(57)【要約】【課題】電子移動度の高いＨＥＭＴ素子を提供する。【解決手段】基板１上に高品質な高Ａｌ組成のＡｌＧａＮによって下地層２を形成し、その上に、Ｉｎを含むチャネル層３と、ワイドバンドギャップ層５とを形成することによって、半導体積層構造１０、さらにはＨＥＭＴ素子２０を得る。これにより、Ｉｎを含み、かつ表面平坦性の良好な結晶品質の良いチャネル層３を含むＨＥＭＴ素子が得られる。その電子移動度は、従来の下地構造の上に同一のチャネル層およびワイドバンドギャップ層を有するＨＥＭＴ素子に比して、室温においては２０〜３０％程度向上しており、７７Ｋにおいては２．５〜２．６倍程度に増加しており、室温においておよそ２０００ｃｍ2／Ｖｓ、７７Ｋにおいてはおよそ８５００ｃｍ2／Ｖｓという値が得られる。【選択図】図１
2006093400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の基材と、
前記基材の上に形成され、含有する全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が５０％以上である第１のIII族窒化物からなる下地層と、
前記下地層の上に形成され、少なくともＩｎを含む第２のIII族窒化物からなるチャネル層と、
前記チャネル層の上に形成され、第３のIII族窒化物からなるワイドバンドギャップ層と、
を備えることを特徴とする半導体積層構造。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体積層構造であって、
前記下地層の転位密度が１×１０11ｃｍ-2以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が２００秒以下であることを特徴とする半導体積層構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体積層構造であって、
前記チャネル層と前記ワイドバンドギャップ層との間に、第４のIII族窒化物からなる保護層、
をさらに備えることを特徴とする半導体積層構造。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体積層構造であって、
前記保護層の組成が前記ワイドバンドギャップ層と略同一である、
ことを特徴とする半導体積層構造。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体積層構造であって、
前記第１のIII族窒化物の含有する全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が８０％以上であることを特徴とする半導体積層構造。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の半導体積層構造であって、
前記第１のIII族窒化物がＡｌＮであることを特徴とする半導体積層構造。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の半導体積層構造であって、
前記下地層が、１１００℃以上の温度で形成されていることを特徴とする半導体積層構造。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の半導体積層構造であって、
７７Ｋにおいて８０００ｃｍ2／Ｖｓ以上の電子移動度を有することを特徴とする半導体積層構造。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体積層構造であって、
室温において１９００ｃｍ2／Ｖｓ以上の電子移動度を有することを特徴とする半導体積層構造。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の半導体積層構造に、ソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極を形成してなるＨＥＭＴ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物を用いたＨＥＭＴ素子とこれを構成する半導体積層構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮをはじめとするIII族窒化物半導体は、バンドギャップが大きく、破壊電界強度が高く、飽和電子速度が速く、かつ高融点であることから、ＧａＡｓ系材料に代わる、高出力、高周波、耐環境用の半導体デバイス材料として期待されており、特に、その物性を活かすデバイスであるＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などが研究、開発されている。
【０００３】
