(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面がＣ面であって、前記表面が〔１１−２０〕方向または〔１−１００〕方向に傾斜し、その傾斜角度が０．５度以上８度以下であるＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板の前記表面上に順次結晶成長されて積層されるＡｌＮバッファ層、第１のＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層および第２のＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層にオーミック接合されるソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に設けられ、前記ＡｌＧａＮ層にショットキー接合されるゲート電極とを含むことを特徴とする電界効果型トランジスタ。
【請求項２】
前記ＳｉＣ基板の表面の傾斜方向に対して直角となる方向に前記ソース電極および前記ドレイン電極を並べて配置することを特徴とする請求項１記載の電界効果型トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置に関し、特にＳｉＣ基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させる電界効果型トランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置に用いられる基板として、一般的にはサファイアが用いられている。サファイア基板を用いた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置は、たとえばUS Patent No.5296395に開示されている。しかしながら、サファイアは窒化物半導体との格子不整が１３パーセント以上もあるので、この上に成長される窒化物半導体の結晶は結晶欠陥が非常に大きいといった問題を有する。
【０００３】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を高出力電子デバイスとして応用する場合には、窒化物半導体との格子不整が小さく熱伝導率の大きいＳｉＣ基板を用いるほうが有利とされている。ＳｉＣ基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長させた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置は、たとえば
IEEE EDL20 (1999) P161に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、ＳｉＣ基板に窒化物半導体材料を結晶成長させる場合、窒化物半導体の表面における極性をＩＩＩ族極性とするために、表面がＳｉ面のＳｉＣ基板上に窒化物半導体の結晶成長が行われる。たとえば、ＳｉＣ基板上に窒化物半導体であるＧａＮの結晶を成長させる場合に、表面がＳｉ面のＳｉＣ基板上にＧａＮを結晶成長させると、ＧａＮ層の表面がＩＩＩ族のＧａ極性となる。このように表面がＳｉ面のＳｉＣ基板上に窒化物半導体材料を結晶成長させるのは、ＩＩＩ族極性を有するほうが、表面平坦性および電気的特性に優れた結晶が得られると考えられているためである。
【０００５】
図４は、従来のＳｉＣ基板を用いた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の一例であるヘテロ接合電界効果型トランジスタ（HFET：Hetero Field Effect
Transistor）４０の構造を示す図である。ＨＦＥＴ４０は表面がＳｉ面であるＳｉＣ基板４２の上に、ＡｌＮバッファ層４３、ＧａＮ層４４、ＡｌＧａＮ層４５をこの順次に積層して構成される。ＡｌＧａＮ層４５の表面には、ソース電極４７、ドレイン電極４８およびゲート電極４９が形成される。ＨＦＥＴ４０は、図５に示すようにＧａＮ層４４とＡｌＧａＮ層４５との間に発生する２次元電子ガス（２ＤＥＧ）５０を利用して動作する電界効果型のトランジスタである。
【０００６】
また、表面がＳｉ面であるＳｉＣ基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を成長させる場合、結晶が成長する表面のマイグレーションを促進するために、表面が特定の結晶方向に対して傾斜した傾斜基板を用いる窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置が特開平１１−２３３３９１号公報に開示されている。
【０００７】
