(57)【要約】【課題】ＩＩＩ族窒化物からなる半導体層群を含む半導体素子からなるデバイスに対して十分なデバイス特性を付与する。【解決手段】所定の単結晶基材１上に少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物からなる下地層２を形成するとともに、この下地層２上に形成された少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物からなる第１の半導体層３及び第２の半導体層１２を形成する。そして、第１の半導体層３及び第２の半導体層１２からなる半導体層群１４の、室温におけるシートキャリア濃度及び移動度をそれぞれ５×１０１２／ｃｍ２以上及び１３００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上に設定する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の単結晶基材と、この単結晶基材上に形成された少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物からなる下地層とを具えたエピタキシャル基板であって、このエピタキシャル基板上に少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物からなる半導体層群を形成した場合において、前記半導体層群は室温において５×１０１２／ｃｍ２以上のシートキャリア濃度を示すとともに、１３００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上の移動度を示すことを特徴とする、エピタキシャル基板。
【請求項２】
前記半導体層群は１５Ｋの低温において５×１０１２／ｃｍ２以上のシートキャリア濃度を示すとともに、８０００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上の移動度を示すことを特徴とする、請求項１に記載のエピタキシャル基板。
【請求項３】
前記半導体層群は室温において１５０ｍＳ／ｍｍ以上のトランスコンダクタンスを示すことを特徴とする、請求項１に記載のエピタキシャル基板。
【請求項４】
前記下地層を構成する前記ＩＩＩ族窒化物中のＡｌ含有量が、全ＩＩＩ族元素に対して５０原子％以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のエピタキシャル基板。
【請求項５】
前記下地層はＡｌＮからなることを特徴とする、請求項４に記載のエピタキシャル基板。
【請求項６】
前記下地層中の転位密度が１×１０１１／ｃｍ２以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のエピタキシャル基板。
【請求項７】
前記半導体層群はＩＩＩ族窒化物からなる第１の半導体層及び少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物から第２の半導体層がこの順に積層されてなり、前記第２の半導体層のバンドギャップが前記第１の半導体層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載のエピタキシャル基板。
【請求項８】
前記半導体層群は高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成することを特徴とする、請求項７に記載のエピタキシャル基板。
【請求項９】
所定の単結晶基材と、この単結晶基材上に形成された少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物からなる下地層と、この下地層上に形成された少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物からなる半導体層群とを具え、前記半導体層群は室温において５×１０１２／ｃｍ２以上のシートキャリア濃度を示すとともに、１３００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上の移動度を示すことを特徴とする、半導体素子。
【請求項１０】
前記半導体層群は１５Ｋの低温において５×１０１２／ｃｍ２以上のシートキャリア濃度を示すとともに、８０００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上の移動度を示すことを特徴とする、請求項９に記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記半導体層群は室温において１５０ｍＳ／ｍｍ以上のトランスコンダクタンスを示すことを特徴とする、請求項９記載の半導体素子。
【請求項１２】
前記下地層を構成する前記ＩＩＩ族窒化物中のＡｌ含有量が、全ＩＩＩ族元素に対して５０原子％以上であることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項１３】
前記下地層はＡｌＮからなることを特徴とする、請求項１２に記載の半導体素子。
【請求項１４】
前記下地層中の転位密度が１×１０１１／ｃｍ２以下であることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項１５】
前記半導体層群はＩＩＩ族窒化物からなる第１の半導体層及び少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物から第２の半導体層がこの順に積層されてなり、前記第２の半導体層のバンドギャップが前記第１の半導体層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項１６】
