JP3549151B2

JP3549151B2 - Nitride-based compound semiconductor and method of manufacturing the same

Info

Publication number: JP3549151B2
Application number: JP07689099A
Authority: JP
Inventors: 信明寺口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2019-03-19
Also published as: JP2000277434A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低キャリア濃度で高電子移動度を有する窒化物系化合物半導体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物系化合物半導体であるＩｎＮは、理論的に１０００ｃｍ^２／Ｖｓ以上の高い移動度を有する半導体であり［Ｓ．Ｎ．Ｍｏｈａｍｍａｄｅｔａｌ．，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩＥＥＥ８３（１９９５）１３０６］、その高い移動度を用いることで優れた特性を有するヘテロ構造電界効果トランジスタ等の電子デバイスが得られると考えられる。
【０００３】
一般に、窒化物系化合物半導体ＩｎＮは、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）［Ａ．Ｙａｍａｍｏｔｏｅｔａｌ．，Ｊ．ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ１８９／１９０（１９９８）ｐ．４６１］、又はプラズマ励起した窒素を用いた分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法：ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）［Ｓ．Ｍ．Ｄｏｎｏｖａｎｅｔａｌ．，Ｊ．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ２６（１９９７）ｐ．１２９２］などの結晶成長法で成長されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような成長法で成長したＩｎＮ膜は、窒素空孔などに起因した１×１０^１９ｃｍ^−３から１×１０^２０ｃｍ^−３程度のキャリア濃度を有しており、数百ｃｍ^２／Ｖｓ程度の移動度しか得られず、結晶性及び電気的特性に優れた窒化物系化合物半導体ＩｎＮの結晶成長が困難である。
【０００５】
このため、窒化物系化合物半導体ＩｎＮを用いた電子デバイスは全く実用化されるに至っていないのが現状である。
【０００６】
本発明は、こうした従来技術の課題を解決するものであり、低キャリア濃度で高電子移動度を有する窒化物系化合物半導体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物系化合物半導体は、ＧａまたはＡｌを１×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 以上、１×１０ ²⁰ ｃｍ ^-3 以下である所定の濃度でドーピングして結晶成長させたＩｎＮ層を有しており、そのことにより上記目的が達成される。
【０００９】
前記ＩｎＮ層は、電子キャリア濃度が１×１０ ^１８ｃｍ ^−３以下、電子移動度が１０００ｃｍ ^−２／Ｖｓ以上である。
【００１０】
本発明の窒化物系化合物半導体の製造方法は、ＧａまたはＡｌを１×１０ ^１７ｃｍ ^−３以上、１×１０ ^２０ｃｍ ^−３以下の濃度でドーピングしてＩｎＮ層を結晶成長させる工程を包含する。
【００１１】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００１２】
本発明の窒化物系化合物半導体は、ＩｎＮ層が、Ｇａ、Ａｌ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ及びランタノイドのうちの少なくとも１つを所定の濃度でドーピングして結晶成長させたものであるため、結晶成長の際に結合力が弱いＩｎ−Ｎ結合の一部を結合力の強いＧａ、Ａｌ又はランタノイドとＮの結合に置換することで、窒素空孔の生成が抑えられており、又結晶成長の際に窒素空孔がＰ、Ａｓ又はＳｂで置換されキャリアの生成が抑えられているため、窒化物系化合物半導体を低キャリア濃度で高電子移動度を有するものとすることが可能となる。また、ＩｎＮ層が、Ｓｉを所定の濃度でドーピングして結晶成長させたものとする場合には、結晶性の改善によりキャリア濃度を下げることが可能である。
【００１３】
より詳しくは、窒化物系化合物半導体ＩｎＮのキャリア濃度は、例えば、図２の実験結果に示すように、ＩＩＩ族元素であるＧａのドーピング濃度に依存する。もともと、アンドープのＩｎＮのキャリア濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３程度ある場合、ＧａのドーピングによってＩｎＮのキャリア濃度は減少する。これは、結合力が弱いＩｎ−Ｎ結合の一部を、結合力の強いＧａ−Ｎ結合に置換することで、窒素空孔の生成が抑えられたためである。
【００１４】
図２に示す実験結果から、Ｇａのドーピング濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３以上にすると、ＩｎＮのキャリア濃度を下げることが可能である。
【００１５】
但し、Ｇａのドーピング濃度を１×１０^２０ｃｍ^−３以上に増やした場合、キャリア濃度も下がるが膜質もＩｎＧａＮ混晶状態になるため、ドーピングのレベルを超えてしまう。従って、ドーピング濃度の上限としては、１×１０^２０ｃｍ^−３以下にすることが望ましい。
【００１６】
尚、Ｇａと同じＩＩＩ族元素であるＡｌを用いても上記と同様の結果が得られる。
【００１７】
このように、Ｇａ又はＡｌを１×１０^１７ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３以下のドーピング濃度で、窒化物系化合物半導体ＩｎＮを結晶成長することにより、低キャリア濃度で高電子移動度を有するＩｎＮの結晶成長が可能となる。具体的には、例えば、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下で、高電子移動度が１０００ｃｍ^２／Ｖｓ以上のＩｎＮが得られた。
【００１８】
