JP2004047762A

JP2004047762A - Method for manufacturing nitride semiconductor, semiconductor wafer, and semiconductor device

Info

Publication number: JP2004047762A
Application number: JP2002203674A
Authority: JP
Inventors: Tsuneaki Fujikura; 藤倉　序章; Takamasa Suzuki; 鈴木　貴征
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: JP4333092B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To remarkably reduce the dislocation density of a nitride semiconductor formed on a substrate. <P>SOLUTION: A method for manufacturing the nitride semiconductor includes steps of epitaxially growing a III-V-IV mixed crystal buffer layer represented by a formula (In<SB>a</SB>Al<SB>b</SB>Ga<SB>c</SB>N)<SB>x</SB>Si<SB>y</SB>(a≥0, b≥0, c≥0, x>0, y>0, a+b+c=1, x+y=1) on a single-crystal insulating substate 1, and forming a nitride semiconductor layer 3 which has a crystal structure of a single crystal on the buffer layer 2 by an epitaxial growing method. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低転位な窒化物半導体の製造方法およびそれを用いた半導体ウェハならびに半導体デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体エピタキシャル膜を得ようとする場合、最も容易な方法としては、成長しようとしている半導体と同一材料からなる単結晶基板を準備し、その上に気相成長する方法が考えられ、実際に色々な材料系で成功している。
【０００３】
しかしながら、窒化ガリウムのように技術的に半導体単結晶基板を得ることが困難であったり、半導体単結晶基板が高価であるため産業的にはコスト面で用いれない等の理由により、異種基板上へ半導体を成長せざるをえない状況が多々存在する。代表例としては、シリコン基板上のＧａＡｓや、サファイア及び炭化珪素基板上のＧａＮや、ＧａＡｓ基板上のＩＩ−ＶＩ族半導体等が知られる。
【０００４】
例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）は、青色から紫外域にかけての短波長発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の光デバイスの材料として、あるいは高出力電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等の電子デバイス用の材料として重要であるが、窒化ガリウムはバルク単結晶基板を得ることができないため、基板材料としてサファイアやＳｉＣ基板が用いられ、この基板上へ、気相成長法（ＶＰＥ法）（有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を含む）によりＧａＮの成長が行われる。
【０００５】
この様な異種基板上へ半導体を成長した場合、格子不整合、熱膨張係数の不整合、表面エネルギーの不整合等の様々な材料固有の特性の不整合により、成長した半導体エピタキシャル膜中に高密度の転位が導入される。半導体中の転位は、非発光再結合中心、散乱中心として働くため、このような転位を多く含む半導体を用いた光および電子デバイスの特性、安定性、寿命は転位を微量にしか含まないデバイスに比べて極めて劣ったものとなってしまう。
【０００６】
上記ＧａＮや、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどに代表される窒化物系化合物半導体も、単結晶基板が得られないためサファイアや炭化珪素などの異種基板上に成長が行われることから、同様に、初期の研究においては上述の転位の発生が深刻な問題となっていた。
【０００７】
しかし、近年、ＭＯＶＰＥ法を用いた「２段階成長法」によりこの問題は一部解決された。即ち、サファイア基板上に５００〜６００℃程度の低温でＧａＮあるいはＡｌＮからなる低温バッファ層を成長し、その後、その上に１０００℃程度の温度でＧａＮを成長する方法であり、これにより従来１０^１０〜１０^１１ｃｍ^−２程度であったサファイア上ＧａＮの転位密度を１０^８〜１０^９ｃｍ^−２台に抑制することに成功している（特公平８−８２１７号公報）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、窒化物半導体中の転位密度が１０^８ｃｍ^−２台であっても、窒化物半導体電子デバイスの耐圧低下や光デバイスの寿命短縮などの現象を引き起こす原因となり、これらのデバイスの実用化に対する大きな障害となっている。即ち、窒化物半導体の電子・光デバイスの実用化を達成するためには、窒化物半導体中の更なる転位密度の低減が必要である。ちなみに、窒化物半導体の次世代の製品ターゲットである青紫レーザーダイオードや紫外ＬＥＤの実現のためには、転位密度を１０^７ｃｍ^−２台以下にすることが要請される。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、転位密度の更なる低減を実現する窒化物半導体の製造方法および半導体ウェハならびに半導体デバイスの構造を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１１】
請求項１の発明に係る窒化物半導体の製造方法は、基板上へ窒化物半導体層を形成するに当たり、単結晶の絶縁性基板上に、（Ｉｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＮ）_ｘＳｉ_ｙ（ａ≧０、ｂ≧０、ｃ≧０、ｘ＞０、ｙ＞０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、ｘ＋ｙ＝１）で表されるＩＩＩ−Ｖ−ＩＶ族混晶バッファ層をエピタキシャル成長し、この混晶バッファ層上に、エピタキシャル成長法により単結晶の結晶構造を有する窒化物半導体層を形成することを特徴とする。
【００１２】
本発明において基板とその上の窒化物半導体層の間に形成されるＩＩＩ−Ｖ−ＩＶ族混晶バッファ層は、一般式、（Ｉｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＮ）_ｘＳｉ_ｙ（ａ≧０、ｂ≧０、ｃ≧０、ｘ＞０、ｙ＞０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、ｘ＋ｙ＝１）で表される。いくつか例を挙げると、ＩｎＮＳｉ、ＩｎＡｌＮＳｉ、ＡｌＮＳｉ、ＡｌＧａＮＳｉ、ＧａＮＳｉ、ＩｎＧａＮＳｉ、ＩｎＡｌＧａＮＳｉなどである。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の窒化物半導体の製造方法において、上記基板として、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、あるいは、これらの基板上に窒化物半導体層を成長した複合基板を用いることを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の窒化物半導体の製造方法において、上記バッファ層の混晶半導体層を４００〜１２００℃の温度範囲で成長することを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法において、上記窒化物半導体層を６００〜１２００℃の温度範囲で成長することを特徴とする。転位密度を低減する観点からは、好ましくは９５０〜１１００℃、更に好ましくは１０１０〜１０５０℃の温度範囲で成長する。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法において、上記混晶バッファ層を０．１分子層〜１μｍの厚さで形成することを特徴とする。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法において、上記窒化物半導体層の厚さを０．５〜１０μｍ未満に形成することを特徴とする。これは本発明において好ましい上記窒化物半導体層の厚さである０．５〜５００μｍの範囲のうちの一部を特定したものである。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法において、上記窒化物半導体層の厚さを１０〜５００μｍに形成することを特徴とする。これは本発明において好ましい上記窒化物半導体層の厚さである０．５〜５００μｍの範囲のうちの一部を特定したものである。
