【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エピタキシャル基板、半導体素子および高電子移動度トランジスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、携帯電話や光通信などが発展する中で、高周波特性に優れ、低消費電力型で高出力の電子デバイスに対する需要が急速に増大している。このような用途としては、従来、ＳｉデバイスやＧａＡｓデバイスが用いられてきた。しかし、携帯電話の高性能化や光通信の高速化に伴い、より良い高周波特性で高出力の電子デバイスが望まれている。
【０００３】このため、ＧａＡｓ系のＨＥＭＴやシュードモルフイックＨＥＭＴ、ＧａＡｓ系のＨＢＴ などが実用化されている。また、さらに高性能な電子デバイスとして、ＩｎＰ 系のＨＥＭＴやＨＢＴ などの電子デバイスが盛んに研究開発されている。
【０００４】ＧａＮを用いた電子デバイスが最近注目されている。ＧａＮ はバンドギャップが３．３９ｅＶと大きいため、Ｓｉ、ＧａＡｓに比べて絶縁破壊電圧が約一桁大きく、電子飽和ドリフト速度が大きいため、Ｓｉ、ＧａＡｓに比べて電子デバイスとしての性能指数が優れており、高温動作デバイス、高出力デバイス、高周波デバイスとして、エンジン制御、電力変換、移動体通信などの分野で有望視されている。
【０００５】特に、非特許文献１がＡｌＧａＮ ／ＧａＮ 系のＨＥＭＴ構造の電子デバイスを実現して以来、世界中で開発が進められている。これらのＧａＮ 系の電子デバイスは従来、サファイア基板の上に所定の半導体層をエピタキシャル成長させて作製していた。
【非特許文献１】
Ｋｈａｎら（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．， ６３（１９９３），１２１４）
【０００６】本出願人は、特許文献１において、基板と、基板上の高結晶性ＡｌＮからなる下地層と、下地層上のＧａＮからなる導電層とを備えている半導体素子を開示している。また、この半導体素子を高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ素子）に使用することを開示している。
【特許文献１】
特開２００３−４５８９９号公報
【０００７】また、本発明者は、非特許文献２においては、サファイア基板／ＡｌＮ下地層／ＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層を備える高電子移動度トランジスタにおいて、直流特性が改善されたことを報告している。
【非特許文献２】
’’ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ’’ Ｖｏｌｕｍｅ ８１， ｎｕｍｂｅｒ ６， Ａｕｇ． ２００２ ’’Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｄｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ｈｉｇｈ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｏｎ ＡｌＮ／ｓａｐｐｈｉｒｅ ｔｅｍｐｌａｔｅｓ’’
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】高電子移動度トランジスタにおいては、キャリア移動層の抵抗値が高いことが必要である。しかし、特許文献１、非特許文献２においては、ＧａＮ膜の具体的な抵抗率は記載されていない。このため、実用に適した高効率の高電子移動度トランジスタを提供する上で問題があった。
【０００９】本発明の課題は、半導体素子として有効に利用できるエピタキシャル基板を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板と、基板上にエピタキシャル成長された第一の窒化物半導体からなる下地層と、下地層上にエピタキシャル成長された第二の窒化物半導体からなる半絶縁層とを備えており、第一の窒化物半導体において、ＩＩＩ属元素の含有量の合計に対するＡｌ含有量が５０原子％以上であり、転位密度が１０１１／ｃｍ２以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が２００秒以下であり、第二の窒化物半導体が、Ｇａを含み、比抵抗が１０４Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする、エピタキシャル基板に係るものである。
【００１１】また、本発明は、前記エピタキシャル基板を備えていることを特徴とする、半導体素子に係るものである。
