JP2010028147A - Iii−v族化合物半導体の製造方法、ショットキーバリアダイオード、発光ダイオード、レーザダイオード、およびそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】III−V族化合物半導体の製造方法は、III族元素を含む原料を用いた有機金属気相成長法によってIII−V族化合物半導体を製造する方法である。まず、種基板を準備する準備工程(S10)を実施する。そして、III族元素を含む原料として0.01ppm以下のシリコンと、10ppm以下の酸素と、0.04ppm未満のゲルマニウムとを含む有機金属を用いて、種基板上にIII−V族化合物半導体を成長させる成長工程(S20)を実施する。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の実施の形態1におけるIII−V族化合物半導体の製造方法を示すフローチャートである。図1を参照して、本発明の実施の形態1におけるIII−V族化合物半導体の製造方法を説明する。実施の形態1におけるIII−V族化合物半導体の製造方法は、III族元素を含む原料を用いた有機金属気相成長法によってIII−V族化合物半導体を製造する方法である。
図2は、本発明の実施の形態2におけるショットキーバリアダイオードを示す概略断面図である。図2を参照して、本発明の実施の形態2におけるショットキーバリアダイオードを説明する。図2に示すように、実施の形態2におけるショットキーバリアダイオード100は、基板101と、ドリフト層102と、アノード電極103と、カソード電極104とを備えている。
図3は、本発明の実施の形態3における発光ダイオードを示す概略断面図である。図3を参照して、本発明の実施の形態3における発光ダイオードを説明する。実施の形態3における発光ダイオード200は、n型GaN基板と、n型GaN基板上に形成されたp型AlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)からなる層とを備えている。
図4は、本発明の実施の形態4におけるレーザダイオードを示す概略断面図である。図4を参照して、本発明の実施の形態4におけるレーザダイオードを説明する。実施の形態4におけるレーザダイオード300は、n型GaN基板と、n型GaN基板上に形成されたp型AlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)とを備えている。
本発明例1では、実施の形態1におけるIII−V族化合物半導体の製造方法にしたがって、アンドープのIII−V族化合物半導体を製造した。具体的には、準備工程(S10)では、サファイア基板を準備した。
比較例1におけるIII−V族化合物半導体の製造方法は、本発明例1におけるIII−V族化合物半導体の製造方法と基本的には同様の構成を備えているが、用いたIII族元素を含む原料が誘導結合プラズマ発光分析法で測定される0.02ppmのシリコンと、FT−NMRで測定される10ppm以下の酸素と、誘導プラズマ質量分析法で測定される検出下限0.04ppmで検出されないゲルマニウムとを含むTMGを用いた点においてのみ、本発明例1と異なる。
本発明例1および比較例1におけるIII−V族化合物半導体について、C−V(Capacitance-Voltage)法でキャリア濃度を測定した。また、SIMS(2次イオン質量分析法)で不純物濃度を測定した。測定結果を下記の表1に示す。
表1に示すように、本発明例1のIII族元素を含む原料として、0.01ppm以下のシリコンと、10ppm以下の酸素と、0.04ppm未満のゲルマニウムとを含むTMGを用いて製造されたIII−V族化合物半導体は、比較例1と比較して、低いキャリア濃度であった。また、アンドープのIII−V族化合物半導体として望まれる5×1015cm-3以下の低いキャリア濃度を達成できることが確認できた。
本発明例2では、実施の形態1におけるIII−V族化合物半導体の製造方法にしたがって、n型のIII−V族化合物半導体を製造した。本発明例2におけるIII−V族化合物半導体の製造方法は、基本的には、本発明例1におけるIII−V族化合物半導体の製造方法と同様の構成を備えているが、成長工程(S20)においてのみ、本発明例1と異なる。
比較例2のIII−V族化合物半導体の製造方法は、基本的には本発明例2と同様の構成を備えているが、成長工程(S20)においてn型不純物を含む他の原料としてH2を希釈した20ppmのモノシランガスを、比較例1で用いたIII族元素を含む原料であるTMG、V族元素を含む原料、およびキャリアガスとともに用いた点においてのみ異なる。
本発明例2および比較例2におけるIII−V族化合物半導体について、実施例1と同様にC−V法によりキャリア濃度を測定した。
本発明例2におけるIII−V族化合物半導体のキャリア濃度は、モノシランガスの供給量に応じて5×1015cm-3以上5×1016cm-3以下の範囲で変化した。このことから、Siによりn型キャリア濃度を良好に制御できたことがわかった。
本発明例3では、実施の形態2におけるショットキーバリアダイオードの製造方法にしたがって、図2に示すショットキーバリアダイオードを製造した。