また、ドーピングをＧａ又はＡｌのＩＩＩ族元素に変えて、Ｖ族元素であるＰ、Ａｓ又はＳｂを用いても、上記図２と同様の結果が得られる。即ち、Ｐ、Ａｓ又はＳｂを１×１０^１７ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３以下のドーピング濃度で、窒化物系化合物半導体ＩｎＮを結晶成長することにより、窒素空孔をＰ、Ａｓ又はＳｂで置換することでキャリアの生成が抑えられたため、低キャリア濃度で高電子移動度を有するＩｎＮの結晶成長が可能となる。
【００１９】
また、ドーピングをＧａ又はＡｌのＩＩＩ族元素に変えて、ランタノイドを用いても、上記図２と同様の結果が得られる。即ち、ランタノイドを１×１０^１７ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３以下のドーピング濃度で、窒化物系化合物半導体ＩｎＮを結晶成長することにより、結合力が弱いＩｎ−Ｎ結合の一部を結合力の強いランタノイド−Ｎ結合に置換することで窒素空孔の生成が抑えられたため、低キャリア濃度で高電子移動度を有するＩｎＮの結晶成長が可能となる。
【００２０】
ランタノイドが、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕのうちの少なくとも１つである構成にすると、これらの元素の窒化物は、バンドギャップが２ｅＶ前後の半導体であり、ＩｎＮの有している特性を損なわない。
【００２１】
また、窒化物系化合物半導体ＩｎＮのキャリア濃度は、例えば、図３の実験結果に示すように、Ｓｉのドーピング濃度に依存する。これは、ＳｉのドーピングによるＩｎＮの結晶性改善の効果と考えられる。
【００２２】
図３に示す実験結果から、Ｓｉのドーピング濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３以上にすると、ＩｎＮのキャリア濃度を下げることが可能である。また、Ｓｉのドーピングによるキャリア生成を１×１０^１８ｃｍ^−３以下にすることが望ましいため、Ｓｉのドーピング濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以下にすることが望ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【００２４】
（実施形態１）
本発明の実施形態１による窒化物系化合物半導体は、例えば、図１の断面図に示すように、（０００１）サファイア基板１１上に、膜厚２０ｎｍの低温成長ＧａＮバッファ層１２、Ｇａ濃度５×１０^１９ｃｍ^−３、膜厚１μｍのＧａ添加ＩｎＮ層１３、及びＩｎ電極１４が、順次積層された構造を有する。
【００２５】
このような層構造を形成するための結晶成長の方法としては、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ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（ＭＢＥ法）などを用いることができる。より詳しくは、ＭＢＥ法は、ＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＯｓｉｌｌａｔｏｒ：無線周波発振器）−励起ＭＢＥ法、ＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅＲｅａｃｔｏｒ：電子サイクロトロン共鳴反応器）−励起ＭＢＥ法などを用いることができる。
【００２６】
本実施形態１では、例えば、ＲＦ−励起ＭＢＥ法により結晶成長を行い各層を形成した。
【００２７】
具体的には、まず真空中で基板温度８００℃にて１０分間程度基板１１の洗浄を行う。次に、基板温度を５５０℃に設定し、窒素流量１ｓｃｃｍ、プラズマ電力３００Ｗの条件で窒素ラジカルを基板１１に照射し、結晶成長を良くするための１時間程度表面の窒化を行い、その後基板１１上にＧａＮ低温バッファ層１２を結晶成長させる。次に、同じ基板温度でＧａＮ低温バッファ層１２上にＧａ添加ＩｎＮ層１３を結晶成長させる。Ｇａ添加ＩｎＮ層１３上にＩｎ電極１４を形成し、ホール測定を行った結果、キャリア濃度８×１０^１６ｃｍ^−３、移動度１５００ｃｍ^２／Ｖｓの窒化物系化合物半導体が得られた。
【００２８】
より詳しくは、窒化物系化合物半導体ＩｎＮのキャリア濃度は、例えば、図２の実験結果に示すように、ＩＩＩ族元素であるＧａのドーピング濃度に依存する。もともと、アンドープのＩｎＮのキャリア濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３程度ある場合、ＧａのドーピングによってＩｎＮのキャリア濃度は減少する。これは、結合力が弱いＩｎ−Ｎ結合の一部を、結合力の強いＧａ−Ｎ結合に置換することで、窒素空孔の生成が抑えられたためである。
【００２９】
図２に示す実験結果から、Ｇａのドーピング濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３以上にすると、ＩｎＮのキャリア濃度を下げることができる。
【００３０】
但し、Ｇａのドーピング濃度を１×１０^２０ｃｍ^−３以上に増やした場合、キャリア濃度も下がるが膜質もＩｎＧａＮ混晶状態になるため、ドーピングのレベルを超えてしまう。従って、ドーピング濃度の上限としては、１×１０^２０ｃｍ^−３以下にすることが望ましい。
【００３１】
（実施形態２）
本発明の実施形態２よる窒化物系化合物半導体は、上述した実施形態１におけるＧａ添加ＩｎＮ層１３が、Ａｌ添加ＩｎＮ層２３である点で相違し、その他の構成は図１に示す上記実施形態１の場合と同様とするものである。
【００３２】
尚、結晶成長の方法としては、ＭＯＶＰＥ法、ＲＦ−励起ＭＢＥ法、ＥＣＲ−励起ＭＢＥ法などを用いることができるが、ここでは、例えば、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長を行い各層を形成した。
【００３３】
具体的には、まず水素雰囲気中で基板温度１１００℃にて基板１１の洗浄を１０分間程度行う。次に、基板温度を５５０℃に設定し、基板１１上にＧａＮ低温バッファ層１２を結晶成長させる。次に、基板温度を６００℃に設定し、ＧａＮ低温バッファ層１２上に、例えばＡｌ濃度１×１０^２０ｃｍ^−３、膜厚１μｍのＡｌ添加ＩｎＮ層２３を結晶成長させる。Ａｌ添加ＩｎＮ層２３上にＩｎ電極１４を形成し、ホール測定を行った結果、キャリア濃度１×１０^−７ｃｍ^−３、移動度１２００ｃｍ^２／Ｖｓの窒化物系化合物半導体が得られた。
【００３４】
尚、本実施形態２は、上述した実施形態１の場合と同様にＩＩＩ族元素を用いるものであるので、図２を用いて説明した上記と同様の結果が得られる。
【００３５】
