JP2006128536A - Semiconductor epitaxial wafer and semiconductor device cut therefrom - Google Patents

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丈士 田中
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吉春 孝治
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor epitaxial wafer in which substrate surface is thermally kept in extremely homogeneous state, and provide a semiconductor device processed therefrom. <P>SOLUTION: The semiconductor epitaxial wafer consists of a solid crystal substrate and a gallium nitride system compound semiconductor film grown up to the solid crystal substrate by MOVPE method. The gallium nitride system compound semiconductor film is grown up in an atmosphere containing hydrogen by the MOVPE method. When the above-mentioned solid crystal substrate is profiled in circle, and has a diameter of ≥70.0 mm; the above-mentioned solid crystal substrate 301 has a thickness of ≥380 μm. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は半導体エピタキシャルウェハの構造に係り、より詳細にはMOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法によって形成された窒化ガリウム系化合物半導体膜を有する半導体エピタキシャルウェハ及びそれから切り出した半導体素子に関する。   The present invention relates to a structure of a semiconductor epitaxial wafer, and more particularly to a semiconductor epitaxial wafer having a gallium nitride compound semiconductor film formed by a MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) method and a semiconductor element cut out from the semiconductor epitaxial wafer.

窒化ガリウム系化合物半導体は、III族元素の組成比を制御することによって、紫外から可視光の大部分の領域をカバーする発光素子の材料として利用される。また窒化ガリウム系化合物半導体は、高い飽和電子速度と高い絶縁破壊耐圧を有する為、高周波・高出力の電子デバイス材料としても利用される。   Gallium nitride-based compound semiconductors are used as light-emitting element materials that cover most regions from ultraviolet to visible light by controlling the composition ratio of group III elements. In addition, gallium nitride compound semiconductors have high saturation electron velocity and high breakdown voltage, so they are also used as high frequency and high output electronic device materials.

窒化ガリウム系化合物半導体は、ガリウム、アルミニウム、インジウムなどのIII族元素と、V族に属する窒素から形成される。窒化ガリウム系化合物半導体は常圧での窒素の蒸気圧が高いため、溶液からの単結晶成長が非常に困難である。そこで窒化ガリウム系化合物半導体は、普通、MOVPE法やMBE(Molecular Beam Epitaxy)法、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法などの気相成長法によって単結晶成長される。   The gallium nitride compound semiconductor is formed of a group III element such as gallium, aluminum, or indium and nitrogen belonging to the group V. Since a gallium nitride compound semiconductor has a high vapor pressure of nitrogen at normal pressure, it is very difficult to grow a single crystal from a solution. Therefore, a gallium nitride compound semiconductor is usually grown as a single crystal by vapor phase growth methods such as MOVPE, MBE (Molecular Beam Epitaxy), and HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy).

窒化ガリウム系化合物半導体を固体結晶基板上にMOVPE法で形成する場合には、固体結晶基板はヒーター等で1,000℃程度にまで加熱された基板保持台(サセプター)にセットされる。ここで、基板と基板保持台との間に異物が存在すると、基板が均一に加熱されず、基板の温度が不均一になるという問題がある。そこで、輻射熱により基板を加熱する方法を採用する一方、Ga、Al、In、Bからなる群のうちの少なくとも1種を基板本体に添加して、輻射線の吸収率を高くした基板とすることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2001−237192号公報
When a gallium nitride compound semiconductor is formed on a solid crystal substrate by the MOVPE method, the solid crystal substrate is set on a substrate holder (susceptor) heated to about 1,000 ° C. with a heater or the like. Here, if there is a foreign substance between the substrate and the substrate holder, there is a problem that the substrate is not heated uniformly and the temperature of the substrate becomes non-uniform. Therefore, while adopting a method of heating the substrate by radiant heat, at least one of the group consisting of Ga, Al, In, and B is added to the substrate body to obtain a substrate having a high radiation absorption rate. Has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
JP 2001-237192 A

しかしながら、輻射熱だけではなく、通常のヒーターなどの熱伝導及び輻射熱による加熱機構を用いて基板を加熱し、基板の温度をより簡易に均一化する他の手段の提供が望まれる。   However, it is desired to provide not only radiant heat but also other means for heating the substrate using a heating mechanism based on heat conduction and radiant heat such as an ordinary heater to make the temperature of the substrate more uniform.