比較例3におけるショットキーバリアダイオードの製造方法は、基本的には本発明例3におけるショットキーバリアダイオードの製造方法と同様の構成を備えているが、成長工程(S20)において比較例2のIII−V族化合物半導体の製造方法と同様の条件でドリフト層を成長させた点においてのみ異なる。なお、このGaN層(ドリフト層102)のn型のキャリア濃度は、5×1016cm-3であった。
本発明例3および比較例3におけるショットキーバリアダイオードについて、順方向および逆方向に電圧を印加したときの、電流と電圧との特性を直流に電圧を印加して測定した。その結果を表2、図5および図6に示す。なお、図5は、実施例3におけるショットキーバリアダイオードの順方向における電圧と電流密度との関係を示す図である。図5中、縦軸は電流密度(単位:A/cm-2)を、横軸は電圧(単位:V)を示す。また、図6は、実施例3におけるショットキーバリアダイオードの逆方向における電圧と電流密度との関係を示す図である。図6中、縦軸は電流密度(単位:A/cm-2)を、横軸は電圧(単位:V)を示す。
表2、図5、および図6に示すように、本発明例3におけるショットキーバリアダイオードは、n型のキャリア濃度が5×1015cm-3以上で十分低い範囲内であるため、比較例3と比較して、逆方向の電圧を印加した場合には、耐圧を向上できた。また、順方向の電圧を印加した場合には、本発明例3は、比較例3の低いオン抵抗とほぼ同様のオン抵抗となった。
本発明例4では、実施の形態2におけるショットキーバリアダイオードの製造方法にしたがって、図7に示すHEMTを製造した。なお、図7は、本発明例4のHEMTを示す概略断面図である。
比較例4におけるHEMTの製造方法は、基本的には本発明例4におけるHEMTの製造方法と同様の構成を備えているが、成長工程(S20)において比較例1のIII−V族化合物半導体の製造方法で用いたIII族元素を含む原料(シリコンを0.02ppm含むTMG)、V族元素を含む原料、およびキャリアガスを用いた点においてのみ異なる。
本発明例4および比較例4におけるHEMTについて、実施例3と同様に、逆方向に電圧を印加したときの、電流と電圧との特性を測定することにより、バッファ層112の耐圧と順方向抵抗を測定した。その結果を表3に示す。
表3に示すように、本発明例4におけるHEMTは、アンドープGaN層113のSi濃度が低かったため、比較例4と比較して、バッファ層112の耐圧が高く、順方向抵抗が低かった。なお、本発明例4および比較例4におけるHEMTは、アンドープGaN層113のキャリア濃度を非常に低く形成するために、格子欠陥や他の不純物を導入してn型キャリア濃度を補償した。本発明例4では、高純度TMGを用いたので、アンドープGaN層113のSi濃度が低いため、n型キャリアを補償するために導入する欠陥や不純物濃度を下げることができた。そのため、電子移動度を上げることができ、順方向抵抗を下げることができた。
本発明例5では、実施の形態2におけるショットキーバリアダイオードの製造方法にしたがって、図8に示す縦型トランジスタを製造した。なお、図8は、本発明例5の縦型トランジスタを示す概略断面図である。
比較例5における縦型トランジスタの製造方法は、基本的には本発明例5における縦型トランジスタの製造方法と同様の構成を備えているが、成長工程(S20)において比較例1で用いたIII族元素を含む原料(III−V族化合物半導体の製造方法で用いたシリコンを0.02ppm含むTMG)、V族元素を含む原料、およびキャリアガスを用いた点においてのみ異なる。
本発明例5および比較例5における縦型トランジスタについて、実施例3と同様に、逆方向に電圧を印加したときの、電流と電圧との特性を測定することにより、耐圧を測定した。その結果を表4に示す。
表4に示すように、本発明例5における縦型トランジスタは、アンドープGaN層113のキャリア濃度が低かったため、比較例5と比較して、耐圧が高かった。
本発明例6では、実施の形態3における発光ダイオードの製造方法にしたがって、図3に示す発光ダイオードを製造した。
比較例6における発光ダイオードの製造方法は、基本的には本発明例6における発光ダイオードの製造方法と同様の構成を備えているが、成長工程(S20)において比較例1で用いたIII族元素を含む原料(III−V族化合物半導体の製造方法で用いたシリコンを0.02ppm含むTMG)、V族元素を含む原料、およびキャリアガスを用いた点においてのみ異なる。
本発明例6および比較例6における発光ダイオードについて、p型電極およびn型電極に通電して、光出力を評価した。
本発明例6および比較例6の発光ダイオードは、460nmで発光した。その時の光出力は、本発明例6のLEDは比較例6のLEDよりも10%高かった。
本発明例7では、実施の形態4におけるレーザダイオードの製造方法にしたがって、図4に示すレーザダイオードを製造した。
比較例7におけるレーザダイオードの製造方法は、基本的には本発明例7におけるレーザダイオードの製造方法と同様の構成を備えているが、成長工程(S20)において比較例1で用いたIII族元素を含む原料(III−V族化合物半導体の製造方法で用いたシリコンを0.02ppm含むTMG)、V族元素を含む原料、およびキャリアガスを用いた点においてのみ異なる。
本発明例7および比較例7におけるレーザダイオードについて、p型電極およびn型電極に通電して、光出力を評価した。
