JP3549151B2

JP3549151B2 - 窒化物系化合物半導体及びその製造方法

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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

Claims

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層を有する窒化物系化合物半導体。
前記ＩｎＮ層は、電子キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下、電子移動度が１０００ｃｍ^-2／Ｖｓ以上である請求項１記載の窒化物系化合物半導体。
ＧａまたはＡｌを１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上、１×１０²⁰ｃｍ^-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窒化物系化合物半導体の製造方法。