JP2006156529A

JP2006156529A - 化合物半導体及びその製造方法

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Publication number: JP2006156529A
Application number: JP2004341714A
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: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】デバイスの基本構造であるダイオードにおける漏れ電流を低減し、かつ、エネルギー損失を低減し得る化合物半導体の提供。
【解決手段】結晶面方位｛１１１｝、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面、キャリア濃度１０^{１６〜２１}／ｃｍ^３（≒抵抗率１〜０．００００１Ωｃｍ）、伝導型ｎ型又はｐ型のＳｉ単結晶基板２上に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０^{１６〜２１}／ｃｍ^３、上記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層３、厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍ、キャリア濃度１０^{１６〜２１}／ｃｍ^３、前記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層４、及び厚さ０．０１〜１００μｍ、キャリア濃度１０^{１１〜１６}／ｃｍ^３（≒抵抗率１〜１０００００Ωｃｍ）、伝導型ｎ型又はｐ型の化合物半導体単結晶膜５が順に形成されている。
【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３Ｃ−ＳｉＣ（立方晶炭化ケイ素）やＡｌＮ（窒化アルミニウム）等の単結晶膜からなる化合物半導体及びその製造方法に関する。

化合物半導体は、その優れた物性により現在主流である半導体Ｓｉ（シリコン、ケイ素）によるデバイスの物性限界を凌駕するものとして期待されている。

従来、この種の化合物半導体及びその製造方法としては、Ｓｉ単結晶基板を水素等の非酸化性雰囲気又は真空中においてＳｉ単結晶の融点以下の温度で熱処理してその表面の自然酸化膜を除去してから、炭素雰囲気において熱処理してＳｉ単結晶基板の表面に薄いＳｉＣ（炭化ケイ素）単結晶層を形成した後、その上に気相成長により厚いＳｉＣ単結晶層を積層して化合物半導体成長用基板とし、この基板のＳｉＣ単結晶層上に気相成長により化合物半導体単結晶膜を積層して製造する方法及びその方法によって製造されたものが知られている（非特許文献１参照）。

しかし、従来の化合物半導体を用いて製造したデバイスでは、その基本構造であるダイオードにおいて、漏れ電流が多く実用に耐え得ない不具合がある。
漏れ電流が多いことはエネルギー損失を招くため、エネルギー損失の低いデバイスの実現が望まれている。
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．６１，Ｎｏ．１０，１５Ｍａｙ１９８７Ｐ．４８８９〜４８９３

本発明は、デバイスの基本構造であるダイオードにおける漏れ電流を低減し、かつ、エネルギー損失を低減し得る化合物半導体及びその製造方法の提供を課題とする。

本発明の第１の化合物半導体は、結晶面方位｛１１１｝、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面、キャリア濃度１０^{１６〜２１}／ｃｍ^３（≒抵抗率１〜０．００００１Ωｃｍ）、伝導型ｎ型又はｐ型のＳｉ単結晶基板上に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０^{１６〜２１}／ｃｍ^３、上記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層、厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍ、キャリア濃度１０^{１６〜２１}／ｃｍ^３、前記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層、及び厚さ０．０１〜１００μｍ、キャリア濃度１０^{１１〜１６}／ｃｍ^３（≒抵抗率１〜１０００００Ωｃｍ）、伝導型ｎ型又はｐ型の化合物半導体単結晶膜が順に形成されていることを特徴とする。

又、第２の化合物半導体は、結晶面方位｛１１１｝、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下（≒抵抗率１Ωｃｍ以上）、伝導型ｎ型又はｐ型のＳｉ単結晶基板の上に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下、伝導型ｎ型又はｐ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層、厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍ、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下、伝導型ｎ型又はｐ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層、及び厚さ０．０１〜１００μｍ、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下、伝導型ｎ型又はｐ型の化合物半導体単結晶膜が順に形成されていることを特徴とする。

一方、第１の化合物半導体の製造方法は、結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０^{１６〜２１}／ｃｍ^３、伝導型ｎ型又はｐ型のＳｉ単結晶基板を水素雰囲気、不活性ガス又は減圧雰囲気において８００〜１４００℃の温度で熱処理してから、炭素原料雰囲気において８００〜１４００℃の温度で熱処理して厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０^{１６〜２１}／ｃｍ^３、上記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層を形成した後、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層上に８００〜１４００℃の温度での気相成長により厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍ、キャリア濃度１０^{１６〜２１}／ｃｍ^３、前記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層を積層し、しかる後に、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層上に８００〜１４００℃の温度での気相成長により厚さ０．０１〜１００μｍ、キャリア濃度１０^{１１〜１６}／ｃｍ^３、伝導型ｎ型又はｐ型の化合物半導体単結晶膜を積層することを特徴とする。

