DE102007011347A1 - Nitridhalbleitereinkristallfilm - Google Patents

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Yoshihisa Sgamihara Abe
Shunichi Hadano Suzuki
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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Nitridhalbleitereinkristall, enthaltend Galliumnitird (GaN) oder Aluminiumnitird (AlN) bereit, der als Film mit einer guten Kristallinität gebildet wird, ohne dass eine 3C-SiC-Schicht auf dem Si-Substrat gebildet wird, und der für eine lichtemittierende Diode, ein Laserlicht-emittierendes Element, ein elektronisches Element, die mit hoher Geschwindigkeit und bei hoher Temperatur betrieben werden können, usw., sowie für eine Hochfrequenzvorrichtung geeignet ist. Ein GaN(0001)- oder AlN(0001)-Einkristallfilm oder eine Supergitterstruktur von GaN(0001) mund AlN(0001) wird auf einem Si(100)-Substrat mittels einer 2H-AlN-Pufferschicht gebildet.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nitridhalbleitereinkristall, enthaltend Galliumnitrid (GaN) und/oder Aluminiumnitrid (AlN), der für eine lichtemittierende Diode, eine Laserdiode, eine elektronische Diode, die bei hoher Temperatur betrieben werden können, geeignet ist und bei hoher Leistung und hohen Frequenzen bedient werden kann.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein Nitridhalbleiter, dargestellt durch GaN und AlN, hat eine große Bandlücke, und von ihm wird angenommen, dass er ein Material ist, das für eine lichtemittierende Diode, eine Laserdiode, eine elektronische Diode, die mit hoher Geschwindigkeit und bei hoher Temperatur betrieben werden können, als Halbleiter mit breiter Bandlücke mit überragenden Eigenschaften, wie einem höheren elektrischen Durchbruchsfeld und einer größeren Sättigungsdriftgeschwindigkeit der Elektronen usw., anwendbar ist.
  • Da der oben erwähnte Nitridhalbleiter einen hohen Schmelzpunkt aufweist und der Gleichgewichtsdampfdruck von Stickstoff sehr hoch ist, ist das Wachstum der Kristallmasse aus der Schmelze schwierig. Aus diesem Grund wird ein Einkristall durch heteroepitaxiales Wachstum auf verschiedenen Einkristallsubstraten hergestellt.
  • Zum Beispiel wird ein Einkristallfilm von GaN(0001) oder AlN(0001) auf verschiedenen Substraten, wie Saphir(0001), 6H-SiC(0001), Si(111) usw., mittels verschiedener Pufferschichten gezüchtet.
  • Unter den herkömmlich verwendeten Substraten sind im Vergleich mit Si-Substraten Saphir(0001) mit großem Durchmesser und 6H-SiC(0001) schwierig herzustellen, und ihre Kosten sind hoch. Aus diesen Gründen ist es aus dem Blickpunkt der Herstellung mit niedrigen Kosten bevorzugt, als Substrat zum Züchten eines Films aus einem Nitridhalbleitereinkristall, das Si-Substrat zu verwenden.
  • Da es für das Wachstum des Nitridhalbleiterfilms auf dem Si-Substrat möglich ist, die derzeitigen Siliziumtechnologien einzusetzen, ist der Einsatz dieser Technik außerdem sehr vielversprechend.
  • Da sich aufgrund eines Unterschieds der thermischen Expansionskoeffizienten zwischen Si- und Nitridfilmen Risse in den Nitridfilmen bilden und sich aufgrund des Unterschieds der Gitterkonstante zwischen Si- und Nitridfilmen viele Kristalldefekte bilden, war es jedoch im Falle von auf einem Si-Substrat gezüchteten Nitridfilmen schwierig, einen Einkristallfilm mit einer Dicke von 1 μm oder mehr zu züchten.
  • Aus diesem Grund ist es notwendig, eine geeignete Pufferschicht zum Züchten von Nitridfilmen zu verwenden.
  • Als Beispiel solch einer Pufferschicht wird vorgeschlagen, eine 3C-SiC(111)-Schicht einzusetzen.
  • Um einem hexagonalen Kristall von GaN oder AlN (Wurtzitkristall) zu entsprechen, wird herkömmlich ein Si(111)-Substrat zum Züchten der 3C-SiC(111)-Schicht als Pufferschicht verwendet. Risse werden jedoch häufig auf dem Si(111)-Substrat gebildet, wenn eine 3C-SiC(111)-Schicht als Film mit einer Dicke von 1 μm oder mehr gezüchtet wird.
  • Um dieses Problem zu lösen, wurde entdeckt, dass, wenn das 3C-SiC (111) auf einem Si(110)-Substrat gezüchtet wird, die Gitterfehlanpassung zwischen Si und 3C-SiC kleiner ist als unter Verwendung des Si(111)-Substrats, wodurch die Kristallinität des 3C-SiC(111) verbessert wird (siehe z.B. japanische Patentveröffentlichung (KOKAI) Nr. 2005-223206).