その１つとして、ＩｎＮあるいはＩｎＧａＮをチャネル層に用いる半導体デバイスが、すでに公知である（例えば特許文献１ないし特許文献３参照。）。特許文献１ないし特許文献３に開示されている半導体デバイスは、基材（基板）上にバッファ層を設けた上で、ＧａＮあるいはＧａリッチなＡｌＧａＮからなる障壁層を形成し、さらにその上にＩｎＮあるいはＩｎＧａＮからなるチャネル層が形成されてなる構造を有する。または、基材（基板）上にバッファ層を設けた上で、ＧａＮあるいはＧａリッチなＡｌＧａＮからなる障壁層を形成し、さらにその上にＡｌＮなどのバンドギャップの大きな層を形成した後、ＩｎＮあるいはＩｎＧａＮからなるチャネル層が形成されてなる構造を有する。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２０４７７８号公報
【特許文献２】特開２０００−１９６０６７号公報
【特許文献３】特開平１１−２７４４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
デバイス特性の優れたＨＥＭＴ素子を得るためには、チャネル層の結晶品質が良好なものであることが求められる。また、チャネル層と障壁層とのバンドオフセットが大きい方が好ましいが、特許文献１ないし３に開示された技術は、これらの要求を必ずしも十分に満たしているとはいえない。
【０００６】
また、障壁層とチャネル層の間にＡｌＮなどのバンドギャップの大きな層の形成を行う場合、当該層のクラックの生じない臨界膜厚は極めて小さいため、良好な結晶品質および表面平坦性を有するような層形成は困難である。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電子移動度の高いＨＥＭＴ素子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】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、所定の基材と、前記基材の上に形成され、含有する全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が５０％以上である第１のIII族窒化物からなる下地層と、前記下地層の上に形成され、少なくともＩｎを含む第２のIII族窒化物からなるチャネル層と、前記チャネル層の上に形成され、第３のIII族窒化物からなるワイドバンドギャップ層と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体積層構造であって、前記下地層の転位密度が１×１０11ｃｍ-2以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が２００秒以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体積層構造であって、前記チャネル層と前記ワイドバンドギャップ層との間に、第４のIII族窒化物からなる保護層、をさらに備えることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４の発明は、請求項３に記載の半導体積層構造であって、前記保護層の組成が前記ワイドバンドギャップ層と略同一である、ことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体積層構造であって、前記第１のIII族窒化物の含有する全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が８０％以上であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の半導体積層構造であって、前記第１のIII族窒化物がＡｌＮであることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の半導体積層構造であって、前記下地層が、１１００℃以上の温度で形成されていることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の半導体積層構造であって、７７Ｋにおいて８０００ｃｍ2／Ｖｓ以上の電子移動度を有することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項９の発明は、請求項８に記載の半導体積層構造であって、室温において１９００ｃｍ2／Ｖｓ以上の電子移動度を有することを特徴とする。
【００１７】
また、請求項１０の発明は、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の半導体積層構造に、ソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極を形成してなる。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１ないし請求項１０の発明によれば、障壁層として作用する下地層とチャネル層とのバンドオフセットが大きい半導体積層構造さらにはＨＥＭＴ素子を、得ることができる。また、ＡｌリッチなIII族窒化物を用いることにより、下地層を高抵抗なものとすることができる。
【００１９】
