InGaAlN基半導體元件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體元件，更詳細而言，本發明涉及具備即使為多晶或非晶也顯示出良好的元件特性的InGaAlN基氮化物半導體層的半導體元件。
【背景技術】
[0002]InGaAlN基氮化物半導體顯示出高電子迀移率、飽和電子速度，因此，作為可以響應與以往的晶體管相比更尚的頻率的尚速電子兀件用材料而受到關注。
[0003]例如，關于InN，迄今關于電特性有許多報道例，其一方面顯示出3570[cm2/Vs]的電子迀移率、2.6 X 107[cm/s]的飽和電子速度這樣的優良特性，另一方面容易產生使費米能級固定在導帶中的缺陷(非專利文獻I)，也不容易實現利用外部信號對電流進行控制這樣的基本的晶體管工作。
[0004]如非專利文獻2所示，一般已知InN的膜厚越薄，迀移率等電特性越差，這被解釋為是由于相比于存在于InN薄膜中，缺陷更集中地存在于表面或界面。即，認為使用了InN的晶體管不工作的原因之一在于，在InN層與和InN層接合的層或襯底的界面產生了大量的缺陷，可以容易地想象該缺陷的密度取決于使InN層生長時的基底層或襯底的晶格常數與InN的晶格常數之差(晶格常數差)。
[0005]順便說一下，通常認為，對于以InN等InGaAlN基氮化物半導體作為溝道的晶體管而言，半導體層若非單晶半導體層則無法工作，因此，使用了單晶襯底作為成膜襯底。需要說明的是，在專利文獻1(日本特開2000-22205號公報)中公開了一種半導體發光元件的發明，其具有如下構成:在氮化物半導體等難以P型化的寬禁帶半導體中，將包含比較容易得到的η型半導體的層與包含有機化合物的空穴傳輸層層疊，使用有機化合物的空穴傳輸層代替Pn結型的LED元件的P型半導體，向η型半導體中注入空穴，從而得到發光特性;據稱此時使用的襯底可以為非單晶襯底，但該半導體發光元件并非將半導體層用作溝道的半導體發光元件。
[0006]例如，目前作為用于使InN生長的襯底被許多研究者利用的單晶GaN、單晶藍寶石的晶格常數與InN的晶格常數大不相同，因此，可以容易地理解在這樣的襯底上使InN晶體生長時，在InN晶體與襯底的界面容易產生缺陷。預測這種由晶格不匹配引起的問題通過使用晶格常數與InN接近的穩定化氧化鋯(YSZ)襯底(非專利文獻3)可以實現某種程度的解決。
[0007]但是，單晶襯底通常價格高昂，因此，使用這樣的襯底生長InGaAlN基氮化物半導體層而制作的半導體元件也不得不成為價格高昂的元件，為了氮化物半導體的單晶化，在生長條件上存在各種制約。
[0008]現有技術文獻
[0009]專利文獻
[0010]專利文獻1:日本特開2000-22205號公報
[0011]非專利文獻
[0012]非專利文獻1:C.G.Van de Walle&J.Neugebauer Nature 423,626(2003)
[0013]非專利文獻2:Andreas Knubel, Rolf Aidam1Volker Cimal la, Lutz Kirste ,Martina Baeumler,Crenguta-Columbina Leancu,Vadim Lebedev,Jan Wallauer,Markusffalther,and Joachim Wagner,Phys.Status Solidi C 6,N0.6(2009)
[0014]非專利文獻3:1\!10111^，!1.?11_]_;[01^，]\0]^&，已11(1M.0shima，J.Vac.Sc1.Technol.A22,2487(2004)
[0015]非專利文獻4:Jhumpa Adhikari and David A.Kofke , aMolecular simulat1nstudy of miscibility of ternary and quaternary InGaAlN alloys”,JOURNAL OFAPPLIED PHYSICS,Vo1.95，p.6129-6137(2004).