即ち、本発明の実施形態２による窒化物系化合物半導体の製造方法によれば、Ａｌを１×１０^１７ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３以下の濃度でドーピングしてＩｎＮ層を結晶成長させる工程を包含しているので、結晶成長の際に結合力が弱いＩｎ−Ｎ結合の一部を結合力の強いＡｌ−Ｎ結合に置換することで窒素空孔の生成を抑えることができる。従って、窒化物系化合物半導体を低キャリア濃度で高電子移動度を有するものとすることができる。
【００３６】
（実施形態３）
本発明の実施形態３による窒化物系化合物半導体は、上述した実施形態１におけるＧａ添加ＩｎＮ層１３が、Ｐ、Ａｓ又はＳｂ添加ＩｎＮ層３３である点で相違し、その他の構成は図１に示す上記実施形態１の場合と同様とするものである。
【００３７】
尚、結晶成長の方法としては、ＭＯＶＰＥ法、ＲＦ−励起ＭＢＥ法、ＥＣＲ−励起ＭＢＥ法などを用いることができるが、ここでは、例えば、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長を行い各層を形成し、濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、膜厚１μｍＰのＡｓ又はＳｂ添加ＩｎＮ層３３を有する構成とした。
【００３８】
表１は、Ｐ、Ａｓ又はＳｂを同一濃度の添加量で形成したＩｎＮ層のホール測定の結果を示しており、ＩｎＮ層３３にＰを添加した場合、キャリア濃度３．４×１０^１７ｃｍ^−３、移動度１１００ｃｍ^２／Ｖｓが得られ、Ａｓを添加した場合、キャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３、移動度１０５０ｃｍ^２／Ｖｓが得られ、Ｓｂを添加した場合、キャリア濃度６．８×１０^１７ｃｍ^−３、移動度１０２０ｃｍ^２／Ｖｓが得られ、いずれの場合においても低キャリア濃度で高電子移動度を有する窒化物系化合物半導体が得られた。
【００３９】
【表１】

【００４０】
即ち、本発明の実施形態３による窒化物系化合物半導体の製造方法によれば、Ｐ、Ａｓ又はＳｂを１×１０^１７ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３以下の濃度でドーピングしてＩｎＮ層を結晶成長させる工程を包含しているので、結晶成長の際に窒素空孔をＰ、Ａｓ又はＳｂで置換してキャリアの生成を抑えることができる。従って、窒化物系化合物半導体を低キャリア濃度で高電子移動度を有するものとすることができる。
【００４１】
（実施形態４）
本発明の実施形態４による窒化物系化合物半導体は、上述した実施形態１におけるＧａ添加ＩｎＮ層１３が、ランタノイド添加ＩｎＮ層４３である点で相違し、その他の構成は図１に示す上記実施形態１の場合と同様とするものである。
【００４２】
尚、結晶成長の方法としては、ＭＯＶＰＥ法、ＲＦ−励起ＭＢＥ法、ＥＣＲ−励起ＭＢＥ法などを用いることができるが、ここでは、例えば、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長を行い各層を形成し、濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、膜厚１μｍのランタノイド添加ＩｎＮ層４３を有する構成とした。
【００４３】
表２は、ランタノイドであるＰｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ又はＹｂを同一濃度の添加量で形成したＩｎＮ層のホール測定の結果を示しており、ＩｎＮ層４３にいずれのランタノイドを添加した場合においても、低キャリア濃度で高電子移動度を有する窒化物系化合物半導体が得られた。
【００４４】
【表２】

【００４５】
即ち、本発明の実施形態４による窒化物系化合物半導体の製造方法によれば、ランタノイドを１×１０^１７ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３以下の濃度でドーピングしてＩｎＮ層を結晶成長させる工程を包含しているので、結晶成長の際に結合力が弱いＩｎ−Ｎ結合の一部を結合力の強いランタノイド−結合に置換することで窒素空孔の生成を抑えることができ、キャリアの生成を抑えることができる。従って、窒化物系化合物半導体を低キャリア濃度で高電子移動度を有するものとすることができる。また、これらのランタノイド元素の窒化物は、バンドギャップが２ｅＶ前後の半導体であるので、ＩｎＮの有している特性を損なわないという効果を奏する。
【００４６】
尚、表２では、ランタノイドが、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ又はＹｂである場合の結果を示したが、これ以外のランタノイドでも同様の効果が確認されている。
【００４７】
（実施形態５）
本発明の実施形態５による窒化物系化合物半導体は、上述した実施形態１におけるＧａ添加ＩｎＮ層１３が、Ｓｉ添加ＩｎＮ層５３である点で相違し、その他の構成は図１に示す上記実施形態１の場合と同様とするものである。
【００４８】
尚、結晶成長の方法としては、ＭＯＶＰＥ法、ＲＦ−励起ＭＢＥ法、ＥＣＲ−励起ＭＢＥ法などを用いることができるが、ここでは、例えば、ＲＦ−励起ＭＢＥ法により結晶成長を行い各層を形成し、濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚１μｍのＳｉ添加ＩｎＮ層５３を有する構成とした。
【００４９】
具体的には、窒化物系化合物半導体ＩｎＮのキャリア濃度は、例えば、図３の実験結果に示すように、Ｓｉのドーピング濃度に依存する。これは、ＳｉのドーピングによるＩｎＮの結晶性改善の効果と考えられる。
【００５０】
図３に示す実験結果から、Ｓｉのドーピング濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３以上にすると、ＩｎＮのキャリア濃度を下げることができる。また、Ｓｉのドーピングによるキャリア生成を１×１０^１８ｃｍ^−３以下にすることが望ましいため、Ｓｉのドーピング濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以下にすることが望ましい。
【００５１】
Ｓｉ添加ＩｎＮ層５３上にＩｎ電極１４を形成し、ホール測定を行った結果、キャリア濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、移動度１０００ｃｍ^２／Ｖｓの窒化物系化合物半導体が得られた。
【００５２】