又、第２の化合物半導体の製造方法は、結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下、伝導型ｎ型又はｐ型のＳｉ単結晶基板を水素雰囲気、不活性ガス又は減圧雰囲気において８００〜１４００℃の温度で熱処理してから、炭素原料雰囲気において８００〜１４００℃の温度で熱処理して厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下、伝導型ｎ型又はｐ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層を形成した後、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層上に８００〜１４００℃の温度での気相成長により厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍ、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下、伝導型ｎ型又はｐ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層を積層し、しかる後に、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層上に８００〜１４００℃の温度での気相成長により厚さ０．０１ｎｍ〜１００μｍ、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下、伝導型ｎ型又はｐ型の化合物半導体単結晶膜を積層することを特徴とする。

本発明の第１、第２の化合物半導体及びそれらの製造方法によれば、アンチフェーズバウンダリは、結晶面方位｛１１１｝と約６０°の角度の関係にある結晶面方位｛１００｝に垂直に形成され、結晶表面には達し難い一方、結晶学的に等価な６つの結晶面方位｛１００｝が存在し、アンチフェーズバウンダリ同士が衝突した際、アンチフェーズバウンダリの対消滅が起こり、アンチフェーズバウンダリの発生が低減するので、アンチフェーズバウンダリに沿って流れる漏れ電流を１／１０程度に低減することができる。

又、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有するＳｉ単結晶基板の表面上に３Ｃ−ＳｉＣを成長させることにより、アンチフェーズバウンダリの発生が低減するので、アンチフェーズバウンダリに沿って流れる漏れ電流を１／１０程度に低減することができる。
ちなみに、奇数個の原子段差を有する表面には、アンチフェーズバウンダリが発生することが知られている。

更に、Ｓｉ単結晶基板と３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の間に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層を介在させることにより、Ｓｉ単結晶基板と３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層との格子定数差や熱膨張係数差が緩和されてミスフィット転位の発生が低減するので、ミスフィット転位を流れる電流を１／１０程度に低減することができる。

更に又、この化合物半導体を用いて作製されるデバイスは、化合物半導体単結晶膜及び３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の物性を利用しつつ、ｐｎ接合あるいは空乏層がＳｉ単結晶基板及び３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の界面に及ばないように電気的な設計上の工夫がなされ、同界面近傍に発生するアンチフェーズバウンダリ及びミスフィット転位とｐｎ接合及び空乏層が電気的に分離されるので、各々の欠陥を流れる漏れ電流を１／１０程度に低減することができる。

そして、上述した作用効果は、相乗効果があり、全体として漏れ電流を１／５０程度と格段に低減することができる。

又、化合物半導体単結晶膜が六方晶ＡｌＮとすると、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層と格子不整合率及び熱膨張係数差が各々１％程度及び２％程度と格段に小さいため、化合物半導体単結晶膜及び３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層界面近傍の欠陥発生を低減でき、漏れ電流を１／５０程度と格段に低減することができる。

Ｓｉ単結晶基板には、ＣＺ（チョクラルスキー）法によるものの他、ＦＺ（フェーティングゾーン）法によるもの及びこれらのＳｉ単結晶基板に気相成長によりＳｉ単結晶層をエピタキシャル成長をさせたもの（Ｓｉエピ基板）も含まれる。
ちなみに、エピタキシャル成長は、結晶性の良い単結晶層（エピ層）を得る方法として知られており、その本質は基板の結晶面方位をエピ層に引き継ぐことである。

Ｓｉ単結晶基板の結晶面方位｛１１１｝には、結晶面方位｛１１１｝の微傾斜（約十数度）、あるいは｛２１１｝等の高次面指数の結晶面方位も含まれる。
なお、アンチフェーズバウンダリは、結晶面方位｛１１１｝と約６０°の角度の関係にある結晶面方位｛１００｝に垂直に形成され、結晶表面に達し難いが、｛１１１｝と｛１００｝が十分に角度を成していることが肝要である。

