JP2005259996A

JP2005259996A - 化合物半導体及びその製造方法

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Publication number: JP2005259996A
Application number: JP2004069615A
Authority: JP
Inventors: Jun Komiyama; 純小宮山; Yoshihisa Abe; 芳久阿部; Shunichi Suzuki; 俊一鈴木; Hideo Nakanishi; 秀夫中西
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: JP4293604B2

Abstract

【課題】Ｓｉ単結晶基板の内部に接合のない化合物半導体の提供。
【解決手段】Ｓｉ単結晶基板２上に厚さ１ｎｍ〜１０μｍの３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層３が形成され、この３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層上に厚さ１ｎｍ〜１０μｍのＣ−ＢＰ単結晶層４及び厚さ１ｎｍ〜５００μｍの化合物半導体単結晶層５がこの順で形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、短波長半導体発光素子、高周波及び高効率半導体素子等に用いられる化合物半導体及びその製造方法に関する。

従来、ＳｉＣ（炭化ケイ素）及びＧａＮ（チッ化ガリウム）等の化合物半導体としては、Ｓｉ（シリコン、ケイ素）単結晶基板上に化合物半導体単結晶層を直に形成してなる化合物半導体におけるＳｉと化合物の格子定数差に伴う格子不整合によるミスフィット転位と呼ばれる結晶欠陥が高密度に発生するのを抑制緩和するため、Ｓｉ単結晶基板上にｃ−ＢＰ（立方晶リン化ホウ素）単結晶層を介在させて化合物半導体単結晶層を形成したものが知られている。化合物半導体としては、３Ｃ−ＳｉＣ（立方晶炭化ケイ素）、ｃ−ＧａＮ（立方晶チッ化ガリウム）及び２Ｈ−ＧａＮ（六方晶チッ化ガリウム）が知られている。この化合物半導体は、Ｓｉ単結晶基板上にｃ−ＢＰ単結晶層をエピタキシャル成長により積層した後、このｃ−ＢＰ単結晶層上に化合物半導体単結晶層をエピタキシャル成長により積層することにより製造されるものである。

しかし、従来の化合物半導体及びその製造方法では、ミスフィット転位を大幅に抑制できるものの、Ｓｉ単結晶基板上にｃ−ＢＰ単結晶層を成長させる際、高濃度のＢ（ボロン、ホウ素）及びＰ（リン）のガス原料を用いるが、このガス原料がＳｉ単結晶基板の内部に拡散してｐ伝導型及びｎ伝導型の接合を形成するためＳｉＣ半導体の電気的な特性として不具合がある。
特開２００３−０８１６９５号公報

本発明は、Ｓｉ単結晶基板の内部に接合のない化合物半導体及びその製造方法の提供を主課題とする。

本発明の第１の化合物半導体は、Ｓｉ単結晶基板上に厚さ１ｎｍ〜１０μｍの３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層が形成され、この３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層上に厚さ１ｎｍ〜１０μｍのｃ−ＢＰ単結晶層及び厚さ１ｎｍ〜５００μｍの化合物半導体単結晶層がこの順で形成され、化合物半導体は３Ｃ−ＳｉＣ、ｃ−ＧａＮ及び２Ｈ−ＧａＮの何れか１又は２以上を含むことを特徴とする。

又、第２の化合物半導体は、Ｓｉ単結晶基板上に厚さ１ｎｍ〜１０μｍの３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層及び厚さ１ｎｍ〜１０μｍのｃ−ＢＰ単結晶層がこの順での形成を１セットとして２〜１００セット形成され、最上セットのｃ−ＢＰ単結晶層上に厚さ１ｎｍ〜５００μｍの化合物半導体単結晶層が形成され、化合物半導体は３Ｃ−ＳｉＣ、ｃ−ＧａＮ及び２Ｈ−ＧａＮの何れか１又は２以上を含むことを特徴とする。

一方、第１の化合物半導体の製造方法は、Ｓｉ単結晶基板上に１ｎｍ〜１０μｍの厚さの３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層を気相成長により積層した後、この３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層上に１ｎｍ〜１０μｍの厚さのｃ−ＢＰ単結晶層及び１ｎｍ〜５００μｍの厚さの化合物半導体単結晶層をこの順で気相成長により積層し、化合物半導体は３Ｃ−ＳｉＣ、ｃ−ＧａＮ及び２Ｈ−ＧａＮの何れか１又は２以上を含むことを特徴とする。