そこで検討するに、MOVPE法で窒化ガリウム系化合物半導体を作製する場合には、V族原料としてアンモニアを、III族原料としてトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)、トリメチルアルミニウム(TMA)をそれぞれ使用するのが普通である。また窒化ガリウム系化合物半導体の伝導型を制御するため、n型の半導体を作製する場合にはモノシラン(SiH4)を、p型の半導体を作製する場合にはビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム(Cp2Mg)を使用する場合が多い。製造時には、反応容器内で上記の原料を加熱した基板上に吹きつけることにより、基板表面上に所望の窒化ガリウム系化合物半導体の薄膜を形成させるのである。 Therefore, in the case of producing a gallium nitride compound semiconductor by the MOVPE method, ammonia is used as a group V material, and trimethyl gallium (TMG), trimethyl indium (TMI), and trimethyl aluminum (TMA) are used as group III materials. It is common to use. Further, in order to control the conductivity type of the gallium nitride compound semiconductor, monosilane (SiH 4 ) is used when an n-type semiconductor is manufactured, and bis (cyclopentadienyl) magnesium (when a p-type semiconductor is manufactured. Cp 2 Mg) is often used. At the time of manufacture, a desired thin film of a gallium nitride compound semiconductor is formed on the surface of the substrate by spraying the above raw material on the heated substrate in a reaction vessel.

上記の原料のうち、特にIII族原料やCp2Mgなどは常温で液体或いは固体である為、これらをそのまま反応容器に供給することは難しい。このため通常は、まず原料容器に窒素ガス或いは水素ガスを吹き込み、III族原料やCp2Mgなどの分子を吹き込んだガス中に飽和させたのち、このガスを取り出して反応容器内へ供給する、という手法が用いられる。半導体製造では材料に高純度化が求められており、このキャリアーガスには、パラジウム膜を用いることで容易に高純度化が可能な水素ガスが、一般的に用いられる。 Among the above raw materials, particularly Group III raw materials and Cp 2 Mg are liquid or solid at room temperature, so it is difficult to supply them to the reaction vessel as they are. For this reason, normally, nitrogen gas or hydrogen gas is first blown into the raw material container, saturated in the gas into which molecules such as Group III raw material and Cp 2 Mg are blown, and then this gas is taken out and supplied into the reaction container. The method is used. In semiconductor manufacturing, materials are required to be highly purified, and hydrogen gas that can be easily purified by using a palladium film is generally used as the carrier gas.

ところで、この水素ガスは熱伝導率、熱容量が極めて大きい気体である。例えば室温付近での熱伝導率は、窒素が2.40×10-2Wm-1-1、アンモニアが2.18×10-2Wm-1-1、であるのに対し、水素は16.82×10-2Wm-1-1と非常に大きい。また室温付近における比熱は、窒素が1.04×103Jkg-1-1、アンモニアが1.97×103Jkg-1-1であるのに対し、水素は14.32×103Jkg-1-1であり、こちらも非常に大きい。このように水素は熱伝導率、熱容量とも極めて大きい特殊なガスであるため、水素ガスを基板等の表面に吹き付けた場合には、窒素やアンモニアの場合と比較して、桁違いに大きい熱量が基板等の表面から奪われることになる。 By the way, this hydrogen gas is a gas having an extremely large thermal conductivity and heat capacity. For example, the thermal conductivity near room temperature is 2.40 × 10 −2 Wm −1 K −1 for nitrogen and 2.18 × 10 −2 Wm −1 K −1 for ammonia, whereas hydrogen is 16.82 × 10 −2 Wm −1 K −1 and very large. The specific heat near room temperature is 1.04 × 10 3 Jkg −1 K −1 for nitrogen and 1.97 × 10 3 Jkg −1 K −1 for ammonia, whereas 14.32 × 10 3 for hydrogen. Jkg -1 K -1, which is also very large. Thus, hydrogen is a special gas with extremely large thermal conductivity and heat capacity, so when hydrogen gas is blown onto the surface of a substrate or the like, the amount of heat is orders of magnitude greater than that of nitrogen or ammonia. It will be taken away from the surface of the substrate or the like.

既に述べたように、窒化ガリウム系化合物半導体を固体結晶基板上にMOVPE法で形成する場合には、固体結晶基板はヒーター等で1,000℃程度にまで加熱された基板保持台にセットされている。このとき基板保持台に接触している固体結晶基板の下側は、基板保持台と同様の高温状態に保たれている。この一方で、固体結晶基板の上側には前記のキャリアーガスを吹き付けられており、特にキャリアーガスに水素が混合されている場合において基板上面から熱が激しくガスに奪われる為、固体結晶基板の上側の温度は下側より低くなる傾向がある(縦方向の温度差)。   As described above, when a gallium nitride compound semiconductor is formed on a solid crystal substrate by the MOVPE method, the solid crystal substrate is set on a substrate holding table heated to about 1,000 ° C. by a heater or the like. Yes. At this time, the lower side of the solid crystal substrate in contact with the substrate holding table is maintained at the same high temperature as the substrate holding table. On the other hand, the carrier gas is sprayed on the upper side of the solid crystal substrate, and particularly when hydrogen is mixed in the carrier gas, heat is violently taken away from the upper surface of the substrate by the gas. Tends to be lower than the lower side (vertical temperature difference).