第１の化合物半導体において、Ｓｉ単結晶基板のキャリア濃度が、１０^１６／ｃｍ^３未満であると、高抵抗であるため、Ｓｉ単結晶基板に通電した際、エネルギー損失となる。一方、１０^２１／ｃｍ^３を超えることは、Ｓｉ単結晶の物性的に困難であるが、エネルギー損失の観点からキャリア濃度は高い程よい。
Ｓｉ単結晶基板のキャリア濃度の下限は、１０^１７／ｃｍ^３が好ましい。
なお、第２の化合物半導体において、Ｓｉ単結晶基板のキャリア濃度が、１０^１６／ｃｍ^３を超えると、化合物半導体に高周波にて通電した際、Ｓｉ単結晶基板に渦電流が発生して化合物半導体の性能が悪影響を受けてしまう。
Ｓｉ単結晶基板のキャリア濃度の上限は、１０^１５／ｃｍ^３が好ましい。

Ｓｉ単結晶基板の厚さは、１００〜１０００μｍが好ましく、２００〜８００μｍがより好ましい。
Ｓｉ単結晶基板の厚さが、１００μｍ未満であると、機械的強度不足となる。一方、１０００μｍを超えると、原料の経済的な損失となる。

３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の厚さが、０．１ｎｍ未満であると、緩衝効果が不足となる。一方、１００ｎｍを超えると、原料の経済的な損失となる。
３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の厚さは、１〜８０ｎｍがより好ましい。

第１の化合物半導体における３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層のキャリア濃度が、１０^１６／ｃｍ^３未満であると、高抵抗であるため、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層に通電した際、エネルギー損失となる。一方、１０^２１／ｃｍ^３を超えることは、物性的に困難であるが、エネルギー損失の観点からキャリア濃度は高い程よい。
３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層のキャリア濃度の下限は、１０^１７／ｃｍ^３が好ましい。
又、第２の化合物半導体における３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層のキャリア濃度が、１０^１６／ｃｍ^３を超えると、化合物半導体に高周波にて通電した際、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層に渦電流が発生して化合物半導体の性能が悪影響を受けてしまう。
３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層のキャリア濃度の上限は、１０^１５／ｃｍ^３が好ましい。

第１の化合物半導体における３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の伝導型がＳｉ単結晶基板の伝導型と異なると、ｐｎ接合及び空乏層が３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層とＳｉ単結晶基板の界面近傍に形成され、同界面近傍に発生するアンチフェーズバウンダリ及びミスフィット転位がｐｎ接合及び空乏層と電気的に分離されないので、各々の欠陥を漏れ電流が流れてしまい、エネルギー損失となる。

３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の厚さが、０．１ｎｍ未満であると、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層中でのミスフィット転位の対消滅によりミスフィット転位が十分に低減することができず、ミスフィット転位を流れる漏れ電流が増えてしまい、エネルギー損失となる。一方、１０μｍを超えると、原料の経済的な損失となる。
３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の厚さは、０．１〜５μｍがより好ましい。

第１の化合物半導体における３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層のキャリア濃度が、１０^１６／ｃｍ^３未満であると、高抵抗であるため、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層に通電した際、エネルギー損失となる。一方、１０^２１／ｃｍ^３を超えることは、物性的に困難であるが、エネルギー損失の観点からキャリア濃度は高い程よい。
３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層のキャリア濃度の下限は、１０^１７／ｃｍ^３が好ましい。

第１の化合物半導体における３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の伝導型がＳｉ単結晶基板の伝導型と異なると、ｐｎ接合が形成され、付随して空乏層が３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層と３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の界面近傍に形成され、同界面近傍に存在する残留のアンチフェーズバウンダリ及びミスフィット転位がｐｎ接合及び空乏層と電気的に分離されないので、各々の欠陥を漏れ電流が流れてしまい、エネルギー損失となる。

化合物半導体単結晶膜の厚さが、０．０１μｍ未満であると、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層のキャリア濃度が高いため、キャリア濃度の低い化合物半導体単結晶膜に流れ込み、その影響を強く受けて化合物半導体の本来の物性が発現しないこととなる。一方、１００μｍを超えると、原料の経済的損失となる。
化合物半導体単結晶膜の厚さは、０．１〜５０μｍがより好ましい。

