(57)【要約】【課題】ＭＯＶＰＥ法で成長した、窒素を主に含む化合物半導体では特性を出しにくいプレーナードープ技術に代わり、高キャリア濃度の薄層を挿入することにより、均一ドープやプレーナードープよりさらに電気的特性の優れたＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハを実現すること。【解決手段】ＭＯＶＰＥ法により、基板１上に、チャネル層３として高純度ＧａＮ層もしくはＩｎＧａＮ層を形成し、さらに電子供給層４としてＡｌＧａＮ層を形成したＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハにおいて、前記電子供給層４の一部分６をドーピング制御により１×１０19cm-3以上の高いキャリア濃度を持つ層とし、さらに前記電子供給層４の残りの部分５、７をそれよりも低いキャリア濃度を持つ層とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＯＶＰＥ法により、基板上に、チャネル層として高純度ＧａＮ層もしくはＩｎＧａＮ層を形成し、さらに電子供給層としてＡｌＧａＮ層を形成した高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、
前記電子供給層の一部分をドーピング制御により１×１０19cm-3以上の高いキャリア濃度を持つ高キャリア濃度層とし、さらに前記電子供給層における高キャリア濃度層以外の部分を高キャリア濃度層よりも低いキャリア濃度を持つ低キャリア濃度層としたことを特徴とする高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハ。
【請求項２】
請求項１記載のエピタキシャルウェハにおいて、
前記電子供給層の一部分である高キャリア濃度層の厚さを０．５〜１０nm程度にしたことを特徴とする高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハ。
【請求項３】
請求項２記載のエピタキシャルウェハにおいて、
前記電子供給層の高キャリア濃度層以外の部分である低キャリア濃度層を、アンドープ、もしくは１×１０19cm-3以下の低キャリア濃度にしたことを特徴とする高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハ。
【請求項４】
請求項３記載のエピタキシャルウェハにおいて、
高キャリア濃度層と低キャリア濃度層の界面における、深さ方向のキャリア濃度変化を急峻にしたことを特徴とする高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ系化合物半導体薄膜の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）用エピタキシャルウェハにおいて、高いシートキャリア濃度を保ちつつ、同時に高い電子移動度を実現する構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法とは、III−Ｖ族化合物半導体の薄膜結晶を結晶基板表面上にエピタキシャル成長させる技術である。リアクタ内で加熱状態にある結晶基板に、複数のIII族またはＶ族の原料ガスを含んだキャリアガスを送り込み、これらの原料ガスを結晶基板上で熱分解させることによって結晶成長が行われる。
【０００３】
この成長法により異種の結晶を積層して作製したヘテロ接合を利用したデバイスの一つにＨＥＭＴと呼ばれる高電子移動度トランジスタがある。ＨＥＭＴとは、基本的には高純度層と、これよりも電子親和力が小さく、且つドーピングされて電子を供給する機能を有する層の２層からなる選択ドープ構造の上に、電極をもうけた電界効果トランジスタとしたものである。これらの層の界面の高純度層側に二次元状に電子がたまる。この電子は高純度層に形成されるため移動度が非常に高く、この電子ガスをゲート電極に印加したバイアス電圧による電界効果によって制御するのである。
【０００４】
Ｖ族に砒素や燐を主に含む化合物半導体デバイスには、高いシートキャリア濃度を維持しつつさらに高い移動度を実現するため、電子供給層に２次元的にドーピングするプレーナードープという成長技術がある。同じシートキャリア濃度でも、電子供給層に均一ドーピングするよりも、ドーピング部とチャネル部の空間的な距離を隔てた方が、クーロン散乱の効果が減り、電子移動度が増加するからである。
【０００５】
なお、本発明とは直接の関係はないが、ｎ型ＡｌＧａＮ電子供給層上にｎ型ＧａＩｎＮ層を設け、これをエッチングストップ層としたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２２９４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、プレーナードープの成長技術には次のような課題がある。
【０００７】
Ｖ族に窒素を主に含む化合物半導体は、ＭＯＶＰＥ法にて成長を行うには１０００℃以上の高い温度が必要である。そのため成長中は常にIII族原料とＶ族原料が供給される状態にしないと、成長中の薄膜表面よりIII族原子やＶ族原子の再脱離が起こり、エピタキシャルウェハにおける表面状態の劣化や結晶中の原子空孔の発生によりデバイス特性の劣化が起こる。
【０００８】
一方、２次元的にドーピングするには、ドーピング中にIII族原料の供給を止めなくてはならない。そのためプレーナードープすると同時に結晶の劣化が起こるため、デバイス性能には大きな向上が望めない。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＭＯＶＰＥ法で成長した、窒素を主に含む化合物半導体では特性を出しにくいプレーナードープ技術に代わり、高キャリア濃度の薄層を挿入することにより、均一ドープやプレーナードープよりさらに電気的特性の優れたＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１１】
