トランジスタ用半導体基板、トランジスタ及びトランジスタ用半導体基板の製造方法
【課題】リーク電流が小さく、かつ、ノーマリオフ動作をするデバイスに適した半導体基板を提供する。
【解決手段】ベース基板と、ベース基板上に設けられた、ＩＩＩａ族元素を含む窒化物の第１結晶からなる第１エピタキシャル結晶層と、第１エピタキシャル結晶層上に設けられ、第１結晶よりも大きなバンドギャップを有し、かつ、ＩＩＩａ族元素及びＩＩＩａ族元素の一部を置換したＩＩＩｂ族元素を含む窒化物の第２結晶からなる第２エピタキシャル結晶層とを備える半導体基板を提供する。上記の半導体基板において、第２エピタキシャル結晶層は、第１エピタキシャル結晶層に格子整合又は疑格子整合してもよい。
【解決手段】ベース基板と、ベース基板上に設けられた、ＩＩＩａ族元素を含む窒化物の第１結晶からなる第１エピタキシャル結晶層と、第１エピタキシャル結晶層上に設けられ、第１結晶よりも大きなバンドギャップを有し、かつ、ＩＩＩａ族元素及びＩＩＩａ族元素の一部を置換したＩＩＩｂ族元素を含む窒化物の第２結晶からなる第２エピタキシャル結晶層とを備える半導体基板を提供する。上記の半導体基板において、第２エピタキシャル結晶層は、第１エピタキシャル結晶層に格子整合又は疑格子整合してもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジスタ用半導体基板、トランジスタ及びトランジスタ用半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系半導体結晶からなるHigh Electron Mobility Transistor（HEMT）の一形態として、ショットキー層がAlGaNからなり、チャネル層がInGaNまたはGaNからなるものが知られている（以下においてこの形態をAlGaN／GaN HEMTと呼称することがある）。AlGaN／GaN HEMTではゲートからのリーク電流が大きい。特にノーマリオフ動作（閾値電圧が＞０）するモードのデバイスでは、AlGaN層と(In)GaN層のヘテロ界面にかかる電界が順方向となるため、その分リーク電流も増大する。
【０００３】
リーク電流を低減するべく、AlGaN層の厚みを大きくしてショットキー層の抵抗を増加させる方法、および、AlGaN層におけるAlの組成比を増大させることでGaN層あるいはInGaN層との間のバンドギャップ差を大きくする方法が知られている。また、AlGaN層とゲートの間に絶縁層を配置することにより、リーク電流を小さくするMetal-Insulator-Semiconductor HEMT（MIS-HEMT）も知られている（例えば、非特許文献１参照）。
非特許文献１ H. Sazawa et al., physica status solidi (c), 4, (2007)2748
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
AlGaN／GaN HEMTにおいては、AlGaNショットキー層とGaN層またはInGaN層との間の格子定数の差に起因して、AlGaN層にピエゾ分極が発生する。ピエゾ分極が発生すると、当該ピエゾ分極を打ち消すべく、ヘテロ界面のGaN層側またはInGaN層側に２次元電子ガスが発生する。
【０００５】
ピエゾ分極はAlGaN層の厚み及びAlの組成比が増大すればするほど大きくなり、それに応じ、２次元電子ガスの濃度も増大する。その結果、HEMTの閾値はマイナス側にシフトする。すなわちAlGaN／GaNへテロ構造を有するHEMTにおいては、リーク電流の発生を抑制することと、高い閾値を実現することを両立することが困難であった。このため、リーク電流が小さく、且つ、ノーマリオフ動作するHEMTの作製は困難であった。
【０００６】
AlGaN層とゲートとの間に絶縁層が配置されたMIS−HEMTにおいては、ノーマリオフ動作とリーク電流の抑制とを両立することができる。しかし、MIS−HEMTを製造するには、絶縁層の形成が必要になるので、製造コストが増大する。また、MIS−HEMTは、AlGaN層とゲートの間に絶縁層を有するので、閾値のばらつきがショットキー型のHEMTよりも大きいという問題がある。また、絶縁膜とAlGaN層の界面に発生する界面準位密度を低く抑えることが難しく、デバイスの特性がヒステリシスを示しやすいなどの問題がある。
【０００７】
AlGaN／GaN HEMTでは、AlGaNとGaNには大きな歪が内在している。そのため電界を印加した際に発生するピエゾ応力が加わることにより、両結晶は容易に弾性限界を超え、結晶が破壊される現象、いわゆるピエゾ破壊が起こりやすいという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様においては、ベース基板と、ベース基板上に設けられた、ＩＩＩa族元素を含む窒化物の第１結晶からなる第１エピタキシャル結晶層と、第１エピタキシャル結晶層上に設けられ、第１結晶よりも大きなバンドギャップを有し、かつ、ＩＩＩａ族元素及び当該ＩＩＩａ族元素の一部を置換したＩＩＩｂ族元素を含む窒化物の第２結晶からなる第２エピタキシャル結晶層とを備えるトランジスタ用半導体基板を提供する。上記の半導体基板において、第２エピタキシャル結晶層は、第１エピタキシャル結晶層に格子整合又は疑格子整合してもよい。
【０００９】
上記の半導体基板において、一例として、第１結晶はInｘAlｙGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であり、第２結晶がMｑAlｚGa１−ｑ―ｚNであり、Mはスカンジウム、イットリウム及びランタノイド系元素群の中から選ばれる一種以上の元素であり、０＜ｑ≦０．３０、０＜ｚ＜１、ｑ＋ｚ≦１である。上記の第２結晶は、例えばYｑAlｚGa１−ｑ―ｚN（０＜ｑ≦０．３０、０＜ｚ＜１、ｑ＋ｚ≦１）である。また、第２エピタキシャル結晶層の導電型は、例えばｎ型又は絶縁型である。上記の第１結晶の一例としてGaNが挙げられ、この場合、MｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにおけるMがイットリウムまたはスカンジウムであり、ｑ／ｚの値が０．１から０．３５の範囲であることが好ましい。第１結晶又は第２結晶の結晶型は、ウルツ鉱型が好ましい。
【００１０】
本発明の第２の態様においては、第１の態様の半導体基板を備え、第１エピタキシャル結晶層と第２エピタキシャル結晶層との界面よりも第１エピタキシャル結晶層側に生成される２次元キャリアガスをチャネルとするトランジスタを提供する。上記のキャリアが電子である場合、結晶の上面側がＩＩＩ族極性であってよく、上記のキャリアがホールである場合、Ｖ族極性であってよい。当該トランジスタは、ノーマリオフ動作できる。
【００１１】
本発明の第３の態様においては、ベース基板上に、ＩＩＩａ族元素を含む窒化物の第１結晶をエピタキシャル成長させて第１エピタキシャル結晶層を形成する段階と、第１エピタキシャル結晶層上に、第１結晶よりも大きなバンドギャップを有し、かつ、ＩＩＩａ族元素及び当該ＩＩＩａ族元素の一部を置換したＩＩＩｂ族元素を含む窒化物の第２結晶をエピタキシャル成長させて、第２エピタキシャル結晶層を形成する段階とを備えるトランジスタ用半導体基板の製造方法を提供する。
【００１２】
なお、本明細書において、ＩＩＩａ族とはホウ素族を指し、ＩＩＩｂ族とはスカンジウム族を指す。なお、ＩＩＩａ族およびＩＩＩｂ族は、旧ＣＡＳ方式における名称である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体基板１００の断面を示す。
【図２】ベガード則に則って算出したGaNと格子整合するYｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにおけるGaNの組成比とAlN及びYNの組成比との関係の一例を示す。
【図３】GaNの組成比と図２に示したｑとｚの比を有するYｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのバンドギャップとの関係を示す。
【図４】GaNと格子整合するScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにおけるGaNの組成比とAlN及びScNの組成比との関係の一例を示す。
【図５】GaNの組成比と、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNおよびScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのそれぞれのバンドギャップ（エネルギーギャップ）との関係を示す。
【図６】GaNの組成比と、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNおよびScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのそれぞれの自発分極量との関係を示す。
【図７】半導体基板１００を用いて形成されたトランジスタ２００の構成例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体基板１００の断面を示す。半導体基板１００は、ベース基板１１０、第１エピタキシャル結晶層１２０及び第２エピタキシャル結晶層１３０を備える。ベース基板１１０は、例えば、Al２O３、Si、SiC、ZnO、又はGaNからなる基板である。第１エピタキシャル結晶層１２０は、ＩＩＩａ族元素を含む窒化物の第１結晶から構成される。第１エピタキシャル結晶層１２０を構成する第１結晶は、例えばInｘAlｙGa１−ｘ―ｙN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である。