特に請求項２の発明によれば、高結晶品質の下地層の上にチャネル層とワイドバンドギャップ層とを設けるので、Ｉｎを含み、かつ結晶品質の良いチャネル層を有し、バンドオフセットが大きく、電子移動度が高い半導体積層構造さらにはＨＥＭＴ素子が、実現される。
【００２０】
特に、請求項３および請求項４の発明によれば、チャネル層のうえに保護層を備えることによって、半導体積層構造およびＨＥＭＴ素子の特性がより向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体積層構造１０、およびこれを用いて形成されたＨＥＭＴ素子２０の構成を示す概要図である。なお、図示の都合上、図１における各層の厚みの比率は、実際の比率を反映したものではない。
【００２２】
半導体積層構造１０は、基板（基材）１の上に、下地層２と、チャネル層３と、ワイドバンドギャップ層５とを備える。これらの層はいずれも、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長法）法などの公知の成膜手法にて形成される。
【００２３】
基板１は、その上に形成するチャネル層３やワイドバンドギャップ層５の組成や構造、あるいは各層の形成手法に応じて適宜に選択される。例えば、サファイアやＳｉＣ（炭化ケイ素）などの基板を用いる。あるいは、ＺｎＯ，ＬｉＡｌＯ2，ＬｉＧａＯ2，ＭｇＡｌ2Ｏ4，（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ3，ＮｄＧａＯ3，ＭｇＯといった各種酸化物材料，Ｓｉ，Ｇｅといった各種ＩＶ族単結晶、ＳｉＧｅといった各種IV−IV族化合物，ＧａＡｓ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮといった各種III―Ｖ族化合物およびＺｒＢ2といった各種ホウ化物から適宜選択して用いてもよい。基板１の厚みには特段の材質上の制限はないが、取り扱いの便宜上、数百μｍ〜数ｍｍの厚みのものが好適である。
【００２４】
下地層２は含有する全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が５０％以上であるIII族窒化物、すなわちＡｌリッチなIII族窒化物にてにて形成される。下地層２は、チャネル層３に対し障壁層として作用する。ＡｌリッチなIII族窒化物を用いることで、高抵抗の下地層２を容易に得ることができる。好ましくは、Ａｌ元素のモル分率が８０％以上であるIII族窒化物を、より好ましくはＡｌＮを用いることで、下地層２をさらに高抵抗なものとして形成することができる。なお、図１には、下地層がＡｌＮである場合（ｗ＝１）を例示している。
【００２５】
ＭＯＣＶＤ法を用いる場合、下地層２の形成は、１１００℃以上の温度（基材温度）で行うことが好ましい。これより低い温度範囲では、結晶性のよい下地層２が得られないからである。より好ましくは、１１５０℃以上から１２５０℃の温度範囲で形成される。これにより、転位が減少し、結晶品質の良い下地層２が形成される。下地層２は、厚みの上限については、ピット発生の抑制の観点からは厚ければ厚いほど望ましいが、クラックの発生等、他の条件も考慮に入れて、その厚みが決定される。下地層２は、０．５μｍから３μｍの間の厚みに形成されるのが好適である。
【００２６】
下地層２は、その上に形成するチャネル層３さらにはワイドバンドギャップ層５の高結晶品質化を目的として、それ自体が高い結晶品質を有するように形成されるのが好ましい。よって、下地層２の転位密度は低いほど好ましいが、少なくとも１×１０11ｃｍ-2以下であればよい。１×１０10ｃｍ-2以下であればより好適である。また、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は２００秒以下であればよいが、１５０秒以下であることが好ましく、１００秒以下であれば更に好ましい。下地層２がこのような結晶品質を有することで、チャネル層３の結晶性がいっそう良好なものとなる。その結果、チャネル層３を、低転位密度であり、かつ高い結晶性を有する、高品質な状態に形成することができるため、極めて高い電子移動度がを実現される。
【００２７】
チャネル層３は、Ｉｎ1-zＧａzＮ（０≦ｚ＜１）なる組成のIII族窒化物にて形成される。すなわち、チャネル層３は、単層のＩｎＮ（ｚ＝０の場合）あるいはＩｎＧａＮ混晶にて形成される。チャネル層３は、５ｎｍから５０ｎｍ程度の厚みに形成されてなる。
【００２８】
ＭＯＣＶＤ法を用いる場合、チャネル層３の形成は、４００℃〜９００℃の温度範囲で行う。単層のＩｎＮの場合、６００℃前後ないしはそれ以下で形成するのがより好ましく、Ｇａの含有比率が高いほど、高い温度にて形成するのが好ましい。例えば、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ（ｚ＝０．９の場合）であれば、７８０℃前後で形成するのがより好ましい。このような温度範囲で形成するのが好適であるのは、これ以上に温度が高すぎるとＩｎＮの分解が生じ、チャネル層３を良好に形成することができないことがその理由である。
【００２９】
