JP2004253622A - エピタキシャル基板及び半導体積層構造 - Google Patents
エピタキシャル基板及び半導体積層構造 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004253622A JP2004253622A JP2003042522A JP2003042522A JP2004253622A JP 2004253622 A JP2004253622 A JP 2004253622A JP 2003042522 A JP2003042522 A JP 2003042522A JP 2003042522 A JP2003042522 A JP 2003042522A JP 2004253622 A JP2004253622 A JP 2004253622A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- group iii
- iii nitride
- epitaxial substrate
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
【解決手段】所定の基材1上において、III族窒化物下地層2と、少なくともGaを含むIII族窒化物層3とを順次に積層し、III族窒化物層3中に600℃〜950℃で形成されるとともにGaを含むIII族窒化物中間層を介在させてエピタキシャル基板10を作製する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】本発明は、エピタキシャル基板及び半導体積層構造にに関し、詳しくは、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子、並びにフィールドエミッタなどの素子を構成する基板として好適に用いることのできるエピタキシャル基板、及び半導体積層構造に関する。
【0002】
【従来の技術】III族窒化物膜は、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子を構成する半導体膜として用いられており、近年においては、携帯電話などに用いられる高速ICチップなどを構成する半導体膜としても注目を浴びている。このようなIII族窒化物膜を形成する基板として、サファイア単結晶などからなる所定の基材上にエピタキシャル成長により形成した下地層などを具えるエピタキシャル基板が開発され、実用化されている。
【0003】前記III族窒化物膜は、所定のエピタキシャル基板を反応管内に設けられたサセプタ上に設置した後、前記サセプタ内外の加熱機構によって所定の温度に加熱する。次いで、III族金属供給原料及び窒素供給原料、並びに必要に応じて他の元素の供給原料をキャリアガスとともに前記反応管内に導入するとともに、前記基板に供給し、MOCVD法にしたがって単独あるいは複数のIII族窒化物膜からなるIII族窒化物層群を形成する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述したエピタキシャル基板においては、基板とIII族窒化物層群との格子定数差に起因する内部応力、あるいは基板とIII族窒化物層群との熱膨張係数差に起因する熱応力により、前記基板内に大きなそりが発生してしまう場合がある。この結果、前記基板内にクラックが発生したり、フォトリソグラフィ工程などのデバイス作製工程において露光不良を起こしたり、真空吸着の際にウエハが破損してしまうなどの問題があった。
【0005】本発明は、反りの少ないIII族窒化物エピタキシャル基板及びこれを用いた半導体積層構造を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を決するための手段】上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の基材と、
前記基材上に形成されたIII族窒化物下地層と、
前記III族窒化物下地層上に形成された、少なくともGaを含むIII族窒化物層と、
前記III族窒化物層中に介在させた、600℃〜950℃で形成されるとともにGaを含むIII族窒化物中間層と、
を具えることを特徴とする、エピタキシャル基板に関する。
【0007】本発明者らはエピタキシャル基板の反り量を低減すべく検討を実施した。その結果、エピタキシャル基板を構成するIII族窒化物下地層上に、少なくともGaを含むIII族窒化物層を形成し、さらに前記III族窒化物層中に600℃〜950℃で形成された、少なくともGaを含むIII族窒化物中間層を介在させることにより、前記エピタキシャル基板の反り量を大きく低減できることを見出したものである。
【0008】なお、「III族窒化物層群」とは単独のIII族窒化物層又は複数のIII族窒化物層が複数積層されてなる多層膜構造などを総称したものであり、作製すべき半導体素子の種類などに応じて適当な構成を採る。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明を、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明のエピタキシャル基板の構成を示す図である。図1に示すエピタキシャル基板10は、基材1と、この基材1上に形成されたIII族窒化物下地層2及びIII族窒化物層3を含んでいる。また、III族窒化物層3中にはIII族窒化物中間層4が介在している。