【００１２】また、本発明は、前記半導体素子、この半導体素子上のソース／ドレイン電極、及びゲート電極を備えていることを特徴とする、高電子移動度トランジスタに係るものである。
【００１３】本発明においては、転位密度が１０１１／ｃｍ２以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が２００秒以下であるような高品質の窒化物半導体からなる下地層を使用し、この上に、Ｇａ含有窒化物半導体からなる層を生成させる。ここで、この層が、製造条件によっては、１０４Ω・ｃｍ以上の高い抵抗率を示し、例えば比較的高い抵抗率を必要とする高電子移動度トランジスタのキャリア移動層として好適であることを見いだし、本発明に到達した。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態に即して詳細に説明する。
【００１５】図１は、本発明の一実施形態に係る半導体素子を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）２０を模式的に示す断面図である。ＨＥＭＴ２０は、基板１、下地層２、キャリア移動層３、キャリア供給層４を備えている。キャリア供給層４上には、ソース電極７、ドレイン電極８、ゲート電極９が形成されている。キャリア移動層３を構成する第二の窒化物半導体の抵抗率を高くすることによって、シートキャリア密度を向上させることができる。
【００１６】本発明において、半絶縁層３を構成する窒化物半導体の比抵抗は１０４Ω・ｃｍ以上であるが、好ましくは、１０５Ω・ｃｍ以上、さらには１０６Ω・ｃｍ以上が更に好ましい。
【００１７】基板１は、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＡｌ２Ｏ４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのＩＶ族あるいはＩＶ−ＩＶ族単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などのＩＩＩ−Ｖ族単結晶、ＺｒＢ２などのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。
【００１８】例えばサファイア単結晶基板を用いる場合は、下地層２を形成すべき主面に対して表面窒化処理を施すことが好ましい。表面窒化処理は、基板をアンモニアなどの窒素含有雰囲気中に配置し、所定時間加熱することによって実施する。そして、窒素濃度や窒化温度、窒化時間を適宜に制御することによって、基板主面に形成される窒化層の厚さを制御する。
【００１９】このようにして表面窒化層が形成された基板を用いれば、その主面上に直接的に形成される下地層２の結晶性をさらに向上させることができる。さらに、より厚く、例えば上述した好ましい厚さの上限値である３μｍまで、特別な成膜条件を設定することなく、クラックの発生や剥離を生じることなく厚くすることができる。
【００２０】下地層２における転移密度は１０１１／ｃｍ２以下であるが、転位密度は低いほど好ましい。特に好ましくは１０１０／ｃｍ２以下である。
【００２１】また、下地層２を構成する第一の窒化物半導体の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブにおける半値幅は２００秒以下であるが、１５０秒以下であることが好ましく、１００秒以下であることが更に好ましい。これによって、半絶縁層３の結晶性が一層良好となり、Ｘ線ロッキングカーブにおける半値幅で２００秒以下、好ましくは１５０秒以下の結晶性を示すようになる。
【００２２】したがって、半絶縁層３は低転位密度であるとともに、高い結晶性を有し、高品質な状態に形成することができるため、極めて高い移動度を有する。
【００２３】下地層において、ＩＩＩ族元素の全体に対するＡｌ含有量は５０原子％以上であるが、８０原子％以上であることが好ましく、さらには好ましくはＡｌＮである。
【００２４】結晶性向上の観点から、下地層２の膜厚は大きいほど好ましいが、膜厚が大きくなり過ぎるとクラックの発生や剥離などが生じる。したがって、下地層２の膜厚は基板１の材料により適宜選択されるが、０．３μｍ以上、好ましくは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。
【００２５】下地層は、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びアンモニア（ＮＨ３）を供給原料として用いることにより、ＭＯＣＶＤ法によって好ましくは１１００℃以上、さらに好ましくは１２００℃以上に加熱することによって形成することができる。
