(57)【要約】【課題】ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Over Growth）を用いる半導体装置において、選択マスク材料からＳｉの拡散を抑えつつ高純度のＧａＮを成長させて、高耐圧特性を有する半導体素子を実現する。【解決手段】単結晶基板１０１上に選択的に形成されたＳｉＯ2マスク１０３とＧａＮ層１０４、１０６が順次形成された構造であって、ＳｉＯ2マスク１０３の誘電率がＧａＮ層１０４より低く、さらにＧａＮ層１０４とＧａＮ層１０６との間にＡｌＧａＮ層１０５が挿入された構成とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に選択的に形成されかつＳｉを含有しないマスク層と、前記マスク層を含む基板上に形成されたIII族窒化物半導体層とを有することを特徴とする半導体電子装置。
【請求項２】
基板と、前記基板上に選択的に形成されたマスク層と、前記マスク層を含む基板上に形成された、Ａｌを含有する第１のIII族窒化物半導体層と、前記第１のIII族窒化物半導体層の上に形成された第２のIII族窒化物半導体層とを有することを特徴とする半導体電子装置。
【請求項３】
前記マスク層がシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項２記載の半導体電子装置。
【請求項４】
基板と、前記基板上に形成されたIII族窒化物半導体層と、前記III族窒化物半導体層の前記基板側の界面近傍に選択的に形成された中空層とを有することを特徴とする半導体電子装置。
【請求項５】
前記マスク層がＡｌＮであることを特徴とする請求項１記載の半導体電子装置。
【請求項６】
前記マスク層がＡｌＮとＳｉＯ2との２層構造であることを特徴とする請求項２記載の半導体電子装置。
【請求項７】
前記基板の表面がＡｌＮであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の半導体電子装置。
【請求項８】
動作時に生じる空乏層領域の直下に前記マスク層が配置されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の半導体電子装置。
【請求項９】
基板と、前記基板上に選択的に形成されかつＳｉを含有しない第１のマスク層と、前記第１のマスク層を含む基板上に形成された第１のIII族窒化物半導体層と、前記第１のIII族窒化物半導体層の上に形成された第２のマスク層と、前記第２のマスク層の上に形成された第２のIII族窒化物半導体層とを有することを特徴とする半導体電子装置。
【請求項１０】
基板と、前記基板上に選択的に形成された第１のマスク層と、前記第１のマスク層を含む基板上に形成された第１のIII族窒化物半導体層と、前記第１のIII族窒化物半導体層の上に形成された第２のマスク層と、前記第２のマスク層の上に形成されたＡｌを含有する第２のIII族窒化物半導体層と、前記第２のIII族窒化物半導体層の上に形成された第３のIII族窒化物半導体層とを有することを特徴とする半導体電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車あるいは家電機器に用いられるインバータに代表される電源スイッチング用の半導体電子装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の電源用スイッチングデバイスは、その小型化および高効率化が要求されている。そのためには、半導体素子のオフ状態での破壊電圧（耐圧）を維持しながら、オン状態における抵抗（オン抵抗）を低減することが必要である。一般に、耐圧とオン抵抗はトレードオフの関係にあり、その限界は半導体素子を構成する半導体材料の物性によって決定付けられる。従来、これらの半導体素子としてＳｉを用いたＭＯＳＦＥＴが用いられてきたが、近年、より高性能化を実現するためにＳｉＣあるいはＧａＮといったワイドギャップ半導体を用いたパワー用半導体素子が開発されつつある。
【０００３】
特に、III族窒化物半導体（一般式はＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表される。例えばＡｌxＧａ1-xＮについてはＡｌＧａＮと略記される）材料であるＧａＮは、従来のシリコンと比較して高い絶縁破壊電界とＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面形成時に高いシートキャリア濃度をもつという特徴のため、高電流と高耐圧を両立でき、高出力半導体素子用材料として注目されている。これまでに、高出力半導体素子をターゲットとしたＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合をもつ電界効果型トランジスタに関する研究が国内外の多くの機関から報告されている。しかしながら、これらのＧａＮ材料の結晶成長には多くの課題がある。一般に、ＧａＮには適切な基板がないためにサファイアやＳｉＣといった基板上にヘテロエピ成長させる必要がある。さらに、その結晶成長の難しさから、ＧａＮ薄膜中には高密度の結晶欠陥が存在する。それゆえ、バルクのＧａＮ材料の絶縁破壊電界は高いものの、実際のデバイスではその物性値を十分に引き出させていないという問題がある。