第１の化合物半導体における化合物半導体単結晶膜のキャリア濃度が、１０^１１／ｃｍ^３未満であるのは、物性的に困難となるが、キャリア濃度は、化合物半導体性能の観点から低い程よい。一方、１０^１６／ｃｍ^３を超えると、高電圧を化合物半導体単結晶膜に作製したダイオードに印加した際、低電圧でダイオードが破壊する不具合となる。
又、第２の化合物半導体における化合物半導体単結晶膜のキャリア濃度が、１０^１６／ｃｍ^３を超えると、前記同様に低電圧でデバイスあるいはダイオードが破壊する不具合となる。
化合物半導体単結晶膜のキャリア濃度の下限は、１０^１５／ｃｍ^３が好ましい。

水素雰囲気、不活性ガス又は減圧雰囲気における熱処理によって、後の気相成長に有用な化学的に活性で、かつ、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面のＳｉ単結晶基板に調製されるが、その際の温度が、８００℃未満であると、化学的に不活性で、かつ、原子格差の有る又は奇数個の原子段差を有する表面のＳｉ単結晶基板に調製されて、後の気相成長に不具合を及ぼす。一方、１４００℃を超えると、Ｓｉ単結晶基板が溶融して後の気相成長が困難となる。
水素雰囲気、不活性ガス又は減圧雰囲気における熱処理温度は、９００〜１３００℃がより好ましい。

炭素原料雰囲気における熱処理によって、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面を維持した状態で３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の形成が行われるが、その際の温度が、８００℃未満であると、原料が分解せず、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の形成が困難となる。一方、１４００℃を超えると、Ｓｉ単結晶基板が溶融して後の気相成長が困難となる。
炭素原料雰囲気における熱処理温度は、９００〜１３００℃がより好ましい。

炭素原料としては、炭素を含んでおればよく、水素等で希釈したガス原料、液体原料及び固体原料が知られている。
上記ガス原料としては、ＣＨ_４（メタン）、Ｃ_２Ｈ_６（エタン）、Ｃ_４Ｈ_１０（ブタン）、Ｃ_２Ｈ_２（アセチレン）等が挙げられる。

３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の厚さは、炭素原料流量、圧力、温度及び時間によって調整される。

３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層のキャリア濃度は、Ｓｉ単結晶基板のキャリア濃度の調整、あるいは熱処理中におけるドーパントの添加によって調整される。
ドーパント元素としては、ｎ型：Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ｓｂ（アンチモン）、Ａｓ（ヒ素）等が、ｐ型：Ａｌ（アルミニウム）、Ｂ（ホウ素）、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）等が知られている。
又、これらの元素を含む原料としては、Ｎ_２（窒素ガス）、水素化物：ＮＨ_３（アンモニア）、ＰＨ_３（ホスフィン）、Ｂ_２Ｈ_６（ジボラン）、Ａｓ化物：ＡｓＨ_３、Ａｓ_２Ｈ_４（アルシン）、Ｓｂ化物、ＳｂＨ_３（スチビン）、メチル基を有する原料として有機系：ＴＭＢ（トリメチルボラン）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）が知られ、かつ、水素等で希釈したガス原料、液体原料及び固体原料が知られている。

３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の気相成長温度が、８００℃未満であると、原料が分解せず、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の形成が困難となる。一方、１４００℃を超えると、Ｓｉ単結晶基板が溶融して後の気相成長が困難となる。
３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の気相成長温度は、９００〜１３００℃がより好ましい。

３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の気相成長用原料としては、水素等で希釈したガス原料、液体原料及び固体原料が知られている。
上記ガス原料としては、水素化物：ＳｉＨ_４（モノシラン）、Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_４Ｈ_１０、Ｃ_２Ｈ_２等、ハロゲン化物：ＳｉＨ_２Ｃｌ_２（ジクロロシラン）、ＳｉＨＣｌ_３（トリクロロシラン）等が知られている。

３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の厚さは、原料流量、圧力、温度及び時間によって調整される。

