JP2008053399A - Semiconductor structure and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板と当該基板上に形成される半導体層とが異なる材料から形成される半導体構造および半導体構造の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor structure in which a substrate and a semiconductor layer formed on the substrate are made of different materials, and a method for manufacturing the semiconductor structure.
従来、半導体層と異なる材料からなる基板上に、当該半導体層を成膜する技術は、基板の低コスト化等の理由で関心を集めてきた。特に、窒化物系化合物半導体(GaN、AlN,InN,BN、およびそれらの混晶)は、同材料で基板を作製することが困難であることから、上記の半導体層と異なる材料からなる基板上に当該半導体層を成長する技術を用いて、異種材料となるサファイア基板や炭化シリコン基板上に成膜が行われている。しかしながら、サファイア基板は熱伝導率が低いため、発熱し易い高出力型電子デバイス用途には向かない。また、炭化シリコン基板は製造メーカが事実上一社独占状態にあるため、調達コストが非常に高くなる。そこで、近年、価格が安価で安定供給が見込め、かつ大口径化が進んでいるシリコン基板を用いて、窒化物系化合物半導体層を成膜する試みがなされている。シリコン基板上へ成膜する際の課題は、シリコンの熱膨張係数と窒化物系化合物半導体の熱膨張係数が異なることから、一般に高温で成膜した後に降温すると、窒化物系化合物半導体に引っ張り歪みが加わって、クラック(ひび割れ)が入り易いことである。また、シリコンの格子定数と窒化物系化合物半導体の格子定数の差に由来する歪みも加わり易い。そこで、上記シリコン基板上への窒化物系化合物半導体層の成膜時に、上記のクラックの発生を抑制する方法が考案されている(特許文献1参照)。上記のクラックの発生を抑制する方法は、シリコン基板と目的とする窒化物系化合物半導体層との間に歪みを緩和する層を挿入することでクラックの発生を抑えるというものである。
しかしながら、上記のクラックの発生を抑制する方法では、シリコン基板を大口径化すること、または、基板材料と異なる材料からなる半導体層の膜厚を厚くすること等によって、歪みの発生量が多くなると、十分に緩和できず、クラックの発生を抑制できないといった問題があった。 However, in the above-described method for suppressing the occurrence of cracks, when the silicon substrate is enlarged or the thickness of the semiconductor layer made of a material different from the substrate material is increased, the amount of strain generated increases. However, there was a problem that it was not possible to sufficiently relax and the occurrence of cracks could not be suppressed.
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、基板材料と異なる材料からなる半導体層を当該基板上に形成する際に生じるクラックの発生を効果的に抑制することができる半導体構造および半導体構造の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these problems, and a semiconductor structure and a semiconductor capable of effectively suppressing generation of cracks that occur when a semiconductor layer made of a material different from a substrate material is formed on the substrate. An object is to provide a method of manufacturing a structure.
上記目的達成のため、本発明に係る半導体構造では、基板上に形成された緩衝層と、前記基板の材料と異なる材料で前記緩衝層上に形成された半導体層とを、少なくとも備えた半導体構造において、前記緩衝層は、InとBを含む窒化物系半導体材料からなることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a semiconductor structure according to the present invention includes at least a buffer layer formed on a substrate and a semiconductor layer formed on the buffer layer with a material different from the material of the substrate. The buffer layer is made of a nitride-based semiconductor material containing In and B.
また、請求項2に記載のように、本発明に係る半導体構造において、前記緩衝層は、InwBvAl1−w−vN(0<w<1、0<v<1、w+v≦1)層からなることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor structure according to the present invention, the buffer layer includes In w B v Al 1-wv N (0 <w <1, 0 <v <1, w + v ≦ 1) It is characterized by comprising layers.
また、請求項3に記載のように、本発明に係る半導体構造において、前記緩衝層は、少なくとも、InxAl1−xN(0<x≦1)層とByAl1−yN(0<y≦1)層との繰り返し構造からなることを特徴としている。
Further, as described in
また、請求項4に記載のように、請求項3に記載の本発明に係る半導体構造にいて、前記InxAl1−xN層および前記ByAl1−yN層は、組成傾斜構造を有することを特徴としている。
In addition, as described in claim 4, in the semiconductor structure according to the present invention described in
また、請求項5に記載のように、請求項3に記載の本発明に係る半導体構造にいて、前記緩衝層は、前記InxAl1−xN層と前記ByAl1−yN層と間に、InsBtAl1−s−tN(0<s<1、0<t<1、s+t≦1)層を備えることを特徴としている。
Further, as described in
また、請求項6に記載のように、請求項1乃至5のいずれかに記載の本発明に係る半導体構造にいて、前記基板の材料は、シリコンであることを特徴としている。 Further, as described in claim 6, in the semiconductor structure according to any one of claims 1 to 5, the material of the substrate is silicon.