【００２６】また、下地層の形成温度は、上述したように１１００℃以上であることが好ましい。なお、本願発明における「形成温度」とは、前記下地層を形成する際の基板の温度である。
【００２７】また、下地層の形成温度の上限については特に限定されるものではないが、好ましくは１３００℃である。これによって、下地層を構成する窒化物半導体の材料組成などに依存した表面の荒れ、さらには下地層内における組成成分の拡散を効果的に抑制することができる。これによって、下地層の結晶性を良好な状態に保持することが可能となるとともに、表面の荒れに起因する半絶縁層の結晶性の劣化を効果的に防止できる。
【００２８】また、この場合において、下地層２を形成する際の温度を１２００℃以下、あるいは１１５０℃程度まで低減しても、その結晶性を十分に高く維持することができ、例えば、１０１０／ｃｍ２以下の転位密度を簡易に実現することができる。
【００２９】さらに、上述した表面窒化層上に下地層２を形成することにより、その厚さを大きくしても剥離やクラックが発生しにくくなる。このため、成膜条件などに依存することなく、例えば上述したような３μｍ程度まで簡易に厚く形成することができる。したがって、下地層２の、表面窒化層に起因した結晶性の向上と、厚さ増大による結晶性の向上との相乗効果によって、その結晶性はさらに向上し、転位密度をより低減させることができる。
【００３０】表面窒化層は、例えば、基板主面から１０オングストロームの深さにおける窒素含有量が２原子％以上となるようにすることが好ましい。
【００３１】下地層２内のクラックを抑制するために、下地層２の組成を、基板１側から半絶縁層３側に向かって連続的又はステップ状に変化させることが好ましい。これによって下地層のクラックを抑制することができる。また、半絶縁層へのキャリア閉じ込め効果を向上させ、シートキャリア密度を向上させることができる。たとえば、０．０５μｍ厚みごとにＡｌＮからＡｌ０．５Ｇａ０．５ＮまでＡｌ組成を０．０５きざみで変化させる。
【００３２】半絶縁層３を構成する第二の窒化物半導体は、Ｇａを含むことが必要であるが、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、及びＢなどの添加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、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、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もできる。
好適な実施形態においては、第二の窒化物半導体の主成分がＧａＮである。ここでＧａＮは好ましくは第二の窒化物半導体中の８０原子％以上を占めており、一層好ましくは９０原子％以上を占めている。
【００３３】また、好適な実施形態においては、第二の窒化物半導体において、ＩＩＩ族元素の含有量の合計に対するＡｌ含有量が１原子％以下含ませる。これによって、残留キャリアがＡｌ原子近傍でトラップされ、半絶縁層３の抵抗を、より高抵抗化させることができる。この場合には、半絶縁層の全体に均一にＡｌを含有させる必要はない。
【００３４】第二の窒化物半導体は、例えば、ガリウム源および他の金属源およびおよびアンモニア（ＮＨ３）を供給原料として用いることにより、ＭＯＣＶＤ法によって形成できる。この際の形成温度は、１０００℃以上で、１１００℃以下であることが好ましい。
【００３５】また、第二の窒化物半導体を形成する際の圧力を３００ｍｂａｒ以下とすることによって、第二の窒化物半導体の抵抗率を高くすることができる。この観点からは、前記圧力を２００ｍｂａｒ以下とすることが更に好ましい。
【００３６】以上、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、各層の厚さ、組成、及びキャリア濃度などについては、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００３７】例えば、図１に示すＨＥＭＴのキャリア移動層３とキャリア供給層４との間に、Ｓｉの拡散を防止するためのスペーサー層としてのｉ−ＡｌＧａＮ層を挿入することもできる。また、キャリア供給層４上に電極のコンタクト抵抗を低減するための、コンタクト層としてのｎ−ＧａＮ層などを積層することもできる。さらには、キャリア供給層４とコンタクト層との間にＳｉの拡散を防止すべくバリア層を挿入することもできる。
