(57)【要約】【課題】窒化物化合物半導体を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタにおいて、Si基板上にて高移動度を有するようにする。【解決手段】Si(111)基板上にAlNバッファ層を80nm、中間層Al0.26Ga0.74Nを40nm、AlN/GaN周期構造、アンドープGaN層0.9μm、薄膜AlNスペーサ層1.5nm、アンドープAlGaN電子供給層25nmをエピタキシャル成長する。AlN/GaN多層構造のAlN、GaNの膜厚はそれぞれ5nm、20nmとしペア数は21ペア以上70ペア以下としている。さらにAlGaN電子供給層のAl組成を24%以下とすることで、最大1610cm2/Vsecの移動度を実現できる。【選択図】図５
2007250721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Si基板上にアンドープGaN及びAlxGa1-xN(0<x≦1)がこの順に形成されており、この２層の間に２次元電子ガスが形成されチャネルとなる構造において、前記AlxGa1-xNのAl組成xが24%以下であることを特徴とする、窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。
【請求項２】
Si基板上にアンドープGaN及びAlxGa1-xN(0<x≦1)がこの順に形成されており、この２層の間に２次元電子ガスが形成されチャネルとなる構造において、前記アンドープGaNとSi基板の間に組成の異なるAlxGa1-xN(0≦x≦1)2層が周期的に形成された周期構造が形成され、そのペア数が21以上70未満であることを特徴とする、窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。
【請求項３】
前記チャネルの移動度が1500cm2/Vsec以上を供することを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。
【請求項４】
前記２次元電子ガスのシートキャリア濃度が1.1x1013cm-2以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。
【請求項５】
前記アンドープGaN及びAlxGa1-xN(0<x≦1)の間にAlNスペーサ層が挿入されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。
【請求項６】
前記AlNスペーサ層の膜厚が1.5nm以下であることを特徴とする、請求項５に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。
【請求項７】
前記周期構造がGaNとAlNの周期構造からなることを特徴とする、請求項２に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。
【請求項８】
前記Si基板上に接する形でSiを含まない初期層が形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。
【請求項９】
前記Si基板上に接する形でAlN初期層が形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。
【請求項１０】
前記AlN初期層上に接する形でAlxGa1-xN(0≦x<1)中間層が形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。
【請求項１１】
前記アンドープGaNの膜厚が1μm未満であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波無線アクセス用伝送システム等で用いられる高周波トランジスタに適用できる窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
GaNに代表される窒化物半導体はGaN及びAlNの禁制帯幅がそれぞれ室温で3.4eV、6.2eVと大きく絶縁破壊電界が大きい、また電子の飽和ドリフト速度がGaAsなどの化合物半導体あるいはSi半導体などに比べて大きいという特長を有しており、高周波高出力トランジスタ応用に向け有望である。一般に用いられる(0001)面上のAlGaN/GaNへテロ構造においては面に垂直方向に生じる自発分極及びピエゾ分極により、アンドープ時においてもヘテロ界面に1x1013cm-2以上のシートキャリア濃度を有する２次元電子ガスが生じることが大きな特長であり、大電流・高耐圧の電界効果トランジスタが実現可能である。チャネル移動度としても1000cm2/Vsec程度のものが容易に実現されている。これまでにサファイアあるいはSiC基板上にて高周波特性に優れた電界効果トランジスタが作製され、最大発振周波数fmaxとして140GHz, 173GHzといった高い値が報告されている(非特許文献１，２参照)。
【０００３】