また、請求項7に記載のように、請求項6に記載の本発明に係る半導体構造にいて、前記基板の面方位が(111)およびそれと等価な面方位であることを特徴としている。 According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor structure according to the sixth aspect of the present invention, the plane orientation of the substrate is (111) and a plane orientation equivalent thereto.
また、請求項8に記載のように、請求項1乃至7のいずれかに記載の本発明に係る半導体構造にいて、前記緩衝層の上下の一方または両方に、組成均一構造または組成傾斜構造を有するAlzGa1−zN(0≦z≦1)層を有することを特徴としている。 Further, as described in claim 8, in the semiconductor structure according to any one of claims 1 to 7, a uniform composition structure or a composition gradient structure is provided on one or both of the upper and lower sides of the buffer layer. It has an Al z Ga 1-z N (0 ≦ z ≦ 1) layer.
また、請求項9に記載のように、請求項1乃至8のいずれかに記載の本発明に係る半導体構造にいて、前記半導体層は、少なくとも1μm以上の膜厚を有するGaN層であることを特徴としている。 Further, as described in claim 9, in the semiconductor structure according to any one of claims 1 to 8, the semiconductor layer is a GaN layer having a thickness of at least 1 μm or more. It is a feature.
また、請求項10に記載のように、本発明に係る半導体構造の製造方法では、基板上に、InとBを含む窒化物系半導体材料からなる緩衝層を形成し、前記基板の材料と異なる材料で前記緩衝層上に半導体層を形成することを特徴としている。 According to a tenth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor structure according to the present invention, a buffer layer made of a nitride-based semiconductor material containing In and B is formed on a substrate, which is different from the material of the substrate A semiconductor layer is formed of the material on the buffer layer.
本発明により、基板と異なる材料からなる半導体層と当該基板との間にある緩衝層がInとBを含む窒化物系半導体材料から形成されているので、基板上に半導体層を形成する際に生じる歪みの発生量が多くなっても、クラックの発生を効果的に抑制することができる。 According to the present invention, since the semiconductor layer made of a material different from the substrate and the buffer layer between the substrate are formed of the nitride-based semiconductor material containing In and B, the semiconductor layer is formed on the substrate. Even if the amount of generated strain increases, the generation of cracks can be effectively suppressed.
また、緩衝層の上下の一方または両方に、組成均一構造または組成傾斜構造を有するAlzGa1−zN(0≦z≦1)層を備えることで、AlzGa1−zN(0≦z≦1)層と接合する層の格子定数と緩衝層の格子定数とのギャップを緩和できる。 In addition, by providing an Al z Ga 1-z N (0 ≦ z ≦ 1) layer having a uniform composition structure or a composition gradient structure on one or both of the upper and lower sides of the buffer layer, Al z Ga 1-z N (0 ≦ z ≦ 1) The gap between the lattice constant of the layer bonded to the layer and the lattice constant of the buffer layer can be relaxed.
以下に、本発明の第1乃至第5の実施形態に係る半導体構造である半導体積層構造10乃至50について、図1乃至図5を参照して説明する。
Hereinafter, semiconductor stacked
(第1の実施形態)
第1の実施形態に係る半導体積層構造10について図1を参照して説明する。図1は、第1の実施形態に係る半導体積層構造10を示す図である。第1の実施形態に係る半導体積層構造10は、直径3インチ、面方位(111)のシリコン基板1と、シリコン基板1上に形成されたAlN層2と、組成均一構造を有するAlN層2上に形成された緩衝層であるInAlN/BAlN超格子層(以下、超格子層とする。)11と、超格子層11上に形成された組成傾斜構造を有するAlzGa1−zN(0≦z≦1)層であるAl0.9−0.9uGa0.1+0.9uN(u=0→1)層12と、シリコン基板1の材料と異なる材料でAlGaN層12上に形成された半導体層である、膜厚5μmのGaN層13から形成されている。なお、AlGaN層12のAl組成比z=0.9−0.9uの変数uは、超格子層11側が0であり、GaN層13側が1である。これから、AlGaN層12はGaN層13とつながりが良くなる。また、本発明の特徴部分である超格子層11は、膜厚45nmのIn0.2Al0.8N層14と、膜厚5nmのB0.1Al0.9N層15との30ペアで形成されている。
