JP2009208989A - 化合物半導体基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】素子層全体を面内均一に低転位化させることができ、簡便に、低転位領域の大面積化を図ることができる化合物半導体基板を提供する。
【解決手段】Ｓｉ基板１上にＳｉＣ層２をＣＶＤ法により形成する工程と、前記ＳｉＣ層２との界面まで達する深さの逆六角錐状または逆六角錐台状のピット５を複数有するＩｎ_WＧａ_xＡｌ_1-w-xＮ単結晶（０≦ｗ＜１、０≦ｘ＜１、ｗ＋ｘ＜１）からなる中間層３をＭＯＣＶＤ法により形成する工程と、Ｉｎ_yＧａ_zＡｌ_1-y-zＮ単結晶（０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｙ＋ｚ＜１）からなる窒化物半導体単結晶層４をＭＯＣＶＤ法により形成する工程とを経て、化合物半導体基板を作製する。
【選択図】図１

Description

本発明は、次世代光デバイス、電子デバイス等に好適に用いられる化合物半導体基板およびその製造方法に関する。

窒化物系化合物半導体は、広いバンドギャップを有しており、耐圧、オン抵抗、高温動作特性等の面において、シリコン半導体の性能を超えるデバイスの実現が期待されている。
この窒化物系化合物半導体の光デバイスへの応用としては、既に、青色ＬＥＤ（発光ダイオード）、青紫色ＬＤ（レーザダイオード）が製品化されている。また、電子デバイスへの応用としては、高速高出力用途のＨＦＥＴ（ヘテロ接合電界効果型トランジスタ：Heterostructure Field-Effect Transistor）等が実用段階に入っている。

いずれの分野においても、デバイスの性能向上には、結晶品質の向上、すなわち、転位の低減が必要である。特に、ＬＤや、高耐圧が求められるＨＦＥＴにおいては、転位の低減に対する要求が非常に厳しい。

このような要求に対しては、例えば、特許文献１には、基板上に形成した第１のＧａＮ系化合物半導体を島状態にエッチングし、前記基板の露出部が散在するようにした後、第１のＧａＮ系化合物半導体を核として第２のＧａＮ系化合物半導体を成長させ、その上に、ＧａＮ系化合物半導体からなる素子層を形成する方法が記載されている。これにより、基板の露出部上の第２のＧａＮ系化合物半導体の縦方向の貫通転位が生じず、結晶性を向上させることができると記載されている。

また、特許文献２には、第１の窒化化合物半導体層と、凹凸表面を有する第２の窒化物化合物半導体層と、第３の窒化物化合物半導体層を備えた化合物半導体基板は、第２の窒化物化合物半導体層の凹部上に位置する第３の窒化物化合物半導体層の部分のクラックの発生が抑制され、かつ、転位密度が低減し、結晶性が改善されることが開示されている。

特開２０００−９１２５３号公報 特開２００７−２０１３７９号公報

しかしながら、上記特許文献１，２に記載されている方法では、素子層の一部に低転位（低欠陥）領域を形成することはできるものの、素子層全体を面内均一に低転位化させるものではなく、低転位領域の大面積化には限界がある。また、いずれの方法も、エッチングにより、基板露出部または凹部を形成するため、製造工程が煩雑となる。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、素子層全体を面内均一に低転位化させることができ、簡便に、低転位領域の大面積化を図ることができる化合物半導体基板およびその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る化合物半導体基板は、Ｓｉ基板上に形成されたＳｉＣ層と、前記ＳｉＣ層上に形成され、Ｉｎ_WＧａ_xＡｌ_1-w-xＮ単結晶（０≦ｗ＜１、０≦ｘ＜１、ｗ＋ｘ＜１）からなる中間層と、前記中間層上に形成され、Ｉｎ_yＧａ_zＡｌ_1-y-zＮ単結晶（０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｙ＋ｚ＜１）からなる窒化物半導体単結晶層とを備え、前記中間層には、その表面から前記ＳｉＣ層との界面まで達する深さの逆六角錐状または逆六角錐台状のピットが複数形成されていることを特徴とする。
このような構成とすることにより、素子層全体を面内均一に低転位化させることができ、化合物半導体基板において、低転位領域の大面積化を図ることが可能となる。

前記ピットは、中間層表面における密度が１０⁸個／ｃｍ²以上であることが好ましい。
上記のようなピット密度とすることにより、前記窒化物半導体単結晶層の成長初期の転位の発生を効果的に低減させることができる。