高周波トランジスタとして広く普及するためには低コスト化も重要な要素である。前述の通り、これまでに用いられてきたサファイアやSiC基板はエピタキシャル成長に使用できる品質の基板を大口径で得ることが、現状では困難であり、基板の低コスト化が困難であった。さらなる低コスト化を目指して検討されているのがSi基板上へのエピタキシャル成長である。Siは例えば４インチあるいは６インチといった大口径基板が安価で入手可能であり、その上に特性の優れたGaN系電界効果トランジスタ構造を実現できれば、さらなる低コスト化が実現できると期待される。このような背景の下、Si基板上でのGaN系デバイスのエピタキシャル成長が盛んに試みられ始めている。
【０００４】
以下、従来のSi基板上でのGaN系半導体エピタキシャル成長技術について説明する。非特許文献３によれば、Si(111)基板上にAlN初期成長層、さらにAlN/GaN周期構造を80ペア形成している。ここでAlNは5nm、GaNは26nmとしている。さらにこの上にGaNを1μm、Al0.25Ga0.75Nを25nm形成している。結晶成長には有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)を用いている。この構造において、移動度1200cm2/Vsec及びシートキャリア濃度4.5 x 1012cm-2が実現されている。さらに非特許文献４によれば、前述の周期構造のGaN及びAlN層の膜厚をAlN/GaN=5nm/15nm、5nm/20nm、5nm/40nmの3種類検討し、5nm/20nmの組み合わせにおいてウエハの反りが最小になること、このインチSi(111)基板上にAlN/GaN=5nm/20nmにおいてペア数を20ペア、40ペア、80ペアと変化させ、Si基板上のトータル膜厚として2.8μmまでクラックフリーが実現できている例が示されている。ここではAlN初期層は10nmであると記述されている。非特許文献５によれば同様のエピタキシャル成長技術を用いて青色発光ダイオードが作製された例が記載されている。Si(111)基板上に順に、AlN 2.5nm、Al0.3Ga0.7N 30nm、AlN/GaN周期構造20ペア、その上に青色発光ダイオードを構成するｐn接合構造が形成されている。AlN/GaN周期構造におけるAlN、GaNはそれぞれ5nm、25nmである。
【０００５】
以上の通り、最近のMOCVD結晶成長技術の進展により、安価で大面積基板が入手可能なSi基板上に良好な特性を有するGaN系電子デバイス及び光デバイスが実現されるに至り、これらデバイスを低コストで実現できる見通しが開けつつある。
【非特許文献１】T.Murata et al., IEEE Trans Electron Devices, 52 (2005) 1042.
【非特許文献２】M.Higashiwaki et al., Jpn.J.Appl.Phys. 44 (2005) L475.
【非特許文献３】S.Iwakami et al., Jpn.J.Appl.Phys. 43 (2004) L831.
【非特許文献４】T.Sugahara et al., Jpn.J.Appl.Phys. 43 (2004) L1595.
【非特許文献５】B.Zhang et al., Jpn.J.Appl.Phys. 42 (2003) L226.
【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、従来のSi基板上GaN系電界効果トランジスタのエピタキシャル構造においては1500cm2/Vsecを超す大きな移動度を実現し得る構造は開示されていない。移動度を十分に大きくできない場合には電界効果トランジスタにおいて十分大きなキャリア速度と低い寄生抵抗を実現できないために、Si基板上GaN系トランジスタの高周波特性向上には限界があった。さらに層構造あるいはエピタキシャル成長法を検討し、移動度を従来例よりも向上させない限りは、現状のサファイアあるいはSiC基板上のGaN系高周波トランジスタの特性を上回ることができず、Si基板上GaN系トランジスタが広く普及することが困難であった。
【０００７】
本発明は前述の技術的課題に鑑み、発明者らがSi基板上のGaN系エピタキシャル成長を実験的に検討し見出した結果をもとに、AlN/GaN周期構造の膜厚比及びペア数を適切な範囲に設定し、さらに最上層のAlGaN電子供給層のAl組成を小さくすることで、1500cm2/Vsec以上の高い移動度を実現し得る電界効果トランジスタ構造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】
前記の課題を解決するために、本発明の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造は以下に述べる構成となっている。
【０００９】
請求項１記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、Si基板上にアンドープGaN及びAlxGa1-xN(0<x≦1)がこの順に形成されており、この２層の間に２次元電子ガスが形成されチャネルとなる構造において、前記AlxGa1-xNのAl組成xが24%以下である構成となっている。
【００１０】
このような構成とすることにより、AlxGa1-xNでのAl組成減少に伴いチャネル移動度が増加し、結果として例えば1500cm2/Vsec以上の高移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。
【００１１】