(First embodiment)
A
以下、InxAl1−xN(0<x≦1)およびByAl1−yN(0<y≦1)について説明する。従来、InAlNおよびBAlNは、各々単独での成長で良好な結晶品質が得られなかったため、多層膜構造で用いることを検討されることはなかった。また、InAlNとBAlNは、ともにAlNをベースとして、インジウムInとホウ素Bを添加しているが、インジウムInとホウ素Bの添加によって全く異なる特性を発現する。インジウムInを添加したInAlNにおいて、インジウムInが結晶欠陥を減少させる効果を持つこと、また、インジウムInによりInAlNの格子歪みの許容度がAlNよりも増加することによって割れ(クラック)が入り難くなる。また、インジウムInの組成比xを増加させていくと、インジウムInの組成比x=0.17までは、InAlNの格子定数がAlNよりもGaNに近づくため、半導体積層構造中の格子定数の変化を緩やかにする。更に、インジウムInの組成比xを0.17よりも増加させた場合、InAlNの格子定数がGaNよりも大きくなるため、InAlN層が圧縮歪みを受けることになるが、インジウムInの組成比xが増加しているので、格子歪みの許容度も大きくなる。なお、インジウムInの組成比xを0.4まで増加させると、結晶欠陥が増大するため、InAlNのインジウムInの組成比xは0.4以下とするのが望ましい。 Hereinafter, In x Al 1-x N (0 <x ≦ 1) and B y Al 1-y N (0 <y ≦ 1) will be described. Conventionally, InAlN and BAlN have not been considered to be used in a multilayer structure because good crystal quality cannot be obtained by their growth alone. InAlN and BAlN are both based on AlN and added with indium In and boron B. However, the addition of indium In and boron B exhibits completely different characteristics. In InInN to which indium In is added, indium In has an effect of reducing crystal defects, and indium In increases the tolerance of lattice distortion of InAlN as compared with AlN, so that cracks are hardly generated. Further, when the composition ratio x of indium In is increased, the lattice constant of InAlN is closer to GaN than that of AlN until the composition ratio x = 0.17 of indium In. To loosen. Further, when the composition ratio x of indium In is increased from 0.17, the lattice constant of InAlN becomes larger than that of GaN, so that the InAlN layer is subjected to compressive strain, but the composition ratio x of indium In is Since it increases, the tolerance of lattice distortion also increases. When the composition ratio x of indium In is increased to 0.4, crystal defects increase. Therefore, the composition ratio x of indium In in InAlN is desirably 0.4 or less.
一方、ホウ素Bを添加したBAlNにおいて、BAlNの格子定数がAlNの格子定数よりも小さくなり、また成長表面を適度に荒らす効果を持つ。また、ホウ素Bの組成比yに応じて、BAlNの面方向の熱膨張係数がSi基板の熱膨張係数にAlNよりも近づくため、結晶成長中および成長後の降温時に、結晶成長層とSi基板との熱膨張係数差によるクラックが入り難くなる。しかし、ホウ素Bの組成比yが0.2まで高くなると、局所的に六方晶系から立方晶系に遷移して成長が行われてしまうため、BAlNのホウ素Bの組成比yは0.2以下とするのが望ましい。 On the other hand, in BAlN to which boron B is added, the lattice constant of BAlN is smaller than that of AlN, and the growth surface is appropriately roughened. In addition, since the thermal expansion coefficient in the plane direction of BAlN is closer to that of the Si substrate than that of AlN according to the composition ratio y of boron B, the crystal growth layer and the Si substrate during the crystal growth and during the temperature drop after the growth. And cracks due to differences in thermal expansion coefficient are difficult to enter. However, when the composition ratio y of boron B is increased to 0.2, the growth proceeds locally from the hexagonal system to the cubic system. Therefore, the composition ratio y of boron B in BAlN is 0.2. The following is desirable.