３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層のキャリア濃度は、気相成長中におけるドーパントの添加によって調整される。
ドーパント元素としては、ｎ型：Ｎ、Ｐ、Ｓｂ、Ａｓ等が、ｐ型：Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ等が知られている。
又、これらの元素を含む原料としては、Ｎ_２、水素化物：ＮＨ_３、ＰＨ_３、Ｂ_２Ｈ_６、Ａｓ化物：ＡｓＨ_３、Ａｓ_２Ｈ_４、Ｓｂ化物：ＳｂＨ_３、メチル基を有する原料として有機系：ＴＭＢ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、ＴＥＧが知られ、かつ、水素等で希釈したガス原料、液体原料及び固体原料が知られている。

化合物半導体としての化合物半導体単結晶膜は、ＡｌＮ、ＩｎＮ（窒化インジウム）及び立方晶又は六方晶のＧａＮ（窒化ガリウム）等の窒化物と呼ばれるものからなるもの、３Ｃ−ＳｉＣ、ｃ−ＢＰ（立方晶リン化ホウ素）からなるもの等が挙げられる。

化合物半導体単結晶膜の気相成長温度が、８００℃未満であると、原料が分解せず、化合物半導体単結晶膜の気相成長が困難となる。一方、１４００℃を超えると、Ｓｉ単結晶基板が溶融して化合物半導体単結晶膜の気相成長が困難となる。
化合物半導体単結晶膜の気相成長温度は、９００〜１３００℃がより好ましい。

窒化物半導体の気相成長用原料としては、水素等で希釈したガス原料、液体原料及び固体原料が知られている。
上記ガス原料としては、Ｎ_２、水素化物：ＮＨ_３等、メチル基を有する原料として有機系：ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、ＴＥＧ、ＴＭＨ（トリメチルヒドラジン）等が知られている。
一方、ＳｉＣ半導体の気相成長用原料としては、前述したように、水素等で希釈したガス原料、液体原料及び固体原料が知られている。
上記ガス原料としては、水素化物：ＳｉＨ_４（モノシラン）、Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_４Ｈ_１０、Ｃ_２Ｈ_２等、ハロゲン化物：ＳｉＨ_２Ｃｌ_２（ジクロロシラン）、ＳｉＨＣｌ_３（トリクロロシラン）等が知られている。

化合物半導体単結晶膜の厚さは、原料流量、圧力、温度及び時間によって調整される。

化合物半導体単結晶膜のキャリア濃度は、気相成長中におけるドーパントの添加によって調整される。
窒化物半導体のドーパントとしては、ｎ型：Ｃ（炭素）、Ｓｉ、Ｇｅ（ゲルマニウム）等が、ｐ型：Ｍｇ（マグネシウム）等が知られている。
又、これらの元素を含む原料としては、水素化物：ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８（プロパン）、Ｃ_４Ｈ_１０、Ｃ_２Ｈ_４、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＧｅＨ_４（モノゲルマン）等、メチル基を有する原料として有機系：Ｃｐ_２Ｍｇ（Bis-(cycro-pentadienyl）Magnesium）等が知られ、かつ、水素等で希釈したガス原料、液体原料及び固体原料が知られている。
一方、ＳｉＣ半導体のドーパントとしては、前述したように、ｎ型：Ｎ、Ｐ、Ｓｂ、Ａｓ等が、ｐ型：Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ等が知られている。
又、これらを含む原料としては、Ｎ_２、水素化物：ＮＨ_３、ＰＨ_３、Ｂ_２Ｈ_６、Ａｓ化物：ＡｓＨ_３、Ａｓ_２Ｈ_４、Ｓｂ化物：ＳｂＨ_３、メチル基を有する原料として有機系：ＴＭＢ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、ＴＥＧが知られ、かつ、水素等で希釈したガス原料、液体原料及び固体原料が知られている。
又、化合物半導体単結晶膜のキャリア濃度を特に低くする場合、気相成長中におけるドーパントの添加を実施しないことで、キャリア濃度を特に低く調整できる。

図１は本発明に係わ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、結晶面方位｛１１１｝、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面（図１においては上面）、キャリア濃度１０^１７／ｃｍ^３（≒抵抗率０．１Ωｃｍ）、伝導型ｎ型の厚さ４００μｍのＳｉ単結晶基板２上に、厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度１０^１７／ｃｍ^３、上記Ｓｉ単結晶板２の伝導型と同じｎ型の伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層３、厚さ１０μｍ、キャリア濃度１０^１７／ｃｍ^３、前記Ｓｉ単結晶基板２の伝導型と同じｎ型の伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層４、及び厚さ５μｍ、キャリア濃度１０^１５／ｃｍ^３（≒抵抗率１０Ωｃｍ）、伝導型ｎ型の化合物半導体単結晶膜としての３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜５が順に形成されているものである。

