JP2010245504A - 電子デバイス用エピタキシャル基板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Si単結晶基2上にバッファ3と複数層のIII族窒化物層をエピタキシャル成長させて形成した主積層体4とを具え、横方向を電流導通方向とする電子デバイス用エピタキシャル基板であって、前記バッファ3は、前記Si単結晶基板2と接する初期成長層5および該初期成長層上の超格子多層構造からなる超格子積層体6を少なくとも有し、前記初期成長層5はAlN材料からなり、かつ前記超格子積層体6はBAlGaInN材料からなる第1層6aおよび該第1層6aとはバンドギャップの異なるBAlGaInN材料からなる第2層6bを交互に積層してなり、前記超格子積層体6と、前記主積層体4の前記バッファ側の部分は、ともにC濃度が1×1018/cm3以上であることを特徴とする。
【選択図】図2
Description
また、特許文献2に記載された発明は、超格子バッファ層内のリークは抑制できるものの、チャネル層と超格子バッファ層界面でのリークを十分に抑制できず、結果として、縦方向および横方向耐圧を共に劣化させる原因となっていた。
さらに、特許文献3、4は縦方向耐圧について考慮しておらず、バッファ層の耐圧に対する検討は全くされていないため、Si基板のような半導体基板に適応した場合、縦方向耐圧を確保することができなかった。
(1)Si単結晶基板と、該Si単結晶基板上に形成した絶縁層としてのバッファと、該バッファ上に複数層のIII族窒化物層をエピタキシャル成長させて形成した主積層体とを具え、横方向を電流導通方向とする電子デバイス用エピタキシャル基板であって、前記バッファは、前記Si単結晶基板と接する初期成長層および該初期成長層上の超格子多層構造からなる超格子積層体を少なくとも有し、前記初期成長層はAlN材料からなり、かつ前記超格子積層体はBa1Alb1Gac1Ind1N(0≦a1≦1, 0≦b1≦1, 0≦c1≦1, 0≦d1≦1, a1+b1+c1+d1=1)材料からなる第1層および該第1層とはバンドギャップの異なるBa2Alb2Gac2Ind2N(0≦a2≦1, 0≦b2≦1, 0≦c2≦1, 0≦d2≦1, a2+b2+c2+d2=1)材料からなる第2層を交互に積層してなり、前記超格子積層体と、前記主積層体の前記バッファ側の部分は、ともにC濃度が1×1018/cm3以上であることを特徴とする電子デバイス用エピタキシャル基板。
1)成膜温度を下げること、および
2)初期成長層AlNの島状成長を抑制し、二次元成長を促進すること
が重要となる。上記2)を実現するためには、Si多結晶基板表面の過度な窒化を抑制し、窒化膜厚を1nmより小さくするか、または窒化しないことが望ましい。Si単結晶基板表面を過度に窒化してしまうと、基板最表面での原料拡散速度が速くなり、AlNが島状成長してしまう結果、初期成長時の基板露出部分より、Al,GaといったIII族原料が拡散してしまうと推測されるからである。
第1の方法:Cを含む原料ガスを、III族窒化物成長中に別途添加する。メタン・エタン・エチレン・アセチレン・ベンゼン・シクロペンタン等が例示される。
第2の方法:有機金属中のメチル基・エチル基等を、成長III族窒化物成長条件によりエピタキシャル成長層に混入させる。有機金属の分解を抑えるように、成長温度・成長圧力・成長速度・成長時のアンモニア流量・水素流量・窒素流量等を適宜設定することにより、エピタキシャル成長層に添加されるC濃度を調整することが可能である。
なお、本願では、超格子積層体6のC濃度は、SIMSにより、超格子積層体6の厚さの1/2を除去した箇所の測定値とする。主積層体4のバッファ3側の部分4´のC濃度は、SIMSにより、前記部分4´の厚さの1/2を除去した箇所の測定値とする。