上記のInAlNおよびBAlNの性質は、従来、発案されているAlN、AlGaN等の各々の層と比較して大きな差を持ち、全く異なる性質を有するInAlNおよびBAlNの2層の組み合わせにより、格子歪みに対する緩衝層として優れた特性を示す。第1の実施形態のIn0.2Al0.8N層14とB0.1Al0.9N層15で緩衝層を構成した場合、緩衝層としての特性は、In0.2Al0.8N層14とB0.1Al0.9N層15の2層の組み合わせ数が最低4ペアから発現する。しかし、直径3インチの大口径シリコン基板1にGaN層13を成長させる場合、緩衝層の持つ歪み許容度から10ペア以上堆積するのが望ましいので、第1の実施形態では、緩衝層として、In0.2Al0.8N層14とB0.1Al0.9N層15の2層の組み合わせ数を30ペアとした超格子層11を形成している。なお、In0.2Al0.8N層14とB0.1Al0.9N層15の膜厚は、In0.2Al0.8N層14とB0.1Al0.9N層15が単独で各性質を発現しない膜厚とする必要があり、300nm以下とするのが望ましい。第1の実施形態では、In0.2Al0.8N層14の膜厚を45nmと、B0.1Al0.9N層15の膜厚を5nmとしている。更に、第1の実施形態では、超格子層11上に目的とするGaN層13を堆積する際に、超格子層11の平均格子定数と目的とするGaN層13の格子定数とのギャップを緩和するために、超格子層11とGaN層13の間に、Al0.9−0.9uGa0.1+0.9uN(u=0→1)層12を挿入している。また、シリコン基板1上に形成する超格子層11の初期成長状態をより良好なものとするために、ぬれ性に優れ、また核形成層としても有効に働くAlN層2をシリコン基板1と超格子層11の間に挿入する。
The properties of the above InAlN and BAlN have a large difference compared to the conventional layers of AlN, AlGaN, etc., and the combination of two layers of InAlN and BAlN having completely different properties makes it possible to prevent lattice distortion. Excellent properties as a buffer layer. When the buffer layer is composed of the In 0.2 Al 0.8 N layer 14 and the B 0.1 Al 0.9 N layer 15 of the first embodiment, the characteristics as the buffer layer are In 0.2 Al 0. .8 The number of combinations of two layers of the
次に、第1の実施形態に係る半導体積層構造10の製造方法について説明する。まず、直径3インチ、面方位(111)のシリコン基板1を、RCA法もしくはフッ酸溶液で洗浄し、清浄表面を得る。次に、MOCVD装置に洗浄済みシリコン基板1を装填し、水素雰囲気下で昇温してサーマルクリーニングを行う。クリーニング後、最初にAlN層2を結晶成長させ、次にIn0.2Al0.8N層14とB0.1Al0.9N層15とを交互に成長させる。次に、Al0.9−0.9uGa0.1+0.9uN(u=0→1)層12をシリコン基板1に近い方から順にAl組成比z=0.9−0.9uを減らしながら成長させ、次に成長させるGaN層13とのつながりを良くする。最後に、目的とするGaN層13を5μm成長させる。これらの層の成長には、V族原料の窒素原子Nの供給に優れる有機金属気相エピタキシ(MOVPE)法を用いている。
Next, a method for manufacturing the
これより、直径3インチ、面方位(111)のシリコン基板1上に5μmのGaN層13を堆積しようとした場合において、緩衝層である超格子層11が無い場合、途中でGaN層13が格子歪みに耐えられなくなってクラックが入ってしまうが、第1の実施形態のように、膜厚45nmのIn0.2Al0.8N層14と膜厚5nmのB0.1Al0.9N層15とを30ペア堆積させた超格子層11を用いることで、クラックが入ることなく、5μmのGaN層13を堆積させることができる。なお、GaN層13を上側、すなわち、シリコン基板1を下側として、レーザーを用いた反射型そり計測器により測定したところ、成長後のシリコン基板1の反りは、直径3インチのシリコン基板1の中心において上方向に30μmであった。また、目視によりクラックが発生していないことを確認した。
As a result, when a 5
以上より、第1の実施形態に係る半導体積層構造10に用いられた超格子層11が、膜厚45nmのIn0.2Al0.8N層14と、膜厚5nmのB0.1Al0.9N層15との30ペアで形成されることにより、シリコン基板1を大口径化すること、または、GaN層13の膜厚を厚くすること等で、シリコン基板1上にGaN層13を形成する際に生じる歪みの発生量が多くなっても、In0.2Al0.8N層14のインジウムInが結晶欠陥を減少させる効果を持つこと、インジウムInによりIn0.2Al0.8N層14の格子歪みの許容度がAlNよりも増加すること、B0.1Al0.9N層15のホウ素Bにより、AlNの熱膨張係数と比較して、B0.1Al0.9N層15の面方向の熱膨張係数がシリコン基板1の熱膨張係数によりも近づくため、結晶成長中および成長後の降温時に、結晶成長層とシリコン基板1との熱膨張係数差が小さくなることから、クラックの発生を効果的に抑制することができる。更に、第1の実施形態では、超格子層11とGaN層13の間に、組成傾斜構造を有するAl0.9−0.9uGa0.1+0.9uN(u=0→1)層12を挿入しているので、超格子層11の平均格子定数とGaN層13の格子定数とのギャップを緩和することができる。よって、半導体積層構造10の格子定数の変化を緩やかにすることができ、格子歪みを効果的に緩和することもできる。また、シリコン基板1と超格子層11の間に、ぬれ性に優れ、また核形成層としても有効に働くAlN層2を挿入しているので、シリコン基板1上に形成する超格子層11の初期成長状態をより良好なものとすることができる。