請求項１５に記載の半導体素子を含むことを特徴とする、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エピタキシャル基板及び半導体素子に関し、詳しくは、高電子移動度デバイス（ＨＥＭＴ）などの電子デバイスを構成する基板として好適に用いることのできるエピタキシャル基板、及び前記電子デバイスなどとして好適に用いることのできる半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】所定の単結晶基材上に下地層を設けてなるエピタキシャル基板上に、ＩＩＩ族窒化物からなる種々の半導体層膜から構成される半導体層群を形成し、さらにこの半導体層群上に所定の電極を構成することにより各種の電子デバイスを作製する試みがなされている。前記単結晶基材としては安価であるなどの理由からサファイア単結晶などが用いられている。しかしながら、上述したＩＩＩ族窒化物を用いた従来の電子デバイスにおいては所望するデバイス特性を十分に得ることができず、実用には問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、ＩＩＩ族窒化物からなる半導体層群を含む半導体素子からなるデバイスに対して十分なデバイス特性を付与することができるエピタキシャル基板を提供するとともに、このようなエピタキシャル基板を含む半導体素子を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の単結晶基材と、この単結晶基材上に形成された少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物からなる下地層とを具えたエピタキシャル基板であって、このエピタキシャル基板上に少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物からなる半導体層群を形成した場合において、前記半導体層群は室温において５×１０１２／ｃｍ２以上のシートキャリア濃度を示すとともに、１３００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上の移動度を示すことを特徴とする、エピタキシャル基板に関する。
【０００５】また、本発明は、所定の単結晶基材と、この単結晶基材上に形成された少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物からなる下地層と、この下地層上に形成された少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物からなる半導体層群とを具え、前記半導体層群は室温において５×１０１２／ｃｍ２以上のシートキャリア濃度を示すとともに、１３００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上の移動度を示すことを特徴とする、半導体素子に関する。
【０００６】本発明によれば、半導体素子を構成する半導体層群に対してシートキャリア濃度５×１０１２／ｃｍ２以上、及び移動度１３００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上の高い電気特性を付与することができる。したがって、本発明のエピタキシャル基板及び半導体素子から電子デバイスなどを構成した場合において、この電子デバイスに対して実用に足るデバイス特性を付与することができるようになる。
【０００７】なお、本発明における「室温」とは３００Ｋ近傍の温度を意味するものである。
【０００８】また、本発明の好ましい態様においては、前記半導体層群は１５Ｋの低温において５×１０１２／ｃｍ２以上のシートキャリア濃度を示すとともに、８０００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上の移動度を示す。前述した室温での高いシートキャリア濃度及び移動度に加えて、１５Ｋという低温においても上述したような高いシートキャリア濃度及び移動度を呈することにより、前記半導体層群の電気特性はさらに向上する。したがって、本発明のエピタキシャル基板及び半導体素子から電子デバイスなどを構成した場合において、この電子デバイスに対して実用に足るデバイス特性を十分に付与することができるようになる。
【０００９】さらに、本発明の他の好ましい態様においては、前記半導体層群は室温において１５０ｍＳ／ｍｍ以上のトランスコンダクタンスを示す。前述した室温での高いシートキャリア濃度及び移動度に加えて、上述した高いトランスコンダクタンスを呈することにより、前記半導体層群の電気特性はさらに向上する。したがって、本発明のエピタキシャル基板及び半導体素子から電子デバイスなどを構成した場合において、この電子デバイスに対して実用に足るデバイス特性を十分に付与することができるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明を、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１１】本発明においては、少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物からなる半導体層群の、室温におけるシートキャリア濃度が５×１０１２／ｃｍ２以上、好ましくは１×１０１３／ｃｍ２以上となるようにエピタキシャル基板及び半導体素子を構成することが必要である。また、前記半導体層群の移動度は１３００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上、好ましくは１４００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上となるように前記エピタキシャル基板及び前記半導体素子を構成することが必要である。これによって、前記半導体層群は十分な電気特性を有することができ、本発明に従った前記エピタキシャル基板及び半導体素子から電子デバイスなどを構成した場合において、この電子デバイスに対して実用に足るデバイス特性を付与することができるようになる。