請求項２記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、Si基板上にアンドープGaN及びAlxGa1-xN(0<x≦1)がこの順に形成されており、この２層の間に２次元電子ガスが形成されチャネルとなる構造において、前記アンドープGaNとSi基板の間に組成の異なるAlxGa1-xN(0≦x≦1)2層が周期的に形成された周期構造が形成され、そのペア数が21以上70未満である構成となっている。
【００１２】
このような構成とすることにより、前記周期構造により窒化物半導体中のストレスが抑制され結晶性及び平坦性が向上するとともに、前記ペア数の範囲内に設定することで移動度を向上させ、例えば1500cm2/Vsec以上の高移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。
【００１３】
請求項３記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項１又は２記載のトランジスタ構造において、前記チャネルの移動度が1500cm2/Vsec以上を供する構成となっている。
【００１４】
このような構成とすることにより、より良好な高周波特性を有する窒化物半導体電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。
【００１５】
請求項４記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項１〜３のいずれか１項に記載のトランジスタ構造において、前記２次元電子ガスのシートキャリア濃度が1.1x1013cm-2以下である構成となっている。
【００１６】
このような構成とすることにより、前記シートキャリア濃度の減少に伴いチャネルでの移動度が増加するため、より良好な高周波特性を有する窒化物半導体電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。
【００１７】
請求項５記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項１又は２記載のトランジスタ構造において、前記アンドープGaN及びAlxGa1-xN(0<x≦1)の間にAlNスペーサ層が挿入される構成となっている。
【００１８】
このような構成とすることにより、前記AlNスペーサ層の挿入によりチャネルは前記アンドープGaN層とAlNスペーサの界面に形成され、合金散乱の影響を受けずに、より高い移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。
【００１９】
請求項６記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項５記載のトランジスタ構造において、前記AlNスペーサ層の膜厚が1.5nm以下である構成となっている。
【００２０】
このような構成とすることにより、前記合金散乱の影響が十分に抑制され、より高い移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。
【００２１】
請求項７記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項２記載のトランジスタ構造において、前記周期構造がGaNとAlNの周期構造からなる構成となっている。
【００２２】
このような構成とすることにより、GaNには圧縮歪みがAlNには伸張歪みがかかる形で形成され、その結果Si基板上の窒化物半導体層中のストレスが十分抑制されるので、その上のアンドープGaN層の結晶性及び平坦性が改善され、より高い移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。
【００２３】
請求項８記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項１又は２記載のトランジスタ構造において、前記Si基板上に接する形でSiを含まない初期層が形成される構成となっている。
【００２４】
このような構成とすることにより、Si基板と前記初期層は化学的に反応せず平坦で急峻な界面を維持しながら、前記初期層上に結晶性及び平坦性に優れた窒化物半導体層を形成でき、その結果、高い移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。
【００２５】
請求項９記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項１又は２記載のトランジスタ構造において、前記Si基板上に接する形でAlN初期層が形成される構成となっている。
【００２６】
このような構成とすることにより、Si基板と前記初期層上に形成する窒化物半導体層中に存在するGaとの反応を抑制し、平坦で急峻な界面を維持しながら、前記初期層上に結晶性及び平坦性に優れた窒化物半導体層を形成でき、その結果、高い移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。
【００２７】
請求項１０記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項８記載のトランジスタ構造において、前記AlN初期層上に接する形でAlxGa1-xN(0≦x<1)中間層が形成される構成となっている。
【００２８】