キャリアーガスに水素が混合された為に固体結晶基板の上下で温度差が生じると、基板が反ってしまうという現象が起こり始める。具体的には基板の下側が熱膨張し、基板の上側が収縮することから、基板は下に凸となり、お椀型の形状に反ってしまう。基板が反り始めた場合、基板の中心付近以外は基板保持台と完全密着せず、基板中心からの距離に応じて基板裏面と基板保持台の間に隙間が生じるようになる。すると基板保持台から基板への熱輸送量が基板中心では多く、外周部では少なくなる。このため基板の中心部は強く加熱されて高温になり、一方で基板外周部は低温となる傾向が生じる(横方向の温度差)。   When a temperature difference occurs between the upper and lower sides of the solid crystal substrate because hydrogen is mixed in the carrier gas, a phenomenon that the substrate is warped starts to occur. Specifically, since the lower side of the substrate is thermally expanded and the upper side of the substrate is contracted, the substrate is protruded downward and warped in a bowl shape. When the substrate starts to warp, it is not completely in close contact with the substrate holder except in the vicinity of the center of the substrate, and a gap is formed between the back surface of the substrate and the substrate holder depending on the distance from the center of the substrate. Then, the amount of heat transport from the substrate holder to the substrate is large at the center of the substrate and is small at the outer periphery. For this reason, the central part of the substrate is strongly heated to a high temperature, while the outer peripheral part of the substrate tends to be a low temperature (lateral temperature difference).

このように基板の面内で温度差が生じると、結果としてその基板上に形成される窒化ガリウム系化合物半導体の成分や特性が温度差に応じて分布を持つような弊害が生じる。例えば、青色発光LEDの活性層として用いられるInGaNは、GaN成分及び比較的蒸発し易いInN成分からなるため、同一基板上での温度の低い部分ではInGaN中のIn濃度が高くなる一方、温度の高い部分ではInNの蒸発が促進される為にInGaN中のIn濃度が低くなってしまう。すなわち、同一基板上でIn濃度に大きな分布が生じる。この結果InGaN層から発せられる光は基板上の異なる位置では、異なった波長が得られることとなり、LEDなど光デバイスの特性そのものが大きな基板面内での不均一性を持つことになってしまう。   When a temperature difference occurs in the plane of the substrate in this way, there is a negative effect that the components and characteristics of the gallium nitride compound semiconductor formed on the substrate have a distribution according to the temperature difference. For example, InGaN used as an active layer of a blue light-emitting LED is composed of a GaN component and an InN component that is relatively easy to evaporate, while the In concentration in InGaN increases at a low temperature portion on the same substrate, Since the evaporation of InN is promoted at a high portion, the In concentration in InGaN becomes low. That is, a large distribution of In concentration occurs on the same substrate. As a result, different wavelengths of light emitted from the InGaN layer can be obtained at different positions on the substrate, and the characteristics of optical devices such as LEDs themselves have a large non-uniformity in the substrate plane.

同様の例として、GaN−電界効果トランジスタでバリア層として用いられるAlGaNは、GaN成分および比較的蒸発し難いAlN成分からなるため、同一基板上での温度の低い部分ではAlGaN中のAl濃度が低くなる一方、温度の高い部分ではGaNの蒸発が促進される為にAlGaN中のAl濃度が高くなってしまう。すなわち、同一基板上でAl濃度に大きな分布が生じる。この結果AlGaN層の自発分極及びピエゾ分極によって誘起される二次元電子ガスは、基板上の異なる位置では異なった濃度が得られることとなり、電界効果型トランジスタなど電子デバイスの特性そのものが大きな基板面内での不均一性を持つことになってしまう。   As a similar example, AlGaN used as a barrier layer in a GaN field effect transistor is composed of a GaN component and an AlN component that is relatively difficult to evaporate. On the other hand, since the evaporation of GaN is promoted at a high temperature portion, the Al concentration in AlGaN becomes high. That is, a large distribution of Al concentration occurs on the same substrate. As a result, the two-dimensional electron gas induced by spontaneous polarization and piezo polarization of the AlGaN layer has different concentrations at different positions on the substrate, and the characteristics of electronic devices such as field-effect transistors are large in the substrate plane. Will have non-uniformity.