尚、上述した各実施形態は、本発明の窒化物系化合物半導体及びその製造方法の一例を示しているにすぎず、本発明はこれらの具体手的構成に限定されるものでない。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物系化合物半導体によれば、ＩｎＮ層が、Ｇａ、Ａｌ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ及びランタノイドのうちの少なくとも１つを所定の濃度でドーピングして結晶成長させたものであるため、結晶成長の際に結合力が弱いＩｎ−Ｎ結合の一部を結合力の強いＧａ、Ａｌ又はランタノイドとＮの結合に置換することで、窒素空孔の生成を抑えられており、又結晶成長の際に窒素空孔がＰ、Ａｓ又はＳｂで置換されキャリアの生成が抑えられているため、窒化物系化合物半導体を低キャリア濃度で高電子移動度を有するものとすることができる。また、ＩｎＮ層が、Ｓｉを所定の濃度でドーピングして結晶成長させたものとする場合には、結晶性の改善によりキャリア濃度を下げることができる。
【００５４】
具体的には、例えば、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下で、高電子移動度が１０００ｃｍ^２／Ｖｓ以上の窒化物系化合物半導体が得られた。従って、例えば、ヘテロ接合電界効果トランジスタなどの高速電子デバイスへ応用することができる。
【００５５】
また、本発明の窒化物系化合物半導体の製造方法によれば、Ｇａ、Ａｌ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ又はランタノイドを１×１０^１７ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３以下の濃度でドーピングしてＩｎＮ層を結晶成長させる工程を包含しているので、結晶成長の際に結合力が弱いＩｎ−Ｎ結合の一部を結合力の強いＧａ、Ａｌ又はランタノイドとＮの結合に置換することで窒素空孔の生成を抑えることができ、又結晶成長の際に窒素空孔をＰ、Ａｓ又はＳｂで置換してキャリアの生成を抑えることができる。また、Ｓｉを１×１０^１６ｃｍ^−３以上、１×１０^１８ｃｍ^−３以下の濃度でドーピングしてＩｎＮ層を結晶成長させる工程を包含しているので、結晶性の改善によりキャリア濃度を下げることができる。従って、窒化物系化合物半導体を低キャリア濃度で高電子移動度を有するものとすることができる。
【００５６】
上記ランタノイドが、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕのうちの少なくとも１つである構成にすると、これらの元素の窒化物は、バンドギャップが２ｅＶ前後の半導体であるので、ＩｎＮの有している特性を損なわないという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１〜実施形態５による窒化物系化合物半導体の構成例を示す断面図である。
【図２】ＧａをドープしたＩｎＮ層におけるキャリア濃度とＧａドーピング濃度との関係を表すグラフである。
【図３】ＳｉをドープしたＩｎＮ層におけるキャリア濃度とＧａドーピング濃度との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１１基板
１２低温成長ＧａＮバッファ層
１３Ｇａ添加ＩｎＮ層
１４Ｉｎ電極
２３Ａｌ添加ＩｎＮ層
３３Ｐ、Ａｓ又はＳｂ添加ＩｎＮ層
４３ランタノイド添加ＩｎＮ層
５３Ｓｉ添加ＩｎＮ層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride-based compound semiconductor having a low carrier concentration and high electron mobility and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
InN, which is a nitride-based compound semiconductor, has a high mobility of 1000 cm ² / Vs or more theoretically [S. N. See Mohammad et al. , Proceedings of the IEEE 83 (1995) 1306], and it is considered that an electronic device such as a heterostructure field effect transistor having excellent characteristics can be obtained by using the high mobility.
[0003]
In general, a nitride-based compound semiconductor InN is produced by a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE: Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) [A. Yamamoto et al. , J. et al. Crystal Growth 189/190 (1998) p. 461] or a molecular beam epitaxy method using nitrogen excited by plasma (MBE method: Molecular Beam Epitaxy) [S. M. Donovan et al. , J. et al. Electronic Materials 26 (1997) p. 1292].
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the InN film grown by such a growth method has a carrier concentration of about 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ to 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ due to nitrogen vacancies and the like, and several hundred cm ^2. / Vs, and it is difficult to grow a nitride-based compound semiconductor InN having excellent crystallinity and electrical characteristics.
[0005]