  • Wenn seine Betriebsfrequenz hoch ist, wird in einer Hochfrequenzvorrichtung zusätzlich ein Eddy-Strom in dem Substrat hervorgerufen und die Joule-Wärme führt dann zu Problemen mit dem Gerätebetrieb, so dass ein isolierendes Substrat benötigt wird.
  • Da das als Pufferschicht eingesetzte 3C-SiC eine elektrische Leitfähigkeit besitzt, ist andererseits das Substrat mit der 3C-SiC-Schicht als Hochfrequenzvorrichtung ungeeignet.
  • In einer Anstrengung, um die Nitrideinkristallfilme ohne die 3C-SiC-Schicht auf dem Si-Substrat zu züchten, haben die hiesigen Erfinder dann die Untersuchungen wiederholt und haben im Ergebnis herausgefunden, dass ein Einkristallfilm von GaN(0001) oder AlN(0001) mit einer Dicke von 1 μm oder mehr unter Verwendung des Si(110)-Substrats gezüchtet werden kann.
    •
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung zielt darauf, einen Nitridhalbleitereinkristall bereitzustellen, der AlN oder GaN enthält, auf einem Si-Substrat ohne eine 3C-SiC-Schicht gezüchtet ist, und der auch für eine Hochfrequenzvorrichtung angemessen verwendet werden kann.
  • Der erfindungsgemäße Nitridhalbleitereinkristall ist dadurch gekennzeichnet, dass er mittels einer 2H-AlN-Pufferschicht auf einem Si(110)-Substrat gezüchtet ist und GaN(0001) oder A1N(0001) enthält.
  • Gemäß der zuvor erwähnten Struktur kann ein Nitridhalbleitereinkristall mit guter Kristallinität ohne eine 3C-SiC-Schicht auf dem Si-Substrat gezüchtet werden.
  • Außerdem ist der Nitridhalbleitereinkristall einer anderen bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass er mittels einer 2H-AlN-Pufferschicht auf dem Si(110)-Substrat gezüchtet wird und eine Supergitterstruktur von GaN(0001) und AlN(0001) besitzt.
  • Daher kann die Kristallinität des Nitridhalbleitereinkristalls durch Bilden der Superkristallstruktur von GaN und AlN weiter verbessert werden.
  • Wie oben beschrieben, kann erfindungsgemäß der Einkristallfilm von GaN oder AlN mit guter Kristallinität mit einer Dicke von 1 μm oder mehr ohne die 3C-SiC-Schicht auf dem Si-Substrat erhalten werden.
  • Ferner kann die Kristallinität des Nitridhalbleitereinkristalls durch Bilden der Supergitterstruktur von GaN und AlN weiter verbessert werden.
  • Der erfindungsgemäße Nitridhalbleitereinkristall kann daher angemessen für eine lichtemittierende Diode, eine Laserdiode und eine elektronische Diode, die bei hoher Temperatur betrieben werden können, sowie als Hochfrequenzvorrichtung verwendet werden, wodurch deren elementare Funktionen verbessert werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein Spektrum, gemessen durch einen θ-2θ-Scan der Röntgendiffraktion für eine auf einem Si(110)-Substrat gezüchtete 2H-AlN-Pufferschicht.
  • 2 zeigt ein Spektrum, gemessen durch einen θ-Scan der Röntgendiffraktion für die auf dem Si(110)-Substrat gezüchtete 2H-AlN-Pufferschicht.
  • 3 zeigt Spektren, gemessen durch einen ω-Scan der Röntgendiffraktion für die auf dem Si(110)-Substrat und einem Si(111)-Substrat gezüchteten 2H-AlN-Pufferschichten.
  • 4 zeigt ein Spektrum, gemessen durch einen θ-2θ-Scan der Röntgendiffraktion für eine mittels der 2H-AlN-Pufferschicht auf dem Si(110)-Substrat gezüchtete GaN-Einkristallschicht (Beispiel 1).
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben.
  • Ein erfindungsgemäßer Nitridhalbleitereinkristall ist ein GaN-Einkristall oder ein AlN-Einkristall, der mittels einer 2H-AlN-Pufferschicht auf einem Si-Einkristallsubstrat gezüchtet wurde.
  • Dieser Nitridhalbleitereinkristall wird auf dem Si-Substrat ohne eine 3C-SiC-Schicht gezüchtet, und seine Kristallinität kann im Vergleich mit der eines herkömmlichen auch verbessert werden.