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、基板面内が熱的に極めて均質な状態に保たれる半導体エピタキシャルウェハ及びそれから切り出した半導体素子を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems and provide a semiconductor epitaxial wafer in which the substrate surface is kept in a thermally extremely homogeneous state and a semiconductor element cut out therefrom.

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。   In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

請求項1の発明に係る半導体エピタキシャルウェハは、固体結晶基板と、前記固体結晶基板表面へMOVPE法によって成長された窒化ガリウム系化合物半導体膜とからなる、直径70.0mm以上の半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記窒化ガリウム系化合物半導体膜のMOVPE法による成長が水素を含む雰囲気中で実行され、且つ前記固体結晶基板に380ミクロン以上の厚みを有しているものが使用されていることを特徴とする。   The semiconductor epitaxial wafer according to the invention of claim 1 is a semiconductor epitaxial wafer having a diameter of 70.0 mm or more, comprising a solid crystal substrate and a gallium nitride compound semiconductor film grown on the surface of the solid crystal substrate by MOVPE. The growth of the gallium nitride compound semiconductor film by an MOVPE method is performed in an atmosphere containing hydrogen, and the solid crystal substrate having a thickness of 380 microns or more is used.

請求項2の発明は、請求項1に記載の半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記水素を含む雰囲気中でのMOVPE法による成長で、原料ガスとキャリアーガスの和である流入ガスの総流量に占める水素の割合が8%以上であることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor epitaxial wafer according to the first aspect of the present invention, the growth of hydrogen by the MOVPE method in an atmosphere containing hydrogen causes the hydrogen to occupy the total flow rate of the inflowing gas that is the sum of the source gas and the carrier gas. The ratio is 8% or more.

請求項3の発明は、請求項1又は2に記載の半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記固体結晶基板が、サファイアまたはシリコンカーバイド(SiC)であることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor epitaxial wafer according to the first or second aspect, the solid crystal substrate is sapphire or silicon carbide (SiC).

請求項4の発明に係る半導体素子は、請求項1〜3のいずれかの半導体エピタキシャルウェハから切り出したことを特徴とする。   A semiconductor device according to a fourth aspect of the present invention is cut out from the semiconductor epitaxial wafer according to any one of the first to third aspects.

本発明の半導体エピタキシャルウェハは、固体結晶基板と、前記固体結晶基板表面へMOVPE法によって成長された窒化ガリウム系化合物半導体膜とからなる、直径70.0mm以上の半導体エピタキシャルウェハであって、前記窒化ガリウム系化合物半導体膜のMOVPE法による成長が水素を含む雰囲気中で実行され、且つ前記固体結晶基板に380ミクロン以上の厚みを有しているものが使用されている構成としたものである。従って、本発明によれば、半導体エピタキシャルウェハにおけるウェハ面内での窒化ガリウム系化合物半導体膜の厚さ、ドーピング濃度、及びIII族原子構成比の均一性を向上させることができる。   The semiconductor epitaxial wafer of the present invention is a semiconductor epitaxial wafer having a diameter of 70.0 mm or more, comprising a solid crystal substrate and a gallium nitride compound semiconductor film grown on the surface of the solid crystal substrate by MOVPE. The gallium compound semiconductor film is grown by the MOVPE method in an atmosphere containing hydrogen, and the solid crystal substrate having a thickness of 380 microns or more is used. Therefore, according to the present invention, it is possible to improve the uniformity of the thickness, doping concentration, and group III atomic composition ratio of the gallium nitride compound semiconductor film in the wafer surface of the semiconductor epitaxial wafer.

本発明を、以下の具体的な試作例に基づいて説明する。   The present invention will be described based on the following specific prototype examples.

[比較例]
典型的なGaN−HEMT用エピタキシャルウェハの層構造(比較例)を図3に示す。
[Comparative example]
A layer structure (comparative example) of a typical epitaxial wafer for GaN-HEMT is shown in FIG.

