JP2013008938A - 窒化物半導体基板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板1と、前記基板1の一主面上に形成されるバッファー層2と、前記バッファー層2上に形成される中間層3と、前記中間層3上に形成される電子走行層4と、前記電子走行層4上に形成される電子供給層5とを含む窒化物半導体基板10において、前記中間層3を厚さ200nm以上1500nm以下、炭素濃度5×1016atoms/cm3以上1×1018atoms/cm3以下のAlxGa1-xN(0.05≦x≦0.24)とし、前記電子走行層4が厚さ5nm以上200nm以下のAlyGa1-yN(0≦y≦0.04)とする。
【選択図】図1
Description
しかし、特許文献1に記載の技術は、ピンチオフ特性の向上に有効といえるが、しきい値電圧と電流コラプスの改善という点では、必ずしも十分ではなかった。
このような構成をとることで、より高いしきい値電圧と電流コラプス改善を両立できる、ノーマリーオフ型の高耐圧デバイスに好適な窒化物半導体基板とすることができる。
図1は、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板を断面から見た概念図である。
200nm未満では、本発明の効果がみられる程度の電子量とするには、著しく膜厚が不足しているので好ましくない。一方、1500nmを超えると、耐圧が低下してしまうため、これも好ましくない。
しかしながら、5×1016atoms/cm3より低い炭素濃度では、伝導帯引上げ効果が十分に得られず、逆に、1×1018atoms/cm3より高い濃度では、高炭素濃度によるコラプス特性低下の影響が懸念されるため、いずれも好ましくない。
電子走行層4の厚さが5nm未満では、全体に均一に成膜することが困難なほど薄い膜であり、膜厚が不均一になることによる特性劣化が懸念され好ましくない。一方、200nmを超えると、伝導帯引上げ効果が十分に得られず、しきい値電圧の向上効果が低減してしまうため、これも好ましくない。
しかしながら、5×1016atoms/cm3より低い炭素濃度では、欠陥によるフェルミ準位の上昇抑制と電子走行層として形成されるGaN層の伝導帯引上げ効果が十分に得られず、好ましくない。一方、1×1018atoms/cm3より高い濃度では、高炭素濃度によるコラプス特性低下の影響が懸念されるため、これも好ましくない。
図1に示すような層構造を備えた窒化物半導体基板10を、以下の工程により作製した。共通する製造方法として、直径3インチ、ドーパントタイプn型、厚さ625μm、面方位(100)のSi単結晶からなる基板1をMOCVD装置にセットし、窒化物半導体の原料として、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、アンモニア(NH3)、メタン(CH4)を用い、形成する層に応じてこれらの原料を適宜使い分け、気相成長温度を1000℃にして、各層を形成した。なお、各層の組成及び厚さの調整は、各原料の選定、流量、圧力及び供給時間の調整により行った。
中間層3のAl組成、膜厚、炭素濃度、電子走行層4の膜厚、炭素濃度を変更し、これ以外は試料1に準ずる窒化物半導体基板10を作製し、評価を行った。
下記表1に作製条件と評価結果を示す。なお、備考欄に、前述の2つの評価項目以外の特性で、何らかの変化が見られたものについて記載した。また、参考として、一部の試料について、X線ロッキングカーブ半値幅を記載した。
また、電流コラプスについても、試料1と比較して、ストレス電圧印加後の電流値が印加前の半分以上の場合は良好、それ以下の場合は低下、と判断した。
バッファー層2を以下に示すような構成とし、これ以外は試料1に準ずる窒化物半導体基板10を作製し、試料30とした。
試料30のバッファー層2は、初期バッファー層と周期堆積層とにより構成した。まず、初期バッファー層として、厚さ100nmでAlN単結晶層と厚さ200nmでAl0.1Ga0.9N単結晶層を積層させた。次いで、周期堆積層として、厚さ25nmでGaN単結晶層を形成し、続けて、厚さ5nmでAlN単結晶層を積層させ、これらを同様の工程にて交互に繰り返し、各6層、合計12層積層させた後、さらに、厚さ220nmでGaN層を形成し、これらを1組とした複合層を、6組繰り返し積層した。
さらに、バッファー層2の構成を試料30と同様にし、それ以外は試料2に準ずる窒化物半導体基板10を作製し、試料32とした。
一方、本発明の好ましい実施範囲を外れたものは、しきい値電圧、電流コラプスの改善、さらには耐圧のいずれかの少なくとも一部で、特性的にやや劣るものが見られた。
なお、試料24は、上記の各特性は良好であったが、デバイスの抵抗が増加した。
また、試料30と試料31で特性に差が見られなかったことから、Si単結晶からなる基板1の面方位の違いによる窒化物半導体基板10の特性への影響はないことが確認された。
中間層3の成膜温度を変更し、これ以外は試料1に準ずる窒化物半導体基板10を作製して、評価を行った。表2に作製条件と評価結果を示す。
試料1の窒化物半導体基板10に対して、厚さ1nmのAlNスペーサー層6を、図2に示す位置に介在させた。AlNは、試料1の製造過程中で連続して成膜し、成長温度は1000℃とした。
2 バッファー層
3 中間層
4 電子走行層
5 電子供給層
6 AlNスペーサー層
10 窒化物半導体基板
Claims (4)
- 基板と、前記基板の一主面上に形成されるバッファー層と、前記バッファー層上に形成される中間層と、前記中間層上に形成される電子走行層と、前記電子走行層上に形成される電子供給層とを含む窒化物半導体基板であって、
前記中間層が、厚さ200nm以上1500nm以下、炭素濃度5×1016atoms/cm3以上1×1018atoms/cm3以下のAlxGa1-xN(0.05≦x≦0.24)であり、前記電子走行層が、厚さ5nm以上200nm以下のAlyGa1-yN(0≦y≦0.04)であることを特徴とする窒化物半導体基板。 - 前記中間層と前記電子走行層との間、及び、前記電子走行層と前記電子供給層との間に、それぞれ、AlNスペーサー層が介在していることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体基板。
- 前記バッファー層が、初期バッファー層と、前記初期バッファー層上に形成される周期堆積層からなり、
前記初期バッファー層は、AlN層とAlzGa1-zN(0≦z≦1)層がこの順で積層され、
前記周期堆積層は、GaN層とAlN層がこの順で複数回繰り返し積層され、さらにGaN層が形成されてなる1組の複合層が複数組積層されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体基板。 - 気相成長法を用いて請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板を製造する方法において、前記バッファー層上に前記中間層を形成する際の温度を970℃以上1250℃以下とすることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
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