【００１９】
請求項８の発明に係る半導体ウェハは、請求項１〜７のいずれかに記載の方法により形成した窒化物半導体上へ、エピタキシャル成長法により窒化物半導体を形成し、窒化物半導体の積層構造を形成したことを特徴とする。これは、基板とその上に形成される窒化物半導体との間に、バッファ層として、（Ｉｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＮ）_ｘＳｉ_ｙ（ａ≧０、ｂ≧０、ｃ≧０、ｘ＞０、ｙ＞０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、ｘ＋ｙ＝１）で表されるＩＩＩ−Ｖ−ＩＶ族混晶半導体層を形成した構造を持つ半導体ウェハである。基板としては、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、あるいは、これらの基板上に窒化物半導体層を成長した複合基板のいずれも使用できる。
【００２０】
この半導体ウェハにおいて、混晶バッファ層上へ形成される窒化物半導体の積層構造（デバイス構造）としては、短波長発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の光デバイスの構造の他、高出力電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、ヘテロ・バイポーラ・トランジスタ（ＨＢＴ）等の電子デバイスの構造がある。具体的には、例えばＬＥＤやＬＤなどを製造する場合には、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮなどを多層に積層し、発光層（活性層）をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層によりはさんだ構造を形成する必要がある。また、ＨＢＴにおいても、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮなどを多層に積層し、ｎｐｎあるいはｐｎｐ接合を形成する必要がある。
【００２１】
請求項９の発明は、請求項８に記載の半導体ウェハにおいて、上記窒化物半導体の積層構造が、上記混晶バッファ層上に形成した窒化物半導体層と、該窒化物半導体層上に形成した第１導電型の第１のクラッド層と、この第１のクラッド層上に形成した活性層と、この活性層上に形成され、前記第１導電型とは反対の第２導電型の第２のクラッド層とを備えることを特徴とする。これは、短波長発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の光デバイスを特定したものである。
【００２２】
請求項１０の発明は、請求項８に記載の半導体ウェハにおいて、上記窒化物半導体の積層構造が、上記混晶バッファ層上に形成したアンドープ窒化物半導体層と、該窒化物半導体層上に形成したｎ型の窒化物半導体層とを備えることを特徴とする。これはＧａＮ系ＨＥＭＴの構造を特定したものである。
【００２３】
請求項１１の発明に係る半導体デバイスは、上記請求項８〜１０のいずれかに記載の半導体ウェハを用いて形成したことを特徴とする。これには、ＬＥＤやＬＤ等の光デバイスだけでなく、ＦＥＴやＨＥＭＴ、ＨＢＴ等の電子デバイスが含まれる。
【００２４】
＜発明の要点＞
本発明者等は、上記課題を解決するべく、上記のＡｌＮ、ＧａＮ低温バッファに代わる新たなバッファ層材料を探索し、鋭意研究努力した結果、図１に示すように、（Ｉｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＮ）_ｘＳｉ_ｙ（ａ≧０、ｂ≧０、ｃ≧０、ｘ＞０、ｙ＞０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、ｘ＋ｙ＝１）で表されるＩＩＩ−Ｖ−ＩＶ族混晶バッファ層２を、異種単結晶の絶縁性基板１とその上に成長する窒化物半導体層３との間に形成することにより、転位密度を１０^８ｃｍ^−２より小さくすることが可能であることを見出した。
【００２５】
これは、ＳｉＣ、Ｓｉ等の異種基板上へ窒化物半導体を成長する場合、異種基板１上にまず上記バッファ層２の混晶半導体を成長しその上に窒化物半導体層３を成長すると、異種基板と窒化物半導体間の歪が効果的に緩和し、結果的に窒化物半導体中の転位が低減するためと考えられる。
【００２６】
また、異種基板上にあらかじめ窒化物半導体層を成長した複合基板上へ窒化物半導体層を成長する場合にも、異種基板の影響により、あらかじめ成長した窒化物半導体は歪んでおり、転位を多く含んでいる。この場合にも、上記バッファ層の混晶半導体層を挿入する事により、その上に成長する窒化物半導体中の歪みが効果的に緩和し、結果的に窒化物半導体中の転位が低減する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による窒化物半導体の製造方法と、これにより得られる半導体ウェハならびに半導体デバイス製造の実施形態について説明する。以下の実施例はＭＯＶＰＥ成長による場合の例であるが、ＨＶＰＥ成長（ハイドライド気相成長）あるいはＭＢＥ成長（分子線エピタキシー）による場合においても同様な結果を得ている。
【００２８】
＜実施例１＞
本実施例においては、基板１としてサファイア基板を用い、これをまず１１００℃で水素雰囲気中でクリーニングした後、その上に混晶バッファ層２として（ＧａＮ）_ｘＳｉ_１−ｘバッファ層を組成・膜厚を様々に変えて成長し、更にその上に窒化物半導体層３として約３μｍのＧａＮ層を成長している。
【００２９】
表１に、ＧａＮＳｉバッファ層とＧａＮ層につき、その成長条件である膜厚、原料、キャリアガスの種類と量を示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１に示すように、ＧａＮＳｉバッファ層は、膜厚を０．１分子層〜１μｍの範囲で変更した。このＧａＮＳｉバッファ層の成長中に供給した原料およびキャリアガスの種類と量は、ＩＩＩ族原料であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を０．０１〜６０（μｍｏｌ／ｍ）、ＩＶ族原料であるテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）を０．０１〜６０（μｍｏｌ／ｍ）、Ｖ族原料であるアンモニアを１０（ｓｌｍ）とし、キャリアガスの水素／窒素の比率を０．３とした。また、このＧａＮＳｉバッファ層上に形成したＧａＮ層は、膜厚を３μｍとし、その成長中に供給した原料およびキャリアガスの種類と量は、ＩＩＩ族原料であるトリメチルガリウムＴＭＧを６６０（μｍｏｌ／ｍ）、Ｖ族原料であるアンモニアを２０（ｓｌｍ）とし、キャリアガスの水素／窒素の比率を０．３とした。そして、成長時の圧力、総ガス流量、温度はＧａＮＳｉバッファ層とＧａＮ層を通じて全て一定として、それぞれ、３００Ｔｏｒｒ、１００ｓｌｍ、１０２５℃である。
【００３２】
なお、本実験に先立ち、約１μｍの（ＧａＮ）_ｘＳｉ_１−ｘ層をサファイア基板上へ直接成長し、Ｘ線回折測定により、その組成ｘが、原料ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）の供給量で制御可能であることを見出している。
【００３３】
図２に、膜厚０．１分子層の（ＧａＮ）_ｘＳｉ_１−ｘ混晶バッファ層を、組成ｘを変えて成長した場合の、その上に成長したＧａＮ層の転位密度（ｃｍ^−２）の変化を示す。ＧａＮ組成ｘが０．０１の場合に転位密度が最小の１×１０^７ｃｍ^−２となっており、また、ＧａＮ組成ｘが０．９においても、従来のＡｌＮあるいはＧａＮ低温バッファ層を用いた２段階成長法によるＧａＮよりも低い値である１０^７ｃｍ^−２台の転位密度が得られている。
【００３４】
また、図３はＧａＮ組成ｘが０．０１の場合（つまりＧａＮ_０．０１Ｓｉ_０．９９の混晶バッファ層）の膜厚（ｎｍ）と転位密度（ｃｍ^−２）の関係を示したものである。混晶バッファ層の膜厚を０．１分子層程度（０．０２５ｎｍ）とした図２の場合、転位密度の最小が１×１０^７ｃｍ^−２となっているが、他の膜厚との関係では、図３に示すように、混晶バッファ層の膜厚が１０００ｎｍ以下で転位密度は２×１０^８ｃｍ⁻ ^２以下であり、従来法によるＧａＮバッファ層よりも転位密度が低い。また混晶バッファ層の膜厚が１００ｎｍ以下では転位密度が１×１０^８ｃｍ^−２以下となる。よって、混晶バッファ層は、０．１分子層〜１０００ｎｍ（１μｍ）の厚さとするのがよく、更には０．１分子層〜１００ｎｍの厚さで形成するのが好ましいことが判る。