前記化合物半導体の好的態様としては、中間層がＡｌＮ層（ｗ＝０、ｘ＝０）であり、前記窒化物半導体単結晶層がＧａＮ層（ｙ＝０、ｚ＝１）である。

また、前記中間層の膜厚は、上記のような低転位効果が得られるピット形成に及ぼす影響を考慮して、１０〜５０ｎｍであることが好ましい。

また、本発明に係る化合物半導体基板の製造方法は、Ｓｉ基板上にＳｉＣ層をＣＶＤ法により形成する工程と、前記ＳｉＣ層上に、前記ＳｉＣ層との界面まで達する深さの逆六角錐状または逆六角錐台状のピットを複数有するＩｎ_WＧａ_xＡｌ_1-w-xＮ単結晶（０≦ｗ＜１、０≦ｘ＜１、ｗ＋ｘ＜１）からなる中間層をＭＯＣＶＤ法により形成する工程と、前記中間層上に、Ｉｎ_yＧａ_zＡｌ_1-y-zＮ単結晶（０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｙ＋ｚ＜１）からなる窒化物半導体単結晶層をＭＯＣＶＤ法により形成する工程とを備えていることを特徴とする。
このような製造方法によれば、ピット形成のためのエッチング等の工程を要しないため、製造工程を煩雑化させることなく、上記のような本発明に係る化合物半導体基板を得ることができる。

上記製造方法においては、前記中間層をＡｌＮ層（ｗ＝０、ｘ＝０）とし、前記窒化物半導体単結晶層をＧａＮ層（ｙ＝０、ｚ＝１）とすることが好ましい。
また、前記中間層の膜厚を１０〜５０ｎｍとすることが好ましい。

本発明によれば、素子層全体を面内均一に低転位化させることができ、低転位領域の大面積化を図ることができ、簡便に、低転位領域の大面積化を図ることができる化合物半導体基板を提供することが可能となる。
したがって、本発明に係る化合物半導体基板は、発光ダイオード、レーザ素子、高速高温動作可能電子素子等に好適に用いることができ、さらに、次世代光デバイス、電子デバイスへの応用も期待され、これらの素子機能の向上に寄与し得る。

以下、本発明について、図面を参照して詳細に説明する。
図１に、本発明に係る化合物半導体基板の層構造の概略図を示す。
図１に示す化合物半導体基板は、Ｓｉ基板１上に、ＳｉＣ層２、中間層３および窒化物半導体単結晶層４が順次積層されている。

前記Ｓｉ基板１には、表面の結晶面方位が｛１１１｝であるＳｉ単結晶が好適に用いられる。なお、ここでいう面方位｛１１１｝には、結晶面方位｛１１１｝の微傾斜（数度〜十数度）および｛２１１｝等の高次面指数の結晶面方位を含むものとする。
このようなＳｉ基板を用いることにより、アンチフェーズバンダリー欠陥の発生が低減され、欠陥への電界集中を緩和することができる。
また、前記Ｓｉ基板１は、その製造方法は、特に限定されない。チョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されたものであっても、フローティングゾーン（ＦＺ）法により製造されたものであってもよく、また、これらのＳｉ単結晶基板に気相成長法によりＳｉ単結晶層を成膜させたものであってもよい。
また、前記Ｓｉ基板１には、例えば、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³（抵抗率：約１〜０．００００１ルｃｍ）、伝導型ｎ型のものを用いることができる。

前記Ｓｉ基板１上には、ＳｉＣ層２が形成される。このＳｉＣ層２は、周知のＣＶＤ法を用いて、エピタキシャル成長により形成することができる。
なお、前記ＳｉＣ層２は、中間層３形成の下地となることから、ＳｉＣバルク基板を用いることもできるが、基板の大口径化等の観点から、Ｓｉ基板１上にＳｉＣ層２を形成することが好ましい。

前記ＳｉＣ層２上に形成される中間層３は、Ｉｎ_WＧａ_xＡｌ_1-w-xＮ単結晶（０≦ｗ＜１、０≦ｘ＜１、ｗ＋ｘ＜１）からなる。
そして、前記中間層３上には、Ｉｎ_yＧａ_zＡｌ_1-y-zＮ単結晶（０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｙ＋ｚ＜１）からなる窒化物半導体単結晶層４が形成される。
前記中間層３は、下記において詳述するピット５が形成される層であると同時に、前記ＳｉＣ層２と窒化物半導体単結晶層４との結晶格子不整合を緩和する役割を果たす。

前記中間層３のＩｎ_WＧａ_xＡｌ_1-w-xＮ単結晶は、ＡｌＮ（ｗ＝０、ｘ＝０）であり、窒化物半導体単結晶層４のＩｎ_yＧａ_zＡｌ_1-y-zＮ単結晶は、ＧａＮ（ｙ＝０、ｚ＝１）であることが好ましい。
ＡｌＮは、ＳｉＣに対して良好な濡れ性を持つため、中間層３の高品質化に適しており、その上に形成される窒化物半導体単結晶層４の高品質化を図ることができる。
また、ＧａＮは、ドーピングによる電気特性の制御が行いやすく、光デバイスまたは電子デバイスへの応用に好適となる。