【００３８】また、本発明の半導体素子は、例えば携帯電話基地局や無線ＬＡＮ向けの増幅器などの、高速あるいは高出力で動作することが必要な、電子デバイスに利用可能である。
【００３９】
【実施例】（実施例１）
図１に示すような積層構造１、２、３を製造した。具体的には、２インチ径の厚さ６３０μｍのサファイア基板１をアセトン及びＩＰＡで超音波洗浄した後、水洗乾燥した後、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。ＭＯＣＶＤ装置には、ガス系としてＮＨ３、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＳｉＨ４が取り付けてある。圧力を５０ｍｂａｒに設定し、Ｈ２を流速１ｍ／ｓｅｃで流しながら、基板１を１２００℃まで昇温した。その後、ＮＨ３ガスを水素キャリアガスとともに５分間流し、基板１の主面を窒化させた。なお、ＥＳＣＡによる分析の結果、この表面窒化処理によって、基板主面には窒化層が形成されており、主面から深さ１ｎｍにおける窒素含有量が７原子％であることが判明した。
【００４０】次いで、ＴＭＡ及びＮＨ３を合計して流速５ｍ／ｓｅｃで流して、下地層２（ＡｌＮ層）を厚さ１μｍまでエピタキシャル成長させた。このＡｌＮ層２の転位密度は２×１０１０／ｃｍ２であり、（００２）面におけるＸ線回折ロッキングカーブの半値幅は６０秒であり、良質のＡｌＮ層であることがわかった。さらに、ＡｌＮ層の表面平坦性を確認したところ、５μｍ範囲におけるＲａが１．５オングストロームであり、極めて平坦な表面を有することが判明した。
【００４１】次いで、圧力を２００ｍｂａｒに設定し、基板を１０８０℃まで昇温し、ＴＭＧ、ＮＨ３、及びキャリアガスとしてのＨ２、Ｎ２を合計して流速１ｍ／ｓｅｃで流して、ＧａＮ層３を厚さ３μｍにエピタキシャル成長させた。このＧａＮ層３の転位密度は１×１０８／ｃｍ２であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は１００秒であった。
【００４２】最後に、キャリア密度１×１０１ ８／ｃｍ３となるようにＳｉＨ４を添加して、電極とのコンタクト層となるｎ−ＧａＮを１０ｎｍ成長した。成長終了後、ＧａＮ層３表面にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなる四端子測定用の電極を形成し、電極が被覆されていない部分のｎ−ＧａＮの部分をエッチングにより除去して、比抵抗測定をおこなったところ、ＧａＮ層３の比抵抗は、１×１０６ 〜１×１０７Ωｃｍであった。
【００４３】（比較例１）
ＧａＮ層３の成長時の圧力を２００ｍｂａｒから４００ｍｂａｒに変更する以外は、実施例１と同様にＧａＮ層３をＡｌＮ層２上に成長した。電極形成についても、実施例１と同様に行った。その結果、ＧａＮ層３の比抵抗は、１〜１０００Ωｃｍと低い比抵抗を示した。
【００４４】（比較例２）
基板１の前処理は、実施例１と同様に行った。この後、ＭＯＣＶＤ装置内に基板１を設置し、圧力を２００ｍｂａｒに設定し、Ｈ２を流速１ｍ／ｓｅｃで流しながら、基板を５５０℃まで昇温した。その後、ＴＭＧ及びＮＨ３を合計して流速５ｍ／ｓｅｃで流して、バッファ層としてのＧａＮ層２を厚さ２０ｎｍまで成長した。
【００４５】次いで、圧力を２００ｍｂａｒに設定し、基板を１０８０℃まで昇温し、ＴＭＧ、ＮＨ３、及びキャリアガスとしてのＨ２、Ｎ２を合計して流速１ｍ／ｓｅｃで流して、ＧａＮ層３を厚さ３μｍにエピタキシャル成長させた。次いで、実施例１と同様にして電極を形成し、比抵抗を測定した。その結果、ＧａＮ層の比抵抗は、１〜１００Ωｃｍであった。
【００４６】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、基板と、基板上にエピタキシャル成長された第一の窒化物半導体からなる下地層と、下地層上にエピタキシャル成長された第二の窒化物半導体からなる半絶縁層とを備えているエピタキシャル基板であって、半絶縁層の抵抗率が低く、半導体素子として有効に利用できるエピタキシャル基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体素子２０を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】１ 基板 ２ 下地層 ３ 半絶縁層 ４ キャリア供給層 ２０ 半導体素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an epitaxial substrate, a semiconductor device, and a high electron mobility transistor.