図3において、101はサファイア基板(3インチ(76.2mm)径、厚さ330ミクロン)、102はInGaNバッファ層、103はun−GaN層(アンドープGaN層)、104はun−AlGaN層(アンドープAlGaN層)である。我々はこのような層構造を、MOVPE装置にて成長する。成長に用いるMOVPE装置は3インチの基板を6枚チャージできる能力を持っており、エピタキシャルウェハをセットしたステージは駆動機構により公転する。同MOVPE装置のリアクター内部では、エピタキシャルウェハの上方対向面にシャワー状の微細な孔が多数設けられており、原料を含むキャリアーガスはこのシャワー状の孔から吹き出す仕組みになっている。リアクター内部のエピタキシャルウェハをセットしたステージは抵抗加熱方式によって熱せられ、この熱がステージを介して、サファイア基板に与えられる。   In FIG. 3, 101 is a sapphire substrate (3 inch (76.2 mm) diameter, 330 microns thick), 102 is an InGaN buffer layer, 103 is an un-GaN layer (undoped GaN layer), and 104 is an un-AlGaN layer (undoped). AlGaN layer). We grow such a layer structure in a MOVPE apparatus. The MOVPE apparatus used for growth has the ability to charge six 3 inch substrates, and the stage on which the epitaxial wafer is set is revolved by a driving mechanism. Inside the reactor of the MOVPE apparatus, a large number of shower-like fine holes are provided on the upper facing surface of the epitaxial wafer, and the carrier gas containing the raw material is blown out from the shower-like holes. The stage on which the epitaxial wafer inside the reactor is set is heated by a resistance heating method, and this heat is applied to the sapphire substrate through the stage.

成長プロセスでは、上記MOVPE装置のリアクター内部ステージにサファイア基板を搬入し、まず1200℃まで水素雰囲気中で加熱して、いわゆるサーマルクリーニングと呼ばれる表面処理を10分間行う。この後、ヒーターパワーを制御することにより、基板温度を500℃まで下げる。500℃で基板温度が安定したところで、水素をキャリアーガスとして、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムとアンモニアガスをリアクターに供給する。このような方法により、InGaNバッファ層(核生成層)102をサファイア基板101上に形成できる。InGaNバッファ層102の厚さは、具体的には20nm程度が望ましいが、実際には1nm〜50nm程度の厚さであってもバッファ層(核生成層)としての所望の働きをする。   In the growth process, a sapphire substrate is carried into the reactor internal stage of the MOVPE apparatus, and first heated to 1200 ° C. in a hydrogen atmosphere, and surface treatment called so-called thermal cleaning is performed for 10 minutes. Thereafter, the substrate temperature is lowered to 500 ° C. by controlling the heater power. When the substrate temperature is stabilized at 500 ° C., trimethylgallium, trimethylindium and ammonia gas are supplied to the reactor using hydrogen as a carrier gas. By such a method, the InGaN buffer layer (nucleation layer) 102 can be formed on the sapphire substrate 101. Specifically, the thickness of the InGaN buffer layer 102 is desirably about 20 nm, but actually, even if the thickness is about 1 nm to 50 nm, it functions as a buffer layer (nucleation layer).

このInGaNバッファ層102の成長が終ったら、基板温度を1090℃にまで上げる。基板温度が1090℃で安定したところで、水素をキャリアーガスとして、トリメチルガリウム(TMG)とアンモニアガス(NH3)を、V族とIII族のモル比V/III=約5,000となるような割合で、より具体的には、NH3:10SLM、TMG:8.9×10-5mol/secの速度で、リアクターに供給する。このような方法により、約2mmのun−GaN層103をバッファ層(核生成層)102を介して、サファイア基板101上に形成する。 When the growth of the InGaN buffer layer 102 is finished, the substrate temperature is raised to 1090 ° C. When the substrate temperature is stabilized at 1090 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, and trimethyl gallium (TMG) and ammonia gas (NH 3 ) are in a molar ratio V / III = V / III = about 5,000. More specifically, it is supplied to the reactor at a rate of NH 3 : 10 SLM, TMG: 8.9 × 10 −5 mol / sec. By such a method, an un-GaN layer 103 of about 2 mm is formed on the sapphire substrate 101 via the buffer layer (nucleation layer) 102.

このun−GaN層103の成長が終わったら、次に水素をキャリアーガスとして、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、及びアンモニアをリアクターに供給する。このような方法により、un−AlGaN層104を形成する。un−AlGaN層104の厚さは、意図するデバイス特性によって変える必要があるが、実際には25nm〜45nmが一般的である。   After the growth of the un-GaN layer 103 is completed, trimethylaluminum, trimethylgallium, and ammonia are supplied to the reactor using hydrogen as a carrier gas. The un-AlGaN layer 104 is formed by such a method. The thickness of the un-AlGaN layer 104 needs to be changed depending on the intended device characteristics, but in practice, it is generally 25 nm to 45 nm.