前記中間層３および窒化物半導体単結晶層４は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）やＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）を始めとしたＣＶＤ法、レーザービームを用いた蒸着法、雰囲気ガスを用いたスパッタリング法等により形成することができる。

前記中間層３には、その表面（中間層３上に窒化物半導体単結晶層４が形成されている場合は、その界面）３ａから前記ＳｉＣ層２との界面３ｂまで達する深さの逆六角錐状または逆六角錐台状のピット５が形成されている。
ここでいうピットとは、結晶のあるファセット面を有する極微小の窪み（凹部）であり、中間層３の表面における径が十〜数百ｎｍオーダーのものを指す。
上記のようなピットを形成することにより、中間層３上に形成される素子層となる窒化物半導体単結晶層４全体を均一に低転位化させることができ、低転位領域の大面積化を図ることができる。

通常、表面が平坦な中間層３上に窒化物半導体単結晶層４を成長させる場合、成長初期に導入された転位は、界面３ａに垂直な方向、すなわち、窒化物半導体単結晶層４の表面方向に向かって伸びていく。
これに対して、本発明においては、中間層３に上記のようなピット５を複数形成しておくことにより、中間層３の前記ピット５が形成されていない表面上に成長した窒化物半導体単結晶は、前記ピット５を埋めるように、横方向に成長（ＥＬＯ：Epitaxial Lateral Overgrowth）する。また、窒化物半導体単結晶層４の成長初期に導入された転位は、逆六角錐状または逆六角錐台状のピット５のファセット面により、中間層３の積層方向に対してある角度を持った（傾斜した）方向に伸びる。
これにより、窒化物半導体単結晶層４中の転位密度は大幅に減少すると推測される。

前記ピット５の深さが、中間層３の表面３ａからＳｉＣ層２との界面３ｂまで達していない場合、上記のような窒化物半導体単結晶層４の成長初期における転位低減効果を十分に得ることができない。

前記中間層３の膜厚は、１０〜５０ｎｍであることが好ましい。
前記膜厚が５０ｎｍを超える場合、中間層３の表面３ａからＳｉＣ層２との界面３ｂまで達する深さのピットを形成することは困難となる。
一方、前記膜厚が１０ｎｍ未満の場合、薄すぎて、中間層としての十分な機能が得られない。

また、前記中間層３の表面３ａにおけるピット密度は、１０⁸個／ｃｍ²以上であることが好ましい。このピット密度は、中間層３の断面の電子顕微鏡観察により測定することができる。
前記ピット密度が、１０⁸個／ｃｍ²未満である場合は、上記のような窒化物半導体単結晶の成長初期における転位低減効果が十分に得られない。

上記のような本発明に係る化合物半導体基板は、例えば、以下のような工程を経て、作製することができる。
まず、ＣＺ法により作製したＳｉ基板１上に、周知のＣＶＤ法を用いてエピタキシャル成長によりＳｉＣ層２を形成する。
次に、前記ＳｉＣ層２上に、ＭＯＣＶＤ法により、成長時の温度、圧力、キャリア流量、原料供給量等を調整し、核形成密度および積層方向／面方向の成長速度を制御して、その表面３ａから前記ＳｉＣ層との界面３ｂまで達する深さの逆六角錐状または逆六角錐台状のピット５を有する中間層３をＳｉＣ層２上に形成する。
そして、前記ピット５が形成された中間層３上に、ＭＯＣＶＤ法により、前記窒化物半導体単結晶層４を形成することにより、本発明に係る化合物半導体基板が得られる。
このような本発明に係る製造方法によれば、前記中間層３のピット５は、エッチングにより形成されるのではなく、成長条件を制御して成膜する際に形成されるため、製造工程が煩雑化することはない。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
直径３インチのＳｉ（１１１）基板上に、厚さ７００ｎｍの立方晶ＳｉＣ層をエピタキシャル成長させたＳｉＣ／Ｓｉ基板を準備し、窒化物成長用ＭＯＣＶＤ装置にセットした。
このＳｉＣ／Ｓｉ基板を、水素雰囲気下、基板温度１０００℃でクリーニングした後、基板温度１２００℃で、原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびアンモニアを同時に供給し、成長時間を制御して、厚さ４０ｎｍの表面からＳｉＣ層との界面まで達する深さの逆六角錐状または逆六角錐台状のピットが形成されたＡｌＮ中間層を堆積させた。
さらに、基板温度を１０００℃に降温し、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアンモニアを供給し、厚さ７００ｎｍのＧａＮ層をエピタキシャル成長させて、化合半導体基板を得た。