このような構成とすることにより、前記AlN初期層とこの上に形成するGaN層との格子不整合が緩和され、前記中間層上に結晶性及び平坦性に優れた窒化物半導体層を形成でき、その結果、高い移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。
【００２９】
請求項１１記載の窒化物半導体電界効果トランジスタ構造では、請求項１，２記載のトランジスタ構造において、前記アンドープGaNの膜厚が1μm未満である構成となっている。
このような構成とすることにより、窒化物半導体層中にクラックを生じさせることなく、結晶性及び平坦性に優れた窒化物半導体層を形成でき、その結果、高い移動度を有する電界効果トランジスタ構造を実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明の窒化物半導体へテロ接合トランジスタ構造によれば、Si基板上にて1500cm2/Vsec以上の大きな移動度を容易に実現できるので、より低コストにて高周波特性に優れた窒化物半導体電界効果トランジスタを実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３２】
図1は、本発明の一実施形態に係るSi基板上のAlGaN/GaNへテロ接合トランジスタを構成するエピタキシャル構造の断面図である。同図において、101はSi(111)基板、102はAlNバッファ層、103はAlGaN中間層、104はAlN/GaN周期構造、105はアンドープGaN層、106はAlNスペーサ層、107はアンドープAlGaN電子供給層である。図２は図１に示す構造において得られたX線回折パターンGaN(0002)ピークの半値幅と原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope: AFM)で測定した表面荒さRMSをAlN/GaN周期構造のペア数に対してプロットした図、図３は得られた移動度とシートキャリア濃度をAlN/GaN周期構造のペア数に対してプロットした図、図４はAlGaN電子供給層のAl組成を変化させた場合に移動度とシートキャリア濃度の関係をプロットした図、図５は４インチSi基板上で得られた移動度とシートキャリア濃度の面内分布を示す図である。
【００３３】
Si(111)基板上に初期成長層としてAlNバッファ層を80nm、さらに中間層Al0.26Ga0.74Nを40nmエピタキシャル成長する。その上にAlN/GaN周期構造、アンドープGaN層0.9μm、薄膜AlNスペーサ層1.5nm、アンドープAlGaN電子供給層25nmをエピタキシャル成長する。ここでは結晶成長方法として有機金属気相成長法(Metal organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)を用いた。AlN/GaN周期構造におけるAlNは5nm、GaN厚は20nmとし、ペア数は20から70の範囲で変化させている。MOCVDはTMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)をそれぞれGa、Alソースとして用い、NH3を窒素ソースとして用い成長した。ここでは初期層をAlN層はSi基板とGaの反応を抑制するために挿入され、Al0.26Ga0.74N中間層は、その上に形成するGaN層の結晶性改善のために挿入されている。AlN/GaN多層構造はGaNとSiの格子不整合及び熱膨張係数の差によって生じるストレスを緩和する目的で挿入されている。AlN層に伸張歪みを、GaN層に圧縮歪みを生じさせ、これらのバランスをとることで全体のストレスを緩和しGaN中にクラックを生じにくくさせている。この結果、この上に形成されるGaN及びAlGaN/GaNへテロ接合の結晶性及び平坦性が大幅に向上する。アンドープAlGaN/GaNのヘテロ界面に挿入された薄膜AlNスペーサ層はヘテロ界面での合金散乱を抑制し、移動度をより向上させるために挿入されている。このAlN/GaNへテロ界面には２次元電子ガスが生じ、ヘテロ接合トランジスタを作製した場合のチャネル層となる。
【００３４】
図１に示すエピタキシャル構造について、前記AlN/GaN周期構造のペア数を変化させた場合のX線回折パターンの半値幅とAFMにより測定した表面荒さRMSの値をプロットしたものが図２である。AlGaN電子供給層はAl0.26Ga0.74Nとし、X線回折パターンの半値幅はGaN(0002)ピークでの値である。今回20ペア及び50ペア及び70ペアで比較したが、70ペア以上ではクラックが発生してしまい、図２のプロットからは除外されている。この結果、AlN/GaN周期構造のペア数が増加するに伴い、結晶性及び平坦性が向上することが判明した。これらのAlN/GaN周期構造ペア数を変化させた試料について移動度及びシートキャリア濃度をホール測定により求めた結果をプロットしたものが図３である。ここでは前述の結晶性・平坦性の向上を反映して、周期構造ペア数の増加に伴い、移動度・キャリア濃度が増加することが判明した。周期構造を50ペアとすることで、最大1210cm2/Vsecの移動度が確認できている。クラックを抑制し大きな移動度を実現できる周期構造ペア数としては40ペアから70ペアの範囲が最適であると思われる。