[0002]
2. Description of the Related Art In recent years, with the development of mobile phones and optical communications, demand for electronic devices having high frequency characteristics, low power consumption and high output has been rapidly increasing. Conventionally, Si devices and GaAs devices have been used for such applications. However, with higher performance of mobile phones and higher speed of optical communication, electronic devices with better high-frequency characteristics and high output are desired.
For this reason, GaAs HEMTs, pseudomorphic HEMTs, GaAs HBTs and the like have been put to practical use. Further, as higher-performance electronic devices, electronic devices such as InP-based HEMTs and HBTs have been actively researched and developed.
[0004] Electronic devices using GaN have recently attracted attention. Since GaN has a large band gap of 3.39 eV, the breakdown voltage is about one order of magnitude higher than that of Si and GaAs, and the electron saturation drift speed is higher. Therefore, the figure of merit as an electronic device is superior to that of Si or GaAs. As a high-temperature operation device, a high-output device, and a high-frequency device, they are promising in fields such as engine control, power conversion, and mobile communication.
In particular, since Non-Patent Document 1 has realized an electronic device having an AlGaN / GaN-based HEMT structure, development has been promoted worldwide. Conventionally, these GaN-based electronic devices have been manufactured by epitaxially growing a predetermined semiconductor layer on a sapphire substrate.
[Non-patent document 1]
Khan et al. (Appl. Phys. Lett., 63 (1993), 1214).
[0006] The applicant of the present invention discloses, in Patent Document 1, a semiconductor device comprising a substrate, an underlayer made of highly crystalline AlN on the substrate, and a conductive layer made of GaN on the underlayer. . It also discloses that this semiconductor device is used for a high electron mobility transistor (HEMT device).
[Patent Document 1]
[0007] Further, the inventor of the present invention disclosed in Non-Patent Document 2 that a DC characteristic of a high electron mobility transistor having a sapphire substrate / AlN underlayer / GaN layer / AlGaN layer was improved. It reports that.
[Non-patent document 2]
"APPLIED PHYSICS LETTERS" Volume 81, number 6, August. 2002 `` Improved dc characteristics of AlGaN / GaN high-electron-mobility transformers on AlN / sapphire templates ''
[0008]
In the high electron mobility transistor, it is necessary that the resistance value of the carrier transfer layer is high. However, Patent Literature 1 and Non-Patent Literature 2 do not describe specific resistivity of the GaN film. For this reason, there was a problem in providing a highly efficient high electron mobility transistor suitable for practical use.
An object of the present invention is to provide an epitaxial substrate that can be effectively used as a semiconductor device.
[0010]
According to the present invention, there is provided a semiconductor device comprising a substrate, an underlayer made of a first nitride semiconductor epitaxially grown on the substrate, and a half layer made of a second nitride semiconductor epitaxially grown on the underlayer. An insulating layer, wherein in the first nitride semiconductor, the Al content with respect to the total content of Group III elements is 50 atomic% or more, the dislocation density is 10 11 / cm 2 or less, and (002) ) Plane, the half width of the X-ray rocking curve is 200 seconds or less, the second nitride semiconductor contains Ga, and the specific resistance is 10 4 Ω · cm or more. Things.
Further, the present invention relates to a semiconductor device comprising the above epitaxial substrate.
Further, the present invention relates to a high electron mobility transistor comprising the semiconductor element, a source / drain electrode on the semiconductor element, and a gate electrode.
According to the present invention, an underlayer made of a high-quality nitride semiconductor having a dislocation density of 10 11 / cm 2 or less and a half-value width in an X-ray rocking curve on a (002) plane of 200 seconds or less. And a layer made of a Ga-containing nitride semiconductor is formed thereon. Here, depending on the manufacturing conditions, this layer exhibits a high resistivity of 10 4 Ω · cm or more, and is suitable as, for example, a carrier transfer layer of a high electron mobility transistor requiring a relatively high resistivity. Found and arrived at the present invention.