上述した化合物半導体（ＳｉＣ半導体）１を製造するには、先ず、結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０^１７／ｃｍ^３、伝導型ｎ型で、ＣＺ法によって製造された厚さ４００μｍのＳｉ単結晶基板２を用意した。

次に、Ｓｉ単結晶基板２を水素雰囲気において１０００℃の温度で熱処理し、この熱処理に際して水素流量あるいは圧力、又、時間を調整することにより原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面を調製した（図２（ａ）参照）。

次いで、Ｃ_３Ｈ_８原料ガスを流した雰囲気において１０００℃の温度で熱処理し（図２（ｂ）参照）、厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度１０^１７／ｃｍ^３、前記Ｓｉ単結晶基板１の伝導型の同じｎ型の伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層３（図２（ｃ）参照）を形成した。
なお、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層３の厚さは、炭素原料としてのＣ_３Ｈ_８原料ガスの流量及び時間により調整し、又、キャリア濃度は、熱処理中にＮ_２をドーパントとして添加することにより調整した。

次に、原料ガスとしてＳｉＨ_４ガス及びＣ_３Ｈ_８ガスを用い（図２（ｃ）参照）、１０００℃の温度での気相成長によって３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファ層３上に、厚さ１０μｍ、キャリア濃度１０^１７／ｃｍ^３、前記Ｓｉ単結晶基板１の伝導型と同じｎ型の伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層４（図２（ｄ）参照）を積層した。
なお、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層４の厚さは、原料流量及び時間により調整し、又、キャリア濃度は、気相成長中にＮ_２をドーパントとして添加することにより調整した。

最後に、原料ガスとしてＳｉＨ_４ガス及びＣ_３Ｈ_８ガスを用い（図２（ｄ）参照）、１０００℃の温度での気相成長によって３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層４上に、厚さ５μｍ、キャリア濃度１０^１５／ｃｍ^３、伝導型ｎ型の化合物半導体単結晶膜としての３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜５（図１参照）を積層した。
なお、化合物半導体単結晶膜としての３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜５の厚さは、原料流量及び時間により調整し、又、キャリア濃度は、気相成長中にＮ_２をドーパントとして添加することにより調整した。

ここで、上述した化合物半導体１を用いてダイオードを作製し、その漏れ電流を測定したところ、従来の１／１００程度に低減し、十分に実用に耐え得るものとなった。

図３は、本発明に係わ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、結晶面方位｛１１１｝、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面（図３においては上面）、キャリア濃度１０^１５／ｃｍ^３（≒抵抗率１０Ωｃｍ）、伝導型ｎ型の厚さ４００μｍのＳｉ単結晶基板７上に、厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度１０^１５／ｃｍ^３、伝導型ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層バッファー層８、厚さ１０μｍ、キャリア濃度１０^１５／ｃｍ^３、伝導型ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層９、及び厚さ５μｍ、キャリア濃度１０^１５／ｃｍ^３、伝導型ｎ型の化合物半導体としての六方晶ＧａＮ単結晶膜１０が順に形成されているものである。

上述した化合物半導体（ＧａＮ半導体）６を製造するには、先ず、結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０^１５／ｃｍ^３、伝導型ｎ型で、ＣＺ法によって製造された厚さ４００μｍのＳｉ単結晶基板７を用意した。

次に、Ｓｉ単結晶基板７を水素雰囲気において１０００℃の温度で熱処理し、この熱処理に際して水素流量あるいは圧力、又、時間を調整することにより、原子段差の無し又は偶数個の原子段差を有する表面を調製した（図４（ａ）参照）。

次いで、Ｃ_３Ｈ_８原料ガスを流した雰囲気において１０００℃の温度で熱処理し（図４（ｂ）参照）、厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度１０^１５／ｃｍ^３、伝導型ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層８（図４（ｃ）参照）を形成した。
なお、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層８の厚さは、炭素原料としてのＣ_３Ｈ_８原料ガスの流量及び時間により調整し、又、キャリア濃度は、熱処理中にドーパントを添加しないことにより低く調整した。