【０００４】
そこで、材料の低欠陥化を実現するために、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Over Growth）を利用した半導体素子が提唱されている（特許文献１）。この特許文献１中の図１１によれば、サファイア基板上に成長させたＧａＮ上にＳｉＯ2で選択マスクを形成し、その上にＧａＮを結晶成長させる。ＧａＮは選択的にＳｉＯ2上には成長せずに、ＧａＮ上に成長する。ＳｉＯ2上にはＧａＮが横方向に成長する。このように成長したＳｉＯ2上のＧａＮは欠陥密度が低いという特徴がある。この欠陥密度の低いＧａＮ上に電界効果型トランジスタを形成することにより、作製した電界効果型トランジスタは高い耐圧をもつことが期待されている。
【特許文献１】特開２００１−２３０４１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術では、ＥＬＯのマスクとして使用する材料はＳｉＯ2であるため、結晶成長中にＳｉＯ2の構成元素であるシリコンがＧａＮ中を拡散するという問題がある。実際にＧａＮあるいはＡｌＮをはじめとする窒化物系材料の成長温度は１０００℃近辺で実施されるため、ＧａＮ中へのシリコンの拡散は無視できない。その結果、アンドープで成長したはずのＧａＮ中にはｎ型ドーパントであるＳｉが大量に入り込み、ｎ型のＧａＮが成長されてしまう。このような状況では、デバイスの高耐圧化はもちろんのこと、意図したデバイス構造を作製することは極めて困難である。
【０００６】
さらにＥＬＯの選択マスクとして用いる材料の誘電率が高いために半導体電子装置の高周波特性が劣化するという問題がある。
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明は、従来の選択マスク上のＥＬＯにおいて、Ｓｉが半導体素子の活性領域に拡散することを抑制すること、およびマスク材料の性質を適切にすることにより、高い耐圧特性と高周波特性を有する半導体電子装置を実現できる構成を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記従来の課題を解決するために、再成長の選択マスクの上に窒化物半導体材料を成長する際に、マスク材料にＳｉを含まない材料を使用する、もしくは、Ｓｉの拡散を抑制する材料を導入する。
【０００９】
具体的には、本発明の半導体電子装置は、基板と、基板上に選択的に形成されかつＳｉを含有しないマスク層と、マスク層を含む基板上に形成されたIII族窒化物半導体層とを有するものである。
【００１０】
この構成により、ｎ型ドーパントであるＳｉの拡散を根本的に抑制できるので、高耐圧の半導体電子装置を実現することが可能となる。
【００１１】
なお、ここで、半導体電子装置とは、例えば電界効果型トランジスタ、ショットキーバリアダイオード、バイポーラ型トランジスタといった、高周波や高出力用途に用いられる装置のことをいう。以下についても同様である。
【００１２】
本発明の半導体電子装置は、基板と、基板上に選択的に形成されたマスク層と、マスク層を含む基板上に形成された、Ａｌを含有する第１のIII族窒化物半導体層と、第１のIII族窒化物半導体層の上に形成された第２のIII族窒化物半導体層とを有するものである。
【００１３】
この構成により、Ａｌを含有する第１のIII族窒化物半導体層により選択マスク材料の構成元素の拡散が抑制されるために、高品質な結晶を成長させることができ、その結果、優れた特性を有する半導体電子装置を実現することが可能となる。
【００１４】
本発明の半導体電子装置は、さらに前記マスク層がシリコン酸化膜であることが好ましい。この好ましい構成によれば、マスク層がシリコン酸化膜であることにより、ＥＬＯ時に横方向成長が極めて有効におこなわれ、欠陥密度の低いIII族窒化物半導体層を成長させることができる。
【００１５】
本発明の半導体電子装置は、基板と、前記基板上に形成されたIII族窒化物半導体層と、前記III族窒化物半導体層の前記基板側の界面近傍に選択的に形成された中空構造とを有するものである。
【００１６】