【００３５】
＜実施例２＞
本実施例では、基板１として、ＳｉＣ基板上にＧａＮ層を約１μｍ成長した複合基板を用い、この複合基板上へ、実施例１と同様な条件でバッファ層２として（Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．５Ａｌ_０．４Ｎ）_０．１Ｓｉ_０．９混晶バッファ層を１分子層成長し、その上に窒化物半導体層３として、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎを約２μｍ成長している。この結果、複合基板の段階では、ＧａＮ層の最表面で転位密度が１×１０^９ｃｍ^−２であったのが、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎの表面では、転位密度が５×１０^７ｃｍ^−２にまで低減している。
【００３６】
＜実施例３＞
本実施例では、その前提として、実施例１の（ＧａＮ）_ｘＳｉ_１−ｘ混晶バッファ層のＧａＮ組成ｘが０．０１で、且つ膜厚が０．１分子層の場合において、混晶バッファ層の成長温度を２００〜１３００℃の範囲で変化させた実験を行っている。その結果、混晶バッファ層の成長温度が４００〜１２００℃の範囲内では、転位密度が、従来法によるＧａＮの転位密度以下となった。ことに、成長温度が８００〜１１００℃の範囲内では転位密度は５×１０^７ｃｍ^−２以下であり、また、１０００〜１０５０℃の範囲内では転位密度は２×１０^７ｃｍ^−２以下にまで低減された。
【００３７】
＜実施例４＞
本実施例では、その前提として、実施例１の（ＧａＮ）_ｘＳｉ_１−ｘ混晶バッファ層のＧａＮ組成ｘが０．０１で、且つ膜厚が０．１分子層の場合において、混晶バッファ層上に成長するＧａＮ層の成長温度を２００〜１３００℃の範囲で変化させた実験を行っている。その結果、成長温度が６００〜１２００℃の範囲内では、転位密度が、従来法によるＧａＮの転位密度以下となった。ことに、成長温度が９５０〜１１００℃の範囲内では転位密度は５×１０^７ｃｍ^−２以下であり、また、１０１０〜１０５０℃の範囲内では転位密度は２×１０^７ｃｍ^−２以下にまで低減された。
【００３８】
＜実施例５＞
上記実施例１〜４において、窒化物半導体層の膜厚としては０．５μｍ〜５００μｍが好適である。窒化物半導体層の膜厚が０．５μｍ未満の場合には、窒化物半導体の電気的・光学的特性に劣化がみられ、また、窒化物半導体層の膜厚が５００μｍ以上の場合には、成長時間が長くなりすぎる。ことに、窒化物半導体層の膜厚が０．５μｍ〜１０μｍ未満の場合には、低コスト、且つ低転位な窒化物半導体エピタキシャルウェハとして好適であり、また、窒化物半導体層の膜厚が１０μｍ〜５００μｍの場合には、多少ウェハコストは高くなるが、より低転位な窒化物半導体エピタキシャルウェハとして好適である。
【００３９】
＜実施例６＞
図４はＭＯＣＶＤ法を用いて、サファイア基板１１上に、窒化ガリウム系化合物半導体のダブルヘテロ（ＤＨ）構造を積層成長した光放出半導体デバイス用ウェハの例である。このウェハＷは、サファイア基板１１上に、４００〜１２００℃の温度範囲でＧａＮＳｉバッファ層１２を０．１分子層〜１μｍの厚さで形成し、次に６００〜１２００℃の温度範囲でオーミック電極を付けるためのｎ型ＧａＮ層１３を形成し、その上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４（第１のクラッド層）、ＩｎＧａＮ活性層１５、及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６（第２のクラッド層）から成るダブルヘテロ構造を成長した後、ｐ型のＧａＮコンタクト層１７を成長させたものである。
【００４０】
図５は上記半導体ウェハを用いて形成した半導体デバイスの例である。上記ウェハＷの表面の一部を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法でエッチングして除去し、ｎ型ＧａＮ層１３を露出させた後、ｎ型ＧａＮ層１３の表面にチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の積層構造から成るｎ型電極１８を、またｐ型層の表面の一部にはニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）の積層構造から成るｐ型電極１９を付けて、ＬＥＤチップ（窒化ガリウム系化合物半導体光放出半導体デバイス）を作製した。
【００４１】
＜実施例７＞
図６はＭＯＶＰＥ法を用いて、サファイア基板２１上に、４００〜１２００℃の温度範囲でＧａＮＳｉバッファ層２２を０．１分子層〜１μｍの厚さで形成し、次に６００〜１２００℃の温度範囲でアンドープＧａＮ層２３を形成し、その上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４を形成して、ＧａＮ系ＨＥＭＴ用ウェハを構成した例である。ＧａＮＳｉバッファ層２２の働きにより、急峻なヘテロ界面が形成され、これにより高い電流密度が得られるものである。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、単結晶の絶縁性基板上へ窒化物半導体層を形成するに際し、基板と窒化物半導体層の間に、（Ｉｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＮ）_ｘＳｉ_ｙ（ａ≧０、ｂ≧０、ｃ≧０、ｘ＞０、ｙ＞０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、ｘ＋ｙ＝１）で表されるＩＩＩ−Ｖ−ＩＶ族混晶バッファ層を形成しているので、従来以上に低転位な窒化物半導体を成長することが可能となる。これは、窒化物半導体層における転位密度を飛躍的に低減して１０^７ｃｍ^−２台以下にすることが実現できることを意味する。このため、本発明の窒化物半導体の製造方法および半導体ウェハならびに、半導体デバイスによれば、次世代の青紫レーザーダイオードや紫外ＬＥＤの実現を可能にすると共に、窒化物半導体電子デバイスの耐圧や光デバイスの寿命などを向上させ、実用に適した電子デバイスや光デバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化物半導体の構造を示す図である。
【図２】本発明における混晶バッファ層の膜厚が０．１分子層の場合の組成と転位密度の関係を示す図である。
【図３】本発明における窒化物半導体の混晶バッファ層の膜厚と転位密度の関係を示す図である。
【図４】本発明により作成した光デバイス用ウェハの構造を示す断面図である。
【図５】本発明により図４のウェハを用いて作成した光デバイスの構造を示す断面図である。
【図６】本発明により作成したＧａＮ系ＨＥＭＴ用ウェハの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１　基板
２　バッファ層
３　窒化物半導体層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a low dislocation nitride semiconductor, a semiconductor wafer using the same, and a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
When trying to obtain a semiconductor epitaxial film, the easiest method is to prepare a single crystal substrate made of the same material as the semiconductor to be grown, and then vapor-phase grow it on it. Successful in materials.
[0003]
However, because it is difficult to obtain a semiconductor single crystal substrate technically like gallium nitride, or because the semiconductor single crystal substrate is expensive, it is not industrially used in terms of cost. There are many situations in which semiconductors must be grown. Representative examples include GaAs on a silicon substrate, GaN on a sapphire and silicon carbide substrate, and II-VI group semiconductor on a GaAs substrate.