【0010】下地層2は、基材1と窒化物層3との格子定数差を補完するためのものであり、例えばAlxGayN(0≦x,y≦1,x+y=1)なる組成を有することができる。また、CVD法などにより400℃〜600℃の低温で形成することができる(いわゆる低温バッファ層)。また、1000℃以上の高温において高い結晶性を有するように形成することができる。
【0011】下地層2を有することによって、窒化物層3の結晶品質、さらには窒化物層3上に形成すべきIII族窒化物層群の結晶品質を向上させることができる。
【0012】なお、下地層2は、Al及びGaの他にInなどのIII族元素、B、Si、Ge、Zn、Be及びMgなどの添加元素を含むこともできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【0013】窒化物層3はGaを含むことが必要である。Ga含有量については特に限定されるものではないが、全III族元素に対して50原子%以上であることが好ましく、さらにはは80原子%以上であることが好ましい。
【0014】但し、窒化物層3は、Gaの他に、Al及びInなどのIII族元素、B、Si、Ge、Zn、Be及びMgなどの添加元素を含むこともできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【0015】窒化物層3は、上記要件を満足する限り公知の成膜手段を用いて形成することができる。例えば、MOCVD法を用い、下地層2と同一バッチあるいは別バッチで形成することができる。
【0016】中間層4は窒化物層3よりも低い成膜温度で作製することが必要であり、具体的には600℃〜950℃で形成することが必要である。
【0017】また、中間層4はGaを含むことが必要であり、好ましくはInを含むことができる。Inを含む場合において、その含有量については特に限定されるものではないが、窒化物層3内において格子定数差を補完してエピタキシャル成長できる範囲内でより多くのInを含有することが好ましい。具体的には、全III族元素に対して10原子%から20原子%以上のInを含むことが好ましい。これによって、エピタキシャル基板10の反り量をより効果的に低減することができるようになる。なお、In含有量の上限は50原子%程度である。
【0018】中間層4は、Ga及びInの他に、AlなどのIII族元素、B、Si、Ge、Zn、Be及びMgなどの添加元素を含むこともできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【0019】中間層4は窒化物層3中に介在させることが必要であるが、その介在の程度は、中間層4を介在させることなく作製した窒化物層3の厚さをtzとし、中間層4の厚さをtaとした場合において、(tz/ta)が1以上となるようにすることが好ましい。これによって、エピタキシャル基板10の反り量をより効果的に低減できるようになる。
【0020】窒化物層3はμmのオーダの厚さを有するので、具体的には中間層4の厚さtaを5nm〜400nmに設定することが好ましい。
【0021】なお、中間層4の窒化物層3中における介在位置については特に限定されないが、中間層4の厚さtaを上述したような範囲に設定した場合においては、窒化物層3の中心よりも下方に介在させることが好ましい。
【0022】中間層4がInを含む場合においては、単独の窒化物層から構成することもできるし、In含有量の異なる複数の窒化物層を積層させた多層膜構造から構成することができる。後者の例としては、In0.17Ga0.83層とGaN層とを積層させた多層膜構造や、これらの層を周期的に積層してなる周期的多層膜構造などを例示することができる。特に多層膜構造を採用した場合、一層当りの厚みを薄くすることができ、中間層4全体の表面粗れを抑制して、良好な表面モルフォルジーを実現することができる。
【0023】中間層4は、窒化物層3を2段階で形成し、前段の成膜と後段の成膜との間に所定の成膜手段を用いて形成する。具体的には、窒化物層3の下側部分3Aを所定の成膜手段を用いて形成した後、公知の成膜手段を中間層4を形成し、その後、窒化物層3の上側部分3Bを所定の成膜手段を用いて形成する。これによって、中間層4は窒化物層3中に介在するようになる。窒化物層3の上側部分3Bの厚さは特に限定されるものではないが、所望のIII族窒化物層群を形成すべく、適宜選択して設定する。
【0024】中間層4は、上記要件を満足する限り公知の成膜手段を用いて形成することができる。例えば、MOCVD法を用い、窒化物層3と同一バッチあるいは別バッチで形成することができる。
【0025】なお、基材1は、サファイア単結晶、ZnO単結晶、LiAlO2単結晶、LiGaO2単結晶、MgAl2O4単結晶、MgO単結晶などの酸化物単結晶、Si単結晶、SiC単結晶などのIV族あるいはIV−IV族単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶、及びAlGaN単結晶などのIII−V族単結晶、Zr2Bなどのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。
【0026】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
(実施例1)
2インチ径の厚さ330μmのサファイア基板をH2SO4+H2O2で前処理した後、MOCVD装置の中に設置した。キャリアガスとして、H2を流速2m/secで流しながら、基板を1200℃まで昇温した後、10分間保持し、基板のサーマルクリーニングを実施した。その後、基板温度を500℃まで低下させ、TMG及びNH3を平均流速2m/secで流して30nmの厚さのGaNバッファ層を成長させた。