比抵抗がそれぞれ1×10-1Ω・cm,1×10Ω・cm,2×103Ω・cm,1×104Ω・cmの600μm厚の(111)面4インチSi単結晶基板上に、初期成長層(AlN材料:厚さ100nm)および超格子積層体(AlN:膜厚4nmとAl0.15Ga0.85N:膜厚25nm、合計85層)を成長させてバッファを形成し、この超格子積層体上にチャネル層(GaN材料:厚さ1.5μm)および電子供給層(Al0.25Ga0.75N材料:厚さ20nm)をエピタキシャル成長させてHEMT構造の主積層体を形成して試料1〜4を得た。超格子積層体のC濃度を変化させ、主積層体のバッファ側の部分のC濃度は、いずれの結果も、1.5〜2.0×1018/cm3の範囲であった。また、チャネル層の電子供給層側の部分は、C濃度が0.8〜3.5×1016/cm3の範囲であった。各層の成長温度、圧力を表1に示す。表中P1を調整することによりC濃度を調整し、成膜圧力を下げることによりC濃度を増加させている。成長方法としてはMOCVD法を使用し、III族原料としては、TMA(トリメチルアルミニウム)・TMG(トリメチルガリウム)、V族原料としてはアンモニアを用い、キャリアガスとして、水素および窒素ガスを用いた。ここでいう成膜温度は、成長中に放射温度計を用いて測定した、基板自体の温度を意味する。なお、C濃度のSIMS測定は、エピタキシャル層側からエッチングを行い、Cameca製の測定装置で、イオン源としてCs−を用い、イオンエネルギーは8keVで行った。
初期成長層を700℃で成長したGaN材料(厚さ:20nm)で形成し、各層の成長温度、圧力を表2に示す条件で行ったこと以外は、実験例1の試料2と同様の方法により試料5を作製した。
縦方向:基板表面に80μmφからなるTi/Al積層構造のオーミック電極を形成し、オーミック電極外側を50nmの厚みでエッチングした後、基板裏面を金属板に接地し、両電極間に流れる電流値を電圧に対して測定した。
横方向:200μm□(四角)からなるTi/Al積層構造のオーミック電極を各々の一辺を10μmの距離を離して配置して形成し、前記オーミック電極周囲を150nmの厚みでエッチングした後、両電極間に流れる電流値を電圧に対して測定した。この際、空気中の放電を抑制するため、絶縁油で両電極間を絶縁している。また、基板裏面へのリークの影響をなくすため、基板下には絶縁板を配置している。
本実験例において、縦方向耐圧は縦方向の電流値を上記電極面積で単位面積当たりの値に換算した値が10-4A/cm2に達する電圧値で、横方向耐圧は横方向の電流値を上記電極の1辺の長さ当たりの値に換算した値が10-4A/cmに達する電圧値で、横方向リーク電流は横方向が100Vでの電流値で、それぞれ定義する。
超格子積層体6のC濃度は、SIMSにより、超格子積層体6の厚さの1/2を除去した箇所を測定することにより得た。主積層体4のバッファ3側の部分4´のC濃度は、SIMSにより、前記部分4´の厚さの1/2を除去した箇所を測定値することにより得た。
超格子積層体の成長圧力を10kPaとして、主積層体のバッファ側の部分のC濃度を変化させ、各層の成長温度、圧力を表3に示す条件で行ったこと以外は、実験例1の試料1〜4と同様の方法により試料6〜9を作製した。表中P2を調整することによりC濃度を調整し、成膜圧力を下げることによりC濃度を増加させている。超格子積層体のC濃度は、いずれの結果も1.5〜2.5×1018/cm3の範囲であった。
比抵抗6×103Ω・cmの600μm厚の(111)面4インチSi単結晶基板上に、初期窒化層の形成を抑制しつつ、初期成長層(AlN材料:厚さ100nm)および超格子積層体(AlN:膜厚4nmとAl0.15Ga0.85N:膜厚25nm、合計85層)を成長させてバッファを形成し、この超格子積層体上にチャネル層(GaN材料:厚さ1.5μm)および電子供給層(Al0.25Ga0.75N材料:厚さ20nm)を、成長圧力、成長温度を表4の条件でエピタキシャル成長させ、HEMT構造の主積層体を形成して試料10を得た。超格子積層体のC濃度は2.0×1018/cm3であり、主積層体のバッファ側の0.2μm厚の部分のC濃度は3.0×1018/cm3であった。また、チャネル層の電子供給層側の部分は、C濃度は1×1016/cm3としている。
