JP2004235646A - 窒化物半導体及びその結晶成長方法 - Google Patents

窒化物半導体及びその結晶成長方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電気的及び結晶学的特性が向上する窒化物半導体及びその結晶成長方法を提供すること。
【解決手段】サファイア基板20の上部にアルミニウムを含む窒化物バッファー層21を成長させる段階と、窒化物バッファー層21の上部に二元系窒化物バッファー層22を成長させる段階と、二元系窒化物バッファー層22の上部に窒化物半導体層23を成長させる段階とで構成される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、窒化物半導体及びその結晶成長方法に関する。より詳細には、アルミニウムを含む窒化物バッファー層の上部に、窒化物半導体層を成長させることで、電気的及び結晶学的特性を向上することができる窒化物半導体の結晶成長方法に関するものである。
一般的に、III−Ｖ族窒化物半導体を利用した光素子及び電子素子の開発が活発に行われている。実際に紫外線または可視光線領域の発光ダイオード及びレーザーダイオードは、多くの分野に応用されており、これからもその用途がさらに広がることと予想される。
一時、良質の窒化物半導体膜の成長と素子の製作が難しかったが、それは、良好な特性を有する単結晶の窒化物基板を得ることが難しかったためである。
それで、ガリウム砒素(GaAs)、シリコーン、Zn0、サファイア(Sapphire)、シリコーンカーバイド(SiC)のような異種基板の上に窒化物を成長させるようになった。その中でサファイア(Sapphire)とシリコーンカーバイド(SiC)上に成長した窒化膜は、特性が優秀で素子製作に広く利用されている。
しかし、シリコーンカーバイド(SiC)の場合、電気的に導電性があって長所があるが、価格が高すぎるので大部分の素子はサファイア基板上部に成長させたものが利用されている。
このように、窒化物半導体膜の特性が向上したことは、結晶成長技術の進歩によるものである。
したがって、サファイア基板上部に窒化膜を成長させるためには、サファイア基板を高温で熱処理した後、低い温度(450-600℃)でバッファー層を成長させて、また高温で窒化膜を成長させる。
この過程で重要なことはバッファー層である。
図1は、従来技術による結晶成長方法によって成長された窒化物半導体層が含まれた積層構造の断面図である。サファイア基板10の上部に、二元系窒化物バッファー層11を成長させ、二元系窒化物バッファー層11の上部に、窒化物半導体層12を成長させたものである。
このようなバッファー層を成長させる理由は、サファイア基板とこのサファイア基板上に成長される窒化物は、格子定数と熱膨脹係数との差が大きいためである。すなわち、サファイア基板と窒化物との間の格子定数と熱膨脹係数の差を乗り越えるため、サファイア基板の上部に、図1に示したように、GaN,AlN,InN,SiNx、またはこれらの混合物の中で選択された二元系窒化物バッファー層を成長させた後、窒化物半導体層を成長させていた。
このように成長した窒化膜は、単結晶ではなくポリマーまたは多結晶になり、窒化物半導体層を成長させることができるシード(Seed)層になる。しかし、上述のGaN,AlN,InN,
SiNxなどのような単一バッファー層を利用して窒化膜の結晶学的特徴はよく向上したが、サファイアとGaNの相異なっている物理学的特性を、単一バッファー層で克服するためには、未だ解決しなければならない間題点が多い。
従って、より改善した結晶学的特徴を有する窒化物半導体層を得るためには、新しい成長方法やバッファー層の開発が必要であり、これは最終素子の動作向上のために必須である。
本発明は、上述のような問題点を解決するために案出されたものであって、アルミニウムを含む窒化物バッファー層の上部に窒化物半導体層を成長させることで、電気的及び結晶学的特性が向上する窒化物半導体及びその結晶成長方法を提供することを目的としている。
上述した本発明の目的を達成するために、本発明の窒化物半導体は、金属酸化物層と、この金属酸化物層上に形成される前記金属を含む第１窒化物バッファー層と、前記金属を含む窒化物バッファー層上に形成される第２窒化物バッファー層と、前記第２窒化物バッファー層上に形成される窒化物層とを含むことを特徴としている。
また、本発明の窒化物半導体の結晶成長方法は、サファイア基板の上部に、アルミニウムを含む窒化物バッファー層を成長させる第１段階と、前記アルミニウムを含む窒化物バッファー層の上部に、二元系窒化物バッファー層を成長させる第２段階と、前記二元系窒化物バッファー層上部に、窒化物半導体層を成長させる第３段階の各工程を含むことを特徴としている。
本発明の基本的な発明の思想は、既存の単一層の二元系(AlN,GaN,InN,SiNx)バッファー層と異なり、アルミニウムを含む窒化物バッファー層(AlxGayInzN,O<x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1)を、サファイア基板の上に先に成長させて、その上に窒化物半導体層を成長することで、基板のサファイア(A1 203)から窒化物半導体層での転換を円滑にすることにより、優れた窒化物半導体層の結晶を成長させることができる。
