JP2006114548A

JP2006114548A - 窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造

Info

Publication number: JP2006114548A
Application number: JP2004297548A
Authority: JP
Inventors: Liang-Wen Wu; 良文武; 如欽 ▲じょ▼; Ru-Chin Tu; Cheng-Tsang Yu; 正璋游; Tzu-Chi Wen; 子稷温; Honin Kan; 奉任簡
Original assignee: Formosa Epitaxy Inc
Current assignee: Formosa Epitaxy Inc
Priority date: 2004-10-12
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】周知の窒化アルミニウム或いは窒化ガリウムバッファ層の欠陥密度過高の問題を解決する窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造の提供。
【解決手段】窒化シリコン（Ｓｉ_x Ｎ_y ，ｘ，ｙ≧０）で第１バッファ層を低温成長させる。この第１バッファ層内で、Ｓｉ_x Ｎ_y は複数のランダム分布クラスタのマスクを形成する。その後、この第１バッファ層の上に、更に窒化アルミニウムインジウムガリウムＡｌ_w Ｇａ_z Ｉｎ_1-w-z Ｎ（０≦ｗ，ｚ≦１，ｗ＋ｚ≦１）の第２バッファ層を成長させる。該第２バッファ層は直接には第１バッファ層の上に成長させられず、エピタキシャル側方向成長（ＥｐｉｔａｘｉａｌｌｙＬａｔｅｒａｌＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ；ＥＬＯＧ）方式で、第１バッファ層のＳｉ_x Ｎ_y マスクの未遮蔽の基板の上に成長開始され、更にオーバーグローにより第１バッファ層のマスク上を被覆する。
【選択図】図２

Description

本発明は窒化ガリウム系ダイオード装置に係り、特に窒化ガリウム系ダイオード装置中のバッファ層構造に関する。

青光或いは紫光を発生可能な窒化ガリウム系発光ダイオード、或いは紫外光を検出できる窒化ガリウム系ホトダイオード等の窒化ガリウム（ＧａＮ）系のダイオード装置は、その広いバンドギャップの特性により最近学界の研究開発の重点となっている。

このような窒化ガリウム系ダイオード装置は、その周知の構造が基板の上に、先に低温（摂氏２００度〜９００度）で窒化アルミニウム（ＡｌＮ）或いは窒化ガリウムのバッファ層を成長させ、その後、このバッファ層の上に、高温でこのダイオード装置のその他の窒化ガリウムエピタキシャル構造を成長させる。このような工程の理由は、基板とダイオード装置のその他の窒化ガリウムエピタキシャル構造の間の格子定数の差異が過大であり、この１層のバッファ層の存在がなければ、基板とダイオード装置のその他の窒化ガリウムエピタキシャル構造の間に圧電（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）効果による過大な応力がもたらされ、このためダイオード装置のエピタキシャル品質が不良となるためである。

ただし、このような周知の低温成長の窒化ガリウムバッファ層は欠陥密度が過高（１０ｅ１０／ｃｍ−３以上）で、寿命が長くなく、許容静電電圧が低すぎる等の欠点を有している。