しかしながら、ＳｉＣ基板のＳｉ面は研磨によって傷が入りやすく、また表面酸化と化学エッチングによっても容易に傷を取ることができないので、基板処理が難しいといった問題を有する。また、図４に示したＨＦＥＴ４０では、２次元電子ガス５０がＡｌＧａＮ層４５の下のＧａＮ層４４に形成されるので、表面層はＡｌＧａＮ層４５となっている。したがって、ソース電極４７およびドレイン電極４８がＡｌＧａＮ層４５に対して形成されるので、ＡｌＧａＮ層４５のＡｌ組成が大きい場合には接触抵抗が大きくなるといった問題がある。また、バッファ層であるＡｌＮ層４３へのパラレル伝導による寄生容量の増加の問題が生じる。
【０００８】
一方、MRS Fall Meting Symposium W.6.3.1 (1999)には、ＧａＮ基板に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長させた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置が開示されている。MRS Fall Meting Symposium W.6.3.1 (1999)では、ホモエピタキシャル成長の場合ではあるがＧａＮ基板の表面を特定の方向に傾斜させることによって、Ｖ族極性を有するＮ極性の基板の上でも表面平坦性に優れた結晶が得られることが開示されている。
【０００９】
しかしながら、ＧａＮのバルク結晶の作製は難しい。したがって、ＳｉＣ基板を用いて結晶性および電気的特性に優れた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置が望まれている。
【００１０】
本発明の目的は、結晶性および電気的特性に優れた電界効果型トランジスタを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面がＣ面であって、前記表面が〔１１−２０〕方向または〔１−１００〕方向に傾斜し、その傾斜角度が０．５度以上８度以下であるＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板の前記表面上に順次結晶成長されて積層されるＡｌＮバッファ層、第１のＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層および第２のＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層にオーミック接合されるソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に設けられ、前記ＡｌＧａＮ層にショットキー接合されるゲート電極とを含むことを特徴とする電界効果型トランジスタである。
【００１２】
本発明に従えば、ＳｉＣ結晶のＣ面はＳｉ面に比べてケミカルエッチングが容易であるので、研磨傷のない表面平坦性にすぐれた基板表面を得ることができる。したがって、表面がＣ面であるＳｉＣ基板に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長させることによって、表面の傷の影響を受けない良好な窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させることができ、結晶性および電気的特性に優れた電界効果型トランジスタを作製することができる。
【００１４】
また〔１１−２０〕方向または〔１−１００〕方向にＳｉＣ基板の表面を傾斜させることによって、基板表面の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料がより拡散しやすいので、表面平坦性および結晶性の優れた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長が可能となる。
【００１６】
ＳｉＣ基板の表面を傾斜させて結晶を成長させると結晶はステップ状に成長して、面内で均一な結晶成長が可能となる。しかしながら、ＳｉＣ基板の表面の傾斜角が０．５度よりも小さい場合はＳｉＣ基板上に形成されるステップの形成が明確ではない。一方、傾斜角が８度よりも大きくなると、ＳｉＣ基板上に形成されるステップの間隔が著しく小さくなるのでステップの段が並ぶ方向のポテンシャルの揺らぎが大きくなる。本発明に従えば、ＳｉＣ基板の表面の傾斜角を０．５度以上とすることによって基板上にステップが明確に生じ、また基板の傾斜角を８度以下とすることによってステップの間隔が適度に形成されるので、面内で均一な結晶成長が可能となる。
【００１８】
またＳｉＣ基板上に結晶性および電気的特性に優れた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を成長させることができるので、高周波および高速特性であり、雑音が非常に少ない電界効果型トランジスタを作製することができる。
【００１９】