[0004]
For example, gallium nitride (GaN) is used as a material for optical devices such as short-wavelength light emitting diodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs) in the blue to ultraviolet range, or for high power field effect transistors (FETs) and high electron mobilities. Although important as a material for an electronic device such as a transistor (HEMT), gallium nitride cannot be used to obtain a bulk single crystal substrate, and thus a sapphire or SiC substrate is used as a substrate material. GaN is grown by a method (VPE method) (including a metal organic chemical vapor deposition method (MOVPE method)).
[0005]
When a semiconductor is grown on such a heterogeneous substrate, a high mismatch occurs in the grown semiconductor epitaxial film due to mismatches in various material-specific characteristics such as lattice mismatch, thermal expansion coefficient mismatch, and surface energy mismatch. Density dislocations are introduced. Since dislocations in semiconductors act as non-radiative recombination centers and scattering centers, the characteristics, stability, and lifetime of optical and electronic devices using semiconductors containing such dislocations are limited to devices containing only a small amount of dislocations. It is extremely inferior.
[0006]
Similarly, GaN, nitride-based compound semiconductors represented by AlGaN, GaInN, and the like are grown on heterogeneous substrates such as sapphire and silicon carbide because a single-crystal substrate cannot be obtained. In, the occurrence of the above-mentioned dislocation has been a serious problem.
[0007]
However, in recent years, this problem has been partially solved by the “two-stage growth method” using the MOVPE method. That is, to grow a low temperature buffer layer made of GaN or AlN at a low temperature of about 500 to 600 ° C. on a sapphire substrate, then, is a method of growing GaN at a temperature of about 1000 ° C. In addition, this by conventional ^{10 10} It has succeeded in suppressing the dislocation density of GaN on sapphire, which was about 10 to 10 ¹¹ cm ^{-2, to the} order of 10 ⁸ to 10 ⁹ cm ^-2 (JP-B-8-8217).
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if the dislocation density in the nitride semiconductor is on the order of 10 ⁸ cm ⁻² , it causes phenomena such as a decrease in the withstand voltage of the nitride semiconductor electronic device and a shortened life of the optical device. It is a major obstacle. That is, it is necessary to further reduce the dislocation density in the nitride semiconductor in order to achieve practical use of the electronic / optical device using the nitride semiconductor. Incidentally, in order to realize a blue-violet laser diode or an ultraviolet LED which is a next-generation product target of a nitride semiconductor, it is required to have a dislocation density of 10 ⁷ cm ⁻² or less.
[0009]
Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems and provide a method of manufacturing a nitride semiconductor, a semiconductor wafer, and a structure of a semiconductor device that realize further reduction in dislocation density.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
[0011]
Method of manufacturing a nitride semiconductor according to a first aspect of the invention, when forming a nitride semiconductor layer on a substrate, on an insulating substrate of single _{_{_{_{crystal, (In a Al b Ga c}}}} N) x Si y (a .Gtoreq.0, b.gtoreq.0, c.gtoreq.0, x> 0, y> 0, a + b + c = 1, x + y = 1) III-V-IV group mixed crystal buffer layer is epitaxially grown, and the mixed crystal buffer layer A nitride semiconductor layer having a single crystal structure is formed thereon by an epitaxial growth method.
[0012]