【００１５】
第２エピタキシャル結晶層１３０は、第１エピタキシャル結晶層１２０上に設けられている。第２エピタキシャル結晶層１３０は、第１結晶よりも大きなバンドギャップを有する第２結晶で構成される。第２エピタキシャル結晶層１３０を構成する第２結晶は、例えば、ＩＩＩａ族元素及び当該ＩＩＩａ族元素の一部を置換したＩＩＩｂ族元素を含む窒化物である。一例として、第１結晶に含まれるＩＩＩａ族元素と、第２結晶に含まれるＩＩＩａ族元素とにおいて、少なくとも１種類のＩＩＩａ族元素は共通しない。また、第１結晶および第２結晶は、共通するＩＩＩａ族元素を含んでもよい。例えば第１結晶は、ＩＩＩａ族元素としてＩｎおよびＡｌを含み、第２結晶は、ＩＩＩａ族元素としてＡｌを含みＩｎを含まない。また、第１結晶に含まれるＩＩＩａ族元素と、第２結晶に含まれるＩＩＩａ族元素とにおいて、共通するＩＩＩａ族元素の組成比が異なってよい。第２エピタキシャル結晶層１３０を構成する第２結晶は、例えばMｑAlｚGa１−ｑ―ｚNである。ただし、Mはスカンジウム、イットリウム及びランタノイド系元素群の中から選ばれる一種以上の元素であり、０＜ｑ≦０．３０、０＜ｚ＜１、ｑ＋ｚ≦１である。
【００１６】
第２エピタキシャル結晶層１３０におけるＩＩＩａ族元素の一部をＩＩＩｂ族元素で置換することで、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との格子定数差を低減できる。その結果、ピエゾ分極により発生する２次元キャリアガスの濃度が減少し、半導体基板１００を用いて形成されるHEMTの閾値はキャリアが電子の場合プラス側にシフトし、ホールの場合マイナス側にシフトする。結果としてトランジスタをノーマリオフ動作させることができる。
【００１７】
具体的には、第２エピタキシャル結晶層１３０は、ＩＩＩａ族元素及びＩＩＩｂ族元素をさまざまな比率で含む窒化物であってよい。例えば、第２エピタキシャル結晶層１３０は、ＩＩＩａ族元素及びＩＩＩｂ族元素を（０．７０〜０．９５）：（０．３０〜０．０５）の比率で有する。第１エピタキシャル結晶層１２０がＧａＮ層である場合、第２エピタキシャル結晶層１３０においてＭで示されるＩＩＩｂ族元素と、Ａｌとの組成比ｑ／ｚは、０．１から０．２５の範囲であってよい。また、組成比ｑ／ｚは、０．１から０．３５の範囲であってもよい。第２エピタキシャル結晶層１３０の導電型は、ｎ型又は半絶縁型であってよい。
【００１８】
第２エピタキシャル結晶層１３０を構成する第２結晶は、第１エピタキシャル結晶層１２０を構成する第１結晶よりも大きなバンドギャップを有する。したがって、第２エピタキシャル結晶層１３０は、第１エピタキシャル結晶層１２０及び第２エピタキシャル結晶層１３０の積層方向におけるキャリアの移動を抑制する。その結果、半導体基板１００を用いて形成されるHEMTにおけるゲートリーク電流を抑制することができ、また、ピエゾ破壊を防ぐことができる。
【００１９】
第２エピタキシャル結晶層１３０は、第１エピタキシャル結晶層１２０に格子整合又は擬格子整合することが好ましい。ここで、本明細書における「擬格子整合」とは、完全な格子整合ではないが、互いに接する２つの半導体の格子定数の差が小さく、格子不整合による欠陥の発生が顕著でない範囲で、互いに接する２つの半導体を積層できる状態をいう。このとき、各半導体の結晶格子が、弾性変形できる範囲内で変形することで、上記格子定数の差が吸収される。例えば、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との格子緩和限界厚さ内での積層状態は、擬格子整合した状態である。
【００２０】
上述したように、一例として、第１エピタキシャル結晶層１２０はInｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である。第２エピタキシャル結晶層１３０はMｑAlｚGa１−ｑ―ｚNである。ここで、Mはスカンジウム、イットリウム及びランタノイド系元素群の中から選ばれる一種以上の元素である。これらの内、イットリウム、ユーロピウムがＭとして好ましく、イットリウムがさらに好ましい。ｑ及びｚは、０＜ｑ≦０．３０、０＜ｚ＜１、ｑ＋ｚ≦１の関係を満たす。ｑ及びｚの間の関係は、ｑ≦ｚであってもよい。
【００２１】
第２エピタキシャル結晶層１３０が上記の条件を満たすMｑAlｚGa１−ｑ―ｚNで構成される場合には、第２エピタキシャル結晶層１３０は、InｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる第１エピタキシャル結晶層１２０に格子整合又は擬格子整合する。第２エピタキシャル結晶層１３０が第１エピタキシャル結晶層１２０に格子整合又は擬格子整合する場合には、第１エピタキシャル結晶層１２０及び第２エピタキシャル結晶層１３０にピエゾ分極が発生しない。第１エピタキシャル結晶層１２０がInｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である場合には、第２エピタキシャル結晶層１３０は、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚN（０＜ｑ≦０．３０、０＜ｚ＜１、ｑ＋ｚ≦１）であることが好ましい。
【００２２】
第１エピタキシャル結晶層１２０及び第２エピタキシャル結晶層１３０にピエゾ分極が発生しない場合には、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との間にピエゾ電荷が発生しない。したがって、第１エピタキシャル結晶層１２０及び第２エピタキシャル結晶層１３０にピエゾ分極が発生する場合に比べて、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との間に生成される２次元キャリアガスの濃度が低下する。
【００２３】
第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との間の２次元キャリアガスの濃度が低下すると、当該２次元キャリアガスをチャネルとするHEMTにおける閾値電圧を、キャリアが電子の場合プラス側に、ホールの場合マイナス側にシフトさせることができる。なお、当該HEMTは、半導体基板１００を用いて形成され、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との間の２次元キャリアガスをチャネルとする。このように、第２エピタキシャル結晶層１３０が、ＩＩＩａ族元素及び当該ＩＩＩａ族元素を置換したＩＩＩｂ族元素を有する窒化物であることで、半導体基板１００を用いて形成されるHEMTをノーマリオフ動作させることができる。このため、ピエゾ破壊耐性の高いHEMTを構成することができる。
【００２４】
ここで、ベガード則によれば、合金の格子定数と組成元素の濃度との間には比例関係が成り立つ。YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNの格子定数をａYAlGaN、YNの格子定数をａYN、AlNの格子定数をａAlN、GaNの格子定数をａGaNとすると、ａYAlGaN＝ａＹＮ・ｑ＋ａAlN・ｚ＋ａGaN（１−ｑｘ−ｚ）の関係が成り立つ。
【００２５】
ａYN＝３．９９（Å）、ａAlN＝３．０７（Å）、ａGaN＝３．１８（Å）であることが知られているので、上記の関係式を用いると、ｑ＝０．１１、ｚ＝０．８９の場合にａＹAlGaN＝３．１７（Å）となり、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNの格子定数がGaNの格子定数と略等しくなる。つまり、上記の格子定数を用いると、Y０．１１Al０．８９Nの格子定数はGaNの格子定数に等しい。
【００２６】
図２は、ベガード則に則って算出したGaNと格子整合するYｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにおけるGaNの組成比とAlN及びＹNの組成比との関係の一例を示す。図２によれば、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにGaNが含まれない場合には、YNとAlNとの組成比が０．１４：０．８６（つまり、ｑ／ｚ＝０．１４／０．８６）であれば、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNがGaNに格子整合することがわかる。
【００２７】
ただし、実際の結晶においては、結晶中の原子の配列、局所的な組成の揺らぎ、同族元素の秩序化、格子間不純物及び各種欠陥などの影響により、格子定数は微妙に変化する。格子定数を正確に見積もるには、これらの要因を考慮した第一原理計算を使用できる。YNは、結晶形が岩塩構造の場合が最も安定であるが、ウルツ鉱型であるAlGaN又はGaNとYNとの混晶であるYAlGaNは、ウルツ鉱構造とすることが好ましい。
【００２８】