GaNの上にAlGaNがコヒーレントに形成された場合、AlGaNの自発分極及びピエゾ分極によって、AlGaN/GaNへテロ界面のGaN側に二次元電子ガスが誘起される。この二次元電子ガスは、アンドープすなわち不純物が導入されていないGaN層中を走行するため、イオン化不純物散乱の影響を受けず、高電子移動度を持つという特長を有する。本構造のような電界効果トランジスタ構造はHEMT(High Electron Mobility Transistor: 高電子移動度トランジスタ)と呼ばれ、今回の場合にはGaNが材料として用いられていることから、GaN−HEMTとなる。   When AlGaN is coherently formed on GaN, a two-dimensional electron gas is induced on the GaN side of the AlGaN / GaN heterointerface due to spontaneous polarization and piezoelectric polarization of AlGaN. Since this two-dimensional electron gas travels in the undoped, ie, GaN layer into which no impurities are introduced, it has the advantage that it has high electron mobility without being affected by ionized impurity scattering. A field effect transistor structure like this structure is called a HEMT (High Electron Mobility Transistor), and in this case, GaN is used as a material, so that it becomes a GaN-HEMT.

この二次元電子ガスの濃度はun−AlGaN層104の厚さ、並びにAlGaN中のアルミニウム組成比によって主に決定されるが、典型的な構造では約1.0×1013cm-2のシートキャリア濃度となる。またGaN−HEMT構造中の電子移動度は、結晶に含まれる転位などの密度に大きく依存するが、典型的な値として約1,200cm2-1-1が得られる。そこで、通常のGaN−HEMT用エピタキシャルウェハのシート抵抗値は、およそ500Ω/sq.前後となる。 The concentration of the two-dimensional electron gas is mainly determined by the thickness of the un-AlGaN layer 104 and the aluminum composition ratio in the AlGaN. In a typical structure, the sheet carrier is about 1.0 × 10 13 cm −2 . Concentration. The electron mobility in the GaN-HEMT structure largely depends on the density of dislocations contained in the crystal, but a typical value is about 1,200 cm 2 V −1 s −1 . Therefore, the sheet resistance value of a normal GaN-HEMT epitaxial wafer is about 500 Ω / sq. Before and after.

上記した方法で成長されたエピタキシャルウェハのシート抵抗の面内分布は、渦電流を利用した方法により、非破壊・非接触で測定することができる。図4にLEHIGHTON ELECTRONICS INC.社の非接触シート抵抗測定装置によって得られた、上記3インチ(76.2mm)径エピタキシャルウェハのシート抵抗面内分布を示す。   The in-plane distribution of the sheet resistance of the epitaxial wafer grown by the above method can be measured in a non-destructive and non-contact manner by a method using eddy current. FIG. 4 shows LEHIGHTON ELECTRONICS INC. The sheet resistance in-plane distribution of the 3-inch (76.2 mm) diameter epitaxial wafer obtained by a non-contact sheet resistance measuring apparatus manufactured by the company is shown.

この測定値において平均値は534.5Ω/sq.であるが、最小値は451.4Ω/sq.、最大値は680.8Ω/sq.でありまた標準偏差は78.11Ω/sq.であって、面内のシート抵抗ばらつきが非常に大きく、工業上好ましくない。   In this measured value, the average value is 534.5Ω / sq. However, the minimum value is 451.4Ω / sq. The maximum value is 680.8 Ω / sq. And the standard deviation is 78.11 Ω / sq. In addition, in-plane sheet resistance variation is very large, which is not industrially preferable.