  • Ferner hat er auch den Vorteil, dass der Apparat und die Technologie, die in einem herkömmlichen Si-Halbleiter-Herstellungsverfahren verwendet werden, verwendet werden können, da er auf einem Si-Substrat gezüchtet wird, und das Si-Substrat kann bei niedrigen Kosten mit einem großen Durchmesser erhalten werden.
  • Das für das Si-Einkristallsubstrat in der vorliegenden Erfindung verwendete Herstellungsverfahren ist nicht besonders beschränkt. Es kann durch ein Czochralski-(CZ)-Verfahren oder durch ein Flotationszonen-(FZ)-Verfahren hergestellt werden. Ferner kann die Si-Einkristallschicht epitaxial zu diesen Si-Einkristallsubstraten durch Dampfphasenzüchtung (epitaxiales Si-Substrat) gezüchtet werden.
  • Aus dem Blickpunkt der Reduktion der Fehlanpassung der Kristallgitter der Pufferschicht und des Nitridhalbleitereinkristallfilms, der auf dem zuvor erwähnten Si-Einkristallsubstrat gezüchtet wird, wird ferner ein Si(110)-Substrat anstelle des herkömmlich verwendeten Si(111)-Substrats verwendet.
  • Auf dem zuvor erwähnten Si-Einkristallsubstrat wird eine 2H-AlN-Schicht als Pufferschicht gezüchtet.
  • Anstelle der herkömmlichen 3C-SiC-Schicht macht es die 2H-AlN-Schicht möglich, für das Substrat elektrisch isolierend zu sein. Daher ist der auf der zuvor erwähnten Schicht gezüchtete Nitridhalbleitereinkristall für eine Hochfrequenzvorrichtung geeignet.
  • Außerdem bedeckt die zuvor erwähnte Pufferschicht die Oberfläche des Si-Einkristallsubstrats und dient daher als Schutz der Si-Oberfläche vor dem Ätzen oder der Nitridierung, wenn das Substrat auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, um den Nitridhalbleitereinkristall zu züchten.
  • Obwohl die Dicke der zuvor erwähnten AlN-Schicht bevorzugt so dünn wie möglich ist, wird in Bezug auf die Herstellungskosten die AlN-Schicht mit einer Dicke gezüchtet, die es möglich macht, die Kristallgitterfehlanpassung zwischen dem Si(110)-Substrat und GaN(0001) oder AlN(0001) zu reduzieren. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Dicke ungefähr 10 bis 500 nm ist.
  • Die zuvor erwähnte AlN-Schicht kann epitaxial auf dem zuvor erwähnten Si(110)-Substrat z.B. durch Dampfphasenzüchtung gezüchtet werden.
  • Diese Nitridhalbleitereinkristalle können mit einer Dicke von 1 μm oder mehr durch epitaxiales Wachstum von GaN(0001) oder AlN(0001) auf der zuvor erwähnten AlN-Schicht gezüchtet werden.
  • Außerdem werden GaN(0001) und AlN(0001) alternierend als dünne Filme auf der zuvor erwähnten AlN-Schicht angeordnet, um eine Supergitterstruktur zu bilden, wodurch die Kristallinität dieser Nitridhalbleitereinkristalle weiter verbessert werden kann.
    •
  • [Beispiele]
  • Im Folgenden wir die vorliegende Erfindung detaillierter mit Bezug auf die Beispiele beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
  • [Beispiel 1]
  • Ein Si(110)-Substrat wurde in den Züchtungsbereich einer Reaktionskammer platziert, und dann wurde das Si(110)-Substrat bis zu 1100°C erwärmt, während Wasserstoff als Trägergas für die Substratreinigung zugeführt wurde.
  • Mit beibehaltener Substrattemperatur wurden dann Trimethylaluminium (TMA) und Ammoniak als Aluminium- bzw. Stickstoffquellen zugeführt, und eine 2H-AlN-Pufferschicht mit einer Dicke von 10 bis 500 nm wurde auf dem zuvor erwähnten Si(110)-Substrat gezüchtet.
  • Die auf diesem Si(110)-Substrat gezüchtete 2H-AlN-Pufferschicht wurde mittels θ-2θ-Scan und ϕ-Scan der Röntgendiffraktion untersucht, und die Orientierungen der Filme in Wachstumsrichtung (Dickenrichtung) und in ihrer Ebene wurden bewertet. Die gemessenen Spektren sind in 1 bzw. 2 gezeigt.
  • Wie in 1 gezeigt, wurde bestätigt, dass die Wachstumsrichtung <0001> des AlN-Films als Pufferschicht in Bezug auf die Normalrichtung des Si(110)-Substrats orientiert war.
  • Wie in 2 gezeigt, wurden ferner im ϕ-Scan der Röntgendiffraktion symmetrische Peaks 6 Mal mit Bezug auf 2H-AlN bestätigt, so dass es feststand, dass es kein notiertes 2H-AlN in der Ebene gab, und ein Einkristallfilm als Pufferschicht gezüchtet wurde.