本実施の形態においては、このように、障壁層として作用する下地層２をＡｌＮにて形成し、チャネル層３をＩｎを含むIII族窒化物にて形成することによって、チャネル層と障壁層の間で、大きなバンドオフセット量が実現されている。
【００３０】
ワイドバンドギャップ層５は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ＜１）なる組成のIII族窒化物にて形成されてなる。すなわち、ＧａＮ（ｘ＝ｙ＝０の場合）あるいは混晶のIII族窒化物にて形成される。ワイドバンドギャップ層５は、２次元電子ガスの濃度を確保する観点から、全体として２０ｎｍから３０ｎｍ程度の厚みに形成されるのが好ましい。
【００３１】
ＭＯＣＶＤ法を用いる場合、ワイドバンドギャップ層５の形成は、８００℃以上の温度範囲で行う。単層のＧａＮの場合、９００℃前後で形成するのがより好ましく、Ａｌの含有比率が高いほど、高い温度で形成するのが好ましい。例えば、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ（ｘ＝０．２５、ｙ＝０の場合）であれば、１０８０℃前後で形成するのが好ましい。
【００３２】
以上のように形成される半導体積層構造１０の特性は、以下の通りである。
【００３３】
チャネル層３が単層のＩｎＮ（ｚ＝０）であり、ワイドバンドギャップ層５が単層のＧａＮ（ｘ＝ｙ＝０）の場合（図３（Ａ）参照）、電子移動度については、室温においておよそ２０００ｃｍ2／Ｖｓ、７７Ｋにおいてはおよそ８５００ｃｍ2／Ｖｓという値が得られる。また、この場合に、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）にて測定したワイドバンドギャップ層の表面粗さＲＭＳの値は２ｎｍ以下である。
【００３４】
一方、チャネル層３がＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ（ｚ＝０．９）であり、ワイドバンドギャップ層５が単層のＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ（ｘ＝０．２５、ｙ＝０）の場合（図４（Ａ）参照）、電子移動度は、室温においておよそ１０００ｃｍ2／Ｖｓ、７７Ｋにおいては５５００ｃｍ2／Ｖｓという値が得られる。また、この場合に、ワイドバンドギャップ層の表面粗さＲＭＳの値は０．３ｎｍ程度である。
【００３５】
表面粗さの値は、ワイドバンドギャップ層５が優れた表面平坦性を有することを示しているが、この値より、下地層２とワイドバンドギャップ層５との間に介在するチャネル層３も、良好な表面平坦性を有すると判断される。そして、チャネル層３が良好な結晶品質を有することに由来して、高い電子移動度が実現されると考えられる。
【００３６】
ＨＥＭＴ素子２０は、係る半導体積層構造１０の表面、つまりはワイドバンドギャップ層５の表面にソース電極６ｓおよびドレイン電極６ｄをオーミック接合により形成し、ゲート電極６ｇをショットキー接合により形成されてなる。ソース電極６ｓおよびドレイン電極６ｄは、例えばＴｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕといった多層構造にて形成されるのが望ましい。ゲート電極６ｇとしては、例えばＮｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕといった多層構造にて形成されるのが望ましい。また、半導体積層構造１０の最表層には、例えばＳｉＯ2あるいは窒化珪素などからなる図示しない保護膜が設けられてもよい。
【００３７】
以上、説明したように、本実施の形態においては、高結晶品質のＡｌＮからなる下地層２の上にＩｎを含むチャネル層３を形成することにより、Ｉｎを含み、かつ結晶品質の良いチャネル層３を有し、バンドオフセットが大きく、電子移動度が高いＨＥＭＴ素子が実現されてなる。
【００３８】
＜第２の実施の形態＞
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体積層構造１１０、およびこれを用いて形成されたＨＥＭＴ素子１２０の構成を示す概要図である。なお、図示の都合上、図２における各層の厚みの比率は、実際の比率を反映したものではない。
【００３９】
半導体積層構造１１０においては、第１の実施の形態に係る半導体積層構造１０と同様に、基板（基材）１の上に、下地層２と、チャネル層３とが備わる。しかし、その上に、保護層１０４が設けられたうえで、ワイドバンドギャップ層１０５が形成されてなる点で、第１の実施の形態に係る半導体積層構造１０と相違する。なお、図２には、下地層がＡｌＮである場合を例示している。
【００４０】
下地層２とチャネル層３の形成については、第１の実施の形態と同様である。従って、その詳細な説明は省略する。また、ワイドバンドギャップ層１０５は、保護層１０４の上に形成する点が、チャネル層３の上に形成される第１の実施の形態に係るワイドバンドギャップ層５と相違するが、その組成や形成方法などはワイドバンドギャップ層５と同様である。従って、その説明についても省略する。