【發明內容】

[0016]發明所要解決的問題
[0017]如此，以往有時認為:InN的膜厚越薄，迀移率等電特性越差;若不使InGaAlN基氮化物半導體層單晶化，半導體元件就無法工作，從而不得不導致InGaAlN基氮化物半導體層的成膜條件的自由度差，因此，連基本的晶體管工作也不容易實現。
[0018]本發明是鑒于該問題而作出的，其目的在于，基于與以往完全不同的構思，實現大幅解除了制造條件的制約、而且具備廉價且具有優良電特性的InGaAlN基氮化物半導體層的半導體元件。
[0019]用于解決問題的手段
[0020]為了解決上述問題，本發明的半導體元件為在襯底上設置有由通式InxGayAlzN(其中，x+y+z = 1.0)表示的多晶或非晶的氮化物半導體層的半導體元件，其特征在于，上述氮化物半導體層的組成處于0.3 < X < 1.0且O < z〈0.4的范圍，上述半導體元件具備上述氮化物半導體層作為溝道。
[0021 ] 優選上述氮化物半導體層的組成處于如下范圍:在0.3 < x〈0.7的情況下O < z<0.2、在0.7<叉<1.0的情況下0<2〈0.1。
[0022]更優選上述氮化物半導體層的組成處于0.5 < X < 1.0且O < z〈0.1的范圍。
[0023]進一步優選上述氮化物半導體層的In組成比X為0.99以下(x < 0.99)。
[0024]在優選的方式中，在上述襯底與上述氮化物半導體層之間具備絕緣層，該絕緣層為把02層、六1203層、3；[02層中的任意一種。
[0025]優選上述氮化物半導體層為通過濺射法沉積而得到的膜。例如，上述氮化物半導體層為通過脈沖濺射沉積法(PSD法)沉積而得到的膜。
[0026]優選上述氮化物半導體層為在低于600°C的溫度下成膜而得到的膜。
[0027]在某一方式中，上述襯底為非單晶襯底。
[0028]另外，在某一方式中，上述襯底為絕緣性襯底。例如，上述襯底為合成石英襯底。
[0029]在某一方式中，上述半導體元件具備在上述氮化物半導體層的至少一個主面上接合有組成與該氮化物半導體層不同的第二氮化物半導體層的層疊結構。
[0030]在這種情況下，上述第二氮化物半導體層可以為上述組成的氮化物半導體層。
[0031]例如，上述半導體元件為以上述氮化物半導體層作為溝道的場效應晶體管，且開關比為12以上。
[0032]發明效果
[0033]本發明基于如下的新發現:在將InGaAlN基氮化物半導體的組成設計為適當的范圍時，即使是多晶或非晶的膜，也顯示出足以使晶體管工作的優良的電特性。根據本發明，可以提供大幅解除了制造條件的制約、而且具備廉價且具有優良電特性的InGaAlN基氮化物半導體層作為溝道的半導體元件。
【附圖說明】
[0034]圖1是用于說明第一實施方式的晶體管(半導體元件)的構成的圖。
[0035]圖2是總結以InN層作為溝道的場效應晶體管的ON電流與OFF電流之比的InN的膜厚依賴性的圖。
[0036]圖3是示出氮化物半導體層為多晶InN層時的晶體管的Ids-Vds特性的圖。
[0037]圖4是示出氮化物半導體層為多晶InN層時的晶體管的Ids-Vcs特性的圖。
[0038]圖5是示出氮化物半導體層為非晶InN層時的晶體管的Ids-Vds特性的圖。
[0039]圖6是用于說明第二實施方式的晶體管(半導體元件)的構成的一個方式的圖。
[0040]圖7是用于說明第二實施方式的晶體管(半導體元件)的構成的一個方式的圖。
[0041 ]圖8(A)和(B)是示出氮化物半導體層為膜厚2nm的單晶InN層時的晶體管的Ids-Vds特性和Ids-Vcs特性的圖，(C)和⑶是示出氮化物半導體層為膜厚5nm的單晶InN層時的晶體管的Ids-Vds特性和Ids-Vcs特性的圖。
[0042]圖9是對試制的晶體管具備的氮化物半導體層的組成在InxGayAlzN的三元相圖中進行作圖而得到的圖。
[0043]圖10是將顯示出開關比為12以上的晶體管具備的氮化物半導體層的組成以?表示、將除此以外的氮化物半導體層的組成以?表示，在InxGayAlzN的三元相圖中作圖而得到的圖。
[0044]圖11是將顯示出開關比為13以上的晶體管具備的氮化物半導體層的組成以?表示、將除此以外的氮化物半導體層的組成以?表示，在InxGayAlzN的三元相圖中作圖而得到的圖。
[0045]圖12是將顯示出晶體管的最大電流密度超過5mA/mm的特性的晶體管具備的氮化物半導體層的組成以?表示、將除此以外的氮化物半導體層的組成以?表示，在InxGayAlzN的三元相圖中作圖而得到的圖。
[0046]圖13是示出具備以InxGayAlzN表示時x = 0.64、y = 0、z = 0.36的氮化物半導體層作為溝道的晶體管的電特性的圖。
[0047]圖14是示出