また、表面がＣ面であるＳｉＣ基板上にＡｌＮバッファ層、第１のＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層および第２のＧａＮ層を順次結晶成長して、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのヘテロ構造を形成してヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製すると、従来の表面がＳｉ面であるＳｉＣ基板を用いて作製されるヘテロ接合電界効果型トランジスタとは構造が異なり、ＧａＮ層に対して電極を形成することができる。したがって、ソース電極およびドレイン電極は、接触抵抗の小さなオーミック電極が形成可能である。
【００２０】
また本発明は、前記ＳｉＣ基板の表面の傾斜方向に対して直角となる方向に前記ソース電極および前記ドレイン電極を並べて配置することを特徴とする。
【００２１】
基板の表面が傾斜したＳｉＣ基板では、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が基板の表面の傾斜方向に沿ってステップ状に結晶成長する。ＳｉＣ基板の表面の傾斜方向と平行に電流を流す場合、結晶がステップ状に形成されているのでポテンシャルの段差の影響を受ける。したがって、たとえばヘテロ接合電界効果型トランジスタでは、２次元電子ガスの伝導特性が悪化する。本発明に従えば、ソース電極およびドレイン電極をＳｉＣ基板の表面の傾斜方向に対して直角となる方向に並べて配置する、つまりステップ状に形成される窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のステップの延びる方向に対して平行な方向にソース電極およびドレイン電極が並んで配置されるのでポテンシャルの段差の影響が少なく、揺らぎを小さくすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明における電界効果型トランジスタは、表面がＣ面であるＳｉＣ基板の上に、たとえば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長させることによって作製される。
【００２３】
以下、本発明の電界効果型トランジスタの具体的な実施例を示す。
【００２４】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１の電界効果型トランジスタであるＨＦＥＴ（ヘテロ接合電界効果型トランジスタ）１を示す図である。
【００２５】
ＨＦＥＴ１は、表面がＣ面であるＳｉＣ基板（以下、Ｃ面Ｓｉ基板と記す）２の上にＡｌＮバッファ層３、第１のＧａＮ層４、ＡｌＧａＮバリア層５およびＧａＮ層６がこの順番で積層され、第２のＧａＮ層６の上にソース電極７、ドレイン電極８、およびゲート電極９を備え構成される。
【００２６】
ＨＦＥＴ１の作製方法を以下に示す。まず始めに、Ｃ面ＳｉＣ基板２を熱酸化し、引き続いてフッ酸溶液中で表面の酸化膜を除去する。この熱酸化と酸化膜の除去を数回繰り返してＳｉＣ基板２の研磨傷を完全に取り除く。そして、この上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、前記Ｃ面ＳｉＣ基板２の上にＡｌＮバッファ層３を結晶成長させる。このとき、ＡｌＮバッファ層３の成長温度は１１００℃であり、層厚は１００ｎｍとなるように成長させる。本実施例では、有機金属気相成長法を用いて結晶を成長させているが、結晶成長法としては、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、プラズマ励起した窒素を用いた分子線エピタキシー法であるＲＦ−ＭＢＥ（Radio frequency−Molecular Beam Epitaxy）法またはＥＣＲ−ＭＢＥ（Electron  Cyclotron Resonance−MBE）法などを用いることができる。
【００２７】
ＡｌＮバッファ層３の上に、成長温度１０００℃で第１のＧａＮ層４、ＡｌＧａＮ層５、および第２のＧａＮ層６を順次成長させる。このとき、第１のＧａＮ層４の膜厚は２μｍ、ＡｌＧａＮ層５の膜厚は５０ｎｍ、および第２のＧａＮ層６の膜厚は２００ｎｍとなるようにそれぞれを成長させる。この後、Ｔｉ／Ａｌから成り、オーミック接合される電極であるソース電極７およびドレイン電極８を形成し、ソース電極７およびドレイン電極８との間にＮｉ／Ａｕから成りショットキー接合される電極であるゲート電極９をそれぞれ形成する。
【００２８】