実施形態によっては、アルミニウム(Al)を含まない窒化物バッファー層(GaxInyN,O≦x≦1,0≦y≦1)と、二元系窒化物バッファー層とをさらに形成し、その上部に窒化物半導体層を成長させることができる。
本発明によれば、アルミニウムを含む窒化物バッファー層の上部に、窒化物半導体層を成長させるので、低転位密度化などによる結晶品質の改善、プロセスダメージの低減などにより、電気的及び結晶学的特性が向上する効果が得られる。
〔実施形態1〕
図２は、本発明の実施形態１による結晶成長方法によって成長させた窒化物半導体層が含まれる、積層構造の断面図である。サファイア基板20の上部に、アルミニウムを含む窒化物バッファー層21を成長させ、前記アルミニウムを含む窒化物バッファー層21の上部に、二元系窒化物バッファー層22を成長させ、前記二元系窒化物バッファー層22上部に、窒化物半導体層23を成長させて構成される。
ここで、前記アルミニウムを含む窒化物バッファ]層21は、A1xGayInzN(O<x≦1,0≦y≦1,O≦z≦1)が望ましくて、前記二元系窒化物バッファー層22は、AlN,GaN,InNとSiNxの中のいずれかを利用するのが望ましい。
そして、最終的な窒化物半導体層23は、GaN層が望ましい。
また、前記アルミニウムを含む窒化物バッファー層21と二元系窒化物バッファー層22とは、400-600℃の温度で10-1000オングストローム（1nm〜100nm)厚さで成長させることが望ましい。
上述のインジウム(In)をバッファー層に付加することにより期待できる効果は、インジウムが軟性を呈するので、相対的に硬度が高い窒化物を補完することができ、また結晶欠陥、即ち転位(Dislocation)の低減、または電波を抑制することができる。
なお、アルミニウムを含むバッファー層をサファイア基板上部に成長させる理由は、次のようである。すなわち、サファイア基板は、その表面が窒化過程を経て、一部表面の酸素(Oxygen)が窒素(Nitrogen)と置き換えられている状態になる。よって、サファイア基板上に、アルミニウムを含む窒化バッファー層を成長させることにより、サファイア基板(A1 203)上で窒化層への漸進的な転換が誘導されるためである。
〔実施形態２〕
図３は、本発明の実施形態２による結晶成長方法によって成長する窒化物半導体層が含まれた断面図であり、この実施形態２では、実施形態1の構造のアルミニウムが含まれた窒化物バッファー層21と二元系窒化物バッファー層22との間に、アルミニウム(A1)を含まない窒化物バッファー層31をさらに形成する。
その時、前記アルミニウムを含まない窒化物バッファー層31は、GaxInyN層(0≦x≦1,0≦y≦!)が望ましい。
そして、前記アルミニウムを含まない窒化物バッファー層31は、400-600℃の温度で10-1000オングストローム（1nm〜100nm)厚さで成長させることが望ましい。
ここで、アルミニウムを含むバッファー層上に、アルミニウムを含まないバッファー層と、その上にまたGaN バッファー層を成長させる理由は、最終成長するGaN薄膜への物質的な転換を容易にするためである。
即ち、サファイア基板からAlGaInN層と、GaInN層と、GaNバッファー層とを経て、GaN上層(epi-layer)を成長させることによって、基板とGaN薄膜の熱膨脹係数及び格子定数など、物理的な特性(熱膨脹係数及び格子定数)の差を最小化するためである。
〔実施形態３〕
図４は、本発明の実施形態３による結晶成長方法によって成長された窒化物半導体層が含まれる積層構造の断面図である。この実施形態３では、実施形態１または実施形態２の構造において、アルミニウムが含まれた窒化物バッファー層21とサファイア基板20との問に、窒化膜32をさらに形成する。窒化膜32を形成する方法は、サファイア基板20を高温で熱処理した後、アンモニア(NH3)を流せば、前記サファイア基板20の上部には窒化膜32が形成される。
本発明による結晶成長方法によって成長された窒化物半導体に、Ｘ線を照射して、結晶学的及び電気的特性を測定した。
ここで、本発明によって成長された窒化物半導体層であるGaN層は、Ｘ線の照射で測定された波長の002と102の方向でのピーク半値幅が、既存の単一バッファー層(AlN,GaN,InN,SiNx)を適用して成長させたGaN層で測定されたピーク半値幅より略10％〜15％改善された。
また、本発明によって成長されたGaN層のキャリア移動度(Mobility)は、最大50％の増加しており、キャリア濃度をミド(Mid)1016〜ハイ(High)1016cm3程度に低められた。
よって、本発明によって成長された窒化物半導体層は、従来技術により成長された窒化物半導体層より電気的及び結晶学的特性を向上することができる。
本発明は、具体的な例に対してだけ詳述したが、本発明の技術的思想の範囲内で、多様な変形及び修正ができるのは当業者において明白なことであり、このような変形及び修正が、添付された特許請求範囲に属することは当然である。