【００１２】また、本発明においては、前記半導体層群が１５Ｋの低温において５×１０１２／ｃｍ２以上、さらには１×１０１３／ｃｍ２以上のシートキャリア濃度を有するように前記エピタキシャル基板及び前記半導体素子を構成することが好ましい。同様に、前記半導体層群が１５Ｋの低温において６０００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上、さらには７０００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上、特には８０００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上の移動度を有するように前記エピタキシャル基板及び前記半導体素子を構成することが好ましい。前記半導体層群がこのような低温において上述したような高い電気特性を有することにより、本発明に従った前記エピタキシャル基板及び半導体素子から電子デバイスなどを構成した場合において、この電子デバイスに対して実用に足るデバイス特性を十分に付与することができるようになる。
【００１３】さらに、本発明においては、前記半導体層群が室温において１５０ｍＳ／ｍｍ以上、さらには２００ｍＳ／ｍｍ以上のトランスコンダクタンスを有するように前記エピタキシャル基板及び前記半導体素子を構成することが好ましい。前記半導体層群が上述のような高いトランスコンダクタンスを有し優れた電気特性を具えることにより、本発明に従った前記エピタキシャル基板及び半導体素子から電子デバイスなどを構成した場合において、この電子デバイスに対して実用に足るデバイス特性を十分に付与することができるようになる。
【００１４】上述した良好な電気特性を有す半導体層群を形成するための具体的に手段は特には限定されないが、例えば本発明のエピタキシャル基板を構成する少なくともＡｌを含む下地層の物理特性を操作することによって簡易に得ることができる。具体的には、前記下地層中の転位密度を１×１０１１／ｃｍ２以下、さらには５×１０１０／ｃｍ２以下、特には１×１０１０／ｃｍ２以下にまで低減させる。
【００１５】また、前記下地層中の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅を２００秒以下、さらには１００秒以下となるように、前記下地層の結晶性を向上させても良い。さらに、前記下地層の表面粗さＲａを５Å以下、さらには２Å以下となるようにしても良い。
【００１６】前記下地層の結晶品質を上述したように設定することにより、前記半導体層群を前記下地層上にＣＶＤ法又はＭＢＥ法などの公知の成膜手法を用いて形成するのみで、上述した良好な電気特性を有する半導体層群を得ることができる。
【００１７】上述した高結晶品質の下地層はエピタキシャル基板を構成する単結晶基材を１１００℃以上、好ましくは１２５０℃以下に加熱することによって簡易に得ることができる。また、前記下地層の厚さは０．５μｍ以上であることが好ましく、さらには１μｍ〜３μｍであることが好ましい。
【００１８】なお、前記下地層中のＡｌ含有量が高いほど上述した半導体層群の電気特性を簡易に実現することができる。具体的には前記下地層中の全ＩＩＩ族元素に対するＡｌ含有量が５０原子％以上であることが好ましく、さらには１００原子％、すなわちＡｌＮから構成されることが好ましい。
【００１９】前記下地層は、Ａｌの他にＧａ及びＩｎなどのＩＩＩ族元素を含有することができ、必要に応じてＭｇ、Ｓｉ、又はＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むことができる。
【００２０】同様に、上述した半導体層群はＡｌ、Ｇａ及びＩｎなどを含有したＩＩＩ族窒化物から構成することができ、このＩＩＩ族窒化物は必要に応じてＭｇ、Ｓｉ、又はＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むことができる。
【００２１】また、本発明のエピタキシャル基板及び半導体素子を構成する単結晶基材はサファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＳｉＣ単結晶、Ｓｉ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＡｌ２Ｏ４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。
【００２２】図１は、本発明のエピタキシャル基板及び半導体素子を含む電子デバイスの一例を示す構成図である。図１に示す電子デバイス２０は、所定の単結晶基材１上において、下地層２、第１の半導体層３、バリア層４、キャリア供給層５、及びキャップ層６が順次に積層されてなる。さらに、キャップ層６上にはソース電極７、ドレイン電極８及びゲート電極９が形成されている。
【００２３】第１の半導体層３は、好ましくは高抵抗のＩＩＩ族窒化物からなり、極力不純物を混入していないことが好ましい。但し、抵抗を高める目的で所定の不純物を故意に混入させることもできる。キャリア供給層５は少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物からなり、シリコンなどの不純物を含む。
【００２４】バリア層４及びキャップ層６は組成、厚さ、並びに不純物の種類及び含有量について目的とするデバイス特性に応じて適宜に選択する。また、キャップ層６と前記電極との間に、前記電極との接触抵抗を低減させるためのコンタクト層を形成することもできる。
【００２５】バリア層４、キャリア供給層５及びキャップ層６は第２の半導体層１２を構成し、第１の半導体層３及び第２の半導体層１２は半導体層群１４を構成する。したがって、第１の半導体層３並びに第２の半導体層１２を構成するバリア層４、キャリア層５及びキャップ層６は、本発明に従って上述したような半導体層群に対するシートキャリア濃度及び移動度、さらにはトランスコンダクタンスなどの電気特性を満足する。
【００２６】なお、第２の半導体層１２のバンドギャップは第１の半導体層３のバンドギャップよりも大きく設定されており、これによって第２の半導体層１２を構成するキャリア供給層５から供給されたキャリアは、第１の半導体層３及び第２の半導体層１２間の界面に蓄積され、この界面上を移動するようになる。したがって、図１に示す電子デバイスはいわゆるＨＥＭＴとして機能するようになる。上記バンドギャップの調整は、第２の半導体層１２を構成するＩＩＩ族窒化物中のＡｌ含有量を第１の半導体層３を構成するＩＩＩ族窒化物中のＡｌ含有量より増大させることによって簡易に実現することができる。
