JP2000277434A - 窒化物系化合物半導体及びその製造方法 - Google Patents
窒化物系化合物半導体及びその製造方法Info
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Abstract
物系化合物半導体及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 窒化物系化合物半導体を、Ga、Al、
P、As、Sb、Si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
InN層13、23、33、43又は53を有する構成
とする。
Description
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。
理論的に1000cm2/Vs以上の高い移動度を有す
る半導体であり[S.N.Mohammad et a
l.,Proceedings of the IEE
E 83(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。
有機金属気相成長法(MOVPE法:Metal Or
ganic Vapor Phase Epitax
y)[A.Yamamoto et al.,J.Cr
ystal Growth 189/190(199
8)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:Molecular
Beam Epitaxy)[S.M.Donova
n et al.,J.Electronic Mat
erials 26(1997)p.1292]などの
結晶成長法で成長されている。
うな成長法で成長したInN膜は、窒素空孔などに起因
した1×1019cm-3から1×1020cm-3程度のキャ
リア濃度を有しており、数百cm2/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。
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。
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。
半導体は、Ga、Al、P、As、Sb、Si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。
造方法は、Ga、Al、P、As、Sb又はランタノイ
ドを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
含しており、そのことにより上記目的が達成される。
造方法は、Siを1×1016cm-3以上、1×1018c
m-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おり、そのことにより上記目的が達
成される。
Nd,Pm,Sm、Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,E
r、Tm、Yb及びLuのうちの少なくとも1つである
構成とすることができる。
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。
N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
1×1020cm-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。
グ濃度を1×1017cm-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。
cm-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、1×1020cm-3以下にすることが望ましい。
用いても上記と同様の結果が得られる。
m-3以上、1×1020cm-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1×1018cm-3以下で、高電子移動度が1000
cm2/Vs以上のInNが得られた。
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1×1017cm-3以上、1×1020cm
-3以下のドーピング濃度で、窒化物系化合物半導体In
N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。
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、1×1020cm-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。
d,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,E
r,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。
リア濃度は、例えば、図3の実験結果に示すように、S
i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。
グ濃度を1×1016cm-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1×1018cm-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1×1
018cm-3以下にすることが望ましい。
面に基づいて具体的に説明する。
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2
0nmの低温成長GaNバッファ層12、Ga濃度5×
1019cm-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。
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(Radio Frequen
cy Osillator:無線周波発振器)−励起M
BE法、ECR(Electron Cyclotro
n ResonanceReactor: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。
BE法により結晶成長を行い各層を形成した。
℃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8×1016cm
-3、移動度1500cm2/Vsの窒化物系化合物半導
体が得られた。
N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
1×1020cm-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。
グ濃度を1×1017cm-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。
cm-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、1×1020cm-3以下にすることが望ましい。
化物系化合物半導体は、上述した実施形態1におけるG
a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。
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。
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1×1020cm-3、膜厚1μmのAl添
加InN層23を結晶成長させる。Al添加InN層2
3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1200c
m2/Vsの窒化物系化合物半導体が得られた。
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。
化合物半導体の製造方法によれば、Alを1×1017c
m-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。
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。
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1×1019
cm-3、膜厚1μmPのAs又はSb添加InN層33
を有する構成とした。
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
3.4×1017cm-3、移動度1100cm2/Vsが
得られ、Asを添加した場合、キャリア濃度5.0×1
017cm-3、移動度1050cm2/Vsが得られ、S
bを添加した場合、キャリア濃度6.8×1017c
m-3、移動度1020cm2/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。
化合物半導体の製造方法によれば、P、As又はSb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し
ているので、結晶成長の際に窒素空孔をP、As又はS
b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。
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4
3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。
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1×1019
cm-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。
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。
化合物半導体の製造方法によれば、ランタノイドを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。
d、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。
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。
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×
1018cm-3、膜厚1μmのSi添加InN層53を有
する構成とした。
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。
グ濃度を1×1016cm-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1×1018cm-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1×1018
cm-3以下にすることが望ましい。
形成し、ホール測定を行った結果、キャリア濃度5×1
017cm-3、移動度1000cm2/Vsの窒化物系化
合物半導体が得られた。
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。
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。
1018cm-3以下で、高電子移動度が1000cm2/
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。
造方法によれば、Ga、Al、P、As、Sb又はラン
タノイドを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
程を包含しているので、結晶成長の際に結合力が弱いI
n−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1×1016cm-3以上、1×1018c
m-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。
Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,E
r,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。
系化合物半導体の構成例を示す断面図である。
度とGaドーピング濃度との関係を表すグラフである。
度とGaドーピング濃度との関係を表すグラフである。
Claims (4)
- 【請求項1】 Ga、Al、P、As、Sb、Si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InN層を有する窒化物系
化合物半導体。 - 【請求項2】 Ga、Al、P、As、Sb又はランタ
ノイドを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。 - 【請求項3】 Siを1×1016cm-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する窒化物系化合物半導体の製造方
法。 - 【請求項4】 前記ランタノイドが、La,Ce,P
r,Nd,Pm,Sm、Eu,Gd,Tb,Dy,H
o,Er、Tm、Yb及びLuのうちの少なくとも1つ
である請求項1又は請求項2記載の窒化物系化合物半導
体及びその製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP07689099A JP3549151B2 (ja) | 1999-03-19 | 1999-03-19 | 窒化物系化合物半導体及びその製造方法 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011222964A (ja) * | 2010-03-24 | 2011-11-04 | Ngk Insulators Ltd | 半導体素子用エピタキシャル基板および半導体素子 |
JP2012049465A (ja) * | 2010-08-30 | 2012-03-08 | Advanced Power Device Research Association | 窒化物系化合物半導体、窒化物系化合物半導体素子、およびその製造方法 |
-
1999
- 1999-03-19 JP JP07689099A patent/JP3549151B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JP2011222964A (ja) * | 2010-03-24 | 2011-11-04 | Ngk Insulators Ltd | 半導体素子用エピタキシャル基板および半導体素子 |
JP2012049465A (ja) * | 2010-08-30 | 2012-03-08 | Advanced Power Device Research Association | 窒化物系化合物半導体、窒化物系化合物半導体素子、およびその製造方法 |
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