AlN/GaN周期構造のペア数を50ペアとしAlGaN電子供給層のAl組成を変化させエピタキシャル成長した試料についてホール測定により移動度及びシートキャリア濃度を評価した結果をプロットした結果が図４である。AlGaN電子供給層及びAlNスペーサ層の膜厚はそれぞれ25nm、1.5nmと固定し評価した。図４から明らかなようにAlGaN電子供給層のAl組成を26%から20%に減少させることで、移動度が大幅に向上していることが判る。シートキャリア濃度についてはAl組成の減少に伴いAlGaN中の歪みが減少しピエゾ分極が小さくなるために減少している。移動度が増加するAl組成は24%以下あるいはシートキャリア濃度として1.1x1013cm-2以下と考えてよい、Al組成が小さすぎる場合は前述のピエゾ分極に起因するシートキャリア濃度が減少してしまい、電界効果トランジスタを作製した場合のソース抵抗が大きくなってしまうため、20%前後の値に設定されていることが望ましい。
【００３５】
以上の通り、AlGaN電子供給層のAl組成を20%程度と比較的小さくすることにより移動度を大幅に向上させることができる。図２、図３及び図４で得られた結果をもとに、図１に断面構造を示すヘテロ接合トランジスタ構造において、より大きな移動度を実現するために、AlN/GaN周期構造のペア数を50ペアとし、AlGaN電子供給層のAl組成を20%として4インチSi(111)基板上へのエピタキシャル成長を行った。この成長層に対し、ホール測定により移動度とシートキャリア濃度の面内分布を測定した結果が図５である。図から明らかなように最大で1610cm2/Vsecという大きな移動度が実現できている。この値は現状でSi基板上のAlGaN/GaNへテロ接合トランジスタ構造にて得られている最も大きな移動度である。面内の分布のシート抵抗の分布標準偏差σが3.1%と非常に小さい値が得られている。AlNスペーサ層下方のアンドープGaN層の膜厚については厚膜化する程、その結晶性は改善され移動度が向上するが、クラックが発生するため現状では0.9μmが最適である。
【００３６】
以上の通り、本発明におけるSi基板上のAlGaN/GaNへテロエピタキシャル構造においては、Si基板とAlGaN/GaNヘテロ接合の間にストレス緩和のために挿入するAlN/GaN周期構造のペア数を40ペアから70ペアの範囲とし、さらにAlGaN電子供給層のAl組成を24%以下とすることで、1500cm2/Vsec以上の大きな移動度を容易に実現することが可能となる。
【００３７】
前記の図１〜図５に示す実施例で用いた基板はSi(111)の例を示したが、図１に示す構造を形成し、かつ良好な結晶性を有するエピタキシャル成長層が形成できる限りはいかなる基板でも良く、例えばサファイア(0001)基板やSiC(0001)基板、GaN(0001)基板などでも良い。デバイス構造としては電界効果トランジスタのみを示したが、図１に示すアンドープGaN上に例えばヘテロ接合バイポーラトランジスタや接合型電界効果トランジスタが形成されていても良い。結晶成長方法はMOCVDでなく、例えば、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)あるいはハイドライド気相成長法(Hydride Vapor Phase Epitaxy:HVPE)による層を含む形でも良い。エピタキシャル成長層は良好な結晶性、平坦性が実現できる限りはAs,PなどのV族元素あるいはBなどのIII族元素を構成元素として含んでいても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明にかかる窒化物半導体電界効果トランジスタ構造は、例えばミリ波無線アクセス用伝送システム等で用いられる高周波トランジスタに適用でき有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態におけるSi基板上のAlGaN/GaNへテロ接合トランジスタを構成するエピタキシャル構造の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態において得られたX線回折パターンGaN(0002)ピークの半値幅と原子間力顕微鏡で測定した表面荒さRMSをAlN/GaN周期構造のペア数に対してプロットした図である。
【図３】本発明の一実施形態において得られた移動度とシートキャリア濃度をAlN/GaN周期構造のペア数に対してプロットした図である。
【図４】本発明の一実施形態においてAlGaN電子供給層のAl組成を変化させた場合に移動度とシートキャリア濃度の関係をプロットした図である。
【図５】本発明の一実施形態において４インチSi基板上で得られた移動度とシートキャリア濃度の面内分布を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
101  Si(111)基板、
102  AlNバッファ層、
103  AlGaN中間層、
104  AlN/GaN周期構造、
105  アンドープGaN層、
106  AlNスペーサ層、
107  アンドープAlGaN電子供給層
【図１】
2007250721.tif 000003
【図２】
2007250721.tif 000004
【図３】
2007250721.tif 000005
【図４】
2007250721.tif 000006
【図５】
2007250721.tif 000007