前記ＧａＮ層をＸ線回折（ＸＲＤ）により評価したところ、（０００２）または（１０−１０）に対する半値幅はいずれも４００秒であった。
また、得られた化合物半導体基板の断面の電子顕微鏡観察を行ったところ、ＡｌＮ中間層表面のピット密度は、１０⁸個／ｃｍ²オーダーであった。
また、これらのピットを観察したところ、径は数十〜数百ｎｍオーダーであり、その深さはＳｉＣ層の表面まで達していることが確認された。

［比較例１〜３］
ＡｌＮ中間層の成長温度および成長時間を調整して、ＡｌＮ中間層の厚さおよび表面のピット密度を表１の比較例１〜３に示すように変化させ、それ以外については、実施例１と同様にして、ＳｉＣ／Ｓｉ基板上に、ＧａＮ層を形成した。
なお、比較例１においては、成長温度を高くして、ピット密度を減少させた。また、比較例２においては、成長温度を比較例１よりも低くして、ピット密度を減少させた。また、比較例３においては、成長時間を長くして、ピット密度を減少させた。
各ＧａＮ層について、Ｘ線回折（ＸＲＤ）における（０００２）または（１０−１０）に対する半値幅を測定した。なお、Ｘ線回折の半値幅は、狭いほど、結晶の転位密度が低く、結晶性に優れていることを意味する。
また、電子顕微鏡によりＡｌＮ中間層の膜厚、ピットの密度および深さを観察した。
これらの結果を実施例１と併せて、表１に示す。

ピットの観察の結果、ピット密度が低いほど、ピットは小さく（比較例１，２）、また、ＡｌＮ中間層の膜厚が厚い場合（比較例３）、径の大きいピットは埋められ、その深さはＳｉＣ層の表面まで達していないことが確認された。
また、表１に示したように、ＡｌＮ中間層の厚さが同じ場合（実施例１、比較例１，２）、ピット密度が高いほどＧａＮ層の結晶性が向上することが認められた。
一方、従来のように、ＡｌＮ中間層の厚さが厚い場合（比較例３）、径の大きいピットが埋められ、ピット密度が小さくなり、ＧａＮ層の結晶性が低下した。

本発明の実施形態に係る化合物半導体基板の層構造の概略図である。

符号の説明

１ Ｓｉ基板
２ ＳｉＣ層
３ 中間層
４ 窒化物半導体単結晶層
５ ピット

Claims (7)

1. Ｓｉ基板上に形成されたＳｉＣ層と、
   前記ＳｉＣ層上に形成され、Ｉｎ_WＧａ_xＡｌ_1-w-xＮ単結晶（０≦ｗ＜１、０≦ｘ＜１、ｗ＋ｘ＜１）からなる中間層と、
   前記中間層上に形成され、Ｉｎ_yＧａ_zＡｌ_1-y-zＮ単結晶（０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｙ＋ｚ＜１）からなる窒化物半導体単結晶層とを備え、
   前記中間層には、その表面から前記ＳｉＣ層との界面まで達する深さの逆六角錐状または逆六角錐台状のピットが複数形成されていることを特徴とする化合物半導体基板。
2. 前記ピットは、中間層表面における密度が１０⁸個／ｃｍ²以上であることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体基板。
3. 前記中間層がＡｌＮ層（ｗ＝０、ｘ＝０）であり、前記窒化物半導体単結晶層がＧａＮ層（ｙ＝０、ｚ＝１）であることを特徴とする請求項１または２記載の化合物半導体基板。
4. 前記中間層の膜厚が１０〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜３記載の化合物半導体基板。
5. Ｓｉ基板上にＳｉＣ層をＣＶＤ法により形成する工程と、
   前記ＳｉＣ層上に、前記ＳｉＣ層との界面まで達する深さの逆六角錐状または逆六角錐台状のピットを複数有するＩｎ_WＧａ_xＡｌ_1-w-xＮ単結晶（０≦ｗ＜１、０≦ｘ＜１、ｗ＋ｘ＜１）からなる中間層をＭＯＣＶＤ法により形成する工程と、
   前記中間層上に、Ｉｎ_yＧａ_zＡｌ_1-y-zＮ単結晶（０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｙ＋ｚ＜１）からなる窒化物半導体単結晶層をＭＯＣＶＤ法により形成する工程とを備えていることを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
6. 前記中間層をＡｌＮ層（ｗ＝０、ｘ＝０）とし、前記窒化物半導体単結晶層をＧａＮ層（ｙ＝０、ｚ＝１）とすることを特徴とする請求項５記載の化合物半導体基板の製造方法。
7. 前記中間層の膜厚を１０〜５０ｎｍとすることを特徴とする請求項５または６記載の化合物半導体基板の製造方法。

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