又、第２の化合物半導体の製造方法は、Ｓｉ単結晶基板上に１ｎｍ〜１０μｍの厚さの３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層及び１ｎｍ〜１０μｍの厚さのｃ−ＢＰ単結晶層をこの順での積層を１サイクルとして２〜１００サイクル気相成長により積層した後、最終サイクルのｃ−ＢＰ単結晶層上に１ｎｍ〜５００μｍの厚さの化合物半導体単結晶層を気相成長により積層し、化合物半導体は３Ｃ−ＳｉＣ、ｃ−ＧａＮ及び２Ｈ−ＧａＮの何れか１又は２以上を含むことを特徴とする。

本発明の第１の化合物半導体及びその製造方法によれば、Ｓｉ単結晶基板とｃ−ＢＰ単結晶層との間に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層が介在されるので、ｃ−ＢＰ単結晶層を積層する際に用いる高濃度のＢ及びＰのガス原料がＳｉ単結晶基板内に拡散するのが防止され、Ｓｉ単結晶基板の内部に接合のないＳｉＣ半導体とすることができる。
このように、高濃度のＢ及びＰのガス原料がＳｉ単結晶基板内に拡散するのが防止されるのは、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層がＳｉ単結晶基板に比べて緻密であることにより、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層におけるＢ及びＰの拡散速度がＳｉ単結晶基板における拡散速度より大幅に遅いためと考えられる。

又、第２の化合物半導体及びその製造方法によれば、Ｓｉ単結晶基板とＣ−ＢＰ単結晶層との間に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層が介在されるので、第１の化合物半導体及びその製造方法と同様に、ｃ−ＢＰ単結晶層を積層する際に用いる高濃度のＢ及びＰのガス原料がＳｉ単結晶基板内に拡散するのが防止され、Ｓｉ単結晶基板の内部に接合のないＳｉＣ半導体とすることができる。
又、ｃ−ＢＰ単結晶層及び３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の積層セットが複数セット形成されるので、ミスフィット転位が抑制され、化合物半導体を高品質のものとすることができる。

Ｓｉ単結晶基板は、Ｓｉ（１００）あるいは（１１１）が好ましい。
Ｓｉ単結晶基板上に形成される３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の厚さが、１ｎｍ未満であると、高濃度のＢ及びＰの原料ガスがＳｉ単結晶基板の内部に拡散するのを防止できない。一方、１０μｍを超えると、原料の浪費となる。
Ｓｉ単結晶基板上に形成される３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の厚さは、５ｎｍ〜５μｍが好ましく、より好ましくは、１０ｎｍ〜１μｍである。
ｃ−ＢＰ単結晶層の厚さが、１ｎｍ未満であると、無緩衝となる。一方、１０μｍを超えると、原料の浪費となる。
ｃ−ＢＰ単結晶層の厚さは、５ｎｍ〜５μｍが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ〜１μｍである。
ｃ−ＢＰ単結晶層上に形成される化合物半導体単結晶層の厚さが、１ｎｍ未満であると、化合物半導体の物性が発現しないこととなる。一方、５００μｍを超えると、原料の浪費となる。
ｃ−ＢＰ単結晶層上に形成される化合物半導体単結晶層の厚さは、５ｎｍ〜４００μｍが好ましく、より好ましくは、１０ｎｍ〜３００μｍである。
又、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層及びｃ−ＢＰ単結晶層のこの順での形成を１セットとするセット数が、１セットであると、ミスフィット転位の発生抑制効果がない。一方、１００セットを超える（合計膜厚が１０００μｍを超える）と、原料の浪費となる。
３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層及びｃ−ＢＰ単結晶層のこの順での形成を１セットとするセット数は、２〜５０セットが好ましくは、より好ましくは３〜１０セットである。