請求項１の発明に係る高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハは、ＭＯＶＰＥ法により、基板上に、チャネル層として高純度ＧａＮ層もしくはＩｎＧａＮ層を形成し、さらに電子供給層としてＡｌＧａＮ層を形成した高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、前記電子供給層の一部分をドーピング制御により１×１０19cm-3以上の高いキャリア濃度を持つ高キャリア濃度層とし、さらに前記電子供給層における高キャリア濃度層以外の部分を高キャリア濃度層よりも低いキャリア濃度を持つ低キャリア濃度層としたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１記載の高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、前記電子供給層の一部分である高キャリア濃度層の厚さを０．５〜１０nm程度にしたことを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２記載の高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、前記電子供給層の高キャリア濃度層以外の部分である低キャリア濃度層を、アンドープ、もしくは１×１０19cm-3以下の低キャリア濃度にしたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項３記載の高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、高キャリア濃度層と低キャリア濃度層の界面における、深さ方向のキャリア濃度変化を急峻にしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
【００１６】
本発明の高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハでは、電子供給層の一部分をドーピング制御により１×１０19cm-3以上の高いキャリア濃度を持つ高キャリア濃度層とし、さらに前記電子供給層における高キャリア濃度層以外の部分を高キャリア濃度層よりも低いキャリア濃度を持つ低キャリア濃度層としている。ドーピングは常にIII族原料とＶ族原料が供給される成長環境下で行われるため、結晶の劣化はなく、且つエピタキシャルウェハ構造はドーピング部とチャネル部の空間的な距離を隔てているため電子移動度の増加が起こる。
【００１７】
従って、本発明によるエピタキシャルウェハの構造によれば、従来品である均一ドープやプレーナードープＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ層より高い電気的特性が実現できる。また、それにより利得や雑音特性に優れたトランジスタ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】
【００１８】
以下、本発明を図示の実施の形態に基いて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）用エピタキシャルウェハの断面構造を模式的に示したものである。
【００２０】
ＳｉＣ（又はサファイア基板）１上に膜厚１００nmのアンドープＡｌＮバッファ層２、その上に膜厚２０００nmのアンドープＧａＮチャネル層３を設け、さらにその上に膜厚２５nmのＡｌＧａＮ電子供給層４を設けている。 
【００２１】
この電子供給層４の一部分６は、ドーピング制御により１×１０19cm-3以上の高いキャリア濃度を持つ膜厚０．５〜１０nm程度（ここでは３nm）の薄いｎ型ＡｌＧａＮ層（高キャリア濃度層）として形成され、さらに電子供給層の残りの下側及び上側の部分５、７は、それよりも低いキャリア濃度を持つＡｌＧａＮ層（低キャリア濃度層）として形成されている。すなわち、この実施形態の場合、電子供給層４は下側層（低キャリア濃度層）５、中間層（高キャリア濃度層）６、上側層（低キャリア濃度層）７の３層からなる。このうち下側層５は、膜厚８nmのアンドープＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層から構成され、中間層６はキャリア濃度３×１０19cm-3で膜厚３nmのｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層から構成され、そして上側層７は膜厚１４nmのアンドープＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層から構成されている。
【００２２】
図４は、この高キャリア濃度層挿入ＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ成長時のガスシーケンスを示す。電子供給層４の製造プロセスは次のように行う。すなわち、有機金属気相成長法により上記断面構造のエピタキシャルウェハを作製するに当たり、III族原料にはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を、また窒素原料にはアンモニア（ＮＨ3）を使用し、シリコンドーパントの原料にはモノシラン（ＳｉＨ4）を使用する。電子供給層４の中間層であるｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層６の成長時においても、ＳｉＨ4及びＮＨ3だけでなく、ＴＭＡ、ＴＭＧが流されているところに、本プロセスの特徴がある。
【００２３】
図２は、比較例１として、プレーナードープを施したＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハを示したもので、電子供給層４の構成が、膜厚１０nmのアンドープＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層１５、Ｓｉプレーナードープ層１６、及び膜厚１５nmのアンドープＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層１７の３層からなる。図５は、このプレーナードープＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ成長時におけるガスシーケンスを示したもので、プレーナードープの際には、ＴＭＡ、ＴＭＧの供給が停止され、ＳｉＨ4及びＮＨ3のみとなるところに、図４のプロセスとの違いがある。
【００２４】