【0027】次いで、基板温度を1180℃とし、前記GaNバッファ層上にトリメチルガリウム(TMG)及びNH3を平均流速4m/secで流して、前記GaNバッファ層上にGaN層を厚さ0.5μmに形成した。次いで、基板温度を800℃にし、前記GaN層上に、TMG及びNH3を平均流速4m/secで流して、中間層としてのGaN層を厚さ20nmに形成した。次いで、基板温度を1180℃とし、TMG及びNH3を前記同様の条件で前記GaN中間層上に供給して、GaN層を厚さ3μmに形成し、GaN窒化物層中にGaN中間層が介在したエピタキシャル基板を作製した。
【0028】次いで、前記エピタキシャル基板上にAl0.25Ga0.75N層を厚さ7nmに形成し、次いで、SiドープのAl0.25Ga0.75N層を厚さ15nmに形成し、次いで、Al0.25Ga0.75N層を厚さ3nmに形成して、半導体積層構造を作製した。
【0029】上述した操作を繰り返して、半導体積層構造を10サンプル作製し、それらの反り量を測定したところ、22μm〜25μmであることが判明した。なお、前記反り量は、図2に示すような状態にあるエピタキシャル基板の、湾曲した中心部分の水平位置からの距離によって規定している。
【0030】(比較例1)
上記実施例において、GaN中間層を設けない以外は、実施例1と同様にして10サンプルの半導体積構造を作製した。これら半導体積層構造の反り量を測定したところ、30μm〜40μmであった。
【0031】(実施例2)
2インチ径の厚さ330μmのサファイア基板をH2SO4+H2O2で前処理した後、MOCVD装置の中に設置した。キャリアガスとして、H2を流速2m/secで流しながら、基板を1200℃まで昇温した後、10分間保持し、基板のサーマルクリーニングを実施した。その後、基板温度を500℃まで低下させ、TMG及びNH3を平均流速2m/secで流して30nmの厚さのGaNバッファ層を成長させた。
【0032】次いで、基板温度を1180℃とし、前記GaNバッファ層上にTMG及びNH3を平均流速4m/secで流してGaN層を厚さ0.5μmに形成した。次いで、基板温度を800℃とし、前記GaN層上にトリメチルインジウム(TMI)、TMG及びNH3を平均流速4m/secで流して、中間層としてのIn0.1Ga0.9N層を厚さ0.1μmに形成した。次いで、基板温度を1180℃に設定し、TMG及びNH3を前記同様の条件で前記In0.1Ga0.9N中間層上に供給して、GaN層を厚さ3μmに形成し、GaN窒化物層中にIn0.1Ga0.9N中間層が介在したエピタキシャル基板を作製した。
【0033】次いで、前記エピタキシャル基板上にAl0.25Ga0.75N層を厚さ7nmに形成し、次いで、SiドープのAl0.25Ga0.75N層を厚さ15nmに形成し、次いで、Al0.25Ga0.75N層を厚さ3nmに形成して、半導体積層構造を作製した。
【0034】上述した操作を繰り返して、半導体積層構造を10サンプル作製し、それらの反り量を測定したところ、22μm〜25μmであることが判明した。
【0035】(比較例2)
上記実施例2において、In0.1Ga0.9N中間層を設けない以外は、実施例2と同様にして10サンプルの半導体積層構造を作製した。これら半導体積層構造の反り量を測定したところ、30μm〜40μmであった。
【0036】(実施例3)
2インチ径の厚さ330μmのサファイア基板をH2SO4+H2O2で前処理した後、MOCVD装置の中に設置した。キャリアガスとして、H2を流速1m/secで流しながら、基板を1200℃まで昇温した後、10分間保持し、基板のサーマルクリーニングを実施した。その後、基板温度を500℃まで低下させ、TMG及びNH3を平均流速2m/secで流して30nmの厚さのGaNバッファ層を成長させた。
【0037】次いで、基板温度を1180℃とし、前記GaNバッファ層上にTMG及びNH3を平均流速4m/secで流してGaN層を厚さ0.5μmに形成した。次いで、基板温度を750℃とし、前記GaN層上にトリメチルインジウム(TMI)、TMG及びNH3、並びにTMG及びNH3を平均流速4m/secで交互に流すことにより、厚さ5nmのIn0.17Ga0.83N層と厚さ20nmのGaN層とが交互に10層積層した中間層を形成した。次いで、基板温度を1180℃に設定し、前記中間層上に前記同様の条件でTMG及びNH3を供給し、In0.17Ga0.83N層/GaN層の周期的多層膜上にGaN層を厚さ3μmに形成し、GaN窒化物中にIn0.17Ga0.83N層/GaN層の周期的多層膜からなる中間層が介在したエピタキシャル基板を作製した。
【0038】次いで、前記エピタキシャル基板上にAl0.25Ga0.75N層を厚さ7nmに形成し、次いで、SiドープのAl0.25Ga0.75N層を厚さ15nmに形成し、次いで、Al0.25Ga0.75N層を厚さ3nmに形成して、半導体積層構造を作製した。
【0039】上述した操作を繰り返して、半導体積層構造を10サンプル作製し、それらの反り量を測定したところ、10μm〜15μmであることが判明した。
【0040】(比較例3)
上記実施例3において、In0.17Ga0.83N層/GaN層の周期的多層膜からなる中間層を設けない以外は、実施例3と同様にして10サンプルの半導体積層構造を作製した。これら半導体積層構造の反り量を測定したところ、30μm〜40μmであった。