III-V-IV group mixed crystal buffer layer formed between the substrate and the nitride semiconductor layer thereon in the present invention have the general _{_{_{_{formula, (In a Al b Ga c}}}} N) x Si y (a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, x> 0, y> 0, a + b + c = 1, x + y = 1). Some examples include InNSi, InAlNSi, AlNSi, AlGaNSi, GaNSi, InGaNSi, InAlGaNSi, and the like.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the method of manufacturing a nitride semiconductor according to the first aspect, the substrate is a sapphire substrate, a SiC substrate, a Si substrate, or a composite substrate having a nitride semiconductor layer grown on these substrates. Is used.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, in the method of manufacturing a nitride semiconductor according to the first or second aspect, the mixed crystal semiconductor layer of the buffer layer is grown in a temperature range of 400 to 1200 ° C.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a nitride semiconductor according to any one of the first to third aspects, the nitride semiconductor layer is grown in a temperature range of 600 to 1200 ° C. From the viewpoint of reducing the dislocation density, the crystal is grown preferably at a temperature in the range of 950 to 1100 ° C, more preferably 1010 to 1050 ° C.
[0016]
According to a fifth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a nitride semiconductor according to any one of the first to fourth aspects, the mixed crystal buffer layer is formed with a thickness of 0.1 molecular layer to 1 μm. .
[0017]
According to a sixth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a nitride semiconductor according to any one of the first to fifth aspects, the thickness of the nitride semiconductor layer is formed to be less than 0.5 to 10 μm. This specifies a part of a range of 0.5 to 500 μm, which is a preferable thickness of the nitride semiconductor layer in the present invention.
[0018]
According to a seventh aspect of the present invention, in the method of manufacturing a nitride semiconductor according to any one of the first to fifth aspects, the nitride semiconductor layer is formed to have a thickness of 10 to 500 μm. This specifies a part of a range of 0.5 to 500 μm, which is a preferable thickness of the nitride semiconductor layer in the present invention.
[0019]
In the semiconductor wafer according to the invention of claim 8, a nitride semiconductor is formed by an epitaxial growth method on the nitride semiconductor formed by the method according to any one of claims 1 to 7, thereby forming a stacked structure of the nitride semiconductor. It is characterized by having done. This is between the nitride semiconductor formed on a substrate and thereon, as a buffer _{_{_{_{layer, (In a Al b Ga c}}}} N) x Si y (a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, x> 0, y> 0, a + b + c = 1, x + y = 1) is a semiconductor wafer having a structure in which a group III-V-IV mixed crystal semiconductor layer is formed. As the substrate, any of a sapphire substrate, a SiC substrate, a Si substrate, and a composite substrate obtained by growing a nitride semiconductor layer on these substrates can be used.
[0020]
In this semiconductor wafer, as a laminated structure (device structure) of the nitride semiconductor formed on the mixed crystal buffer layer, in addition to the structure of an optical device such as a short wavelength light emitting diode (LED) and a semiconductor laser (LD), There are structures of electronic devices such as an output field effect transistor (FET), a high electron mobility transistor (HEMT), and a hetero bipolar transistor (HBT). Specifically, for example, in the case of manufacturing an LED or an LD, a structure in which AlGaN, InGaN, GaN, or the like is laminated in multiple layers, and a light emitting layer (active layer) is sandwiched between an n-type cladding layer and a p-type cladding layer. Need to be formed. Also in the HBT, it is necessary to form an npn or pnp junction by laminating AlGaN, InGaN, GaN, or the like in multiple layers.
[0021]