このようにシート抵抗の面内のシート抵抗ばらつきが大きくなった背景としては、上記の「発明が解決しようとする課題」の欄で述べた通り、エピタキシャルウェハの反りとこれに起因するエピタキシャルウェハ面内の基板温度分布がある、と筆者らは考えた。すなわち水素キャリアー中、且つ1,000℃を越える高温で、厚さ330ミクロンの薄いサファイア基板は極めて反り易い。エピタキシャルウェハが反ると、基板の中心付近以外は基板保持台と完全密着せず、基板中心からの距離に応じて基板裏面と基板保持台の間に隙間が生じるようになる。すると基板保持台から基板への熱輸送量が基板中心では多く、外周部では少なくなる。このため基板の中心部は強く加熱されて高温になり、一方で基板外周部は低温となる。すると、同一基板上での温度の低い部分ではGaN成分が蒸発し難い為AlGaN中のAl濃度が低くなる一方、温度の高い部分ではGaNの蒸発が促進される為にAlGaN中のAl濃度が高くなってしまう。この結果、AlGaNの膜厚やアルミニウム組成によって影響を受けるGaN−HEMT用エピタキシャルウェハのシート抵抗値は、中心部で低く、外周部で高くなってしまったと考えられるのである。   As described above in the background of the sheet resistance variation in the surface of the sheet resistance, as described in the above-mentioned section “Problems to be solved by the invention”, the warpage of the epitaxial wafer and the epitaxial wafer surface resulting therefrom The authors thought that there was an internal substrate temperature distribution. That is, a thin sapphire substrate having a thickness of 330 microns in a hydrogen carrier and at a high temperature exceeding 1,000 ° C. is extremely warped. When the epitaxial wafer is warped, it is not completely in contact with the substrate holder except in the vicinity of the center of the substrate, and a gap is formed between the back surface of the substrate and the substrate holder depending on the distance from the center of the substrate. Then, the amount of heat transport from the substrate holder to the substrate is large at the center of the substrate and is small at the outer periphery. For this reason, the central portion of the substrate is strongly heated to a high temperature, while the outer peripheral portion of the substrate is a low temperature. Then, the Al concentration in the AlGaN is low because the GaN component is difficult to evaporate at the low temperature part on the same substrate, while the Al concentration in the AlGaN is high because the evaporation of GaN is promoted at the high temperature part. turn into. As a result, it is considered that the sheet resistance value of the epitaxial wafer for GaN-HEMT affected by the film thickness of AlGaN and the aluminum composition is low at the central part and high at the outer peripheral part.

なおこのような現象は、エピタキシャルウェハの径が大きいほど顕著となる。   Such a phenomenon becomes more prominent as the diameter of the epitaxial wafer is larger.

[実施例]
上記のような不都合を回避する為に本発明者等が創案した方法は、用いるサファイア基板にこれまでよりも厚いものを使用するものである。より詳細には、直径70.0mm以上のサファイア若しくはSiC基板を用いて、水素を含む雰囲気中で窒化ガリウム系化合物半導体膜のMOVPE法による成長を行う場合に、380ミクロン以上の厚みを有しているものを選択する。
[Example]
The method invented by the present inventors in order to avoid the inconvenience as described above uses a thicker sapphire substrate than before. More specifically, when a gallium nitride compound semiconductor film is grown by an MOVPE method in an atmosphere containing hydrogen using a sapphire or SiC substrate having a diameter of 70.0 mm or more, it has a thickness of 380 microns or more. Choose what you have.

以下にその具体例(実施例)を説明する。   Specific examples (examples) will be described below.

我々が改良したGaN−HEMT用エピタキシャルウェハの層構造(実施例)を図1に示す。   The layer structure (Example) of the epitaxial wafer for GaN-HEMT improved by us is shown in FIG.

図1において、301はサファイア基板(3インチ(76.2mm)径、厚さ430ミクロン)、302はInGaNバッファ層、303はun−GaN層、304はun−AlGaN層である。InGaNバッファ層302やun−GaN層303、un−AlGaN層304の厚さは図3のものと同程度であるが、唯一、サファイア基板(3インチ(76.2mm)径、厚さ430ミクロン)301の厚さだけが大きく増えている。このようなエピタキシャルウェハは、図3に示したエピタキシャルウェハ同様、既に述べたような手順によりMOVPE法によって形成される。   In FIG. 1, 301 is a sapphire substrate (3 inch (76.2 mm) diameter, 430 microns thick), 302 is an InGaN buffer layer, 303 is an un-GaN layer, and 304 is an un-AlGaN layer. The thickness of the InGaN buffer layer 302, the un-GaN layer 303, and the un-AlGaN layer 304 is about the same as that in FIG. 3, but is the only sapphire substrate (3 inch (76.2 mm) diameter, thickness 430 microns). Only the thickness of 301 is greatly increased. Such an epitaxial wafer is formed by the MOVPE method in the same manner as described above, like the epitaxial wafer shown in FIG.

この実施例に係るGaN−HEMT用エピタキシャルウェハのシート抵抗の面内分布測定値を、図2に示す。この測定値において平均値は527.8Ω/sq.であるが、最小値は521.1Ω/sq.、最大値は538.4Ω/sq.でありまた標準偏差は4.79Ω/sq.であって、面内のシート抵抗ばらつきが非常に小さく、工業的に有利であると言える。   FIG. 2 shows in-plane distribution measurement values of the sheet resistance of the GaN-HEMT epitaxial wafer according to this example. In this measured value, the average value is 527.8 Ω / sq. However, the minimum value is 521.1 Ω / sq. The maximum value is 538.4 Ω / sq. And the standard deviation is 4.79 Ω / sq. Therefore, it can be said that the in-plane sheet resistance variation is very small, which is industrially advantageous.

