JP2007059850A - Iii族窒化物成膜用基板及びその製造方法並びにそれを用いた半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 基材11と、この基材上に形成されるバッファ層としてのAlN薄膜12と、を含んでおり、その上にIII 族窒化物薄膜から成る半導体装置が形成されるIII 族窒化物成膜用基板10であって、AlN薄膜が、その成膜途中で少なくとも一回成膜条件を変更して複数段階で成膜されるようにIII 族窒化物成膜用基板10を構成する。
【選択図】 図1
Description
ここで、このようなバッファ層を成膜するためには、例えば特許文献1等による所謂低温バッファ層技術や、例えば特許文献2〜5による所謂AlN直接高温成長技術が開示されている。
また、クラックは発生しにくいものの、所謂ピットが発生しやすく、またバッファ層の成膜温度を高くすると、生成されるAlN薄膜に白濁が発生しやすくなってしまうという課題がある。
上記構成において、本発明によるIII 族窒化物成膜用基板は、好ましくは、上記成膜条件変更のパラメータが、成長温度,圧力または原料ガス流量及び流量比そして変更時期である。
好ましくは、基材は、サファイア基板,SiC(炭化珪素)基板,Si(シリコン)基板の何れかである。このとき、基材の表面に窒化処理が加えられていることが好ましい。また、好ましくは、AlN系薄膜は、その成膜時間のうち、少なくとも一部で、成膜条件を無段階で変更して成膜されている。また、好ましくは、AlN系薄膜は、AlN薄膜である。好ましい形態として、C面の窒化物が成長されている。
AlN薄膜が、その成膜時間のうち少なくとも一部で、成膜条件を無段階で変更して成膜されている場合には、実質的に連続的に変化する無限段階として、AlN膜が成膜されることになる。
上記構成において、好ましくは、基材は、サファイア基板,SiC基板,Si基板の何れかである。このとき、基材の表面に窒化処理を加えられている。
上記第二の構成によれば、例えばサファイア基板,SiC基板,Si基板等の何れかの基材上に、AlN系薄膜を成膜途中で少なくとも一回成膜条件、例えば成長温度,圧力または原料ガス流量及び流量比そして変更時期のパラメータを変更して、複数段階で成膜させることにより、単結晶のAlN系薄膜が形成されることになり、AlN系薄膜の白濁が回避され得ると共に、より薄く形成され、またAlN系薄膜の転位密度が低減されることから、AlN系薄膜上に形成されるデバイス構造におけるピット発生密度が低減されて、クラックの発生も抑制され得る。
上記成膜条件のうち、成膜温度を、段階毎に徐々に高くなるように変更する場合、成膜時間を、段階毎に長くなるように変更する場合、V/III 比を、段階毎に小さくなるように変更する場合には、何れの場合にも、より一層ピット発生密度が低減され、AlN系薄膜の表面が平坦に形成され得る。
上記構成において、半導体装置のデバイス構造は、発光ダイオード,レーザダイオード等の半導体発光素子である。また、半導体装置のデバイス構造は、好ましくは、FET等の電子デバイスである。
図1は、本発明によるIII 族窒化物成膜用基板の構造を模式的に示す断面図である。図1において、III 族窒化物成膜用基板10は、基材11と、基材11の表面に形成されたバッファ層としてのAlN薄膜12と、から構成されている。 本発明の実施形態では、基板11の上にAlN系薄膜としてのAlN薄膜12が形成されている場合を説明する。ここで、AlN系薄膜とは、III 族窒化物材料からなる薄膜で、全III 族元素のうちほとんどをAl(アルミニウム)が占めており、概ね80%以上のものをいう。
上記基材11は、例えばサファイア基板,SiC基板,Si基板等から選ばれる何れかの基板が使用される。AlN薄膜12は、この場合、互いに成膜条件の異なる複数段階、図示の場合、点線で示すように、二段階でそれぞれAlN薄膜12a,12bとして成膜されている。サファイア基板の場合には、AlN薄膜を形成する面は、a面又はc面とすることができる。
呼ぶ)そして成膜条件の変更時期が可能である。例えば、AlN薄膜が、その成膜途中で少なくとも一回成膜条件を変更して、複数段階で成膜されればよい。また、AlN薄膜が、その成膜時間のうち少なくとも一部で、成膜条件を無段階で変更して成膜されてもよい。成膜条件のうち、成膜温度を段階毎に徐々に高くなるように変更してもよい。成膜時間を段階毎に長くなるように変更してもよい。