この構成により、選択的に中空構造を有するので、III族窒化物半導体層の欠陥密度が低減する。
【００１７】
本発明の半導体電子装置は、さらにマスク層がＡｌＮであることが好ましい。この好ましい構成によれば、マスク層が極めて熱伝導率の高いＡｌＮであることにより、放熱特性に優れた半導体電子装置を実現することが可能となる。
【００１８】
本発明の半導体電子装置は、さらにマスク層がＡｌＮとＳｉＯ2との２層構造であることが好ましい。この好ましい構成によれば、ＥＬＯ時に横方向成長が極めて有効におこなわれ、欠陥密度の低いIII族窒化物半導体層を成長させることができるうえ、マスク層が極めて熱伝導率の高いＡｌＮであることにより、放熱特性に優れた半導体電子装置を実現することが可能となる。
【００１９】
本発明の半導体電子装置は、さらに基板の表面がＡｌＮであることが好ましい。この好ましい構成によれば、基板上に成長させるIII族窒化物半導体材料の欠陥密度を低減することができるため、耐圧をはじめ優れた特性を有する半導体電子装置を実現することができる。
【００２０】
本発明の半導体電子装置は、さらに動作時に生じる空乏層領域の直下に前記マスク層が配置されることが好ましい。この好ましい構成によれば、耐圧特性を決定する空乏層領域が結晶性の優れた領域に配置されることになり、その結果、耐圧特性をはじめ優れた特性を有する半導体電子装置を実現することができる。
【００２１】
本発明の半導体電子装置は、基板と、基板上に選択的に形成されかつＳｉを含有しない第１のマスク層と、第１のマスク層を含む基板上に形成された第１のIII族窒化物半導体層と、第１のIII族窒化物半導体層の上に形成された第２のマスク層と、第２のマスク層の上に形成された第２のIII族窒化物半導体層とを有するものである。
【００２２】
この構成により、ｎ型ドーパントであるＳｉの拡散を根本的に抑制できるので、高耐圧特性を有する電子デバイスを実現することが可能となる。さらに、２回のＥＬＯによって極めて結晶性の優れたIII族窒化物半導体層を成長させることができ、その結果、優れた特性を有する半導体電子装置を実現することが可能となる。
【００２３】
本発明の半導体電子装置は、基板と、前記基板上に選択的に形成された第１のマスク層と、前記第１のマスク層を含む基板上に形成された第１のIII族窒化物半導体層と、前記第１のIII族窒化物半導体層の上に形成された第２のマスク層と、前記第２のマスク層の上に形成されたＡｌを含有する第２のIII族窒化物半導体層と、前記第２のIII族窒化物半導体層の上に形成された第３のIII族窒化物半導体層とを有するものである。
【００２４】
この構成により、２回のＥＬＯによって極めて結晶性の優れた窒化物半導体材料を成長させることができる。さらに、Ａｌを含有する第２のIII族窒化物半導体層により第２のマスク層の構成元素の拡散が抑制されるために、高品質なIII族窒化物半導体層を成長させることができ、その結果、優れた特性を有する半導体電子装置を実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明によれば選択マスクとして使用するＳｉＯ2からのＳｉの拡散を抑制できるので、キャリア密度の低い窒化物半導体を成長することが可能となるので、優れた耐圧特性および高周波特性をもつ半導体電子装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。
【００２７】
図１は、代表的な窒化物半導体材料中のＳｉの拡散速度を示す。これより、ＧａＮ中では、Ｓｉの拡散が非常に高速におこなわれることがわかる。それに対して、ＡｌＧａＮ、特にＡｌＮ中では、Ｓｉの拡散速度が遅い。この発明者らが初めて実験的に見出した結果を用いると、ＡｌＧａＮがＳｉの拡散ストップ層として非常に有効であることがわかる。さらに、選択マスク材料として誘電率の低い材料もしくは中空構造を用いることにより、これらを利用した半導体装置の高周波特性向上させることができる。さらに、選択マスク材料として熱伝導率の高い材料を用いることで、半導体装置の放熱特性を向上させることができる。また、これらのＥＬＯを２回おこなうことにより、より一層の結晶性を向上させることができ、その結果、耐圧特性をはじめとするデバイス特性を向上させることができる。
【００２８】