For this reason, at present, electronic devices using the nitride-based compound semiconductor InN have not been put to practical use at all.
[0006]
An object of the present invention is to solve such problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a nitride-based compound semiconductor having a low carrier concentration and high electron mobility, and a method for manufacturing the same.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The nitride-based compound semiconductor of the present invention has an InN layer formed by crystal growth by doping Ga or Al at a predetermined concentration of 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more and 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ or less. Therefore, the above object is achieved.
[0009]
The InN layer has an electron carrier concentration of 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or less and an electron mobility of 1000 cm ⁻² / Vs or more .
[0010]
The method for producing a nitride-based compound semiconductor of the present invention includes a step of doping Ga or Al at a concentration of 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more and 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ or less to grow a crystal of an InN layer. .
[0011]
Hereinafter, the operation of the present invention will be described.
[0012]
In the nitride-based compound semiconductor of the present invention, the InN layer is formed by doping at least one of Ga, Al, P, As, Sb, and a lanthanoid at a predetermined concentration and growing the crystal. In this case, by replacing a part of the In-N bond having a weak bonding force with a bond of Ga, Al or a lanthanoid and N having a strong bonding force, generation of nitrogen vacancies is suppressed, and also, during crystal growth, Nitrogen vacancies are replaced with P, As, or Sb to suppress generation of carriers, so that the nitride-based compound semiconductor can have a low carrier concentration and high electron mobility. In the case where the InN layer is formed by doping Si at a predetermined concentration and growing crystals, the carrier concentration can be reduced by improving the crystallinity.
[0013]
More specifically, the carrier concentration of the nitride-based compound semiconductor InN depends on, for example, the doping concentration of Ga, which is a group III element, as shown in the experimental results of FIG. Originally, when the carrier concentration of undoped InN is about 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ , the carrier concentration of InN decreases due to the doping of Ga. This is because the generation of nitrogen vacancies was suppressed by replacing a part of the In-N bond having a weak bonding force with a Ga-N bond having a strong bonding force.
[0014]
From the experimental results shown in FIG. 2, when the doping concentration of Ga is set to 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more, the carrier concentration of InN can be reduced.