上述の従来の技術の欠点を克服するため、本発明は数種類のバッファ層の構造を提供し、前述の問題を解決することを目的としている。

請求項１の発明は、窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造において、該窒化ガリウム系ダイオード装置は、サファイヤ、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、スピネル（ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ ）、或いは格子定数が窒化物半導体に接近する単結晶酸化物のいずれかで形成された基板と、該基板の一側に位置するバッファ層と、該バッファ層の上に位置する窒化ガリウムエピタキシャル構造と、を具え、
該バッファ層は、
該基板の上に位置し、特定組成の窒化シリコン（Ｓｉ_a Ｎ_b ，ａ，ｂ≧０）で構成されて厚さが５Åから１００Åの間であり、複数のランダム分布クラスタを含有するマスクとされる第１バッファ層と、
該基板の第１バッファ層により未被覆の表面より上向きに第１バッファ層の上を被覆するよう形成され、特定組成の窒化アルミニウムインジウムガリウムＡｌ_c Ｇａ_d Ｉｎ_1-c-d Ｎ（０≦ｃ，ｄ≦１，ｃ＋ｄ≦１）で構成され、厚さが５０Å〜４００Åの間とされる第２バッファ層と、
を具えたことを特徴とする、窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造において、バッファ層は更に第３バッファ層を具え、該第３バッファ層は第２バッファ層の上に位置し、特定組成の窒化シリコン（Ｓｉ_k Ｎ_o ，ｋ，ｏ≧０）で構成され、厚さが５Å〜１００Åの間で、複数のランダム分布クラスタを含有するマスクとされることを特徴とする、窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造としている。
請求項３の発明は、窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造において、該窒化ガリウム系ダイオード装置は下から上に順に、サファイヤ或いは炭化シリコンのいずれかで構成された基板と、該基板の一側に位置し、順に堆積された複数層のバッファ層と、最上層のバッファ層の上に位置する窒化ガリウムエピタキシャル構造と、を具え、各バッファ層は、
該基板の上に位置し、特定組成の窒化シリコン（Ｓｉ_e Ｎ_f ，ｅ，ｆ≧０）で構成されて厚さが５Åから２０Åの間であり、複数のランダム分布クラスタを含有するマスクとされる第１バッファ層と、
該基板の第１バッファ層により未被覆の表面より上向きに第１バッファ層の上を被覆するよう形成され、特定組成の窒化アルミニウムインジウムガリウムＡｌ_g Ｇａ_h Ｉｎ_1-g-h Ｎ（０≦ｇ，ｈ≦１，ｇ＋ｈ≦１）で構成され、厚さが１０Å〜１００Åの間とされる第２バッファ層と、
を具えたことを特徴とする、窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造としている。
請求項４の発明は、請求項３記載の窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造において、バッファ層は更に第３バッファ層を具え、該第３バッファ層は最上層の第２バッファ層の上に位置し、特定組成の窒化シリコン（Ｓｉ_p Ｎ_q ，ｐ，ｑ≧０）で構成され、厚さが５Å〜１００Åの間で、複数のランダム分布クラスタを含有するマスクとされることを特徴とする、窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造としている。
請求項５の発明は、請求項３記載の窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造において、複数層のバッファ層の層数が２〜１０の間とされたことを特徴とする、窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造としている。
請求項６の発明は、請求項３記載の窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造において、第１バッファ層の各層の組成と厚さは必ずしも同じでなく、第２バッファ層の各層の組成と厚さも必ずしも同じでないことを特徴とする、窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造としている。

本発明の窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造は、周知の窒化アルミニウム或いは窒化ガリウムバッファ層の欠陥密度過高の問題を解決する。

本発明の提出するバッファ層構造は、まず窒化シリコン（Ｓｉ_x Ｎ_y ，ｘ，ｙ≧０）で第１バッファ層を低温成長させる。図１は本発明により第１バッファ層を成長させた後の平面図である。図１に示されるように、この第１バッファ層内にあって、Ｓｉ_x Ｎ_y は複数のランダム分布クラスタのマスクを形成する。その後、この第１バッファ層の上に、更に窒化アルミニウムインジウムガリウムＡｌ_w Ｇａ_z Ｉｎ_1-w-z Ｎ（０≦ｗ，ｚ≦１，ｗ＋ｚ≦１）の第２バッファ層を成長させる。該第２バッファ層は直接には第１バッファ層の上に成長させられず、エピタキシャル側方向成長（ＥｐｉｔａｘｉａｌｌｙＬａｔｅｒａｌＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ；ＥＬＯＧ）方式で、第１バッファ層のＳｉ_x Ｎ_y マスクの未遮蔽の基板の上に成長開始され、更にオーバーグローにより第１バッファ層のマスク上を被覆する。この成長方式により、周知の窒化アルミニウム或いは窒化ガリウムバッファ層の欠陥密度過高の問題を解決する。

図２は本発明の第１実施例の窒化ガリウム系ダイオード装置の構造表示図である。周知の窒化ガリウム系ダイオード装置は、図２に示されるように、Ｃ−Ｐｈａｎｅ或いはＲ−Ｐｌａｎｅ或いはＡ−Ｐｌａｎｅのサファイヤ或いは炭化シリコン（６Ｈ−ＳｉＣ或いは４Ｈ−ＳｉＣ）が基板１０とされ、基板１０に使用可能なその他の材料としては、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、スピネル（ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ ）、或いは格子定数が窒化物半導体に接近する単結晶酸化物が包含される。その後、この基板１０の一側面にバッファ層２０が形成され、更にこのバッファ層の上に、高温（摂氏８００度〜１１００度）でこのダイオード装置のその他の窒化ガリウムエピタキシャル構造３０が成長させられる。

図２に示されるように、この実施例のバッファ層２０は、まずＭＯＣＶＤを利用して特定組成の窒化シリコン（Ｓｉ_a Ｎ_b ，ａ，ｂ≧０）を用いて、成長温度摂氏２００度〜７００度の間で、厚さ５Å〜１００Åの第１バッファ層２０１が複数のランダム分布クラスタを含有するマスクとして形成され、その後、第１バッファ層２０１の上に、低温成長で特定組成の窒化アルミニウムインジウムガリウムＡｌ_c Ｇａ_d Ｉｎ_1-c-d Ｎ（０≦ｃ，ｄ≦１，ｃ＋ｄ≦１）を用いて、厚さ５０Å〜４００Åで、成長温度摂氏４００度〜７００度で第２バッファ層２０２が形成されてなる。そのうち、第２バッファ層２０２は直接第１バッファ層２０１の上に成長するのでなく、エピタキシャル側方向成長方式で、第１バッファ層２０１のＳｉ_a Ｎ_b マスクの未遮蔽の基板１０上に成長開始され、更にオーバーグローにより第１バッファ層２０１のマスク上を被覆する。