【００４１】
なお、半導体積層構造１１０を構成する各層はいずれも、例えばＭＯＣＶＤ（MetalOrganic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長法）法などの公知の成膜手法にて形成される。
【００４２】
また、ＨＥＭＴ素子１２０は、ソース電極６ｓ、ドレイン電極６ｄおよびゲート電極６ｇを半導体積層構造１１０の表面に形成することによって得られる。各電極の形成は、第１の実施の形態において半導体積層構造１０の表面に形成する態様と同様である。よってその説明は省略する。
【００４３】
保護層１０４は、チャネル層３の形成後、ワイドバンドギャップ層１０５を形成するにあたって、チャネル層３の表面の結晶品質が劣化することを防ぐ目的で設けられる層である。また、ワイドバンドギャップ層１０５に不純物をドープされた層が含まれる場合に、チャネル層３とワイドバンドギャップ層１０５とを隔てるために設けるスペーサー層としての役割をも備える。保護層１０４は、好ましくは、ワイドバンドギャップ層１０５と同じ組成のIII族窒化物にて形成される。保護層４は、０．５〜１０ｎｍ程度の厚みに形成されるのが好ましい。０．５〜５ｎｍ程度の厚みに形成されるのがより好ましい。保護層４の形成は、好ましくはチャネル層３の形成方法と同一の方法で、チャネル層３の形成後速やかに、チャネル層３の形成温度と同じ温度で行う。あるいは、チャネル層３の形成温度からワイドバンドギャップ層１０５の形成温度にまで、徐々に温度を上げつつ行ってもよい。
【００４４】
以上のように形成される半導体積層構造１１０の特性は、以下の通りである。
【００４５】
チャネル層３が単層のＩｎＮ（ｚ＝０）であり、保護層１０４およびワイドバンドギャップ層１０５が単層のＧａＮ（ｘ＝ｙ＝０）の場合（図３（Ｂ）参照）、電子移動度については、室温においておよそ２１００ｃｍ2／Ｖｓ、７７Ｋにおいてはおよそ９１００ｃｍ2／Ｖｓという値が得られる。また、この場合に、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）にて測定したワイドバンドギャップ層の表面粗さＲＭＳの値は２ｎｍ以下である。
【００４６】
一方、チャネル層３がＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ（ｚ＝０．９）であり、保護層１０４およびワイドバンドギャップ層１０５が単層のＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ（ｘ＝０．２５、ｙ＝０）の場合（図４（Ｂ）参照）、電子移動度は、室温においておよそ１１００ｃｍ2／Ｖｓ、７７Ｋにおいては６０００ｃｍ2／Ｖｓという値が得られる。また、この場合に、ワイドバンドギャップ層の表面粗さＲＭＳの値は０．３ｎｍ程度である。
【００４７】
すなわち、本実施の形態においても、ワイドバンドギャップ層１０５が優れた表面平坦性を有することを示していることから、チャネル層３も、良好な表面平坦性を有すると判断される。また、保護層１０４の有無のみが異なる、第１の実施の形態に係る半導体積層構造１０についての特性値と比較すると、表面粗さは同程度であるにもかかわらず、電子移動度は、本実施の形態に係る半導体積層構造１１０の方が、高い値が得られていることが分かる。これは、保護層１０４を備えることによって、チャネル層３の結晶品質の劣化が抑制され、チャネル層３とワイドバンドギャップ層１０５との間で良好な界面平坦性が得られていることの効果であると考えられる。
【００４８】
以上、説明したように、本実施の形態においては、Ｉｎを含み、かつ結晶品質の良いチャネル層３を有し、バンドオフセットが大きく、電子移動度が高いＨＥＭＴ素子が実現されてなる。チャネル層３のうえに保護層１０４を備えることによって、さらにその特性の向上が実現されてなる。
【実施例】
【００４９】
第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子２０の実施例として、チャネル層３とワイドバンドギャップ層５の組成が異なる２種類のＨＥＭＴ素子を作製した。これらを実施例１ａおよび実施例１ｂとして以下に示す。第２の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子１２０の実施例として、チャネル層３とワイドバンドギャップ層１０５の組成が異なる２種類のＨＥＭＴ素子を作製した。これらを実施例２ａおよび実施例２ｂとして以下に示す。
【００５０】
図３および図４は、後述する各実施例および各比較例に係るＨＥＭＴ素子におけるチャネル層の室温および７７Ｋにおける電子移動度と、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）にて測定したワイドバンドギャップ層の表面粗さＲＭＳとを、一覧として例示する図である。
【００５１】
また、実施例１ａ、１ｂ、２ａ、および２ｂに対する比較例となる４つのＨＥＭＴ素子を作製した。図５は比較例１ａおよび１ｂに係る半導体積層構造の構成を示す概要図であり、図６は、比較例２ａおよび２ｂに係る半導体積層構造の構成を示す概要図である。