[0015]
However, when the doping concentration of Ga is increased to 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ or more, the carrier concentration is reduced, but the film quality is in an InGaN mixed crystal state, so that the doping level is exceeded. Therefore, the upper limit of the doping concentration is desirably 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ or less.
[0016]
Note that the same result as described above can be obtained even when Al, which is the same group III element as Ga, is used.
[0017]
As described above, by growing a nitride-based compound semiconductor InN at a doping concentration of 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more and 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ or less of Ga or Al, high electron transfer with a low carrier concentration is achieved. Crystal growth of InN having a high degree. Specifically, for example, InN having a carrier concentration of 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or less and a high electron mobility of 1000 cm ² / Vs or more was obtained.
[0018]
In addition, the same result as in FIG. 2 can be obtained by changing the doping to a group III element of Ga or Al and using P, As or Sb as a group V element. That is, by growing a nitride-based compound semiconductor InN at a doping concentration of 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more and 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ or less of P, As or Sb, nitrogen vacancies are formed by P, As. Alternatively, since the generation of carriers is suppressed by substitution with Sb, crystal growth of InN having a low carrier concentration and high electron mobility becomes possible.
[0019]
Further, the same result as in FIG. 2 can be obtained by using a lanthanoid instead of doping with a group III element of Ga or Al. That is, by growing a nitride-based compound semiconductor InN with a lanthanoid at a doping concentration of 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more and 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ or less, a part of the In—N bond having a weak bonding force is formed. Is replaced with a lanthanoid-N bond having a strong bonding force, thereby suppressing the generation of nitrogen vacancies. Therefore, crystal growth of InN having a low carrier concentration and a high electron mobility becomes possible.
[0020]
When the lanthanoid is constituted by at least one of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, a nitride of these elements is used. Is a semiconductor having a band gap of about 2 eV and does not impair the characteristics of InN.
[0021]
The carrier concentration of the nitride-based compound semiconductor InN depends on the doping concentration of Si, for example, as shown in the experimental results of FIG. This is considered to be the effect of improving the crystallinity of InN by doping with Si.
[0022]
From the experimental results shown in FIG. 3, when the doping concentration of Si is set to 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ or more, the carrier concentration of InN can be reduced. In addition, since it is preferable that the carrier generation due to the Si doping be 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or less, it is desirable that the Si doping concentration be 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or less.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
[0024]
(Embodiment 1)
The nitride-based compound semiconductor according to the first embodiment of the present invention is, for example, as shown in a cross-sectional view of FIG. 1, a (0001) sapphire substrate 11, a low-temperature-grown GaN buffer layer 12 having a thickness of 20 nm, and a Ga concentration of 5 ×. It has a structure in which a Ga-added InN layer 13 of 10 ¹⁹ cm ⁻³ and a film thickness of 1 μm and an In electrode 14 are sequentially stacked.
[0025]
As a crystal growth method for forming such a layer structure, a metal organic chemical vapor deposition method (MOVPE method), a molecular beam epitaxy method using plasma-excited nitrogen (MBE method), or the like can be used. More specifically, as the MBE method, an RF (Radio Frequency Oscillator) -excitation MBE method, an ECR (Electron Cyclotron Resonance Reactor) -excitation MBE method, or the like can be used.
[0026]
In the first embodiment, for example, each layer is formed by performing crystal growth by the RF-excitation MBE method.
[0027]
Specifically, first, the substrate 11 is washed in a vacuum at a substrate temperature of 800 ° C. for about 10 minutes. Next, the substrate temperature is set to 550 ° C., nitrogen radicals are irradiated on the substrate 11 under the conditions of a nitrogen flow rate of 1 sccm and a plasma power of 300 W, and the surface is nitrided for about 1 hour to improve crystal growth. A GaN low-temperature buffer layer 12 is crystal-grown thereon. Next, a Ga-doped InN layer 13 is grown on the GaN low-temperature buffer layer 12 at the same substrate temperature. As a result of forming an In electrode 14 on the Ga-doped InN layer 13 and performing hole measurement, a nitride-based compound semiconductor having a carrier concentration of 8 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ and a mobility of 1500 cm ² / Vs was obtained.
[0028]
More specifically, the carrier concentration of the nitride-based compound semiconductor InN depends on, for example, the doping concentration of Ga, which is a group III element, as shown in the experimental results of FIG. Originally, when the carrier concentration of undoped InN is about 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ , the carrier concentration of InN decreases due to the doping of Ga. This is because the generation of nitrogen vacancies was suppressed by replacing a part of the In-N bond having a weak bonding force with a Ga-N bond having a strong bonding force.
[0029]
From the experimental results shown in FIG. 2, when the doping concentration of Ga is set to 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more, the carrier concentration of InN can be reduced.
[0030]
However, when the doping concentration of Ga is increased to 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ or more, the carrier concentration is reduced, but the film quality is in an InGaN mixed crystal state, so that the doping level is exceeded. Therefore, the upper limit of the doping concentration is desirably 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ or less.