一方、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層及びＣ−ＢＰ単結晶層の気相成長には、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法、昇華法等が用いられる。
３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の気相成長用の原料としては、ＣＨ_３ＳｉＨ_３（ＭＭＳ、モノメチルシラン）、又はＣ_３Ｈ_８（プロパン）及びＳｉＨ_４（モノシラン）、その他が用いられる。
ｃ−ＢＰ単結晶層の気相成長用の原料としては、Ｂ_２Ｈ_６（ジボラン）及びＰＨ_３（ホスフィン）又はＢＨ_３Ｃｌ_１、ＢＨ_２Ｃｌ_２、ＢＨＣｌ_３、ＢＣｌ_４等のボロン化物及びＰＨ_２Ｃｌ_１、ＰＨＣｌ_２、ＰＣｌ_３等のリン化物、その他が用いられる。
２Ｈ−ＧａＮ及びｃ−ＧａＮ単結晶層の気相成長の原料としては、Ｇａ（ＣＨ_３）_３（ＴＭＧ、トリメチルガリウム）及びＮＨ_３（アンモニア）、その他が用いられる。
なお、原料ガスのキャリアガスとしてはＨ_２（水素ガス）が用いられる。

図１は、本発明の係る化合物半導体の実施例１を示す概念的な断面図である。

この化合物半導体１は、Ｓｉ単結晶基板２上の（１００）面（図１のおいては上面）に、厚さ１μｍの３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層３が形成され、かつ、この３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層３上に、厚さ１ｎｍのＣ−ＢＰ単結晶層４及び厚さ１０μｍの３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層５が、この順で形成されているものである。

上述した化合物半導体１を製造するには、先ず、上面が（１００）面のＳｉ単結晶基板２をＨ_２雰囲気において所定温度（例えば、１０００℃以上）まで昇温し、Ｈ_２アニール処理を行うことで自然酸化膜等の異物を除去した。
次に、ＣＨ_３ＳｉＨ_３ガスを原料として（図２（ａ）参照）、Ｓｉ単結晶基板２上に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層３（図２（ｂ）参照）を１μｍ程度の厚さに気相成長により積層した。次いで、Ｂ_２Ｈ_６及びＰＨ_３をＢ及びＰのガス原料として（図２（ｂ）参照）、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層３上に、ｃ−ＢＰ単結晶層４（図２（ｃ）参照）を、１μｍ程度の厚さに気相成長により積層した。
最後に、再度ＣＨ_３ＳｉＨ_３を原料として（図２（ｃ）参照）、ｃ−ＢＰ単結晶層４上に３Ｃ−ＳｉＣからなる化合物半導体単結晶層５（図１参照）を１０μｍ程度の厚さに気相成長により積層した。
あるいは、最後に、Ｇａ（ＣＨ３）３及びＮＨ３を原料として（図示せず）、最終サイクルのｃ−ＢＰ単結晶層４上に２Ｈ−ＧａＮあるいはｃ−ＧａＮからなる化合物半導体単結晶層５（図１参照）を１０μｍ程度の厚さに気相成長により積層した。
なお、原料ガスのキャリアガスとしてＨ_２を用いた。

比較のため、Ｓｉ単結晶基板上の（１００）面に、厚さ１μｍのｃ−ＢＰ単結晶層及び厚さ１０μｍの３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層をこの順で気相成長により積層して形成したものと、実施例１のもののＳｉ単結晶基板の内部の接合を調べたところ、比較のための従来のものには接合の形成が認められたが、実施例１のものには接合の形成が全く認められなかった。

図３は、本発明に係る化合物半導体の実施例２を示す概念的な断面図である。

この化合物半導体６は、Ｓｉ単結晶基板７の（１００）面（図３においては上面）に、厚さ１μｍの３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層８及び厚さ１μｍのｃ−ＢＰ単結晶層９
がこの順での形成を１セットＳとして２セットＳ形成され、かつ、最上セットＳのｃ−ＢＰ単結晶層９上に、厚さ１０μｍの化合物半導体単結晶層１０が形成されているものである。