[0014]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments.
FIG. 1 is a sectional view schematically showing a high electron mobility transistor (HEMT) 20 using a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. The HEMT 20 includes a substrate 1, a base layer 2, a carrier transfer layer 3, and a carrier supply layer 4. On the carrier supply layer 4, a source electrode 7, a drain electrode 8, and a gate electrode 9 are formed. The sheet carrier density can be improved by increasing the resistivity of the second nitride semiconductor forming the carrier moving layer 3.
In the present invention, the specific resistance of the nitride semiconductor constituting the semi-insulating layer 3 is at least 10 4 Ω · cm, preferably at least 10 5 Ω · cm, more preferably at least 10 6 Ω · cm. More preferred.
The substrate 1 is made of oxide single crystal such as sapphire single crystal, ZnO single crystal, LiAlO 2 single crystal, LiGaO 2 single crystal, MgAl 2 O 4 single crystal, MgO single crystal, etc., Si single crystal, SiC single crystal, etc. Known substrate materials such as Group IV or Group IV-IV single crystal, GaAs single crystal, AlN single crystal, GaN single crystal, III-V single crystal such as AlGaN single crystal, and boride single crystal such as ZrB2 Can be composed of
For example, when a sapphire single crystal substrate is used, it is preferable to subject the main surface on which the underlayer 2 is to be formed to a surface nitriding treatment. The surface nitriding is performed by placing the substrate in an atmosphere containing nitrogen such as ammonia and heating the substrate for a predetermined time. Then, by appropriately controlling the nitrogen concentration, the nitriding temperature, and the nitriding time, the thickness of the nitride layer formed on the main surface of the substrate is controlled.
By using the substrate on which the surface nitrided layer is formed as described above, the crystallinity of the underlayer 2 directly formed on the main surface can be further improved. Further, the thickness can be increased up to, for example, 3 μm, which is the upper limit of the preferable thickness described above, without setting any special film forming conditions and without generating cracks or peeling.
The dislocation density of the underlayer 2 is 10 11 / cm 2 or less, and the dislocation density is preferably as low as possible. Particularly preferably, it is 10 10 / cm 2 or less.
The half width of the X-ray rocking curve on the (002) plane of the first nitride semiconductor constituting the underlayer 2 is 200 seconds or less, preferably 150 seconds or less, and more preferably 100 seconds or less. Is more preferable. Thereby, the crystallinity of the semi-insulating layer 3 is further improved, and the crystallinity of the X-ray rocking curve has a half width of 200 seconds or less, preferably 150 seconds or less.
Therefore, the semi-insulating layer 3 has a low dislocation density, high crystallinity, and can be formed in a high quality state, and thus has an extremely high mobility.
In the underlayer, the Al content of the group III element with respect to the whole is at least 50 at%, preferably at least 80 at%, and more preferably AlN.
From the viewpoint of improving the crystallinity, the thickness of the underlayer 2 is preferably as large as possible. However, if the thickness is too large, cracking or peeling occurs. Accordingly, the thickness of the underlayer 2 is appropriately selected depending on the material of the substrate 1, but is preferably 0.3 μm or more, preferably 0.5 μm or more, and more preferably 1 μm to 3 μm.
The underlayer is formed by using, for example, trimethylaluminum (TMA) and ammonia (NH 3 ) as feed materials, and heating by MOCVD to preferably 1100 ° C. or more, more preferably 1200 ° C. or more. be able to.
The formation temperature of the underlayer is preferably 1100 ° C. or higher as described above. The “forming temperature” in the present invention is the temperature of the substrate when forming the underlayer.
The upper limit of the formation temperature of the underlayer is not particularly limited, but is preferably 1300 ° C. As a result, it is possible to effectively suppress surface roughness depending on the material composition of the nitride semiconductor constituting the underlayer, and further, diffusion of a composition component in the underlayer. This makes it possible to maintain the crystallinity of the underlayer in a favorable state, and to effectively prevent the crystallinity of the semi-insulating layer from deteriorating due to surface roughness.