【0041】以上、実施例及び比較例の対比から明らかなように、本発明に従って、少なくともGaを含むIII族窒化物層中に600℃〜950℃で形成した、少なくともGaを含む中間層を介在させたエピタキシャル基板を用いて半導体積層構造を作製した場合においては、半導体積層構造の反り量が前記中間層を設けない場合に比較して著しく低減していることが分かる。また、実施例2で示したように、中間層がInを含有する場合においても、同様な作用効果を奏することが分かる。さらに、実施例3で示したように、中間層をIn組成の異なる複数の層が積層されてなる多層膜構造から構成することにより、半導体積層構造の反り量が大幅に低減できることが分かる。
【0042】以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施に形態に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。例えば、エピタキシャル基板中の、III族窒化物層群の間にバッファ層やひずみ超格子などの多層積層膜を挿入し、前記III族窒化物層群の結晶品質をさらに向上させることもできる。
【0043】さらには、エピタキシャル基板を構成する基材を凹面状のサファイア単結晶などから構成することによって、前記エピタキシャル基板の反り量をさらに低減することもできる。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、反り量の低減された、低転位で結晶性に優れたIII族窒化物層群を形成することのできる、新規なエピタキシャル基板及びこれを用いた半導体積層構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のエピタキシャル基板の一例を示す構成図である。
【図2】エピタキシャル基板の反り量を説明するための図である。
【符号の説明】
1 基材、2 下地層、3 窒化物層、4 中間層、10 エピタキシャル基板
Claims (4)
- 所定の基材と、
前記基材上に形成されたIII族窒化物下地層と、
前記III族窒化物下地層上に形成された、少なくともGaを含むIII族窒化物層と、
前記III族窒化物層中に介在させた、600℃〜950℃で形成されるとともにGaを含むIII族窒化物中間層と、
を具えることを特徴とする、エピタキシャル基板。 - 前記III族窒化物中間層は、Inを含むことを特徴とする、請求項1に記載のエピタキシャル基板。
- 前記III族窒化物中間層は、In含有量の異なる複数のIII族窒化物層が積層されてなる多層膜構造から構成されることを特徴とする、請求項2に記載のエピタキシャル基板。
- 請求項1〜3のいずれか一に記載のエピタキシャル基板と、
前記エピタキシャル基板上に形成されたIII族窒化物層群と、
を具えることを特徴とする、半導体積層構造。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003042522A JP2004253622A (ja) | 2003-02-20 | 2003-02-20 | エピタキシャル基板及び半導体積層構造 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003042522A JP2004253622A (ja) | 2003-02-20 | 2003-02-20 | エピタキシャル基板及び半導体積層構造 |
Related Child Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008114718A Division JP2008211246A (ja) | 2008-04-25 | 2008-04-25 | エピタキシャル基板及び半導体積層構造 |
JP2008297124A Division JP2009060140A (ja) | 2008-11-20 | 2008-11-20 | エピタキシャル基板及び半導体積層構造の製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004253622A true JP2004253622A (ja) | 2004-09-09 |
Family
ID=33025780
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003042522A Pending JP2004253622A (ja) | 2003-02-20 | 2003-02-20 | エピタキシャル基板及び半導体積層構造 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004253622A (ja) |
-
2003
- 2003-02-20 JP JP2003042522A patent/JP2004253622A/ja active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5842057B2 (ja) | 半導体装置の製造方法 | |
TWI497757B (zh) | 用於成長矽上氮化鎵之含硼緩衝層 | |
US7319064B2 (en) | Nitride based semiconductor device and process for preparing the same | |
TW550312B (en) | Production of low defect, crack-free epitaxial films on a thermally and/or lattice mismatched substrate | |