次に、原料ガスとしてＳｉＨ_４ガス及びＣ_３Ｈ_８ガスを用い（図４（ｃ）参照）、１０００℃の温度での気相成長によって３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層８上に、厚さ１０μｍ、キャリア濃度１０^１５／ｃｍ^３、伝導型ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層９（図４（ｄ）参照）を積層した。
なお、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層９の厚さは、原料流量及び時間により調整し、又、キャリア濃度は、気相成長中にドーパントを添加しないことにより低く調整した。

最後に、原料ガスとしてＴＭＧガス及びＮＨ_３ガスを用い（図４（ｄ）参照）し、１０００℃の温度での気相成長によって３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層９上に、厚さ５μｍ、キャリア濃度１０^１５／ｃｍ^３、伝導型ｎ型の化合物半導体結晶膜としての六方晶ＧａＮ単結晶膜１０（図３参照）を積層した。
なお、化合物半導体単結晶膜としての六方晶ＧａＮ単結晶膜１０の厚さは、原料流量及び時間により調整し、又、キャリア濃度は、気相成長中にドーパントを添加しないことにより低く調整した。

ここで、上述した化合物半導体６を用いてダイオードを作製し、その漏れ電流を測定したところ、従来の１／１００程度に低減し、十分に実用に耐え得るものとなった。

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）は第３工程説明図、（ｄ）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単結晶バッファー層
４３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層
５３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜（化合物半導体単結晶膜）
７Ｓｉ単結晶基板
８３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層
９３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層
１０六方晶ＧａＮ単結晶膜（化合物半導体単結晶膜）

Claims

結晶面方位｛１１１｝、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面、キャリア濃度１０^{１６〜２１}／ｃｍ^３（≒抵抗率１〜０．００００１Ωｃｍ）、伝導型ｎ型又はｐ型のＳｉ単結晶基板上に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０^{１６〜２１}／ｃｍ^３、上記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層、厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍ、キャリア濃度１０^{１６〜２１}／ｃｍ^３、前記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層、及び厚さ０．０１〜１００μｍ、キャリア濃度１０^{１１〜１６}／ｃｍ^３（≒抵抗率１〜１０００００Ωｃｍ）、伝導型ｎ型又はｐ型の化合物半導体単結晶膜が順に形成されていることを特徴とする化合物半導体。
結晶面方位｛１１１｝、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下（≒抵抗率１Ωｃｍ以上）、伝導型ｎ型又はｐ型のＳｉ単結晶基板の上に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下、伝導型ｎ型又はｐ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層、厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍ、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下、伝導型ｎ型又はｐ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層、及び厚さ０．０１〜１００μｍ、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下、伝導型ｎ型又はｐ型の化合物半導体結晶膜が順に形成されていることを特徴とする化合物半導体。
結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０^{１６〜２１}／ｃｍ^３、伝導型ｎ型又はｐ型のＳｉ単結晶基板を水素雰囲気、不活性ガス又は減圧雰囲気において８００〜１４００℃の温度で熱処理してから、炭素原料雰囲気において８００〜１４００℃の温度で熱処理して厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０^{１６〜２１}／ｃｍ^３、上記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層を形成した後、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層上に８００〜１４００℃の温度での気相成長により厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍ、キャリア濃度１０^{１６〜２１}／ｃｍ^３、前記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層を積層し、しかる後に、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層上に８００〜１４００℃の温度での気相成長により厚さ０．０１〜１００μｍ、キャリア濃度１０^{１１〜１６}／ｃｍ^３、伝導型ｎ型又はｐ型の化合物半導体結晶膜を積層することを特徴とする化合物半導体の製造方法。
結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下、伝導型ｎ型又はｐ型のＳｉ単結晶基板を水素雰囲気、不活性ガス又は減圧雰囲気において８００〜１４００℃の温度で熱処理してから、炭素原料雰囲気において８００〜１４００℃の温度で熱処理して厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下、伝導型ｎ型又はｐ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層を形成した後、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層上に８００〜１４００℃の温度での気相成長により厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍ、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下、伝導型ｎ型又はｐ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層を積層し、しかる後に、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層上に８００〜１４００℃の温度での気相成長により厚さ０．０１〜１００μｍ、キャリア濃度１０^１６／ｃｍ^３以下、伝導型ｎ型又はｐ型の化合物半導体単結晶膜を積層することを特徴とする化合物半導体の製造方法。