ＳｉＣ結晶ではＳｉ面とＣ面とで極性が異なる。したがって、ＳｉＣ基板２に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長させるＨＦＥＴ１は、図４に示す表面がＳｉ面であるＳｉＣ基板４２に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長させる従来のＨＦＥＴ４０場合とは構造が異なる。本発明のＨＦＥＴ１では、図２に示すように、第２のＧａＮ層６とＡｌＧａＮ層５との間に発生する２次元電子ガス１０を利用して動作する。従来のＨＦＥＴ４０では、接触抵抗の大きなＡｌＧａＮ層４５の上にソース電極４７およびドレイン電極４８が形成されるが、本発明のＨＦＥＴ１では、ＧａＮ層６の上にソース電極４７およびドレイン電極４８を形成されるので、接触抵抗の小さいオーミック接合によって電極を形成することができるので電気特性に優れる。
【００２９】
本実施例のＨＦＥＴ１の室温における移動度を測定すると、２０００ｃｍ2／Ｖｓであった。また、比較のために同一の基板処理によって従来のＨＦＥＴ４０と同じ構造である従来型のＨＦＥＴの作製をおこなった。ここで比較する従来型のＨＦＥＴは、表面がＳｉ面であるＳｉＣ基板に、図１に示すＡｌＮバッファ層３、第１のＧａＮ層４、ＡｌＧａＮ層５、ソース電極７、ドレイン電極８およびゲート電極９が図４のＨＦＥＴ４０に示すＡｌＮバッファ層４３、ＧａＮ層４４、ＡｌＧａＮ層４５、ソース電極４７、ドレイン電極４８にそれぞれ対応するように作製している。このように作製した従来型のＨＦＥＴの移動度は１５００ｃｍ2／Ｖｓであった。
【００３０】
このように、表面がＣ面であるＳｉＣ基板を用いて作製されたＨＦＥＴ１は、従来型のＨＦＥＴに比べて移動度が大きく、電気的特性に優れていることが判った。ＨＦＥＴ１と従来型のＳｉ面を用いたＨＦＥＴとの顕著な違いはＩ−Ｖ特性に現れていた。つまり、ＨＦＥＴ１では電流コラップスがまったく見られなかったが、従来型のＨＦＥＴでは電流コラップスが出たり出なかったりとばらつきが生じた。これはＳｉ面における研磨傷がトラップの形成に関係していると考えられる。
【００３１】
（実施例２）
以下の（１）〜（３）の３種類の表面がＣ面であるＳｉＣ基板の上にＧａＮおよびＡｌＧａＮを成長させて窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置であるＨＦＥＴを作製した。
（１）基板の表面の傾斜がないＳｉＣ基板（以下、Ｊｕｓｔ基板と記す）
（２）基板の表面が〔１１−２０〕方向に１度傾斜したＳｉＣ基板（以下、〔１１−２０〕基板と記す）
（３）基板の表面が〔１−１００〕方向に１度傾斜したＳｉＣ基板（以下、〔１−１００〕基板と記す）
【００３２】
結晶成長法は前記実施例１と同様に行った。ただし、ソース電極およびドレイン電極は、基板の表面の傾斜方向に垂直な方向に並んで配置されている。
【００３３】
上記３種類のＳｉＣ基板を用いて作製されたＨＦＥＴの室温における移動度と最大発振周波数を表１に示す。
【００３４】
【表１】
0003848548.tif 000002
【００３５】
表１に示すように、Ｊｕｓｔ基板を用いた場合の移動度は２０００ｃｍ2／Ｖｓであり、最大発振周波数は１５０ＧＨｚであった。一方、ＳｉＣ基板の表面を〔１１−２０〕方向に傾斜させた〔１１−２０〕基板を用いた場合の移動度は２８００ｃｍ2／Ｖｓであり、最大発振周波数は２５０ＧＨｚであった。また、ＳｉＣ基板の表面を〔１−１００〕方向に傾斜させた〔１−１００〕基板を用いた場合の移動度は３０００ｃｍ2／Ｖｓであり、最大発振周波数は２８０ＧＨｚであった。このように、ＳｉＣ基板の表面を〔１１−２０〕方向または〔１−１００〕方向に傾けることによって、移動度および最大発振周波数ともに改善が見られ、高速特性および高周波特性に優れたＨＦＥＴを作製することができる。
【００３６】
（実施例３）
ＳｉＣ基板の表面を〔１１−２０〕方向または〔１−１００〕方向に傾斜させ、傾斜角度を変えて実施例１と同じ構造のＨＦＥＴを作製した。なお、ソース電極およびドレイン電極は、基板の表面の傾斜方向に垂直な方向に並んで配置されている。図３は、ＳｉＣ基板の表面の傾斜角度を変化させて作製されたＨＦＥＴの移動度を測定した結果を示す図である。図３では、表面を〔１１−２０〕方向に傾斜させたＳｉＣ基板を〔１１−２０〕方向傾斜基板とし、表面を〔１−１００〕方向に傾斜させたＳｉＣ基板を〔１−１００〕方向傾斜基板として表している。図３には、基板の表面が傾斜していないＪｕｓｔ基板を用いた場合の移動度も示している。
【００３７】
図３に示すように、基板の表面の傾斜角度が８度よりも大きくなると移動度が小さくなっている。また、基板の表面の傾斜角度が０．５度よりも小さくになると、基板の表面の傾斜角度がほとんどなくなり、Ｊｕｓｔ基板と同じ特性となる。したがって、基板の傾斜角度を０．５度以上であって８度以下とすることによって、移動度が優れたＨＦＥＴを作製することができる。
【００３８】
（実施例４）