Further, in this case, the following 1200 ° C. The temperature at the time of forming the base layer 2, or be reduced to about 1150 ° C., can be maintained sufficiently high that the crystalline, for example, 10 10 / Cm 2 or less can be easily realized.
Further, by forming the underlayer 2 on the above-described surface nitrided layer, peeling and cracking hardly occur even if the thickness is increased. For this reason, it is possible to easily and thickly form, for example, up to about 3 μm as described above, without depending on the film forming conditions and the like. Therefore, the crystallinity of base layer 2 is further improved by the synergistic effect of the improvement in crystallinity due to the surface nitrided layer and the improvement in crystallinity due to the increase in thickness, and the dislocation density can be further reduced. .
Preferably, the surface nitrided layer has a nitrogen content of 2 atomic% or more at a depth of 10 Å from the main surface of the substrate.
In order to suppress cracks in the underlayer 2, it is preferable to change the composition of the underlayer 2 continuously or stepwise from the substrate 1 toward the semi-insulating layer 3. Thereby, cracks in the underlayer can be suppressed. Further, the effect of confining carriers in the semi-insulating layer can be improved, and the sheet carrier density can be improved. For example, the Al composition is changed in steps of 0.05 from AlN to Al 0.5 Ga 0.5 N every 0.05 μm thickness.
The second nitride semiconductor constituting the semi-insulating layer 3 needs to contain Ga, and if necessary, additional elements such as Ge, Si, Mg, Zn, Be, P, and B Can also be contained. Further, not only elements intentionally added, but also trace elements inevitably taken in depending on film formation conditions and the like, and trace impurities contained in raw materials and reaction tube materials can be included.
In a preferred embodiment, the main component of the second nitride semiconductor is GaN. Here, GaN preferably accounts for 80 atomic% or more of the second nitride semiconductor, and more preferably 90 atomic% or more.
In a preferred embodiment, the second nitride semiconductor has an Al content of 1 atomic% or less based on the total content of the group III elements. Thereby, residual carriers are trapped in the vicinity of Al atoms, and the resistance of the semi-insulating layer 3 can be further increased. In this case, it is not necessary to uniformly contain Al in the entire semi-insulating layer.
The second nitride semiconductor can be formed by the MOCVD method by using, for example, a gallium source and another metal source and ammonia (NH 3 ) as a raw material. The formation temperature at this time is preferably 1000 ° C. or more and 1100 ° C. or less.
Further, by setting the pressure at the time of forming the second nitride semiconductor to 300 mbar or less, the resistivity of the second nitride semiconductor can be increased. From this viewpoint, the pressure is more preferably set to 200 mbar or less.
Although the present invention has been described in detail with reference to the embodiments of the present invention, the present invention is not limited to the above description, and the thickness, composition, carrier concentration, and the like of each layer are not limited thereto. Various modifications and changes are possible without departing from the scope of the present invention.
For example, an i-AlGaN layer as a spacer layer for preventing the diffusion of Si can be inserted between the carrier transfer layer 3 and the carrier supply layer 4 of the HEMT shown in FIG. Further, an n-GaN layer or the like as a contact layer for reducing the contact resistance of the electrode may be stacked on the carrier supply layer 4. Furthermore, a barrier layer can be inserted between the carrier supply layer 4 and the contact layer to prevent diffusion of Si.
Further, the semiconductor element of the present invention can be used for electronic devices that need to operate at high speed or high output, such as amplifiers for mobile phone base stations and wireless LANs.