As described above, the
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態に係る半導体積層構造20について、第1の実施形態に係る半導体積層構造10と異なる点を中心に図2を参照して説明する。また、第2の実施形態に係る半導体積層構造20について、第1の実施形態に係る半導体積層構造10と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。なお、第2の実施形態に係る半導体積層構造20の製造方法は、第1の実施形態に係る半導体積層構造10の製造方法と同様である。
(Second Embodiment)
Next, the
図2は、第2の実施形態に係る半導体積層構造20を示す図である。第2の実施形態に係る半導体積層構造20は、直径3インチ、面方位(111)のシリコン基板1と、シリコン基板1上に形成されたAlN層2と、AlN層2上に形成された緩衝層であるInwBvAl1−w−vN(0<w<1、0<v<1、w+v≦1)層21と、InBAlN層21上に形成されたAlzGa1−zN(0≦z≦1)層22と、シリコン基板1の材料と異なる材料でAlGaN層22上に形成された半導体層であるAlInGaN層23から形成されている。ここで、第2の実施形態では、InBAlN層21の組成比w=0.1、組成比v=0.05、膜厚=5μmとしている。また、AlGaN層22の組成比z=0.3としているので、AlGaN層22は組成均一構造を備えている。更に、AlInGaN層23の膜厚は1μmである。これから、第2の実施形態の半導体積層構造20においても、In0.1B0.05Al0.85N層21を用いているので、第1の実施形態と同様の効果を取得することができる。
FIG. 2 is a view showing a
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態に係る半導体積層構造30について、第1の実施形態に係る半導体積層構造10と異なる点を中心に図3を参照して説明する。また、第3の実施形態に係る半導体積層構造30について、第1の実施形態と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。なお、第3の実施形態に係る半導体積層構造30の製造方法は、第1の実施形態に係る半導体積層構造10の製造方法と同様である。
(Third embodiment)
Next, a
図3は、第3の実施形態に係る半導体積層構造30を示す図である。第3の実施形態に係る半導体積層構造30は、直径3インチ、面方位(111)のシリコン基板1と、シリコン基板1上に形成されたAlN層2と、AlN層2上に形成された緩衝層であるInAlN/InBAlN/BAlN超格子層31と、InAlN/InBAlN/BAlN超格子層31上に形成されたAl0.9−0.9uGa0.1+0.9uN(u=0→1)層12と、シリコン基板1の材料と異なる材料でAlGaN層12上に形成された半導体層であるGaN層13から形成されている。なお、AlGaN層12のAl組成比z=0.9−0.9uの変数uは、超格子層11側が0であり、GaN層13側が1である。これから、AlGaN層12はGaN層13とつながりが良くなる。
FIG. 3 is a view showing a
ここで、第3の実施形態の特徴的部分であるInAlN/InBAlN/BAlN超格子層31は、膜厚20nmのInxAl1−xN(0<x≦1)層32と、膜厚10nmのInsBtAl1−s−tN(0<s<1、0<t<1、s+t≦1)層33と、膜厚30nmのByAl1−yN(0<y≦1)層34と、膜厚10nmのInsBtAl1−s−tN(0<s<1、0<t<1、s+t≦1)N層33との50ペアで形成されている。更に、InAlN/InBAlN/BAlN超格子層31の組成比x=0.4、y=0.2、s=0.2、t=0.1としている。これから、第3の実施形態の半導体積層構造30においても、InAlN/InBAlN/BAlN超格子層31を用いているので、第1の実施形態と同様の効果を取得することができる。また、第3の実施形態では、In0.4Al0.6N層32とB0.2Al0.8N層34の間にIn0.2B0.1Al0.7N層33を挿入しているので、InAlN/InBAlN/BAlN超格子層31中の格子定数の変化を緩やかにすることもできる。よって、InAlN/InBAlN/BAlN超格子層31中に発生する格子歪みを効果的に緩和することもできる。
Here, the InAlN / InBAlN /
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態に係る半導体積層構造40について、第1の実施形態に係る半導体積層構造10と異なる点を中心に図4を参照して説明する。また、第4の実施形態に係る半導体積層構造40について、第1の実施形態と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。なお、第4の実施形態に係る半導体積層構造40の製造方法は、第1の実施形態に係る半導体積層構造10の製造方法と同様である。
(Fourth embodiment)
Next, a
図4は、第4の実施形態に係る半導体積層構造40を示す図である。第4の実施形態に係る半導体積層構造40は、直径3インチ、面方位(111)のシリコン基板1と、シリコン基板1上に形成されたAlN層2と、AlN層2上に形成された緩衝層であるInAlN/BAlN超格子層41と、InAlN/BAlN超格子層41上に形成されたAl0.9−0.9uGa0.1+0.9uN(u=0→1)層12と、シリコン基板1の材料と異なる材料でAlGaN層12上に形成された半導体層であるGaN層13から形成されている。ここで、第4の実施形態の特徴的部分であるInAlN/BAlN超格子層41は、組成傾斜構造を有するIn0.01+0.39qAl0.99−0.39qN(q=0→1)層44と、組成傾斜構造を有するB0.01+0.19rAl0.99−0.19rN(r=0→1)層45との100ペアで形成されている。InAlN層44のIn組成比0.01+0.39qの変数qおよびBAlN層45のB組成比0.01+0.19rの変数rは、シリコン基板1側が0であり、GaN層13側が1である。