YNはAlNあるいはGaNに比べ、共有結合性が弱く、イオン結合性が強い。したがって、YNとGaN、YNとAlN、又はYNとAlGaNの混晶は、YNを含まない結晶に比べてバンドギャップが大きい。
【００２９】
図３は、GaNの組成比とYｑAlｚGa１−ｑ―ｚN（ｑ：ｚ＝１１：８９）のバンドギャップとの関係を示す。バンドギャップは、ブリルアンゾーンのΓ（ガンマ）点におけるバンドギャップである。バンドギャップは、密度汎関数理論に基づく第一原理計算により求めた。イオン−電子相互作用は、ウルトラ疑ポテンシャルで記述した。交換相関エネルギーは一般化勾配近似を適用した。
【００３０】
図３から明らかなように、GaNの組成比が１の場合にYｑAlｚGa１−ｑ―ｚN（ｑ：ｚ＝１１：８９）のエネルギーギャップが最小となるので、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚN（ｑ：ｚ＝１１：８９）のバンドギャップは、GaNのバンドギャップよりも大きい。したがって、第２エピタキシャル結晶層１３０がYｑAlｚGa１−ｑ―ｚN（ｑ：ｚ＝１１：８９）で構成された半導体基板１００では、チャネルとショットキー層界面にはバンドオフセットが存在するため、ゲートリーク電流を抑制することができる。
【００３１】
一方、前述の通り、本HEMTではチャネル層とショットキー層が格子整合しているため、ピエゾ分極に起因するチャネル電荷が発生しない状態である。このため本HEMTでは高い閾値が実現でき、ノーマリオフ動作可能である。すなわち本HEMTでは、AlGaN/GaN HEMTに見られた、ゲートリークと高い閾値のトレードオフが回避される。
【００３２】
以上のとおり、半導体基板１００が、ＩＩＩa族元素を含む窒化物の第１結晶からなる第１エピタキシャル結晶層１２０と、第１結晶よりも大きなバンドギャップを有し、かつ、ＩＩＩａ族元素及びＩＩＩｂ族元素を含む窒化物の第２結晶からなる第２エピタキシャル結晶層１３０とを備えることにより、半導体基板１００を用いて形成されるHEMTのリーク電流が低減するとともに、閾値をプラス側にシフトできる。このため、当該HEMTにノーマリオフ動作をさせることができる。
【００３３】
半導体基板１００は、公知のエピタキシャル結晶成長法を用いて製造することができる。例えば、GaNからなるベース基板１１０を反応炉に載置した後に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いることにより、InｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる第１エピタキシャル結晶層１２０を形成することができる。次に、第１エピタキシャル結晶層１２０の上にＹｑAlｚGa１−ｑ―ｚNからなる第２エピタキシャル結晶層１３０を形成することができる。具体的には、ベース基板１１０を載置した反応炉に、N源としてのアンモニア、Al源としてのトリメチルアルミニウム及びY源としてトリスシクロペンタジエニルイットリウムを導入して加熱することにより、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNを第１エピタキシャル結晶層１２０上に形成することができる。
【００３４】
図４は、GaNと格子整合するScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにおけるGaNの組成比とAlN及びScNの組成比との関係の一例を示す。なお図４においては、ベガード則に沿って算出した組成比を点線で示し、第一原理計算によって算出した組成比を実線で示す。図４に示すように、第一原理計算による組成比は、ベガード則による組成比とは異なる値になった。
【００３５】
図４に示すように、ScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにGaNが含まれない場合に、ScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNがGaNと格子整合するScNとAlNとの組成比をベガード則に沿って算出すると、概ね０．１６：０．８４（つまり、ｑ／ｚ＝０．１６／０．８４）になる。同様に、ScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにGaNが含まれない場合に、ScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNがGaNと格子整合するScNとAlNとの組成比を第一原理計算に沿って算出すると、概ね０．２３：０．７７（つまり、ｑ／ｚ＝０．２３／０．７７）になる。
【００３６】
図５は、GaNの組成比と、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNおよびScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのそれぞれのバンドギャップ（エネルギーギャップ）との関係を示す。バンドギャップは、ブリルアンゾーンのΓ（ガンマ）点におけるバンドギャップである。当該バンドギャップの算出方法は、図３に示したバンドギャップの算出方法と同様である。
【００３７】
図５から明らかなように、GaNの組成比が１の場合にScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのバンドギャップも最小となるので、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNと同様に、GaNの組成比が０のScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのバンドギャップは、GaNのバンドギャップよりも大きい。したがって、第２エピタキシャル結晶層１３０がScｑAlｚGa１−ｑ―ｚN（但し、GaNの組成比は０）で構成された半導体基板１００では、チャネルとショットキー層界面にはバンドオフセットが存在するため、ゲートリーク電流を抑制することができる。また、図５に示すように、GaN組成比の広い範囲に渡って、ScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのほうが、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNよりもバンドギャップが大きい。
【００３８】
図６は、GaNの組成比と、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNおよびScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのそれぞれの自発分極量との関係を示す。図６においても図３と同様に、自発分極量を第一原理計算により算出した。図６に示すように、GaN組成比の広い範囲に渡って、ScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのほうが、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNよりも自発分極量が大きい。
【００３９】
一般に、光学デバイスにおける光学遷移の効率、および、電子デバイスにおける二次元電子ガスの濃度等は、分極量の影響を受けるが、図６に示すように、MｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにおけるMを選択することによっても、自発分極量を調整することができる。
【００４０】
図１に示した半導体基板１００の構成は、さまざまな変形例を含む。例えば、第１エピタキシャル結晶層１２０がInｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であり、第２エピタキシャル結晶層１３０がMｑAlｚGa１−ｑ―ｚNであり、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との間にスペーサ層を有しても良い。スペーサ層はAlNであっても良い。つまり、半導体基板１００は、MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN／AlN／InｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で示される構成を有してもよい。半導体基板１００が、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との界面にAlNを有することにより、チャネル電子の合金散乱が抑制されるので、電子移動度が向上する。
【００４１】
第２エピタキシャル結晶層１３０は、第１エピタキシャル結晶層１２０上に設けられたMｑ2Alｚ2Ga１−ｑ2―ｚ2N層と、当該Mｑ2Alｚ2Ga１−ｑ2―ｚ2N層上に設けられたMｑ1Alｚ1Ga１−ｑ1―ｚ1Ｎ層とを有してもよい。つまり、半導体基板１００は、Mｑ1Alｚ1Ga１−ｑ1―ｚ1N／Mｑ2Alｚ2Ga１−ｑ2―ｚ2N／InｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で示される構成を有してもよい。
【００４２】