【００２７】単結晶基材１及び下地層２はエピタキシャル基板１０を構成し、第１の半導体層３及び第２の半導体層１２が上述したような電気特性を満足すべく、本発明に従って、例えば下地層２中の転位密度は１×１０１１／ｃｍ２以下に設定されている。また、エピタキシャル基板１０及び半導体層群１４から本発明の半導体素子が構成されている。
【００２８】図１に示すＨＥＭＴ２０は本発明の要件を満足するエピタキシャル基板１０及び半導体層群１４から構成されているので、良好な電力特性及び周波数特性を呈するようになり、大電力かつ高周波数領域での使用が可能となる。
【００２９】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
（実施例）
本実施例においては、本発明のエピタキシャル基板及び半導体素子を用いて図１に示すようなＨＥＭＴを作製した。単結晶基材としてＣ面サファイア基材を用い、これを石英製の反応管内に設置されたサセプタ上に載置した。次いで、圧力を２０Ｔｏｒｒに設定して、水素キャリアガスを流速３ｍ／ｓｅｃとなるように供給した後、ヒータにより、前記基材を１２００℃まで加熱した。
【００３０】Ａｌ供給原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いるとともに、窒素供給原料としてアンモニアガス（ＮＨ３）を用い、これら原料ガスを水素キャリアガスとともに、ＴＭＡとＮＨ３とのモル比が１：４５０となるようにして前記反応管内に導入するとともに、前記基材上に供給した。そして、６０分間エピタキシャル成長させることによって、下地層としてのＡｌＮ膜を厚さ１μｍに形成した。なお、このＡｌＮ膜中の転位密度は１×１０１０／ｃｍ２であった。また、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は６０秒であり、表面粗さＲａは１．５Åであり、表面にはステップが観察された。
【００３１】次いで、圧力を７６０Ｔｏｒｒに設定して、基板温度を１０８０℃に変更し、Ｇａ供給原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、前記原料供給ガスの流量比をＴＭＧ及びＮＨ３のモル比が１：２０００となるようにして、前記ＡｌＮ膜上に供給し、６０分間エピタキシャル成長させることによって、第１の半導体層としてのＧａＮ膜を厚さ３μｍに形成した。
【００３２】次いで、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びＮＨ３のモル比が０．２：０．７：２０００となるようにして前記ｉ−ＧａＮ膜上に供給し、第２の半導体層を構成するバリア層、キャリア供給層及びキャップ層としてのＡｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎ膜をそれぞれ７ｎｍ、１５ｎｍ、及び３ｎｍに形成した。なお、キャリア供給層を形成するに際しては、ＳｉＨ４ガスを併用し、前記Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎ膜中にＳｉを２×１０１８／ｃｍ３の割合でドープさせた。
【００３３】このようにして得られた半導体素子の、室温におけるシートキャリア濃度及び移動度をホール効果測定法を用いて計測したところ、１．１×１０１３／ｃｍ２及び１４５０ｃｍ２／Ｖ・ｓであることが判明した。また、１５Ｋの低温におけるシートキャリア濃度及び移動度は、それぞれ１．０×１０１３／ｃｍ２及び８５００ｃｍ２／Ｖ・ｓであることが判明した。さらに、ゲート長２μｍ時の室温におけるトランスコンダクタンスは２００ｍＳ／ｍｍであることが判明した。
【００３４】
（比較例）
下地層を構成するＡｌＮ膜を９００℃以下の低温で厚さ０．０３μｍに形成した以外は実施例と同様にして半導体素子及びＨＥＭＴを作製した。前記ＡｌＮ膜中の転位密度は３×１０１１／ｃｍ２であった。なお、得られた半導体素子の室温におけるシートキャリア濃度及び移動度はそれぞれ１．１×１０１３／ｃｍ２及び１１５０ｃｍ２／Ｖ・ｓであり、１５Ｋにおけるシートキャリア濃度及び移動度はそれぞれ１．１×１０１３／ｃｍ２及び５０００ｃｍ２／Ｖ・ｓであった。ゲート長２μｍ時の、室温におけるトランスコンダクタンスは１３０ｍＳ／ｍｍであった。
【００３５】以上、実施例及び比較例から明らかなように、本発明の要件を満足したエピタキシャル基板及び半導体素子は、実用に十分耐え得るようなデバイス特性を提供するに足る電気特性を有することが分かる。
【００３６】以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施に形態に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。例えば、半導体層群と下地層との間においてバッファ層やひずみ超格子などの多層積層膜を挿入し、前記Ａｌ含有窒化物膜の結晶性をさらに向上させることもできる。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、ＩＩＩ族窒化物からなる半導体層群を含む半導体素子からなるデバイスに対して十分なデバイス特性を付与することができるエピタキシャル基板を提供するとともに、このようなエピタキシャル基板を含む半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエピタキシャル基板及び半導体素子を含む電子デバイス（ＨＥＭＴ）の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１　単結晶基材、２　下地層、３　第１の半導体層、４　バリア層、５　キャリア供給層、６　キャップ層、７　ソース電極、８　ドレイン電極、９　ゲート電極、１０　エピタキシャル基板、１２　第２の半導体層、１４　半導体層群、２０　電子デバイス（ＨＥＭＴ）
【図１】
2004022577.tif 000003