FIG. 4 is a view showing a
これより、第4の実施形態の半導体積層構造40においても、InAlN/BAlN超格子層41を用いているので、第1の実施形態と同様の効果を取得することができる。また、第4の実施形態では、組成傾斜構造を有するIn0.01+0.39qAl0.99−0.39qN(q=0→1)層44と組成傾斜構造を有するB0.01+0.19rAl0.99−0.19rN(r=0→1)層45からInAlN/BAlN超格子層41を形成しているので、InAlN/BAlN超格子層41中の格子定数の変化を緩やかにすることもできる。よって、InAlN/BAlN超格子層41中に発生する格子歪みを効果的に緩和することもできる。
From this, also in the semiconductor laminated
(第5の実施形態)
次に、第5の実施形態に係る半導体積層構造50について、第1の実施形態に係る半導体積層構造10と異なる点を中心に図5を参照して説明する。また、第5の実施形態に係る半導体積層構造50について、第1の実施形態と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。なお、第5の実施形態に係る半導体積層構造50の製造方法は、第1の実施形態に係る半導体積層構造10の製造方法と同様である。
(Fifth embodiment)
Next, a
図5は、第5の実施形態に係る半導体積層構造50を示す図である。第5の実施形態に係る半導体積層構造50は、直径3インチ、面方位(111)のシリコン基板1と、シリコン基板1上に形成されたAlN層2と、AlN層2上に形成された緩衝層であるInAlN/BAlN超格子層51と、InAlN/BAlN超格子層51上に形成されたAl0.9−0.9uGa0.1+0.9uN(u=0→1)層12と、シリコン基板1の材料と異なる材料でAlGaN層12上に形成された半導体層であるGaN層53から形成されている。また、InAlN/BAlN超格子層51は、膜厚10nmのIn0.1Al0.9N層54と、膜厚3nmのB0.05Al0.95N層55とのペアで形成されている。また、GaN層53の膜厚は3μmである。
FIG. 5 is a view showing a
第5の実施形態において、第1の実施形態同様、GaN層13を上側、すなわち、シリコン基板1を下側として、レーザーを用いた反射型そり計測器により測定したところ、成長後のシリコン基板1の反りは、直径3インチのシリコン基板1の中心において下方向に20μmであった。これから、成長後のシリコン基板1の反りを下方向にすることもできる。また、第5の実施形態の半導体積層構造50において、InAlN/BAlN超格子層51を用いているので、第1の実施形態と同様の効果を取得することができる。更に、InAlN/BAlN超格子層51のInAlN層54のインジウムInの組成比xが0.17に近づくので、InAlNの格子定数がAlNよりもGaNに近づき、半導体積層構造50中の格子定数の変化を緩やかにすることができる。よって、格子歪みを効果的に緩和することもできる。
In the fifth embodiment, as in the first embodiment, when the
なお、以上に述べた実施形態は、本発明の実施の一例であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、他の様々な実施形態に適用可能である。例えば、第1乃至第5の実施形態に係る半導体積層構造10乃至50の製造方法では、V族原料の窒素原子Nの供給に優れる有機金属気相エピタキシ(MOVPE)法を用いているが、特にこれに限定されるものでなく、他の方法、例えば、分子線エピタキシ(MBE)法やハロゲン化気相エピタキシ(HVPE)法なとの結晶成長法を用いることも可能である。
The embodiment described above is an example of the implementation of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto, and other various embodiments are within the scope described in the claims. It is applicable to. For example, in the manufacturing methods of the semiconductor stacked
また、第1乃至第5の実施形態では、直径3インチ、面方位(111)のシリコン基板1を使用しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の面方位、例えば、(110)、(100)のシリコン基板も使用可能である。また、他の材料の基板、例えば、サファイア基板、SiC基板、GaAs基板およびInP基板にも適用可能である。 In the first to fifth embodiments, the silicon substrate 1 having a diameter of 3 inches and a plane orientation (111) is used. However, the present invention is not particularly limited to this, and other plane orientations such as ( 110) and (100) silicon substrates can also be used. Moreover, it is applicable also to the board | substrate of another material, for example, a sapphire substrate, a SiC substrate, a GaAs substrate, and an InP substrate.