（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態における半導体電子装置の図面である。本図において、１０１は単結晶基板、１０２はＡｌＮ層、１０３はマスク材料であるＳｉＯ2、１０４はＧａＮ層、１０５はＡｌＧａＮ層、１０６はＧａＮ層、１０７はＡｌＧａＮ層、１０８はソース電極、１０９はドレイン電極、１１０はゲート電極である。本実施形態においては、単結晶基板１０１上にＡｌＮ層１０２がエピタキシャル成長されており、その上にＥＬＯの選択マスク材料となるＳｉＯ2マスク１０３がパターニングされている。単結晶基板としては、サファイア、シリコン、ＳｉＣをはじめとする多くの基板材料を適用可能である。このような基板に対して、III族窒化物半導体材料であるＧａＮ層１０４を成長させた構造となっている。このＧａＮ層１０４上にＡｌＧａＮ層１０５、ＧａＮ層１０６、ＡｌＧａＮ層１０７が順次成長されており、ＧａＮ層１０６とＡｌＧａＮ層１０７との界面には二次元電子ガスが蓄積されている。この上に、ソース電極１０８、ドレイン電極１０９、ゲート電極１１０が形成されており、電界効果型トランジスタとして機能する。電界効果型トランジスタに限らず、ショットキーバリアダイオード、バイポーラ型トランジスタなど、どのような能動素子であってもよい。さらに、この電界効果型トランジスタが動作時に形成される空乏層領域の直下にＳｉＯ2マスク１０３が配置されるようにする。
【００２９】
ＡｌＮ層１０２が単結晶基板上に形成されているために、その上のＧａＮ層１０４の結晶品質がＡｌＮ層１０２のない場合と比較して優れたものとなる。この際、ＧａＮ層１０４はＥＬＯ（Epitaxial  Lateral Over Growth）により成長されるため、マスク材料１０３上の結晶品質は極めて高い。これにより電界効果型トランジスタの耐圧特性を劇的に改善することができる。さらに、この選択マスク１０４の領域をエッチングによって除去することにより、中空構造にすることより、寄生容量を低減することができ、高周波特性を改善することができる。また、ＡｌＧａＮ層１０５中のＳｉの拡散定数はＧａＮと比較して小さいために、ＥＬＯ中にＳｉがＧａＮ中に拡散することがない。このため、ＧａＮ層１０６はキャリア密度の低い、高純度な結晶にすることができる。また、この効果は、マスク材料としてシリコンを含まない材料を用いても同様に得られることはもちろんである。その結果、高い耐圧特性を有する電界効果型トランジスタを実現することができる。
【００３０】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態における半導体電子装置の図面である。本図において、２０１は単結晶基板、２０２はＡｌＮ層、２０３はマスク材料であるＡｌＮ、２０４はマスク材料であるＳｉＯ2、２０５はＧａＮ層、２０６はＡｌＧａＮ層、２０７はＧａＮ層、２０８はＡｌＧａＮ層、２０９はソース電極、２１０はドレイン電極、２１１はゲート電極である。本実施形態においては、単結晶基板２０１上にＡｌＮ層２０２がエピタキシャル成長されており、その上に選択的にマスク材料となるＡｌＮ層２０３が成長されており、ＡｌＮ層２０３をカバーするように、ＳｉＯ2マスク２０４が形成されている。単結晶基板としては、サファイア、シリコン、ＳｉＣをはじめとする多くの基板材料を適用可能である。このような基板に対して、III族窒化物半導体材料であるＧａＮ層２０５を成長させた構造となっている。このＧａＮ層２０５上にＡｌＧａＮ層２０６、ＧａＮ層２０７、ＡｌＧａＮ層２０８が順次成長されており、ＧａＮ層２０７とＡｌＧａＮ層２０８界面には二次元電子ガスが蓄積されている。この上に、ソース電極２０９、ドレイン電極２１０、ゲート電極２１１が形成されており、電界効果型トランジスタとして機能する。電界効果型トランジスタに限らず、ショットキーバリアダイオード、バイポーラ型トランジスタなど、どのような能動素子であってもよい。さらに、この電界効果型トランジスタが動作時に形成される空乏層領域の直下にＡｌＮマスク２０３およびＳｉＯ2マスク２０４が配置されるようにする。
【００３１】
ＡｌＮ層２０２が単結晶基板上に形成されているために、その上のＧａＮ層２０５の結晶品質がＡｌＮ層２０２のない場合と比較して優れたものとなる。この際、ＧａＮ層２０５はＥＬＯ（Epitaxial Lateral Over Growth）により成長されるため、ＡｌＮマスク２０３およびＳｉＯ2マスク２０４上の結晶品質は極めて高い。さらに、ＡｌＮマスク２０３の熱伝導率がＧａＮ層１０６と比較して高いために、電界効果型トランジスタの放熱特性を劇的に改善することができる。これにより、トランジスタの接合温度を低減できるので、信頼性を高めることが可能となる。ＳｉＯ2マスク２０４を除去することにより、より一層放熱特性を向上させることができるが、ＧａＮの結晶成長条件を適切にすることが必要である。またＡｌＧａＮ層２０６中のＳｉの拡散定数はＧａＮと比較して小さいために、ＥＬＯ中にＳｉがＧａＮ中に拡散することがない。このため、ＧａＮ層２０７はキャリア密度の低い、高純度な結晶にすることができる。その結果、高い耐圧特性を有する電界効果型トランジスタを実現することができる。