Mｑ1Alｚ1Ga１−ｑ1―ｚ1NがMｑ2Alｚ2Ga１−ｑ2―ｚ2Nよりも大きな格子定数を有してもよい。Mｑ1Alｚ1Ga１−ｑ1―ｚ1NがMｑ2Alｚ2Ga１−ｑ2―ｚ2Nよりも大きな格子定数を有することにより、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との界面に生じるピエゾ分極が緩和されるので、半導体基板１００を用いて形成されるHEMTの閾値電圧を、キャリアが電子の場合プラス側に、ホールの場合マイナス側にシフトさせることができる。
【００４３】
第２エピタキシャル結晶層１３０は、第１エピタキシャル結晶層１２０に接するMｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層と、当該MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層に接するInGaN層と、当該InGaN層に接するｐ型InGaN層とを有してもよい。つまり、半導体基板１００は、ｐ型Inｘ１Ga１−ｘ１N／Inｘ２Ga１−ｘ２N／MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN／InｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で示される構成を有してよい。
【００４４】
半導体基板１００が上記の構成を有することにより、Inｘ２Ga１−ｘ２Ｎ層とMｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層との界面に２次元ホールガスが蓄積し、MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層とInｘAlyGa１−ｘ―yN層（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）との界面に２次元電子ガスが蓄積される。したがって、半導体基板１００を用いることにより、ｐチャネルのトランジスタとｎチャネルのトランジスタとを有する相補型トランジスタを１チップで構成することができる。
【００４５】
半導体基板１００は、ベース基板１１０と第１エピタキシャル結晶層１２０との間にMｑ3Alｚ2Ga１−ｑ3―ｚ2N層をさらに備えてもよい。つまり、半導体基板１００は、Mｑ1Alｚ1Ga１−ｑ1―ｚ1N／InｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）／Mｑ3Alｚ3Ga１−ｑ3―ｚ3Nで示される構成を有してもよい。InｘAlyGa１−ｘ―yN層（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）は、Mｑ1Alｚ1Ga１−ｑ1―ｚ1N層及びMｑ3Alｚ3Ga１−ｑ3―ｚ3N層の少なくとも１つに格子整合又は擬格子整合する。
【００４６】
当該構成を有する半導体基板１００においては、Mｑ1Alｚ1Ga１−ｑ1―ｚ1N層及びMｑ3Alｚ3Ga１−ｑ3―ｚ3N層からInｘAlyGa１−ｘ―yN層（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）にキャリアが供給されるので、２次元キャリアガスの濃度が高まる。その結果、半導体基板１００を用いてトランジスタを形成すると、素子抵抗、ピンチオフ及び相互コンダクタンス特性が改善する。
【００４７】
第２エピタキシャル結晶層１３０は、第１エピタキシャル結晶層１２０上に設けられたMｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層と、当該MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層上に設けられたｐ型MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層とを有してもよい。つまり、半導体基板１００は、ｐ型MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN／MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN／InｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で示される構成を有してもよい。当該構成を有する半導体基板１００においては、第１エピタキシャル結晶層１２０にホールが注入されるので、InｘAlyGa１−ｘ―yN層（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）とMｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層との界面に発生する２次元電子ガスの濃度を向上させることができる。したがって、半導体基板１００を用いて形成される素子の抵抗を下げることができる。
【００４８】
半導体基板１００は、最上層にInGaN層を備えてもよい。当該構成を有する半導体基板１００においては、チャネルが形成される、バンドギャップが小さいInGaN層にオーミック電極を形成することができるので、接触抵抗を低減することができる。
【００４９】
なお、上記の説明において、０＜ｑ≦０．３０、０＜ｚ＜１、ｑ＋ｚ≦１、０＜ｑ１≦０．３０、０＜ｚ１＜１、ｑ１＋ｚ１≦１、０＜ｑ２≦０．３０、０＜ｚ２＜１、ｑ２＋ｚ２≦１、０＜ｑ３≦０．３０、０＜ｚ３＜１、ｑ３＋ｚ３≦１、０≦x1≦０．１０、０≦x2≦０．１０、０≦x３≦０．５０である。
【００５０】
図７は、半導体基板１００を用いて形成されたトランジスタ２００の構成例を示す。トランジスタ２００は、例えばHEMTである。トランジスタ２００は、半導体基板１００における第２エピタキシャル結晶層１３０上に形成されたソース電極２１０、ゲート電極２２０及びドレイン電極２３０を備える。ソース電極２１０及びドレイン電極２３０は、Ti/Al、ゲート電極２２０はNi/Alである。ソース電極２１０、ゲート電極２２０及びドレイン電極２３０は、例えば、電子線蒸着法で金属を積層した後、リソグラフィー法により形成される。
【００５１】
トランジスタ２００においては、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との間に２次元キャリアガスが生成される。ソース電極２１０から注入されたキャリアは、当該２次元キャリアガスをチャネルとしてドレイン電極２３０まで移動する。第１エピタキシャル結晶層１２０のバンドギャップがベース基板１１０よりも大きく、ゲート電極２２０と第１エピタキシャル結晶層１２０との間をキャリアが移動しにくいので、従来のHEMTに比べてトランジスタ２００のゲートリーク電流は低減される。
【００５２】
また、トランジスタ２００においては、第２エピタキシャル結晶層１３０が第１エピタキシャル結晶層１２０と格子整合又は擬格子整合するので、ピエゾ電荷による２次元キャリアガスが発生しない。したがって、トランジスタ２００は高い閾値が実現できる。閾値電圧は０Ｖ以上とすることができ、ノーマリオフ動作をすることができ、また、ピエゾ破壊も起こしにくい。
【００５３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００５４】
１００ 半導体基板、１１０ ベース基板、１２０ 第１エピタキシャル結晶層、１３０ 第２エピタキシャル結晶層、２００ トランジスタ、２１０ ソース電極、２２０ ゲート電極、２３０ ドレイン電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジスタ用半導体基板、トランジスタ及びトランジスタ用半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系半導体結晶からなるHigh Electron Mobility Transistor（HEMT）の一形態として、ショットキー層がAlGaNからなり、チャネル層がInGaNまたはGaNからなるものが知られている（以下においてこの形態をAlGaN／GaN HEMTと呼称することがある）。AlGaN／GaN HEMTではゲートからのリーク電流が大きい。特にノーマリオフ動作（閾値電圧が＞０）するモードのデバイスでは、AlGaN層と(In)GaN層のヘテロ界面にかかる電界が順方向となるため、その分リーク電流も増大する。
【０００３】
リーク電流を低減するべく、AlGaN層の厚みを大きくしてショットキー層の抵抗を増加させる方法、および、AlGaN層におけるAlの組成比を増大させることでGaN層あるいはInGaN層との間のバンドギャップ差を大きくする方法が知られている。また、AlGaN層とゲートの間に絶縁層を配置することにより、リーク電流を小さくするMetal-Insulator-Semiconductor HEMT（MIS-HEMT）も知られている（例えば、非特許文献１参照）。
非特許文献１ H. Sazawa et al., physica status solidi (c), 4, (2007)2748
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
AlGaN／GaN HEMTにおいては、AlGaNショットキー層とGaN層またはInGaN層との間の格子定数の差に起因して、AlGaN層にピエゾ分極が発生する。ピエゾ分極が発生すると、当該ピエゾ分極を打ち消すべく、ヘテロ界面のGaN層側またはInGaN層側に２次元電子ガスが発生する。
【０００５】