【００５２】
（実施例１ａ）
実施例１ａにおいては、第１の実施の形態に係る半導体積層構造１０を作製し、これを用いたＨＥＭＴ素子２０を作製した。
【００５３】
まず、半導体積層構造１０の作製においては、基板１として２インチ径の厚さ３３０μｍのＣ面サファイア単結晶を用い、これを所定のＭＯＣＶＤ装置の反応菅内に設置した。ＭＯＣＶＤ装置は、原料ガスあるいはキャリアガスとして、少なくともＨ2、Ｎ2、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＡ（トリメチルインジウム）、ｎ型ドーパントとして用いるＳｉの供給源であるシランガス、およびＮＨ3が、反応管内に供給可能とされている。反応管内の圧力を大気圧とし、Ｈ2を平均流速１ｍ／ｓｅｃで流しながら、基板１を１２００℃まで昇温しサーマルクリーニングをした。
【００５４】
サーマルクリーニング終了後、基板１の温度を１２００℃として、ＮＨ3とＴＭＡとＨ2とを供給して、下地層２としてのＡｌＮ層を１μｍの厚みに形成した。
【００５５】
その後、６００℃に降温し、ＴＭＩとＮ2とを供給して、チャネル層３としてのＩｎＮ層を１０ｎｍの厚さに形成した。
【００５６】
ＩｎＮ層の形成後、９００℃に昇温し、ＴＭＧとＨ2とＮ2とを供給することにより、ワイドバンドギャップ層５としてのＧａＮ層を厚さ２５ｎｍに形成した。これにより、半導体積層構造１０が得られた。
【００５７】
引き続いて、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなるソース電極６ｓおよびドレイン電極６ｄをオーミック接合にて形成し、Ｎｉ／Ａｕからなるゲート電極６ｇをショットキー接合にて形成し、ＨＥＭＴ素子２０を得た。これらの電極形成は、いずれも公知のＥＢ蒸着にて行った。
【００５８】
図３（Ａ）は、このようにして得られたＨＥＭＴ素子に係る特性を示すデータである。
【００５９】
（実施例１ｂ）
実施例１ｂにおいては、実施例１ａと、チャネル層３およびワイドバンドギャップ層５の組成が異なるＨＥＭＴ素子２０を作製した。
【００６０】
チャネル層３としてのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を、ＴＭＩとＴＭＧとＮ2とを供給して７８０℃にて５ｎｍの厚さに形成した点と、ワイドバンドギャップ層５としてのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎを、ＴＭＡとＴＭＧとＮ2とＨ2とを供給して１０８０℃にて形成した点とを除いては、実施例１ａと同様に形成した。
【００６１】
図４（Ａ）は、このようにして得られたＨＥＭＴ素子に係る特性を示すデータである。
【００６２】
（実施例２ａ）
実施例２ａにおいては、第２の実施の形態に係る半導体積層構造１１０を作製し、これを用いたＨＥＭＴ素子１２０を作製した。
【００６３】
半導体積層構造１１０の作製においては、チャネル層３としてのＩｎＮ層の形成までは、実施例１ａと同様に行った。
【００６４】
ＩｎＮ層の形成後、６００℃に保ったまま、ＴＭＧとＨ2とＮ2とを供給することにより、保護層１０４としてのＧａＮ層を、厚さ２ｎｍに形成した。
【００６５】
その後、９００℃に昇温し、 ＴＭＧとＨ2とＮ2とを供給することにより、ワイドバンドギャップ層１０５としてのＧａＮ層を、厚さ２３ｎｍに形成した。これにより、半導体積層構造１０が得られた。
【００６６】
その後、実施例１ａと同様に、各種電極を形成して、ＨＥＭＴ素子１２０を得た。
【００６７】
図３（Ｂ）は、このようにして得られたＨＥＭＴ素子に係る特性を示すデータである。
【００６８】
（実施例２ｂ）
実施例２ｂにおいては、実施例２ａと、チャネル層３およびワイドバンドギャップ層１０５の組成が異なるＨＥＭＴ素子１２０を作製した。
【００６９】
チャネル層３としてのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を、ＴＭＩとＴＭＧとＮ2とを供給して７８０℃にて５ｎｍの厚さに形成した点と、保護層１０４としてのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎを、ＴＭＡとＴＭＧとＨ2とＮ2とを供給して７８０℃にて形成した点と、ワイドバンドギャップ層１０５としてのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎを、ＴＭＡとＴＭＧとＮ2とＨ2とを供給して１０８０℃にて形成した点とを除いては、実施例２ａと同様に形成した。
【００７０】
図４（Ｂ）は、このようにして得られたＨＥＭＴ素子に係る特性を示すデータである。
【００７１】
（比較例１ａ）
比較例１ａにおいては、図５に示す半導体積層構造２１０においてｘ＝ｙ＝ｚ＝０の場合の半導体積層構造と、これを用いた図示しないＨＥＭＴ素子を作製した。
【００７２】
