JP2010287882A - 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】電性SiC単結晶基板2と、該SiC単結晶基板上に形成した絶縁層としてのバッファ3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、前記バッファは、Ba1Alb1Gac1Ind1N(0≦a1≦1,0<b1≦1,0≦c1≦1,0≦d1≦1,a1+b1+c1+d1=1)材料からなり、初期成長層5と、バンドギャップの異なる2層を交互に積層した超格子多層構造からなる。超格子積層体6、または、前記主積層体の前記バッファ側の部分の少なくとも一方は、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
(1)導電性SiC単結晶基板と、該SiC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SiC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Ba1Alb1Gac1Ind1N(0≦a1≦1, 0<b1≦1, 0≦c1≦1, 0≦d1≦1, a1+b1+c1+d1=1)材料からなり、かつ前記超格子積層体は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1層および該第1層とはバンドギャップの異なるBa3Alb3Gac3Ind3N(0≦a3≦1, 0≦b3≦1, 0≦c3≦1, 0≦d3≦1, a3+b3+c3+d3=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、または、前記主積層体の前記バッファ側の部分の少なくとも一方は、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。
d32N(0≦a3≦1, 0≦b3≦1, 0≦c3≦1, 0≦d3≦1, a3+b3+c3+d3=1)材料からなる第2層6bを交互に積層してなり、超格子積層体6および/または主積層体4のバッファ3側の部分4´は、C濃度が1×1018/cm3以上となるよう形成されることを特徴とし、かかる構成を有することにより、縦方向耐圧特性および横方向耐圧特性を良好に両立させ、かつ横方向リーク電流を低減させることができる電子デバイス用エピタキシャル基板を製造することができるものである。その他の不純物量については、特に指定されるものではないが、比較的不純物準位の浅いドナー不純物(Si,O,Ge)の混入は抑制することが好ましいものの、こうしたドナー準位を補償できる程度Cが含有されていれば、ある程度の混入は許容される。なお、不純物濃度は、SIMS分析を用いて、表面側からエッチングしながら、深さ方向の不純物濃度分布を測定した。この際、部分4´のみIII族元素の組成を変更したり、部分4´からチャネル層4aのバッファ層とは反対側の部分のCの濃度あるいはIII族元素の組成を変化させる場合、急峻に変化させることもできるし、連続的に変化させることもできる。
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、10Ω・cm、100Ω・cmの300μm厚の(0001)面3インチ6H-SiC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1〜3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。
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。
光学顕微鏡(100倍)で、全ての実験例で作製したエピタキシャル基板の表面を観察したが、クラックの発生は認められなかった。
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2に示す条件で行ったこと以外は、実験例1の試料1〜3と同様の方法により試料4〜6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。
光学顕微鏡(100倍)で、全ての実験例で作製したエピタキシャル基板の表面を観察したが、クラックの発生は認められなかった。
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3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7を作製した。
初期成長層を、Al0.5Ga0.5N材料とした以外は、実験例1の試料1〜3と同様の方法により、試料8〜10を作成し、同様の実験を行った。その結果、図3(a)、図3(b)および図3(c)と同様の結果が全ての試料で確認され、シート抵抗値450Ω/□以下(四角)、移動度は1550cm2/Vs以上と良好な特性を示すことが確認されていた。
光学顕微鏡(100倍)で、全ての実験例で作製したエピタキシャル基板の表面を観察したが、クラックの発生は認められなかった。
初期成長層を、Al0.5Ga0.5N材料とした以外は、実験例2の試料4〜6と同様の方法により、試料11〜13を作成し、同様の実験を行った。その結果、図4(a)、図4(b)および図4(c)と同様の結果が全ての試料で確認された。
光学顕微鏡(100倍)で、全ての実験例で作製したエピタキシャル基板の表面を観察したが、クラックの発生は認められなかった。
2 導電性SiC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 (7)
- 導電性SiC単結晶基板と、該SiC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SiC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Ba1Alb1Gac1Ind1N(0≦a1≦1, 0<b1≦1, 0≦c1≦1, 0≦d1≦1, a1+b1+c1+d1=1)材料からなり、かつ前記超格子積層体は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1層および該第1層とはバンドギャップの異なるBa3Alb3Gac3Ind3N(0≦a3≦1, 0≦b3≦1, 0≦c3≦1, 0≦d3≦1, a3+b3+c3+d3=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、または、前記主積層体の前記バッファ側の部分の少なくとも一方は、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。
- 前記超格子積層体、および、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。
- 前記第1層がAlN材料からなり、前記第2層がAlb3Gac3N(a3=0, 0<b3≦0.5,0.5≦c3<1, d3=0)材料からなる請求項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。
- 前記初期成長層がBa1Alb1Gac1Ind1N(0≦a1≦1, 0.5≦b1≦1, 0≦c1≦1, 0≦d1≦1, a1+b1+c1+d1=1)材料からなる請求項1、2または3に記載の電子デバイス用エピタキシャル基板。
- 前記初期成長層がAlN材料からなる請求項1、2または3に記載の電子デバイス用エピタキシャル基板。
- 導電性SiC単結晶基板と、該SiC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の製造方法であって、前記バッファは、前記SiC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Ba1Alb1Gac1Ind1N(0≦a1≦1, 0<b1≦1, 0≦c1≦1, 0≦d1≦1, a1+b1+c1+d1=1)材料からなり、かつ前記超格子積層体は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1層および該第1層とはバンドギャップの異なるBa3Alb3Gac3Ind3N(0≦a3≦1, 0≦b3≦1, 0≦c3≦1, 0≦d3≦1, a3+b3+c3+d3=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、または、前記主積層体の前記バッファ側の部分の少なくとも一方は、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の製造方法。
- 前記超格子積層体、および、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以上である請求項6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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