ピエゾ分極はAlGaN層の厚み及びAlの組成比が増大すればするほど大きくなり、それに応じ、２次元電子ガスの濃度も増大する。その結果、HEMTの閾値はマイナス側にシフトする。すなわちAlGaN／GaNへテロ構造を有するHEMTにおいては、リーク電流の発生を抑制することと、高い閾値を実現することを両立することが困難であった。このため、リーク電流が小さく、且つ、ノーマリオフ動作するHEMTの作製は困難であった。
【０００６】
AlGaN層とゲートとの間に絶縁層が配置されたMIS−HEMTにおいては、ノーマリオフ動作とリーク電流の抑制とを両立することができる。しかし、MIS−HEMTを製造するには、絶縁層の形成が必要になるので、製造コストが増大する。また、MIS−HEMTは、AlGaN層とゲートの間に絶縁層を有するので、閾値のばらつきがショットキー型のHEMTよりも大きいという問題がある。また、絶縁膜とAlGaN層の界面に発生する界面準位密度を低く抑えることが難しく、デバイスの特性がヒステリシスを示しやすいなどの問題がある。
【０００７】
AlGaN／GaN HEMTでは、AlGaNとGaNには大きな歪が内在している。そのため電界を印加した際に発生するピエゾ応力が加わることにより、両結晶は容易に弾性限界を超え、結晶が破壊される現象、いわゆるピエゾ破壊が起こりやすいという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様においては、ベース基板と、ベース基板上に設けられた、ＩＩＩa族元素を含む窒化物の第１結晶からなる第１エピタキシャル結晶層と、第１エピタキシャル結晶層上に設けられ、第１結晶よりも大きなバンドギャップを有し、かつ、ＩＩＩａ族元素及び当該ＩＩＩａ族元素の一部を置換したＩＩＩｂ族元素を含む窒化物の第２結晶からなる第２エピタキシャル結晶層とを備えるトランジスタ用半導体基板を提供する。上記の半導体基板において、第２エピタキシャル結晶層は、第１エピタキシャル結晶層に格子整合又は疑格子整合してもよい。
【０００９】
上記の半導体基板において、一例として、第１結晶はInｘAlｙGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であり、第２結晶がMｑAlｚGa１−ｑ―ｚNであり、Mはスカンジウム、イットリウム及びランタノイド系元素群の中から選ばれる一種以上の元素であり、０＜ｑ≦０．３０、０＜ｚ＜１、ｑ＋ｚ≦１である。上記の第２結晶は、例えばYｑAlｚGa１−ｑ―ｚN（０＜ｑ≦０．３０、０＜ｚ＜１、ｑ＋ｚ≦１）である。また、第２エピタキシャル結晶層の導電型は、例えばｎ型又は絶縁型である。上記の第１結晶の一例としてGaNが挙げられ、この場合、MｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにおけるMがイットリウムまたはスカンジウムであり、ｑ／ｚの値が０．１から０．３５の範囲であることが好ましい。第１結晶又は第２結晶の結晶型は、ウルツ鉱型が好ましい。
【００１０】
本発明の第２の態様においては、第１の態様の半導体基板を備え、第１エピタキシャル結晶層と第２エピタキシャル結晶層との界面よりも第１エピタキシャル結晶層側に生成される２次元キャリアガスをチャネルとするトランジスタを提供する。上記のキャリアが電子である場合、結晶の上面側がＩＩＩ族極性であってよく、上記のキャリアがホールである場合、Ｖ族極性であってよい。当該トランジスタは、ノーマリオフ動作できる。
【００１１】
本発明の第３の態様においては、ベース基板上に、ＩＩＩａ族元素を含む窒化物の第１結晶をエピタキシャル成長させて第１エピタキシャル結晶層を形成する段階と、第１エピタキシャル結晶層上に、第１結晶よりも大きなバンドギャップを有し、かつ、ＩＩＩａ族元素及び当該ＩＩＩａ族元素の一部を置換したＩＩＩｂ族元素を含む窒化物の第２結晶をエピタキシャル成長させて、第２エピタキシャル結晶層を形成する段階とを備えるトランジスタ用半導体基板の製造方法を提供する。
【００１２】
なお、本明細書において、ＩＩＩａ族とはホウ素族を指し、ＩＩＩｂ族とはスカンジウム族を指す。なお、ＩＩＩａ族およびＩＩＩｂ族は、旧ＣＡＳ方式における名称である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体基板１００の断面を示す。
【図２】ベガード則に則って算出したGaNと格子整合するYｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにおけるGaNの組成比とAlN及びYNの組成比との関係の一例を示す。
【図３】GaNの組成比と図２に示したｑとｚの比を有するYｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのバンドギャップとの関係を示す。
【図４】GaNと格子整合するScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにおけるGaNの組成比とAlN及びScNの組成比との関係の一例を示す。
【図５】GaNの組成比と、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNおよびScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのそれぞれのバンドギャップ（エネルギーギャップ）との関係を示す。
【図６】GaNの組成比と、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNおよびScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのそれぞれの自発分極量との関係を示す。
【図７】半導体基板１００を用いて形成されたトランジスタ２００の構成例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体基板１００の断面を示す。半導体基板１００は、ベース基板１１０、第１エピタキシャル結晶層１２０及び第２エピタキシャル結晶層１３０を備える。ベース基板１１０は、例えば、Al２O３、Si、SiC、ZnO、又はGaNからなる基板である。第１エピタキシャル結晶層１２０は、ＩＩＩａ族元素を含む窒化物の第１結晶から構成される。第１エピタキシャル結晶層１２０を構成する第１結晶は、例えばInｘAlｙGa１−ｘ―ｙN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である。
【００１５】
第２エピタキシャル結晶層１３０は、第１エピタキシャル結晶層１２０上に設けられている。第２エピタキシャル結晶層１３０は、第１結晶よりも大きなバンドギャップを有する第２結晶で構成される。第２エピタキシャル結晶層１３０を構成する第２結晶は、例えば、ＩＩＩａ族元素及び当該ＩＩＩａ族元素の一部を置換したＩＩＩｂ族元素を含む窒化物である。一例として、第１結晶に含まれるＩＩＩａ族元素と、第２結晶に含まれるＩＩＩａ族元素とにおいて、少なくとも１種類のＩＩＩａ族元素は共通しない。また、第１結晶および第２結晶は、共通するＩＩＩａ族元素を含んでもよい。例えば第１結晶は、ＩＩＩａ族元素としてＩｎおよびＡｌを含み、第２結晶は、ＩＩＩａ族元素としてＡｌを含みＩｎを含まない。また、第１結晶に含まれるＩＩＩａ族元素と、第２結晶に含まれるＩＩＩａ族元素とにおいて、共通するＩＩＩａ族元素の組成比が異なってよい。第２エピタキシャル結晶層１３０を構成する第２結晶は、例えばMｑAlｚGa１−ｑ―ｚNである。ただし、Mはスカンジウム、イットリウム及びランタノイド系元素群の中から選ばれる一種以上の元素であり、０＜ｑ≦０．３０、０＜ｚ＜１、ｑ＋ｚ≦１である。
【００１６】
第２エピタキシャル結晶層１３０におけるＩＩＩａ族元素の一部をＩＩＩｂ族元素で置換することで、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との格子定数差を低減できる。その結果、ピエゾ分極により発生する２次元キャリアガスの濃度が減少し、半導体基板１００を用いて形成されるHEMTの閾値はキャリアが電子の場合プラス側にシフトし、ホールの場合マイナス側にシフトする。結果としてトランジスタをノーマリオフ動作させることができる。
【００１７】
具体的には、第２エピタキシャル結晶層１３０は、ＩＩＩａ族元素及びＩＩＩｂ族元素をさまざまな比率で含む窒化物であってよい。例えば、第２エピタキシャル結晶層１３０は、ＩＩＩａ族元素及びＩＩＩｂ族元素を（０．７０〜０．９５）：（０．３０〜０．０５）の比率で有する。第１エピタキシャル結晶層１２０がＧａＮ層である場合、第２エピタキシャル結晶層１３０においてＭで示されるＩＩＩｂ族元素と、Ａｌとの組成比ｑ／ｚは、０．１から０．２５の範囲であってよい。また、組成比ｑ／ｚは、０．１から０．３５の範囲であってもよい。第２エピタキシャル結晶層１３０の導電型は、ｎ型又は半絶縁型であってよい。
【００１８】
第２エピタキシャル結晶層１３０を構成する第２結晶は、第１エピタキシャル結晶層１２０を構成する第１結晶よりも大きなバンドギャップを有する。したがって、第２エピタキシャル結晶層１３０は、第１エピタキシャル結晶層１２０及び第２エピタキシャル結晶層１３０の積層方向におけるキャリアの移動を抑制する。その結果、半導体基板１００を用いて形成されるHEMTにおけるゲートリーク電流を抑制することができ、また、ピエゾ破壊を防ぐことができる。
【００１９】