基板２０１としては、実施例１ａと同様にＣ面サファイア単結晶を用いた。基板２０１に実施例１と同様にサーマルクリーニングを施した。
【００７３】
その後、いったん５００℃に降温した後、ＴＭＧとＮＨ3とＨ2とＮ2を供給して、バッファ層２０２としてのＧａＮ層を３０ｎｍの厚さに形成したうえで、１１８０℃に昇温し、ＴＭＧとＮＨ3とを供給して、障壁層として作用する下地層２０３としてのＧａＮ層を厚さ３μｍに形成した。
【００７４】
ＧａＮ層の形成後、実施例１ａと同様に、チャネル層２０４としてのＩｎＮ層を１０ｎｍの厚さに形成し、ワイドバンドギャップ層２０５としてのＧａＮ層を２５ｎｍの厚さに形成した。これにより、半導体積層構造２１０が得られた。
【００７５】
その後、実施例１ａと同様に、各種電極を形成して、ＨＥＭＴ素子を得た。すなわち、本比較例において得られたＨＥＭＴ素子は、チャネル層より上部の構造が実施例１ａと同じ構造で、下地構造のみが実施例１ａとは異なるものである。
【００７６】
図３（Ｃ）は、このようにして得られたＨＥＭＴ素子に係る特性を示すデータである。
【００７７】
（比較例１ｂ）
比較例１ｂにおいては、図５に示す半導体積層構造２１０においてｘ＝２５、ｙ＝０、ｚ＝０．９の場合の半導体積層構造と、これを用いた図示しないＨＥＭＴ素子を作製した。
【００７８】
下地層２０３の形成までは、比較例１ａと同様に行い、その後、実施例１ｂと同様に、チャネル層２０４としてのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を５ｎｍの厚さに形成し、ワイドバンドギャップ層２０５としてのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を２５ｎｍの厚さに形成した。これにより、半導体積層構造２１０が得られた。
【００７９】
その後、実施例１ａと同様に、各種電極を形成して、ＨＥＭＴ素子を得た。すなわち、本比較例において得られたＨＥＭＴ素子は、チャネル層より上部の構造が実施例１ｂと同じ構造で、下地構造のみが実施例１ｂとは異なるものである。
【００８０】
図４（Ｃ）は、このようにして得られたＨＥＭＴ素子に係る特性を示すデータである。
【００８１】
（比較例２ａ）
比較例２ａにおいては、図６に示す半導体積層構造３１０においてｘ＝ｙ＝ｚ＝０の場合の半導体積層構造と、これを用いた図示しないＨＥＭＴ素子を作製した。
【００８２】
基板３０１としては、実施例１ａと同様にＣ面サファイア単結晶を用いた。基板３０１上に、バッファ層３０２としてのＧａＮ層、および障壁層として作用する下地層３０３としてのＧａＮ層の形成は、比較例１ａと同様に行った。
【００８３】
下地層３０３の形成後、ＴＭＡとＮＨ3とＨ2とを供給して、１０８０℃にて障壁層３０４としてのＡｌＮ層を厚さ５ｎｍに形成した。
【００８４】
その後、比較例１ａと同様にチャネル層３０５としてのＩｎＮ層と、ワイドバンドギャップ層３０６としてのＧａＮ層を形成した。これにより、半導体積層構造３１０が得られた。
【００８５】
その後、実施例１ａと同様に、各種電極を形成して、ＨＥＭＴ素子を得た。すなわち、本比較例において得られたＨＥＭＴ素子は、チャネル層より上部の構造が実施例２ａと同じ構造で、下地構造のみが実施例２ａとは異なるものである。
【００８６】
図３（Ｄ）は、このようにして得られたＨＥＭＴ素子に係る特性を示すデータである。
【００８７】
（比較例２ｂ）
比較例２ｂにおいては、図６に示す半導体積層構造３１０においてｘ＝０．２５、ｙ＝０、ｚ＝０．９の場合の半導体積層構造と、これを用いた図示しないＨＥＭＴ素子を作製した。
【００８８】
障壁層３０４の形成までは、比較例２ａと同様に行い、その後、実施例１ｂと同様に、チャネル層３０５としてのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を５ｎｍの厚さに形成し、ワイドバンドギャップ層３０６してのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を２５ｎｍの厚さに形成した。これにより、半導体積層構造３１０が得られた。
【００８９】
その後、実施例１ａと同様に、各種電極を形成して、ＨＥＭＴ素子を得た。すなわち、本比較例において得られたＨＥＭＴ素子は、チャネル層より上部の構造が実施例２ｂと同じ構造で、下地構造のみが実施例２ｂとは異なるものである。
【００９０】
図４（Ｄ）は、このようにして得られたＨＥＭＴ素子に係る特性を示すデータである。
【００９１】
（実施例と比較例の比較）
図３および図４に示すように、各実施例に係るＨＥＭＴ素子における電子移動度は、対応する比較例に係るＨＥＭＴ素子の移動度よりも、室温においては２０〜３０％程度向上しており、７７Ｋにおいては２．５〜２．６倍程度に増加している。すなわち、基板上に高品質のＡｌＮによって下地層を形成した下地構造の上に、Ｉｎを含むチャネル層と、ワイドバンドギャップ層とを形成することによって得られるＨＥＭＴ素子は、従来の下地構造の上に、Ｉｎを含むチャネル層と、ワイドバンドギャップ層とを形成するものよりも、デバイス特性が向上してなるものであるといえる。