  • Ferner wurde ein ω-Scan der Röntgendiffraktion durchgeführt, um die Kristallinität von 2H-AlN zu untersuchen. Das gemessene Spektrum ist in 3 gezeigt.
  • Als Nächstes wurde die Substrattemperatur auf ungefähr 1000°C erniedrigt, Trimethylgallium (TMG) und Ammoniak wurden als Gallium- bzw. Stickstoffquellen zugeführt, und eine GaN-Einkristallschicht wurde auf der zuvor erwähnten 2H-AlN-Pufferschicht gezüchtet.
  • Wenn die zuvor erwähnte GaN-Einkristallschicht mit einer Dicke von 1 μm oder mehr gezüchtet wurde, wurden keine Risse beobachtet.
  • Ferner wurde ein θ-2θ-Scan der Röntgendiffraktion in Bezug auf die zuvor erwähnte GaN-Einkristallschicht durchgeführt, und die Orientierung des Kristalls in der Kristallwachstumsrichtung (Dickenrichtung) wurde untersucht. Das gemessene Spektrum ist in 4 gezeigt.
  • Wie in 4 gezeigt, wurde bestätigt, dass eine GaN(0001)-Einkristallschicht auf der 2H-AlN(0001)-Pufferschicht gezüchtet wurde.
  • [Beispiel 2]
  • Wie bei Beispiel 1 wurde eine 2H-AlN-Pufferschicht auf einem Si(110)-Substrat gezüchtet.
  • Dann wurde die Substrattemperatur auf 1200°C oder mehr erhöht, TMA und Ammoniak wurden als Quellenmaterialien zugeführt, und eine AlN(0001)-Einkristallschicht wurde gezüchtet.
  • Wenn die zuvor erwähnte AlN(001)-Einkristallschicht mit einer Dicke von 1 μm oder mehr gezüchtet wurde, wurden keine Risse beobachtet.
  • [Vergleichsbeispiele 1 und 2]
  • Ein Si(111)-Substrat wurde anstelle des Si(110)-Substrats verwendet, und die anderen Vorgehensweisen waren dieselben wie die in Beispielen 1 und 2. Ein GaN(0001)-Einkristall (Vergleichsbeispiel 1) und ein AlN(0001)-Einkristall (Vergleichsbeispiel 2) wurden gezüchtet, was zu einem Riss in dem Film führte.
  • Ferner wurde ein ω-Scan der Röntgendiffraktion in Bezug auf eine 2H-AlN-Pufferschicht, gezüchtet auf dem Si(111)-Substrat, durchgeführt, um die Kristallinität von AlN zu untersuchen. Das gemessene Spektrum ist in 3 zusammen mit dem Spektrum im Fall der Verwendung des zuvor erwähnten Si(110)-Substrats (Beispiel 1) gezeigt.
  • Wie in 3 gezeigt, zeigt der Vergleich der vollen Breite am halbmaximalen Wert von AlN auf Si(110) und Si(111) in dem ω-Scan der Röntgendiffraktion, dass sie auf Si(110) schmaler ist und daher höhere Kristallinität vorliegt.
  • Im Verhältnis mit der Kristallinität solch einer 2H-AlN-Pufferschicht ist daher auch die Kristallinität der auf der Pufferschicht gezüchteten GaN-Einkristall- oder AlN-Einkristallschicht verbessert, und es kann gesagt werden, dass Beispiele 1 und 2 eine höhere Kristallinität liefern als Vergleichsbeispiele 1 und 2.
  • [Beispiel 3]
  • Wie in Beispiel 1 wurde eine 2H-AlN-Pufferschicht auf einem Si(110)-Substrat gezüchtet. Dann wurde die Substrattemperatur auf 1000°C eingestellt und TMG oder TMA als Gruppe III-Quelle und Ammoniak als Stickstoffquellenmaterial zugeführt, um 80 Paare von Filmen zu bilden, worin ein Paar Filme eine GaN(0001)-Einkristallschicht mit einer Dicke von 25 nm und eine AlN(0001)-Einkristallschicht mit einer Dicke von 5 nm enthielt.
  • Eine GaN(0001)-Schicht wurde darauf gezüchtet, und es wurde bestätigt, dass ein Film mit einer Dicke von 2 μm oder mehr ohne Rissbildung gezüchtet werden konnte.

Claims (2)

  1. Nitridhalbleitereinkristall, gezüchtet auf einem Si(110)-Substrat mit einer 2H-AlN-Pufferschicht und umfassend GaN(0001) oder AlN(0001).
  2. Nitridhalbleitereinkristall, gezüchtet auf einem Si(110)-Substrat mit einer 2H-AlN-Pufferschicht und einer Suppergitterstruktur von GaN(0001) und AlN(0001).
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