また、第1、第3乃至第5の実施形態では、シリコン基板1上に緩衝層を形成し、緩衝層上に半導体層であるGaN層13、53を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の窒化物系半導体層でも適用可能である。同様に、第2の実施形態では、緩衝層上にAlInGaN層23を形成しているが、他の窒化物系半導体層でも適用可能である。また、窒化物系半導体だけでなく、GaAs,InP,ZnSeなどを用いて半導体層を形成することも可能である。
In the first and third to fifth embodiments, the buffer layer is formed on the silicon substrate 1 and the GaN layers 13 and 53 as semiconductor layers are formed on the buffer layer. However, other nitride-based semiconductor layers are also applicable. Similarly, in the second embodiment, the
また、第1、第3乃至第5の実施形態では、InxAl1−xN層上にAlGaN層12が形成されているが、特にこれに限定されるものでなく、ByAl1−yN層上に形成されていても良い。しかし、第1、第3乃至第5の実施形態では、InxAl1−xN層上にAlGaN層12が形成されているほうが望ましい。同様に、第1、第3乃至第5の実施形態では、AlN層2上にByAl1−yN層が形成されているが、特にこれに限定されるものでなく、InxAl1−xN層が形成されていても良い。なお、第1、第3乃至第5の実施形態に示す半導体積層構造10、30乃至50では、AlN層2上にInxAl1−xN層が形成されていたほうがより良い。
In the first, third to fifth embodiments, an In x is Al
また、第1、第3乃至第5の実施形態の緩衝層をInAlN層とBAlN層から形成し、第2の実施形態の緩衝層をIn0.1B0.05Al0.85Nから形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、InとBを含む窒化物系半導体材料から形成すれば良い。 Further, the buffer layers of the first, third to fifth embodiments are formed from an InAlN layer and a BAlN layer, and the buffer layer of the second embodiment is formed from In 0.1 B 0.05 Al 0.85 N. However, it is not particularly limited to this, and it may be formed from a nitride-based semiconductor material containing In and B.
また、第1の実施形態に係る半導体積層構造10は、シリコン基板1と、シリコン基板1上に形成されたAlN層2と、AlN層2上に形成された超格子層11と、超格子層11上に形成されたAlGaN層12と、AlGaN層12上に形成されたGaN層13から形成されているが、特にこれに限定されるものでなく、他の層を追加しても良い。同様に、第2乃至第5の実施形態に係る半導体積層構造20乃至50においても、他の層を追加しても良い。
Further, the
また、第1の実施形態では、超格子層11上にAlGaN層12を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、無くても良い。しかし、AlGaN層12を形成することで、超格子層11の平均格子定数とGaN層13の格子定数のギャップを緩和することができる。同様に、第3乃至第5の実施形態でも、AlGaN層12を形成しているが、無くても良い。更に、第2の実施形態でも、AlGaN層22を形成しているが、無くても良い。
In the first embodiment, the
また、第1の実施形態では、シリコン基板1上にAlN層2を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、無くても本発明の効果を取得できる。しかし、AlN層2を形成することで、シリコン基板1上に形成する超格子層11の初期成長状態をより良好なものとすることができる。同様に、第2乃至第5の実施形態でも、AlN層2を形成しているが、無くても本発明の効果を取得できる。
In the first embodiment, the
また、第1、第3乃至第5の実施形態では、AlN層2上に超格子層を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、AlN層2と超格子層との間にAlzGa1−zN(0<z<1)層を形成しても良い。このようにすれば、AlN層2の格子定数と超格子層の平均格子定数とのギャップを緩和することができる。また、AlN層2を無くして、シリコン基板1と超格子層との間にAlzGa1−zN層を形成しても同様の効果を得られる。また、第2の実施形態では、AlN層2上にInBAlN層21を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、AlN層2とInBAlN層21との間にAlzGa1−zN層を形成しても良い。更に、AlN層2を無くして、シリコン基板1とInBAlN層21との間にAlzGa1−zN(0<z<1)層を形成しても良い。
In the first, third to fifth embodiments, the superlattice layer is formed on the
また、第1の実施形態では、インジウムInの組成比xを0.2としているが、特にこれに限定されるものでなく、インジウムInの組成比xは0<x≦1の範囲で選択できる。しかし、第1の実施形態に示す半導体積層構造10では、インジウムInの組成比xを0.4以上にすると結晶欠陥が増大するため、組成比xは0.4以下が望ましい。同様に、ホウ素Bの組成比yを0.1としているが、特にこれに限定されるものでなく、ホウ素Bの組成比yは0<y≦1の範囲で選択できる。しかし、第1の実施形態に示す半導体積層構造10では、ホウ素Bの組成比yを0.2以上にすると、局所的に六方晶系から立方晶系に遷移して成長が行われてしまうので、組成比yは0.2以下が望ましい。また、第2乃至第5の実施形態でも、同様に、インジウムInの組成比xは0<x≦1の範囲で選択でき、ホウ素Bの組成比yは0<y≦1の範囲で選択できるが、インジウムInの組成比xは0.4以下、ホウ素Bの組成比は0.2以下が望ましい。
In the first embodiment, the composition ratio x of indium In is 0.2. However, the composition ratio x of indium In can be selected within the range of 0 <x ≦ 1. . However, in the