比を、段階毎に小さくなるように変更してもよい。また、成膜条件の変更の際に、AlN薄膜の成膜を一時的に中断してもよい。
なお、上述した第一の段階Aと第二の段階Bの間に、成膜中断期間Cを設けるようにしてもよい。この場合、成膜中断期間C内にて、温度や圧力の変更、原料ガスの交換等が確実に行なわれ得ることになる。その際、成膜中断期間Cは、例えば、10秒や60秒など、成膜条件等により好ましい時間が設定されるが、中断期間においては、NH3 とキャリアガスとの混合ガス雰囲気またはキャリアガス雰囲気とするとよい。TMAとキャリアガスとの混合ガス雰囲気では、ピットが多くなり好ましくない。
図3は、図1のIII 族窒化物成膜用基板を製造するためのIII 族窒化物成膜用基板を製造する装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。図3において、製造装置20は、基材11上にAlN薄膜12を形成するための装置、即ち、III 族有機金属ガス及び窒素元素を含むガスを原料ガスとして使用して、化学気相反応法によってIII 族窒化物薄膜を形成する、所謂MOCVD装置である。この場合、製造装置20は、AlN薄膜12を形成するための原料ガスを、基材11の主面上に流すことができるように構成されている。
なお、上記製造装置20は、AlN薄膜の形成のみのために使用されるものではなく、所定の基材に対して単層または多層の結晶層をエピタキシャル成長させることもできるように構成されており、これにより種々のIII 族窒化物材料を用いた半導体装置のデバイス構造を形成することもできるようになっている。
これに対して、配管系L2は、例えば原料ガスとしてTMA(トリメチルアルミニウム;Al(CH3 )3 ),TMG(トリメチルガリウム;Ga(CH3 )3 ),TMI(トリメチルインジウム;In(CH3 )3 ),TEB(トリエチルホウ素;B(C2 H5 )3 ),CP2 Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム;Mg(C5 H5 )2 ),シランガス(SiH4 )と、キャリアガスとして窒素ガス及び水素ガスを供給するための配管系である。
なお、上記CP2 Mg及びシランガスは、それぞれIII 族窒化物におけるアクセプタ及びドナーとなるMg及びSiの原料であるので、使用するアクセプタ及びドナーに応じて適宜に変更され得る。また、上記TMA,TEB,TMG,TMI,CP2 Mgの供給源23dから23hは、所謂バブリングを行なうために、それぞれ窒素ガスの供給源23b及び水素ガスの供給源23cに接続されている。
サセプタ21aは、その直下に設けられたヒータ25により加熱され、所定温度に温度制御され得る。
ここで、ヒータ25は、例えば抵抗加熱や高周波誘導加熱式のヒータであって、基材11に密着するサセプタ21aの温度を調整することによって、エピタキシャル成長温度を変化させることが可能になっている。即ち、製造装置20でのMOCVD法によるエピタキシャル成長温度が、ヒータ25によって制御される。
さらに、各供給源23aから23iに備えられた流量計を利用して、原料ガスの流量及び流量比を変更することができる。
図5において、半導体装置30は、図1に示したIII 族窒化物成膜用基板10上に、第1のコンタクト層31、第1のクラッド層32,発光層33,第2のクラッド層34,第2のコンタクト層35が順に成膜され、部分的に露出した第1のコンタクト層及び第2のコンタクト層には、電極36,37が形成されている発光ダイオードである。
この場合、III 族窒化物成膜用基板11のAlN薄膜12が低い転位密度で、原子レベルで平坦に形成されているので、その上に形成される発光ダイオード30のデバイス構造におけるピット密度も大幅に低減され、クラックの発生もないことから、発光ダイオード(LED)30の品質も向上することになる。
図6において、半導体装置40は、図1に示したIII 族窒化物成膜用基板10上に、第1のコンタクト層41、第1のクラッド層42,活性層43,第2のクラッド層44,第2のコンタクト層45が順に成膜され、部分的に露出した第1のコンタクト層と第2のコンタクト層とには、電極46,47が形成されている半導体レーザダイオードである。