本発明例7のレーザダイオードは、比較例7と比較して、閾値電流が10%低く、レーザ発振後の電流に対する出力の増加率であるスロープ効率が10%高かった。
Claims (16)
- III族元素を含む原料を用いた有機金属気相成長法によってIII−V族化合物半導体を製造する方法であって、
種基板を準備する準備工程と、
前記III族元素を含む原料として0.01ppm以下のシリコンと、10ppm以下の酸素と、0.04ppm未満のゲルマニウムとを含む有機金属を用いて、前記種基板上に前記III−V族化合物半導体を成長させる成長工程とを備える、III−V族化合物半導体の製造方法。 - 前記有機金属は、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム、およびトリメチルインジウムからなる群より選ばれた少なくとも一種の物質である、請求項1に記載のIII−V族化合物半導体の製造方法。
- 前記成長工程では、前記III−V族化合物半導体としてAlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)を成長させる、請求項1または2に記載のIII−V族化合物半導体の製造方法。
- 前記成長工程では、前記III−V族化合物半導体として窒化ガリウムを成長させる、請求項1または2に記載のIII−V族化合物半導体の製造方法。
- 前記成長工程では、n型不純物を含む他の原料を前記有機金属とともに用いることにより、n型のキャリア濃度が5×1016cm-3以下になるように、前記III−V族化合物半導体を成長させる、請求項1〜4のいずれかに記載のIII−V族化合物半導体の製造方法。
- 前記n型不純物は、シリコン、ゲルマニウム、および酸素の少なくとも1つの元素を含む、請求項5に記載のIII−V族化合物半導体の製造方法。
- 前記n型不純物を含む他の原料は、モノシラン、ジシラン、モノメチルシラン、ジメチルシラン、トリメチルシラン、テトラメチルシラン、トリエチルシラン、テトラエチルシラン、モノゲルマン、モノメチルゲルマニウム、テトラメチルゲルマニウム、テトラエチルゲルマニウム、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、および水からなる群より選ばれた少なくとも一種の物質である、請求項5に記載のIII−V族化合物半導体の製造方法。
- 前記成長工程では、p型不純物を含む他の原料を前記有機金属とともに用いることにより、p型の前記III−V族化合物半導体を成長させる、請求項1〜4のいずれかに記載のIII−V族化合物半導体の製造方法。
- 前記p型不純物を含む他の原料は、0.01ppm以下のシリコンを含むビスシクロペンタジエニルマグネシウムおよびビスエチルペンタジエニルマグネシウムの少なくとも一方を含む、請求項8に記載のIII−V族化合物半導体の製造方法。
- 請求項5に記載のIII−V族化合物半導体の製造方法を備えたショットキーバリアダイオードの製造方法であって、
前記準備工程では、種基板としてn型窒化ガリウム基板を準備し、
前記成長工程では、前記III−V族化合物半導体としてn型窒化ガリウムを成長させる、ショットキーバリアダイオードの製造方法。 - 請求項10に記載のショットキーバリアダイオードの製造方法により製造されるショットキーバリアダイオードであって、
前記n型窒化ガリウム基板と、
前記n型窒化ガリウム基板上に形成されたn型窒化ガリウムからなる層とを備える、ショットキーバリアダイオード。 - 前記n型窒化ガリウムからなる層のキャリア濃度は、5×1015cm-3以上5×1016cm-3以下である、請求項11に記載のショットキーバリアダイオード。
- 請求項8または9に記載のIII−V族化合物半導体の製造方法を備えた発光ダイオードの製造方法であって、
前記準備工程では、種基板としてn型窒化ガリウム基板を準備し、
前記成長工程では、前記III−V族化合物半導体としてp型AlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)を成長させる、発光ダイオードの製造方法。 - 請求項13に記載の発光ダイオードの製造方法により製造された発光ダイオードであって、
前記n型窒化ガリウム基板と、
前記n型窒化ガリウム基板上に形成されたp型AlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)からなる層とを備える、発光ダイオード。 - 請求項8または9に記載のIII−V族化合物半導体の製造方法を備えたレーザダイオードの製造方法であって、
前記準備工程では、種基板としてn型窒化ガリウム基板を準備し、
前記成長工程では、前記III−V族化合物半導体としてp型AlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)を成長させる、レーザダイオードの製造方法。 - 請求項15に記載のレーザダイオードの製造方法により製造されたレーザダイオードであって、
前記n型窒化ガリウム基板と、
前記n型窒化ガリウム基板上に形成されたp型AlxGayIn(1-x-y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)からなる層とを備える、レーザダイオード。
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