[0031]
(Embodiment 2)
The nitride-based compound semiconductor according to the second embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the Ga-doped InN layer 13 in the first embodiment is an Al-doped InN layer 23, and other configurations are the same as those of the above-described embodiment shown in FIG. The same as in the case of 1.
[0032]
As a method of crystal growth, MOVPE, RF-excited MBE, ECR-excited MBE, or the like can be used. Here, for example, each layer was formed by MOVPE.
[0033]
Specifically, first, the substrate 11 is washed for about 10 minutes at a substrate temperature of 1100 ° C. in a hydrogen atmosphere. Next, the substrate temperature is set to 550 ° C., and the GaN low-temperature buffer layer 12 is crystal-grown on the substrate 11. Next, the substrate temperature is set to 600 ° C., and an Al-added InN layer 23 having, for example, an Al concentration of 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ and a film thickness of 1 μm is grown on the GaN low-temperature buffer layer 12. As a result of forming an In electrode 14 on the Al-added InN layer 23 and performing hole measurement, a nitride-based compound semiconductor having a carrier concentration of 1 × 10 ⁻⁷ cm ⁻³ and a mobility of 1200 cm ² / Vs was obtained.
[0034]
In the second embodiment, since a group III element is used in the same manner as in the first embodiment, the same result as that described with reference to FIG. 2 can be obtained.
[0035]
That is, according to the method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor according to Embodiment 2 of the present invention, Al is doped at a concentration of 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ to 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ to crystallize the InN layer. Since the growth step is included, the generation of nitrogen vacancies can be suppressed by replacing a part of the In-N bond having a weak bonding force with an Al-N bond having a strong bonding force during crystal growth. . Therefore, the nitride-based compound semiconductor can have a low carrier concentration and a high electron mobility.
[0036]
(Embodiment 3)
The nitride-based compound semiconductor according to the third embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the Ga-added InN layer 13 in the first embodiment is a P, As or Sb-added InN layer 33, and other configurations are shown in FIG. This is the same as the case of the first embodiment shown.
[0037]
As a method of crystal growth, MOVPE method, RF-excited MBE method, ECR-excited MBE method and the like can be used. Here, for example, crystal growth is performed by MOVPE method to form each layer, and a concentration of 1%. It was configured to have an As or Sb-added InN layer 33 of × 10 ¹⁹ cm ⁻³ and a thickness of 1 μmP.
[0038]
Table 1 shows the results of the hole measurement of the InN layer formed by adding P, As or Sb at the same concentration, and when P is added to the InN layer 33, the carrier concentration is 3.4 × 10 ¹⁷ cm ^{−. 3} , a mobility of 1100 cm ² / Vs is obtained. When As is added, a carrier concentration of 5.0 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ and a mobility of 1050 cm ² / Vs are obtained. When Sb is added, the carrier concentration is 6. 8 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ and a mobility of 1020 cm ² / Vs were obtained, and in each case, a nitride-based compound semiconductor having a low carrier concentration and a high electron mobility was obtained.
[0039]
[Table 1]

[0040]
That is, according to the method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor according to Embodiment 3 of the present invention, P, As, or Sb is doped at a concentration of 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more and 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ or less. Since the step of crystal growth of the InN layer is included, the generation of carriers can be suppressed by replacing nitrogen vacancies with P, As or Sb during crystal growth. Therefore, the nitride-based compound semiconductor can have a low carrier concentration and a high electron mobility.
[0041]
(Embodiment 4)
The nitride-based compound semiconductor according to the fourth embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the Ga-doped InN layer 13 in the first embodiment is a lanthanoid-doped InN layer 43, and other configurations are the same as those of the above-described embodiment shown in FIG. The same as in the case of 1.
[0042]
As a method of crystal growth, MOVPE method, RF-excited MBE method, ECR-excited MBE method and the like can be used. Here, for example, crystal growth is performed by MOVPE method to form each layer, and a concentration of 1%. It was configured to have a lanthanide-added InN layer 43 of × 10 ¹⁹ cm ⁻³ and a film thickness of 1 μm.
[0043]
Table 2 shows the results of the hole measurement of the InN layer in which Pr, Nd, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho or Yb, which are lanthanoids, were added at the same concentration, and any lanthanoid was added to the InN layer 43. , A nitride-based compound semiconductor having a low carrier concentration and high electron mobility was obtained.
[0044]
[Table 2]

[0045]
That is, according to the method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor according to Embodiment 4 of the present invention, the lanthanoid is doped at a concentration of 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more and 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ or less to crystallize the InN layer. Since the growth step is included, the generation of nitrogen vacancies can be suppressed by replacing a part of the In-N bond having a weak bonding force with a lanthanoid-bond having a strong bonding force during crystal growth, Generation of carriers can be suppressed. Therefore, the nitride-based compound semiconductor can have a low carrier concentration and a high electron mobility. In addition, since the nitrides of these lanthanoid elements are semiconductors having a band gap of about 2 eV, they have an effect of not impairing the characteristics of InN.