【００９２】
また、半導体積層構造の最上面を構成するワイドバンドギャップ層における表面粗さＲＭＳについてみると、各実施例に係るＨＥＭＴ素子における値は、対応する比較例に係るＨＥＭＴ素子の値に比して、１／４程度になっている。このように、最上面において平坦性が向上しているということは、チャネル層およびワイドバンドギャップ層における平坦性が向上していることを示していると推察され、これにより、上述した良好なデバイス特性が実現されてなるものと考えられる。
【００９３】
７７Ｋにおいて各実施例に係るＨＥＭＴ素子の移動度が比較例に係るＨＥＭＴ素子に比して大きく向上しているのは、ＧａＮよりもバンドギャップの大きなＡｌＮを下地層に用いてその上にチャネル層を形成しているため、キャリアの閉じこめ効果が格段に向上していることがその理由であると考えられる。また、膜厚を十分に大きくすることでＡｌＮ層の結晶品質が高められていることや、ＡｌＮを用いることでＧａＮと比較して高い抵抗値が得られていることも、その理由であると考えられる。
【００９４】
また、保護層を備える、実施例１ｂおよび２ｂに係るＨＥＭＴ素子の方が、これを備えない実施例１ａおよび２ａに係るＨＥＭＴ素子よりも高い電子移動度の値が得られている。一方、表面粗さは同程度であることから、保護層を備えることによって、チャネル層３の結晶品質の劣化が抑制されたことの効果であると考えられる。
【００９５】
なお、比較例２ａ、２ｂにおいてはＡｌＮからなる障壁層３０４を設けている。比較例２ａ、２ｂに係るＨＥＭＴ素子においては、比較例１ａ、１ｂに係るＨＥＭＴ素子よりも移動度が若干向上しているが、これは、ＧａＮよりもＡｌＮのバンドギャップの方が大きいため、チャネル層における電子の閉じこめ効果が向上したことによると考えられる。比較例２ａ、２ｂにおけるワイドバンドギャップ層の表面粗さは比較例１ａ、１ｂよりも悪化していること、およびＧａＮ上にＡｌＮを成膜した場合のクラックの生じない臨界膜厚は一般に５ｎｍ程度と極めて薄いことにより、障壁層３０４の障壁層としての役割は限定的であるといえる。加えて、障壁層３０４の膜厚が極めて薄いため、結晶品質も不十分と考えられる。
【００９６】
＜変形例＞
上述の実施の形態においては、ワイドバンドギャップ層５および１０５は一様にノンドープである態様のみを示しているが、一部にＳｉがドープされて態様であってもよい。図７は、半導体積層構造１０において、ワイドバンドギャップ層５がＳｉドープされてなる態様を模式的に示す図である。図７（ａ）は、ワイドバンドギャップ層５の中央部分にＳｉドープワイドバンドギャップ層５１を備える態様を示している。図７（ｂ）は、ワイドバンドギャップ層５の上方部分にＳｉドープワイドバンドギャップ層５２を備える態様を示している。図７（ｃ）は、ワイドバンドギャップ層５の下方部分にＳｉドープワイドバンドギャップ層５３を備える態様を示している。係るＳｉのドープは、ワイドバンドギャップ層５の形成時に、ＳｉＨ4ガスを所定のタイミングで所定の時間、所定の供給条件で供給することによって実現される。図示は省略するが、ワイドバンドギャップ層１０５についても、図７と同様のＳｉのドープが可能である。
【００９７】
あるいは、チャネル層に対しても、Ｓｉをドープする態様であってもよい。
【００９８】
チャネル層３のＩｎの含有比率が高い場合、チャネル層３の形成に先立って、チャネル層と同じ組成の緩衝層を、チャネル層の形成温度よりも１００〜１５０℃低い温度、例えば３５０〜５５０℃の温度範囲にて形成する態様であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】第１の実施の形態に係る半導体積層構造１０とＨＥＭＴ素子２０の構成を示す概要図である。
【図２】第２の実施の形態に係る半導体積層構造１１０とＨＥＭＴ素子１２０の構成を示す概要図である。
【図３】各実施例および各比較例に係るＨＥＭＴ素子におけるデバイス特性を例示する図である。
【図４】各実施例および各比較例に係るＨＥＭＴ素子におけるデバイス特性を例示する図である。
【図５】比較例１ａおよび１ｂに係る半導体積層構造の構成を示す概要図である。
【図６】比較例２ａおよび２ｂに係る半導体積層構造の構成を示す概要図である。
【図７】半導体積層構造１０においてワイドバンドギャップ層５がＳｉドープされてなる態様を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１００】
１  基板
２  下地層
３  チャネル層
４  保護層
５  ワイドバンドギャップ層
６ｄ  ドレイン電極
６ｇ  ゲート電極
６ｓ  ソース電極
１０、１１０  半導体積層構造
２０，１２０  ＨＥＭＴ素子
５１〜５３  Ｓｉドープワイドバンドギャップ層
１０４  保護層
１０５  ワイドバンドギャップ層
【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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