従来技術による結晶成長方法によって成長された、窒化物半導体層が含まれた断面図である。 本発明の実施形態１に係る結晶成長方法によって成長された、窒化物半導体層が含まれた断面図である。 本発明の実施形態２に係る結品成長方法によって成長された、窒化物半導体層が含まれた断面図である。 本発明の実施形態３に係る結晶成長方法によって成長された、窒化物半導体層が含まれた断面図である。
符号の説明
20 サファイア基板
21 窒化物バッファー層
22 二元系窒化物バッファー層
23 窒化物半導体層
31 アルミニウムを含まない窒化物バッファー層
32 窒化膜

Claims (19)

  1. 金属酸化物層と、
    この金属酸化物層上に形成される前記金属を含む第１窒化物バッファー層と、
    前記金属を含む窒化物バッファー層上に形成される第２窒化物バッファー層と、
    前記第２窒化物バッファー層上に形成される窒化物層と、を含むことを特徴とする窒化物半導体。
  2. 前記金属酸化物層はサファイア基板であり、前記金属はアルミニウムであることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体。
  3. 前記第１窒化物バッファー層及び前記第２窒化物バッファー層には、インジウムが含まれていることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体。
  4. 前記第２窒化物バッファー層は、二元系窒化物層であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体。
  5. 前記第１窒化物バッファー層と前記第２窒化物バッファー層との間に、前記金属を含まない第３窒化物バッファー層がさらに含まれていることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体。
  6. 前記金属酸化物層と前記第１窒化物バッファー層との間に形成される窒化膜をさらに含んでいることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体。
  7. 金属酸化物層上に、前記金属を含む第１窒化物バッファー層を形成する第１段階と、
    前記第１窒化物バッファー層上に第２窒化物バッファー層を形成する第２段階と、
    前記第２窒化物バッファー層上に、窒化物半導体層を形成する第３段階と、を含むことを特徴とする窒化物半導体の結晶成長方法。
  8. 前記金属酸化物層はサファイア基板であり、前記金属はアルミニウムであることを特徴とする請求項7に記載の方法。
  9. 前記第１段階は、前記金属を含む第１窒化物バッファー層を結晶成長方法によって形成し、前記第２段階は、前記第２窒化物バッファー層を結晶成長方法によって形成し、前記第３段階は、前記窒化物半導体層を結晶成長方法によって形成することを特徴とする請求項7に記載の方法。
  10. 前記金属を含む第１窒化物バッファー層及び前記第２窒化物バッファー層には、インジウムが含まれていることを特徴とする請求項7に記載の方法。
  11. 前記第２窒化物バッファー層は二元系窒化物層であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
  12. 前記第１段階以後に、
    前記金属を含まない第３窒化物バッファー層を、前記金属を含む第１窒化物バッファー層上に形成する段階が、さらに含まれていることを特徴とする請求項７に記載の方法。
  13. 前記アルミニウムを含む第１窒化物バッファー層は、AlxGayInzN(0<x≦1,0≦y≦1,O≦z≦1)層であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
  14. 前記アルミニウムを含まない第３窒化物バッファー層は、GaxInyN層(O≦x≦1,0≦y≦1)であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  15. 前記第２窒化物バッファー層は、AlN,GaN,InN、及びSiNxのいずれかを選択することを特徴にする請求項１４に記載の方法。
  16. 前記窒化物半導体層は、GaN層であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  17. 前記第２段階以後に、窒化膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。
  18. 前記窒化膜はサファイア基板を高温で熱処理した後、アンモニア(NH3)を流して前記金属酸化物層の上部に形成することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
  19. 前記第１窒化物バッファー層と、第２窒化物バッファー層、及び第３窒化物バッファー層とは、400-600℃の温度で、10-1000オングストローム（1nm〜100nm)厚さに成長させることを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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