】
0003708810.tif 000003
【図２】
0003708810.tif 000004