この場合、III 族窒化物成膜用基板10のAlN薄膜12が低い転位密度で、原子レベルで平坦に形成されているので、その上に形成される半導体レーザダイオード40のデバイス構造におけるピット密度も大幅に低減され、クラックの発生もないことから、半導体レーザダイオード(LD)40の品質も向上する。
図7において、半導体装置50は、図1に示したIII 族窒化物成膜用基板10上に形成されたチャンネル層51と、チャンネル層51にイオン注入法などで形成されるソース領域52及びドレイン領域53と、ショットキー電極54、ソース電極55、ドレイン電極56が形成されることにより、FET構造が形成されている。
この場合、III 族窒化物成膜用基板10のAlN薄膜12が低い転位密度で、原子レベルで平坦に形成されているので、その上に積層されるFET50を構成するチャンネル層51におけるピット密度も大幅に低減され、クラックの発生もないことから、FET50の品質も向上する。
最初に本発明のIII 族窒化物成膜用基板11の製造方法について説明する。
基材11として、2インチ径,厚さ400μmの(0001)面サファイア単結晶を使用した。表1は、図3の製造装置によるIII 族窒化物成膜用基板の製造の実施例1〜実施例4における各成膜条件を示す表である。
図8に示すように、実施例1−1〜1−4のピット密度は、1×108 /cm2 以下に低減していて、比較例1−1及び従来技術と比較して、エッチピット密度が大幅に改善されることが分かった。
実施例2では、1100℃,10分の水素ガスによるクリーニング処理と1100℃,10秒の窒化処理を行なった後、成膜条件として、圧力10Torr,成膜温度1100℃,キャリアガス導入量350(mモル/分)を一定とし、第一の段階にてIII 族原料導入量35(μモル/分),V族原料導入量4.5(mモル/分),V/III 比(原料ガス流量比)130,膜厚0.3μmとし、第二の段階にてIII 族原料導入量を35,17.5,52.5,35,35(μモル/分)と変更し、これに伴ってV族原料導入量を4.5,4.5,4.5,9.0,1.8(mモル/分)と変更して、V/III 比(原料ガス流量比)を130,260,86,260,50(それぞれ、実施例2−1〜2−5と呼ぶ)と変更して、膜厚0.3μmでAlN薄膜12を成膜した。
実施例3では、1100℃,10分の水素ガスによるクリーニング処理と1100℃,7分の窒化処理を行なった後、成膜条件として、成膜温度1100℃,III 族原料導入量40(μモル/分),V族原料導入量20(mモル/分),V/III 比(原料ガス流量比)500,キャリアガス導入量350(mモル/分)を一定とし、第一の段階にて圧力15Torr,膜厚0.3μmとし、第二の段階にて圧力を8,10,15,20Torr(それぞれ、実施例3−1〜3−5と呼ぶ)と変更して、膜厚0.3μmでAlN薄膜12を成膜した。
なお、実施例3においては、圧力を8から20Torrの間で変化させた場合について示されているが、これに限らず、5から100Torrの間で変化させた場合でも同様の効果が得られた。
実施例4−1〜3では、1200℃,10分の水素ガスによるクリーニング処理と1200℃,3分の窒化処理を行なった後、成膜条件として、圧力8Torr,III 族原料導入量35(μモル/分),V族原料導入量4.5(mモル/分),V/III 比(原料ガス流量比)130,キャリアガス導入量350(mモル/分)を一定とし、第一の段階にて成膜温度1200℃,膜厚0.2,0.3,0.4μmとし、第二の段階にて成膜温度を1250℃,膜厚0.4,0.3,0.2μmで、それぞれAlN薄膜12を成膜した。
なお、上述した実験4においては、AlN薄膜12の合計膜厚が0.6μmの場合について示されているが、これに限らず、合計膜厚が0.2,0.4,0.8,1.0μmの場合についても、AlN薄膜12a,12bの膜厚比を変更して、圧力30Torr,V/III 比200,一段目の成膜温度1150℃,二段目の成膜温度1250℃にて、同様の効果が得られた。
11:基材
12,12a,12b:AlN薄膜
20:III 族窒化物成膜用基板の製造装置
21:反応容器
21a:サセプタ
22:反応性ガス導入管
22a:導入口
22b:排気口
22c:開口部
23a〜23i:供給源
24:真空ポンプ
25:ヒータ
30:半導体装置(発光ダイオード)
31,41:第1のコンタクト層
32、42:第1のクラッド層
33:発光層
34,44:第2のクラッド層
35,45:第2のコンタクト層