図３は本発明の第２実施例の窒化ガリウム系ダイオード装置の構造表示図である。図３に示されるように、この実施例のバッファ層２２は、ＭＯＣＶＤを利用して特定組成の窒化シリコン（Ｓｉ_e Ｎ_f ，ｅ，ｆ≧０）を用いて、成長温度摂氏２００度〜７００度の間で、厚さ５Å〜２０Åの第１バッファ層２２１が複数のランダム分布クラスタを含有するマスクとして形成され、その後、第１バッファ層２２１の上に、低温成長で特定組成の窒化アルミニウムインジウムガリウムＡｌ_g Ｇａ_h Ｉｎ_1-g-h Ｎ（０≦ｇ，ｈ≦１，ｇ＋ｈ≦１）を用いて、厚さ１０Å〜１００Åで、成長温度摂氏４００度〜７００度で第２バッファ層２２２が形成されてなる。そのうち、第２バッファ層２２２は直接第１バッファ層２２１の上に成長するのでなく、エピタキシャル側方向成長方式で、第１バッファ層２２１のＳｉ_e Ｎ_f マスクの未遮蔽の基板１０上に成長開始され、更にオーバーグローにより第１バッファ層２２１のマスク上を被覆する。

続いて、この実施例は前述のステップを重複して実行し、第２バッファ層２２２の上にもう一組の第１バッファ層２２１’と第２バッファ層２２２’が続いて成長させられ、これにより類推されるように、この実施例は全部で２〜１０組の第１と第２バッファ層を具えている。各第１バッファ層の組成（則ち前述の分子式のｅ，ｆパラメータ）と厚さは必ずしも同じでない。これから類推されるように、各第２バッファ層の組成（すなわち前述の分子式のｇ，ｈパラメータ）と厚さは必ずしも同じでない。

図４は本発明の第３実施例の窒化ガリウム系ダイオード装置の構造表示図である。図４に示されるように、この実施例のバッファ層２４は第１実施例のバッファ層２０と非常に類似し、同様に下から上に、ＭＯＣＶＤで厚さ５Å〜１００Åに、成長温度摂氏２００度〜７００度の間で、特定組成の窒化シリコン（Ｓｉ_i Ｎ_g ，ｉ，ｆ≧０）で第１バッファ層２４１が複数のランダム分布クラスタを含有するマスクとして形成され、その後、この第１バッファ層２４１の上に、特定組成の窒化アルミニウムインジウムガリウムＡｌ_m Ｇａ_n Ｉｎ_1-m-n Ｎ（０≦ｍ，ｎ≦１，ｍ＋ｎ≦１）で、低温成長で厚さ５０Å〜４００Åに、成長温度摂氏４００度〜７００度で、第２バッファ層２４２が成長させられる。

バッファ層２０との違いは、この実施例のバッファ層２４は更に第２バッファ層２４２の上にＭＯＣＶＤで厚さ５Å〜１００Åに、成長温度摂氏２００度〜７００度の間で、特定組成の窒化シリコン（Ｓｉ_k Ｎ_o ，ｋ，ｏ≧０）で第３バッファ層２４３が複数のランダム分布クラスタを含有するマスクとして形成され、続いて、高温成長の窒化ガリウムエピタキシャル構造３０が、直接第３バッファ層２４３の上に成長させられずに、エピタキシャル側方向成長方式で、第３バッファ層２４３のＳｉ_k Ｎ_o で未遮蔽の第２バッファ層２４２の上に成長開始させられ、更にオーバーグローにより第３バッファ層２４３のマスク上を被覆することである。第１と第３バッファ層２４１と２４３の組成は必ずしも同じでない。

図５は本発明の第４実施例の窒化ガリウム系ダイオード装置の構造表示図である。図５に示されるように、この実施例のバッファ層２６は第２実施例のバッファ層２２と完全に同様に、下から上に、同じ成長温度範囲、厚さ制限で、２〜１０組の、厚さが独立し、組成成分が独立した第１バッファ層２６１と第２バッファ層２６２が形成される。続いて、この実施例では、最上層の第２バッファ層２６２の上に、ＭＯＣＶＤで厚さ５Å〜２０Åに、成長温度摂氏２００度〜７００度の間で、特定組成の窒化シリコン（Ｓｉ_p Ｎ_q ，ｐ，ｑ≧０）で第３バッファ層２６３が複数のランダム分布クラスタを含有するマスクとして形成される。