また、第1の実施形態では、超格子層11を形成するIn0.2Al0.8N層14の膜厚を45nmと、B0.1Al0.9N層15の膜厚を5nmとしているが、特にこれに限定されるものでなく、各層が有する各性質を単独で発現しない膜厚である300nm以下であれば、何nmでも良い。同様に、第2乃至第5の実施形態における各緩衝層も、当該緩衝層が有する各性質を単独で発現しない膜厚である300nm以下であれば、何nmでも良い。
In the first embodiment, the thickness of the In 0.2 Al 0.8 N layer 14 forming the
また、第4の実施形態では、In0.01+0.39qAl0.99−0.39qN(q=0→1)層44のインジウムInの組成の変化およびB0.01+0.19rAl0.99−0.19rN(r=0→1)層45のホウ素Bの組成の変化は規則性を有しているが、特にこれに限定されるものでなく、不規則にしても良い。また、第4の実施形態では、上記の変化の形態は線形であるが、特にこれに限定されるものでなく、2次関数的変化または指数関数的変化でも適用の可能である。更に、第4の実施形態では、シリコン基板1側からGaN層13側に向けて、InAlN層44のインジウムInの組成比0.01+0.39qおよびBAlN層45のホウ素Bの組成比0.01+0.19rが増加するように、変数qおよびrをシリコン基板1側からGaN層13側に向けて増加させているが、特にこれに限定されるものでなく、GaN層13側からシリコン基板1側に向けて増加させても良い。
In the fourth embodiment, a change in the composition of indium In in the In 0.01 + 0.39q Al 0.99-0.39q N (q = 0 → 1)
1 シリコン基板、2 AlN層、
10 第1の実施形態に係る半導体積層構造、
11 InAlN/BAlN超格子層、
12 Al0.9−0.9uGa0.1+0.9uN(u=0→1)層、
13 GaN層、14 In0.2Al0.8N層、
15 B0.1Al0.9N層、
20 第2の実施形態に係る半導体積層構造、
21 In0.1B0.05Al0.85N層、
22 Al0.3Ga0.7N層、23 AlInGaN層、
30 第3の実施形態に係る半導体積層構造、
31 InAlN/InBAlN/BAlN超格子層、
32 In0.4Al0.6N層、33 In0.2B0.1Al0.7N層、
34 B0.2Al0.8N層、
40 第4の実施形態に係る半導体積層構造、
41 InAlN/BAlN超格子層、
44 In0.01+0.39qAl0.99−0.39qN(q=0→1)層、
45 B0.01+0.19rAl0.99−0.19rN(r=0→1)層、
50 第5の実施形態に係る半導体積層構造、
51 InAlN/BAlN超格子層、53 GaN層、
54 In0.1Al0.9N層、55 B0.05Al0.95N層、
1 silicon substrate, 2 AlN layer,
10 A semiconductor multilayer structure according to the first embodiment,
11 InAlN / BAlN superlattice layer,
12 Al 0.9-0.9u Ga 0.1 + 0.9u N (u = 0 → 1) layer,
13 GaN layer, 14 In 0.2 Al 0.8 N layer,
15 B 0.1 Al 0.9 N layer,
20 A semiconductor multilayer structure according to the second embodiment,
21 In 0.1 B 0.05 Al 0.85 N layer,
22 Al 0.3 Ga 0.7 N layer, 23 AlInGaN layer,
30. A semiconductor multilayer structure according to the third embodiment,
31 InAlN / InBAlN / BAlN superlattice layer,
32 In 0.4 Al 0.6 N layer, 33 In 0.2 B 0.1 Al 0.7 N layer,
34 B 0.2 Al 0.8 N layer,
40 A semiconductor multilayer structure according to the fourth embodiment,
41 InAlN / BAlN superlattice layer,
44 In 0.01 + 0.39q Al 0.99-0.39q N (q = 0 → 1) layer,
45 B 0.01 + 0.19r Al 0.99-0.19r N (r = 0 → 1) layer,
50 A semiconductor multilayer structure according to the fifth embodiment,
51 InAlN / BAlN superlattice layer, 53 GaN layer,
54 In 0.1 Al 0.9 N layer, 55 B 0.05 Al 0.95 N layer,
Claims (10)
前記緩衝層は、InとBを含む窒化物系半導体材料からなることを特徴とする半導体構造。 In a semiconductor structure comprising at least a buffer layer formed on a substrate and a semiconductor layer formed on the buffer layer with a material different from the material of the substrate,
The buffer layer is made of a nitride-based semiconductor material containing In and B.
前記基板の材料と異なる材料で前記緩衝層上に半導体層を形成することを特徴とする半導体構造の製造方法。
A buffer layer made of a nitride semiconductor material containing In and B is formed on the substrate,
A method of manufacturing a semiconductor structure, comprising forming a semiconductor layer on the buffer layer with a material different from a material of the substrate.
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