上記の良好な結果は、430ミクロンという十分に厚い基板を用いた為に、縦方向の熱分布に対してもエピタキシャルウェハの弾性的な反り量が少なくなり、これに付随して基板裏面と基板保持台の間にも隙間が生じず、エピタキシャルウェハ面内が熱的に極めて均質な状態を保たれた為であると考えられる。本発明ではこの自然現象を利用し、エピタキシャルウェハ面内での窒化ガリウム系化合物半導体膜の厚さ、ドーピング濃度、及びIII族原子構成比の均一性を向上させることに成功したのである。   The above-mentioned good result is that since a sufficiently thick substrate of 430 microns is used, the amount of elastic warpage of the epitaxial wafer is reduced even with respect to the heat distribution in the vertical direction. This is probably because no gap was generated between the holding tables, and the epitaxial wafer surface was kept in a thermally extremely homogeneous state. In the present invention, utilizing this natural phenomenon, the thickness of the gallium nitride compound semiconductor film, the doping concentration, and the uniformity of the group III atomic composition ratio within the epitaxial wafer surface have been successfully improved.

本発明で得られる430ミクロン厚のサファイア基板を用いたGaN−HEMT用エピタキシャルウェハの断面構造を示した図である。It is the figure which showed the cross-section of the epitaxial wafer for GaN-HEMTs using the sapphire substrate of 430 micron thickness obtained by this invention. 本発明によるGaN−HEMT用エピタキシャルウェハのシート抵抗分布測定の結果を示した図である。It is the figure which showed the result of the sheet resistance distribution measurement of the epitaxial wafer for GaN-HEMT by this invention. 比較例による330ミクロン厚のサファイア基板を用いたGaN−HEMT用エピタキシャルウェハの断面構造を示した図である。It is the figure which showed the cross-section of the epitaxial wafer for GaN-HEMT using the 330-micron-thick sapphire substrate by a comparative example. 比較例に係る図3のGaN−HEMT用エピタキシャルウェハのシート抵抗分布測定の結果を示した図である。It is the figure which showed the result of the sheet resistance distribution measurement of the epitaxial wafer for GaN-HEMT of FIG. 3 which concerns on a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

301 サファイア基板(3インチ(76.2mm)径、厚さ430ミクロン)
302 InGaNバッファ層
303 un−GaN層
304 un−AlGaN層
301 Sapphire substrate (3 inch (76.2 mm) diameter, thickness 430 microns)
302 InGaN buffer layer 303 un-GaN layer 304 un-AlGaN layer

Claims (4)

固体結晶基板と、前記固体結晶基板表面へMOVPE法によって成長された窒化ガリウム系化合物半導体膜とからなる、直径70.0mm以上の半導体エピタキシャルウェハにおいて、
前記窒化ガリウム系化合物半導体膜のMOVPE法による成長が水素を含む雰囲気中で実行され、且つ前記固体結晶基板に380ミクロン以上の厚みを有しているものが使用されていることを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ。
In a semiconductor epitaxial wafer having a diameter of 70.0 mm or more, comprising a solid crystal substrate and a gallium nitride compound semiconductor film grown on the surface of the solid crystal substrate by MOVPE,
Growth of the gallium nitride compound semiconductor film by MOVPE is performed in an atmosphere containing hydrogen, and the solid crystal substrate having a thickness of 380 microns or more is used. Epitaxial wafer.
請求項1に記載の半導体エピタキシャルウェハにおいて、
前記水素を含む雰囲気中でのMOVPE法による成長で、原料ガスとキャリアーガスの和である流入ガスの総流量に占める水素の割合が8%以上であることを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ。
The semiconductor epitaxial wafer according to claim 1,
A semiconductor epitaxial wafer characterized in that a proportion of hydrogen in a total flow rate of an inflowing gas, which is a sum of a source gas and a carrier gas, is 8% or more by growth by the MOVPE method in an atmosphere containing hydrogen.
請求項1又は2に記載の半導体エピタキシャルウェハにおいて、
前記固体結晶基板が、サファイアまたはシリコンカーバイドであることを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ。
In the semiconductor epitaxial wafer according to claim 1 or 2,
A semiconductor epitaxial wafer, wherein the solid crystal substrate is sapphire or silicon carbide.
請求項1〜3のいずれかの半導体エピタキシャルウェハから切り出したことを特徴とする半導体素子。   A semiconductor element cut out from the semiconductor epitaxial wafer according to claim 1.
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