続いて、高温成長の窒化ガリウムエピタキシャル構造３０が、直接第３バッファ層２６３の上に成長させられずに、エピタキシャル側方向成長方式で、第３バッファ層２６３のＳｉ_p Ｎ_q で未遮蔽の第２バッファ層２６２の上に成長開始させられ、更にオーバーグローにより第３バッファ層２６３のマスク上を被覆することである。
以上は本発明の好ましい実施例の説明であって、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明に基づきなしうる細部の修飾或いは改変は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。

本発明により第１バッファ層を成長させた後の平面図である。本発明の第１実施例の窒化ガリウム系ダイオード装置の構造表示図である。本発明の第２実施例の窒化ガリウム系ダイオード装置の構造表示図である。本発明の第３実施例の窒化ガリウム系ダイオード装置の構造表示図である。本発明の第４実施例の窒化ガリウム系ダイオード装置の構造表示図である。

符号の説明

１０基板
２０バッファ層
２２バッファ層
２４バッファ層
２６バッファ層
３０窒化ガリウムエピタキシャル構造
２０１第１バッファ層
２０２第２バッファ層
２２１、２２１’ 第１バッファ層
２２２、２２２’ 第２バッファ層
２４１第１バッファ層
２４２第２バッファ層
２４３第３バッファ層
２６１、２６１’ 第１バッファ層
２６２、２６２’ 第２バッファ層
２６３第３バッファ層

Claims

窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造において、該窒化ガリウム系ダイオード装置は、サファイヤ、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、スピネル（ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ ）、或いは格子定数が窒化物半導体に接近する単結晶酸化物のいずれかで形成された基板と、該基板の一側に位置するバッファ層と、該バッファ層の上に位置する窒化ガリウムエピタキシャル構造と、を具え、
該バッファ層は、
該基板の上に位置し、特定組成の窒化シリコン（Ｓｉ_a Ｎ_b ，ａ，ｂ≧０）で構成されて厚さが５Åから１００Åの間であり、複数のランダム分布クラスタを含有するマスクとされる第１バッファ層と、
該基板の第１バッファ層により未被覆の表面より上向きに第１バッファ層の上を被覆するよう形成され、特定組成の窒化アルミニウムインジウムガリウムＡｌ_c Ｇａ_d Ｉｎ_1-c-d Ｎ（０≦ｃ，ｄ≦１，ｃ＋ｄ≦１）で構成され、厚さが５０Å〜４００Åの間とされる第２バッファ層と、
を具えたことを特徴とする、窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造。
請求項１記載の窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造において、バッファ層は更に第３バッファ層を具え、該第３バッファ層は第２バッファ層の上に位置し、特定組成の窒化シリコン（Ｓｉ_k Ｎ_o ，ｋ，ｏ≧０）で構成され、厚さが５Å〜１００Åの間で、複数のランダム分布クラスタを含有するマスクとされることを特徴とする、窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造。
窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造において、該窒化ガリウム系ダイオード装置は下から上に順に、サファイヤ或いは炭化シリコンのいずれかで構成された基板と、該基板の一側に位置し、順に堆積された複数層のバッファ層と、最上層のバッファ層の上に位置する窒化ガリウムエピタキシャル構造と、を具え、各バッファ層は、
該基板の上に位置し、特定組成の窒化シリコン（Ｓｉ_e Ｎ_f ，ｅ，ｆ≧０）で構成されて厚さが５Åから２０Åの間であり、複数のランダム分布クラスタを含有するマスクとされる第１バッファ層と、
該基板の第１バッファ層により未被覆の表面より上向きに第１バッファ層の上を被覆するよう形成され、特定組成の窒化アルミニウムインジウムガリウムＡｌ_g Ｇａ_h Ｉｎ_1-g-h Ｎ（０≦ｇ，ｈ≦１，ｇ＋ｈ≦１）で構成され、厚さが１０Å〜１００Åの間とされる第２バッファ層と、
を具えたことを特徴とする、窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造。
請求項３記載の窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造において、バッファ層は更に第３バッファ層を具え、該第３バッファ層は最上層の第２バッファ層の上に位置し、特定組成の窒化シリコン（Ｓｉ_p Ｎ_q ，ｐ，ｑ≧０）で構成され、厚さが５Å〜１００Åの間で、複数のランダム分布クラスタを含有するマスクとされることを特徴とする、窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造。
請求項３記載の窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造において、複数層のバッファ層の層数が２〜１０の間とされたことを特徴とする、窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造。
請求項３記載の窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造において、第１バッファ層の各層の組成と厚さは必ずしも同じでなく、第２バッファ層の各層の組成と厚さも必ずしも同じでないことを特徴とする、窒化ガリウム系ダイオード装置のバッファ層構造。