According to a ninth aspect of the present invention, in the semiconductor wafer according to the eighth aspect, the laminated structure of the nitride semiconductor is formed on the nitride semiconductor layer formed on the mixed crystal buffer layer and on the nitride semiconductor layer. A first cladding layer of a first conductivity type, an active layer formed on the first cladding layer, a second cladding layer formed on the active layer and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type; And a cladding layer of This specifies an optical device such as a short wavelength light emitting diode (LED) or a semiconductor laser (LD).
[0022]
According to a tenth aspect of the present invention, in the semiconductor wafer according to the eighth aspect, the laminated structure of the nitride semiconductor is formed on the undoped nitride semiconductor layer formed on the mixed crystal buffer layer and on the nitride semiconductor layer. And an n-type nitride semiconductor layer. This specifies the structure of the GaN-based HEMT.
[0023]
A semiconductor device according to an eleventh aspect of the present invention is formed using the semiconductor wafer according to any one of the eighth to tenth aspects. This includes not only optical devices such as LEDs and LDs, but also electronic devices such as FETs, HEMTs, and HBTs.
[0024]
<The gist of the invention>
The present inventors have, to solve the above problems, the above AlN, to explore new buffer layer material to replace GaN low-temperature buffer, intensive research efforts result, as shown in FIG. 1, (In _a Al _b Ga _cN ) _x Si _y (a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, x> 0, y> 0, a + b + c = 1, x + y = 1) III-V-IV group mixed crystal buffer layer 2 Is formed between the insulating substrate 1 of a different kind of single crystal and the nitride semiconductor layer 3 grown thereon, it has been found that the dislocation density can be made smaller than 10 ⁸ cm ⁻² . .
[0025]
This is because, when a nitride semiconductor is grown on a heterogeneous substrate such as SiC or Si, a mixed crystal semiconductor of the buffer layer 2 is first grown on the heterogeneous substrate 1 and a nitride semiconductor layer 3 is grown thereon. It is considered that the strain between the substrate and the nitride semiconductor is effectively relaxed, and as a result, dislocations in the nitride semiconductor are reduced.
[0026]
Also, when a nitride semiconductor layer is grown on a composite substrate in which a nitride semiconductor layer has been grown on a heterogeneous substrate in advance, the nitride semiconductor grown in advance is distorted due to the influence of the heterogeneous substrate and contains many dislocations. In. Also in this case, by inserting the mixed crystal semiconductor layer of the buffer layer, the strain in the nitride semiconductor grown thereon is effectively relaxed, and as a result, the dislocation in the nitride semiconductor is reduced.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of a method for manufacturing a nitride semiconductor according to the present invention, and a semiconductor wafer and a semiconductor device manufactured by the method will be described. The following embodiment is an example in which MOVPE growth is used, but similar results are obtained in the case of HVPE growth (hydride vapor phase growth) or MBE growth (molecular beam epitaxy).
[0028]
<Example 1>
In the present embodiment, a sapphire substrate is used as the substrate 1, which is first cleaned at 1100 ° C. in a hydrogen atmosphere, and then a (GaN) _x Si _1-x buffer layer is formed thereon as a mixed crystal buffer layer 2. A GaN layer having a thickness of about 3 μm is grown thereon as a nitride semiconductor layer 3 by varying the film thickness.
[0029]
Table 1 shows the growth conditions of the GaNSi buffer layer and the GaN layer, such as film thickness, raw material, and type and amount of carrier gas.
[0030]
[Table 1]