[0039]
Example (Example 1)
The laminated structures 1, 2, and 3 as shown in FIG. 1 were manufactured. Specifically, the sapphire substrate 1 having a diameter of 2 inches and a thickness of 630 μm was ultrasonically cleaned with acetone and IPA, washed with water and dried, and then placed in a MOCVD apparatus. The MOCVD apparatus is provided with NH 3 , TMA, TMG, and SiH 4 as gas systems. The pressure was set to 50 mbar, and the temperature of the substrate 1 was increased to 1200 ° C. while flowing H 2 at a flow rate of 1 m / sec. Thereafter, an NH 3 gas was flowed together with a hydrogen carrier gas for 5 minutes to nitride the main surface of the substrate 1. As a result of the analysis by ESCA, it was found that a nitrided layer was formed on the main surface of the substrate by this surface nitriding treatment, and the nitrogen content at a depth of 1 nm from the main surface was 7 atomic%.
Next, TMA and NH 3 were flowed together at a flow rate of 5 m / sec, and the underlayer 2 (AlN layer) was epitaxially grown to a thickness of 1 μm. The dislocation density of this AlN layer 2 was 2 × 10 10 / cm 2 , and the half-width of the X-ray diffraction rocking curve on the (002) plane was 60 seconds, indicating that the AlN layer was a good quality AlN layer. Furthermore, when the surface flatness of the AlN layer was confirmed, it was found that Ra in the range of 5 μm was 1.5 angstroms, and that the AlN layer had an extremely flat surface.
Next, the pressure was set to 200 mbar, the temperature of the substrate was raised to 1080 ° C., and TMG, NH 3 , and H 2 and N 2 as carrier gases were combined and flowed at a flow rate of 1 m / sec. 3 was epitaxially grown to a thickness of 3 μm. The dislocation density of the GaN layer 3 was 1 × 10 8 / cm 2 , and the half-width of the X-ray rocking curve on the (002) plane was 100 seconds.
[0042] Finally, as with the addition of SiH 4 becomes the carrier density 1 × 10 1 8 / cm 3 , the n-GaN as a contact layer between the electrode and 10nm grown. After the growth is completed, a four-terminal measuring electrode made of Ti / Al / Ti / Au is formed on the surface of the GaN layer 3, and the n-GaN part where the electrode is not covered is removed by etching to obtain a specific resistance. As a result of the measurement, the specific resistance of the GaN layer 3 was 1 × 10 6 １1 × 10 7 Ωcm.
(Comparative Example 1)
The GaN layer 3 was grown on the AlN layer 2 in the same manner as in Example 1 except that the pressure at the time of growing the GaN layer 3 was changed from 200 mbar to 400 mbar. The electrodes were formed in the same manner as in Example 1. As a result, the specific resistance of the GaN layer 3 was as low as 1 to 1000 Ωcm.
(Comparative Example 2)
Pretreatment of the substrate 1 was performed in the same manner as in Example 1. Thereafter, the substrate 1 was set in the MOCVD apparatus, the pressure was set to 200 mbar, and the substrate was heated to 550 ° C. while flowing H 2 at a flow rate of 1 m / sec. Thereafter, TMG and NH 3 were combined and flowed at a flow rate of 5 m / sec to grow a GaN layer 2 as a buffer layer to a thickness of 20 nm.
Then, the pressure was set to 200 mbar, the temperature of the substrate was raised to 1080 ° C., TMG, NH 3 , and H 2 and N 2 as carrier gases were combined and flowed at a flow rate of 1 m / sec. 3 was epitaxially grown to a thickness of 3 μm. Next, an electrode was formed in the same manner as in Example 1, and the specific resistance was measured. As a result, the specific resistance of the GaN layer was 1 to 100 Ωcm.
[0046]
As described above, according to the present invention, a substrate, an underlayer made of a first nitride semiconductor epitaxially grown on the substrate, and a second nitride epitaxially grown on the underlayer are provided. An epitaxial substrate including a semi-insulating layer made of a semiconductor, wherein the semi-insulating layer has a low resistivity and can be effectively used as a semiconductor element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor device 20 according to one embodiment of the present invention.
[Description of Signs] 1 Substrate 2 Underlayer 3 Semi-insulating layer 4 Carrier supply layer 20 Semiconductor element