US7498244B2 (en) | Method for fabricating GaN-based nitride layer | |
JP2002222771A (ja) | Iii族窒化物膜の製造方法、iii族窒化物膜の製造用下地膜、及びその下地膜の製造方法 | |
KR20080003913A (ko) | 3-5족 질화물 반도체 적층 기판, 3-5족 질화물 반도체 자립기판의 제조 방법 및 반도체 소자 | |
JP2009505938A (ja) | 半導体基板並びにハイドライド気相成長法により自立半導体基板を製造するための方法及びそれに使用されるマスク層 | |
JP2004319711A (ja) | エピタキシャル成長用多孔質基板およびその製造方法ならびにiii族窒化物半導体基板の製造方法 | |
JP3768943B2 (ja) | Iii族窒化物エピタキシャル基板、iii族窒化物素子用エピタキシャル基板及びiii族窒化物素子 | |
JP4331906B2 (ja) | Iii族窒化物膜の製造方法 | |
JP4727169B2 (ja) | エピタキシャル基板、当該エピタキシャル基板の製造方法、当該エピタキシャル基板の反り抑制方法、および当該エピタキシャル基板を用いた半導体積層構造 | |
US7589345B2 (en) | Nitride-based compound semiconductor substrate and method for fabricating the same | |
US8143630B2 (en) | Zinc sulfide substrates for group III-nitride epitaxy and group III-nitride devices | |
JP4424497B2 (ja) | 窒化物半導体結晶の製造方法 | |
JP4823466B2 (ja) | エピタキシャル成長用基板および半導体素子 | |
JP3946976B2 (ja) | 半導体素子、エピタキシャル基板、半導体素子の製造方法、及びエピタキシャル基板の製造方法 | |
JP2005072409A (ja) | エピタキシャル基板、半導体積層構造、エピタキシャル基板の製造方法、およびエピタキシャル基板表面におけるピット発生抑制方法 | |
JP2005179173A (ja) | アルミニウムを含有した窒化物半導体結晶の成長方法 | |
JP3941449B2 (ja) | Iii族窒化物膜 | |
JP2004253622A (ja) | エピタキシャル基板及び半導体積層構造 | |
JP2008211246A (ja) | エピタキシャル基板及び半導体積層構造 | |
JP4545389B2 (ja) | エピタキシャル基板およびiii族窒化物層群の転位低減方法 | |
JP4748925B2 (ja) | エピタキシャル基板、半導体積層構造及びiii族窒化物層群の転位低減方法 | |
JP3946448B2 (ja) | 窒化物半導体基板の製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Effective date: 20060110 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060111 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20060111 |
|
A977 | Report on retrieval |
Effective date: 20060602 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070619 |
|
A521 | Written amendment |
Effective date: 20070816 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20070816 |
|
A521 | Written amendment |
Effective date: 20070918 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 |
|
A521 | Written amendment |
Effective date: 20070918 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20080226 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080425 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080603 |
|
A521 | Written amendment |
Effective date: 20080801 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 |
|
A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20080924 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |
|
A521 | Written amendment |
Effective date: 20090106 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 |