[0046]
Table 2 shows the results in the case where the lanthanoid is Pr, Nd, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho or Yb, but similar effects are confirmed with other lanthanoids.
[0047]
(Embodiment 5)
The nitride-based compound semiconductor according to the fifth embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the Ga-added InN layer 13 in the first embodiment is the Si-added InN layer 53, and other configurations are the same as those of the above-described embodiment shown in FIG. The same as in the case of 1.
[0048]
As a method of crystal growth, MOVPE method, RF-excited MBE method, ECR-excited MBE method and the like can be used. Here, for example, each layer is formed by performing crystal growth by RF-excited MBE method. And an SiN-containing InN layer 53 having a concentration of 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ and a thickness of 1 μm.
[0049]
Specifically, the carrier concentration of the nitride-based compound semiconductor InN depends on the doping concentration of Si, for example, as shown in the experimental results of FIG. This is considered to be the effect of improving the crystallinity of InN by doping with Si.
[0050]
From the experimental results shown in FIG. 3, when the doping concentration of Si is 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ or more, the carrier concentration of InN can be reduced. In addition, since it is preferable that the carrier generation due to the Si doping be 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or less, it is desirable that the Si doping concentration be 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or less.
[0051]
As a result of forming an In electrode 14 on the Si-added InN layer 53 and performing hole measurement, a nitride-based compound semiconductor having a carrier concentration of 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ and a mobility of 1000 cm ² / Vs was obtained.
[0052]
The embodiments described above merely show an example of the nitride-based compound semiconductor of the present invention and a method of manufacturing the same, and the present invention is not limited to these specific configurations.
[0053]
【The invention's effect】
As described above, according to the nitride-based compound semiconductor of the present invention, the InN layer is formed by doping at least one of Ga, Al, P, As, Sb, and a lanthanoid at a predetermined concentration to grow a crystal. Therefore, the generation of nitrogen vacancies can be suppressed by replacing a part of the In-N bond having a weak bonding force with a bond of Ga, Al or a lanthanoid having a strong bonding force during crystal growth. Also, during the crystal growth, the nitrogen vacancies are replaced by P, As or Sb to suppress the generation of carriers, so that the nitride-based compound semiconductor has a low carrier concentration and a high electron mobility. be able to. When the InN layer is formed by doping Si at a predetermined concentration and growing crystals, the carrier concentration can be reduced by improving the crystallinity.
[0054]
Specifically, for example, a nitride-based compound semiconductor having a carrier concentration of 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or less and a high electron mobility of 1000 cm ² / Vs or more was obtained. Therefore, for example, it can be applied to high-speed electronic devices such as heterojunction field-effect transistors.
[0055]
According to the method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor of the present invention, Ga, Al, P, As, Sb or a lanthanoid is doped at a concentration of 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more and 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ or less. And growing a crystal of the InN layer, thereby replacing a part of the In-N bond having a weak bonding force with Ga, Al or a lanthanoid and N bond having a strong bonding force during the crystal growth. Can suppress generation of nitrogen vacancies, and can suppress generation of carriers by replacing nitrogen vacancies with P, As, or Sb during crystal growth. Further, since the method includes a step of doping Si at a concentration of 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ or more and 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or less to grow an InN layer, the carrier concentration is reduced by improving the crystallinity. be able to. Therefore, the nitride-based compound semiconductor can have a low carrier concentration and a high electron mobility.
[0056]
When the lanthanoid is configured to be at least one of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, nitriding of these elements Since the object is a semiconductor having a band gap of about 2 eV, it has an effect of not impairing the characteristics of InN.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration example of a nitride-based compound semiconductor according to Embodiments 1 to 5 of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between a carrier concentration and a Ga doping concentration in an InN layer doped with Ga.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a carrier concentration and a Ga doping concentration in an InN layer doped with Si.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 11 substrate 12 low-temperature-grown GaN buffer layer 13 Ga-added InN layer 14 In-electrode 23 Al-added InN layer 33 P, As or Sb-added InN layer 43 Lanthanoid-added InN layer 53 Si-added InN layer

Claims

A nitride-based compound semiconductor having an InN layer grown and doped with Ga or Al at a predetermined concentration of 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more and 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ or less .

2. The nitride-based compound semiconductor according to claim 1 , wherein the InN layer has an electron carrier concentration of 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or less and an electron mobility of 1000 cm ⁻² / Vs or more.

A method for producing a nitride-based compound semiconductor, comprising the step of doping Ga or Al at a concentration of 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more and 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ or less to grow an InN layer.