実施例２の基板の表面が〔１１−２０〕方向に１度傾斜したＳｉＣ基板（〔１１−２０〕基板）に、実施例１と同じ構造で、基板の表面の傾斜方向に対して直角となる方向にソース電極およびドレイン電極を並べて配置した場合、および基板の傾斜方向に対して平行となる方向にソース電極およびドレイン電極を並べて配置した場合ＨＦＥＴを作製し、それぞれの移動度と最大発振周波数とを測定した。この測定結果を表２に示す。
【００３９】
【表２】
0003848548.tif 000003
【００４０】
表２に示すように、基板の表面の傾斜方向に対して直角となる方向にソース電極およびドレイン電極を形成した場合の移動度は３０００ｃｍ2／Ｖｓであり、最大発振周波数は２８０ＧＨｚであった。一方、基板の表面の傾斜方向に対して水平となる方向にソース電極およびドレイン電極を形成した場合の移動度は２５００ｃｍ2／Ｖｓであり、最大発振周波数は２３０ＧＨｚであった。このように、ソース電極およびドレイン電極とを基板の傾斜方向と直角となる方向に並べて配置すると、ヘテロ構造でのポテンシャルの揺らぎが少ないなるので、移動度および最大発振周波数の大きな値となる。したがって、高速特性、高周波特性に優れたＨＦＥＴを作製することができる。
【００４１】
以上の実施例１〜４では、ＳｉＣ基板上にＧａＮおよびＡｌＧａＮを結晶成長させてヘテロ構造を作製する方法としてＭＯＣＶＤ法を用いたが、ヘテロ構造の部分はＲＦ−ＭＢＥ法などのＭＢＥ法によって成長させてもよい。このように、ヘテロ構造の部分をＭＢＥによって結晶成長させることによって、界面の急峻性が改善される。したがって、さらに特性を改善することが可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ＳｉＣ結晶のＣ面はＳｉ面に比べてケミカルエッチングが容易であるので、研磨傷のない表面平坦性にすぐれた基板表面を得ることができる。したがって、表面がＣ面であるＳｉＣ基板に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長させることによって、表面の傷の影響を受けない良好な窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させることができ、結晶性および電気的特性に優れた電界効果型トランジスタを作製することができる。
【００４３】
また〔１１−２０〕方向または〔１−１００〕方向にＳｉＣ基板の表面を傾斜させることによって、基板表面の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料がより拡散しやすいので、表面平坦性および結晶性の優れた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長が可能となる。
【００４４】
またＳｉＣ基板の表面の傾斜角を０．５度以上とすることによって基板上にステップが明確に生じ、また基板の傾斜角を８度以下とすることによってステップの間隔が適度に形成されるので、面内で均一な結晶成長が可能となる。
【００４５】
またＳｉＣ基板上に結晶性および電気的特性に優れた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を成長させることができるので、高周波および高速特性であり、雑音が非常に少ない電界効果型トランジスタを作製することができる。
【００４６】
また本発明によれば、ソース電極およびドレイン電極をＳｉＣ基板の表面の傾斜方向に対して直角となる方向に並べて配置する、つまりステップ状に形成される窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のステップの延びる方向に対して平行な方向にソース電極およびドレイン電極が並んで配置されるのでポテンシャルの段差の影響が少なく、揺らぎを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１であるＨＦＥＴ１の構造を示す図である。
【図２】図１のＨＦＥＴ１の２次元電子ガス１０の発生状態を示す図である。
【図３】基板の表面を傾斜させて作製したＨＦＥＴの移動度を示すグラフである。
【図４】従来のＨＦＥＴ４０の構造を示す図である。
【図５】従来のＨＦＥＴ４０の２次元電子ガス５０の発生状態を示す図である。
【符号の説明】
１  ヘテロ接合電界効果型トランジスタ
２  Ｃ面ＳｉＣ基板
３  ＡｌＮバッファ層
４  第１のＧａＮ層
５  ＡｌＧａＮバリア層
６  第２のＧａＮ層
７  ソース電極
８  ドレイン電極
９  ゲート電極
【図１】
0003848548.tif 000004
【図２】
0003848548.tif 000005
【図３】
0003848548.tif 000006
【図４】
0003848548.tif 000007
【図５】
0003848548.tif 000008