36,37,46,47:電極
40:半導体装置(レーザダイオード)
43:活性層
50:半導体装置(FET)
51:チャンネル層
52:ソース領域
53:ドレイン領域
54:ショットキー電極
55:ソース電極
56:ドレイン電極
Claims (20)
- 基材と、この基材上に形成されるバッファ層としてのAlN系薄膜と、を含んでおり、その上にIII 族窒化物薄膜から成る半導体装置が形成されるIII 族窒化物成膜用基板であって、
上記AlN系薄膜が、その成膜途中で少なくとも一回は成膜条件を変更する複数段階で、成膜され、ピット密度が2×108 cm-2以下であることを特徴とする、III 族窒化物成膜用基板。 - 前記成膜条件変更のパラメータが、成長温度,圧力または原料ガス流量及び流量比そして変更時期であることを特徴とする、請求項1に記載のIII 族窒化物成膜用基板。
- 前記基材が、サファイア基板,SiC基板,Si基板の何れかであることを特徴とする、請求項1又は2に記載のIII 族窒化物成膜用基板。
- 前記基材の表面に窒化処理を加えたことを特徴とする、請求項3に記載のIII 族窒化物成膜用基板。
- 前記AlN系薄膜が、その成膜時間のうち、少なくとも一部で、成膜条件を無段階で変更して、成膜されたことを特徴とする、請求項1から4の何れかに記載のIII 族窒化物成膜用基板。
- 前記AlN系薄膜が、AlN薄膜であることを特徴とする、請求項1から5の何れかに記載のIII 族窒化物成膜用基板。
- 基材上にバッファ層としてのAlN系薄膜を形成することにより、その上にIII 族窒化物薄膜から成る半導体装置を成長させるためのIII 族窒化物成膜用基板の製造方法であって、
上記AlN系薄膜を、その成膜途中で少なくとも一回は成膜条件を変更する複数段階で、成膜させることを特徴とする、III 族窒化物成膜用基板の製造方法。 - 前記成膜条件変更のパラメータが、成長温度,圧力または原料ガス流量及び流量比そして変更時期であることを特徴とする、請求項7に記載のIII 族窒化物成膜用基板の製造方法。
- 前記基材が、サファイア基板,SiC基板,Si基板の何れかであることを特徴とする、請求項7又は8に記載のIII 族窒化物成膜用基板の製造方法。
- 前記基材の表面に窒化処理を加えたことを特徴とする、請求項9に記載のIII 族窒化物成膜用基板の製造方法。
- 前記AlN系薄膜を、その成膜時間のうち、少なくとも一部で、成膜条件を無段階で変更して、成膜させることを特徴とする、請求項7から10の何れかに記載のIII 族窒化物成膜用基板の製造方法。
- 前記成膜条件のうち、成膜温度を、段階毎に徐々に高くなるように変更することを特徴とする、請求項7から11の何れかに記載のIII 族窒化物成膜用基板の製造方法。
- 前記成膜条件のうち、成膜時間を、段階毎に長くなるように変更することを特徴とする、請求項7から12の何れかに記載のIII 族窒化物成膜用基板の製造方法。
- 前記成膜条件のうち、V/III 比を、段階毎に小さくなるように変更することを特徴とする、請求項7から13の何れかに記載のIII 族窒化物成膜用基板の製造方法。
- 前記成膜条件の変更の際に、AlN系薄膜の成膜を一時的に中断することを特徴とする、請求項7から14の何れかに記載のIII 族窒化物成膜用基板の製造方法。
- 前記成膜条件の変更の際に、AlN系薄膜の成膜を中断せずに連続して行なうことを特徴とする、請求項7から14の何れかに記載のIII 族窒化物成膜用基板の製造方法。
- 前記AlN系薄膜が、AlN薄膜であることを特徴とする、請求項7から16の何れかに記載のIII 族窒化物成膜用基板の製造方法。
- 前記請求項1から6の何れかによるIII 族窒化物成膜用基板を使用して、あるいは前記請求項7から17の何れかによる方法により製造されたIII 族窒化物成膜用基板を使用して、前記III 族窒化物成膜用基板上に半導体装置のデバイス構造の薄膜を形成することにより構成されたことを特徴とする、半導体装置。
- 前記半導体装置のデバイス構造が、発光ダイオード,レーザダイオード等の半導体発光素子であることを特徴とする、請求項18による半導体装置。
- 前記半導体装置のデバイス構造が、FET等の電子デバイスであることを特徴とする、請求項18または19による半導体装置。
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