【００３２】
（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施例における半導体電子装置の図面である。本図において、３０１は単結晶基板、３０２はＡｌＮ層、３０３は第１のマスク材料であるＳｉＯ2、３０４は第１のＧａＮ層、３０５は第２のマスク材料であるＳｉＯ2、３０６は第２のＧａＮ層、３０７はＡｌＧａＮ層、３０８はＧａＮ層、３０９はＡｌＧａＮ層、３１０はソース電極、３１１はドレイン電極、３１２はゲート電極である。本実施形態においては、単結晶基板３０１上にＡｌＮ層３０２がエピタキシャル成長されており、その上にＥＬＯの選択マスク材料となる第１のＳｉＯ2マスク３０３がパターニングされている。単結晶基板３０１としては、サファイア、シリコン、ＳｉＣをはじめとする多くの基板材料を適用可能である。このような基板に対して、III族窒化物半導体材料である第１のＧａＮ層３０４を成長させた構造となっている。このＧａＮ層３０４上に２回目のＥＬＯの選択マスク材料となる第２のＳｉＯ2マスク３０５がパターニングされており、さらに、第２のＧａＮ層３０６を成長させた構造となっている。この上に、ＡｌＧａＮ層３０７、ＧａＮ層３０８、ＡｌＧａＮ層３０９が順次成長されており、ＧａＮ層３０８とＡｌＧａＮ層３０９との界面には二次元電子ガスが蓄積されている。この上に、ソース電極３１０、ドレイン電極３１１、ゲート電極３１２が形成されており、電界効果型トランジスタとして機能する。電界効果型トランジスタに限らず、ショットキーバリアダイオード、バイポーラ型トランジスタ、発光デバイスなど、どのような能動素子であってもよい。さらに、この電界効果型トランジスタが動作時に形成される空乏層領域の直下に第２のＳｉＯ2マスク３０５が配置されるようにする。
【００３３】
ＡｌＮ層３０２が単結晶基板上に形成されているために、第１のＧａＮ層３０４の結晶品質がＡｌＮ層３０２のない場合と比較して優れたものとなる。この際、ＧａＮ層３０４はＥＬＯ（Epitaxial  Lateral Over Growth）により成長されるため、第１のＳｉＯ2マスク３０３上の結晶品質は極めて高い。さらに、第２のＧａＮ層３０６は２回目のＥＬＯ（Epitaxial  Lateral Over Growth）により成長されるため、第２のＳｉＯ2マスク３０５上の結晶品質はより一層高くなる。これにより電界効果型トランジスタの耐圧特性を劇的に改善することができる。また、この第１のＳｉＯ2マスク３０３および第２のＳｉＯ2マスク３０５の領域を例えば王水によるエッチングによって除去して中空構造にすることにより、寄生容量を低減することができ、高周波特性を改善することができる。また、ＡｌＧａＳｉがＧａＮ中に拡散することがない。このため、ＧａＮ層３０８はキャリア密度の低い、高純度な結晶にすることができる。また、この効果は、マスク材料としてシリコンを含まない材料を用いても同様に得られることはもちろんである。その結果、高い耐圧特性を有する電界効果型トランジスタを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明にかかる半導体電子装置は、高耐圧特性が要求される電力用の高出力スイッチング素子あるいは大電力高周波素子などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】III族窒化物半導体材料中のＳｉの拡散速度を示す図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体電子装置を示す断面図
【図３】本発明の第２の実施形態に係る半導体電子装置を示す断面図
【図４】本発明の第３の実施形態に係る半導体電子装置を示す断面図
【符号の説明】
【００３６】
１０１、２０１、３０１  単結晶基板
１０２、２０２、３０２  ＡｌＮ層
１０３  ＳｉＯ2マスク
１０４、２０５  ＧａＮ層
１０５、２０６、３０７  ＡｌＧａＮ層
１０６、２０７、３０８  ＧａＮ層
１０７、３０９  ＡｌＧａＮ層
１０８、２０９、３１０  ソース電極
１０９、２１０、３１１  ドレイン電極
１１０、２１１、３１２  ゲート電極
２０３  ＡｌＮマスク
２０４  ＳｉＯ2マスク
２０８  ＡｌＧａＮ層
３０３  第１のＳｉＯ2マスク
３０４  第１のＧａＮ層
３０５  第２のＳｉＯ2マスク
３０６  第２のＧａＮ層
【図１】
2006179546.tif 000003
【図２】
2006179546.tif 000004
【図３】
2006179546.tif 000005
【図４】
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