第２エピタキシャル結晶層１３０は、第１エピタキシャル結晶層１２０に格子整合又は擬格子整合することが好ましい。ここで、本明細書における「擬格子整合」とは、完全な格子整合ではないが、互いに接する２つの半導体の格子定数の差が小さく、格子不整合による欠陥の発生が顕著でない範囲で、互いに接する２つの半導体を積層できる状態をいう。このとき、各半導体の結晶格子が、弾性変形できる範囲内で変形することで、上記格子定数の差が吸収される。例えば、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との格子緩和限界厚さ内での積層状態は、擬格子整合した状態である。
【００２０】
上述したように、一例として、第１エピタキシャル結晶層１２０はInｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である。第２エピタキシャル結晶層１３０はMｑAlｚGa１−ｑ―ｚNである。ここで、Mはスカンジウム、イットリウム及びランタノイド系元素群の中から選ばれる一種以上の元素である。これらの内、イットリウム、ユーロピウムがＭとして好ましく、イットリウムがさらに好ましい。ｑ及びｚは、０＜ｑ≦０．３０、０＜ｚ＜１、ｑ＋ｚ≦１の関係を満たす。ｑ及びｚの間の関係は、ｑ≦ｚであってもよい。
【００２１】
第２エピタキシャル結晶層１３０が上記の条件を満たすMｑAlｚGa１−ｑ―ｚNで構成される場合には、第２エピタキシャル結晶層１３０は、InｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる第１エピタキシャル結晶層１２０に格子整合又は擬格子整合する。第２エピタキシャル結晶層１３０が第１エピタキシャル結晶層１２０に格子整合又は擬格子整合する場合には、第１エピタキシャル結晶層１２０及び第２エピタキシャル結晶層１３０にピエゾ分極が発生しない。第１エピタキシャル結晶層１２０がInｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である場合には、第２エピタキシャル結晶層１３０は、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚN（０＜ｑ≦０．３０、０＜ｚ＜１、ｑ＋ｚ≦１）であることが好ましい。
【００２２】
第１エピタキシャル結晶層１２０及び第２エピタキシャル結晶層１３０にピエゾ分極が発生しない場合には、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との間にピエゾ電荷が発生しない。したがって、第１エピタキシャル結晶層１２０及び第２エピタキシャル結晶層１３０にピエゾ分極が発生する場合に比べて、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との間に生成される２次元キャリアガスの濃度が低下する。
【００２３】
第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との間の２次元キャリアガスの濃度が低下すると、当該２次元キャリアガスをチャネルとするHEMTにおける閾値電圧を、キャリアが電子の場合プラス側に、ホールの場合マイナス側にシフトさせることができる。なお、当該HEMTは、半導体基板１００を用いて形成され、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との間の２次元キャリアガスをチャネルとする。このように、第２エピタキシャル結晶層１３０が、ＩＩＩａ族元素及び当該ＩＩＩａ族元素を置換したＩＩＩｂ族元素を有する窒化物であることで、半導体基板１００を用いて形成されるHEMTをノーマリオフ動作させることができる。このため、ピエゾ破壊耐性の高いHEMTを構成することができる。
【００２４】
ここで、ベガード則によれば、合金の格子定数と組成元素の濃度との間には比例関係が成り立つ。YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNの格子定数をａYAlGaN、YNの格子定数をａYN、AlNの格子定数をａAlN、GaNの格子定数をａGaNとすると、ａYAlGaN＝ａＹＮ・ｑ＋ａAlN・ｚ＋ａGaN（１−ｑｘ−ｚ）の関係が成り立つ。
【００２５】
ａYN＝３．９９（Å）、ａAlN＝３．０７（Å）、ａGaN＝３．１８（Å）であることが知られているので、上記の関係式を用いると、ｑ＝０．１１、ｚ＝０．８９の場合にａＹAlGaN＝３．１７（Å）となり、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNの格子定数がGaNの格子定数と略等しくなる。つまり、上記の格子定数を用いると、Y０．１１Al０．８９Nの格子定数はGaNの格子定数に等しい。
【００２６】
図２は、ベガード則に則って算出したGaNと格子整合するYｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにおけるGaNの組成比とAlN及びＹNの組成比との関係の一例を示す。図２によれば、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにGaNが含まれない場合には、YNとAlNとの組成比が０．１４：０．８６（つまり、ｑ／ｚ＝０．１４／０．８６）であれば、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNがGaNに格子整合することがわかる。
【００２７】
ただし、実際の結晶においては、結晶中の原子の配列、局所的な組成の揺らぎ、同族元素の秩序化、格子間不純物及び各種欠陥などの影響により、格子定数は微妙に変化する。格子定数を正確に見積もるには、これらの要因を考慮した第一原理計算を使用できる。YNは、結晶形が岩塩構造の場合が最も安定であるが、ウルツ鉱型であるAlGaN又はGaNとYNとの混晶であるYAlGaNは、ウルツ鉱構造とすることが好ましい。
【００２８】
YNはAlNあるいはGaNに比べ、共有結合性が弱く、イオン結合性が強い。したがって、YNとGaN、YNとAlN、又はYNとAlGaNの混晶は、YNを含まない結晶に比べてバンドギャップが大きい。
【００２９】
図３は、GaNの組成比とYｑAlｚGa１−ｑ―ｚN（ｑ：ｚ＝１１：８９）のバンドギャップとの関係を示す。バンドギャップは、ブリルアンゾーンのΓ（ガンマ）点におけるバンドギャップである。バンドギャップは、密度汎関数理論に基づく第一原理計算により求めた。イオン−電子相互作用は、ウルトラ疑ポテンシャルで記述した。交換相関エネルギーは一般化勾配近似を適用した。
【００３０】
図３から明らかなように、GaNの組成比が１の場合にYｑAlｚGa１−ｑ―ｚN（ｑ：ｚ＝１１：８９）のエネルギーギャップが最小となるので、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚN（ｑ：ｚ＝１１：８９）のバンドギャップは、GaNのバンドギャップよりも大きい。したがって、第２エピタキシャル結晶層１３０がYｑAlｚGa１−ｑ―ｚN（ｑ：ｚ＝１１：８９）で構成された半導体基板１００では、チャネルとショットキー層界面にはバンドオフセットが存在するため、ゲートリーク電流を抑制することができる。
【００３１】
一方、前述の通り、本HEMTではチャネル層とショットキー層が格子整合しているため、ピエゾ分極に起因するチャネル電荷が発生しない状態である。このため本HEMTでは高い閾値が実現でき、ノーマリオフ動作可能である。すなわち本HEMTでは、AlGaN/GaN HEMTに見られた、ゲートリークと高い閾値のトレードオフが回避される。
【００３２】
以上のとおり、半導体基板１００が、ＩＩＩa族元素を含む窒化物の第１結晶からなる第１エピタキシャル結晶層１２０と、第１結晶よりも大きなバンドギャップを有し、かつ、ＩＩＩａ族元素及びＩＩＩｂ族元素を含む窒化物の第２結晶からなる第２エピタキシャル結晶層１３０とを備えることにより、半導体基板１００を用いて形成されるHEMTのリーク電流が低減するとともに、閾値をプラス側にシフトできる。このため、当該HEMTにノーマリオフ動作をさせることができる。
【００３３】
半導体基板１００は、公知のエピタキシャル結晶成長法を用いて製造することができる。例えば、GaNからなるベース基板１１０を反応炉に載置した後に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いることにより、InｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる第１エピタキシャル結晶層１２０を形成することができる。次に、第１エピタキシャル結晶層１２０の上にＹｑAlｚGa１−ｑ―ｚNからなる第２エピタキシャル結晶層１３０を形成することができる。具体的には、ベース基板１１０を載置した反応炉に、N源としてのアンモニア、Al源としてのトリメチルアルミニウム及びY源としてトリスシクロペンタジエニルイットリウムを導入して加熱することにより、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNを第１エピタキシャル結晶層１２０上に形成することができる。
【００３４】