[0031]
As shown in Table 1, the thickness of the GaNSi buffer layer was changed in the range of 0.1 molecular layer to 1 μm. The types and amounts of the raw material and the carrier gas supplied during the growth of the GaNSi buffer layer were 0.01 to 60 (μmol / m) of trimethylgallium (TMG) as a group III raw material and tetraethylsilane ( TESi) was set to 0.01 to 60 (μmol / m), ammonia as a group V raw material was set to 10 (slm), and the ratio of hydrogen / nitrogen in the carrier gas was set to 0.3. The GaN layer formed on the GaN Si buffer layer had a thickness of 3 μm, and the type and amount of the raw material and the carrier gas supplied during the growth were 660 (μmol / m 3) of trimethylgallium TMG which is a group III raw material. ), The ammonia as a group V raw material was set to 20 (slm), and the ratio of hydrogen / nitrogen of the carrier gas was set to 0.3. The pressure, the total gas flow rate, and the temperature during the growth are all constant throughout the GaN Si buffer layer and the GaN layer, and are 300 Torr, 100 slm, and 1025 ° C., respectively.
[0032]
Prior to this experiment, a (GaN) _x Si _1-x layer of about 1 μm was directly grown on a sapphire substrate, and the composition x was determined by X-ray diffraction measurement to be trimethyl gallium (TMG) as a source gas and tetraethyl It has been found that it can be controlled by the supply amount of silane (TESi).
[0033]
FIG. 2 shows a dislocation density (cm ⁻²⁾ of a GaN layer grown thereon when a (GaN) _x Si _1-x mixed crystal buffer layer having a thickness of 0.1 molecular layer was grown while changing the composition x. ). When the GaN composition x is 0.01, the dislocation density is 1 × 10 ⁷ cm ⁻² , which is the minimum, and when the GaN composition x is 0.9, the conventional AlN or GaN low-temperature buffer layer is used. A dislocation density of the order of 10 ⁷ cm ^−2, which is lower than GaN obtained by the two-step growth method, is obtained.
[0034]
FIG. 3 shows the relationship between the thickness (nm) and the dislocation density (cm ⁻² ) when the GaN composition x is 0.01 (that is, a mixed crystal buffer layer of GaN _0.01 Si _0.99 ). It is. In the case of FIG. 2 in which the thickness of the mixed crystal buffer layer is about 0.1 molecular layer (0.025 nm), the minimum dislocation density is 1 × 10 ⁷ cm ⁻² . the relationship, as shown in FIG. 3, the dislocation density in the thickness of the mixed crystal buffer layer is 1000nm or less 2 × ¹⁰ 8 cm ^- ² or less, the dislocation density of less than GaN buffer layer by the conventional method. When the thickness of the mixed crystal buffer layer is 100 nm or less, the dislocation density is 1 × 10 ⁸ cm ⁻² or less. Therefore, it is understood that the mixed crystal buffer layer preferably has a thickness of 0.1 molecular layer to 1000 nm (1 μm), and more preferably has a thickness of 0.1 molecular layer to 100 nm.
[0035]
<Example 2>
In the present embodiment, a composite substrate in which a GaN layer is grown on a SiC substrate by about 1 μm on a SiC substrate is used as the substrate 1, and (In _0.1 Ga _{0 .5} Al _0.4 _N) 0.1 _{Si 0.9} mixed crystal buffer layer grown one molecular layer, as the nitride semiconductor layer 3 _thereon, Al 0.1 _{Ga 0.9} N to about 2μm growth ing. As a result, at the stage of the composite substrate, the dislocation density was 1 × 10 ⁹ cm ⁻² on the outermost surface of the GaN layer, but the dislocation density was 5 × 10 ^{9 on} the surface of Al _0.1 Ga _0.9 N. ^It has been reduced to ⁷ cm ^-2 .
[0036]
<Example 3>
In the present embodiment, the premise is that the mixed crystal of the (GaN) _x Si _1-x mixed crystal buffer layer of the _first embodiment has a GaN composition x of 0.01 and a thickness of 0.1 molecular layer. An experiment was conducted in which the growth temperature of the buffer layer was changed in the range of 200 to 1300C. As a result, when the growth temperature of the mixed crystal buffer layer was in the range of 400 to 1200 ° C., the dislocation density was lower than that of GaN according to the conventional method. In particular, the dislocation density is 5 × 10 ⁷ cm ⁻² or less when the growth temperature is in the range of 800 to 1100 ° C., and the dislocation density is 2 × 10 ⁷ cm ⁻² or less in the range of 1000 to 1050 ° C. Was reduced to
[0037]
<Example 4>
In the present embodiment, the premise is that the mixed crystal of the (GaN) _x Si _1-x mixed crystal buffer layer of the _first embodiment has a GaN composition x of 0.01 and a thickness of 0.1 molecular layer. An experiment was performed in which the growth temperature of the GaN layer grown on the buffer layer was changed in the range of 200 to 1300 ° C. As a result, when the growth temperature was in the range of 600 to 1200 ° C., the dislocation density became equal to or less than the dislocation density of GaN according to the conventional method. In particular, the dislocation density is 5 × 10 ⁷ cm ⁻² or less when the growth temperature is in the range of 950 to 1100 ° C., and the dislocation density is 2 × 10 ⁷ cm ⁻² or less in the range of 1010 to 1050 ° C. Was reduced to
[0038]
<Example 5>
In Examples 1 to 4, the thickness of the nitride semiconductor layer is preferably 0.5 μm to 500 μm. When the thickness of the nitride semiconductor layer is less than 0.5 μm, the electrical and optical characteristics of the nitride semiconductor are deteriorated, and when the thickness of the nitride semiconductor layer is 500 μm or more, Growth time is too long. In particular, when the thickness of the nitride semiconductor layer is less than 0.5 μm to 10 μm, it is suitable as a low cost and low dislocation nitride semiconductor epitaxial wafer, and the thickness of the nitride semiconductor layer is 10 μm In the case of ５００500 μm, the wafer cost is slightly higher, but it is suitable as a nitride semiconductor epitaxial wafer having lower dislocation.
[0039]
<Example 6>
FIG. 4 shows an example of a light emitting semiconductor device wafer in which a double hetero (DH) structure of a gallium nitride based compound semiconductor is grown on a sapphire substrate 11 by MOCVD. This wafer W has a GaN Si buffer layer 12 formed on a sapphire substrate 11 in a temperature range of 400 to 1200 ° C. in a thickness of 0.1 molecular layer to 1 μm, and then an ohmic electrode in a temperature range of 600 to 1200 ° C. An n-type GaN layer 13 is formed thereon, and an n-type AlGaN cladding layer 14 (first cladding layer), an InGaN active layer 15, and a p-type AlGaN cladding layer 16 (second cladding layer) are formed thereon. A p-type GaN contact layer 17 is grown after growing a double heterostructure consisting of
[0040]
FIG. 5 shows an example of a semiconductor device formed using the above-mentioned semiconductor wafer. A part of the surface of the wafer W is removed by etching by a reactive ion etching (RIE) method to expose the n-type GaN layer 13, and then titanium (Ti) and aluminum ( An n-type electrode 18 having a laminated structure of Al) and a p-type electrode 19 having a laminated structure of nickel (Ni) and gold (Au) are provided on a part of the surface of the p-type layer. Gallium-based compound semiconductor light emitting semiconductor device).
[0041]
<Example 7>
FIG. 6 shows that the GaNSi buffer layer 22 is formed on the sapphire substrate 21 with a thickness of 0.1 molecular layer to 1 μm on the sapphire substrate 21 using the MOVPE method at a temperature range of 400 to 1200 ° C., and then at a temperature of 600 to 1200 ° C. This is an example in which an undoped GaN layer 23 is formed within a range, and an n-type AlGaN layer 24 is formed thereon to form a GaN-based HEMT wafer. By the function of the GaNSi buffer layer 22, a steep hetero interface is formed, whereby a high current density can be obtained.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when forming a nitride semiconductor layer into monocrystalline insulating substrate, between the substrate and the nitride semiconductor _{_{layer, (In a Al b Ga c}} N) x Si _Since a group III-V-IV mixed crystal buffer layer represented by _y (a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, x> 0, y> 0, a + b + c = 1, x + y = 1) is formed, Thus, it becomes possible to grow a nitride semiconductor having a lower dislocation than before. This means that the dislocation density in the nitride semiconductor layer can be drastically reduced to 10 ⁷ cm ⁻² or less. Therefore, according to the method for manufacturing a nitride semiconductor, the semiconductor wafer, and the semiconductor device of the present invention, it is possible to realize a next-generation blue-violet laser diode and an ultraviolet LED, as well as the breakdown voltage of the nitride semiconductor electronic device and the optical device. The life of the device can be improved, and an electronic device or optical device suitable for practical use can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a structure of a nitride semiconductor of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between composition and dislocation density when the thickness of a mixed crystal buffer layer in the present invention is 0.1 molecular layer.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the thickness of a mixed crystal buffer layer of a nitride semiconductor and the dislocation density in the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of an optical device wafer prepared according to the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a structure of an optical device prepared by using the wafer of FIG. 4 according to the present invention.
FIG. 6 is a sectional view showing the structure of a GaN-based HEMT wafer prepared according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Buffer layer 3 Nitride semiconductor layer