図３は、比較例２として、均一ドープＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハを示したもので、電子供給層４の構成が、キャリア濃度４×１０18cm-3で膜厚２５nmのｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層１８からなる。図６は、この均一ドープＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ成長時におけるガスシーケンスを示したもので、電子供給層４を成長する間は、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びＮＨ3だけでなく、ＳｉＨ4も一貫して供給され続けているところに、図４及び図５のプロセスとの違いがある。
【００２５】
本実施形態の要点は、図２、図３に示すような通常構造の均一ドープやプレーナードープＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハに対して、図１に示すような、プレーナードープに代わる高キャリア濃度のＡｌＧａＮ薄層６をＡｌＧａＮ電子供給層４中に挿入したことにある。本発明の技術では、電子供給層４の形成に当たり、ドーピングは常にIII族原料とＶ族原料が供給される成長環境下で行われるため、結晶の劣化はなく、且つエピタキシャルウェハ構造はドーピング部とチャネル部の空間的な距離を隔てているため電子移動度の増加が起こり、結果的には従来の均一ドープＧａＮ−ＨＥＭＴを上回るデバイス特性が期待できる。
【００２６】
［実施例］
本発明の一実施例として、図１に示すような高キャリア濃度ＡｌＧａＮ層挿入構造と、図２に示すプレーナードープ構造と、図３に示す均一ドープ構造の、３種のエピタキシャルウェハを作製し、ホール効果測定を行い、そのシートキャリア濃度Ｎｓと電子移動度μを測定した。
【００２７】
サセプタ上に、直径２インチのＳｉＣ基板１を置き、サセプタ温度を薄膜の成長温度である１１００℃まで加熱した。ＭＯＶＰＥ法により基板直上にバッファ層２としてのＡｌＮ層を形成した後、チャネル層３としての高純度ＧａＮ層と、電子供給層４としてのＡｌＧａＮ層を形成した。
【００２８】
原料ガスは水素で希釈してガス導入口より炉内に導入した。原料ガスには、ＡｌＮ層成長のときはトリメチルアルミニウムとアンモニアを、ＧａＮ層成長のときはトリメチルガリウムとアンモニアを、ＡｌＧａＮ層成長のときはトリメチルアルミニウム、トリメチルガリウムとアンモニアを用い、ドーパントにはモノシランを用いた。３種類のエピタキシャルウェハ成長時のガスシーケンスは図４〜図６に示す。
【００２９】
上記でウェハ中心部の電子移動度を比較した結果を以下の表に示す。
【００３０】
表１から、プレーナードープＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ（図２）や通常構造の均一ドープや（図３）に較べて、本実施例の高キャリア濃度のＡｌＧａＮ薄層を挿入したＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ（図１）が、最も低いシート抵抗、最も高いシートキャリア濃度、及び最も高い電子移動度を示すことが分かる。
【表１】
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以上のように、電子供給層に高キャリア濃度層を挿入することによって電気的特性が向上することが確認された。また、Ｃ−Ｖ測定によりキャリア濃度プロファイルをとったところ、図７のように移動度が高いものは界面に電子がきちんと閉じ込められ、２次元電子ガスのピークが高くなることがわかった。
【００３１】
以上の結果より発明したエピタキシャルウェハ構造によって、ＭＯＶＰＥ法による成長にて均一ドープやプレーナードープを超える電気的特性を実現できることが分かった。
【００３２】
高キャリア濃度層の厚さや濃度または挿入位置は、目的とするデバイスに必要な特性により異なるし、成長条件や成長炉によっても異なるため、試行錯誤をしておさえなくてはならない。
【００３３】
［変形例］
上記実施例では、高キャリア濃度層は１層だけだったが、目的とするデバイスやプロセスによっては複数層にすることが可能であり、それぞれの層を異なるキャリア濃度に設計することも可能である。
【００３４】
また上記実施例では、高キャリア濃度層とそれ以外の電子供給層のＡｌ組成は同じであったが、高キャリア濃度層のキャリア濃度を上げるため、２ＤＥＧが溜まらない程度にＡｌ組成を下げることも可能である。
【００３５】
また上記実施例では、チャネル層３が高純度ＧａＮ層であるとして説明したが、高純度ＩｎＧａＮ層で構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例に係るＡｌＧａＮ電子供給層の一部を高キャリア濃度化したＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの断面図である。
【図２】比較例１に係るプレーナードープを施したＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの断面図である。
【図３】比較例２に係る均一ドープＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの断面構造である。
【図４】本発明の実施例に係る高キャリア濃度層挿入ＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ成長時のガスシーケンス図である。
【図５】比較例１に係るプレーナードープＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ成長時のガスシーケンス図である。
【図６】比較例２に係る均一ドープＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ成長時のガスシーケンス図である。
【図７】本発明の実施例に係るエピタキシャルウェハのキャリア濃度の深さ方向のプロファイルを、比較例１、２と比較して示した図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  ＳｉＣ基板
２  バッファ層
３  チャネル層
４  電子供給層
５  下側層（低キャリア濃度層）
６  中間層（高キャリア濃度層）
７  上側層（低キャリア濃度層）
【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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