図４は、GaNと格子整合するScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにおけるGaNの組成比とAlN及びScNの組成比との関係の一例を示す。なお図４においては、ベガード則に沿って算出した組成比を点線で示し、第一原理計算によって算出した組成比を実線で示す。図４に示すように、第一原理計算による組成比は、ベガード則による組成比とは異なる値になった。
【００３５】
図４に示すように、ScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにGaNが含まれない場合に、ScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNがGaNと格子整合するScNとAlNとの組成比をベガード則に沿って算出すると、概ね０．１６：０．８４（つまり、ｑ／ｚ＝０．１６／０．８４）になる。同様に、ScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにGaNが含まれない場合に、ScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNがGaNと格子整合するScNとAlNとの組成比を第一原理計算に沿って算出すると、概ね０．２３：０．７７（つまり、ｑ／ｚ＝０．２３／０．７７）になる。
【００３６】
図５は、GaNの組成比と、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNおよびScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのそれぞれのバンドギャップ（エネルギーギャップ）との関係を示す。バンドギャップは、ブリルアンゾーンのΓ（ガンマ）点におけるバンドギャップである。当該バンドギャップの算出方法は、図３に示したバンドギャップの算出方法と同様である。
【００３７】
図５から明らかなように、GaNの組成比が１の場合にScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのバンドギャップも最小となるので、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNと同様に、GaNの組成比が０のScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのバンドギャップは、GaNのバンドギャップよりも大きい。したがって、第２エピタキシャル結晶層１３０がScｑAlｚGa１−ｑ―ｚN（但し、GaNの組成比は０）で構成された半導体基板１００では、チャネルとショットキー層界面にはバンドオフセットが存在するため、ゲートリーク電流を抑制することができる。また、図５に示すように、GaN組成比の広い範囲に渡って、ScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのほうが、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNよりもバンドギャップが大きい。
【００３８】
図６は、GaNの組成比と、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNおよびScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのそれぞれの自発分極量との関係を示す。図６においても図３と同様に、自発分極量を第一原理計算により算出した。図６に示すように、GaN組成比の広い範囲に渡って、ScｑAlｚGa１−ｑ―ｚNのほうが、YｑAlｚGa１−ｑ―ｚNよりも自発分極量が大きい。
【００３９】
一般に、光学デバイスにおける光学遷移の効率、および、電子デバイスにおける二次元電子ガスの濃度等は、分極量の影響を受けるが、図６に示すように、MｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにおけるMを選択することによっても、自発分極量を調整することができる。
【００４０】
図１に示した半導体基板１００の構成は、さまざまな変形例を含む。例えば、第１エピタキシャル結晶層１２０がInｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であり、第２エピタキシャル結晶層１３０がMｑAlｚGa１−ｑ―ｚNであり、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との間にスペーサ層を有しても良い。スペーサ層はAlNであっても良い。つまり、半導体基板１００は、MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN／AlN／InｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で示される構成を有してもよい。半導体基板１００が、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との界面にAlNを有することにより、チャネル電子の合金散乱が抑制されるので、電子移動度が向上する。
【００４１】
第２エピタキシャル結晶層１３０は、第１エピタキシャル結晶層１２０上に設けられたMｑ2Alｚ2Ga１−ｑ2―ｚ2N層と、当該Mｑ2Alｚ2Ga１−ｑ2―ｚ2N層上に設けられたMｑ1Alｚ1Ga１−ｑ1―ｚ1Ｎ層とを有してもよい。つまり、半導体基板１００は、Mｑ1Alｚ1Ga１−ｑ1―ｚ1N／Mｑ2Alｚ2Ga１−ｑ2―ｚ2N／InｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で示される構成を有してもよい。
【００４２】
Mｑ1Alｚ1Ga１−ｑ1―ｚ1NがMｑ2Alｚ2Ga１−ｑ2―ｚ2Nよりも大きな格子定数を有してもよい。Mｑ1Alｚ1Ga１−ｑ1―ｚ1NがMｑ2Alｚ2Ga１−ｑ2―ｚ2Nよりも大きな格子定数を有することにより、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との界面に生じるピエゾ分極が緩和されるので、半導体基板１００を用いて形成されるHEMTの閾値電圧を、キャリアが電子の場合プラス側に、ホールの場合マイナス側にシフトさせることができる。
【００４３】
第２エピタキシャル結晶層１３０は、第１エピタキシャル結晶層１２０に接するMｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層と、当該MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層に接するInGaN層と、当該InGaN層に接するｐ型InGaN層とを有してもよい。つまり、半導体基板１００は、ｐ型Inｘ１Ga１−ｘ１N／Inｘ２Ga１−ｘ２N／MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN／InｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で示される構成を有してよい。
【００４４】
半導体基板１００が上記の構成を有することにより、Inｘ２Ga１−ｘ２Ｎ層とMｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層との界面に２次元ホールガスが蓄積し、MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層とInｘAlyGa１−ｘ―yN層（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）との界面に２次元電子ガスが蓄積される。したがって、半導体基板１００を用いることにより、ｐチャネルのトランジスタとｎチャネルのトランジスタとを有する相補型トランジスタを１チップで構成することができる。
【００４５】
半導体基板１００は、ベース基板１１０と第１エピタキシャル結晶層１２０との間にMｑ3Alｚ2Ga１−ｑ3―ｚ2N層をさらに備えてもよい。つまり、半導体基板１００は、Mｑ1Alｚ1Ga１−ｑ1―ｚ1N／InｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）／Mｑ3Alｚ3Ga１−ｑ3―ｚ3Nで示される構成を有してもよい。InｘAlyGa１−ｘ―yN層（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）は、Mｑ1Alｚ1Ga１−ｑ1―ｚ1N層及びMｑ3Alｚ3Ga１−ｑ3―ｚ3N層の少なくとも１つに格子整合又は擬格子整合する。
【００４６】
当該構成を有する半導体基板１００においては、Mｑ1Alｚ1Ga１−ｑ1―ｚ1N層及びMｑ3Alｚ3Ga１−ｑ3―ｚ3N層からInｘAlyGa１−ｘ―yN層（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）にキャリアが供給されるので、２次元キャリアガスの濃度が高まる。その結果、半導体基板１００を用いてトランジスタを形成すると、素子抵抗、ピンチオフ及び相互コンダクタンス特性が改善する。
【００４７】