Claims

In forming a nitride semiconductor layer on a substrate,
On an insulating substrate of single _{_{_{_{crystal, (In a Al b Ga c}}}} N) x Si y (a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, x> 0, y> 0, a + b + c = 1, x + y = 1) Epitaxially growing a group III-V-IV mixed crystal buffer layer represented by
A method for manufacturing a nitride semiconductor, comprising forming a nitride semiconductor layer having a single crystal structure on the mixed crystal buffer layer by an epitaxial growth method.

2. The method according to claim 1, wherein the substrate is a sapphire substrate, a SiC substrate, a Si substrate, or a composite substrate having a nitride semiconductor layer grown on these substrates.

3. The method according to claim 1, wherein the mixed crystal semiconductor layer of the buffer layer is grown in a temperature range of 400 to 1200 ° C. 4.

The method for manufacturing a nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 3, wherein the nitride semiconductor layer is grown in a temperature range of 600 to 1200C.

The method for producing a nitride semiconductor according to claim 1, wherein the mixed crystal buffer layer is formed with a thickness of 0.1 molecular layer to 1 μm.

The method for manufacturing a nitride semiconductor according to claim 1, wherein the thickness of the nitride semiconductor layer is less than 0.5 to 10 μm.

The method according to claim 1, wherein the nitride semiconductor layer has a thickness of 10 to 500 μm.

A semiconductor wafer comprising a nitride semiconductor formed by an epitaxial growth method on the nitride semiconductor formed by the method according to claim 1, thereby forming a nitride semiconductor laminated structure.

The laminated structure of the nitride semiconductor includes a nitride semiconductor layer formed on the mixed crystal buffer layer, a first cladding layer of a first conductivity type formed on the nitride semiconductor layer, and a first clad layer. 9. An active layer according to claim 8, comprising: an active layer formed on the layer; and a second cladding layer formed on the active layer and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type. Semiconductor wafer.

The multilayer structure of the nitride semiconductor includes an undoped nitride semiconductor layer formed on the mixed crystal buffer layer and an n-type nitride semiconductor layer formed on the nitride semiconductor layer. Item 9. A semiconductor wafer according to item 8.

A semiconductor device formed using the semiconductor wafer according to claim 8.