上述した化合物半導体６を製造するには、先ず、上面が（１００）面のＳｉ単結晶基板７をＨ_２雰囲気において所定温度（例えば、１０００℃以上）まで昇温し、Ｈ_２アニール処理を行うことで自然酸化膜等の異物を除去した。
次に、ＣＨ_３ＳｉＨ_３ガスを原料として（図４（ａ）参照）、Ｓｉ単結晶基板７上に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層８（図４（ｂ）参照）を１μｍ程度の厚さに気相成長により積層した。
次いで、Ｂ_２Ｈ_６及びＰＨ_３をＢ及びＰのガス原料として（図４（ｂ）参照）、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層８上にｃ−ＢＰ単結晶層９（図４（ｃ）参照）を１μｍ程度の厚さに気相成長により積層した。
そして、上述した３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層８及びｃ−ＢＰ単結晶層９をこの順での積層を１サイクルとしてもう１サイクル気相成長により積層した（図４（ｃ）及び（ｄ）参照）。
最後に、再度ＣＨ_３ＳｉＨ_３を原料として（図４（ｅ）参照）、最終サイクルのｃ−ＢＰ単結晶層９上に、３Ｃ−ＳｉＣからなる化合物半導体単結晶層１０（図３参照）を、１０μｍ程度の厚さに気相成長により積層した。
あるいは、最後に、Ｇａ（ＣＨ_３）_３及びＮＨ_３を原料として（図示せず）、最終サイクルのｃ−ＢＰ単結晶層９上に２Ｈ−ＧａＮあるいはｃ−ＧａＮからなる化合物半導体単結晶層１０（図３参照）を１０μｍ程度の厚さに気相成長により積層した。
なお、原料ガスのキャリアガスとしてＨ_２を用いた。

上述した化合物半導体６は、前述した実施例１の化合物半導体１と同様にＳｉ単結晶基板７の内部に接合の形成が全く認められず、又、化合物半導体単結晶層１０のミスフィット転位の発生が従来のものの１／１０程度に抑制された。

本発明に係る化合物半導体の実施例１を示す概念的な断面図である。図１の化合物半導体の製造方法を示すもので、（ａ）は第１工程説明図、（ｂ）は第２工程説明図、（ｃ）は最終工程説明図である。本発明に係る化合物半導体の実施例２を示す概念的な断面図である。図３の化合物半導体の製造方法を示すもので、（ａ）は第１工程説明図、（ｂ）は第２工程説明図、（ｃ）は第３工程説明図、（ｄ）は第４工程説明図、（ｅ）は最終工程説明図である。

符号の説明

２Ｓｉ単結晶基板
３３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層
４ｃ−ＢＰ単結晶層
５化合物半導体単結晶層
７Ｓｉ単結晶基板
８３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層
９ｃ−ＢＰ単結晶層
１０化合物半導体単結晶層
Ｓセット

Claims

Ｓｉ単結晶基板上に厚さ１ｎｍ〜１０μｍの３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層が形成され、この３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層上に厚さ１ｎｍ〜１０μｍのｃ−ＢＰ単結晶層及び厚さ１ｎｍ〜５００μｍの化合物半導体単結晶層がこの順で形成され、化合物半導体は３Ｃ−ＳｉＣ、ｃ−ＧａＮ及び２Ｈ−ＧａＮの何れか１又は２以上を含むことを特徴とする化合物半導体。
Ｓｉ単結晶基板上に厚さ１ｎｍ〜１０μｍの３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層及び厚さ１ｎｍ〜１０μｍのｃ−ＢＰ単結晶層がこの順での形成を１セットとして２〜１００セット形成され、最上セットのｃ−ＢＰ単結晶層上に厚さ１ｎｍ〜５００μｍの化合物半導体単結晶層が形成され、化合物半導体は３Ｃ−ＳｉＣ、ｃ−ＧａＮ及び２Ｈ−ＧａＮの何れか１又は２以上を含むことを特徴とする化合物半導体。
Ｓｉ単結晶基板上に１ｎｍ〜１０μｍの厚さの３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層を気相成長により積層した後、この３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層上に１ｎｍ〜１０μｍの厚さのｃ−ＢＰ単結晶層及び１ｎｍ〜５００μｍの厚さの化合物半導体単結晶層をこの順で気相成長により積層し、化合物半導体は３Ｃ−ＳｉＣ、ｃ−ＧａＮ及び２Ｈ−ＧａＮの何れか１又は２以上を含むことを特徴とする化合物半導体の製造方法。
Ｓｉ単結晶基板上に１ｎｍ〜１０μｍの厚さの３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層及び１ｎｍ〜１０μｍの厚さｃ−ＢＰ単結晶層をこの順での積層を１サイクルとして２〜１００サイクル気相成長により積層した後、最終サイクルのｃ−ＢＰ単結晶層上に１ｎｍ〜５００μｍの厚さの化合物半導体単結晶層を気相成長により積層し、化合物半導体は３Ｃ−ＳｉＣ、ｃ−ＧａＮ及び２Ｈ−ＧａＮの何れか１又は２以上を含むことを特徴とする化合物半導体の製造方法。