第２エピタキシャル結晶層１３０は、第１エピタキシャル結晶層１２０上に設けられたMｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層と、当該MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層上に設けられたｐ型MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層とを有してもよい。つまり、半導体基板１００は、ｐ型MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN／MｑAlｚGa１−ｑ―ｚN／InｘAlyGa１−ｘ―yN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で示される構成を有してもよい。当該構成を有する半導体基板１００においては、第１エピタキシャル結晶層１２０にホールが注入されるので、InｘAlyGa１−ｘ―yN層（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）とMｑAlｚGa１−ｑ―ｚN層との界面に発生する２次元電子ガスの濃度を向上させることができる。したがって、半導体基板１００を用いて形成される素子の抵抗を下げることができる。
【００４８】
半導体基板１００は、最上層にInGaN層を備えてもよい。当該構成を有する半導体基板１００においては、チャネルが形成される、バンドギャップが小さいInGaN層にオーミック電極を形成することができるので、接触抵抗を低減することができる。
【００４９】
なお、上記の説明において、０＜ｑ≦０．３０、０＜ｚ＜１、ｑ＋ｚ≦１、０＜ｑ１≦０．３０、０＜ｚ１＜１、ｑ１＋ｚ１≦１、０＜ｑ２≦０．３０、０＜ｚ２＜１、ｑ２＋ｚ２≦１、０＜ｑ３≦０．３０、０＜ｚ３＜１、ｑ３＋ｚ３≦１、０≦x1≦０．１０、０≦x2≦０．１０、０≦x３≦０．５０である。
【００５０】
図７は、半導体基板１００を用いて形成されたトランジスタ２００の構成例を示す。トランジスタ２００は、例えばHEMTである。トランジスタ２００は、半導体基板１００における第２エピタキシャル結晶層１３０上に形成されたソース電極２１０、ゲート電極２２０及びドレイン電極２３０を備える。ソース電極２１０及びドレイン電極２３０は、Ti/Al、ゲート電極２２０はNi/Alである。ソース電極２１０、ゲート電極２２０及びドレイン電極２３０は、例えば、電子線蒸着法で金属を積層した後、リソグラフィー法により形成される。
【００５１】
トランジスタ２００においては、第１エピタキシャル結晶層１２０と第２エピタキシャル結晶層１３０との間に２次元キャリアガスが生成される。ソース電極２１０から注入されたキャリアは、当該２次元キャリアガスをチャネルとしてドレイン電極２３０まで移動する。第１エピタキシャル結晶層１２０のバンドギャップがベース基板１１０よりも大きく、ゲート電極２２０と第１エピタキシャル結晶層１２０との間をキャリアが移動しにくいので、従来のHEMTに比べてトランジスタ２００のゲートリーク電流は低減される。
【００５２】
また、トランジスタ２００においては、第２エピタキシャル結晶層１３０が第１エピタキシャル結晶層１２０と格子整合又は擬格子整合するので、ピエゾ電荷による２次元キャリアガスが発生しない。したがって、トランジスタ２００は高い閾値が実現できる。閾値電圧は０Ｖ以上とすることができ、ノーマリオフ動作をすることができ、また、ピエゾ破壊も起こしにくい。
【００５３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００５４】
１００ 半導体基板、１１０ ベース基板、１２０ 第１エピタキシャル結晶層、１３０ 第２エピタキシャル結晶層、２００ トランジスタ、２１０ ソース電極、２２０ ゲート電極、２３０ ドレイン電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース基板と、
前記ベース基板上に設けられた、ＩＩＩａ族元素を含む窒化物の第１結晶からなる第１エピタキシャル結晶層と、
前記第１エピタキシャル結晶層上に設けられ、前記第１結晶よりも大きなバンドギャップを有し、かつ、ＩＩＩａ族元素及び前記ＩＩＩａ族元素の一部を置換したＩＩＩｂ族元素を含む窒化物の第２結晶からなる第２エピタキシャル結晶層と
を備えるトランジスタ用半導体基板。
【請求項２】
前記第２エピタキシャル結晶層が、前記第１エピタキシャル結晶層に格子整合又は疑格子整合する請求項１に記載のトランジスタ用半導体基板。
【請求項３】
前記第１結晶がInｘAlｙGa１−ｘ―ｙN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であり、
前記第２結晶がMｑAlｚGa１−ｑ―ｚNであり、
Mはスカンジウム、イットリウム及びランタノイド系元素群の中から選ばれる一種以上の元素であり、
０＜ｑ≦０．３０、０＜ｚ＜１、ｑ＋ｚ≦１である請求項１または２に記載のトランジスタ用半導体基板。
【請求項４】
前記第２エピタキシャル結晶層の導電型がｎ型又は絶縁型である請求項１から３のいずれか一項に記載のトランジスタ用半導体基板。
【請求項５】
前記第１結晶がGaNであり、
前記MｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにおけるMがイットリウムまたはスカンジウムであり、
ｑ／ｚの値が０．１から０．３５の範囲である請求項３に記載のトランジスタ用半導体基板。
【請求項６】
前記第１結晶又は前記第２結晶の結晶構造がウルツ鉱型である請求項１から５のいずれか一項に記載のトランジスタ用半導体基板。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のトランジスタ用半導体基板を備え、
前記第１エピタキシャル結晶層と前記第２エピタキシャル結晶層との界面よりも前記第１エピタキシャル結晶層側に生成される２次元キャリアガスをチャネルとするトランジスタ。
【請求項８】
ノーマリオフ動作する請求項７に記載のトランジスタ。
【請求項９】
ベース基板上に、ＩＩＩａ族元素を含む窒化物の第１結晶をエピタキシャル成長させて第１エピタキシャル結晶層を形成する段階と、
前記第１エピタキシャル結晶層上に、前記第１結晶よりも大きなバンドギャップを有し、かつ、ＩＩＩａ族元素及び前記ＩＩＩａ族元素の一部を置換したＩＩＩｂ族元素を含む窒化物の第２結晶をエピタキシャル成長させて、第２エピタキシャル結晶層を形成する段階と
を備えるトランジスタ用半導体基板の製造方法。
【請求項１】
ベース基板と、
前記ベース基板上に設けられた、ＩＩＩａ族元素を含む窒化物の第１結晶からなる第１エピタキシャル結晶層と、
前記第１エピタキシャル結晶層上に設けられ、前記第１結晶よりも大きなバンドギャップを有し、かつ、ＩＩＩａ族元素及び前記ＩＩＩａ族元素の一部を置換したＩＩＩｂ族元素を含む窒化物の第２結晶からなる第２エピタキシャル結晶層と
を備えるトランジスタ用半導体基板。
【請求項２】
前記第２エピタキシャル結晶層が、前記第１エピタキシャル結晶層に格子整合又は疑格子整合する請求項１に記載のトランジスタ用半導体基板。
【請求項３】
前記第１結晶がInｘAlｙGa１−ｘ―ｙN（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であり、
前記第２結晶がMｑAlｚGa１−ｑ―ｚNであり、
Mはスカンジウム、イットリウム及びランタノイド系元素群の中から選ばれる一種以上の元素であり、
０＜ｑ≦０．３０、０＜ｚ＜１、ｑ＋ｚ≦１である請求項１または２に記載のトランジスタ用半導体基板。
【請求項４】
前記第２エピタキシャル結晶層の導電型がｎ型又は絶縁型である請求項１から３のいずれか一項に記載のトランジスタ用半導体基板。
【請求項５】
前記第１結晶がGaNであり、
前記MｑAlｚGa１−ｑ―ｚNにおけるMがイットリウムまたはスカンジウムであり、
ｑ／ｚの値が０．１から０．３５の範囲である請求項３に記載のトランジスタ用半導体基板。
【請求項６】
前記第１結晶又は前記第２結晶の結晶構造がウルツ鉱型である請求項１から５のいずれか一項に記載のトランジスタ用半導体基板。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のトランジスタ用半導体基板を備え、
前記第１エピタキシャル結晶層と前記第２エピタキシャル結晶層との界面よりも前記第１エピタキシャル結晶層側に生成される２次元キャリアガスをチャネルとするトランジスタ。
【請求項８】
ノーマリオフ動作する請求項７に記載のトランジスタ。
【請求項９】
ベース基板上に、ＩＩＩａ族元素を含む窒化物の第１結晶をエピタキシャル成長させて第１エピタキシャル結晶層を形成する段階と、
前記第１エピタキシャル結晶層上に、前記第１結晶よりも大きなバンドギャップを有し、かつ、ＩＩＩａ族元素及び前記ＩＩＩａ族元素の一部を置換したＩＩＩｂ族元素を含む窒化物の第２結晶をエピタキシャル成長させて、第２エピタキシャル結晶層を形成する段階と
を備えるトランジスタ用半導体基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−３０７６３（Ｐ２０１３−３０７６３Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１３８０６０（Ｐ２０１２−１３８０６０）
【出願日】平成２４年６月１９日（２０１２．６．１９）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月１９日（２０１２．６．１９）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]