比抵抗5×103Ω・cmの600μm厚の(111)面4インチSi単結晶基板上に、初期成長層成長開始前に、アンモニアガスを、キャリアガスである水素ガスに対し、10%含有したガスのみを5分間1050℃で流すことにより、初期窒化層を意図的に形成した以外は、試料2と同様に試料14を作製した。
初期成長層からチャネル層の成長温度を表5に示す条件で上昇させた以外は、試料10と同様に試料15を作製した。
特に、試料2と試料14との比較から、窒化厚を薄くすることにより、試料2と試料15との比較からエピタキシャル層の成膜温度を低くすることにより、上記効果を引き出すことができたと推察される。
2 Si単結晶基板
3 バッファ
4 主積層体
4a チャネル層
4b 電子供給層
5 初期成長層
6 超格子積層体
6a 第1層
6b 第2層
Claims (5)
- Si単結晶基板と、該Si単結晶基板上に形成した絶縁層としてのバッファと、該バッファ上に複数層のIII族窒化物層をエピタキシャル成長させて形成した主積層体とを具え、横方向を電流導通方向とする電子デバイス用エピタキシャル基板であって、
前記バッファは、前記Si単結晶基板と接する初期成長層および該初期成長層上の超格子多層構造からなる超格子積層体を少なくとも有し、
前記初期成長層はAlN材料からなり、かつ前記超格子積層体はBa1Alb1Gac1Ind1N(0≦a1≦1, 0≦b1≦1, 0≦c1≦1, 0≦d1≦1, a1+b1+c1+d1=1)材料からなる第1層および該第1層とはバンドギャップの異なるBa2Alb2Gac2Ind2N(0≦a2≦1, 0≦b2≦1, 0≦c2≦1, 0≦d2≦1, a2+b2+c2+d2=1)材料からなる第2層を交互に積層してなり、
前記超格子積層体と、前記主積層体の前記バッファ側の部分は、ともにC濃度が1×1018/cm3以上であることを特徴とする電子デバイス用エピタキシャル基板。 - 前記第1層がAlN材料からなり、前記第2層がAlb2Gac2N(a2=0, 0<b2≦0.5,0.5≦c2<1,d2=0)材料からなる請求項1に記載の電子デバイス用エピタキシャル基板。
- 前記Si単結晶基板は、比抵抗が1000Ω・cm以上で、前記初期成長層から0.1μmの深さまでのIII族原子の合計の最大濃度が1×1016/cm3以下であり、かつ前記初期成長層から0.3μmの深さの位置でのIII族原子の合計濃度が1×1015/cm3以下である請求項1または2に記載の電子デバイス用エピタキシャル基板。
- Si単結晶基板上に、絶縁層としてのバッファと、該バッファ上に複数層のIII族窒化物層をエピタキシャル成長させた主積層体とを順に形成した、横方向を電流導通方向とする電子デバイス用エピタキシャル基板の製造方法であって、
前記バッファは、前記Si単結晶基板と接する初期成長層および該初期成長層上の超格子多層構造からなる超格子積層体を少なくとも有し、
前記初期成長層はAlN材料からなり、かつ前記超格子積層体はBa1Alb1Gac1Ind1N(0≦a1≦1, 0≦b1≦1, 0≦c1≦1, 0≦d1≦1, a1+b1+c1+d1=1)材料からなる第1層および該第1層とはバンドギャップの異なるBa2Alb2Gac2Ind2N(0≦a2≦1, 0≦b2≦1, 0≦c2≦1, 0≦d2≦1, a2+b2+c2+d2=1)材料からなる第2層を交互に積層してなり、
前記超格子積層体と、前記主積層体の前記バッファ側の部分は、ともにC濃度が1018/cm3以上となるよう形成されることを特徴とする電子デバイス用エピタキシャル基板の製造方法。 - 前記Si単結晶基板は、比抵抗が1000Ω・cm以上で、前記初期成長層から0.1μmの深さまでのIII族原子の合計の最大濃度が1×1016/cm3以下であり、かつ前記初期成長層から0.3μmの深さの位置でのIII族原子の合計濃度が1×1015/cm3以下となるよう形成される請求項4に記載の電子デバイス用エピタキシャル基板の製造方法。
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